冷、热变形金属的组织与性能变化
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苏铁健
1. 冷变形金属的组织变化
(1)点缺陷(空位)密度增加位错在外力
作用下攀移的结果;
(2)位错密度增加金属塑性变形时,位错
源在外力作用下不断产生新的位错;
(3)晶粒碎化塑性变形足够大时,出现位
错缠结并进一步发展形成位错胞结构(中心位
错密度低,胞壁处位错密度很高),使得晶粒
分割成很多极小的碎块,称为晶粒碎化;
剧烈冷变形金属中的位错胞
(4)纤维组织随着变形量增加,晶粒沿着最大变形方向伸长,最后成为细条状,这种变形组织称为纤维组织;
(5)变形织构塑性变形量足够大时,各软取向晶粒逐渐转向为硬取向晶粒,各晶粒的取向逐渐趋向一致,这种组织称为变形织构。
变形前变形后的纤维组织变形织构
1)加工硬化金属随着变形量增加,其强度与硬度增加,塑性降低的现象。
原因:塑性变形中位错密度和点缺陷密度增加,使得位错滑移更为困难;软取向晶粒朝着硬取向变化。
加工硬化是不能用热处理强化的金属材料(如奥氏体不锈钢制品)提高强度的主要途径。
2)产生残余应力塑性变形在宏观和微观上的不均匀性,造成卸载后仍在其内部留存应力,称为残余应力。
根据其作用范围大小分为:
宏观残余应力(第一类残余应力)遍及整个材料
微观残余应力(第二类残余应力)晶粒尺度
点阵畸变(第三类残余应力)晶粒内部
第三类内应力是形变金属中的主要内应力,也是金属强化的主要原因。
而第一、二类内应力一般都使金属强度降低。
3)出现各向异性
塑性变形产生的各晶粒取向趋于一致的组
织,即变形织构,导致其力学、物理等性能呈
现方向性(不同方向性能不同)。
板料的织构使板料沿不同方向变形不均匀,冲压
成的零件边缘出现凹凸不平的形状,称为制耳现象。
板料冲压件的制耳现象
4)物理、化学变化
电阻率提高;密度下降;耐蚀性降低。
加热会增强原子的活动能力,使金属的组织和性能会通过回复、再结晶等一系列变化过程重新回到冷变形前的状态。
1)回复组织变化——加热温度较低时,原子将获得一定扩散能力。
通过原子的扩散,点缺陷密度下降,位错形成亚晶界。
金属能够发生回复的最低温度称为该金属的回复温度,大约是0.25~0.3T熔。
在工业上,常利用回复现象将冷变形金属低温加热,既稳定组织又保留了加工硬化,这种热处理方法称为
去应力退火。
2)再结晶组织变化——当冷变形金属被加热到较高温度时,由于原子活动能力增大,晶粒的形状开始发生变化,由破碎拉长的晶粒通过形核与晶核长大,变为完整的等轴晶粒。
再结晶不是相变过程。
由于再结晶后组织的复原,因而金属的强度、硬度下降,塑性、韧性提高,加工硬化消失。
发生再结晶也有一最低温度,
称为再结晶温度,大约是0.4T熔。
3)晶粒长大组织与性能变化——再结晶完成后,若加热温度继续升高或延长加热时间,将发生晶粒长大。
这是通过晶界迁移进行的,是大晶粒吞并小晶粒的过程。
而晶粒粗大会使金属的强度有所降低。
1)热变形金属在最低再结晶温度以上进行的变形,变形中有再结晶现象。
又称热加工。
在最低再结晶温度以下进行的变形称为冷变形或者冷加工。
冷变形(冷轧)热变形(热轧)
2)高温蠕变材料在高温下长时间加载时发生的缓慢塑性变形过程。
1)热变形
变形过程中,加工硬化与再结晶软化同时进行。
完全热变形变形时,加工硬化组织被再结晶软化完全消除。
不完全热变形如果变形温度较低而变形速率较高,加工硬化组织则不能完全被再结晶软化消除,变形后仍残留硬化组织。
不完全热变形变形抗力较低,产品精度和表面光洁度较高。
1)热变形Array“流线”热加工使铸态金属中的非
金属夹杂物沿变形方向伸长,形成彼
此平行的宏观条纹,称作流线,由这
种流线体现的组织称纤维组织。
纤维
组织使钢产生各向异性,与流线平行
的方向强度高,而与其垂直的方向强
度低。
在制定加工工艺时,应使流线
曲轴中的流线分布分布合理,尽量与拉应力方向一致。
2)高温蠕变
蠕变是金属在长时间较高温度
下(相对于其熔点)恒载荷作用
时发生的缓慢塑性变形现象。
其
典型的蠕变过程可用右图的蠕变
曲线表示。
起始伸长率
蠕变三阶段
第Ⅰ阶段:减速蠕变阶段
第Ⅱ阶段:恒速蠕变阶段
第Ⅲ阶段:加速蠕变阶段
起始伸长率
蠕变机制
•位错滑移高温下更容易克服短程障碍。
•原子扩散高温下空位从压应力区定向扩散至拉应力区。
•晶界滑动高温下晶界弱化,容易滑动。