熱塑性變形對金屬組織和性能的影響

1、 職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫金屬材料與熱處理課程熱塑性變形對金屬組織和性能的影響主講教師：黨 杰西安航空職業(yè)技術學院熱塑性變形對金屬組織和性能的影響一、熱塑性變形的概念和變形機理1.熱塑性變形的概念 在再結晶溫度以上進行的塑性變形加工是熱塑性變形，又稱為熱加工；在再結晶溫度以下進行的塑性變形加工是冷塑性變形，又稱為冷加工。例如，鎢的最低再結晶溫度為1200，即使在稍低于1200的高溫下進行變形加工仍屬于冷加工，鉛的最低再結晶溫度在室溫以下，因此，它在室溫的變形加工便屬于熱加工。生活中我們會遇到這樣的情況：將鐵絲反復的彎擰多次就會斷開，而對于錫紙反復揉搓都不會斷裂，這可以用熱加工和

2、冷加工來解釋。在再結晶溫度以上加工時，塑性變形造成的加工硬化會隨即被發(fā)生的回復、再結晶的軟化作用所抵消，因此金屬顯示不出加工硬化現(xiàn)象，始終保持穩(wěn)定的塑性狀態(tài)。在再結晶以下變形時尤其是室溫時的冷加工不會發(fā)生再結晶過程 ，故必然導致加工硬化現(xiàn)象的存在，繼續(xù)變形金屬就會開裂。實際生產(chǎn)中的熱加工（鍛造、軋制），往往由于變形速度快，再結晶過程來不及消除加工硬化的影響，因而需要用提高加熱溫度的方法來加速再結晶過程，故生產(chǎn)中金屬的實際熱加工溫度總是高于再結晶溫度很多。金屬中含有少量雜質(zhì)或合金元素種類和含量較多時，熱加工溫度還應高一些。2.熱塑性變形的變形機理 金屬的熱塑性變形機理有晶內(nèi)變形、晶間滑移和擴散蠕

3、變?nèi)N。在通常情況下，由于高溫時原子間距加大，原子的熱振動和擴散速度增加，位錯的滑移運動比低溫時來得容易。且滑移系增多，滑移的靈便性提高，晶界對位錯運動的阻礙作用也減弱，所以熱塑性變形的主要機理仍然是晶內(nèi)滑移。其次，由于金屬熱態(tài)下晶界強度降低，使得晶界滑移易于進行，因此與冷塑性變形相比晶界滑移的變形量要大得多。但在常規(guī)熱塑性變形條件下，晶界滑移相對于晶內(nèi)滑移變形量還是很小的。只有在微細晶粒的超塑性變形條件下，加之擴散蠕變的配合，晶界滑移才起主要作用。擴散蠕變是在應力作用下由空位的定向移動引起的，直接為塑性變形做貢獻，也對晶界滑移其調(diào)節(jié)作用。變形溫度越高，晶粒越細，應變速率越低，擴散蠕變所起的作

4、用越大。總之，在晶內(nèi)滑移的主要作用、晶界滑移的輔助作用、擴散蠕變的協(xié)調(diào)作用下，熱態(tài)下金屬的塑性變形能力比冷態(tài)下高，變形抗力明顯降低。二、熱加工對金屬組織和性能的影響熱加工過程中的加工硬化雖然得到了消除，但使金屬的組織和性能發(fā)生如下變化：1.改善組織，細化晶粒 對于鑄態(tài)組織金屬（例如鑄錠），粗大的樹枝狀晶經(jīng)塑性變形及再結晶后會變成細小的等軸（細）晶粒；對于經(jīng)軋制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晶，其晶粒組織一般也可得到改善，晶粒變得細小，力學性能得到提高。例如圖1所示為TC11鈦合金鑄錠開坯后，320mm大規(guī)格棒材的高、低倍組織。之后經(jīng)過三火加熱，8次反復鐓拔且鍛后水冷的改

5、鍛工藝處理，得到的細小晶粒組織如圖2所示，低倍為模糊晶，高倍為雙態(tài)組織。a） 原始相低倍組織 b） 原始相粗大的網(wǎng)籃組織圖1 TC11鈦合金鑄錠開坯后，320mm大規(guī)格棒材的高、低倍組織 a） 低倍模糊晶 b） 高倍雙倍組織圖2 GT25000艦用發(fā)動機TC11盤餅坯的改鍛組織2.鍛合內(nèi)部缺陷 鑄態(tài)組織金屬經(jīng)過熱塑性變形后，其內(nèi)部的疏松、空隙和微裂紋等缺陷會被壓實，金屬的致密度得到提高，如圖3所示為熱軋對鑄態(tài)金屬晶粒組織的改善作用。通常鍛合缺陷經(jīng)歷兩個階段：缺陷區(qū)發(fā)生塑性變形，使空隙兩壁閉合。在壓應力作用下，加上高溫，使金屬焊合成一體。但是沒有足夠大的變形，不能實現(xiàn)空隙閉合，且很難達到宏觀缺陷

6、焊合，足夠大三向壓應力，能實現(xiàn)微觀缺陷鍛合。因此鍛造生產(chǎn)中，常要求有足夠大的變形量。金屬鑄態(tài)組織中的缺陷被鍛賀后，力學性能得到了提高。碳鋼（Wc=0.3%）鑄態(tài)與鍛態(tài)的力學性能比較，如表1所示。表1 碳鋼（Wc=0.3%）鑄態(tài)與鍛態(tài)的力學性能比較狀態(tài)b/MPab/MPa/%/%Ak/J鑄態(tài)500280152728鍛態(tài)530310204556圖3 熱軋對鑄態(tài)金屬晶粒組織的影響3.形成穩(wěn)定的流線 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，與此同時，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。由于再結晶的結果，被拉長的晶粒變成細小的等軸晶，而流線卻很穩(wěn)

7、定地保留下來直至室溫，如4所示典型的熱加工流線。a） 低碳鋼熱加工后的流線 b） 航空某發(fā)動機級盤970鍛后空冷的低倍流線圖4 典型的熱加工流線熱塑性變形形成的纖維組織也金屬的性能表現(xiàn)西戶各向異性，表2為45鋼(軋制空冷狀態(tài))的力學性能與流紋方向關系。1）縱向（平行纖維方向），韌、塑性增加；2）橫向（垂直于纖維方向），韌、塑性降低但抗剪切能力顯著增強。表2 45鋼(扎制空冷狀態(tài))的力學性能與流紋方向關系取樣方向b/MPab/MPa/%/%Ak/J平行流紋方向71547017.562.849.6垂直流紋方向675440103124因此，熱加工時應力求工件的流線連續(xù)合理分布，盡量使流線方向與工件工

8、作時所承受的最大拉應力方向一致，而與外加切應力或沖擊力的方向相垂直。如圖5所示為吊鉤中的流線分布情況，其中圖（a）中的流線沿吊鉤外形輪廓連續(xù)分布，所以較為合理，承載能力大，而圖（b）所示的是直接采用型材切削加工制成的零件，其流線被切斷，使零件的輪廓與流線方向不符，力學性能降低。必須指出，僅僅通過熱處理的方法是不能改變或消除工件中的流線分布的，而只能通過熱塑性變形來改善流線的分布情況。a） 合理 b） 不合理圖5 吊鉤中的流線分布4.破碎和改善碳化物分布 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，從而改善了它們對金屬基體的削弱作用。圖6為高速鋼W18Cr4V的鍛前和鍛后組織對比，從圖中可以看出鍛前粗大的魚骨狀碳化物被打碎，均勻地分布在金屬基體上。細小均勻分布的碳化物會使金屬的使用性能大大改善。a） W18Cr4V鑄態(tài)組織´420 b） W18Cr4V鍛造組織 ´210圖6 高速鋼W18Cr4V的鍛前和鍛后組織對比由以上可知，通過熱加工可是鑄態(tài)金屬的組織和性能得到明顯改