1、材料成形原理C Principle of Material Forming C,第三讲 Lesson Three,李振红 Li Zhenhong Phone：15195871486 E-Mail： 南京工程学院材料工程系 Department of Material Science and Engneering Nanjing Institute of Technology,2019/6/17,2,第二章 冷热加工时组织性能变化,主要内容 Main Content冷加工时组织性能的变化 热加工时组织性能的变化,2019/6/17,3,2.1 冷加工变形中组织性能的变化,显微组织的变化纤维组织亚
2、结构变形织构 金属性能的变化机械性能变化物理化学性能变化,2019/6/17,4,2.1.1 显微组织的变化,纤维组织多晶体金属经冷变形后，用光学显微镜观察抛光与浸蚀后的试样，会发现原来等轴的晶粒沿着主变形的方向被拉长。变形量越大，拉长的越显著。当变形且很大时，各个晶粒已不能很清楚地辨别开来，呈现纤维状，故称纤维组织。,2019/6/17,5,纤维组织的形成过程,2019/6/17,6,冷轧前后晶粒形状变化 (a)变形前的退火状态组织 (b)变形后的冷轧变形组织,2019/6/17,7,2.1.1 显微组织的变化,亚结构在变形量大而且层错能较高的金属中，位错的分布是很不均匀的。纷乱的位错纠结起
3、来，形成位错缠结的高位错密度区(约比平均位错密度高五倍)，将位错密度低的部分分隔开来，好像在一个晶粒的内部又出现许多“小晶粒”似的，只是它们的取向差不大(几度到几分)，这种结构称为胞状亚结构。,2019/6/17,8,多晶体Fe冷轧后的胞状亚结构，x 6850 (a)变形量16； (b)变形量70,2019/6/17,9,铜中的形变亚结构 图中白色部分为低位错密度的亚晶，黑色区域为高位错密度的亚晶界,2019/6/17,10,2.1.1 显微组织的变化,变形织构 多晶体塑性变形时，各个晶粒滑移的同时，也伴随有晶体取向相对于外力有规律的转动过程。尽管由于晶界的联系，这种转动受到一定的约束，但当变
4、形量较大时，原来为任意取向的各个晶粒也会逐渐调整，引起多晶体中晶粒方位出现一定程度的有序化。这种多晶体由原来取向杂乱排列的晶粒，变成各晶粒取向大体趋于一致的过程叫做“择优取向”。具有择优取向的晶体组织称为“变形织构”。,2019/6/17,11,丝织构丝织构系在拉拔和挤压加工中形成。这种加工都是在轴对称情况下变形，其主变形图为两向压缩，一向拉伸。变形后晶粒有一共同晶向趋向与最大主变形方向平行。以此晶向来表示丝织构。,2019/6/17,12,试验表明，对于面心立方金属如金、银、铜、铝、镍等，经较大变形程度的拉拔后，所获得的丝织构为和。对于面心立方金属，丝织构与金属的堆垛层错能有关。层错能越高的
5、金属，111丝织构越强烈。对于体心立方金属，不论成分如何，其丝织构是相同的。如经过拉拔的铁、铜、钨等金属都具有110丝织构。,2019/6/17,13,2019/6/17,14,2019/6/17,15,板织构板织构是在轧制或者宽展很小的矩形件镦粗时形成。其特征是各个晶粒的某一晶向趋向于与轧向平行，某一晶面趋向于与轧制平面平行。因此板织构用其晶面和晶向共同表示。,2019/6/17,16,轧制过程中择优取向的形成 各晶粒中的“”表示某晶向 (a)、(b)、(c)分别表示轧制前、轧制时与轧制后的晶粒取向,2019/6/17,17,板织构示意图 (a) 轧制前 (b)轧制后,2019/6/17,1
6、8,2019/6/17,19,织构不是描述晶粒的形状，而是描述多晶体中的晶体取向的特征。应当指出，若使变形金属中的每个晶粒都转到上述所给出织构的晶向和晶面，这只是一种理想情况。实际上变形金属的晶粒取向只能是趋向于这种织构，一般是随着变形程度的增加，趋向于这种取向的晶粒越多，这种织构就越完整。织构可用x射线衍射的方法来测定。,2019/6/17,20,2.1.2 金属性能的变化,机械性能的变化1）加工硬化 2）各向异性 物理化学性能的变化1）金属密度的变化 2）导电性的变化 3）耐蚀性能的变化 4）导热性降低 5）磁性的改变,加工硬化,加工硬化的定义,加工硬化产生的原因,加工硬化的利用,加工硬化
7、的消除,加工硬化的定义,加工硬化的定义：金属在塑性变形过程中，随着变形程度增加，其强度和硬度提高而塑性（延伸率、面缩率）则降低，这种现象称为加工硬化。,加工硬化的实质,加工硬化的实质：位错运动受阻 滑移系的多少 晶粒大小,其他位错对运动位错的阻碍是产生加工硬化的根本原因,加工硬化的利用,加工硬化的利用：重要的强化手段,自行车链条链片五道冷轧硬度、强度、负荷,冷挤压成形,不能用热处理强化的材料,有利于金属均匀变形,拉钢丝、冲压成形零件变形均匀、减少局部变薄,提高使用安全性,加工硬化的不利影响及消除,不利影响：增加变形难度屈强比增加，载荷控制要求严格，生存操作困难塑性、韧性大大降低脆 消除方法：,
8、工序增多、生产率降低、生产成本提高,增加退火工序控制加热及冷却,使用场合受限制,2019/6/17,26,单晶体的切应力一应变曲线 显示塑性变形的三个阶段,2019/6/17,27,阶段易滑移阶段：当t达到晶体的c后，应力增加不多，便能产生相当大的变形。此段接近于直线，其斜率 ，即加工硬化率低，一般 为10-4G数量级（G为材料的切变模量）。 阶段线性硬化阶段：随着应变量增加，应力线性增长，此段也呈直线，且斜率较大，加工硬化十分显著， G/300，近乎常数。 阶段抛物线型硬化阶段：随应变增加，应力上升缓慢，呈抛物线型， 逐渐下降。,2019/6/17,28,三种典型晶体结构金属单晶体的硬化曲线
9、其中面心立方和体心立方晶体显示出典型的三阶段，至于密排六方金属单晶体的第阶段通常很长，远远超过其他结构的晶体，以致于第阶段还未充分发展时试样就已经断裂了。,2019/6/17,29,单晶与多晶的应力一应变曲线比较（室温）（a）Al （b）Cu,2019/6/17,30,多晶体的塑性变形由于晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调配合要求，各晶粒不可能以单一滑移系动作而必然有多组滑移系同时作用，因此多晶体的应力一应变曲线不会出现单晶曲线的第I阶段，而且其硬化曲线通常更陡，细晶粒多晶体在变形开始阶段尤为明显,2019/6/17,31,各向异性,金属材料经塑性变形以后，不同加工方式，会出现不同类型的织构。由于
10、织构的存在而导致制品在不同方向上性能的差异出现各向异性。,2019/6/17,32,具有各向同性的金属板材，经深冲后，冲杯边缘通常是比较平整的。具有织构的板材冲杯的边缘则出现高低不平的波浪形。把具有波浪形凸起的部份称为“制耳”。把由于织构而产生的制耳现象称为“制耳效应”。 冲压后制品如产生制耳，必须切除。这样不仅增加了金属的损耗和切边工序，而且还会因各向异性使冲压件产生壁厚不均，影响生产效率与产品质量。因此，在生产上，必须设法避免“制耳效应”的发生,2019/6/17,33,深冲件上的制耳,2019/6/17,34,金属密度的变化,冷变形后，在晶内或晶间出现了显微裂纹、裂口和空洞等缺陷，使金属
11、的密度降低，如图所示，青铜退火后密度为8.915克厘米3，经80%冷变形后其密度降至8.886克厘米3。相应的铜的密度由8.905克厘米3降至8.89克厘米3。,变形程度与密度的关系 （1）青铜 （2）铜,2019/6/17,35,导电性的变化,一般来说，金属随着冷变形程度的增加位错密度增加，点阵发生畸变会使电阻增高。例如，冷变形量达到82的铜丝，比电阻增加2；冷变形99的钨丝，比电阻增加50 但有时随着冷变形程度的增加，电阻不但不升高反而显著降低。比如冷拔钢丝。这是因为片状珠光体取向于钢丝的轴向，这是由于有向性所引起的电阻降低超过基体冷加工所引起的电阻升高所致。冷变形还会使晶间物质破坏，使晶
12、粒彼此接触也可减少电阻增加导电性。所以冷变形对导电性的影响应综合考虑。,2019/6/17,36,耐蚀性能的变化,冷变形后，金属的残余应力和内能增加，从而使化学不稳定性增加，耐蚀性能降低。 例如，冷变形的纯铁在酸中的溶解速度要比退火状态快；冷变形所产生的内应力是造成的金属腐蚀(“应力腐蚀”)的一个重要原因，在实际应用中是相当普遍而又严重的问题。 例如，冷加工后的黄铜，由于存在内应力，在氨气、铵盐、汞蒸气以及海水中会发生严重的腐蚀破裂(又称“季节病”)；高压锅炉、铆钉发生的腐蚀破裂等等。应力腐蚀的主要防止方法就是退火，消除内应力。,2019/6/17,37,导热性和磁性的改变,冷变形还会使金属的
13、导热性降低。如铜冷变形后，其导热性降低到78%。 冷变形还可以改变磁性。如锌和铜，冷变形后可减少其抗磁性。高度冷加工后，铜可以变为顺磁性的金属。对顺磁性金属冷变形会降低磁化敏感性等等。,2019/6/17,38,2.2 热加工变形中组织性能的变化,热加工变形的特点 热加工变形时的软化 金属组织的变化 金属性能的变化,2019/6/17,39,热加工变形的特点,金属的热加工与冷加工相比具有如下优点：热加工时金属的塑性好，断裂倾向小，可采用较大的变形量；因为变形温度升高后，由于完全再结晶使加工硬化消除，在断裂与愈合的过程中使愈合加速以及为具有扩散性质的塑性机制的同时作用创造了条件。 热加工时，变形
14、抗力低，塑性高，变形达到需要尺寸时，所消耗的能量少。因为在高温时，原子的运动及热振动增强，扩散过程和溶解过程加速，使金属的临界切应力降低；许多金属的滑移系统数目增多，使变形更为协调；加工硬化现象因再结晶完全而被消除。 热加工变形量大且不需要像冷加工那样要辅以中间退火，因而流程短，效率高。,2019/6/17,40,热加工可使室温下不能进行塑性加工的金属(如钛、镁、钼及镍基超合金等)进行加工； 热加工作为开坯，可以改善粗大的铸造组织，使疏松和微小裂纹愈合； 热加工的金属组织与性能，可以通过不同热加工温度、变形程度、变形速度、冷却速度和道次间隙时间等加以控制。 与冷加工相比较，热加工变形一般不易产
15、生织构。这是由于在高温下发生滑移的系统较多，使滑移面和滑移方向不断发生变化。因此，在热加工工件中的择优取向或方向性小。,2019/6/17,41,热加工在实际生产上，尚有如下不足：热加工需要加热，不如冷加工简单易行； 热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易于控制；温度的均匀性控制差。 热加工制品不如冷加工制品尺寸精确、表面光洁；有氧化铁皮和冷却收缩。 薄或细的加工制品，由于温降快，尺寸精度差，不易采用热加工。,2019/6/17,42,从提高钢材的强度来看，热加工不及冷加工。因为热加工时由于温度的作用使金属软化。 有些金属不宜进行热加工。例如，在一般的钢中含有较多的FeS，或在铜中含有Bi时
16、，在热加工中由于晶界上由这些杂质所组成的低熔点共晶体发生熔化，使晶间的结合遭到破坏，而引起金属断裂。,2019/6/17,43,热加工与冷加工的主要区别,金属在热加工时，硬化(加工硬化)和软化(回复与再结晶)两种对抗过程同时出现。在热加工中，由于软化作用可以抵消和超过硬化作用，故无加工硬化效应，而冷加工则与此相反，有明显的加工硬化效应。,2019/6/17,44,热加工变形时的软化回复与再结晶,回复和再结晶：由于塑性变形引起了金属内能的增加，从而使得金属处于不稳定的高自由能状态，在一定的外界条件下，变形后的金属自发的向变形前的低自由能方向发生转变，进行这种转变的过程叫回复和再结晶。 了解这些过
17、程的发生和发展规律，对于改善和控制金属材料的组织和性能具有重要的意义。,2019/6/17,45,回复、再结晶和晶粒长大,回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段； 再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程； 晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。,2019/6/17,46,2019/6/17,47,回复：较低温度，分为静态回复和动态回复 再结晶：较高温度，分为静态再结晶和动态再结晶 动态：塑性变形过程中 静态：塑性变形的间歇或变形后,2019/6/17,48,静态回复(1),回复可以使变形件的强度、硬度略微下降，塑性、韧性略微提高，物理性能恢复较多，大部
18、分宏观内应力都可消除低温回复：0.10.2Tm,2019/6/17,49,静态回复(2),中温回复：0.20.3Tm高温回复：0.3Tm0.5Tm,2019/6/17,50,静态回复的应用,去应力退火：基本保持变形后金属的加工硬化性能，同时可消除残余应力，避免工件的畸形和开裂，改善耐腐蚀性。 黄铜弹壳：冷挤成形，由于变形不均匀存在附加应力，变形结束后以残余应力存在与弹壳中，内能增加，处于不稳定状态，耐腐蚀性降低，放置一段时间后开裂。通过260左右去应力退火即可避免。,2019/6/17,51,静态再结晶,静态再结晶：冷塑性变形的金属在加热到再结晶温度以上时，通过再结晶核心的形成和晶核的长大，最
19、终形成无畸变的新晶粒的过程。 静态再结晶使得加工硬化和内应力完全消除，物理性能得到恢复，强度、硬度下降，塑性、韧性提高。 可通过控制再结晶条件，控制再结晶晶粒的大小和体积分数，以改善金属组织和性能。,2019/6/17,52,在再结晶阶段，首先是在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。,2019/6/17,53,2019/6/17,54,2019/6/17,55,影响再结晶的因素,退火温度。温度越高，再结晶速度越大 变形量。变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结
20、晶不能进行。 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。,2019/6/17,56,动态回复和动态再结晶,动态回复：热塑性变形过程中发生的回复 形变热处理：控制变形条件，使变形时只发生动态回复，随后热处理，获得高塑性和高强度的零件 动态再结晶：热塑性变形过程中发生的再结晶 降低变形温度、提高变形速率和变形程度，使得动态再结晶后的晶粒细小，从而获得高强度零件。,2019/6/17,57,2019/6/17,58,金属材料在热轧和挤压时的软化过程,2019/6/17,59,金属组织及性能的变化,热加工虽然不能引起加工硬化，但它能使金属的组织和性能发生显著的变化。热加工变形可认为是加
21、工硬化和再结晶两个过程的相互重叠。在此过程中由于再结晶能充分进行和在变形时靠三向压应力状态等因素的作用，可以使金属产生如下的变化：,2019/6/17,60,(1)铸态金属组织中的缩孔、疏松、空隙、气泡等缺陷得到压密或焊合。金属在变形中由于加工硬化所造成的不致密现象，也随着再结晶的进行而恢复。 (2)在热加工变形中可使晶粒细化和夹杂物破碎。,2019/6/17,61,(3)形成纤维组织也是热加工变形的一个重要特征。铸态金属在热加工变形中所形成的纤维组织与金属在冷加工变形中由于晶粒被拉长所形成的纤维组织不同。前者是由于铸态组织中晶界上的非溶物质的拉长所造成。,2019/6/17,62,由于纤维组
22、织的出现，使变形金属在纵向和横向具有不同的力学性能。在生产实际中为利用纤维组织使金属具有方向性这一特点，可设法使纤维组织所形成的流线在工件内有更为适宜的分布。如图（a）所示。,（a） （ b）,2019/6/17,63,(4)金属在热变形过程中产生带状组织。复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布，这种组织称为带状组织。带状组织不仅降低金属的强度，而且还降低塑性和冲击韧性，对性能极为不利。轻微的带状组织可以通过正火来消除。,2019/6/17,64,低碳钢中的带状组织,2019/6/17,65,课后作业 Homework,（1）什么是加工硬化？产生加工硬化的原因是什么？加工硬化对塑性生产有何利弊？,
