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1、组织性能演变,金属冷变形后组织和性能的变化 金属热变形后组织和性能的变化,一.金属冷变形后组织和性能的变化,1.冷变形的组织变化 2.冷变形的性能变化,多晶体的塑性变形包括晶粒内部变形（亦称晶内变形）和晶界变形（晶间变形）。 晶内变形 ：滑移和孪生 晶间变形 ：晶粒间的相互滑动和转动 在冷态变形条件下，晶体变形主要是晶内变形，晶间变形只起次要作用，因为晶界强度高于晶内，其变形较困难。且若发生晶界变形易引起晶界的结构改变，因此晶界变形只能很小。,1.冷变形的组织变化,（1）位错等缺陷密度增加 单晶体塑性变形时，随着变形量增加，位错增多，位错密度增加。 退火状态的金属，典型的位错密度值是10510
2、8 cm-2，而大变形后的典型数值是10101012cm-2。通过实验得到的位错密度（）同流变应力（）之间的关系是： 式中：等干0203范围的常数； G剪切弹性模量； b柏氏矢量。 除了位错，同时冷变形产生的缺陷还有空位、间隙原子、堆垛层错、孪晶界、亚晶界等。,1.冷变形的组织变化,（2）形成位错胞状结构 多晶体塑性变形时，因为各个晶粒取向不同，各晶粒的变形既相互阻碍又相互促进，变形量稍大就形成了位错胞状结构。 胞状结构：是变形的各种晶粒中，被密集的位错缠结区分成许多个单个的小区域。小区域的内部，位错密集度较低，称为胞子。区域的边界称为胞壁，位错密度最大。,（1）铁在室温下变形时胞的大小同变形
3、量的关系,（2）铁在室温下变形的胞状结构,（3）形成形变织构 形变织构：多晶体塑性变形时，伴随着晶粒的转动。当变形量较大时，原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整取向而趋于一致。使得晶粒具有择优取向的组织。,1.冷变形的组织变化,丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行（拉拔时形成） 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶面趋于平行于主应变方向。（轧制时形成）,（4）形成纤维状组织 原来近似为球形的晶粒沿主应变方向产生相近的变形，被拉长、拉细、或压缩。应变越大，晶粒形状变化越大。 第二相在延伸方向拉长拉碎呈链状排列，即形成纤维组织。,1.冷变形的组织变化,工业用钢强烈冷变形后的显微组织,对材料性能的影响：沿
4、纤维方向性能高，垂直于纤维方向性能低，产生各向异性,2.冷变形的性能变化,（1）力学性能加工硬化 原因：塑性变形引起位错增值，位错密度增加，不同方向的位错发生交割，位错运动收到阻碍，要继续运动需要增加应力，从而引起加工硬化。 随着变形程度的增加，金属的强度指标上升，塑性指标下降。这就是加工硬化。 用途：很多热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。,钢丝冷变形时的力学性能变化,（2）各向异性 原因：由于冷变形时金属在主应变方向上形成的纤维状组织，和金属晶粒转动产生的形变织构,使材料的宏观性能产生了各向异性。 各向异性：沿纤维方向性能高，垂直于纤维方向性能低。,利：深冲板材变形控制； 弊：进一步深
5、加工时会造成缺陷制耳,2.冷变形的性能变化,2.冷变形的性能变化,（3）物理性能变化 由于在晶间和晶内产生微观裂纹和空隙以及点阵缺陷，因而密度降低，导热、导电、导磁性能降低。 （4）化学性能变化 化学稳定性降低，耐腐蚀性能降低，溶解性增加。,二.金属热变形后组织和性能的变化,热变形或热塑性加工：从金属学的角度讲，指的是在金属再结晶温度以上进行的塑性变形。 作用：在热塑性变形过程中，回复、再结晶与加工硬化同时发生，加工硬化不断被回复或再结晶所抵消，使金属处于高塑性、低变形的软化状态。 热塑性变形中的基本软化过程包括：动态回复、动态再结晶、静态回复、静态再结晶、亚动态再结晶等。 动态回复、动态再结
6、晶是发生在变形过程中的回复和再结晶过程； 静态回复和静态再结晶则在变形的间歇期间或热变形后发生。 亚动态再结晶是动态再结晶形成的核心在一定的条件下不经孕育期而直接长大的过程。,热塑性变形机理主要有：晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移和扩散蠕变等。 扩散蠕变：在应力作用下，由空位的定向移动所引起。直接为塑性变形做贡献，也对晶界滑移起调节作用。变形温度越高，晶粒越细和应变速率越低，扩散蠕变所起的作用也越大。 晶内滑移是最主要和最常见的；孪生多在高温高速时发生，且对密排六方晶系较重要；晶界滑移和扩散蠕变只在高温变形时才发挥作用。随变形条件（如变形温度、应变速率、三向压力状态）的改变，这些机理的作用也随之改
7、变。,1.热变形的组织变化 2.热变形的性能变化,（1）改造铸态组织 铸态金属组织中的缩孔、疏松、空隙、气泡等缺陷等得到压缩式焊合，铸态组织的物理、化学和结晶学方面的不均匀性会得到改造。 （2）细化晶粒和破碎夹杂物 铸态金属中的柱状晶和粗大的等轴晶经锻造或轧制等热变形和对再结晶的有效控制，可变为较细小均匀的等轴晶粒。 破碎夹杂物和第二相并能改变它们的分布，这对改善性能十分有益。,1.热变形的组织变化,氧化物夹杂的数量与接触疲劳寿命的关系,（3）形成纤维组织 铸态金属在热加工变形中所形成的纤维组织和金属在冷加工变形中由于晶粒被拉长而形成的纤维组织不同。 热变形是由于金属铸态结晶时所产生的枝晶偏析
8、，在热变形中保留下来，并随着变形而延伸形成的“ 纤维” 。 纤维组织的形成使金属的机械性能呈各向异性，沿流线方向比沿垂直于流线方向具有较高的机械性能，以塑性、韧性指标最为显著。,1.热变形的组织变化,钢锭锻造过程中显微组织形成示意图,1、改善铸态组织，消除某些铸造缺陷，如使气孔、疏松锻合，消除或减轻铸造偏析； 2、细化晶粒和破碎夹杂物，得到细小均匀的等轴晶，从而使强度、塑性提高； 3、纤维组织的形成使金属呈各向异性。沿流线方向比沿垂直于流线方向具有较高的机械性能，以塑性、韧性指标最为显著。,2.热变形的性能变化,（1）处于热变形时的金属，其变形抗力低，因此能量消耗少； （2）在加工硬化过程的同
9、时存在着回复或再结晶的软化过程。材料塑性、韧性好，产生断裂的倾向性减少, 使金属中密闭的孔洞、气泡、裂纹等缺陷易于焊合； （3）与冷加工相比，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比较多，使滑移面和滑移方向不断发生变化，因此，工件的择优取向性较小； （4）生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而可简化生产工序，提高生产率，降低成本； （5）通过控制热加工过程，可以在很大程度上改变金属材料的组织结构以满足各种性能的要求。,热变形的优点,（1）对过薄或过细的工件，由于散热较快，生产中保持热加工温度困难。目前生产薄的或细的金属材料，一般仍采用冷加工（冷轧、冷拉）的方法。 （2）工件的表面不如冷加工生产的光洁，尺寸也不如冷加工生产的精确。 （3）由于在热加工结束时，产品内的温度难于均匀一致，温度偏高处晶粒尺寸要大一些，大断面情况下更为突出。热加工后产品的组织、性能常常不如冷加工的均匀。 （4）热加工金属材料的强度比冷加工的低。 （5）某些金属材料不宜热加工。例如铜中含Bi时，它们的低熔点杂质分布在晶界上，热加工会引起晶间断裂。,热变形的缺点,