-5金属的热变形
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(5)金属塑性变形过程中组织与性能的变化规律
3.再结晶退火 在对金属材料进行塑性变形 加工（拉深、冷拔等）时为了消除加工 硬化需要进行再结晶退火。再结晶退火 是指：把变形金属加热到再结晶温度以 上的温度保温，使变形金属完成再结晶 过程的热处理工艺。为了尽量缩短退火 周期并且不使晶粒粗大，一般情况下把 退火工艺温度取为最低再结晶温度以上 100 C ～200C。
（a）变形前的退火状态组织
冷变形时金属显微组织的变化
（2）亚结构
冷变形时金属显微组织的变化
（3）变形织构
a. 丝织构
b. 板织构
冷变形时金属显微组织的变化
（4）晶内和晶间破坏
冷变形时金属 电阻 晶间物质的破坏使晶粒直接接触、晶粒位向有序化、 金属经冷变形后，因晶内及晶间出现了显微裂纹、裂
晶 粒 直 径 ， 微 米
500 450 晶 粒 直 径 300 ， 微 200 米 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 变形程度，%
500
450
400 350 300 250 200
300
200 100 0 300 250 200
400
350
变形温度，℃
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
§6. 1金属塑性加工中组织与性能的变化
6. 1. 1 冷变形 6. 1. 2 热变形 6. 1. 3 塑性变形对固态相变的影响
6. 1. 1 冷变形
Cold Deformation, Cold Working
冷变形：在再结晶温度以下变形
冷变形时金属显微组织的变化
（1）纤维组织
图6-2
冷轧前后晶粒形状变化 （b）变形后的冷轧变形组织
口、空洞等缺陷使金属的密度降低，且变形程度越高，降低的
课件塑性加工原理塑性与变形总课件参考.ppt
1．镦粗时组合件的变形特点 2．基本应力的分布特点 3．第一类附加应力的分布特点
*
上课课件
3. 4. 2 平辊轧制时金属的应力及变形特点
1．基本应力特点 2．变形区内金属质点流动特点 3．平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点
*
上课课件
3. 4. 3 棒材挤压时的应力及变形特点
1．棒材挤压时的基本应力状态 2 ．棒材挤压时的金属流动规律 3 ．棒材挤压时的附加应力
变形程度ε
应力σ
σsb
σsn
图3-25 拉伸时真应力与变形程度的关系 1)无缺口试样拉伸时的真应力的曲线 2）有缺口样拉伸的真应力曲线
*
上课课件
3. 3. 4 残余应力
1．残余应力的来源 2．变形条件对残余应力的影响 3．残余应力所引起的后果 4．减小或消除残余应力的措施 5．研究残余应力的主要方法
*
上课课件
2．最大摩擦条件 当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状 态时，单位摩擦力（ ）等于变形金属流动 时的临界切应力k，即： = k 3．摩擦力不变条件 认为接触面间的摩擦力，不随正压力大小而变。其单位摩擦力是常数，即常摩擦力定律，其表达式为： =m·k 式中，m为摩擦因子
第3章 金属塑性加工的宏观规律
§3. 1 塑性流动规律（最小阻力定律） §3. 2 影响金属塑性流动和变形的因素 §3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力 §3. 4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点 §3. 5 塑性加工过程的断裂与可加工性
*
上课课件
§3.1 塑性流动规律（最小阻力定律）
上课课件
3. 2. 2 变形区的几何因素的影响
变形区的几何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影响变形和应力分布很重要的因素。
金属在冷和热塑性加工过程中组织与性能变化规律的异同
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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冷变形对组织与性能的影响
组织变化： 纤维组织 亚结构 变形织构 晶内及晶间的破坏
性能变化： 力学性能 残余应力 物化性能
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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冷变形力学性能
金属发生塑性变形时，随变形度的增大，金属的强度和硬度 显著提高，塑性和韧性明显下降，这种现象称为加工硬化， 也叫形变强化或冷作硬化。
制 耳 现 象
但是，变压器用硅钢片，由于α-Fe<100>方向最易磁化，生产中通 过轧制可获得具有（110）[001]织构和磁化性能优异的硅钢片。
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
11/49
冷变形晶内及晶间破坏
在冷变形过程中不发生软化过程的愈合作用，因滑移（位错 的运动及其受阻、双滑移、交叉滑移等），孪晶等过程的复 杂作用以及各晶粒所产生的相对转动与移动，造成了在晶粒 内部及晶粒间界处出现一些显微裂纹、空洞等缺陷使金属密 度减少，是造成金属显微裂纹的根源。
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冷变形形变织构
在塑性变形中，随着变形大程度的增加，各个晶粒的滑移面 和滑移方向都要向主形变方向转动，使各晶粒的位向呈现一 定程度的规律性，这一现象称为择优取向，这种组织状态称 为形变织构。
典 型 织 构
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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形变织构的影响与应用
一般来说，不希望金属板材存在织构，尤其是用于深冲压成型的板 材，由于织构会造成其沿各方向变形的不均匀性，使工件的边缘出 现高低不不平，所谓的“制耳”。
消除畸变能，控制晶粒大 小，形态，均匀度
界面能，表面能 作为驱动力
8620H、20CrMoH、16MnCrS5、20MnCrS5热处理工艺性能比较
8620H、20CrMoH、16MnCrS5、20MnCrS5热处理工艺性能比较王陆军;马楠;舒银坤【期刊名称】《金属加工：热加工》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】5页(P62-66)【作者】王陆军;马楠;舒银坤【作者单位】番禺珠江钢管集团凯帝重工科技有限公司;格特拉克(江西)传动系统有限公司;格特拉克(江西)传动系统有限公司【正文语种】中文齿轮传动时，如果不考虑齿面摩擦，力的方向是固定不变的，即沿着啮合线方向，也就是两个齿轮基圆的内公切线方向；如果传递的转矩也是一定的，则力的大小也不变。
如果考虑齿面摩擦，情况就非常复杂了。
根据汽车齿轮常见失效形式，对齿轮材料的基本要求是齿面要硬、齿心要韧，即要求齿面具有较高的耐磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形能力，而齿根具有较高的抗折断能力。
通常采用低碳合金钢的良好韧性，使用化学热处理手段改变表面化学成分后，渗碳淬火提高表面硬度，以达到改善表面力学性能的要求。
轴传动时轴齿或花键受到经啮合点的一个会使轴弯曲的轴向压力，另一个使齿轴转动的圆周力，将圆周力平移到轴上，即一个转矩和一个平移后的圆周力。
一般轴的材料采用优质碳素结构钢或中碳合金钢的情况比较多，主要是因为这一类的钢材调质处理之后，会具备比较优良的综合力学性能，即强度、硬度提高的同时，塑性和韧性并不降低。
采用韧性良好的低碳低合金钢，通过化学热处理提高表面硬度，保持心部强韧，也可以满足轴类的使用要求。
我公司采用低碳低合金钢8620H、20CrMoH、16MnCrS5、20MnCrS5生产制造齿轮、轴，我们试验了这四种材料的热处理工艺性能，做了一个比较。
8620H、20CrMoH、16MnCrS5、20MnCrS5化学成分要求如表1所示。
经过检验，化学成分都符合要求，正火组织检验结果按GB/T13320标准执行≤3级为合格，正火带状组织按GB/T13299检验要求≤2级。
晶粒度按GB/T6394的比较法或参照ASTM E112进行，规定5级或更细的晶粒度为合格，根据产品的力学性能和热变形的条件也有要求6～8级为合格。
22MnB5热成形钢板TIG焊后淬火热处理试验研究
22MnB5热成形钢板TIG焊后淬火热处理试验研究陆冠含【摘要】对4 mm厚22MnB5热成形钢板钨极氩弧焊后的微观缺陷件进行焊后淬火热处理试验研究.试验设备采用DL-LPM-III激光数控加工机和SP-25AB高频焊机,分别对焊接样件进行焊后淬火热处理,分析不同热处理方法对材料微观组织和力学性能的影响,以选择最优方案.生产中通常采用的直流TIG焊(非熔化极惰性气体钨极保护焊)工艺,在无损检测时样件虽然没有明显宏观缺陷,但焊接过热会导致魏氏组织出现在焊缝金属中,接头严重软化.应用DL-LPM-III激光数控加工机,对焊件接头表面进行焊后淬火热处理,虽然接头淬火区域分布均匀的马氏体组织,硬度良好,但激光淬火方式并不能将试件完全淬透,中心未淬火区域1.4～2.6 mm,铁素体和珠光体的混合组织以及魏氏组织仍然存在.应用SP-25AB高频焊机,对焊件表面进行高频感应热处理,淬火后焊件接头各处分布均匀的板条马氏体和下贝氏体组织,可以将试件完全淬透.高频淬火淬硬层深度1.7～2.5 mm,既可提高工件表面硬度和工件整体强度,又可避免对轨道车辆零部件整体加热所带来的不便,提高设备使用效率,节省成本.【期刊名称】《现代城市轨道交通》【年(卷),期】2019(000)005【总页数】5页(P53-57)【关键词】轨道车辆;金属材料;TIG焊后热处理;微观组织;力学性能【作者】陆冠含【作者单位】中车长客股份有限公司规划发展部,吉林长春 130062【正文语种】中文【中图分类】U270.6;TG162.8+30 引言当今轨道车辆制造技术日趋成熟，节能、减重和提高安全性已成为现代轨道车辆发展的主要方向。
轻量化技术可以提高轨道车辆动力性，降低能耗，减少成本。
可见，车辆轻量化是降低能耗的重要途径，对节能环保、实现可持续发展有着十分积极的意义。
22MnB5钢板是一种低碳微合金硼钢板，应用于轨道车辆及汽车制造业的超高强度结构件用钢，热冲压成形后，抗拉强度可达到1500 MPa或更高，平均硬度为HRC49，伸长率为6.5%，最大残余应力264 MPa，拥有良好的力学性能。
工程材料 5 塑性变形
(c) 变形80%
2. 亚组织的细化 塑性变形使晶粒碎化，内部 形成更多位向略有差异的亚晶粒 （亚结构），在其边界上聚集着 大量位错。 3. 产生形变织构 由于塑性变形过程中 晶粒的转动，当变形量达 到一定程度（70％～90％） 以上时，会使绝大部分晶 粒的某一位向与外力方向 趋于一致，形成织构。
产生加工硬化
由于塑性变形的变形度增加， 使金属的强度、硬度提高，而塑 性下降的现象称为加工硬化。
二、冷塑性变形对金属组织的影响 1. 形成纤维组织 金属在外力作用下产生塑性变形时，随着外形变化，而且其 内部的晶粒形状也相应地被拉长或压偏。当变形量很大时，晶粒 将被拉长为纤维状。
(a) 未变形
(b) 变形40%
2. 再结晶退火
把冷变形金属加热到再结晶温度以上，使其产生再结晶的热处 理称为再结晶退火。 生产中金属的再结晶退火温度比其再结晶温度高100～200℃。
三、晶粒长大
再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，金 属晶粒将继续长大是通过晶界的迁移进行的，是大晶粒吞食小 晶粒的过程。这是一个自发的过程。 影响晶粒大小的因素除加热温度和保温时间外，还有晶粒 原始尺寸、杂质的分布、预先变形度等。加热温度和预先变形 度影响最大。
晶粒粗大会使金属的强度，特别是塑性和冲击韧性降低。
1. 加热温度和保温时间的影响 加热温度越高，保温时间越长， 金属晶粒越粗大。
黄铜再结晶后晶粒的长大
580º C保温8秒后的组织
580º C保温15分后的组织
700º C保温10分后的组织
2. 预变形度的影响
对一般金属，当变形度为2%～10%时，由于变形很不均匀， 会造成晶粒异常长大，应予避免。变形度过大（＞90%），因织 构，晶粒也会粗大。通常变形度为30%～60%。
金属塑性成形原理复习题
一、名词解释1. 主应力：只有正应力没有切应力的平面为主平面，其面上的应力为主应力。
2. 主切应力：切应力最大的平面为主切平面，其上的切应力为主主切应力。
3. 对数应变 答：变形后的尺寸与变形前尺寸之比取对数4. 滑移线 答：最大切应力的方向轨迹。
5. 八面体应力：与主平面成等倾面上的应力6. 金属的塑性：在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力。
7. 等效应力：又称应力强度，表示一点应力状态中应力偏张量的综合大小。
8. 何谓冷变形、热变形和温变形：答冷变形：在再结晶温度以下，通常是指室温的变形。
热变形：在再结晶温度以上的变形。
温变形在再结晶温度以下，高于室温的变形。
9. 何谓最小阻力定律：答变形过程中，物体质点将向着阻力最小的方向移动，即做最少的功，走最短的路。
10.金属的再结晶 答：冷变形金属加热到一定的温度后，在原来变形的金属中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金属的冷变形组织的过程。
11. π平面 答：是指通过坐标原点并垂于等倾线的平面。
12.塑性失稳 答：在塑性加工中，当材料所受的载荷达到某一临界后，即使载荷下降，塑性变形还会继续，这种想象称为塑性失稳。
13.理想刚塑性材料：在研究塑性变形时，既不考虑弹性变形，又不考虑变形过程中的加工硬化的材料。
P13914.应力偏张量：应力偏张量就是应力张量减去静水压力，即：σij ′ =σ－δij σm二、填空题1. 冷塑性变形的主要机理:滑移和孪生2. 金属塑性变形的特点：不同时性、相互协调性和不均匀性。
3. 由于塑性变形而使晶粒具有择优取向的组织称为：变形织构 。
4. 随着变形程度的增加,金属的强度 硬度增加,而塑性韧性降低,这种现象称为：加工硬化。
5. 超塑性的特点:大延伸率、低流动应力、无缩颈、易成形、无加工硬化 。
6. 细晶超塑性变形力学特征方程式中的m 为:应变速率敏感性指数。
7. 塑性是指金属在外力作用下,能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力 。
第五章 金属的塑性变形及再结晶
孪生所需要的切应力很大。
滑移易进行。
二、多晶体金属的塑性变形
1、多晶体拉伸试验
（1）多晶体和单晶体对比试验
（2）两个晶粒试样拉伸
2、多晶体塑性变形的特点
1）每个晶粒内：滑移和孪生； 2）整个晶体：既要克服晶界的阻碍，又要同周围晶粒同时发生相 适应的变形来协调配合，以保持晶粒间的结合和晶体的连续性，否 则会导致晶体破裂。
三种典型金属晶格的滑移系
（A）体心立方晶格滑移系： 6 ×2 = 12
滑移面： {110} 6个 滑移方向：<111> 2个。
{110} <111>
（B）面心立方晶格滑移系： 4 ×3 = 12
滑移面： {111} 4个 滑移方向：<110> 3个
<110>
{111}
（C）密排六方晶ห้องสมุดไป่ตู้滑移系： 1 ×3 = 3
第五章 金属的塑性变形及再结晶
锻造 挤压
车 铣
轧制
成形加工工艺
金属获得一定的形状和尺寸
拉拔
金属塑性变形
刨
切削加工工艺
金属内部组织与结构变化
钻
改变晶粒大小、形态、分布
金属加热再结晶
改善金属材料的性能
§2-1 金属的塑性变形
P
一、单晶体金属的塑性变形
在室温下，单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生进行的。
1、晶粒正常长大：
再结晶后的晶粒均匀、稳速地长大的现象。发生在再结晶 晶粒细小且均匀时。（希望的长大方式） 2、晶粒异常长大：
再结晶后的晶粒不均匀，急剧长大的现象。少数处于优越条件 的晶粒优先长大，迅速吞食周围的大量小晶粒，最后得到异常粗 大的晶粒，也称“二次再结晶”。
5A01铝合金热变形行为和加工图
5A01铝合金热变形行为和加工图黄姣;柏振海;罗兵辉;刘成【摘要】在Gleeble-1500热模拟机上,对5A01铝合金进行等温热压缩实验,研究该合金在变形温度为350～450℃、应变速率为0.01～1s-1条件下的热变形行为,建立其热加工图.结果表明:5A01铝合金是温度、正应变速率敏感材料,其流变应力随变形温度降低和应变速率升高而增大,利用峰值应力获得的该合金热加工图表明合金热变形存在两个失稳区域,即变形温度为350～390℃,应变速率为0.01～0.2s-1的区域和变形温度为405～450℃,应变速率为0.2～1s-1的区域;本实验条件下最佳加工参数为变形温度450℃,应变速率0.01s-1.【期刊名称】《铝加工》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】6页(P4-9)【关键词】5A01铝合金;热模拟;热变形行为;热加工图【作者】黄姣;柏振海;罗兵辉;刘成【作者单位】中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TG115.5+3;TG156.935A01铝合金是一种高镁铝合金（镁含量高于6%），强度和可焊性能好，且具有良好的耐蚀性，主要应用于船舰用铝合金板材和耐蚀、可焊铝合金构件[1]。
但是在加工成型过程中，经常由于发生锯齿屈服行为而导致合金局部变形，从而在板材表面留有变形带造成粗糙等缺陷，不利于进一步的塑性加工，且使表面抗腐蚀能力降低[2]。
因此研究5A01铝合金热变形行为并探讨其内在机理具有重要意义。
金属材料热加工是在高温下进行的，会引起材料微观组织的变化，影响材料的加工性能，从而影响材料的后续加工。
热变形流变应力是热加工中的一个重要影响因素，变形程度、变形温度和应变速率都对它有较大的影响。
如果利用反复试验，不仅耗费时间长，代价大，而且可能得不到最优工艺和方案。
5金属的塑性与变形抗力-新解析
1区——位于100～200℃之间，塑性增加是由于在 冷变形时原子动能增加的缘故（热振动）。 2区——位于700～800℃之间，由于有再结晶和扩 散过程发生，这两个过程对塑性都有好的作用。
3区——位于950～1250℃的范围内，在此区域中 没有相变，钢的组织是均匀一致的奥氏体。
热轧时应尽可能地使变形在3区温度范围内进 行，而冷加工的温度则应为1区。
s k k kt 0
0的获得条件 ：t=1000°C; =0.1 =10s-1
5.4 影响变形抗力的主要因素
一、化学成分和显微组织的影响 1、化学成分的影响
（1）碳
在较低的温度下随着钢中含碳量的增加，钢的变 形抗力升高。温度升高时其影响减弱。
在不同变形温度和变形速度下含碳量对碳钢变形抗力的影响 （实线为静压缩，虚线为动压缩）
三向压应力状态图最好，两压一拉次之，三向拉应 力最坏。 其影响原因归纳如下：
（1）三向压应力状态能遏止晶间相对移动，使晶间 变形困难。
（2）三向压应力状态能促使由塑性变形和其它原因 而破坏了的晶内和晶间联系得到修复。 （3）三向压应力状态能完全或局部地消除变形体内 数量很少的某些夹杂物甚至液相对塑性不良的影响； （4）三向压应力状态可以完全抵消或大大降低由不 均匀变形而引起的附加拉力，使附加拉应力所造成的 破坏作用减轻。
变形速度对碳钢变形抗力的影响 压下率：-50％；-10％；-2％
四、 变形程度对变形抗力的影响
大致可分三个方面： 金属的自然性质 变形的温度、速度条件 变形的力学条件
一、 金属的自然性质对塑性的影响
1、组织状态的影响
（1）纯金属有最好的塑性
（2）单相组织（纯金属或固溶体）比多相组织塑性 好 （3）晶粒细化有利于提高金属的塑性
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位错增殖速率＝位错消失速率
稳态流变阶段（无加工硬化）
动态回复时的真应力—应变曲线
位错构成亚晶界，形成亚晶，保持等轴状
高应变速率：三个阶段
加工硬化阶段(0<ε<εc) 动态再结晶的初始阶段(εc<ε<εs) 稳态流变阶段(ε≥εs)。 低应变速率：交替硬化-软化 加工硬化阶段(0<ε<εc)，位错增殖 慢 动态再结晶软化，曲线下降——继
4.带状组织
——沉淀相沿变形方向分布 ——各向异性
20钢 热轧
40钢 热轧
发展史：
1920年，ROSENHAIN等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可 以弯曲近180度。 1934年，英国的C.P.PEARSON发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉 伸时可以得到2000%的延伸率。 1945年前苏联的A.A.BOCHVAR等发现Zn-Al共析合金具有极高 延伸率，提出“超塑性”名词。 1964年，美国的W.A.BACKOFEN提出了应变速率敏感性指数的
动态再结晶的真应力-真应变曲线
续再结晶驱动力减小——硬化占优，
曲线上升——再结晶驱动力增大— —动态再结晶软化——下降－上升 － ……
动态回复
适应材料 软化机制 组 织 高层错能材料
（位错不易扩展，易攀移、交滑移）
动态再结晶
低层错能材料 变形造成的畸变与 无畸变晶粒的形成平衡 中心有畸变的极细等轴晶 强度优于稳态 （静态）再结晶 无影响 晶粒细化
概念，为超塑性研究奠定了基础。
条件：
1．超细晶（≤10m），两相组织 2．形变温度0.5~0.65T熔
3．很低的应变速率0.01~0.0001 mm/s
现象：
200~1000%的延伸率
分类：
恒温超塑性，或第一类超塑性，也称为微细晶粒超塑性。
相变超塑性，或第二类超塑性，亦称转变超塑性或变态超塑性。
其它超塑性，或第三类超塑性，在消除应力退火过程中在应力作用 下可以得到超塑性。
热变形与冷变形的关系是什么？
热变形的核心问题是什么？
热变形中，强化机制的作用有什么变化吗？
再结晶温度以上的加工变形
硬化速度 = 软化速度时对应温度以上的加工变形
第一阶段，微应变阶段 第二阶段，均匀塑性变形，加工硬化
第三阶段，稳定流变阶段，持续形变
动态回复时的真应力—应变曲线
第一阶段：
位错密度由1010~1011m-2增至1011~1012m-2 第二阶段， 位错密度继续增大 形成位错缠结和位错胞 位错消失速率随应变增大 第三阶段 位错密度达1014~1015m-2，
位错增殖与 位错抵消平衡 拉长晶粒与恒尺寸亚晶粒 强度优于稳态 （静态）回复 亚晶细化 亚晶细化
力学性能 形变温度↓ 流变应力↑
—— 部分消除气孔、疏松 —— 破碎枝晶 —— 夹杂物沿变形方向分布 ——各向异性
——晶粒沿变形方向伸长 ——各向异性
Al-Li 合金挤压型材中的纤维组织
Al-Li 合金厚板中的纤维组织