金属材料概论第四章-2

学习内容：第一章金属材料的性能第二章晶体结构与结晶第三章金属的塑性变形与再结晶第四章二元合金第五章铁碳合金相图及应用第六章钢的热处理第七章合金钢第八章铸铁第九章有色金属及其合金第三章金属的塑性变形与强化第四章材料的变形断裂与强化机制学习内容：第一节材料的塑性变形第二节金属的冷塑性变形第三节金属的热塑性变形第二节金属的冷塑性变形学习的内容：一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化第二节金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响1、显微组织的变化塑性变形后，外形、尺寸的改变是内部晶粒变形的总和变形量↑等轴晶粒沿轧制方向逐渐伸长晶粒由多边形→扁平形或长条形如轧制时：(一)对金属组织结构的影响纤维分布方向金属变形伸展方向金属的性能具有明显的方向性纵向强度和塑性横向变形量很大出现纤维组织低碳钢冷塑性变形后的显微组织×200(70%压缩率)轧制过程示意图F轧制方向轧制前轧制后F拉拔示意图Ddh冲压示意图亚结构—泛指尺寸比晶粒更小的所有细微组织2、亚结构的细化塑性变形前，铸态金属的亚结构直径约为10-2cm冷塑性变形后，亚结构直径细化至10-4~10-6cm大量变形后，由于位错的运动及其相互作用，位错分布不均，并使晶粒亚晶粒→变形量越↑，亚结构的数量越↑，尺寸越↓。碎化为金属变形后的亚结构示意图亚晶界—晶格畸变区，堆积大量的位错亚晶粒—相对比较完整3、变形织构①变形织构:当变形量很大(70~80%)时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。这种由于塑性变形的结果使晶粒具有择优取向的组织称为“变形织构”②分类:同一种材料，加工方式不同丝织构板织构丝织构：在拉拔时形成特征→各晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行拉丝方向板织构：在轧制时形成，特征→各个晶粒的某一个晶面‖轧制平面，而某一晶向‖轧制方向板织构轧制方向有害影响—“制耳”：影响：变形织构使金属呈现明显的各向异性。当用有织构的板材冲压杯状零件时，由于变形织构使金属材料在冷变形过程中变形量分布不均，板材各个方向的塑性差别很大，变形能力不同冲压出的工件边缘不齐，壁厚不均——“制耳”现象因变形织构所造成的“制耳”(a)无织构(b)有织构(b)(a)(二)塑性变形对金属性能的影响1·概念：在塑性变形过程中随着变形程度的↑，金属强度、硬度↑，而塑性、韧性↓，这一现象称为加工硬化ψσ0.2σbHB低碳钢冷轧后力学性能的变化δ变形度（%）晶格畸变急剧增大位错交互作用加剧位错运动阻力增大变形抗力↑∴塑性变形困难，要变形需增加外力，↑金属的强度2·产生原因—位错密度↑变形量↑亚结构细化位错密度↑位错间距↓3·生产过程的实际意义①↑金属强度的一个重要手段，特别对于无法用热处理强化的材料（铝、铜等），加工硬化尤其重要—制成冷拔棒材或冷轧板材；②加工硬化是某些工件或半成品能够拉伸或冷冲压加工成形的重要基础，有利于金属的均匀变形；冷拔钢丝：当钢丝拉过模孔后,其断面尺寸相应↓,单位面积上所受的力↑,如果金属不产生加工硬化并↑硬度→钢丝出模后可能被拉断;若钢丝经塑性变形后产生了加工硬化，尽管钢丝断面缩减，但其强度显著↑→不再继续变形，使变形转移到尚未拉拔的部分→钢丝可以持续地、均匀地经拉拔而成型。F拉拔示意图金属薄板在冲压过程中，弯角处变形最严重，首先产生加工硬化→该处变形到一定程度后，随后的变形就转移到其它变形→可得到厚薄均匀的冲压件★任何最精确的设计和加工出来的零件，在使用过程中各个部位的受力也是不均匀的，往往会在某些部位出现应力集中和过载现象——使该处产生塑性变形；★若金属材料没有加工硬化，则该处的变形会越来越大，应力也会越来越高——最后导致零件的失效或断裂；★金属材料具有加工硬化性质，使偶尔过载部位的变形会自行停止，应力集中也可以自行减弱，从而↑零件的安全性！③加工硬化可↑零件在使用过程中的安全性。4.不利影响：①变形抗力↑，需进一步变形时则要↑设备功率，↑动力消耗；②加工硬化后，金属塑性变形大为↓，继续变形会导致开裂。消除加工硬化以便继续进行冷变形加工的方法：中间需要进行再结晶退火处理。二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化∵金属及合金经塑性变形后，强度、硬度↑，塑性、韧性↓∴给进一步的冷成形加工带来困难∴需要将金属加热进行退火处理，使其性能向塑性变形前的状态转化：塑性、韧性↑，强度、硬度↓金属经塑性变形后，内部组织和结构发生很大变化，内能↑，组织处于不稳定状态！★加热温度提高：原子有足够高的活动能力★常温下：原子活动能力很小金属亚稳状态可维持相当长时间而不发生明显变化形变金属由亚稳状态稳定状态转变形变退火引起组织和性能变化形变金属的退火：将金属材料加热到某一规定温度，保温一定时间，而后缓慢冷至室温的一种热处理工艺。回复、再结晶、晶粒长大阶段三者往往重叠交织在一起退火过程（一）显微组织的变化第一阶段：回复阶段显微组织无变化，晶粒仍保持伸长阶段；第二阶段：再结晶阶段在变形的晶粒内部开始出现新的小晶粒,随着温度提高(时间延长),新晶粒不断出现和长大,塑性变形后的纤维晶粒→新的等轴晶粒；新的晶粒逐步相互吞并而长大，直到晶粒长大到一个较为稳定的尺寸。第三阶段：晶粒长大阶段（一）显微组织的变化(二)回复1·概念：经冷塑性变形的金属材料加热时，在显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程回复过程是原子迁移扩散过程导致金属内部缺陷数量的↓，内应力↓结果点缺陷数目↓空位与间隙原子结合→消失移至晶界或位错处→消失2.方式:★点缺陷（加热温度不太高）★位错（加热温度稍高）位错产生运动杂乱分布的位错促使集中并重新排列导致晶格畸变减小回复晶粒长大再结晶硬度电阻率内应力晶粒尺寸延伸率电阻率值内应力值3.结果:显微组织尚无变化显著↓力学性能变化不大加工硬化状态保留强度4.应用:对冷变形金属进行的低温加热退火只能用在保留加工硬化而降低内应力改善其它物理性能的场合冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生的高强度，由于残余内应力对其使用有不利的影响，所以采用回复退火以消除残余应力。导致材料变形、开裂和产生应力腐蚀去应力退火（三）再结晶1·概念:冷变形后的金属材料加热到足够高的温度时，通过新晶核的形成和长大，最终形成无畸变的新晶粒组织的过程2·特点:★变形的金属的显微组织彻底改组，拉长、破碎的晶粒→均匀、细小的等轴晶粒;2·特点:★内应力基本消除；★位错等缺陷大大↓→强度、硬度显著↓（三）再结晶★晶格类型不变;回复硬度内应力晶粒尺寸延伸率强度再结晶→塑性、韧性大大↑→加工硬化效应消失金属的性能又会重新恢复到冷变形前的高塑性和低强度状态再结晶退火金属冷变形加工的中间工序–材料能承受进一步冷变形冷变形后的金属需要恢复冷变形前的性能经过严重冷变形的金属,在约一小时的保温时间内完成再结晶(95%转变量)的最低退火温度开始产生再结晶现象的最低温度3·再结晶温度:（三）再结晶4·再结晶温度特点:①再结晶温度不是一个物理常数，而可在一个较宽的范围内变化（三）再结晶4·再结晶温度特点②主要决定于变形度：金属变形度↑,晶体缺陷↑→内能越↑,组织越不稳定→再结晶温度↓700600500400300204060801000温度℃变形度(%)电解铁纯铝→当变形度达到一定程度后,便趋于一定值纯金属最低再结晶温度(TR)与其熔点(Tm)大致关系:)()5.0~4.0(KTTmR③金属的纯度↑，其再结晶温度↓；金属中的微量杂质或合金元素会使再结晶温度↑④保温时间↑，加热速度↓或原始晶粒↓，会使再结晶温度↓⑤为充分消除加工硬化并缩短再结晶周期,工业生产中,常采用的再结晶退火温度要比计算值高出100~200℃（三）再结晶4·再结晶温度特点（三）再结晶5·再结晶晶粒大小(1)变形程度变形度越↑，变形越均匀再结晶退火后的晶粒就越↓①变形度很小(2%)时,金属晶格畸变很小,不足以引起再结晶,晶粒保持原状；变形度晶粒大小②变形度达2％-10％时，金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀，晶粒相互吞并长大为粗大的晶粒。（三）再结晶5·再结晶晶粒大小(1)变形程度变形度晶粒大小金属生产中要避免在这个范围内加工变形!③随着变形度↑，变形趋于均匀。加热时产生大量均匀分布的晶核，再结晶后得到细小且均匀的晶粒④特殊条件下，若变形度90％时，对某些金属(Fe)再结晶后的晶粒又会出现重新粗化现象—二次再结晶变形度晶粒大小（三）再结晶5·再结晶晶粒大小(1)变形程度（三）再结晶5·再结晶晶粒大小(1)变形程度(2)原始晶粒尺寸的影响(3)合金元素及杂质(4)退火温度原始晶粒度越小再结晶晶粒越小细化晶粒退火温度越高晶粒会越粗大（四）晶粒长大再结晶后，继续↑温度或↑保温时间，等轴晶粒之间互相吞并并长大，最后得到粗大的晶粒组织，这一现象称为晶粒长大。1·概念:长大特征正常长大反常长大随温度的升高或保温时间的延长晶粒均匀连续地长大晶粒不均匀不连续地长大—二次再结晶正常晶粒长大过程—晶界的迁移和晶粒的相互吞并大晶粒向小晶粒推进晶粒均匀长大大晶粒逐渐吞并小晶粒晶界本身平直化，三个晶粒的晶界交角趋于1200晶界处于平衡状态1200一、金属热加工的概念二、热加工对金属组织和性能的影响热加工：在再结晶温度以上的塑性加工一、金属热加工的概念在金属学上，冷加工和热加工不是根据变形时金属是否加热，而是根据金属的再结晶温度来区分的!冷加工：在再结晶温度以下的塑性加工铅：T再＝-13℃,钨：T再=1200℃,铁：T再=450℃冷加工用于塑性好、截面小、加工尺寸和表面光洁要求较高的金属制品!热加工用于截面尺寸大、变形量大、硬度高、脆性大的金属制品复习只要有塑性变形静态回复和静态再结晶→产生加工硬化现象→退火时就会发生回复和再结晶静态回复静态再结晶冷加工热加工动态回复动态再结晶塑性变形过程中发生的回复和再结晶热加工过程中发生的回复和再结晶∵热加工是在高于再结晶温度以上的塑性变形过程∴热加工过程中在金属内部同时发生着加工硬化和回复和再结晶软化两个相反的过程即：热加工的回复和再结晶是边加工边发生的！动态回复和动态再结晶：①热加工完成或中断后：若金属的温度再结晶温度，而且冷速很缓慢→冷却过程中还可能再发生静态回复和静态再结晶②热加工上限温度：在固相线以下100℃-200℃；热加工下限温度：在再结晶温度以上一定范围内。热加工冷加工材料始锻温度/℃终锻温度/℃去应力退火温度/℃再结晶退火温度/℃纯铝450350100250~300碳素结构钢及合金结构钢1200~1280750～800500～600680～720纯铜860650202~232黄铜270~300600~700二、热加工对金属组织和性能的影响（一）改善铸锭和钢坯的组织和性能通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合→使其致密度↑（二）形成纤维组织在热加工过程中，铸态金属的偏析夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变形方向延伸。其中硅酸盐、氧化物、碳化物等脆性杂质与第一相被打碎，呈碎粒状或链状分布；塑性夹杂物则变成带状、线状或条状，形成所谓热加工“纤维组织”，在宏观检验中常称之为“加工流线”。图(a)：为锻造曲轴的合理流线分布—流线沿工件外形轮廓连续分布.它在工作时与最大拉应力方向一致,而与外加剪切应力或冲击力垂直,使曲轴不易断裂。图(b)：由切削加工而成的曲轴，其纤维大部分被切断,因而工作时极易沿轴肩处发生断裂。(a)(b)（三）形成带状组织（四）影响晶粒大小二、热加工对金属组织和性能的影响变形量热加工温度(终锻温度)锻后冷却因素答：再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料的组织和性能。再结晶退火的温度较低，一般都在临界点以下。若对铸件采用再结晶退火，其组织不会发生相变，也没有形成新晶粒的驱动力（冷变形储存能),所以不会形成新晶粒，也就不能细化晶粒。将一锲型铜片置于间距恒定的两轧辊轧制（1）画出此铜片经完全再结晶后晶粒大小沿片长方向变化的示意图；（2）如果在较低温度退火，何处先发生再结晶？Why?铜片轧制过程示意图金属的冷变形度对再结晶晶粒大