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1、第3章 金属材料成形过程中的行为与性能变化,3.2 铸造、焊接过程中材料行为及性能变化,3.3 冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化,3.4 热塑性变形过程中的材料行为及性能变化,3.1 金属的凝固（solidification of metal）,第3章 金属材料成形过程中的行为与性能变化 零件常用的成形方法：铸 件整体凝固成形。焊 件局部熔化（凝固）连接成形。其它件塑性成形（包括切削成形），如锻件、冲压件及机制件。成形过程中材料内部组织结构有变化材料行 为、性能变化。,3.1 金属的凝固（solidification of metal）3.1.1 纯金属的结晶（crystallizatio
2、n of pure metal）过冷现象（supercooling）液态金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。T1T0,T=T0T1 过冷度结晶过程（Crystallization process）形核+长大 具体过程：不同地点同时、不断形核核长大相遇多晶体。结晶速度：取决于形核率N和长大速度G,一般 T，结晶速度。,图3-1,图3-2,晶核的形成（nucleation）一般均依附模壁及未溶粒子而非自发形核。例1:窗花（冰花）例2:人工降雨晶核的长大（growth）多树枝状长大（方向性散热所致）。,图3-3,图3-4,3.1.2 合金结晶的特点（crystallization of allo
3、y）纯金属结晶：产物为单相，无成分变化，得均匀的单 相多晶体组织。合 金 结 晶：单相（固溶体）或多相（混合物）复杂形态的组织，成分变化，易形成成分偏析。,3.1.3 晶粒大小和控制（grain size and control）晶粒大小与性能：室温及不太高的温度下，细晶材料强韧性好细晶强化。晶 粒 大 小 度 量：晶粒度 ASTM 112 级（粗细超细）。影 响 因 素：N/G 比值值越大，晶粒越细。获 得 细 晶 方 法：过冷度T，T，N。加形核剂，非自发核心数量。机械方法，搅拌，振动等，以破碎细小枝晶、增加核心。,图3-5,3.2铸造、焊接过程中材料行为及性能变化 3.2.1 铸锭组织（
4、ingot microstructure）实际结晶时，液态金属在模腔中凝固，存在模壁作用 方向性散热，最终形成三晶区的铸锭组织。表面细等轴晶区：模壁激冷（大T）及非自发形核细小晶粒薄层，无实用价值。柱 状 晶 区：T且方向性散热垂直模壁单相长 大柱晶，致密但粗大，性能有方向性且柱晶间为薄弱环节。中心 等轴 晶区：温度均匀，到处同时形核、各向长大，晶粒较小，性能较好。,图3-6,铸锭缺陷（ingot defect）各种缩孔、缩松，补缩不全造成；气孔，溶解及反应生成的，未完全排出；非金属夹杂物，冶炼过程中带入或生成；各种成分偏析，分微观偏析（枝晶偏析等）和宏观偏析（区域偏析和比重偏析等）。,图3-
5、7,图3-8,3.2.3 焊接接头与热影响区的特征（characteristics of weld&HAZ）局部加热熔化+冷却（存在T）形成接头+热影响区结 晶 特 征：动态结晶，易呈单一柱晶。热影响区特征：存在温度分布，经历固态相变过程,靠近焊缝的过热段晶粒粗大，性能很差。,图3-9,图3-10,焊接应力与裂纹（welding stress&crack）原因：焊接过程大的T、加热与冷却及相变的非同时性产生内应力（室温为残余应力）变形与开裂（最危险）。类型：热裂纹 结晶过程中产生，位于焊缝中心或两侧 冷裂纹 焊后产生，中、高强钢最易发生。焊接残余应力的消除：退火（后述）。,3.3 冷塑性变形过
6、程中的材料行为及性能变化3.3.1 冷塑性变形对金属组织与性能的影响（cold plastic deformation,cold working）现象1：金属材料的塑性：面心立方（Cu、Al、Ag、Au）体心立方（Fe、Cr）密排六方（Zn、Mg）。现象2：塑性变形过程中（如拉伸、弯曲），强度变大、塑性变小。,组织变化 晶粒（组织）沿变形方向拉长及纤维化。晶粒（碎化）与亚结构（亚晶）细化。晶体缺陷，畸变 择优取向效应。性能变化 加工硬化（work hardening）随变形程度增加，强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象。作用：难以继续变形，需退火软化；强化手段之一;抵抗局部过载；许多冷成型加工
7、的保证。产生残余应力（residual stress）各部分及各晶粒之间的变形不均和晶格畸变所产生。各向异性（anisotropy）晶粒的择优取向和组织纤维化引起。,图3-11,图3-12,图3-13,图3-14,3.3.2 冷塑性变形金属加热时组织和性能的变化冷塑变后金属处于上述不稳定状态（加热后）向稳定状态转变。回复（recovery）T不高时，原子短程扩散回到平衡位置，畸变，残余 应力，理化性能恢复。,图3-15,图3-16,再结晶（recrystallization）通过形核与长大无畸变的等轴晶，强度塑性（加工硬化消除），组织与力性完全恢复。晶粒长大（grain growth）T晶粒长
8、大粗等轴晶性能影响再结晶晶粒大小的因素：温度、时间与变形程度（自学）,3.4 热塑性变形过程中的材料行为及性能变化热塑性变形加工（hot working）目的：一是成形；二是 改善材料组织与性能。热塑性变形加工对材料的具体影响：改善铸态组织和性能 致密（焊合气孔、疏松），偏析，粗晶细化等，使性 能。形成热加工纤维组织（流线fiber structure）夹杂物等沿受力方向排列呈纤维状性能各向异性，对使用有重要影响。,图3-17,表3-1,图3-18,课堂讨论：1.锻造工件如何合理选择流线。2.某工厂用冷拔钢丝绳直接吊运加热至1100的破碎机颚板，吊至中途钢丝绳突然断裂。这条钢丝绳是新的，事前经
9、过检查，并无疵病。试分析钢丝绳断裂的原因。作业：3，4，6，9，10。,本 章 结 束,图3-1 纯金结晶时冷却曲线示意图,返回,图3-2 纯金属结晶过程示意图,返回,图3-3 钢锭中的树枝状晶体,返回,图3-4 树枝状晶体生长示意图,返回,图3-5 形核率和长大速率与过冷度的关系曲线,返回,图3-6 铸件的宏观组织形成过程示意图,图3-7 镇静钢锭宏观组织示意图,返回,图3-8 沸腾钢锭宏观组织示意图,返回,图3-9 焊逢的融化区及凝固过程示意图,图3-10 奥氏体焊缝显微组织,图3-11低碳钢冷塑性变形后的显微组织,返回,(a)冷变形量30%,(b)冷变形量50%,图3-12 形变组织示意图,返回,图3-13 经5%冷变形的纯铝中的位错网络,返回,图3-14 各向异性导致的“制耳”,图3-15 冷变形金属在加热时组织示意图,图3-16 退火温度对冷变形金属性能的影响,图3-17 热加工时的动态再结晶示意图,图3-18 吊钩中的纤维组织,
