冷加工和热加工时金属组织的变化及对金属性能的影响.docx

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冷加工和热加工时金属组织的变化及对金属性能的影响

绪论.....................................................................................................................................................................3

1.1冷塑性变形对金属组织和性能的影响.......................................................................................................3

1.1.1金属组织的变化........................................................................................................................................3

1.1.2金属性能的变化........................................................................................................................................5

1.1.3冷塑性变形产生残余应力........................................................................................................................7

1.2冷变形金属在加热时组织和性能的变化...............................................................................................7

2.1热加工变形对组织和性能的影响...............................................................................................................8

2.1.1热加工的变形特点....................................................................................................................................8

2.1.2金属的组织性能的变化............................................................................................................................8

3.1影响塑性的因素..........................................................................................................................................10

3.1.1组织的影响...............................................................................................................................................10

3.1.2铸造组织的影响.......................................................................................................................................10

结束语..................................................................................................................................................................1

冷加工和热加工时金属组织的变化及对金属性能的影响

摘要：

工业上使用的大部分金属制品，是在制成铸锭后在经压力加工形成半成品或成品的。

由于压力加工中，可借助塑性变形使金属获得一定的形状和尺寸，而且还可以使铸态金属的组织与性能得到改善。

因此，本文通过研究冷加工与热加工时金属组织与性能的变化，可改进金属加工工艺，提高质量，合理使用金属。

关键字：

冷加工、热加工、组织、性能

绪论：

本文根据金属学及热处理，材料成型与控制技术，塑性变形与轧制原理等教材，综合阐述金属材料组织与性能在经过塑性变形时产生的变化和影响。

主要通过三个方面：

冷加工、热加工、影响塑性的因素来分别介绍金属组织的变化与性能的影响，分析了金属材料组织结构与性能相对塑性变形的关系和变化规律，以及提高金属材料性能，充分发挥材料潜力的途径。

1.1冷塑性变形对金属组织和性能的影响

经过冷变形（如冷轧、拉拔和冷冲等）后的金属，由于组织结构的特征表现为加工硬化，随着变形程度的增加，加工硬化现象也将更加显著，其性能也将相应的发生变化。

1.1.1金属组织的变化

1.1.1.1晶粒被拉长成纤维状

在冷变形中，随着金属外形的改变，其内部晶粒的形状也大体上发生相应的变化，即均沿最大主变形方向被拉长、拉细或压扁，如图1-1所示。

图1-1冷轧前后晶粒形状变化

a-变形前的退火状态组织b-变形后的冷轧变形组织

在晶粒被拉长的同时，京间夹杂物和第二相也跟着被拉长或拉碎呈点链状排列，这种组织称为纤维组织。

变形程度越大，纤维组织越明显。

由于纤维组织的存在，是变形金属的横向（垂直于延伸方向）力学性能降低，而呈现各项异性。

1.1.1.2亚结构细化

亚结构是指金属经过冷变形后，其各个晶粒被分割成许多单个小区域，如图1-2所示。

在这些小区域的边界上存在有大量位错组成的位错缠结，而这些区域的内部位错密度很低，故晶格的畸变很小。

每个小的区域称为亚晶，这种组织称为亚结构。

例如，α—Fe当变形量达到20％以后，亚结构就十分明显，大小约为1~2μm。

图1-2塑性变形时的亚结构

1.1.1.3变形织构

金属是由许多杂乱分布的晶粒相互不规则的嵌合所组成的，如图1-3a所示。

平均起来在不同方向上，具有相同的性质，即所谓伪各向同性。

在塑性变形过程中，当达到一定的变形程度以后，晶粒的形状和取向将发生改变，使原来的各向同性消失，而在一定方向上出现择优取向，使晶粒间的晶面和晶向趋于排成一定方向（见图1-3b），导致各向异性的产生。

这种由原来位向紊乱的晶粒到出现有序化，并有严格位向关系的组织结构，称为变形织构。

图1-3多晶体晶粒的排列情况

a-晶粒的紊乱排序;b-晶粒的整齐排序

随着加工方式的不同，可以出现不同的变形织构。

按照坯料或产品的外形可分为丝织构和板织构。

（1）丝织构：

在拉拔和挤压条件下形成的织构称为丝织构。

各晶粒有一共同晶向相互平行，并与拉伸轴线一致，以此晶向来表示丝织构。

如图1-4所示，变形金属中各晶粒经拉拔后，某一特定晶向平行于拉拔方向，形成丝织构。

试验资料表明，对面心立方金属如金、银、铜、镍等，经较大变形程度的拉拔后，所获的织构为<111>和<100>。

对体心立方金属如α—铁、钼、钨等，经拉拔后，所获得的织构为<110>。

（2）板织构：

对于在轧制过程中形成的织构称为板织构。

由于晶面与轧制面平行，晶向又与轧制方向一致（见图1-5）.因此，板织构用其晶面和晶向来共同表示。

例如，体心立方金属，当其（100）晶面平行于轧制面，<011>晶向平行于轧制方向时，可简单用（100）<011>来表示板织构。

图1-4丝织构示意图图1-5板织构示意图

a-拉拔前；b-拉拔后a-轧制前；b-轧制后

1.1.2金属性能的变化

1.1.2.1物理及物理-化学性质变化

（1）金属的密度降低，在冷变形过程中，由于晶内及晶间物质的破碎，使变形金属内产生大量的微小裂纹和空隙，因而导致金属的密度降低。

例如，退货状态钢的密度为7865kg/m³，而经冷变形后，则降低为7780kg/m³。

（2）金属的导电性降低（或电阻增大），导电性一般随冷变形程度的增加而降低，这种降低在变形程度不大时尤为显著。

例如，紫铜拉伸4％的变形时，其单位电阻增大1.5％；当变形程度达40％时，其单位电阻增加为2％，继续增加变形程度达85％时，此时值变化甚小。

如果随冷变形程度的增加，使晶间物质破坏，导致晶粒之间彼此直接接触，并且能使晶粒位向有序化，则这种变形的结果可能会使金属的导电性增加，即电阻减小。

但由于晶间与晶内的破坏引起电阻增加的作用较大，因此对冷变形后的金属所反映出的导电性能是降低的。

（3）导热性降低，由上述可知，冷变形可使导热性降低，例如铜的晶体在冷变形后，其导热性降低可达78%之多。

（4）化学稳定性降低，金属经冷变形后，使其内部的能量增高，导致其化学性能不稳定而容易被腐蚀。

例如，经冷变形后的黄铜，可加速其晶间腐蚀，使黄铜在潮湿，特别是有氨气的气氛中产生破裂。

（5）金属与合金经冷变形后所出现的纤维组织及结构，皆会使变形后的金属与合金产生各向异性，即材料的不同方向上具有不同的性能。

1.1.2.2产生加工硬化

随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。

如图1-6所示为碳含量0.27％的碳钢，在冷拔时力学性能的变化曲线。

经冷变形后，晶界总面积扩大，亚晶界细碎，晶格畸变和位错密度增大，导致滑移阻力增加，即金属塑性变形抗力升高，能够滑移变形的潜伏部位减小，即金属的变形能力降低。

加工硬化现象具有很重要的现实意义。

首先，再生产中把它当做强化金属的一种方式，对于一些不能通过热处理来提高强度的金属或合金，如某些不锈钢，黄铜等，可以采用加工硬化方法达到强化的目的。

即使某些经过热处理的钢丝，也可以通过加工硬化进一步提高强度，以充分发挥材料的潜力。

其次，加工硬化能保证金属某些工艺

性能，并使之得以加工成形。

例如，冷拔金属线材时，由于通过模具的断面收缩部位引起加工硬化，所以这些部位的拉伸应力虽然增加，但不至于断裂，使冷拔工艺可以持续进行。

加工硬化虽然能使金属的强度提高，但他同时也降低金属的

塑性和韧性。

此外，在冷加工工艺过程中，加工硬化需要不断增加机械功率，对设备、工具的强度提出了更高的要求。

图1-6ωc=0.27％的碳钢冷拔时力学性能的变化

σb—强度极限；σs—屈服极限；ψ—断面收缩率

δ10—伸长率；HB—布氏硬度；σyn—加工硬化值

1.1.2.3产生织构与各向异性

金属与合金经冷变形后，由于出现织构而使金属呈现各向异性，表1-7为硅钢在不同晶向上的力学性能。

在实际工作中，各向异性会引起严重的后果。

因为各向异性使金属在不同的方向显示着不同的力学性能，因而导致加工的困难，例如，在深冲的压延中，由于板料塑性有各向异性，使其在某一方向容易拉伸，而另一方向不容易拉伸，因而在边缘产生凹凸不平的形状，如图1-8所示。

这种凹凸不平的波形称为“制耳”。

很显然，这种“制耳”不仅增加了加工时的困难，而且使废品率提高而增加成本，导致产品收得率降低。

表1-73％硅钢在不同晶向上的力学性能

晶向

弹性模量/MPa

弹性极限/MPa

屈服极限/M