金属塑性变形与压力加工

⑶中心等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热 速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体 全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以 非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。
2、铸造缺陷 铸造缺陷的类型较多，常见的有
缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、 白点等，它们对性能是有害的. 缩孔：缩孔是由于液态金属结晶 时体积收缩且补缩不足造成的。 可通过改变结晶时的冷却条件和 加冒口等来进行控制。钢锭出现 缩孔在锻轧前应切除.
1、铸锭(件)的组织 铸锭(件)的宏观组织通常由三个区
组成:
⑴ 表层细晶区：浇注时， 由于冷模壁产生很大的过 冷度及非均匀形核作用， 使表面形成一层很细的等 轴晶粒区。
⑵ 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热， 使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上 模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的 方向生长而形成柱状晶区。
(c) 变形80%
5%冷变形纯铝中的位错网
由于晶粒的转动，当塑性变
形达到一定程度时，会使绝
大部分晶粒的某一位向与变
形方向趋于一致，这种现象 称织构或择优取向。
无
有
各向异性导致的铜板 “制耳”
形变织构使金属呈
丝织构
板织构
现各向异性，在深
冲零件时，易产生
形变织构示意图
“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构
黄 铜
加热温度 ℃
㈠ 回复 回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷
及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位 与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合 并而使缺陷数量减少等。 由于位错运动使其由冷 塑性变形时的无序状态 变为垂直分布，形成亚 晶界，这一过程称多边 形化。
在回复阶段，金属组织 变化不明显，其强度、 硬度略有下降，塑性略 有提高，但内应力、电 阻率等显著下降。
在加工亚共析钢时， 发现钢中的F与P呈 带状分布，这种组 织称带状组织。
带状组织
正火组织
带状组织与枝晶偏析 被沿加工方向拉长有 关。可通过多次正火 或扩散退火消除.
热加工能量消耗小，但钢 材表面易氧化。一般用于 截面尺寸大、变形量大、 在室温下加工困难的工件。
而冷加工一般用于截面尺 寸小、塑性好、尺寸精度 及表面光洁度要求高的工 件。
3.半镇静钢
半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢 和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进 行脱氧。其质量也介于二者之间,可代 替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。
二、铸锭(件)组织与缺陷
在实际生产中，液态金属被浇注 到锭模中便得到铸锭，而注入到 铸型模具中成型则得到铸件。
铸锭(件)的组织及其存在的缺陷 对其加工和使用性能有着直接的 影响。
由于位错之间的交互作用(堆积、缠 结)，使变形抗力增加.
Si
位错密度与强度关系
中
晶
的 位
体 中 的
错
位
源
错
源
三、残余内应力
内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力 时, 内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时, 外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中.
内应力分为三类： 第一类内应力平衡于表面与心部之间 (宏观内应力)。 第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间,
二、再结晶温度
再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始， 在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的 最低温度称再结晶温度。
580ºC保温3秒后的组织
580ºC保温4秒后的组织
580ºC保温8秒后的组织
冷变形(变形量为38%)黄铜的再结晶
影响再结晶温度的因素为： 1、金属的预先变形程度：金属预先变形程度越大,
疏松：
缩孔
松疏
⑵偏析：合金中各部分化 学成分不均匀的现象称为 偏析。铸锭(件)在结晶时, 由于各部位结晶先后顺序 不同，合金中的低熔点元 素偏聚于最终结晶区，造 成宏观上的成分不均匀， 称宏观偏析。适当控制浇 注温度和结晶速度可减轻 宏观偏析。
硫在钢锭中偏析的模拟结果
⑶气孔: 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成 的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡. 铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气 孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。
锻 压
热加工动态再 结晶示意图
热加工使铸态金属中的 非金属夹杂沿变形方向 拉长，形成彼此平行的 宏观条纹，称作流线， 由这种流线体现的组织 称纤维组织。它使钢产 生各向异性，在制定加 工工艺时，应使流线分 布合理，尽量与拉应力 方向一致。
吊 钩 中 的 纤 维 组 织
滚压成型后螺纹内部的纤维分布
热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化 所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。
巨型自由锻件
金属的冷热加工
自由锻
模锻
轧制
正挤压
反挤压
拉拔
冲压
冷轧与热轧
二、热加工对金属组织和性能的影响 热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大
的树枝晶或拄状晶破碎，从而使组织致密、成分均 匀、晶粒细化，力学性能提高。
金属的热加工
一、冷加工与热加工的区别 在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划
分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于 再结晶温度的加工称为热加工。
轧制
模锻
拉拔
如 Fe 的再结晶温度为451℃，其在400℃ 以下的加 工仍为冷加工。而 Sn 的再结晶温度为-71℃，则其 在室温下的加工为热加工。
多脚 虫 的 爬 行
一、塑性变形对组织结构的影响 金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其
内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。 当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变
得模糊不清。 塑性变形还使
晶粒破碎为亚 晶粒。
工业纯铁在塑性变形前后的组织变化
(a) 正火态
(b) 变形40%
2、再结晶加热速度和加热时间 提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生, 延长
加热时间, 使原子扩散充分, 再结晶温度降低。 生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。
再结晶退火温度比再结晶温度高100~200℃。
黄铜580ºC保温8秒后的组织
黄铜580ºC保温15分后的组织
再结晶图
晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并 小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是 塑性和韧性降低 。
原子穿过 晶界扩散
晶界迁 移方向
黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片
冷变形量为38％的组织 580ºC保温3秒后的组织 580ºC保温4秒后的组织 580ºC保温8秒后的组织 580ºC保温15分后的组织 700ºC保温10分后的组织
(微观内应力)。 第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。
第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金 属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属 强度降低。
晶界位错塞积所 引起的应力集中
内应力的存在 有利：提高疲劳强度 滚压喷丸处理 不利：使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬
蒸汽-空气锤
冷变形(变形量为38%)黄铜580ºC 保温15分后的的再结晶组织
冷变形黄铜组织性能随温度的变化
580ºC保温8秒后的组织 580ºC保温15分后的组织
㈢ 再结晶后的晶粒长大 再结晶完成后，若继续升
高加热温度或延长保温时 间，将发生晶粒长大，这 是一个自发的过程。
黄 铜 再 结 晶 后 晶 粒 的 长 大 700ºC保温10分后的组织
铸件中的气孔
金属的塑性变形与压力加工
塑性变形及随后的加热对金 属材料组织和性能有显著的 影响. 了解塑性变形的本质, 塑性变形及加热时组织的变 化，有助于发挥金属的性能 潜力，正确确定加工工艺.
5万吨水压机
滑移的机理 把滑移设想为刚性整体滑动所需的
理论临界切应力值比实际测量临界 切应力值大3-4个数量级。滑移是通 过滑移面上位错的运动来实现的。
再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶 温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。
纯金属的最低再结晶温度 与其熔点之间的近似关系: T再≈0.4T熔 其中T再、T熔为绝对温度.
金属熔点越高, T再也越高. T再与ε的关系
T再℃ = (T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
工业上，常利用回复现 象将冷变形金属低温加 热，既稳定组织又保留 加工硬化，这种热处理 方法称去应力退火。
㈡ 再结晶 当变形金属被加热到较
高温度时，由于原子活 动能力增大，晶粒的形 状开始发生变化，由破 碎拉长的晶粒变为完整 的等轴晶粒。
这种冷变形组织在加热 时重新彻底改组的过程 称再结晶。
火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变 形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内 应力。
回复与再结晶
一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化 金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复
到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小, 不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力 增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。
钢锭的组织及其宏观缺陷
镇静钢
半镇静钢
沸腾钢
1.镇静钢
钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅 进行了充分脱氧 ,Wo = 0.01%左右, 成 分较均匀、组织较致密。主要用于机 械性能要求较高的零件。
2.沸腾钢
钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧, Wo = 0.03%～0.07%,成分偏析较严重、 组织不致密。机械性能不均匀, 冲击韧 性差, 常用于要求不高的零件。
铁素体变形80% 650℃加热 670℃加热