金屬的塑性成形和再結(jié)晶

1、第五章 金屬的塑性成形和再結(jié)晶教學(xué)目的及要求通過(guò)本章學(xué)習(xí)，使學(xué)生們掌握金屬材料變形的過(guò)程，塑性變形對(duì)組織與性能的影響，變形金屬在加熱時(shí)轉(zhuǎn)變：回復(fù)與再結(jié)晶。主要內(nèi)容1塑性變形對(duì)金屬的組織和性能的影響2冷變形金屬加熱過(guò)程中組織和性能的變化回復(fù)與再結(jié)晶3金屬的熱加工冷加工的區(qū)別學(xué)時(shí)安排講課2學(xué)時(shí)。教學(xué)重點(diǎn)1 塑性變形對(duì)組織與性能的影響2 回復(fù)與再結(jié)晶教學(xué)難點(diǎn)1 塑性變形的機(jī)理2 回復(fù)與再結(jié)晶教學(xué)過(guò)程 一、基本概念 1 金屬的塑料成形，又稱壓力加工指金屬材料在外力作用下發(fā)生塑性變形的過(guò)程。在工業(yè)生產(chǎn)上，將鋼錠鍛造、擠壓、軋制、拉拔成各種型鋼、鋼板、鋼管或鋼絲等規(guī)定尺寸和形狀的零件和產(chǎn)品的過(guò)程都屬金屬的

2、塑性成形。 2目的（1）獲得規(guī)定形狀和尺寸的零件和產(chǎn)品；（2）改善金屬的組織和性能。 3金屬塑性變形的分類 按加工溫度是否高于再結(jié)晶溫度分為兩種：冷塑性變形（冷加工）：指在金屬再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形加工，T < T再；熱塑性變形（熱加工）：指在金屬再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形加工，T > T再。純金屬：T再（0.350.4）T熔（K）合 金：T再（0.50.7）T熔（K）一、金屬的塑性變形1單晶體的塑性變形 主要方式：滑移和孿生。一般以滑移為主，孿生通常是在滑移難以進(jìn)行時(shí)發(fā)生，是為了進(jìn)一步滑移。機(jī)理：由于晶體中位錯(cuò)的存在降低了晶體的變形抗力。在外力作用下，通過(guò)位錯(cuò)的傳遞，晶體

3、發(fā)生滑移和孿生，從而實(shí)現(xiàn)金屬的塑性變形。實(shí)質(zhì)：是由位錯(cuò)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。金屬的晶格類型不同，塑性變形的難易程度不同：面心立方晶格金屬最易發(fā)生塑性變形，所以塑性較好；其次是體心立方多屬，密排六方晶格的金屬塑性相對(duì)較差。2多晶體的塑性變形實(shí)際金屬變形方式：滑移晶位的轉(zhuǎn)動(dòng)影響因素：晶粒位向和晶界。（1）晶粒位向不一致，變形時(shí)各晶粒間要相互協(xié)調(diào)：（2）晶界的影響：一方面是阻礙位錯(cuò)滑移，使變形抗力增大；另一方面是協(xié)調(diào)變形，晶界自身發(fā)生變形，使處于不同變形量的相鄰晶粒保持連續(xù)。所以，多晶體的塑性變形過(guò)程可以這樣描述：在外力作用下，變形首先發(fā)生在有利滑移的晶粒內(nèi)，處于不利滑移的晶粒逐漸向有利方向轉(zhuǎn)動(dòng)，互相協(xié)調(diào)

4、，由少量晶粒的變形擴(kuò)大到大量晶粒的變形，從而實(shí)現(xiàn)宏觀變形。3細(xì)晶強(qiáng)化Hall-Pitch公式：s=0+Kd-1/2 （d為晶粒直徑）。描述了晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度之間的關(guān)系：晶粒直徑與金屬的強(qiáng)度成反比。晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度越高。原因：（1）晶粒越細(xì)，單位體積中的晶界面積越大，對(duì)位錯(cuò)的滑移起到阻礙作用，提高了變形抗力；（2）晶界的存在有利于晶粒的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，推遲裂紋形成，阻礙裂紋擴(kuò)展，在斷裂前承受較大的塑性變形。所以，細(xì)化晶粒既可提高材料的強(qiáng)度，又可提高材料的塑性韌性。通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)提高金屬的強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化，是一種很重要的金屬?gòu)?qiáng)韌化手段。二、冷塑性變形對(duì)金屬組織和和性能的影響 1形成纖維組

5、織，產(chǎn)生各向異性。隨著應(yīng)變量的增加，晶粒被拉長(zhǎng)或者壓扁，呈細(xì)條狀或者纖維狀；使金屬沿變形方向的強(qiáng)度、塑性和韌性都比垂直于變形方向的高，產(chǎn)生了各向異性。 2晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)，造成加工硬化。加工硬化：經(jīng)過(guò)冷塑性變形的金屬材料，隨變形度增加，強(qiáng)度硬度提高，塑性韌性下降的現(xiàn)象，稱為加工硬化。產(chǎn)生原因：塑性變形造成晶粒破碎，晶格扭曲，位錯(cuò)密度急劇增加引起。意義：存在有利和不利兩個(gè)方面。有利方面：提高強(qiáng)度和硬度，是強(qiáng)化金屬材料的主要方法之一，尤其是對(duì)不能用熱處理方法強(qiáng)化的金屬。 不利方面：金屬的塑性降低，變形抗力提高，使進(jìn)一步的冷變形困難，必須中間采用退火處理消除加工硬化現(xiàn)象；造成生產(chǎn)成本增加，生產(chǎn)率降低

6、。3大變形量形成的織構(gòu)帶來(lái)各向異性。各晶粒內(nèi)原子排列位向趨于一致稱為織構(gòu)或者擇優(yōu)取向，導(dǎo)致金屬材料的各向異性。有利的影響：變壓器鐵心硅鋼片的導(dǎo)磁性能沿扎制方向顯著提高，提高變壓器的效率。不利的影響：在深沖杯形工件時(shí)，容易出現(xiàn)制耳現(xiàn)象，導(dǎo)致杯口邊沿不齊，造成廢品。4產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力 。在金屬內(nèi)部塑性變形是不均勻的，當(dāng)外力去除后，各部分的彈性恢復(fù)也不會(huì)完全一樣，這就使金屬內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互平衡的內(nèi)應(yīng)力。影響：降低零件的尺寸穩(wěn)定性；殘余壓應(yīng)力可提高疲勞強(qiáng)度，殘余拉應(yīng)力降低耐腐蝕性能。消除方法：采用去應(yīng)力退火。三、冷變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化隨著加熱溫度的升高，冷變形的金屬經(jīng)歷三個(gè)階段：回復(fù)、再

7、結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大。1 回復(fù)階段：加熱溫度較低，基本上保持加工硬化效果 。（1）顯微組織：形貌保持不變；原子排列畸變程度減輕，空位劇烈減少。（2）強(qiáng)度硬度略有降低， 內(nèi)應(yīng)力明顯下降；（3）此階段稱為“去應(yīng)力退火”。生產(chǎn)中利用回復(fù)進(jìn)行去應(yīng)力退火，降低殘余應(yīng)力，保留加工硬化效果。如冷卷彈簧在卷制后進(jìn)行一次2503000C的去應(yīng)力退火，穩(wěn)定尺寸。2再結(jié)晶階段：溫度較高，加工硬化效果消除，恢復(fù)材料的塑性變形能力。再結(jié)晶 指經(jīng)過(guò)冷變形的金屬，在較高溫度下加熱并保持一定的時(shí)間，形成新的晶核并成長(zhǎng)為新的等軸晶粒的過(guò)程。組織性能的變化： （1）組織：碎的、拉長(zhǎng)的晶粒轉(zhuǎn)變成細(xì)小的等軸晶粒。（2）加工硬化、殘余應(yīng)力等

8、完全消除。（3）性能：恢復(fù)塑性韌性，強(qiáng)度硬度降低；（4）此階段又稱再結(jié)晶退火。應(yīng) 用 實(shí)際生產(chǎn)中，常利用再結(jié)晶退火來(lái)消除加工硬化。目的是恢復(fù)金屬的塑性便于進(jìn)一步冷加工。 3晶粒長(zhǎng)大：再結(jié)晶結(jié)束后，加熱溫度繼續(xù)升高或延長(zhǎng)時(shí)間，晶粒之間便會(huì)相互吞并而長(zhǎng)大，這一階段稱為晶粒長(zhǎng)大。晶粒粗大后，材料的力學(xué)性能會(huì)變差，必須控制。其后果是強(qiáng)度、塑性和韌性下降。四、影響再結(jié)晶晶粒大小的因素（1）加熱溫度與保溫時(shí)間。不宜過(guò)高，也不能太低。工業(yè)中常用的再結(jié)晶溫度為： （2）預(yù)變形程度的影響。變形度越大，再結(jié)晶退火后晶粒尺寸越小，要大于臨界變形度。臨界變形度: 金屬冷變形后再結(jié)晶時(shí)晶粒極易長(zhǎng)得粗大，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變

9、量，稱為臨界變形度。 金屬材料的臨界變形度一般為（28）。 五、金屬的熱塑性變形 1 熱塑性變形與冷塑性變形的區(qū)別（1）再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性加工和變形；（2）不引起加工硬化，如果冷卻緩慢，也不出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力。2熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響（1）改善鑄錠組織，消除鑄態(tài)組織缺陷 （2）形成鍛造流線熱加工纖維組織當(dāng)金屬在加工時(shí)，由于發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒的取向會(huì)不同程度地偏離變形方向，但脆性?shī)A雜物被打碎拉長(zhǎng)形成的纖維方向不變，這樣由一條條熱加工中的流線勾劃出來(lái)的組織，叫做纖維組織。流線使金屬仍有各向異性，拉伸時(shí)沿流線方向的力學(xué)性能好，垂直流線的方向力學(xué)性能較差。在制定熱加工工藝時(shí)，應(yīng)盡量使流線與工件所受的最大拉應(yīng)力方向一致，而與外剪切應(yīng)力或沖擊應(yīng)力的方向垂直。如圖56中，圖（a）所示曲軸鍛坯流線分布合理，圖（b）