金属材料成形过程中的行为与性能变化

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。 ⑴ 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。 ⑵ 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。 ⑶ 晶粒长大（grain growth） T↑→晶粒长大→粗等轴晶→性能↓ ⑷影响再结晶晶粒大小的因素： 温度、时间与变形程度（自学）
表3-1 图3-17 图3-18
[本章例题]
[例题1] 钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工， 说明是热加工还是冷加工（TmW_3399℃，TmSn_232℃）？
分析思路： 从材料学的观点来看，热加工与冷加工的主 要区别在于塑性变形温度是在再结晶温度之上，还是在 之下。凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形——热加 工；反之，在再结晶温度以下进行的塑性变形——冷加 工。大量实验证明，纯金属的最低再结晶温度与其熔点 之间存在以下关系：T再≈0.4T熔（用绝对温度表示）。 此题稍加计算，便可知晓。
第3章 金属材料成形过程中的行为与性能变化
3.1 金属的凝固（solidification of metal）
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 退出
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 焊 件——整体凝固成形。 件——局部熔化（凝固）连接成形。 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。
3.2.2 铸锭缺陷（ingot defect）
图3-7 图3-8
• 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：非平衡冷却、非平衡凝固造成；
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）。
3.2.3 焊接接头与热影响区的特征
[例题3] 某厂用冷拔钢丝绳直接吊运加热至1100℃ 的破碎机颚板，吊至中途钢绳突然断裂。此钢绳是新的 ，事前经过检查，并无疵病。试分析钢绳断裂的原因。 分析思路：考虑两点。 a）冷拔钢丝绳使用前处于加工硬化状态。 b）直接吊运加热至1100℃的破碎机颚板（其质量很大） ，使钢丝绳被加热，随钢丝绳温度的升高，必然发生 回复、再结晶过程，那么加工硬化现象消失，强度、 硬度大大下降.而破碎机颚板重而大，所以致使钢丝绳 发生过量塑性变形而断裂。
图3-15 图3-16
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： ⑴ 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↑↑。 ⑵ 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。
振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动 或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核， 另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目 显著增加。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
气轮机转子的宏观组织(纵截面)
细晶的熔模铸件(上)
普通铸件(下)
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（ingot microstructure） •实际结晶时，液态金属在模腔中凝固，存在：
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。
[例题2] 如果其它条件相同，试比较在下列条件下所得 铸件晶粒的大小； ⑴金属模浇注与砂模浇注； ⑵高温浇注与低温浇注； ⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件； ⑷浇注时采用振动与不采用振动； ⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。 • 分析思路：在常温下使用的金属材料，一般晶粒越 细越好。铸件晶粒大小的比较要注意观察其结晶条 件。此题要求对控制晶粒大小的因素及措施、铸锭 组织的形成规律方面的知识有综合的掌握。
（characteristics of weld & HAZ）
局部加热熔化+冷却（存在△T ）→形成焊缝+热影响区
图3-9 图3-10
⑴结 晶 特 征：冷却速度大；温度分布不均匀；过热度
大；动态结晶；母材金属类似铸锭型壁
作用；易呈单一柱晶。
⑵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。
其它件——塑性成形（包括切削成形），
结晶： 液体 --> 晶体 凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体
晶体
3.1 金属的凝固（solidification of metal）
3.1.1 纯金属的结晶（crystallization of pure metal）
⑴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。 T1<T0 , 过冷度：△ T=T0－T1 图3-1 ⑵结晶过程 （ Crystallization process） 图3-2 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↑。
⑴ 组织变化
图3-11
图3-12
图3-13
图3-14
• 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。 ⑵ 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：①难以继续变形，需退火软化；②强化手段之一; ③抵抗局部过载；④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。
① 模壁作用 ② 方向性散热，
图3-6
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。
本 章 小 结 —— 关键词：成形、变化
□ 材料从液态→固态的转变称为凝固（固化），如果凝固后为 晶态即为结晶。过冷度是金属结晶的必要条件。
□ 晶体的形成：形核和长大两个过程，
金属结晶时一般是非自发形核，晶核呈树枝状长大。
通过增大过冷度、加入形核剂和搅拌、振动等机械方法可以控 制形核率和长大速率，控制晶粒的大小，实现细化晶粒的效果 □了解结晶的基本规律，对分析诸如铸造和焊接等成形过程中材 料的行为与性能变化规律很有意义。 如分析金属铸锭组织：由外至里由细等轴晶区、柱状晶区和中 心等轴晶区共三个晶区组成。
⑶ 晶核的形成（nucleation）
晶核的形成包括自发形核和非自发形核。
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
非自发形核所需的过冷度小，起优先、主导作用。 ⑷ 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
树枝状长大的实际观察
3.1.2 合金结晶的特点（crystallization of alloy） •纯金属结晶：产物为单相，无成分变化，得均匀的单
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图3-14 各向异性导致的“制耳”
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图3-15 冷变形金属在加热时组织示意图
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图3-16 退火温度对冷变形金属性能的影响
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图3-17
热加工时的动态再结晶示意图
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图3-18 吊钩中的纤维组织
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⑶ 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）。
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 1～12 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：（1）过冷度△T。 图3-5 （2）加形核剂--非自发核心数量↑↑或 阻止晶粒长大。 机械方法--搅拌，振动等，以破碎 细小枝晶、增加核心。
[例题4] 观察下列图，分别指出哪个吊钩和曲轴的流 线分布更合理。为什么？
（a） (b) 图1 吊钩中的流线分布
（a） 图2 曲轴中的流线分布
(b)
分析思路：热加工时铸态金属中的枝晶、各种夹杂物沿变形方向 延伸与分布，排列成纤维状，引起材料力学性能各向异性。因此 用热加工方法制造工件时，要使流线方向与工件工作时所受最大 拉应力一致，且与剪切力与冲击力相垂直，这样工件不易断裂。 一般，如流线沿工件外形轮廓分布（不中断），则较为理想。