2塑性成型原理2014(第三节、第四节热成型)

临界变形量 2%-10%
GH37镍基高温合金的动态再结晶图
晶粒长大
变形金属在刚刚结束再结晶晶粒是比较细小，如果 再结晶后不控制其加热温度，继续升温，晶粒便会长大， 将降低金属的机械性能。
二次再结晶
原来金属变形不均匀，经过再结晶后得到大小不均 匀的晶粒，大小晶粒能量相差悬殊，容易发生大晶粒吞 并小晶粒而愈长愈大的现象，得到异常粗大的晶粒，降 低金属性能，这种不均匀急剧长大的现象。
※ 当金属在高温下受力变形时，加工硬化过程和回复及再
结晶等加工软化过程是同时存在的。变形过程中的加工 硬化会随时被再结晶所消除。
金属塑性变形与内能变化影响
冷塑性变形 金属内能增加 回复 再结晶 加热升温
金属组织形与内能、晶粒大小、性能的关系
晶粒随着温度的升高而长大是一种必然现象
上节主要内容回顾
冷拔钢丝组织
（1）滑移和孪生的异同点？ （2）多晶体的变形特点？ （3）什么是加工硬化现象？ （4）冷加工对组织和性能的影响？
第二章 金属塑性变形的物理基础
2.2 金属热塑性变形（一）
思考
（1）回复和再结晶特征及应用 （2）影响再结晶的因素？ （3）回复和再结晶的驱动力是什么？ （4）冷、热加工的区别（如何判断）？
奥氏体化过程是一个形核和长大的过程，最初形成的 晶粒很多，起始晶粒度就是指奥氏体刚刚形成时的晶 粒大小，此时晶粒很细、数量很多。随着温度继续升 高，通过晶界的移动，造成晶粒间相互吞并，温度越 高，晶界自由能越大，越容易移动，时间一长的话， 吞并现象越严重，因而晶粒越粗大。
动态回复
※ 即金属在高温塑性加工过程中进行的回复（温度/外力） （铝及其合金、工业纯铁、铁素体钢及密排6方锌、Sn等）。 ※动态回复主要是通过位错的攀移、交滑移等来实现的。
程中(回火，再结晶退火），严重变形的晶粒发生回复， 形核长大，形成细小的等轴晶粒，这一过程不会发生相 变，只有应变能的释放。
静态再结晶形核机制
亚晶 聚合
主 要 有 三 种
亚晶 长大
亚晶中心是一 个位错密度和 能量最低的稳 定区域
凸出 形核
回复\再结晶\晶粒长大的驱动力是什么？
再结晶的影响因素
再结晶过程不是瞬时完成的，影响因素较多： ※化学成分（杂质），提高再结晶温度； ※冷变形程度，变形程度增加，再结晶温度降低。 ※原始晶粒，原始晶粒越细小，再结晶温度降低； ※保温时间，延长加热时间，再结晶温度降低；
如何判断金属冷加工和热加工
在金属学中，把高于金属再结晶温度的加工叫热加工，反 之为冷加工。热加工可分为金属铸造、热扎、锻造、焊接 和金属热处理等工艺。有时也将热切割、热喷涂等工艺包 括在内。
例1：已知铅的熔点为327℃，钨的熔点为3380℃。 问：铅在20℃、钨在1000℃时变形各属哪种加工？ 为什么？
材料 铜（99.999%） 铜-5%锌 铝（99.999%） 镍（99.99%） 再结晶温（℃） 120 320 80 370 材料 铜（无氧铜） 铜-5%铝 铝（99.0%） 镍（99.4%） 再结晶（℃） 200 290 290 600
再结晶全图：
将加热温度、变形程度两个因素对再结晶后晶粒度的影 响绘制在一个坐标系中，称为再结晶全图，这对制订金属的 加工变形与退火工艺起重要的参考作用。
解：T铅再 ＝ 0.4T 熔 ＝ 0.4（327+273） ＝ 240°K ＝ -33℃ < 20℃
故铅在20℃属于热加工
T
钨再
＝ 0.4 T熔 ＝ 0.4（3380+273） ＝1461K ＝ 1188℃>1000℃
故钨在1000℃属于冷加工。
T
钨回
＝（0.25－0.3）T熔 ＝ （913－1096）K ＝（640－823） ℃ < 1000℃ 故钨在1000℃属于温变形。
冷变形： T变＜T回
温变形： T回＜T变＜T再 热变形： T变＞T再
上节主要内容回顾
（1）回复和再结晶组织和性能变化 （2）冷、热加工的区别（如何判断）？ （3）回复、再结晶、晶粒长大的驱动力是什么？ （4）金属铸件可以通过再结晶退火细化晶粒吗？
上节主要内容讨论
再结晶是否为固态相变？
1.狭义上讲不属于固态相变，广义上是相变 2.再结晶算是固态转变，而非相变，相变是母相减少 同时新相的生成，主要表现在前后晶体结构的变化也 包括只有电子自旋方式的变化或又称有序程度的变化；
塑性成形过程组织变化特征
再结晶过程对晶粒大小的影响 再结晶后的晶粒度对金属的性能由很大的影响，不 仅影响到金属的强度和塑性，而且还影响金属的冲击韧 性。影响金属晶粒度的主要因素有：
※加热温度，加热温度愈高，金属的晶粒便愈粗大； ※保温时间，延长加热时间，也会使晶粒粗大； ※原始晶粒，晶粒越细小，新晶粒越细小； ※金属变形度，变形度越大，再结晶后的晶粒愈细小。
再结晶退火相关常识
作用：将冷变形金属加热到再结晶温度以上，完成再 结晶的过程，完全消除加工硬化的热处理方法。 提问：再结晶退火和重结晶退火的区别？
重结晶和再结晶最本质的区别是前者发生了相变，是属
于从低温相（铁素体）升温转变为高温相（奥氏体）在 降温发生相变，形核形成晶粒，这一过程为重结晶。
再结晶一般是指较大变形量的金属材料在随后的加热过
形成条件： 1. 金属内存在有杂质、化合物和铸造结 晶时的偏析等，内因； 2. 金属沿某一变形方向有足够的变形程 度（锻比），外因。
吊钩的纤维组织
各向异性： 1. 随着锻比K的增大，钢的力学性能提高； 2. 当Ｋ为2-5时，性能不在增大，各向异性； 3. K继续增大，横向塑性、韧性显著下降， 各向异性更加严重
冷变形组织
加热变形
塑性变形产生：
金属经冷塑性变形其组织、结构和性能的变化： 处于高自由能状态 外加动力 学条件 （加热升温）
金属就会自发地向着自由能降低的方向转变 进行这种转变的过程称为回复和再结晶。
变化结果：
转变过程中金属的组织和性能都会发生不同程度的变 化，直至恢复到冷变形前的原始状态，即变形金属的 软化过程。
高温形变热处理
当高温变形金属只发生动态回复时，其组织仍为亚晶 组织，金属中的位错密度还相当高。若此时进行热处 理，则能获得变形强化和热处理强化的双重效果，使 工件具有更为良好的综合力学性能。例如：钢的高温 形变淬火。
与普通热处理相比：一些钢材能提高抗强度 10%-30%，提高塑性40%-50%。
高温形变热处理
第二章 金属塑性变形的物理基础
2.2 金属热塑性变形（二）
思考
（1）热加工对金属组织、性能影响？ （2）冷加工流线与热加工流线区别？ （3）叙述晶粒随着温度的升高而长大是一种必然现象。
金属塑性变形过程（冷、热加工）
※ 金属塑性变形后，晶粒的形状、尺寸将发生变化，晶粒
间产生碎晶，晶格发生扭曲，增加了滑移阻力，从而产 生所谓“加工硬化”现象。其标志是强度和硬度上升， 而塑性和韧性下降。然而当继续经受加热时，原子运动 加剧，金属内部错位的原子恢复正常排列，消除晶格扭 曲，可使加工硬化部分消除，这一过程称之为“回复” （绝对回复温度为金属绝对熔化温度的0.25-0.30倍）。 当金属温度继续升高到绝对熔化温度的 0.35-0.4 倍时， 金属原子获得更高的热能，则开始以某些碎晶或杂质为 核心生长成新的晶粒，进而消除了全部加工硬化现象， 这个过程称为再结晶。
塑性成形过程判断
(A) 变 形 率 50%
动态 回复
静态 回复
动态 回复
(B)
动态 回复
静态 再结 晶
变 (C) 形 率 99% (D)
动态 再结 晶
静态 再结 晶
亚动 态再 结晶
金属材料动、静态回复和动、静态再结晶示意图
热加工对金属组织和性能的影响
※使金属组织晶粒细化，机械性能提高。 再结晶并不是简单恢复到变形前组织的过程，通过控制变形与 再结晶条件可以控制再结晶晶粒的大小和再结晶的体积分数， 以达到改善、控制金属组织和性能的目的。
相变分级
1.一级相变：凝固、升华、熔化以及金属和合金中大多数固态相变 2.二级相变：磁性转变、有些合金中的有序无序转变、超导态转变 3. n级相变：不常见。
上节主要内容讨论
化学成分对再结晶温度影响？与熔点的关系？
1.金属的化学成分对再结晶温度的影响比较复杂。当金属 中含有少量合金元素和夹杂时，在多数情况下要提高再结 晶温度，这可能是由于少量的异类原子与变形中产生的结 构缺陷空位和位错交互作用，阻碍了这些缺陷的运动（原 子的扩散和新晶粒生长时晶界的推移），使再结晶过程难 以进行。 2.当合金元素含量较高时，则可能提高也可能降低再结晶 温度，这主要视合金元素对基体原子扩散速度的影响，以 及合金元素对再结晶形核时表面能的影响而定。 3.意义：钼、铬等元素可提高钢的再结晶温度，利用这一 规律可以改善钢的高温性能。
回复
※ 在加热温度较低时，因金属中点缺陷和位错的迁移而引起的 某些晶内变化，称为回复。此时原子的活动能力不大，只能 在微晶进行短程扩散，使得点缺陷和位错发生运动，从而改 变它们的数量和分布，而金属晶粒形状和大小并未发生明显 的变化。 ※ 回复温度： T=0.25-0.3T熔 式中T、T熔均以绝对温度表示 ※ 特征： 通过回复虽然金属中晶格畸变降低，但晶粒外形并未发生 改变，组织仍处于不稳定状态，因此经一定的塑性变形后， 金属在强度、硬度和塑性等机械性能方面变化不大，而内应 力、电阻率等理化性能降低，耐腐蚀性高。 ※ 应用（去残余应力退火）： 生产中常利用回复消除加工硬化后工件的残余内应力。
403Nb马氏体耐热钢
NT-固溶（1100℃）+回火 （650 ℃ ） TMT-奥氏体化（1200℃） +轧制（850 ℃ ）+空冷 TMTT-奥氏体化（1200℃）+ 轧制（850 ℃ ）+回火
NT
TMT
TMTT
NT
TMTT
常温强度提高47.5%；700℃强度提高38.5%
动态再结晶
※ 动态再结晶容易发生在层错能较低的金属发生较大变 形量时。由于金属的层错能低，位错的交滑移和攀移 不容易进行，材料局部区域将产生较高的位错密度差， 容易发生动态再结晶。 ※ 动态再结晶后的晶粒度与变形温度、应变速率和变形 程度等因素有关。降低变形温度、提高应变速率和变 形程度，会使动态再结晶后的晶粒变小，通过控制热 加工变形时的温度、速度和变形量，就可以调整成形 件的晶粒组织和力学性能。
※提高金属组织致密度。 铸态金属中疏松、空隙以及微裂纹等缺陷被压实、锻合，提高 金属致密度。 ※破碎碳化物与非金属夹杂物。 碳化物破碎，均匀分布基体金属中，改善碳化物偏析。 夹杂物变形、破碎，降低其有害作用。 ※热加工产生纤维组织。 金属中存在杂质、夹杂物，沿主变形方向形成纤维组织。
热加工纤维组织
去（残余）应力退火应用举例
作用：消除残余应力、保持加工硬化强度和硬度、提 高使用寿命 例1：冷拉钢丝绕制弹簧，绕成后应在280℃-300℃消 除应力退火，目的是什么？ 定形 卷制、去应力退火、钩环制作、（切尾）、去应力退火、 立定处理、检验、表面防腐处理、包装
例2：经深冲成形的黄铜（Zn30%）弹壳，室外放置一段 时间后会自动开裂，为什么，怎么办？
攀移
交滑移
※ 动态回复是高层错能金属热变形过程中唯一的软化机制。 例如铝及铝合金由于它们的层错能高，位错容易在滑移面 间转移，而使异号位错相互抵消，结果使位错密度下降， 畸变能降低，不足以达到动态再结晶所需的能量水平。因 此这类金属在热塑性变形过程中，即使变形程度很大、变 形温度远高于静态再结晶的温度，也只发生动态回复，而 不发生动态再结晶。
冷变形的残余应力+外界气氛对晶界的腐蚀作用 去应力退火（260℃）
静态再结晶
※ 进一步提高温度，晶粒的外形将发生变化，从变形的晶粒
中通过形核、长大过程重新形成等轴细晶粒，这些细晶粒 不断向周围变形金属中扩展，直到金属中变形晶粒完全消 失，这个过程称为金属的再结晶过程。 ※ 再结晶温度：一般再结晶温度与金属的变形程度、金属的纯 度和保温时间等因素有关，一般经验公式为（纯金属）： T再=0.35-0.4 T熔 式中T再、T熔均以绝对温度表示 ※ 特征：通过再结晶金属的微观组织发生了根本性变化，金 属的强度、硬度显著下降，塑性及韧性显著提高，内应力 和加工硬化得以消除。 （是固态相变吗？） ※ 应用（再结晶退火）： 在冷轧、冷挤、冷拉、冷冲的过程中穿插再结晶退火， 消除加工硬化，恢复金属材料的良好塑性，以利于后续的 冷变形加工。