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时间:2019-08-05
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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(solidificationofmetal)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(solidificationofmetal)3.1.1纯金属的结晶(crystallizationofpurem
2、etal)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。T13、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(grainsizeandcontrol)•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ASTM1~12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: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3-53.2铸造、焊接过程中材料行为及性能变化3.2.1铸锭组织(ingotmicrostruct4、ure)•实际结晶时,液态金属在模腔中凝固,存在①模壁作用②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3-63.2.2铸锭缺陷(ingotdefect)•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3-7图3-83.5、2.3焊接接头与热影响区的特征(characteristicsofweld&HAZ)局部加热熔化+冷却(存在△T)→形成接头+热影响区⑴结晶特征:动态结晶,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。图3-9图3-10⑶焊接应力与裂纹(weldingstress&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冷塑性变形过程中的材料行为及性6、能变化3.3.1冷塑性变形对金属组织与性能的影响(coldplasticdeformation,coldworking)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。⑴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。⑵性能变化•加工硬化(workhardening)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7、加工的保证。•产生残余应力(residualstress)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3-143.3.2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。图3-15图3-16⑵再
3、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(grainsizeandcontrol)•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ASTM1~12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: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3-53.2铸造、焊接过程中材料行为及性能变化3.2.1铸锭组织(ingotmicrostruct
4、ure)•实际结晶时,液态金属在模腔中凝固,存在①模壁作用②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3-63.2.2铸锭缺陷(ingotdefect)•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3-7图3-83.
5、2.3焊接接头与热影响区的特征(characteristicsofweld&HAZ)局部加热熔化+冷却(存在△T)→形成接头+热影响区⑴结晶特征:动态结晶,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。图3-9图3-10⑶焊接应力与裂纹(weldingstress&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冷塑性变形过程中的材料行为及性
6、能变化3.3.1冷塑性变形对金属组织与性能的影响(coldplasticdeformation,coldworking)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。⑴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。⑵性能变化•加工硬化(workhardening)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
7、加工的保证。•产生残余应力(residualstress)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3-143.3.2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。图3-15图3-16⑵再
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