金属的塑性成形和再结晶

第五章金属的塑性成形和再结晶教学目的及要求通过本章学习，使学生们掌握金属材料变形的过程，塑性变形对组织与性能的影响，变形金属在加热时转变：回复与再结晶。主要内容1．塑性变形对金属的组织和性能的影响2．冷变形金属加热过程中组织和性能的变化－回复与再结晶3．金属的热加工冷加工的区别学时安排讲课2学时。教学重点1．塑性变形对组织与性能的影响2．回复与再结晶教学难点1．塑性变形的机理2．回复与再结晶教学过程一、基本概念1．金属的塑料成形，又称压力加工指金属材料在外力作用下发生塑性变形的过程。在工业生产上，将钢锭锻造、挤压、轧制、拉拔成各种型钢、钢板、钢管或钢丝等规定尺寸和形状的零件和产品的过程都属金属的塑性成形。2．目的（1）获得规定形状和尺寸的零件和产品；（2）改善金属的组织和性能。3．金属塑性变形的分类按加工温度是否高于再结晶温度分为两种：冷塑性变形（冷加工）：指在金属再结晶温度以上进行的塑性变形加工，TT再；热塑性变形（热加工）：指在金属再结晶温度以上进行的塑性变形加工，TT再。纯金属：T再≈（0.35～0.4）T熔（K）合金：T再≈（0.5～0.7）T熔（K）一、金属的塑性变形1．单晶体的塑性变形主要方式：滑移和孪生。一般以滑移为主，孪生通常是在滑移难以进行时发生，是为了进一步滑移。机理：由于晶体中位错的存在降低了晶体的变形抗力。在外力作用下，通过位错的传递，晶体发生滑移和孪生，从而实现金属的塑性变形。实质：是由位错的移动来实现的。金属的晶格类型不同，塑性变形的难易程度不同：面心立方晶格金属最易发生塑性变形，所以塑性较好；其次是体心立方多属，密排六方晶格的金属塑性相对较差。2．多晶体的塑性变形—实际金属变形方式：滑移＋晶位的转动影响因素：晶粒位向和晶界。（1）晶粒位向不一致，变形时各晶粒间要相互协调：（2）晶界的影响：一方面是阻碍位错滑移，使变形抗力增大；另一方面是协调变形，晶界自身发生变形，使处于不同变形量的相邻晶粒保持连续。所以，多晶体的塑性变形过程可以这样描述：在外力作用下，变形首先发生在有利滑移的晶粒内，处于不利滑移的晶粒逐渐向有利方向转动，互相协调，由少量晶粒的变形扩大到大量晶粒的变形，从而实现宏观变形。3．细晶强化Hall-Pitch公式：σs=σ0+Kd-1/2（d为晶粒直径）。描述了晶粒大小与金属强度之间的关系：晶粒直径与金属的强度成反比。晶粒越细小，金属的强度越高。原因：（1）晶粒越细，单位体积中的晶界面积越大，对位错的滑移起到阻碍作用，提高了变形抗力；（2）晶界的存在有利于晶粒的移动和转动，推迟裂纹形成，阻碍裂纹扩展，在断裂前承受较大的塑性变形。所以，细化晶粒既可提高材料的强度，又可提高材料的塑性韧性。通过细化晶粒来提高金属的强度的方法称为细晶强化，是一种很重要的金属强韧化手段。二、冷塑性变形对金属组织和和性能的影响1．形成纤维组织，产生各向异性。随着应变量的增加，晶粒被拉长或者压扁，呈细条状或者纤维状；使金属沿变形方向的强度、塑性和韧性都比垂直于变形方向的高，产生了各向异性。2．晶粒内产生亚结构，造成加工硬化。加工硬化：经过冷塑性变形的金属材料，随变形度增加，强度硬度提高，塑性韧性下降的现象，称为加工硬化。产生原因：塑性变形造成晶粒破碎，晶格扭曲，位错密度急剧增加引起。意义：存在有利和不利两个方面。有利方面：提高强度和硬度，是强化金属材料的主要方法之一，尤其是对不能用热处理方法强化的金属。不利方面：金属的塑性降低，变形抗力提高，使进一步的冷变形困难，必须中间采用退火处理消除加工硬化现象；造成生产成本增加，生产率降低。3．大变形量形成的织构带来各向异性。各晶粒内原子排列位向趋于一致—称为织构或者择优取向，导致金属材料的各向异性。有利的影响：变压器铁心硅钢片的导磁性能沿扎制方向显著提高，提高变压器的效率。不利的影响：在深冲杯形工件时，容易出现制耳现象，导致杯口边沿不齐，造成废品。4．产生残余内应力。在金属内部塑性变形是不均匀的，当外力去除后，各部分的弹性恢复也不会完全一样，这就使金属内各部分之间产生相互平衡的内应力。影响：降低零件的尺寸稳定性；残余压应力可提高疲劳强度，残余拉应力降低耐腐蚀性能。消除方法：采用去应力退火。三、冷变形金属在加热时组织和性能的变化随着加热温度的升高，冷变形的金属经历三个阶段：回复、再结晶、晶粒长大。1．回复阶段：加热温度较低，基本上保持加工硬化效果。（1）显微组织：形貌保持不变；原子排列畸变程度减轻，空位剧烈减少。（2）强度硬度略有降低，内应力明显下降；（3）此阶段称为“去应力退火”。生产中利用回复进行去应力退火，降低残余应力，保留加工硬化效果。如冷卷弹簧在卷制后进行一次250～3000C的去应力退火，稳定尺寸。2．再结晶阶段：温度较高，加工硬化效果消除，恢复材料的塑性变形能力。再结晶指经过冷变形的金属，在较高温度下加热并保持一定的时间，形成新的晶核并成长为新的等轴晶粒的过程。组织性能的变化：（1）组织：碎的、拉长的晶粒转变成细小的等轴晶粒。（2）加工硬化、残余应力等完全消除。（3）性能：恢复塑性韧性，强度硬度降低；（4）此阶段又称再结晶退火。应用实际生产中，常利用再结晶退火来消除加工硬化。目的是恢复金属的塑性便于进一步冷加工。3．晶粒长大：再结晶结束后，加热温度继续升高或延长时间，晶粒之间便会相互吞并而长大，这一阶段称为晶粒长大。晶粒粗大后，材料的力学性能会变差，必须控制。其后果是强度、塑性和韧性下降。四、影响再结晶晶粒大小的因素（1）加热温度与保温时间。不宜过高，也不能太低。工业中常用的再结晶温度为：（2）预变形程度的影响。变形度越大，再结晶退火后晶粒尺寸越小，要大于临界变形度。临界变形度:金属冷变形后再结晶时晶粒极易长得粗大，这时所对应的应变量，称为临界变形度。金属材料的临界变形度一般为（2～8％）。五、金属的热塑性变形1．热塑性变形与冷塑性变形的区别（1）再结晶温度以上进行的塑性加工和变形；（2）不引起加工硬化，如果冷却缓慢，也不出现内应力。2．热加工对金属组织和性能的影响（1）改善铸锭组织，消除铸态组织缺陷（2）形成锻造流线—热加工纤维组织当金属在加工时，由于发生了再结晶，晶粒的取向会不同程度地偏离变形方向，但脆性夹杂物被打碎拉长形成的纤维方向不变，这样由一条条热加工中的流线勾划出来的组织，叫做纤维组织。流线使金属仍有各向异性，拉伸时沿流线方向的力学性能好，垂直流线的方向力学性能较差。在制定热加工工艺时，应尽量使流线与工件所受的最大拉应力方向一致，而与外剪切应力或冲击应力的方向垂直。如图5－6中，图（a）所示曲轴锻坯流线分布合理，图（b）中曲轴是由锻钢切削加工而成，其流线分布不合理，在轴肩处容易断裂。（3）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。如低碳钢中的带状组织。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。