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郑州热轧槽钢:变形金属在加热时组织和性能的变化

冷塑性变形后的金属,其组织结构发生了改变,使金属处于不稳定状态,具有自发地恢复到原来稳定状态的趋势。常温下,原子活动能力比较弱,这种不稳定状态要经过很长时间才能逐渐过渡到稳定状态。对冷塑性变形后的金属加热(如进行退火处理),由于原子活动能力增强就会迅速发生一系列组织与性能的变化,使金属恢复到变形前的稳定状态,如图2-29所示。郑州热轧槽钢

图2-29 冷变形金属加热时组织和性能的变化

冷塑性变形后的金属在加热过程中,随加热温度的升高,要经历回复、再结晶、晶粒长大三个阶段的变化。

1.回复

当加热温度较低时,金属中的原子有一定的活动能力。通过原子短距离的移动,可以使变形金属内部晶体缺陷的数量减少,晶格畸变程度减轻,残余应力降低,但造成冷变形强化的主要原因尚未消除,因而,冷加工纤维组织无明显变化,金属的力学性能也无明显变化,这一阶段称为回复。在回复阶段,金属的一些物理、化学性能部分地恢复到了变形前的状态。

工业生产中,常利用回复现象对冷塑性变形金属进行低温退火处理(又称为去应力退火),目的是在保持冷变形强化的情况下,消除残余应力,提高塑性。例如,用冷拉弹簧钢丝制成的弹簧,在卷制后要进行一次250℃~300℃的低温退火处理,以消除残余应力并使弹簧定形;冷拉黄铜制件,为了消除残余应力,避免应力腐蚀破坏,也需要进行280℃的低温退火处理。

2.再结晶

随着加热温度的升高,原子的活动能力增强,当加热到一定温度(如纯铁加热到450℃以上)时,变形金属中的纤维状晶粒将重新变为等轴晶粒,这一阶段称为再结晶。

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图2-30 金属再结晶温度与其变形程度的关系

再结晶也是通过晶核形成和长大的方式进行的。新晶粒的核心首先在金属中晶粒变形最严重的区域形成,然后晶核吞并旧晶粒,向周围长大形成新的等轴晶粒。当变形晶粒全部转化为新的等轴晶粒时,再结晶过程就完成了。再结晶前后的晶格类型完全相同,因此,再结晶过程不是相变过程,只是改变了晶粒的形状和消除了因变形而产生的某些晶体缺陷,如位错密度下降、晶格畸变消失等。结果使冷塑性变形金属的组织与性能基本上恢复到了变形前的状态,金属的强度、硬度下降,塑性升高,冷变形强化现象完全消失。

再结晶不是在恒定温度下发生的,而是在一个温度范围内进行的过程。能进行再结晶的最低温度称为再结晶温度,用符号T 再 表示。实验证明,再结晶温度与金属的冷塑性变形程度有关,如图2-30所示。金属的塑性变形程度越大,再结晶温度就越低。这主要是因为变形程度越大,则晶格畸变程度越大,位错密度越高,金属的组织越不稳定,开始再结晶的温度越低。纯金属的再结晶温度可根据其熔点按下式进行计算:

式中,T 再 ——金属的再结晶温度,单位为K (1) ;

T 熔 ——金属的熔点,单位为K。

3.晶粒长大

冷塑性变形金属经再结晶后,一般都得到细小均匀的等轴晶粒。如果继续升高温度或延长保温时间,则再结晶后形成的新晶粒会逐渐长大,导致晶粒变粗,金属的力学性能下降,这一阶段称为晶粒长大。

晶粒长大可以使金属内部的晶界数量减少,组织处于更稳定的状态,因此,晶粒长大是一个自发的过程。晶粒长大的实质是一个晶粒的边界向另一个晶粒中迁移,把另一个晶粒的晶格位向逐步改变成与这个晶粒相同的位向,小晶粒变小直至消失(“吞并”)。大晶粒长大的过程,如图2-29所示。

影响晶粒长大的因素主要有加热温度、保温时间及冷塑性变形的程度。一般地,加热温度越高,保温时间越长,再结晶后的晶粒就越粗大;冷塑性变形的程度越大,再结晶后的晶粒就越细小。但冷塑性变形程度在2%~10%时,再结晶后的晶粒会异常粗大,这主要是由于变形程度不大,变形仅在一部分晶粒中发生,再结晶时形核数量少造成的。

四、金属的热塑性变形

1.热加工与冷加工的区别

金属的热塑性变形加工与冷塑性变形加工是以金属的再结晶温度来划分的。凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形加工称为热加工,而在再结晶温度以下进行的塑性变形加工则称为冷加工。例如,钨的再结晶温度为1200℃,故钨在1000℃时进行塑性变形加工,仍属于冷加工;锡的再结晶温度为-7℃,在室温下对锡进行的塑性变形加工就已经属于热加工了。

金属在冷加工时,由于产生冷变形强化,使变形抗力增大,因此,对于那些要求变形量较大和截面尺寸较大的工件,冷加工将是十分困难的。热加工时,随金属温度的升高,原子间结合力减小,冷变形强化被随时消除,金属的强度、硬度降低,塑性、韧性增加,所以,热加工可用较小的能量消耗,来获得较大的变形量。一般情况下,截面尺寸较小、材料塑性较好、加工精度和表面质量要求较高的金属制品用冷加工的方法来获得;而截面尺寸较大、变形量较大、材料在室温下硬脆性较高的金属制品用热加工的方法来获得。

2.热加工对金属组织和性能的影响

(1)消除铸态金属的某些缺陷

通过热加工,可使铸态金属毛坯中的气孔和疏松焊合,消除部分偏析,细化晶粒,改善夹杂物和碳化物的形态、大小与分布,使金属的致密度和力学性能提高,所以工程上受力较大的工件(如齿轮、轴、刃具、模具等)大多数要通过热加工来制造。

(2)形成热加工纤维组织

热加工时,铸态金属毛坯中的粗大枝晶偏析和各种夹杂物,都要沿变形方向伸长,逐渐形成纤维状,这些夹杂物在再结晶时不会改变其纤维形状。这样,在材料或工件的纵向宏观试样上,可见到沿变形方向的一条条细线,这就是热加工纤维组织,通常称为“流线”。

热加工纤维组织的存在,会使金属材料的力学性能呈现方向性,沿纤维方向(纵向)具有较高的强度、塑性和冲击韧度,垂直于纤维方向(横向)则具有较高的抗剪强度。因此,用热加工方法制造工件时,应保证流线有正确的分布,即流线与工件工作时所受到的最大拉应力方向一致,与切应力或冲击力方向垂直。一般地,流线如能沿工件的外形轮廓连续分布,则较为理想。

生产中广泛采用模型锻造法制造齿轮及中、小型曲轴,用局部镦粗法制造螺栓,其优点之一就是流线沿工件外形轮廓连续分布,并适应工作时的受力情况。图2-31所示为锻造曲轴和切削加工曲轴的流线分布示意图,通过两者流线分布比较可知,锻造曲轴的流线分布更为合理。

图2-31 曲轴的流线分布

(a)锻造;(b)切削加工

(3)形成带状组织

如果钢的铸态组织中存在着比较严重的偏析或热加工时温度过低,则钢中常出现沿变形方向呈带状或层状分布的显微组织,称为带状组织。带状组织是一种缺陷,它会使钢的力学性能下降。带状组织可以用热处理的方法消除。


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