第3章 金属材料成形过程中的行为与性能变化.ppt

第3章 金属材料成形过程中的行为与性能变化 3.2 铸造、焊接过程中材料行为及性能变化 3.3 冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化 3.4 热塑性变形过程中的材料行为及性能变化 3.1 金属的凝固（solidification of metal） 退出 第3章 金属材料成形过程中的行为与性能变化 ?零件常用的成形方法： 铸 件——整体凝固成形。 焊 件——局部熔化（凝固）连接成形。 其它件——塑性成形（包括切削成形）， 如锻件、冲压件及机制件。 ?成形过程中材料内部组织结构有变化→材料行 为、性能变化。 3.1 金属的凝固（solidification of metal） 3.1.1 纯金属的结晶（crystallization of pure metal） ⑴过冷现象（supercooling） 液态金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。 T1T0 , △ T=T0－T1 过冷度 ⑵结晶过程 （ Crystallization process） 形核+长大 ?具体过程：不同地点同时、不断形核→核长大→相遇→多晶体。 ?结晶速度：取决于形核率N和长大速度G, 一般△ T↑，结晶速度↑。 图3-1 图3-2 ⑶晶核的形成（nucleation） 一般均依附模壁及未溶粒子而非自发形核。 例1:窗花（冰花） 例2:人工降雨 ⑷晶核的长大（growth） 多树枝状长大（方向性散热所致）。 图3-3 图3-4 3.1.2 合金结晶的特点（crystallization of alloy） ?纯金属结晶：产物为单相，无成分变化，得均匀的单 相多晶体组织。 ?合 金 结 晶：单相（固溶体）或多相（混合物）复杂形态的组织，成分变化，易形成成分偏析。 3.1.3 晶粒大小和控制（grain size and control） ?晶粒大小与性能：室温及不太高的温度下，细晶材料强韧性好→细晶强化。 ?晶 粒 大 小 度 量：晶粒度 ASTM 1～12 级（粗→细→超细）。 ?影 响 因 素：N/G 比值值越大，晶粒越细。 ?获 得 细 晶 方 法：过冷度△T， △T↑，N↑↑。 加形核剂，非自发核心数量↑↑。 机械方法，搅拌，振动等，以破碎细小枝晶、增加核心。 图3-5 3.2铸造、焊接过程中材料行为及性能变化 3.2.1 铸锭组织（ingot microstructure） ?实际结晶时，液态金属在模腔中凝固，存在①模壁作用 ②方向性散热，最终形成三晶区的铸锭组织。 表面细等轴晶区：模壁激冷（大△T ）及非自发形核→细小晶粒薄层，无实用价值。 柱 状 晶 区：△T↓且方向性散热→垂直模壁单相长 大→柱晶，致密但粗大，性能有方向性且柱晶间为薄弱环节。 中心 等轴 晶区：温度均匀，到处同时形核、各向长大，晶粒较小，性能较好。 图3-6 3.2.2铸锭缺陷（ingot defect） ?各种缩孔、缩松，补缩不全造成； ?气孔，溶解及反应生成的，未完全排出； ?非金属夹杂物，冶炼过程中带入或生成； ?各种成分偏析，分微观偏析（枝晶偏析等）和宏观偏析（区域偏析和比重偏析等）。 图3-7 图3-8 3.2.3 焊接接头与热影响区的特征 （characteristics of weld HAZ） 局部加热熔化+冷却（存在△T ）→形成接头+热影响区 ⑴结 晶 特 征：动态结晶，易呈单一柱晶。 ⑵热影响区特征：存在温度分布，经历固态相变过程, 靠近焊缝的过热段晶粒粗大，性能很差。 图3-9 图3-10 ⑶焊接应力与裂纹（welding stress crack） ?原因：焊接过程大的△T、加热与冷却及相变的非同时性→产生内应力→（室温为残余应力）→变形与开裂（最危险）。 ?类型：热裂纹 结晶过程中产生，位于焊缝中心或两侧