冷热变形对金属组织和性能的影响

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,冷,塑性变形机理,多晶体的塑性变形包括晶内变形和,晶界变形（晶间变形）两种。在冷态条,件下，由于晶界强度高于晶内，,多晶体,的塑性变形主要是晶内变形,，,晶间变形,只起次要作用，而且需要有其它变形机,制相协调。,4-1,金属冷态下的塑性变形,晶内变形方式有滑移和孪生。由于滑移所需临界切应力小于孪生所需临界切应力，故,多晶体塑性变形的主要方式是滑移变形,，孪生变形是次要的，一般仅起调节作用。对于密排六方金属，孪生变形起着重要作用。,图,4-1,晶体滑移时的应力分析,晶体的滑移过程，实质上是位错的移动和增殖的过程。,由于在这个过程中位错的交互作用，位错反应和相互交割加剧，产生固定割阶、位错缠结等障碍，使位错难以越过这些障碍。要使金属继续变形，就需要不断增加外力，便产生了加工硬化。,图,4-2,刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意,图,4-3,螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意,图,4-4,面心立方晶体孪生变形示意,冷,塑性变形时，,多晶体主要是,晶内滑移,变形,;,实质上是,位错的移动和增殖的过程,;,由于位错的交互作用,塑性变形时 产生了加工硬化。,4.1.2,冷塑性变形特点,（,1,）,各晶粒变形的不同时性,塑性变形首先在位向有利的晶粒内发生,位错源开动,但其中的位错却无法移出此晶粒,而是在晶界处塞积。位错塞积产生的应力场越过晶界作用到相邻晶粒上,使其得到附加应力。随外加应力的增大,最终使相邻位向不利的晶粒中滑移系的剪应力分量达到临界值而开动起来,同时也使原来的位错塞积得到释放,位错运动移出晶粒。如此持,续运作,使更多晶粒参与变形。,（,2,）,各晶粒变形的相互协调性,晶粒的变形需要相互协调配合，如此才能保持晶粒之间的连续性，即变形不是孤立和任意的。,（,3,）,变形的不均匀性,软位向的晶粒先变形，硬位向的晶粒后变形，其结果必然是各晶粒变形量的差异，这是由多晶体的结构特点所决定的。,冷,塑性变形,对,对组织与,性,性能的影,响,响,1,）,对金属组,织,织的影响,（,1,）,在晶粒内,部,部出现滑,移,移带和孪,生,生带等组,织,织,铜多晶试,样,样拉伸后,形,形成的滑,移,移带,x173,倍,(,采自,C.Brady,美国国家,标,标准局,),多晶铜拉,伸,伸后，各,个,个晶粒滑,移,移带的光,学,学显微镜,照,照片。铜,是,是,FCC,晶体，滑,移,移系是,111/,，有,12,种组合。,由,由图看出,，,，每个晶,粒,粒有两个,以,以上的滑,移,移面产生,了,了滑移。,由,由于晶粒,取,取向不同,，,，滑移带,的,的方向也,不,不同。,（,2,）形成了纤,维,维组织,冷加工变,形,形后，金,属,属晶粒形,状,状发生了,变,变化，变,化,化趋势大,体,体与金属,宏,宏观变形,一,一致。轧,制,制变形时,，,，原等轴,晶,晶粒沿变,形,形方向伸,长,长。变形,程,程度大时,，,，晶粒呈,现,现为一片,如,如纤维状,的,的条纹，,称,称为纤维,组,组织。当,有,有夹杂或,第,第二相质,点,点时，则,它,它们会沿,变,变形方向,拉,拉长成细,带,带状或粉,碎,碎成链状,。,。,工业纯,铁,铁冷塑,性,性变形,后,后组织,(150X),a),变形程,度,度,20%b),变形程,度,度,50%c),变形程,度,度,70%,（,3,）,变形织,构,构,多晶体,塑,塑性变,形,形时伴,随,随着晶,粒,粒的转,动,动，当,变,变形量,很,很大时,，,，多晶,体,体中原,为,为任意,取,取向的,各,各个晶,粒,粒，会,逐,逐渐调,整,整其取,向,向而彼,此,此趋于,一,一致，,这,这种由,于,于塑性,变,变形而,使,使晶粒,具,具有择,优,优取向,的,的组织,，,，称为,“,“变形,织,织构”,。,。,丝织,构,构示意,图,图,a,）拉拔,前,前,b,）拉拔,后,后,板织构,示,示意,a),轧制前,b,）轧制,后,后,因板织,构,构所造,成,成的“,制,制耳”,a),无制耳,b),有制耳,（,4,）晶粒内,产,产生胞,状,状亚结,构,构,塑性变,形,形主要,是,是借位,错,错的运,动,动而进,行,行的。,经,经大变,形,形后，,位,位错密,度,度可从,退,退火状,态,态的,106,107cm-2,增加到,1011,1012cm-2,。位错,运,运动及,交,交互作,用,用结果,，,，其分,布,布是不,均,均匀的,。,。它们,先,先是比,较,较纷乱,地,地纠缠,成,成群，,形,形成,“,位错缠,结,结,”,。如果,变,变形量,增,增大，,就,就形成,胞,胞状亚,结,结构。,金属经,变,变形后,的,的亚结,构,构,2,）,对金属,性能,的影响,随着变,形,形程度,的,的增加,，,，金属,强,强度、,硬,硬度增,加,加，而,塑,塑性、,韧,韧性降,低,低。,金属的,性,性能将,显,显示各,向,向异性,。,45,号钢力,学,学性能,与,与变形,程,程度的,关,关系曲,线,线,青铜的,加,加工硬,化,化,青铜的,加,加工硬,化,化非常,严,严重，,在,在冷拉,拔,拔时需,反,反复退,火,火以改,善,善其塑,性,性。,因加工,硬,硬化严,重,重，塑,性,性下降,，,，青铜,在,在拉拔,时,时发生,脆,脆断。,4-2,金属热,态,态下的,塑,塑性变,形,形,热,塑性变,形,形时软,化,化过程,（,1,）动态回,复,复,动态回,复,复是在,热,热变形,过,过程中,发,发生的,回,回复，,金,金属即,使,使在远,高,高于静,态,态再结,晶,晶温度,下,下塑性,变,变形时,一,一般也,只,只发生,动,动态回,复,复。,（,2,）动态再,结,结晶,动态再,结,结晶是,在,在热变,形,形过程,中,中发生,的,的再结,晶,晶，与,静,静态再,结,结晶一,样,样，也,是,是通过,形,形核和,生,生长来,完,完成的,。,。它容,易,易发生,在,在层错,能,能较低,且,且有较,大,大热变,形,形程度,的,的金属,上,上。,（,3,）静态回,复,复,在较低,的,的温度,下,下、或,在,在较早,阶,阶段发,生,生转变,的,的过程,成,成为静,态,态回复,。,。它是,变,变形后,的,的金属,自,自发地,向,向自由,能,能降低,的,的方向,转,转变的,过,过程。,（,4,）静态再,结,结晶,在再结,晶,晶温度,以,以上，,金,金属原,子,子有更,大,大的活,动,动能力,，,，会在,原,原变形,金,金属中,重,重新形,成,成新的,无,无畸变,等,等轴晶,，,，并最,终,终取代,冷,冷变形,组,组织，,此,此过程,称,称为金,属,属的静,态,态再结,晶,晶。冷,变,变形金,属,属加热,时,时组织,和,和性能,的,的变化,如,如图（,4,9,）,冷变形,金,金属加,热,热时组,织,织和性,能,能的变,化,化,（,5,）亚动态,再,再结晶,热变形,中,中已经,形,形成但,未,未长大,的,的再结,晶,晶晶核,以,以及长,大,大途中,遗,遗留下,的,的再结,晶,晶晶粒,，,，但变,形,形停止,后,后温度,足,足够高,时,时，会,继,继续长,大,大，此,过,过程称,为,为亚动,态,态再结,晶,晶。它,不,不需形,核,核，所,以,以进行,得,得很快,。,。,图,4-10,为热轧,和,和热挤,时,时，动,、,、静态,回,回复和,再,再结晶,的,的示意,图,图。,图,4-10,动、静,回,回复和,再,再结晶,示,示意,热,塑性变,形,形机理,变形机,理,理主要,有,有：晶内滑,移,移与孪,生、晶,界,界滑移,和,和扩散,蠕,蠕变。高温,时,时原,子间距,加,加大，,热,热振动,和,和扩散,速,速度增,加，位,错,错滑移,、,、攀移,、,、交滑,移,移及节,点,点,脱锚比,低,低温容,易,易；滑,移,移系增,多,多，滑,移,移,灵便性,提,提高，,各,各晶粒,之,之间变,形,形更加,协,协,调；晶,界,界对位,错,错运动,阻,阻碍作,用,用减弱,。,。,因此，,其,其主要机,理,理仍然,是,是晶内,滑,滑移。,热塑性,变,变形时,，,，由于,晶,晶界强,度,度降低,，,，使得晶界滑,动,动易于,进,进行；温度,越,越高，,原,原子动,能,能和扩,散,散能力,就,就越大,，,，扩散蠕,变,变既直,接,接为塑,性,性变形,作,作贡献,，,，也对,晶,晶界滑,移,移其调,节,节作用,。,。,热塑性,变,变形的主要机,理,理仍然,是,是晶内,滑,滑移；,由,由于晶,界,界滑动,和,和扩散,蠕,蠕变作,用,用的增,加,加，再,加,加之变,形,形时会,产,产生动,态,态回复,和,和再结,晶,晶。因此，,热,热态下,金,金属塑,性,性变形,能,能力比,冷,冷态下,高,高，变,形,形抗力,较,较低。,图,4-11,扩散蠕,变,变示意,a,）空位,和,和原子,的,的移动,方,方向,b,）晶内,扩,扩散,c,）晶界,扩,扩散,热塑性,变,变形对,金,金属组,织,织和性,能,能的影,响,响,1,）对组,织,织的影,响,响（,1,）,改善晶,粒,粒组织,，,，细化,晶,晶粒,对于铸,态,态金属,，,，粗大,的,的树枝,状,状晶经,塑,塑性变,形,形及再,结,结晶而,变,变成等,轴,轴（细,）,）晶粒,组,组织；,对,对于经,轧,轧制、,锻,锻造或,挤,挤压的,钢,钢坯或,型,型材，,在,在以后,的,的热加,工,工中通,过,过塑性,变,变形与,再,再结晶,，,，其晶,粒,粒组织,一,一般也,可,可得到,改,改善。,挤压,+,轧制对,Nb,棒组织,影,影响,1-2T,1-3T,1-3W,1-6W,1-6T,1-2T,1-3,1-6,200mm,600mm,挤压后,下,下料示,意,意图,3800mm,5.5,级,8-10,级,7-9,级,8-10,级,7-9,级,下图为,TC11,钛合金,铸,铸锭开,坯,坯后，,320mm,大规格,棒,棒材的,高,高低倍,组,组织。,TC11,合金,320,毫米棒,材,材低倍,照,照片,（原始,粗大的,网,网篮组,织,织）,后经过,三,三火加,热,热，,8,镦,8,拔，锻,后,后水冷,的,的改锻,工,工艺，,低,低倍为,模,模糊晶,，,，高倍,为,为双态,组,组织。,GT25000,舰用发,动,动机盘,饼,饼坯,（直径,之,之半）,低,低倍照,片,片,GT25000,舰用发,动,动机盘,高倍照,片,片（双,态,态组织,）,）,（,2,）锻合内,部,部缺陷,铸态金,属,属中疏,松,松、空,隙,隙和微,裂,裂纹等,缺,缺陷被,压,压实，,提,提高金,属,属致密,度,度。锻,合,合经历,两,两个阶,段,段：缺,陷,陷区发,生,生塑性,变,变形，,使,使空隙,两,两壁闭,合,合；在,压,压应力,作,作用下,，,，加上,高,（,3,）,形成纤维组,织,织,在热变形过,程,程中，随变,形,形程度增加,，,，钢锭内粗,大,大树枝晶沿,主,主变形方向,伸,伸长，与此,同,同时，晶间,富,富集的杂质,和,和非金属夹,杂,杂物的走向,也,也逐渐与主,变,变形方向一,致,致，形成流,线,线。由于再,结,结晶的结果,，,，被拉长的,晶,晶粒变成细,小,小的等轴晶,，,，而流线却,很,很稳定地保,留,留下来直至,室,室温。,性能特点：,具,具有各向异,性,性,a,）纵向（平,行,行纤维方向,）,），韧、塑,性,性增加,b,）横向（垂,直,直于纤维方,向,向），韧、,塑,塑性降低但,抗,抗剪切能力,显,显著增强,热轧对晶粒,组,组织的影响,图,4-12,钢锭锻造过,程,程中纤维组,织,织形成的示,意,意,低碳钢热加,工,工后的流线,吊钩中的流线分布,（左）正确,（,（右）不,正,正确,FWP-7,甲发动机,级盘,970(,常规,),锻后空冷的,低,低倍流线,（,4,）,破碎改善碳,化,化物和非金,属,属夹杂在钢,中,中分布,高速钢、高,铬,铬钢、高碳,工,工具钢等，,其,其内部含有,大,大量的碳化,物,物。通过锻,造,造或轧