金属热加工原理(I)

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1、1一、晶粒取向的影响（取向差效应）变形有先有后——各晶粒相对于外力轴的取向不同，位向有利的晶粒先变形，且不同晶粒变形量也不同。一般变形度达到20%，几乎所有晶粒都可参加变形。各个晶粒的变形必须协调——对一个晶粒来讲不能自由地、均匀地滑移，它要受到相邻晶粒的牵制，故晶粒之间要互相配合、协调。如果协调不好，将会导致塑性下降（晶界处开裂）。理论分析指出，要能协调变形，每个晶粒至少能在5个独立的滑移系上进行滑移。这样，多晶体变形就比单晶体更复杂，应变硬化率也大得多。变形不均匀导致内应力不均匀——下图表明，A、B、C晶粒所处位向不同，故滑移次序不同，因而在它们之间产生

2、了不同的应力。§11-2多晶体的塑性变形2二、晶界对滑移的阻滞效应晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧的晶粒取向不同，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，即室温下晶界对滑移有阻滞效应。位错塞积示意图拉伸后晶界处呈竹节状3一般来说，晶界可使金属强化，也可使金属软化，这主要依赖于温度和变形速率。当温度低于，且变形速率较大时，晶粒细化会使金属强度升高；但当温度高于上述界限及变形速率很慢时，晶界增多反而使金属强度降低。故高温合金一般希望获得粗晶组织。三、晶粒大小对变形抗力的影响对于大多数金属材料，其屈服强度与晶粒平均直经d的关系可用Ha

3、ll-Petch方程式表示：σ=σ+kyd-1/2式中——σ0,ky均为常数4锌单晶和多晶的拉伸曲线通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。5低碳钢的屈服强度与晶粒大小的关系铜和铝的屈服强度与其亚晶尺寸的关系细晶强化在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性和韧性，这是其他强化方法所不具备的。6◇多晶体塑性变形的微观特点ⅰ.多方式：滑移和孪生（室温和低温下）晶界滑动和迁移（高温下）点缺陷的定向扩散（温度很高，外加应力很低）ⅱ.多滑移：每个晶粒至少要有五个滑移系统同时开动，以维持多晶体的完整性ⅲ.不均匀：晶界约束晶粒中心的滑移量>晶界附

4、近晶体转动时，中心区的转角>边缘区7§11-3影响金属塑性和形变抗力的因素一、合金元素的影响①合金元素使固溶体点阵畸变，晶面相对滑移阻力②钢中合金元素与C形成硬脆的碳化物相③合金元素改变钢中相的组成，造成组织的多相性④合金元素对钢的铸造组织及加热时晶粒长大倾向有影响⑤合金元素的碳化物、氧化物常以复化合物或硅酸盐等形态存于钢中，变形时割裂基体。8二、形变温度的影响（T）①原子结合力减弱，原子动能增加，滑移抗力降低②可能出现新的滑移系，会发生相变（钢γ转变）③可能会发生晶界滑动，SPF时④原子不稳定，外力下容易从一个平衡位置到另一个，产生热塑性塑性，形变抗力9三

5、、形变速率的影响①形变速率对形变抗力的影响速率增加，抗力增大，增加的程度与形变温度有关。T越高，增加的程度越大。②形变速率对金属塑性的影响影响复杂。速率较低时，增加速率使塑性下降；速率较高时，增加速率使塑性增加。10四、应力状态的影响①对塑性的影响三向应力下，三向受压>一向受拉>两向受拉>三向受拉压应力能提高塑性的主要原因：a.能阻止和减少晶间变形b.拉应力促使原子层彼此分离，扩大滑移产生的显微缺陷，加速晶间破坏；而压应力则使缺陷被压合封闭c.三向压应力能减轻或避免脆性夹杂物和液相对塑性的不良影响d.三向压应力能抵消由于不均匀变形所引起的附加拉应力②对形变抗

6、力的影响11五、其他因素的影响①变形程度冷变形，加工硬化，δσ，Δ<30%，形变抗力增加显著变形量增加，点阵畸变能增加，形变热效应产生的T，抗力增加缓慢②表面状态和周围介质表面吸附活性物质时，能促进变形，降低抗力表面光洁度越高，极限变形程度越大；越低，易应力集中③变形体形状与变形均匀性接触面愈大，摩擦引起的三向压应力愈大，塑性增加流动均匀，外摩擦作用不显著，塑性增加12§11-4金属塑性变形后的组织与性能一、塑性变形引起金属组织结构的变化1．亚结构随着变形量的增大，晶体中的位错密度迅速提高。当形变量较小时，形成位错缠结结构；当变形量继续增加时，大量位错发生聚

7、集，形成胞状亚结构，称为形变亚晶或形变胞。胞壁由位错构成，胞内位错密度较低，相邻胞间存在微小取向差；随着形变量的增加，这种胞的尺寸减小，数量增加；如果变形量非常大时，如强烈冷变形或拉丝，则会构成大量排列紧密的细长条状形变胞。变形亚晶对滑移过程有巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高，是产生加工硬化的主要原因之一。1350%压缩率（30000×）铜经不同程度冷轧后的透射电镜图像30%压缩率（30000×）99%压缩率（30000×）142．纤维组织晶粒的形状会发生相应的变化：如在轧制过程中，随着变形量的增加，原来的等轴晶粒沿延伸方向逐渐伸长，当变形量很大时

8、，晶界变得模糊不清，各晶粒难以分辨，呈现出纤维状的条