(5.4)-04金屬的塑性變形與再結(jié)晶

第4章

金屬的塑性變形與再結(jié)晶

返回總目錄教學(xué)提示：在機械制造中，廣泛采用軋制、鍛造、沖擊、冷壓與冷鐓等成形工藝，各種壓力加工方法都應(yīng)使金屬材料按預(yù)定的要求進行塑性變形，以使其內(nèi)部的組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而達到不同的性能指標。塑性變形是強化金屬的重要手段。變形后的金屬在加熱時發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，進一步影響工件最終的組織及性能。研究金屬材料塑性變形及再結(jié)晶過程，有助于深入理解變形加工過程中組織演變規(guī)律及各種力學(xué)性能變化的本質(zhì)，在生產(chǎn)實踐中充分發(fā)揮金屬材料的強度潛力，為確定合適的壓力加工工藝和退火工藝提供依據(jù)。教學(xué)要求：本章內(nèi)容主要是讓學(xué)生了解金屬塑性變形的實質(zhì)以及塑性變形的主要方式。熟悉金屬塑性變形后的組織結(jié)構(gòu)與性能之間的變化規(guī)律，以及變形金屬在加熱過程中組織結(jié)構(gòu)和性能變化的特點。掌握加工硬化的概念及其實際應(yīng)用；掌握熱加工工藝過程中控軋控冷的意義及最新進展?！?.1單晶體的塑性變形●4.2多晶體的塑性變形●4.3金屬的塑性變形對其組織和性能的影響●4.4回復(fù)和再結(jié)晶●4.5金屬材料的熱加工與控制●本章習(xí)題本章內(nèi)容4.1單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形的基本方式有兩種：滑移和孿生。4.1.1滑移變形所謂滑移變形，是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生相對滑動位移的現(xiàn)象。將一個表面經(jīng)過拋光的純鋅單晶進行拉伸試驗，在試樣的表面上出現(xiàn)了許多互相平行的傾斜線條痕跡，稱為滑移帶，如圖4.1所示。

(a)變形前試樣(b)變形后試樣圖4.1鋅單晶體拉伸試驗示意圖滑移變形有如下特點：(1)滑移變形只能在切應(yīng)力作用下才會發(fā)生，不同金屬產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力(稱滑移臨界切應(yīng)力)大小不同。鎢、鉬、鐵的滑移臨界切應(yīng)力比銅、鋁的要大。(2)滑移變形是晶體內(nèi)部位錯在切應(yīng)力作用下運動的結(jié)果。滑移并非是晶體兩部分沿滑移面作整體的相對滑移，而是通過位錯的運動來實現(xiàn)的。如圖4.2所示，在切應(yīng)力作用下，一個多余半原子面從晶體一側(cè)逐步運動到另一側(cè)，即位錯自左向右移動時，晶體就產(chǎn)生滑移變形。4.1單晶體的塑性變形圖4.2位錯運動引起的滑移變形(3)由于位錯每移出晶體一次即造成一個原子間距的變形量，因此晶體發(fā)生的總變形量一定是這個方向上的原子間距整數(shù)倍。(4)滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)進行，這是由于密排面之間、密排方向之間的距離最大，結(jié)合力最弱。因此滑移面為該晶體的密排面，滑移方向為該晶體的密排方向。一個滑移面與其上的一個滑移方向組成一個滑移系。如體心立方晶格中，(110)和即組成一個滑移系。三種常見的晶格的滑移系見表4-1?；葡翟蕉?，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好。滑移方向?qū)扑鸬淖饔帽然泼娲?，所以面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性更好。4.1單晶體的塑性變形表4-1金屬不同晶格的滑移系4.1單晶體的塑性變形晶格類型滑移面{110}6個{111}4個{0001}1個滑移方向<111>2個<110>3個3個滑移系數(shù)目6×2=12個4×3=12個1×3=3個(5)滑移變形時晶體伴隨有轉(zhuǎn)動。如圖4.3所示，在拉伸時，單晶體發(fā)生滑移，外力軸將發(fā)生錯動，產(chǎn)生一力偶，迫使滑移面向拉伸軸平行方向轉(zhuǎn)動。同時晶體還會以滑移面的法線為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，使滑移方向趨于最大切應(yīng)力方向。4.1單晶體的塑性變形圖4.3單晶體的滑移變形4.1.2孿生變形晶體在切應(yīng)力作用下，其一部分將沿一定的晶面(孿晶面)產(chǎn)生一定角度的切變，稱為孿生(twin)，其晶體學(xué)特征是晶體相對于孿晶面成鏡面對稱，如圖4.4所示。以孿晶面為對稱面的兩部分晶體稱為孿晶。發(fā)生孿生變形的部分稱為孿晶帶。4.1單晶體的塑性變形圖4.4孿晶中的晶格位向變化孿生與滑移不同，它只在一個方向上產(chǎn)生切變，是一個突變過程，孿晶的位向?qū)l(fā)生變化。孿生所產(chǎn)生的形變量很小，一般不一定是原子間距的整數(shù)倍。孿生萌發(fā)于局部應(yīng)力集中的地方，且孿生變形較滑移變形一次移動的原子較多，故其臨界切應(yīng)力遠高于滑移所需的切應(yīng)力。例如鎂的孿生臨界切應(yīng)力為5MPa～35MPa，而滑移臨界切應(yīng)力僅為0.5MPa。因此，只有在滑移變形難于進行時，才會產(chǎn)生孿生變形。一些具有密排六方結(jié)構(gòu)的金屬，由于滑移系少，特別是在不利于滑移取向時，塑性變形常以孿生變形的方式進行。而具有面心立方晶格與體心立方晶格的金屬則很少會發(fā)生孿生變形，只有在低溫或沖擊載荷下才發(fā)生孿生變形。4.1單晶體的塑性變形

多晶體的塑性變形與單晶體比較并無本質(zhì)上的區(qū)別，即每個晶粒的塑性變形仍然以滑移等方式進行。但由于晶界的存在和每個晶粒中晶格位向不同，多晶體的塑性變形要比單晶體復(fù)雜得多，表現(xiàn)出以下不同于單晶體的特點。4.2多晶體的塑性變形1.不均勻的塑性變形過程由于每個晶粒的位向不相同，以致其內(nèi)部的滑移面及滑移方向分布也不一致，因此在外力作用下，各晶粒內(nèi)滑移系上的分切應(yīng)力也不相同，如圖4.5所示。有些晶粒所處的位向能使其內(nèi)部的滑移系獲得最大的分切應(yīng)力，并將首先達到臨界分切應(yīng)力值而開始滑移。這些晶粒所處的位向為易滑移位向，有稱為“軟位向”；還有些晶粒所處的位向，只能使其內(nèi)部滑移系獲得的分切應(yīng)力最小，最難滑移，被稱為“硬位向”。與單晶體塑性變形一樣，首批處于軟位向的晶粒，在滑移過程中也要發(fā)生轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的結(jié)果，可能會導(dǎo)致從軟位向逐步到硬位向，使之不再繼續(xù)滑移，而引起鄰近未變形的硬位向晶粒轉(zhuǎn)動到“軟位向”并開始滑移。由此可見，多晶體的塑性變形，先發(fā)生于軟位向晶粒，后發(fā)展到硬位向晶粒，是一個塑性變形有先后和不均勻的塑性變形過程。圖4.5中的A、B、C示意了不同位向晶粒的滑移次序。1.不均勻的塑性變形過程由于每個晶粒的位向不相同，以致其內(nèi)部的滑移面及滑移方向分布也不一致，因此在外力作用下，各晶粒內(nèi)滑移系上的分切應(yīng)力也不相同，如圖4.5所示。有些晶粒所處的位向能使其內(nèi)部的滑移系獲得最大的分切應(yīng)力，并將首先達到臨界分切應(yīng)力值而開始滑移。這些晶粒所處的位向為易滑移位向，有稱為“軟位向”；還有些晶粒所處的位向，只能使其內(nèi)部滑移系獲得的分切應(yīng)力最小，最難滑移，被稱為“硬位向”。與單晶體塑性變形一樣，首批處于軟位向的晶粒，在滑移過程中也要發(fā)生轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的結(jié)果，可能會導(dǎo)致從軟位向逐步到硬位向，使之不再繼續(xù)滑移，而引起鄰近未變形的硬位向晶粒轉(zhuǎn)動到“軟位向”并開始滑移。由此可見，多晶體的塑性變形，先發(fā)生于軟位向晶粒，后發(fā)展到硬位向晶粒，是一個塑性變形有先后和不均勻的塑性變形過程。圖4.5中的A、B、C示意了不同位向晶粒的滑移次序。4.2多晶體的塑性變形圖4.5多晶體金屬中各晶粒所處位向

2.晶粒間位向差阻礙滑移由于各相鄰晶粒之間存在位向差，當一個晶粒發(fā)生塑性變形時，周圍的晶粒如不發(fā)生塑性變形就不能保持晶粒間的連續(xù)性，甚至造成材料出現(xiàn)孔隙或破裂。存在于晶粒間的這種相互約束，必須有足夠大的外力才能予以克服，即在足夠大的外力下，能使某晶粒發(fā)生滑移變形并能帶動或引起其他相鄰晶粒也發(fā)生相應(yīng)的滑移變形。這就意味著增大了晶粒變形的抗力，阻礙滑移的進行。3.晶界阻礙位錯運動晶界是相鄰晶粒的過渡區(qū)，原子排列不規(guī)則。當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來(即位錯的塞積)，如圖4.6所示。若使變形繼續(xù)進行，則必須增加外力，可見晶界使金屬的塑性變形抗力提高。圖4.7所示為雙晶粒試樣的拉伸試驗，在拉伸到一定的伸長量后觀察試樣，發(fā)現(xiàn)在晶界處變形很小，而遠離晶界的晶粒內(nèi)變形量很大。這說明晶界的變形抗力大于晶內(nèi)。4.2多晶體的塑性變形

綜上所述，金屬的晶粒越細，晶界總面積越大，需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，其塑性變形的抗力便越大，表現(xiàn)出強度越高。另外，金屬晶粒越細，在外力作用下，有利于滑移和能參與滑移的晶粒數(shù)目也越多。由于一定的變形量會由更多的晶粒分散承擔，不致造成局部的應(yīng)力集中，從而推遲了裂紋的產(chǎn)生，即使發(fā)生的塑性變形量很大也不致斷裂，表現(xiàn)出塑性的提高。在強度和塑性同時提高的情況下，金屬在斷裂前要消耗大量的功，因而其韌性也比較好。這進一步表明了細晶強化是金屬的一種很重要的強韌化手段。4.2多晶體的塑性變形圖4.6位錯在晶界處的堆積示意圖圖4.7晶界對拉伸變形的影響1.對組織結(jié)構(gòu)的影響1)顯微組織呈現(xiàn)纖維狀金屬發(fā)生塑性變形后，晶粒發(fā)生形變，原本等軸狀的晶粒沿形變方向相應(yīng)地被拉長或壓扁。當形變量很大時，晶粒變成細條狀或纖維狀，稱之為纖維組織，如圖4.8所示。這種組織導(dǎo)致沿纖維方向的力學(xué)性能比垂直纖維方向的高得多。

4.3金屬的塑性變形對其組織和性能的影響圖4.8變形前后晶粒形狀變化示意圖2)組織內(nèi)的亞晶粒增多金屬無塑性變形或塑性變形程度很小時，位錯分布是均勻的。但在大量變形之后，由于位錯運動及位錯間的交互作用，位錯分布變得不均勻了，并使晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒。在亞晶粒邊界上聚集著大量位錯，而其內(nèi)部位錯很少，如圖4.9所示。3)產(chǎn)生形變織構(gòu)金屬塑性變形到很大程度(70%以上)時，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，使各晶粒的位向大致趨近于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向，這種有序化的(晶粒的位向大致趨近于一致的)結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。形變織構(gòu)一般分為兩種：一種是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向，稱為絲織構(gòu)，例如低碳鋼經(jīng)大變形量冷拔后，其<100>平行于拔絲方向，如圖4.10(a)所示；另一種是各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向，稱為板織構(gòu)，低碳鋼的板織構(gòu)為{001}<110>，如圖4.10(b)所示。4.3金屬的塑性變形對其組織和性能的影響圖4.9金屬經(jīng)變形后的亞結(jié)構(gòu)圖4.10形變織構(gòu)示意圖2.對性能的影響①隨著塑性變形量的增加，金屬的強度、硬度升高，塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化(也稱為形變強化)，如圖4.11所示。位錯密度及其他晶體缺陷的增加是導(dǎo)致加工硬化的原因。一方面因為隨著變形量的增加，位錯密度急劇增高，位錯間的交互作用增強，相互纏結(jié)，造成位錯運動阻力的增大，引起塑性變形抗力提高。另一方面由于(晶粒碎化導(dǎo)致)亞晶界的增多，這使強度得以提高。在生產(chǎn)中可通過冷軋、冷拔(等冷加工工藝)提高鋼板或鋼絲的強度。②由于纖維組織和形變織構(gòu)的形成，使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。如沿纖維方向的強度和塑性明顯高于垂直方向的。具有形變織構(gòu)的金屬，在隨后的再結(jié)晶退火過程中極易形成再結(jié)晶織構(gòu)。用有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時，由于在不同方向上塑性差別很大，零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”，如圖4.12所示。4.3金屬的塑性變形對其組織和性能的影響圖4.11純銅冷軋后的力學(xué)性能與形變程度的關(guān)系

圖4.12因織構(gòu)造成深沖制品的

“制耳”示意圖在某些情況下，織構(gòu)的各向異性也有好處。制造變壓器鐵芯的硅鋼片，因沿[100]方向最易磁化，采用這種織構(gòu)可使鐵損大大減小，因而變壓器的效率大大提高。③塑性變形可影響金屬的物理、化學(xué)性能。如使電阻增大，耐腐蝕性降低。④由于金屬在發(fā)生塑性變形時，金屬內(nèi)部變形不均勻，位錯、空位等晶體缺陷增多，金屬內(nèi)部會產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。即外力去除后，金屬內(nèi)部會殘留下來應(yīng)力。殘余內(nèi)應(yīng)力會使金屬的耐腐蝕性能降低，嚴重時可導(dǎo)致零件變形或開裂。齒輪等零件，如表面通過噴丸處理后，可產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，則可提高疲勞強度。4.3金屬的塑性變形對其組織和性能的影響金屬材料在冷變形加工以后，為了消除殘余應(yīng)力或恢復(fù)其某些性能(如提高塑性、韌性，降低硬度等)，一般要對金屬材料進行加熱處理。而加工硬化雖然使塑性變形比較均勻，但卻給進一步的冷成形加工(例如深沖)帶來困難，所以常常需要將金屬加熱進行退火處理，以使其性能向塑性變形前的狀態(tài)轉(zhuǎn)化。對冷變形金屬加熱使原子擴散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。加熱時的組織與性能變化如圖4.13所示。4.4回復(fù)和再結(jié)晶圖4.13變形金屬在不同加熱溫度時晶粒大小和性能的變化示意圖

4.4.1回復(fù)回復(fù)是指冷變形金屬在較低溫度加熱時，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前(即再結(jié)晶晶粒形成前)所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程。產(chǎn)生回復(fù)的溫度為～式中，——該金屬的熔點，單位為絕對溫度(K)。由于加熱溫度不高，原子擴散能力不大，只是晶粒內(nèi)部位錯、空位、間隙原子等缺陷通過移動、復(fù)合消失而大大減少，所以晶粒仍保持變形后的形態(tài)，變形金屬的顯微組織不發(fā)生明顯的變化。此時材料的強度和硬度只略有降低，塑性有一定提高，但殘余應(yīng)力則大大降低。在生產(chǎn)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬進行低溫加熱，既可消除內(nèi)應(yīng)力穩(wěn)定組織又保留了加工硬化效果，這種方法稱為去應(yīng)力退火。例如，用冷拉鋼絲卷制彈簧，在卷成之后都要進行一次250℃～300℃的低溫處理，以消除內(nèi)應(yīng)力使其定形。4.4回復(fù)和再結(jié)晶

4.4.2再結(jié)晶當變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，在原先亞晶界上的位錯大量聚集處，形成了新的位錯密度低的結(jié)晶核心，并不斷長大為穩(wěn)定的等軸晶粒，取代被拉長及破碎的舊晶粒，同時性能也發(fā)生明顯的變化，并恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)，這個過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶過程是一個形核和長大的過程。再結(jié)晶過程并不是一個相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。再結(jié)晶不是一個恒溫過程，它是在一個溫度范圍內(nèi)發(fā)生的。冷變形金屬開始進行再結(jié)晶的最低溫度，稱為再結(jié)晶溫度。實驗表明，純金屬的再結(jié)晶溫度與其熔點有如下關(guān)系。

最低再結(jié)晶溫度與下列因素有關(guān)。1)預(yù)先變形度金屬再結(jié)晶前塑性變形的相對變形量稱為預(yù)先變形度。預(yù)先變形度越大，金屬的晶體缺陷就越多，組織越不穩(wěn)定，最低再結(jié)晶溫度也就越低。當預(yù)先變形度達到一定大小后，金屬的最低再結(jié)晶溫度趨于某一穩(wěn)定值，如圖4.14所示。4.4回復(fù)和再結(jié)晶4.4回復(fù)和再結(jié)晶圖4.14預(yù)先變形度對金屬再結(jié)晶溫度的影響

2)金屬的熔點熔點越高，最低再結(jié)晶溫度也就越高。3)雜質(zhì)與合金元素由于雜質(zhì)和合金元素特別是高熔點元素，阻礙原子擴散和晶界遷移，可顯著提高最低再結(jié)晶溫度。例如高純度鋁(99.999%)的最低再結(jié)晶溫度為80℃，而工業(yè)純鋁(99.0%)的最低再結(jié)晶溫度提高到了290℃，見表4-2。4.4回復(fù)和再結(jié)晶銅鋅合金(材

料再結(jié)晶溫度/℃材

料再結(jié)晶溫度/℃銅(無氧銅)鋁(99.999%)鎳(99.99%)20080370

)鋁(99.0%)鎳(99.4%)320290600表4-2幾種金屬和合金的再結(jié)晶溫度

4)加熱速度和保溫時間再結(jié)晶是一個擴散過程，需要一定時間才能完成。提高加熱速度會使再結(jié)晶在較高溫度下發(fā)生，而保溫時間越長，再結(jié)晶溫度越低。再結(jié)晶是物理冶金過程中一個十分重要現(xiàn)象。可以利用再結(jié)晶軟化材料，如經(jīng)過拉拔的線材發(fā)生了加工硬化，只有進行多次再結(jié)晶退火軟化后才能繼續(xù)拉拔直到最終尺寸。對于不能通過相變的細化晶粒的材料，可以通過形變再結(jié)晶工藝使晶粒得到細化。深沖鋼和硅鋼也要通過形變再結(jié)晶獲取合適的織構(gòu)，達到改善深沖性能和磁性的目的。4.4回復(fù)和再結(jié)晶

4.4.3晶粒長大再結(jié)晶階段結(jié)束后，金屬獲得了均勻細小的等軸晶粒。這些細小的晶粒具有潛伏長大的趨勢。如果再繼續(xù)升高溫度或者延長保溫時間，金屬的晶粒將會以互相吞并的方式繼續(xù)長大。這一階段稱為晶粒長大。再結(jié)晶的晶粒長大受以下因素的影響。1.加熱溫度與保溫時間的影響再結(jié)晶加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越大，其中加熱溫度的影響尤為顯著，如圖4.15所示。這是由于加熱溫度升高，原子擴散能力和晶界遷移能力增強，有利于晶粒長大。2.預(yù)先變形程度的影響預(yù)先變形程度對再結(jié)晶晶粒度的影響如圖4.16所示。預(yù)先變形度的影響，實質(zhì)上是變形均勻程度的影響。當變形程度很小時，由于金屬的畸變能也很小，不足以引起再結(jié)晶，因而晶粒仍保持原來的形狀。當變形程度達2%～10%時，金屬中只有部分晶粒發(fā)生變形，變形極不均勻，再結(jié)晶時形成的核心數(shù)不多，可以充分長大，從而導(dǎo)致再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。這個變形程度稱為臨界變形度，如圖4.16所示。生產(chǎn)中應(yīng)盡量避開這一變形程度。超過臨界變形程度之后，隨變形程度的增加，變形越來越均勻，再結(jié)晶時形成的核心數(shù)大大增多，故可獲得細小的晶粒，并且在變形量達到一定程度后，晶粒大小基本不變。4.4回復(fù)和再結(jié)晶4.4回復(fù)和再結(jié)晶圖4.15加熱溫度對晶粒度的影響圖4.16預(yù)先變形程度對晶粒度的影響

1.熱加工與冷加工的區(qū)別通常以再結(jié)晶溫度作為冷加工和熱加工的分界。低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工，高于再結(jié)晶溫度的加工稱為熱加工。但是，這樣的劃分不大嚴格。因為一般的再結(jié)晶溫度是在先變形后加熱，且在規(guī)定條件下測得的，與熱加工時加工硬化與再結(jié)晶兩個過程同時進行的情況不完全一致。有的加工雖在較高溫度下進行，但未能完全消除加工硬化，這種加工仍屬于冷加工。嚴格地說，對于所有的加工速度，材料能夠不斷地發(fā)生再結(jié)晶并在完全消除加工硬化的溫度下所進行的加工稱為熱加工。各種金屬材料的再結(jié)晶溫度相差很大。鎢在800℃變形仍為冷加工，而鉛在室溫變形就可稱為熱加工。由于在再結(jié)晶溫度以上金屬材料的塑性較好，且可消除加工硬化，故能連續(xù)承受很大的變形而不斷裂，這在生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用。4.5金屬材料的熱加工與控制

2.熱加工對金屬組織性能的影響熱加工不引起金屬的加工硬化，但因有回復(fù)和再結(jié)晶過程產(chǎn)生，金屬的組織和性能也發(fā)生顯著變化。1)改善鑄錠組織通過熱加工(如熱軋、鍛造等)可使金屬毛坯中的氣孔和疏松焊合，部分消除某些偏析，將粗大的柱狀晶粒與枝晶變?yōu)榧毿【鶆虻牡容S晶粒，改善夾雜物、碳化物的形態(tài)、大小與分布，其結(jié)果可使金屬材料致密程度與力學(xué)性能提高。2)細化晶粒熱加工的金屬經(jīng)過塑性變形和再結(jié)晶作用，一般可使晶粒細化，因而可以提高金屬的力學(xué)性能。但熱加工金屬的晶粒大小與變形程度和終止加工的溫度有關(guān)。變形程度小，終止加工的溫度過高，再結(jié)晶晶核長大又快，加工后得到粗大晶粒；相反則得到細小晶粒。但終止加工溫度不能過低，否則造成形變強化及殘余應(yīng)力。因此，制定正確的熱加工工藝規(guī)范，對改善金屬的性能有重要的意義。4.5金屬材料的熱加工與控制

3)形成鍛造流線金屬內(nèi)部的夾雜物(如MnS等)在高溫下具有一定的塑性，在熱變形過程中金屬錠中的粗大枝晶和各種夾雜物都要沿變形方向伸長，這樣就使金屬錠中枝晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向逐步與變形方向一致，使之變成條狀帶、線狀或片層狀，在宏觀試樣上沿著變形方向呈現(xiàn)為一條條的細線，這就是熱變形金屬中的流線。有一條條流線勾畫出來的這種組織稱為熱變形纖維組織。由于鍛造流線的出現(xiàn)，使金屬材料的性能在不同的方向上有明顯的差異。通常沿流線的方向，其抗拉強度及韌性高，而抗剪強度低。在垂直于流線方向上，抗剪強度較高，而抗拉強度較低。表4-3表示的碳鋼的力學(xué)性能與流線方向的關(guān)系。4.5金屬材料的熱加工與控制性能取樣方向縱向71547017.562.862橫向67544010.031.030表4-3碳鋼()力學(xué)性能與流線方向的關(guān)系采用正確的熱加工工藝，可以使流線合理分布，以保證金屬材料的力學(xué)性能。圖4.17(a)為鍛造曲軸，圖4.17(b)所示為切削加工曲軸的流線分布。很明顯，鍛造曲軸流線分布合理，因而其力學(xué)性能將較高。在生產(chǎn)上，廣泛采用鑄型鍛造方法以制造齒輪及中小型曲軸，用局部鐓粗法制造螺栓。熱處理方法是不能消除或改變工件中的流線分布的，而只能依靠適當?shù)乃苄宰冃蝸砀纳屏骶€的分布。在某些場合下，不希望金屬材料中出現(xiàn)各向異性，此時須采用不同方向的變形(如鍛造時采用鐓粗與拔長交替進行)以打亂流線的方向性。4)形成帶狀組織若鋼在鑄態(tài)下存在嚴重的夾雜物偏析，或熱變形加工時的溫度過低，則在鋼中出現(xiàn)沿變形方向呈帶狀或?qū)訝罘植嫉娘@微組織，稱為帶狀組織，如圖4.18所示。帶狀組織使鋼的性能變壞，特別是橫向的塑性、韌性降低。4.5金屬材料的熱加工與控制4.5金屬材料的熱加工與控制(a)鍛造的(b)切削過的圖4.17曲軸流線示意圖圖4.18鋼中帶狀組織

3.熱加工過程的控制1)控軋控冷技術(shù)控制軋制是通過熱軋工藝參數(shù)(加熱溫度、道次軋制溫度、壓下量)的最佳化，使奧氏體變成為細晶組織的技術(shù)?？刂评鋮s是在奧氏體相變的溫度區(qū)間進行某種程度的快速冷卻，使相變組織比單純控制軋制更加微細化，它是在奧氏體狀態(tài)的基礎(chǔ)上再對被控制的奧氏體進行相變控制。組織的控制軋制和控制冷卻技術(shù)稱為熱控制機械技術(shù)TMCP(ThermoMechanicalControlledProcessing)。運用控軋控冷技術(shù)能使鋼材獲得強度與低溫韌性均高的優(yōu)良性能，這已在軋鋼生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用。2)控軋控冷工藝參數(shù)控制特點控軋和控冷的工藝參數(shù)控制與普通熱軋工藝相比具有如下特點：①控制鋼坯加熱溫度。根據(jù)對鋼材性能的要求來確定鋼坯加熱溫度，對于要求溫度高而韌性可以稍差的微合金鋼，加熱溫度可以高于1200℃。對于韌性為主要性能指標的鋼材，則必須控制其加熱溫度在1150℃以下。②控制最后幾個軋制道次的軋制溫度。一般要求終軋道次的軋制溫度接近溫度，有時也將終軋溫度控制在()兩相區(qū)內(nèi)。③要求在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)域給予足夠的變形量。對于微合金鋼要求在900℃～950℃的總變形量大于50%，對于普通碳鋼通過多道次變形累計達到奧氏體發(fā)生再結(jié)晶。④要求控制軋后的鋼材冷卻速度、開始快冷速度、終了快冷溫度或卷取溫度，以便獲得必要的顯微組織。通常要求軋后第一冷卻階段冷速要大，第二階段冷速根據(jù)鋼材性能要求不同而不同。4.5金屬材料的熱加工與控制現(xiàn)將提高控制軋制和控制冷卻鋼材強韌性的各種因素整理歸納見表4-4。4.5金屬材料的熱加工與控制表4-4提高控軋、控冷鋼材強韌性的因素發(fā)生奧氏體的動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶；在未再結(jié)晶區(qū)軋制變形，使晶內(nèi)產(chǎn)生變形帶，促使相變細化；控制軋后相變時的冷卻速度，防止因素控制途徑及其行為晶粒細化

晶粒長大析出強化鈮、釩、鈦元素碳氮化物應(yīng)變誘導(dǎo)析出加工硬化

)兩相區(qū)軋制變形時變形鐵素體的回復(fù)和再結(jié)晶相變強化針狀鐵素體鋼、貝氏體鋼的單相強化；二相分離型相變我國有豐富的鈮、釩、鈦和稀土資源，具有發(fā)展微合金鋼控制軋制、控制冷卻技術(shù)的廣闊前途。目前每年采用控軋控冷工藝生產(chǎn)的鋼材已經(jīng)應(yīng)用到造船、石油、天然氣輸送管線、鍋爐及壓力容器、汽車大梁、螺紋鋼筋、軸承及鋼絲繩等方面。3)微合金鋼控軋軋制(1)微合金鋼再結(jié)晶控軋。1995年微合金化國際會議提出了微合金鋼合金設(shè)計的新概念，其核心是奧氏體晶粒的調(diào)節(jié)，由細小奧氏體轉(zhuǎn)變得到細小的鐵素體晶粒，要求高的鐵素體形核速率和低的晶粒長大傾向。再結(jié)晶控軋是指在奧氏體結(jié)晶區(qū)完成鋼的軋制過程，再結(jié)晶控軋的溫度范圍大體上正是常規(guī)軋制溫度范圍，每道次的壓下量也在常規(guī)道次壓下量的上限附近，無需很大地變動軋鋼設(shè)備和軋制工藝，就能顯著地再結(jié)晶細化，因為這種工藝適合我國多數(shù)軋鋼廠的現(xiàn)狀，值得推廣采用。4.5金屬材料的熱加工與控制

但同常規(guī)軋制還是有很多不同：①必須對軋制過程實行全面的控制；②均熱溫度不能太高，以免奧氏體晶粒顯著長大；③有一個較大的再結(jié)晶區(qū)間；④動態(tài)再結(jié)晶細化效果隨溫度下降而增大；⑤保證產(chǎn)生再結(jié)晶的道次變量。實際再結(jié)晶控軋微合金化鋼的成分要求：⑥由于微小的第二相析出質(zhì)點強烈阻止再結(jié)晶，所以再結(jié)晶控軋鋼中不能含有再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)顯著脫溶的合金成分，排除Nb(C、N)、TiC、AlN的可能性，也不能形成VN。⑦固溶狀態(tài)的溶質(zhì)原子也會阻止再結(jié)晶，所以盡量避免采用Nb、Mo、Ti等元素。⑧TiN

是高溫相當穩(wěn)定的第二相，抑制液相形成奧氏體的長大、只有適量的Ti(0.01%～0.02%)才能形成細小的TiN，又能有效阻止晶粒粗化。⑨氮含量以形成TiN為限，超過理想化學(xué)比，可能增大VN的應(yīng)變誘導(dǎo)析出傾向，又會縮小鋼的再結(jié)晶軋制窗口。4.5金屬材料的熱加工與控制

(2)微合金鋼正?；剀?。正常化控軋，又叫正火區(qū)控軋。這類控軋要點：①根據(jù)鋼中微合金元素及C、N的含量、按固溶度積公式計算出全固溶溫度，軋制的均熱溫度應(yīng)略高于全固溶溫度。②鋼的控軋又區(qū)分為兩種情況，一種有粗軋段，要保證不出現(xiàn)混晶，切忌粗軋在部分再結(jié)晶區(qū)進行，并在非再結(jié)晶區(qū)留下足夠的變形量，以快速冷卻進入正?；剀垺Ａ硪环N是單相奧氏體在非再結(jié)晶溫度下軋制，形變晶粒細化效果將取決于晶粒碎化程度，終軋溫度應(yīng)該高于Ar3。兩相區(qū)軋制既受到軋機負載能力的限制，而且兩相區(qū)變形雖有助于強度的提高，但也有損于鋼的韌性。正?；剀堜摰暮辖鹪O(shè)計，主要應(yīng)滿足阻止奧氏體再結(jié)晶，使鋼的再結(jié)晶溫度區(qū)的下限溫度盡量提高，以形成足夠的非再結(jié)晶控軋的空間，最基本的添加擴大奧氏體區(qū)的合金元素Mn和形成有效阻止晶粒長大的元素Ti和N。從表4-5所見，Nb對提高再結(jié)晶溫度最有效，V的作用最小。作為第二相質(zhì)點AlN能產(chǎn)生顯著的質(zhì)點釘扎作用，卻不能產(chǎn)生有效的溶質(zhì)拖拽作用，總的效果對阻止再結(jié)晶作用并不很大。所以，正?；剀埼⒑辖鸹撛O(shè)計的思路是在低碳、錳鋼的基礎(chǔ)上，Nb+Ti微合金化，根據(jù)強度級別的要求添加少量的Mo、B。4.5金屬材料的熱加工與控制表4-5某些低碳鋼的100s無再結(jié)晶的TNR/℃4.5金屬材料的熱加工與控制鋼100s無再結(jié)晶的TNR/℃0.04C—0.034Nb—0.31Mo—0.115V9550.06C—0.040Nb—0.30Mo9400.05C—0.035Nb9350.045C—0.28Mo—0.115V8900.05C—0.29Mo8300.05C—0.115V835

(3)微合金化鋼薄板坯連鑄連軋。比較生產(chǎn)熱軋薄規(guī)格板帶的常規(guī)軋制、薄板坯連鑄連軋和帶鋼三種方式，唯有薄板坯連鑄連軋流程可以取得投資少，建廠周期短高效率和低成本的好處，見表4-6。而且適用于生產(chǎn)包括油氣輸送管線鋼、滾型車輪用鋼、深沖冷軋板原帶在內(nèi)的10多個品種。4.5金屬材料的熱加工與控制表4-6連鑄、薄板坯連鑄和帶鋼連鑄的比較工

藝生產(chǎn)成本建設(shè)投資費用中間庫存生產(chǎn)周期管理費用按絕對總額按每噸產(chǎn)品常規(guī)鋼廠(生產(chǎn)熱軋帶鋼，以此為基礎(chǔ))100100100大3周高薄板坯連鑄(CSP工藝)90～11027～3345～55無<1周低帶鋼連鑄110～1659～1165～120無<1周低當前市場急需熱軋板帶的品種有：①通用建筑焊管用鋼厚度

<6.0mm②中低壓鍋爐焊管用鋼

<6.0mm③油氣集輸管線用鋼

<6.0mm④輕型汽車、農(nóng)用車用大梁鋼板

<4.5mm⑤滾型車輪(輪輻、輪輞)用鋼板

<5.0mm⑥深沖冷軋板原帶

<2.0mm⑦輕工家電用鋼

=0.5～1.5mm⑧集裝箱用鋼

=

0.8～1.6mm⑨車輛用薄規(guī)格板

=0.8～2.0mm⑩搪瓷產(chǎn)品用板

=1.0～1.5mm⑾一般強度造船板(上層建筑)

<2.5mm

⑿小型水面艇艦用高強度板

=2.5～5.0mm

⒀潛艇用非耐壓殼鋼板

=2.5～6.0mm

⒁非調(diào)質(zhì)薄裝甲板

=3.0～6.0mm4.5金屬材料的熱加工與控制

(4)微合金化鋼的鐵素體區(qū)軋制。熱機械處理是實現(xiàn)鋼的細晶化的有效方式之一，幾十年的技術(shù)開發(fā)對熱加工四階段的劃分和作用已取得共識，再結(jié)晶區(qū)軋制、非再結(jié)晶區(qū)軋制、兩相區(qū)軋制及軋后冷卻都可使鋼有效地細晶化。近幾年提出鐵素體軋制的工藝技術(shù)