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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（crystall
2、ization 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（c
3、rystallization of alloy） 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
4、.2铸造、焊接过程中材料行为及性能变化 3.2.1 铸锭组织（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3-6,3.2.2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
5、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3-7,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，
6、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 hard
7、ening）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
8、（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。,
9、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,