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1、金属塑性变形理论Theory of metal plastic deformation,第三讲Lesson Three,冷热加工组织变化,2023/3/25,2,第三章 塑性加工时组织性能的变化,主要内容Main Content冷加工时组织性能的变化热加工时组织性能的变化,2023/3/25,3,3.1 冷加工变形中组织性能的变化,显微组织的变化 纤维组织 亚结构 变形织构 金属性能的变化 机械性能变化 物理化学性能变化,2023/3/25,6,冷轧前后晶粒形状变化(a)变形前的退火状态组织(b)变形后的冷轧变形组织,等轴状,晶粒伸长,纤维状,2023/3/25,7,3.1.1 显微组织的变化
2、,亚结构 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)，这种结构称为胞状亚结构。,8,TEM and EBSD-micrographs of the 87%deformed sample.(a),(b)TEM-micrographs with different magnification;(c)EBSD-micrographs,Huang Y C,Liu Y,Li Q,et al.Relevance
3、 between microstructure and texture during cold rolling of AA3104 aluminum alloyJ.Journal of Alloys and Compounds,2016,673:383-389.,2023/3/25,9,3.1.1 显微组织的变化,变形织构 多晶体塑性变形时，各个晶粒滑移的同时，也伴随有晶体取向相对于外力有规律的转动过程。尽管由于晶界的联系，这种转动受到一定的约束，但当变形量较大时，原来为任意取向的各个晶粒也会逐渐调整，引起多晶体中晶粒方位出现一定程度的有序化。这种多晶体由原来取向杂乱排列的晶粒，变成各晶粒取向
4、大体趋于一致的过程叫做“择优取向”。具有择优取向的晶体组织称为“变形织构”。,2023/3/25,10,丝织构 丝织构系在拉拔和挤压加工中形成。这种加工都是在轴对称情况下变形，其主变形图为两向压缩，一向拉伸。变形后晶粒有一共同晶向趋向与最大主变形方向平行。以此晶向来表示丝织构。,2023/3/25,11,试验表明，对于面心立方金属如金、银、铜、铝、镍等，经较大变形程度的拉拔后，所获得的丝织构为和。对于面心立方金属，丝织构与金属的堆垛层错能有关。层错能越高的金属，111丝织构越强烈。对于体心立方金属，不论成分如何，其丝织构是相同的。如经过拉拔的铁、铜、钨等金属都具有110丝织构。,2023/3/
5、25,12,2023/3/25,13,2023/3/25,14,板织构 板织构是在轧制或者宽展很小的矩形件镦粗时形成。其特征是各个晶粒的某一晶向趋向于与轧向平行，某一晶面趋向于与轧制平面平行。因此板织构用其晶面和晶向共同表示。,2023/3/25,15,轧制过程中择优取向的形成各晶粒中的“”表示某晶向(a)、(b)、(c)分别表示轧制前、轧制时与轧制后的晶粒取向,2023/3/25,16,板织构示意图(a)轧制前(b)轧制后,2023/3/25,17,2023/3/25,18,织构不是描述晶粒的形状，而是描述多晶体中的晶体取向的特征。应当指出，若使变形金属中的每个晶粒都转到上述所给出织构的晶向
6、和晶面，这只是一种理想情况。实际上变形金属的晶粒取向只能是趋向于这种织构，一般是随着变形程度的增加，趋向于这种取向的晶粒越多，这种织构就越完整。织构可用x射线衍射的方法来测定。,2023/3/25,19,3.1.2 金属性能的变化,机械性能的变化 1）加工硬化 2）各向异性 物理化学性能的变化 1）金属密度的变化 2）导电性的变化 3）耐蚀性能的变化 4）导热性降低 5）改变磁性,2023/3/25,20,加工硬化,金属材料经冷加工变形后，强度（硬度）显著提高，而塑性则很快下降，即产生了加工硬化现象。加工硬化是金属材料的一项重要特性，可被用作强化金属的途径。特别是对那些不能通过热处理强化的材料
7、如纯金属，以及某些合金，如奥氏体不锈钢等，主要是借冷加工实现强化的。,2023/3/25,21,单晶体的切应力一应变曲线显示塑性变形的三个阶段,2023/3/25,22,阶段易滑移阶段：当t达到晶体的c后，应力增加不多，便能产生相当大的变形。此段接近于直线，其斜率，即加工硬化率低，一般 为10-4G数量级（G为材料的切变模量）。阶段线性硬化阶段：随着应变量增加，应力线性增长，此段也呈直线，且斜率较大，加工硬化十分显著，G/300，近乎常数。阶段抛物线型硬化阶段：随应变增加，应力上升缓慢，呈抛物线型，逐渐下降。,2023/3/25,23,三种典型晶体结构金属单晶体的硬化曲线 其中面心立方和体心立
8、方晶体显示出典型的三阶段，至于密排六方金属单晶体的第阶段通常很长，远远超过其他结构的晶体，以致于第阶段还未充分发展时试样就已经断裂了。,2023/3/25,24,单晶与多晶的应力一应变曲线比较（室温）（a）Al（b）Cu,2023/3/25,25,多晶体的塑性变形由于晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调配合要求，各晶粒不可能以单一滑移系动作而必然有多组滑移系同时作用，因此多晶体的应力一应变曲线不会出现单晶曲线的第I阶段，而且其硬化曲线通常更陡，细晶粒多晶体在变形开始阶段尤为明显,2023/3/25,26,从改善金属材料性能的角度来看，加工硬化是主要的手段之一。特别是对那些用一般热处理手段无法使其强化
9、的无相变的金属材料，形变硬化是更加重要的强化手段。加工硬化也有其不利的一面，如在冷轧、冷拔等冷加工过程中由于变形抗力的升高和塑性的下降，往往使继续加工发生困难，需在工艺过程中增加退火工序。,2023/3/25,27,各向异性,金属材料经塑性变形以后，不同加工方式，会出现不同类型的织构。由于织构的存在而导致制品在不同方向上性能的差异出现各向异性。,2023/3/25,28,具有各向同性的金属板材，经深冲后，冲杯边缘通常是比较平整的。具有织构的板材冲杯的边缘则出现高低下平的波浪形。把具有波浪形凸起的部份称为“制耳”。把由于织构而产生的制耳现象称为“制耳效应”。冲压后制品如产生制耳，必须切除。这样不
10、仅增加了金属的损耗和切边工序，而且还会因各向异性使冲压件产生壁厚不均，影响生产效率与产品质量。因此，在生产上，必须设法避免“制耳效应”的发生。,2023/3/25,29,深冲件上的制耳,2023/3/25,30,导电性的变化,一般来说，金属随着冷变形程度的增加位错密度增加，点阵发生畸变会使电阻增高。例如，冷变形量达到82的铜丝，比电阻增加2；冷变形99的钨丝，比电阻增加50但有时随着冷变形程度的增加，电阻不但不升高反而显著降低。比如冷拔钢丝。这是因为片状珠光体取向于钢丝的轴向，这是由于有向性所引起的电阻降低超过基体冷加工所引起的电阻升高所致。冷变形还会使晶间物质破坏，使晶粒彼此接触也可减少电阻
11、增加导电性。所以冷变形对导电性的影响应综合考虑。,2023/3/25,31,耐蚀性能的变化,冷变形后，金属的残余应力和内能增加，从而使化学不稳定性增加，耐蚀性能降低。例如，冷变形的纯铁在酸中的溶解速度要比退火状态快；冷变形所产生的内应力是造成的金属腐蚀(“应力腐蚀”)的一个重要原因，在实际应用中是相当普遍而又严重的问题。例如，冷加工后的黄铜，由于存在内应力，在氨气、铵盐、汞蒸气以及海水中会发生严重的腐蚀破裂(又称“季节病”)；高压锅炉、铆钉发生的腐蚀破裂等等。应力腐蚀的主要防止方法就是退火，消除内应力。,2023/3/25,32,导热性和磁性的改变,冷变形还会使金属的导热性降低。如铜冷变形后，
12、其导热性降低到78%。冷变形还可以改变磁性。如锌和铜，冷变形后可减少其抗磁性。高度冷加工后，铜可以变为顺磁性的金属。对顺磁性金属冷变形会降低磁化敏感性等等。,2023/3/25,33,3.2 热加工变形中组织性能的变化,热加工变形的特点 金属组织的变化 金属性能的变化,2023/3/25,34,热加工变形的特点,金属的热加工与冷加工相比具有如下优点：热加工时金属的塑性好，断裂倾向小，可采用较大的变形量；因为变形温度升高后，由于完全再结晶使加工硬化消除，在断裂与愈合的过程中使愈合加速以及为具有扩散性质的塑性机制的同时作用创造了条件。热加工时，变形抗力低，塑性高，变形达到需要尺寸时，所消耗的能量少
13、。因为在高温时，原子的运动及热振动增强，扩散过程和溶解过程加速，使金属的临界切应力降低；许多金属的滑移系统数目增多，使变形更为协调；加工硬化现象因再结晶完全而被消除。热加工变形量大且不需要像冷加工那样要辅以中间退火，因而流程短，效率高。,2023/3/25,35,热加工可使室温下不能进行塑性加工的金属(如钛、镁、钼及镍基超合金等)进行加工；热加工作为开坯，可以改善粗大的铸造组织，使疏松和微小裂纹愈合；热加工的金属组织与性能，可以通过不同热加工温度、变形程度、变形速度、冷却速度和道次间隙时间等加以控制。与冷加工相比较，热加工变形一般不易产生织构。这是由于在高温下发生滑移的系统较多，使滑移面和滑移
14、方向不断发生变化。因此，在热加工工件中的择优取向或方向性小。,2023/3/25,36,热加工在实际生产上，尚有如下不足：热加工需要加热，不如冷加工简单易行；热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易于控制；温度的均匀性控制差。热加工制品不如冷加工制品尺寸精确、表面光洁；有氧化铁皮和冷却收缩。薄或细的加工制品，由于温降快，尺寸精度差，不易采用热加工。,2023/3/25,37,从提高钢材的强度来看，热加工不及冷加工。因为热加工时由于温度的作用使金属软化。有些金属不宜进行热加工。例如，在一般的钢中含有较多的FeS，或在铜中含有Bi时，在热加工中由于晶界上由这些杂质所组成的低熔点共晶体发生熔化，使晶
15、间的结合遭到破坏，而引起金属断裂。,2023/3/25,38,热加工与冷加工的主要区别,金属在热加工时，硬化(加工硬化)和软化(回复与再结晶)两种对抗过程同时出现。在热加工中，由于软化作用可以抵消和超过硬化作用，故无加工硬化效应，而冷加工则与此相反，有明显的加工硬化效应。,2023/3/25,39,金属组织及性能的变化,热加工虽然不能引起加工硬化，但它能使金属的组织和性能发生显著的变化。热加工变形可认为是加工硬化和再结晶两个过程的相互重叠。在此过程中由于再结晶能充分进行和在变形时靠三向压应力状态等因素的作用，可以使金属产生如下的变化：,2023/3/25,40,(1)铸态金属组织中的缩孔、疏松
16、、空隙、气泡等缺陷得到压密或焊合。金属在变形中由于加工硬化所造成的不致密现象，也随着再结晶的进行而恢复。(2)在热加工变形中可使晶粒细化和夹杂物破碎。,(3)形成纤维组织也是热加工变形的一个重要特征。铸态金属在热加工变形中所形成的纤维组织与金属在冷加工变形中由于晶粒被拉长所形成的纤维组织不同。前者是由于铸态组织中晶界上的非溶物质的拉长所造成。,2023/3/25,41,由于纤维组织的出现，使变形金属在纵向和横向具有不同的力学性能。在生产实际中为利用纤维组织使金属具有方向性这一特点，可设法使纤维组织所形成的流线在工件内有更为适宜的分布。如图（a）所示。,（a）（b）,2023/3/25,42,(4)金属在热变形过程中产生带状组织。复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布，这种组织称为带状组织。带状组织不仅降低金属的强度，而且还降低塑性和冲击韧性，对性能极为不利。轻微的带状组织可以通过正火来消除。,2023/3/25,43,钢中的带状组织,2023/3/25,44,课后作业Homework,（1）分别画出体心立方与面心立方金属的丝织构。（2）分别画出体心立方与面心立方金属的板织构。（3）冷加工与热加工的纤维组织有何异同？能否消除？如何避免？,
