金属材料与热处理 模块三 课题三金属材料的热加工和冷加工

金属的塑性变形与再结晶
二、冷加工对金属组织和性能的影响
在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工。例如，低碳钢的冷轧、冷拔、冷
冲等。
由于加工温度处于再结晶温度以下，金属材料发生塑性变形时不会伴随再结晶过程。因
此冷加工对金属组织和性能的影响，即是前面的所述塑性变形的影响规律。
图3-17是常温下冷加工（变形）程度对低碳钢的力学性能的影响。与热加工相比，金属材
金属的塑性变形与再结晶
（2）热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒， 而使金属的机械性能全面提高。图3-14所示为金属在热轧时变形和再结晶的示意图。但这 与热加工的变形量和加工终了温度关系很大，一般来说，变形量应大些，加工终了温度不 能太高。
金属的塑性变形与再结晶
（3）热加工能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相沿金属流动方向被拉长， 形成纤维组织（或称流线），使金属的机械性能特别是塑性和韧性具有明显的方向性，且 纵向上的性能显著大于横向上的，如图3-15所示。因此，热加工时应力求工件流线分布合 理。
金属的塑性变形与再结晶
图3-16为锻造曲轴的合理流线分布。锻造曲轴的合理流线分布，可保证曲轴工作时所受的 最大拉应力与流线一致，而外加剪切应力或冲击力与流线垂直，使曲轴不易断裂。切削加 工制成的曲轴，其流线分布不合理，易沿轴肩发生断裂。 由于热加工可使金属的组织和性能得到显著改善，所以受力复杂、载荷较大的重要工件， 一般都采用热加工方法来制造。
金属的塑性变形与再结晶
3 金属材料的热加工和冷加工
金属的塑性变形与再结晶
案例导入
在生产和生活中，铁匠师傅常常要“趁热打铁”，如图3-13所示。锻打过程中，如果 温度下降需要重新加热后才能继续。用圆钢棒制作齿轮时，将圆钢棒热镦成齿坯再加工 成齿轮比用圆钢棒作齿坯再加工成齿轮更合理。请问这是为什么呢？
金属的塑性变形与再结晶
必备知识 一、
在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为〖HTH〗热加工〖HT〗。例如，钢材的热 锻和热轧。由于温度处于再结晶温度以上，金属材料发生塑性变形后，随即发生再结晶过 程，因此塑性变形引起的加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除，使材料保持 良好的塑性状态。 （1）热加工能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻甚至 消除树枝晶偏析，改善夹杂物、第二相的分布等；提高金属的机械性能，特别是韧性和塑 性。
金属的塑性变形与再结晶
思考与练习 1 2 3
？热变形加工有何优缺点？ ？ 、性能有什么影响？
400 300 200 100
0
20
40
60
80
%
变形程度
金属的塑性变形与再结晶
总结提升
由此，可知，“趁热打铁”这种现象属于金属的热变形加工，是在再结晶能够充分进行 的条件下进行的。铁匠师傅将钢件烧红之后会使金属出现变形抗力小、消耗能量少，塑性 升高、产生断裂的倾向减小等优点，便于金属塑性变形加工的有利进行。如果温度下降且 低于最低再结晶温度，冷加工（变形）中的加工硬化及内应力等会使后续的变形加工更加 困难，所以锻打过程中如果温度下降，需要重新加热至再结晶温度以上消除加工硬化后才 能继续加工。
热加工时，不但使材料的形状发生变化，而且还能使其组织和性能发生变化。在变形过 程中粗大的晶粒在金属流动最大的方向上拉长形成纤维组织，使变形金属在纵向和横向具 有不同的力学性能，沿纤维组织方向具有较高的强度和塑性，而垂直于纤维伸展的方向上 性能则较为低劣。圆钢棒切下作齿坯再加工成齿轮，使原有的纤维组织被切断，力学性能 降低，而圆钢棒热墩成齿坯再加工成齿轮，使符合齿轮受力方向的纤维组织流线分布，所 以这种方法制作齿轮更为合理。图3-18所示为不同成形工艺齿轮的流线组织。
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金属的塑性变形与再结晶
（1）棒料切削成形。齿根处的切应力平行于流线方向。力学性能最差，寿命最短。 （2）扁钢切削成形。齿1的根部切应力与流线方向垂直，力学性能好，齿2情况正好相反， 力学性能差。 （3）棒料镦粗后切削成形。流线呈径向放射状，各齿的切应力方向均与流线近似垂直， 强度与寿命较高。 （4）热轧成形。流线完整且与齿廓一致，未被切断，性能最好，寿命最长。
料的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化的现象。加工硬化具有极重要的
延 伸率 % 冲击韧度/J cm -2
HB 强度极 限/MPa
实际意义。
360 320 280 240 200 160 120
80 40
0
强度极 限 布 氏硬度
220
700 600 500
冲击韧度
延 伸率 %
180 160 140 120
金属的塑性变形与再结晶
案例分析
“趁热打铁”是铁匠师傅在打铁时，要趁热将钢材进行变形加工，当温度下降后要继续 加热后才能继续加工。只有达到一定温度后才能进行后续的“打铁”，否则继续锻打可能 使工件断裂，而且变形阻力增大难以进行后续加工，这一过程属于金属的热塑性变形加工。
金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。热加工和冷加工不是根据变形时是否 加热来区分，而是根据变形时的温度处于再结晶温度以上还是以下来划分的。