第3章金屬材料成形過程中的行為與性能變化3.2鑄造、焊接過程中材料行為及性能變化3.3冷塑性變形過程中的材料行為及性能變化3.4熱塑性變形過程中的材料行為及性能變化3.1金屬的凝固（solidificationofmetal）

退出第3章金屬材料成形過程中的行為與性能變化

?零件常用的成形方法：鑄件——整體凝固成形。焊件——局部熔化（凝固）連接成形。

其它件——塑性成形（包括切削成形），如鍛件、沖壓件及機制件。

?成形過程中材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)有變化→材料行為、性能變化。晶體液體結(jié)晶結(jié)晶：

液體-->晶體凝固：

液體-->固體（晶體或非晶體）3.1金屬的凝固（solidificationofmetal）3.1.1純金屬的結(jié)晶（crystallizationofpuremetal）⑴過冷現(xiàn)象（supercooling）

液態(tài)金屬實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。

T1<T0,過冷度：△T=T0－T1⑵結(jié)晶過程（Crystallizationprocess）

形核+長大

?具體過程：不同地點同時、不斷形核→核長大→相遇→多晶體。?結(jié)晶速度：取決于形核率N和長大速度G,一般△

T↑，結(jié)晶速度↑。

圖3-1

圖3-2⑶晶核的形成（nucleation）晶核的形成包括自發(fā)形核和非自發(fā)形核。一般均依附模壁及未溶粒子而非自發(fā)形核。

例1:窗花（冰花）

例2:人工降雨非自發(fā)形核所需的過冷度小，起優(yōu)先、主導(dǎo)作用。⑷晶核的長大（growth）

多樹枝狀長大（方向性散熱所致）。

圖3-3

圖3-4樹枝狀長大的實際觀察3.1.2合金結(jié)晶的特點（crystallizationofalloy）

?純金屬結(jié)晶：產(chǎn)物為單相，無成分變化，得均勻的單相多晶體組織。

?合金結(jié)晶：單相（固溶體）或多相（混合物）復(fù)雜形態(tài)的組織，成分變化，易形成成分偏析。3.1.3晶粒大小和控制（grainsizeandcontrol）

?晶粒大小與性能：室溫及不太高的溫度下，細晶材料強韌性好→細晶強化。

?晶粒大小度量：晶粒度ASTM1～12級（粗→細→超細）

?影響因素：N/G比值值越大，晶粒越細。

?獲得細晶方法：（1）過冷度△T。（2）加形核劑--非自發(fā)核心數(shù)量↑↑或阻止晶粒長大。機械方法--攪拌，振動等，以破碎細小枝晶、增加核心。

圖3-5電磁攪拌細化晶粒示意圖超聲振動細化晶粒示意圖

振動、攪拌等：對正在結(jié)晶的金屬進行振動或攪動，一方面可靠外部輸入的能量來促進形核，另一方面也可使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。氣輪機轉(zhuǎn)子的宏觀組織(縱截面)細晶的熔模鑄件(上)普通鑄件(下)3.2鑄造、焊接過程中材料行為及性能變化

3.2.1鑄錠組織（ingotmicrostructure）?實際結(jié)晶時，液態(tài)金屬在模腔中凝固，存在：

①模壁作用②方向性散熱，最終形成三晶區(qū)的鑄錠組織——表面細等軸晶區(qū)：模壁激冷（大△T）及非自發(fā)形核→細小晶粒薄層，無實用價值。柱狀晶區(qū)：△T↓且方向性散熱→垂直模壁單相長大→柱晶，致密但粗大，性能有方向性且柱晶間為薄弱環(huán)節(jié)。中心等軸晶區(qū)：溫度均勻，到處同時形核、各向長大，晶粒較小，性能較好。

圖3-63.2.2鑄錠缺陷（ingotdefect）?各種縮孔、縮松：補縮不全造成；?氣孔：溶解及反應(yīng)生成的，未完全排出；?非金屬夾雜物：冶煉過程中帶入或生成；?各種成分偏析：非平衡冷卻、非平衡凝固造成；分微觀偏析（枝晶偏析等）和宏觀偏析（區(qū)域偏析和比重偏析等）。

圖3-7

圖3-8

3.2.3焊接接頭與熱影響區(qū)的特征（characteristicsofweld&HAZ）局部加熱熔化+冷卻（存在△T

）→形成焊縫+熱影響區(qū)⑴結(jié)晶特征：冷卻速度大；溫度分布不均勻；過熱度大；動態(tài)結(jié)晶；母材金屬類似鑄錠型壁作用；易呈單一柱晶。⑵熱影響區(qū)特征：存在溫度分布，經(jīng)歷固態(tài)相變過程,靠近焊縫的過熱段晶粒粗大，性能很差。

圖3-9

圖3-10⑶焊接應(yīng)力與裂紋（weldingstress&crack）

?原因：焊接過程大的△T、加熱與冷卻及相變的非同時性→產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力→（室溫為殘余應(yīng)力）→變形與開裂（最危險）。

?類型：熱裂紋—結(jié)晶過程中產(chǎn)生，位于焊縫中心或兩側(cè)

冷裂紋—

焊后產(chǎn)生，中、高強鋼最易發(fā)生。

?焊接殘余應(yīng)力的消除：退火（后述）。3.3冷塑性變形過程中的材料行為及性能變化3.3.1冷塑性變形對金屬組織與性能的影響（coldplasticdeformation,coldworking）現(xiàn)象1：金屬材料的塑性——面心立方（Cu、Al、Ag、Au）>體心立方（Fe、Cr）>密排六方（Zn、Mg）。現(xiàn)象2：

塑性變形過程中（如拉伸、彎曲），強度變大、塑性變小。⑴組織變化

?晶粒（組織）沿變形方向拉長及纖維化。

?晶粒（碎化）與亞結(jié)構(gòu)（亞晶）細化。

?晶體缺陷↑

↑，畸變↑

↑

?擇優(yōu)取向效應(yīng)。⑵性能變化

?加工硬化（workhardening）隨變形程度增加，強度、硬度上升，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。

作用：①難以繼續(xù)變形，需退火軟化；②強化手段之一;③抵抗局部過載；④許多冷成型加工的保證。

?產(chǎn)生殘余應(yīng)力（residualstress）各部分及各晶粒之間的變形不均和晶格畸變所產(chǎn)生。

?各向異性（anisotropy）晶粒的擇優(yōu)取向和組織纖維化引起。

圖3-11

圖3-12

圖3-13

圖3-14

3.3.2冷塑性變形金屬加熱時組織和性能的變化●

冷塑變后金屬處于上述不穩(wěn)定狀態(tài)→（加熱后）向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變。⑴回復(fù)（recovery）

T不高時，原子短程擴散回到平衡位置，畸變↓，殘余應(yīng)力↓，理化性能恢復(fù)。

圖3-15

圖3-16⑵再結(jié)晶（recrystallization）通過形核與長大→無畸變的等軸晶，強度↓塑性↑（加工硬化消除），組織與力性完全恢復(fù)。⑶晶粒長大（graingrowth）

T↑→晶粒長大→粗等軸晶→性能↓⑷影響再結(jié)晶晶粒大小的因素：溫度、時間與變形程度（自學(xué)）3.4熱塑性變形過程中的材料行為及性能變化?熱塑性變形加工（hotworking）目的：一是成形；二是改善材料組織與性能。?熱塑性變形加工對材料的具體影響：⑴改善鑄態(tài)組織和性能致密（焊合氣孔、疏松），偏析↓，粗晶細化等，使性能↑↑。⑵形成熱加工纖維組織（流線fiberstructure）夾雜物等沿受力方向排列呈纖維狀→性能各向異性，對使用有重要影響。

圖3-17

表3-1

圖3-18[本章例題]

[例題1]

鎢在1000℃變形加工，錫在室溫下變形加工，說明是熱加工還是冷加工（TmW_3399℃，TmSn_232℃）？

分析思路：

從材料學(xué)的觀點來看，熱加工與冷加工的主要區(qū)別在于塑性變形溫度是在再結(jié)晶溫度之上，還是在之下。凡是在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性變形——熱加工；反之，在再結(jié)晶溫度以下進行的塑性變形——冷加工。大量實驗證明，純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點之間存在以下關(guān)系：T再≈0.4T熔（用絕對溫度表示）。此題稍加計算，便可知曉。[例題2]

如果其它條件相同，試比較在下列條件下所得

鑄件晶粒的大??；

⑴金屬模澆注與砂模澆注；⑵高溫澆注與低溫澆注；⑶鑄成薄壁件與鑄成厚壁件；⑷澆注時采用振動與不采用振動；⑸厚大鑄件的表面部分與中心部分。分析思路：在常溫下使用的金屬材料，一般晶粒越細越好。鑄件晶粒大小的比較要注意觀察其結(jié)晶條件。此題要求對控制晶粒大小的因素及措施、鑄錠組織的形成規(guī)律方面的知識有綜合的掌握。

[例題3]

某廠用冷拔鋼絲繩直接吊運加熱至1100℃的破碎機顎板，吊至中途鋼繩突然斷裂。此鋼繩是新的，事前經(jīng)過檢查，并無疵病。試分析鋼繩斷裂的原因。

分析思路：考慮兩點。

a）冷拔鋼絲繩使用前處于加工硬化狀態(tài)。

b）直接吊運加熱至1100℃的破碎機顎板（其質(zhì)量很大），使鋼絲繩被加熱，隨鋼絲繩溫度的升高，必然發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶過程，那么加工硬化現(xiàn)象消失，強度、硬度大大下降.而破碎機顎板重而大，所以致使鋼絲繩發(fā)生過量塑性變形而斷裂。[例題4]觀察下列圖，分別指出哪個吊鉤和曲軸的流線分布更合理。為什么？

圖1吊鉤中的流線分布

圖2曲軸中的流線分布

（a）(b)（a）(b)分析思路：熱加工時鑄態(tài)金屬中的枝晶、各種夾雜物沿變形方向延伸與分布，排列成纖維狀，引起材料力學(xué)性能各向異性。因此用熱加工方法制造工件時，要使流線方向與工件工作時所受最大拉應(yīng)力一致，且與剪切力與沖擊力相垂直，這樣工件不易斷裂。一般，如流線沿工件外形輪廓分布（不中斷），則較為理想。

本章小結(jié)

——關(guān)鍵詞：成形、變化□材料從液態(tài)→固態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為凝固（固化），如果凝固后為晶態(tài)即為結(jié)晶。過冷度是金屬結(jié)晶的必要條件。□晶體的形成：形核和長大兩個過程，金屬結(jié)晶時一般是非自發(fā)形核，晶核呈樹枝狀長大。通過增大過冷度、加入形核劑和攪拌、振動等機械方法可以控制形核率和長大速率，控制晶粒的大小，實現(xiàn)細化晶粒的效果□了解結(jié)晶的基本規(guī)律，對分析諸如鑄造和焊接等成形過程中材料的行為與性能變化規(guī)律很有意義。如分析金屬鑄錠組織：由外至里由細等軸晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)共三個晶區(qū)組成?！跛苄宰冃问遣牧显谕饬ψ饔孟滤憩F(xiàn)出來的一種行為，不僅改變材料的外形和尺寸，而且使其內(nèi)部的組織、結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生了一系列的變化?！踝钪匾木褪抢渥冃螘r的加工硬化（形變強化）和隨后加熱時的回復(fù)，再結(jié)晶現(xiàn)象?！鯚崴苄约庸た筛纳畦T態(tài)組織、形成流線組織，提高材料的力學(xué)性能?！跤懻摾洹崴苄宰冃谓o材料帶來的行為與性能的變化規(guī)律為制定合理的冷、熱加工提供正確依據(jù)，也為探討材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的性能，如強度、塑性等的本質(zhì)，強化材料等都具有重大的理論與實際意義?！?/p>