冷热变形对金属组织和性能的影响

金属的塑性变形、纤维组织及其对金属性能的影响一、金属的塑性变形金属受力时，其原子的相对位置发生改变，宏观上表现为形状、尺寸的变化，此种现象称为变形。

金属变形按其性质分为弹性变形和塑性变形。

当受力不大时，去除外力后原子立即恢复到原来的平衡位置，变形立即消失，这种变形称为弹性变形。

当应力超过一定值时（≥бs），金属在弹性变形的同时还会产生塑性变形。

1、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形，主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动，滑动后原子处于新的稳定位置，不再回到原来位置。

研究表明，滑移总是优先沿晶体中一定的晶面和晶向发生，晶体中能够发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。

滑移面和滑移方向越多，金属的塑性越好。

晶体的滑移是借助于位错的移动来实现的。

大量的位错移出晶体表面，就产生了宏观的塑性变形。

2、多晶体的塑性变形常用金属材料都是多晶体。

每个晶粒内的塑性变形主要仍以滑移方式进行。

但多晶体中各相邻晶粒的位向不同，各晶粒之间有一晶界相连接，因此，具有下列特点：（1）晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利位置。

产生滑移的晶粒必然会受到周围位向不同晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。

所以多晶体的塑性变形是逐步扩展和不均匀的，其结果之一便是产生内应力。

（2）晶界的作用晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。

试样在晶界附近不易发生变形，出现所谓“竹节”现象。

这是因为晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移的缘故。

很显然，晶界越多，多晶体的塑性变形抗力越大。

（3）晶粒大小的影响在一定体积的晶体内晶粒数目越多，晶粒越细，晶界越多，不同位向的晶粒也越多。

因而塑性变形抗力也就越大，表现出较好的塑性和韧性。

故生产中都尽一切努力细化晶粒。

二、金属的冷塑性变形对性能的影响冷塑性变形对金属性能的主要影响是造成加工硬化，即随着变形度的增加，金属强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。

塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形是指金属在外力作用发生不可恢复的变形。

因为金属在变形过程中承受很大的外力，所以金属的组织和性能一定会发生变化。

由于金属发生塑性变形时的温度不同，所以金属塑性变形可以根据变形温度分为冷变形，温变形，热变形。

在不同的温度下，金属发生塑性变形时其组织和性能会发生不同的变化。

1.冷塑性变形对金属组织和性能的影响金属发生塑性变形时其变形机制主要有位错的滑移，孪生，扭折，高温下还有晶界滑动和扩散蠕变等方式。

在这些变形方式下，金属的组织会在晶粒形状尺寸，亚结构等方面产生变化，还会产生变形织构等。

在位错的运动过程中，位错之间，位错与溶质原子，间隙原子，空位之间，位错与第二相质点之间都会发生相互作用，引起位错数量，分布的变化。

从微观角度来看，这就是金属组织结构在塑性变形过程中发生的主要变化。

随着金属变形的进行及程度的增加，金属内部的位错密度开始增加，这是因为位错在运动到各种阻碍处如晶界，第二相质点等会受到阻碍，位错就会不断塞积和增值，直到可以使得相邻晶粒内的位错发动才能继续运动。

同时位错运动时所消耗的能量中会有一小部分没有转换成热能散发出去，反而会以弹性畸变能的形式存储在金属内部，使金属内部的点阵缺陷增加。

金属冷塑性变形后还会造成金属内部的亚结构发生细化，如原来在铸态金属中的亚结构直径约为0.01cm，经冷塑性变形后，亚结构的直径将细化至0.001-0.00001cm。

同样金属晶体在塑性变形过程中，随着变形程度的增大，各个晶粒的滑移面和滑移方向会逐渐向外力方向转动。

当变形量很大时，各晶粒的取向会大致趋向于一致，从而破坏了多晶体中各晶粒取向的无序性，也称为晶粒的择优取向，变形金属中这种组织状态则称为变形织构。

在塑性变形过程中随着金属内部组织的变化，金属的机械性能将产生明显的变化。

随着变形程度的增大，金属的硬度，强度显著升高，而塑性韧性则显著下降，这一变化称为加工硬化。

加工硬化认为是与位错的运动和交互作用有关。

金属塑性变形对组织和性能的影响（一）变形程度的影响塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。

变形程度过小，不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的；变形程度过大，不仅不会使力学性能再增高，还会出现纤维组织，增加金属的各向异性，当超过金属允许的变形极限时，将会出现开裂等缺陷。

对不同的塑性成形加工工艺，可用不同的参数表示其变形程度。

锻造比Y锻：锻造加工工艺中，用锻造比Y锻来表示变形程度的大小。

拔长：Y锻=SO/S （S0 S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）；镦粗：Y锻=HO/H（H0 H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。

碳素结构钢的锻造比在2~3 范围选取，合金结构钢的锻造比在3~4 范围选取，高合金工具钢（例如高速钢）组织中有大块碳化物，需要较大锻造比（Y 锻=5~12），采用交叉锻，才能使钢中的碳化物分散细化。

以钢材为坯料锻造时，因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善，锻造比一般取1.1~1.3 即可。

表示变形程度的技术参数：相对弯曲半径（r/t ）、拉深系数（m）、翻边系数（k）等。

挤压成形时则用挤压断面缩减率（ & p）等参数表示变形程度。

（二）纤维组织的利用纤维组织：在金属铸锭组织中的不溶于金属基体的夹杂物（如FeS等），随金属晶粒的变形方向被拉长或压扁呈纤维状。

当金属再结晶时，被压碎的晶粒恢复为等轴细晶粒，而夹杂物无再结晶能力，仍然以纤维状保留下来，形成纤维组织。

纤维组织形成后，不能用热处理方法消除，只能通过锻造方法使金属在不同方向变形，才能改变纤维的方向和分布。

纤维组织的存在对金属的力学性能，特别是冲击韧度有一定影响，在设计和制造零件时，应注意以下两点：（1）零件工作时的正应力方向与纤维方向应一致，切应力方向与纤维方向垂直。

（2）纤维的分布与零件的外形轮廓应相符合，而不被切断。

例如，锻造齿轮毛坯，应对棒料镦粗加工，使其纤维呈放射状，有利于齿轮的受力；曲轴毛坯的锻造，应采用拔长后弯曲工序，使纤维组织沿曲轴轮廓分布，这样曲轴工作时不易断裂（三）冷变形与热变形通常将塑性变形分为冷变形和热变形。

什么是冷变形和热变形,各有何特点?答:据变形温度和变形后的组织不同,通常把在再结晶温度以下进行的变形称为冷变形,在再结晶温度以上进行的变形称为热变形,冷变形的金属表现出加工硬化现象,热变形金属的加工硬化随即被再结晶所消除。

11 冷变形强化对金属的组织和性能有何影响,在生产中如何利用其有利因素?答:金属在冷变形时,随着变形程度的增加,强度和硬度提高,塑性和韧性下降,这种现象称为冷变形强化,又称加工硬化或冷硬化,冷变形强化时,金属内对称面附近的晶格发生畸变,甚至产生晶粒破碎现象,金属的强度和硬度越来越高,而塑性和韧性越来越低,冷变形强化是强化金属材料的手段之一,尤其是一些不能通过热处理方法强化的金属可通过冷轧,冷挤压,冷拔和冷冲压方法,在变形的同时提高其强度和硬度12 再结晶对金属的组织和性能有何影响?答:如将变形金属;加热到更高温度,使原子具有更强的的扩散能力,就能以滑移而上的碎晶块或其它质点为晶核,成长出与变形前晶格结构相同的新的等细晶粒,这个过程称为再结晶,再结晶可以完全消除塑性变形变形所引起的硬化现象,并使晶粒得到硬化,力学性能甚至比塑性变形前更好。

焊接接头包括哪几个区?力学性能差的薄弱区在哪儿?为什么?答:(1)焊接接头包括焊缝,熔合区和焊热影响区(2)熔合区化学成分不均匀,组织粗大,往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织。

帮其性能是焊接接头中最差的20 影响焊接接头性能的因素有哪些?答:影响因素有:(1)焊接材料(2)焊接方法(3)焊后热处理。

此外,接头形式,工件厚度,施焊环境温度和预热等均会影响焊后冷却速度,从而影响接头的组织性能。

21 焊条型号E4303,E5015和焊条牌号J422,J507各部分的含义是什么?答:(1)E4303:E表示焊条,43表示熔敷金属抗拉强度430MPa,0表示焊条适合于金属位置焊接,03表示焊接电流种类为交流或直流区反接,及药皮为钛(2) E5015 E 表示焊条,50 表示熔敷金属抗拉强度500MPa,,1 表示焊条适用于全位置焊接,15 表示焊条为低氢钠型药皮,直流反接。

冷变形对奥氏体不锈钢材质分析仪组织和性能的影响
18-8型奥氏体不锈钢固溶处理之后冷加工变形，金属的组织发生了明显变化，不锈钢材质分析仪随着变形度的增加，原来为等轴的晶粒沿变形方向伸长，当变形量超过58%之后，各晶粒已不能辨别而形成冷加工纤维组织。

18-8型奥氏体不锈钢，不能通过热处理来进行强化，冷加工变形成为强化的重要方法，随着变形度的增加，其强度呈直线上升。

材料呈85%以上变形后，其强度增加3倍以上，不锈钢材料分析仪造成如此大变形强化效果，主要原因是位错密度的增加、位错组态的改变以及诱发马氏体相变的产生。

由于奥氏体不锈钢的层错能很低，只有13-18mJ/m2，其中的位错通常分解成甚宽的扩展位错，使交滑移很困难，形变后大量的位错杂乱地分布于晶体中，构成复杂的位错网络。

而且在变形中位错的增殖也十分显著，产生很强的硬化效应。

由于实验用钢的镍当量都在20.5%~25.5%之间，不锈钢成分分析仪属于亚稳定奥氏体，所以在变形过程中有形变诱发马氏体产生。

对于3YC36，由于镍当量高于25.5%~26%，属于稳定奥氏体，所以加工时不会引起诱发马氏体转变。

马氏体条间的残余奥氏体是韧性相，它可以使裂纹传播经过马氏体条间时产生较大的塑性变形，消耗更多的塑性功，使裂纹钝化。

同时当马氏体板条越细小，引起的强化作用越大，同时也起到改善不锈钢材质分析仪韧性的作用。

南京第四分析仪器有限公司中心试验室发布。