第3章塑性加工过程的组织性能变化

3．冷变形时金属性能的变化
1.
冷变形的概念
变形温度低于回复温度，在变形中只有加工硬化作用
而无回复与再结晶现象，通常把这种变形称为冷变形或冷 加工。冷变形时金属的变形抗力较高，且随着所承受的变 形程度的增加而持续上升，金属的塑性则随着变形程度的 增加而逐渐下降，表现出明显的硬化现象。
抗力
抗力
变形抗力与塑性
（2）热变形制品晶粒度的控制 在热变形过程中，为了保证产品性能及使用条件 对热加工制品晶粒尺寸的要求，控制热变形产品的晶 粒度是很重要的。 热变形后制品晶粒度的大小，取决于变形程度和

变形温度（主要是加工终了温度）。第二类再结晶全 图，是描述晶粒大小与变形程度及变形温度之间关系 的。如图6-14所示。根据这种图即可确定为了获得均 匀的组织和一定尺寸晶粒时，所需要保持的加工终了 温度及应施加的变形程度。
第3章 塑性加工过程的组织性能变化
§3.1
塑性加工中金属的组织与性能
§3.2
§3.3
金属塑性变形的温度——速度效应
形变热处理
§3. 1
塑性加工中金属的组织与性能 冷变形
3. 1. 1
3. 1. 2
3. 1. 3
热变形
塑性变形对固态相变的影响
3. 1. 1
冷变形
1．冷变形的概念 2．冷变形时金属显微组织的变化
塑性
塑性
冷加工率
退火温度
2.冷变形时金属显微组织的变化
（1）纤维组织
多晶体金属经冷变形后，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 形量很大时，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。被拉长的程度取决于主变 形图和变形程度。
问题：为什么锻件质量优于铸件质量？
现不同类型的织构。由于织构的存在而使金属呈现各 向异性。
轧 向 冷 轧 横 向 再结晶 0.8 1.6 1.2 0.4 0.4 0.8 1.2 1.6 105MPa
（a）
（b）
冷轧和再结晶铜片的弹性模量值
深冲件上的制耳
冷变形强化（加工硬化）
金属材料在冷塑性变形时，其强度、硬 度升高，而塑性、韧性下降的现象——冷变 形强化.
（3）热加工后产品的组织及性能不如冷加工时均匀。因为 热加工结束时，工件各处的温度难于均匀一致。
（4）不依赖热加工提高材料强度。
（5）有些金属具有热脆的不进行热加工。
确定热变形的温度范围，最少需要该合金的相图、塑 性图（图6-12）及变形抗力随温度而变化的图形（图 6-13）等资料。 根据合金相图及塑性图，可这样来选择热变形温度范 围：
图6-13 各种有色金属、合金加热温度对强度极限的影响 铜镍合金；2—镍；3—锡青铜QSn7—0.4；4—LY11；5—铜；6—锰铜； 7—锌；8—铅；9—H68；10—H62；11—H59；12—LY12；13—MB5；14—铝
2.
热变形对金属组织性能的影响
（1）热变形对铸态组织的改造 一般来说，金属在高温下塑性高、抗力小，加之原子 扩散过程加剧，伴随有完全再结晶时，更有利于组织的改
及出现第二、三类残余应力等，故经受冷变形后的金 属及合金，其塑性指标随所承受的变形程度的增加而 下降，在极限情况下可达到接近于完全脆性的状态。 另外，由于晶格畸变、出现应力、晶粒的长大、细化 以及出现亚结构等，金属的抗力指标则随变形程度的 增加而提高。金属力学性能与变形程度的曲线称硬化 曲线。
（3）织构与各向异性 金属材料经塑性变形以后，在不同加工方式下，会出
原因？
产生原因：滑移面上产生了微小碎晶，晶格畸变。 （内应力）
提高强度
加工硬化的应用
使变形均匀 提高安全性

n =A
硬化指数n是冷变形硬化参数，反 映材料的变形抗力。
n
3. 1. 2
热变形
1．热变形的概念 2．热变形对金属组织性能的影响 3．热变形过程中的回复与再结晶
1.
热变形的概念
（3）与冷加工相比较，热加工变形一般不易产生织构。
（4）在生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而 可使生产工序简化，生产效率提高。 （5）热加工变形可引起组织性能的变化，以满足对产品某些 组织与性能的要求。
同其他加工方法相比也有如下的不足：
（1）对薄或细的轧件，由于散热较快，在生产中保持热加 工的温度条件比较困难。因此，目前对生产薄的或细的 金属材料来讲，一般仍采用冷加工（如冷轧、冷拉）的 方法。 （2）热加工后轧件的表面不如冷加工生产的尺寸精确和光 洁。因为在加热时，由于轧件表面生成氧化皮和冷却时 收缩的不均匀。
图6-12
确定热变形温度的必需资料
（a）相图；（b）塑性图（HPb59-1）
60 55 50 45
强度极限，×10MPa
40 35 30 25 20 15 10 5 0 100 14 4
1 2
3 5 6 7 8 200 300 400 500 600 温度，℃ 700 800 900 1000 12 13 10 9
（3）变形织构
多晶体塑性变形时，各个晶粒滑移的同时，也伴随着晶 体取向相对于外力有规律的转动，使取向大体趋于一致叫做 “择优取向”。具有择优取向的物体，其组织称为“变形织 构”。
金属及合金经过挤压、拉拔、锻造和轧制以后，都会 产生变形织构。塑性加工方式不同，可出现不同类型的织构。 通常，变形织构可分为丝织构和板织构。
（a）
（b）
图6-14
第二类再结晶全图（LY2） （b）在锻锤下压缩0
（a）在压力机上压缩
（3）热变形时的纤维组织
金属内部所含有的杂质、第二相和各种缺陷，在热变形过 程中，将沿着最大主变形方向被拉长、拉细而形成纤维组织或 带状结构。这些带状结构是一系列平行的条纹，也称为流线。 纤维组织一般只能在变形时通过不断地改变变形的方向来避免， 很难用退火的方法去消除。当夹杂物（或晶间夹杂层）数量不 多时，可用长时高温退火的方法，依靠成分地均匀化，和组织 不均匀处的消失以去除。在个别情况下，当这些晶间夹杂物能 溶解或凝聚时，纤维组织也可以被消除。
所谓热变形（又称热加工）是指变形金属在完全再 结晶条件下进行的塑性变形。一般在热变形时金属所处温 度范围是其熔点绝对温度的0. 75~0. 95倍，在变形过程中， 同时产生软化与硬化，且软化进行的很充分，变形后的产 品无硬化的痕迹。
与其它加工方法相比，如冷加工，具有自己一系列的优点， 诸如： （1）金属在热加工变形时，变形抗力较低，消耗能量较少。 （2）金属在热加工变形时，其塑性升高，产生断裂的倾向性 减小。
射电子显微镜观察，这些位错在变形晶粒中的分布是很不均 匀的。只有在变形量比较小或者在层错能低的金属中，由于 位错难以产生交滑移和攀移，在位错可动性差的情况下，位 错的分布才是比较分散和比较均匀的。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），这种结构称为亚结构。
（4）晶内及晶间的破坏 在冷变形过程中不发生软化过程的愈合作用，因 滑移（位错的运动及其受阻、双滑移、交叉滑移等）， 双晶等过程的复杂作用以及各晶粒所产生的相对转动 与移动，造成了在晶粒内部及晶粒间界处出现一些显 微裂纹、空洞等缺陷使金属密度减少，是造成金属显 微裂纹的根源。
3. 冷变形时金属性能的变化
σ σS
ε σ σm σ
S
S
ε （a）
ε
m
ε S （b）
ε
图6-17
动态流变曲线
实验研究表明：
1）发生动态回复有一个临界变形程度，只有达到此值才能 形成亚晶。 2）当变形达到平稳态后，亚晶也保持一个平衡形状。在低 的变形温度（0. 3 ~0. 6Tm）下，即使变形量很小，亚晶 形状是长条的；而在高的变形温度（0.6~0.7 Tm）下，即 使变形量很大，亚晶也能构成等轴的形状。 3）热变形达到平稳态后，亚晶的平均尺寸有一个平衡值，
晶粒直径，微米
400 350 200 300 100 250 变形温度，℃ 0 200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 300 变形程度，%
晶粒直径，微米
500 450
500 450 300 200 100 400 350 300 250 0 变形温度，℃ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90200 变形程度，%
（1）温度的上限，大致取该合金熔点绝对温度（Tm）的 0.95倍，即应比液相线低50℃左右。
（2）温度的下限，是要求保证在变形的过程中再结晶能
充分迅速地进行，并且整个变形过程是在单相系统内 完成。
冲击韧性，公斤 /毫米 2
0.95 T熔 T 0.75 T熔
9 7 5 3 1 100 300 500 700 900
金属中的空穴（包括凝固时的缩孔和气眼等）， 在变形时也会被拉长，当变形量很大、温度足够高时，
这些孔穴可能被压紧、焊合，如果变形量不够大，这 些孔穴就形成了头发状的裂纹称为“发裂”。
显著的纤维组织也能引起分层，使变形金属得到
层状或板状的断口，例如HPb59-1，QA10-3-1.5的层状 断口，消除的方法是铸造时细化晶粒，改善铅、Al2O3 分布状况，防止氧化吸气以减少Al2O3的生成。
消除加工硬化，提高 塑性。 在结晶速度取决于加 热温度和变形程度。 再结晶是一个形核、 长大过程。
保持加工硬化，消 除内应力。如冷卷 弹簧进行去应力退 火。
（2）亚结构
随着冷变形的进行，位错密度迅速提高。经强烈冷变形后， 可由原来退火状态的106~107/cm2增至1011~1012/cm2。经透
3.热变形过程中的回复与再结晶