塑性变形对金属组织和性能的影响

2019-07-0410:56:44塑性变形对金属组织和性能的影响已关闭评论

经过塑性变形,可使金属的组织和性能发生一系列重大的变化,这些变化大致可以分为以下几个方面:

1.2.1 组织变化

①晶粒沿变形最大的方向伸长

②晶格晶粒均发生扭曲

③晶粒间产生碎晶

1.2.2 加工硬化

因碎晶、晶格扭曲增大了滑移阻力,金属的塑性变形抗力将迅速增大,即硬度和强度显著升高,塑性和韧性下降,产生“加工硬化”现象。

1.2.3 性能变化

(1)各向异性

当形变量达到很大程度时,各晶粒将会被拉长成为细条状或纤维状,晶界变得模糊不清。这种组织通常称为“纤维组织”。纤维组织导致金属产生各向异性,所以制作零件时应使材料最大拉应力方向与纤维组织流线方向一致,剪切力方向和冲击力方向与纤维组织流线方向垂直。用压力加工的方法制作的零件,其流线分布与零件轮廓形状相符,可避免纤维组织的不利影响。

(2)力学性能改善

加工硬化有利于强化金属。但使变形抗力增加,给金属的进一步加工带来困难,对模具不利,设备吨位上升;同时,金属的物理和化学性能也会发生显著的变化,如电阻率增加和耐蚀性降低等;加工硬化的结果使金属的晶体构造处于不稳定的应力状态,具有自发恢复稳定状态的趋势。因此加工过程中必须安排再结晶退火工序,通过加热消除其加工硬化现象,以恢复它进一步变形的能力。

加热:产生加工硬化后的金属由于受到高温的作用,原子活动能力增加,就能具有恢复到原来稳定状态,消除晶格畸变和降低残余应力的趋势。

回复:金属冷变形后,加热到一定温度,原子恢复正常排列,消除了晶格扭曲。明显降低了残余应力,力学性能得到小部分恢复,这个过程称为“回复”。

再结晶:温度再增加,金属原子获得更多能量,则以碎晶和杂质位核结晶成新的晶粒。这个过程称为“再结晶”。再结晶消除了加工硬化现象和残余应力,完全恢复了材料原有的力学性能。由于再结晶可能得到比原材料更细小的晶粒,再结晶金属的力学性能要更好一些。

金属在再结晶温度以下的变形称为冷变形,压力加工生产中常用的冷变形有冷轧、冷拔、冷镦、冷冲压、冷挤压等。冷变形的优点是零件尺寸、形状精度高,表面质量好,零件强度、硬度高。缺点是变形抗力大,变形程度小,零件内部残余应力大,如要进一步加工必须进行再结晶退火。

在再结晶温度以上的变形称为热变形,热塑性变形时产生的加工硬化和再结晶过程几乎同时进行,而加工硬化现象随时被再结晶消除,最后得到的是再结晶组织。金属在热变形的情况下可以用较小的能量获得较大的变形,既能提高金属的塑性,降低变形抗力,又能得到均匀致密的等轴细晶组织和力学性能优良零件。

所以金属压力加工主要采用热变形来进行。

(3)残余内应力

金属在外力的作用下产生的内部塑性变形不均匀而产生内应力。如金属表层与心部的变形量不同形成平衡于表层与心部之间的宏观内应力(第一种内应力);晶粒彼此之间或晶内不同区域之间的变形不均匀形成的微观内应力(第二种内应力);而因位错等晶格缺陷引起其附近的晶格畸变而形成的晶格畸变应力(第三种内应力)。第三种内应力是金属强化的主要原因,也是变形金属中的主要内应力。而第一和第二种内应力,虽然它们在变形金属中所占的比例不大,但是在大多数情况下不仅会降低金属的强度,而且还会因随后应力松弛或发生重新分布而引起金属变形。如冷轧钢板在轧制中就经常会因变形不均匀所残留的内应力使钢板发生翘曲,零件在切削加工后所发生的变形也大都是由于这一原因。此外,残余内应力还会使金属的耐腐蚀等性能降低,如金属的碰伤之处便往往易于生锈。故金属在塑性变形之后,通常都要进行退火处理,以消除或降低这些内应力。

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