热变形加工时金属组织和性能的变化

二、热变形加工时金属组织和性能的变化

(一)改善钢锭和钢坯的组织和性能

通过热变形加工可消除铸态金属的某些组织缺陷:①使钢锭和钢坯中的气孔焊合，提高了金属的致密度。②由于高温和变形的双重作用，热变形加工时金属原子的扩散速度较快，因而可有效减轻或消除铸锭组织中的偏析等成分的不均匀现象。③热变形加工能挤碎铸态金属中粗大的柱状晶与粗大的树枝晶;同时还可进一步通过再结晶过程的重新生核、长大使晶粒细化。④热变形加工还可以改善钢中非金属夹杂物及碳化物的形态、大小和分布。

所以，正确的热变形加工可以显著改善和提高金属的力学性能。表5-3为w_C=0．3%的铸态碳钢和经锻造后两种不同状态时的力学性能比较。

表5-3　碳钢(w_C=0．3%)锻造后和铸态时力学性能的比较

表5-4　45钢的力学性能与测定方向的关系

(二)形成纤维组织(流线)

热轧加工时，钢锭中粗大的枝晶和各种夹杂物都要沿变形方向伸长，这就会使钢锭内枝晶间富集的杂质和非金属夹杂物的分布逐渐与变形方向趋于一致，变成条带状、线状(脆性夹杂物变成链状)或片层状。加工后就可在宏观试样上观察到沿着变形方向出现的一条条细线，这就是热变形加工钢中形成的流线，通常被称为纤维组织。

纤维组织的出现对钢的力学性能将产生不利的影响。钢在沿着纤维伸展的方向具有较高的力学性能，而在垂直于纤维伸展方向的力学性能变差，特别是塑性和韧性降低更为明显，出现各向异性。同时疲劳性能、耐蚀性能、机械加工性能和线膨胀系数等均产生显著差异。所以，在制定工件的加工工艺时，必须合理地控制流线的分布情况，尽量使纤维与应力方向一致。如其不然，工件的承载能力将大幅降低。

因此，在利用热变形加工制造工件时，应尽量使流线分布与零件的几何外形一致，沿零件轮廓线分布，如曲轴、吊钩、扭力轴、齿轮、叶片等。图5-19所示为两种不同纤维分布的拖钩，显然，图5-19(a)的纤维分布对拖钩的受力是有利的，而图5-19(b)的情况是不利的。对于尺寸精度要求很高的零件，不应使流线在配合表面露头，否则将影响其表面粗糙度和尺寸精度。

图5-19　拖钩的纤维组织

(三)形成带状组织

合金中不同的相，在热加工后将沿着变形方向呈相间带状分布，这种形态称为带状组织。经过热变形加工的金属材料中经常出现这种组织，但不同的材料中形成带状组织的原因不完全相同。常见的一种是铸锭中存在着偏析和夹杂物，压延时偏析区和夹杂物沿变形方向伸长成条带状分布，冷却时即形成带状组织。例如，含磷偏高的亚共析钢，铸态时树枝晶间富磷贫碳，这种偏析热变形加工很难消除，最终形成夹杂物和铁素体的带状组织。形成带状组织的另一个原因是合金在压延时呈现两相组织，如某些高碳高合金钢，在热变形加工时处于奥氏体和大量合金碳化物两相状态，变形后形成带状组织。

形成带状组织使金属材料的力学性能产生明显的方向性，特别是横向塑性和韧性显著降低，同时使材料的切削加工性能恶化。带状组织在生产中常用高温扩散退火和多重正火的方法消除。高碳钢中带状碳化物则常用改锻工艺(如反复镦粗拔长)予以改善。

由于热变形加工可改善和提高金属的力学性能，故对于受力复杂、载荷较大的重要零件的毛坯，一般都常用热变形加工来制造。