冷熱變形對(duì)金屬組織和性能的影響

1、4.1.1冷冷塑性變形機(jī)理塑性變形機(jī)理 多晶體的塑性變形包括晶內(nèi)變形和多晶體的塑性變形包括晶內(nèi)變形和 晶界變形（晶間變形）兩種。在冷態(tài)條晶界變形（晶間變形）兩種。在冷態(tài)條 件下，由于晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)，件下，由于晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)，多晶體多晶體 的塑性變形主要是晶內(nèi)變形的塑性變形主要是晶內(nèi)變形，晶間變形晶間變形 只起次要作用，而且需要有其它變形機(jī)只起次要作用，而且需要有其它變形機(jī) 制相協(xié)調(diào)。制相協(xié)調(diào)。 4-14-1金屬冷態(tài)下的塑性變形金屬冷態(tài)下的塑性變形 晶內(nèi)變形方式有滑移和孿生。由 于滑移所需臨界切應(yīng)力小于孿生所需 臨界切應(yīng)力，故多晶體塑性變形的主 要方式是滑移變形，孿生變形是次要 的，一般僅起

2、調(diào)節(jié)作用。對(duì)于密排六 方金屬，孿生變形起著重要作用。 coscos 圖圖4-1 晶體滑移時(shí)的應(yīng)力分析晶體滑移時(shí)的應(yīng)力分析 晶體的滑移過程，實(shí)質(zhì)上是位 錯(cuò)的移動(dòng)和增殖的過程。由于在這 個(gè)過程中位錯(cuò)的交互作用，位錯(cuò)反 應(yīng)和相互交割加劇，產(chǎn)生固定割階、 位錯(cuò)纏結(jié)等障礙，使位錯(cuò)難以越過 這些障礙。要使金屬繼續(xù)變形，就 需要不斷增加外力，便產(chǎn)生了加工 硬化。 圖圖4-2 刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成晶體滑移變形的示意刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成晶體滑移變形的示意 圖圖4-3 螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成晶體滑移變形的示意螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成晶體滑移變形的示意 圖圖4-4 面心立方晶體孿生變形示意面心立方晶體孿生變形示意 冷冷塑性變形時(shí)，塑性變

3、形時(shí)，多晶體主要是多晶體主要是 晶內(nèi)滑移晶內(nèi)滑移變形變形;實(shí)質(zhì)上是實(shí)質(zhì)上是位錯(cuò)的移動(dòng)位錯(cuò)的移動(dòng) 和增殖的過程和增殖的過程;由于位錯(cuò)的交互作用由于位錯(cuò)的交互作用, 塑性變形時(shí)塑性變形時(shí) 產(chǎn)生了加工硬化。產(chǎn)生了加工硬化。 4.1.2 4.1.2 冷塑性變形特點(diǎn)冷塑性變形特點(diǎn) （1）各晶粒變形的不同時(shí)性 塑性變形首先在位向有利的晶粒 內(nèi)發(fā)生,位錯(cuò)源開動(dòng),但其中的位錯(cuò)卻無 法移出此晶粒,而是在晶界處塞積。位 錯(cuò)塞積產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)越過晶界作用到 相鄰晶粒上,使其得到附加應(yīng)力。隨外 加應(yīng)力的增大,最終使相鄰位向不利的 晶粒中滑移系的剪應(yīng)力分量達(dá)到臨界 值而開動(dòng)起來,同時(shí)也使原來的位錯(cuò)塞 積得到釋放,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

4、移出晶粒。如此 持續(xù)運(yùn)作,使更多晶粒參與變形。 （2）各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性 晶粒的變形需要相互協(xié)調(diào)配合， 如此才能保持晶粒之間的連續(xù)性， 即變形不是孤立和任意的。 （3）變形的不均勻性 軟位向的晶粒先變形，硬位向 的晶粒后變形，其結(jié)果必然是各晶 粒變形量的差異，這是由多晶體的 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定的。 4.1.3 4.1.3 冷冷塑性變形對(duì)組織與性能的影響塑性變形對(duì)組織與性能的影響 1 1）對(duì)金屬組織的影響對(duì)金屬組織的影響 （1 1）在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶和孿生在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶和孿生 帶等組織帶等組織 銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶,x173倍(采 自C.Brady,美國國家標(biāo)準(zhǔn)局) 多晶銅拉伸后

5、，各個(gè)晶?；?移帶的光學(xué)顯微鏡照片。銅是 FCC晶體，滑移系是 111/，有12種組合。由 圖看出，每個(gè)晶粒有兩個(gè)以上 的滑移面產(chǎn)生了滑移。由于晶 粒取向不同，滑移帶的方向也 不同。 （2 2）形成了纖維組織形成了纖維組織 冷加工變形后，金屬晶粒形狀發(fā) 生了變化，變化趨勢(shì)大體與金屬宏 觀變形一致。軋制變形時(shí)，原等軸 晶粒沿變形方向伸長(zhǎng)。變形程度大 時(shí)，晶粒呈現(xiàn)為一片如纖維狀的條 紋，稱為纖維組織。當(dāng)有夾雜或第 二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，則它們會(huì)沿變形方向 拉長(zhǎng)成細(xì)帶狀或粉碎成鏈狀。 工業(yè)純鐵冷塑性變形后組織(150X) a)變形程度20% b)變形程度50% c)變形程度70% （3 3）變形織構(gòu)變形織構(gòu)

6、多晶體塑性變形時(shí)伴隨著晶粒的多晶體塑性變形時(shí)伴隨著晶粒的 轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量很大時(shí)，多晶體中轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量很大時(shí)，多晶體中 原為任意取向的各個(gè)晶粒，會(huì)逐漸原為任意取向的各個(gè)晶粒，會(huì)逐漸 調(diào)整其取向而彼此趨于一致，這種調(diào)整其取向而彼此趨于一致，這種 由于塑性變形而使晶粒具有擇優(yōu)取由于塑性變形而使晶粒具有擇優(yōu)取 向的組織，稱為向的組織，稱為“變形織構(gòu)變形織構(gòu)”。 絲織 構(gòu)示意圖 a）拉拔前 b）拉拔后 板織構(gòu)示意 a) 軋制前 b）軋制后 因板織構(gòu)所造成的“制耳” a) 無制耳 b) 有制耳 （4 4）晶粒內(nèi)產(chǎn)生胞狀亞結(jié)構(gòu)晶粒內(nèi)產(chǎn)生胞狀亞結(jié)構(gòu) 塑性變形主要是借位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)塑性變形主要是借位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 而進(jìn)

7、行的。經(jīng)大變形后，位錯(cuò)密度而進(jìn)行的。經(jīng)大變形后，位錯(cuò)密度 可從退火狀態(tài)的可從退火狀態(tài)的106106107cm-2107cm-2增加到增加到 101110111012cm-21012cm-2。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及交互作用。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及交互作用 結(jié)果，其分布是不均勻的。它們先結(jié)果，其分布是不均勻的。它們先 是比較紛亂地糾纏成群，形成是比較紛亂地糾纏成群，形成“位位 錯(cuò)纏結(jié)錯(cuò)纏結(jié)”。如果變形量增大，就形。如果變形量增大，就形 成胞狀亞結(jié)構(gòu)。成胞狀亞結(jié)構(gòu)。 金屬經(jīng)變形后的亞結(jié)構(gòu)金屬經(jīng)變形后的亞結(jié)構(gòu) 2 2）對(duì)金屬對(duì)金屬性能的影響的影響 隨著變形程度的增加，金屬強(qiáng)度、隨著變形程度的增加，金屬強(qiáng)度、 硬度增加，而塑性

8、、韌性降低。硬度增加，而塑性、韌性降低。 金屬的性能將顯示各向異性金屬的性能將顯示各向異性 。 45號(hào)鋼力學(xué)性能與變形程度的關(guān)系曲線 青銅的加工硬化 青銅的加工硬化非常嚴(yán)重，在冷拉拔時(shí)需反復(fù)退火以改 善其塑性。 因加工硬化嚴(yán)重，塑性下降，青銅在拉拔時(shí)發(fā)生脆斷。 4-2金屬熱態(tài)下的塑性變形金屬熱態(tài)下的塑性變形 4.2.1熱熱塑性變形時(shí)軟化過程塑性變形時(shí)軟化過程 （1）動(dòng)態(tài)回復(fù) 動(dòng)態(tài)回復(fù)是在熱變形過程中發(fā)生的 回復(fù)，金屬即使在遠(yuǎn)高于靜態(tài)再結(jié)晶 溫度下塑性變形時(shí)一般也只發(fā)生動(dòng)態(tài) 回復(fù)。 （2）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是在熱變形過程中發(fā)生 的再結(jié)晶，與靜態(tài)再結(jié)晶一樣，也是 通過形核和生長(zhǎng)來完成的。它容易

9、發(fā) 生在層錯(cuò)能較低且有較大熱變形程度 的金屬上。 （3）靜態(tài)回復(fù) 在較低的溫度下、或在較早階段發(fā)生 在較低的溫度下、或在較早階段發(fā)生 轉(zhuǎn)變的過程成為靜態(tài)回復(fù)。它是變形后的轉(zhuǎn)變的過程成為靜態(tài)回復(fù)。它是變形后的 金屬自發(fā)地向自由能降低的方向轉(zhuǎn)變的過金屬自發(fā)地向自由能降低的方向轉(zhuǎn)變的過 程。程。 （4）靜態(tài)再結(jié)晶 在再結(jié)晶溫度以上，金屬原子有更大在再結(jié)晶溫度以上，金屬原子有更大 的活動(dòng)能力，會(huì)在原變形金屬中重新形成的活動(dòng)能力，會(huì)在原變形金屬中重新形成 新的無畸變等軸晶，并最終取代冷變形組新的無畸變等軸晶，并最終取代冷變形組 織，此過程稱為金屬的靜態(tài)再結(jié)晶。冷變織，此過程稱為金屬的靜態(tài)再結(jié)晶。冷變 形

10、金屬加熱時(shí)組織和性能的變化如圖（形金屬加熱時(shí)組織和性能的變化如圖（4 4 9 9） 冷變形金屬加熱時(shí)組織和性能的變化 （5）亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 熱變形中已經(jīng)形成但未長(zhǎng)大的 再結(jié)晶晶核以及長(zhǎng)大途中遺留下的 再結(jié)晶晶粒，但變形停止后溫度足 夠高時(shí)，會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大，此過程稱為 亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。它不需形核，所以 進(jìn)行得很快。 圖4-10為熱軋和熱擠時(shí)，動(dòng)、 靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶的示意圖。 圖4-10 動(dòng)、靜回復(fù)和再結(jié)晶示意 4.2.2熱熱塑性變形機(jī)理塑性變形機(jī)理 變形機(jī)理主要有：晶內(nèi)滑移與孿 生、晶界滑移和擴(kuò)散蠕變。高溫時(shí)原 子間距加大，熱振動(dòng)和擴(kuò)散速度增 加，位錯(cuò)滑移、攀移、交滑移及節(jié)點(diǎn) 脫錨比低溫容易；滑移系增多

11、，滑移 靈便性提高，各晶粒之間變形更加協(xié) 調(diào)；晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙作用減弱。 因此，其主要機(jī)理仍然是晶內(nèi)滑移。 熱塑性變形時(shí)，由于晶界強(qiáng)度 降低，使得晶界滑動(dòng)易于進(jìn)行；溫 度越高，原子動(dòng)能和擴(kuò)散能力就越 大，擴(kuò)散蠕變既直接為塑性變形作 貢獻(xiàn)，也對(duì)晶界滑移其調(diào)節(jié)作用。 熱塑性變形的主要機(jī)理仍然是晶 內(nèi)滑移；由于晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散蠕變作 用的增加，再加之變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài) 回復(fù)和再結(jié)晶。因此，熱態(tài)下金屬塑 性變形能力比冷態(tài)下高，變形抗力較 低。 圖4-11 擴(kuò)散蠕變示意 a）空位和原子的移動(dòng)方向 b）晶內(nèi)擴(kuò)散 c）晶界擴(kuò)散 4.2.34.2.3熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影

12、響 1）對(duì)組織的影響）對(duì)組織的影響 （1）改善晶粒組織，細(xì)化晶粒改善晶粒組織，細(xì)化晶粒 對(duì)于鑄態(tài)金屬，粗大的樹枝狀晶對(duì)于鑄態(tài)金屬，粗大的樹枝狀晶 經(jīng)塑性變形及再結(jié)晶而變成等軸經(jīng)塑性變形及再結(jié)晶而變成等軸 （細(xì)）晶粒組織；對(duì)于經(jīng)軋制、鍛（細(xì)）晶粒組織；對(duì)于經(jīng)軋制、鍛 造或擠壓的鋼坯或型材，在以后的造或擠壓的鋼坯或型材，在以后的 熱加工中通過塑性變形與再結(jié)晶，熱加工中通過塑性變形與再結(jié)晶， 其晶粒組織一般也可得到改善。其晶粒組織一般也可得到改善。 擠壓+軋制對(duì)Nb棒組織影響 1-2 T 1-3 T1-3 W 1-6 W1-6 T 1-2 T 1-3 1-6 200mm600mm 擠壓后下料示意圖

13、3800mm 5.5級(jí) 8-10級(jí) 7-9級(jí) 8-10級(jí) 7-9級(jí) 下圖為TC11鈦合金鑄錠開坯后，320mm大規(guī)格棒 材的高低倍組織。 TC11合金320毫米棒材 低倍照片 （原始粗大的網(wǎng)籃組織） 后經(jīng)過三火加熱，8鐓8拔，鍛后水冷的改鍛工藝， 低倍為模糊晶，高倍為雙態(tài)組織。 GT25000艦用發(fā)動(dòng)機(jī)盤餅坯 （直徑之半）低倍照片 GT25000GT25000艦用發(fā)動(dòng)機(jī)盤艦用發(fā)動(dòng)機(jī)盤 高倍照片（雙態(tài)組織）高倍照片（雙態(tài)組織） （2 2）鍛合內(nèi)部缺陷鍛合內(nèi)部缺陷 鑄態(tài)金屬中疏松、空隙和微裂紋 等缺陷被壓實(shí)，提高金屬致密度。鍛 合經(jīng)歷兩個(gè)階段：缺陷區(qū)發(fā)生塑性變 形，使空隙兩壁閉合；在壓應(yīng)力作用 下

14、，加上高溫，使金屬焊合成一體。 沒有足夠大的變形，不能實(shí)現(xiàn)空隙閉 合，很難達(dá)到宏觀缺陷焊合。足夠大 三向壓應(yīng)力，能實(shí)現(xiàn)微觀缺陷鍛合。 （3 3）形成纖維組織形成纖維組織 在熱變形過程中，隨變形程度增加，鋼錠內(nèi)粗大樹枝晶在熱變形過程中，隨變形程度增加，鋼錠內(nèi)粗大樹枝晶 沿主變形方向伸長(zhǎng)，與此同時(shí)，晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜沿主變形方向伸長(zhǎng)，與此同時(shí)，晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜 物的走向也逐漸與主變形方向一致，形成流線。由于再結(jié)晶的物的走向也逐漸與主變形方向一致，形成流線。由于再結(jié)晶的 結(jié)果，被拉長(zhǎng)的晶粒變成細(xì)小的等軸晶，而流線卻很穩(wěn)定地保結(jié)果，被拉長(zhǎng)的晶粒變成細(xì)小的等軸晶，而流線卻很穩(wěn)定地保 留

15、下來直至室溫。留下來直至室溫。 性能特點(diǎn)：具有各向異性 a）縱向（平行纖維方向），韌、塑性增加 b）橫向（垂直于纖維方向），韌、塑性降低但抗剪切能 力顯著增強(qiáng) 熱軋對(duì)晶粒組織的影響 圖4-12 鋼錠鍛造過程中纖維組織形成的示意 低碳鋼熱加工后的流線 吊鉤中的流線分布 （左）正確（右）不正確 FWP-7甲發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)盤970(常規(guī))鍛后空冷的低倍流線 （4）破碎改善碳化物和非金屬夾雜在鋼中分布 高速鋼、高鉻鋼、高碳工具鋼等， 其內(nèi)部含有大量的碳化物。通過鍛造 或軋制，可使這些碳化物被打碎、并 均勻分布，從而改善了它們對(duì)金屬基 體的削弱作用。 2）對(duì)性能的影響）對(duì)性能的影響 細(xì)化晶粒、細(xì)化晶粒、鍛合內(nèi)部缺陷、破鍛合內(nèi)部缺陷、破 碎并改善碳化物和非金屬夾雜在鋼碎并改善碳化物和非金屬夾雜在鋼 中分布可提高材料的強(qiáng)度、硬度、中分布可提高材料的強(qiáng)度、硬度、 塑性和韌性。塑性和韌性。 纖維組織形成，使金屬力學(xué)性能纖維組織形成，使金屬力學(xué)性能 呈各向異性，沿流線方向比垂直流呈各向異性，沿流線方向比垂直流 線方向具有較高的力學(xué)性能，其中線方向具有較高的力學(xué)性能，其中 尤以塑性、韌性指標(biāo)最為顯著。尤以塑性、韌性指標(biāo)最為顯著。 變形類型工藝方法組織變化性能變化 冷變形 冷軋、拉拔、冷 擠壓、冷沖壓、 冷鐓 晶粒沿