金屬材料鐵素體溫度范圍內(nèi)的溫成形性能分析

 溫塑性成形技術(shù)是近年來在冷塑性成形基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一種塑性成形新工藝嗍。一般來說，溫成形是指在室溫溫度到完全再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)對(duì)金屬進(jìn)行塑性成形。再結(jié)晶溫度是指能夠產(chǎn)生再結(jié)晶的最低溫度，而對(duì)于其它因素，并沒有明確的規(guī)定。因此冷、熱加工根據(jù)金屬塑性變形后有無加工硬化現(xiàn)象存在來區(qū)分更加合理。在金屬塑性變形后存在加工硬化現(xiàn)象的過程稱為冷變形及溫變形，變形后不存在加工硬化現(xiàn)象的稱為熱變形。溫變形溫度通常對(duì)于黑色金屬來說為200^.850℃，對(duì)于奧氏體不銹鋼來說為200～400℃溫度，對(duì)于有色金屬鋁是室溫至250℃，對(duì)于銅及銅合金來說為室溫至350℃。對(duì)于不同的具體材料的溫塑性成形溫度，它們的形變速度、形變程度以及產(chǎn)品的最終機(jī)械力學(xué)性能要求也不盡相同。  

 溫塑性成形不僅同時(shí)具備冷、熱成形的優(yōu)點(diǎn)，而且也可以避免它們各自的缺點(diǎn)。溫塑性成形完全繼承了冷成形的生產(chǎn)效率較高、節(jié)省原材料、能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量、成形性好等優(yōu)點(diǎn)，繼承了熱成形的成形力小、對(duì)設(shè)備需求噸位小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)避免了熱成形能耗大，易產(chǎn)生過熱、過燒、氧化、吸氣、脫碳、加工余量大、勞動(dòng)條件差、產(chǎn)品質(zhì)量不高等缺點(diǎn)。一般來說，溫成形不需要冷變形前的軟化熱處理工藝，也不需要磷化、皂化等輔助工序，因此比較適應(yīng)我國(guó)國(guó)情。特別是嚴(yán)格控制變形溫度、變形程度、變形速度與冷卻速度等，對(duì)改善產(chǎn)品的綜合機(jī)械性能，有著重要的價(jià)值和意義。

 鐵素體低溫變形是最近十幾年來發(fā)展起來的一種新的金屬加工工藝，與傳統(tǒng)的奧氏體區(qū)高溫成形工藝相比，鐵素體溫成形工藝在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等方面有其獨(dú)到的特點(diǎn)：

 1. 鋼板加熱溫度低，可較大幅度降低加熱能耗，提高每套設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量。

 2. 低的加熱溫度可降低氧化燒損，提高板材的成形質(zhì)量。

 3. 低的加熱溫度可減少模具的溫升，減少由熱應(yīng)力引起的疲勞龜裂和斷裂，降低模具磨損。

 4. 低溫成形可降低二次氧化的鐵皮量，提高溫成形產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

 與用于汽車覆蓋件生產(chǎn)的傳統(tǒng)鋼板相比，雙相鋼板在常溫下的塑性差，當(dāng)成形程度太大時(shí)容易破裂。為了提高雙相鋼板的可成形性能，常常需采用鐵素體溫成形工藝，并使用合適的潤(rùn)滑劑。在雙相鋼板材的成形中，材料不發(fā)生鐵素體．奧氏體的相變。其成形溫度介于熱成形溫度和冷成形溫度之間，對(duì)于具體材料的成形溫度目前還沒有統(tǒng)一界定。雙相鋼溫成形工藝受到材料成形性能、工藝參數(shù)與摩擦狀態(tài)等諸多因素的影響。溫塑性成形方法在雙相鋼成形中得到應(yīng)用。

 溫成形對(duì)金屬材料微觀組織的影響

 在溫成形過程中，金屬材料的性能將趨于各向異性，經(jīng)過塑性變形，隨著金屬外形產(chǎn)生改變，其內(nèi)部的晶粒形態(tài)也將發(fā)生相應(yīng)的改變，即隨著金屬外形被壓扁，其內(nèi)部晶粒的形狀也將被壓扁，晶粒的這種變形一般大致與金屬外形的改變是成一定比例關(guān)系的。當(dāng)形變量很大時(shí)，各晶粒將會(huì)被壓縮成纖維狀，晶界變得模糊不清。此時(shí)，金屬的機(jī)械力學(xué)性能也將會(huì)具有明顯的方向性，如縱向的強(qiáng)度和塑性都遠(yuǎn)大于橫向。在塑性變形后，材料內(nèi)部晶粒破碎，位錯(cuò)密度增加，加工硬化現(xiàn)象明顯。隨著變形的不斷發(fā)生，不僅晶粒的外形會(huì)發(fā)生變化，而且晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生顯著的變化，這將會(huì)對(duì)金屬的機(jī)械力學(xué)性能產(chǎn)生極大的影響。

 當(dāng)變形量不大時(shí)，首先在形變晶粒中的晶界周圍出現(xiàn)位錯(cuò)堆積；隨著變形量的增加，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)與亞結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化，這是由于在未變形的晶粒內(nèi)部一般存在大量位錯(cuò)，這些位錯(cuò)以位錯(cuò)壁（亞晶界）和位錯(cuò)網(wǎng)的形式廣泛地分布在晶粒內(nèi)部，因此隨著塑性變形的進(jìn)行，運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與各種位錯(cuò)之間，以及運(yùn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)之間，將產(chǎn)生一系列復(fù)雜的互相作用。當(dāng)位錯(cuò)產(chǎn)生纏結(jié)現(xiàn)象時(shí)，即大量位錯(cuò)塞積在位錯(cuò)壁與位錯(cuò)網(wǎng)的周圍：隨著變形的進(jìn)一步發(fā)展，晶粒分解成為細(xì)小的亞晶粒，晶粒的破碎程度隨著變形的增大而增大，亞晶界的總長(zhǎng)度隨之增長(zhǎng)，位錯(cuò)密度數(shù)量隨著大量增加。因此，隨著形變量的增大，晶粒破碎、位錯(cuò)密度增加，金屬的塑性變形抗力迅速增大，強(qiáng)度和硬度顯著升高，塑性和韌性下降，產(chǎn)生“加工硬化”現(xiàn)象。金屬的加工硬化會(huì)給金屬的進(jìn)一步加工帶來困難。例如鋼板在冷軋過程中會(huì)越軋?jiān)接?，以致軋制不?dòng)。因此通過控制加熱溫度，使加熱溫度處于再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行變形（即溫變形）可使鋼中的組織缺陷得到顯著的改善，使得金屬材料的致密度增加。由于在溫度和變形的同時(shí)作用下，原子的擴(kuò)散速度加快，從而使得偏析可部分消除，使化學(xué)成分均勻。這些都使得金屬材料的性能得到提高。在溫成形中材料組織主要的微觀變化過程包括三種：

 1. 動(dòng)態(tài)回復(fù)

 由于加熱溫度不高，原子擴(kuò)散能力不大，只是晶粒內(nèi)部位錯(cuò)、空位、間隙原子等缺陷通過移動(dòng)、復(fù)合消失而大為減少，所以晶粒仍保持變形后的形態(tài)，變形金屬的顯微組織不發(fā)生明顯的變化。此時(shí)材料的強(qiáng)度和硬度只略有降低，塑性有一定提高，但殘余應(yīng)力則大幅降低。

  2. 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

 變形金屬在較高溫度加熱下，由于原子擴(kuò)散能力增大，被拉長(zhǎng)（或壓扁）、破碎的晶粒通過重新生核、長(zhǎng)大變成均勻、細(xì)小的等軸晶，這個(gè)過程被稱為再結(jié)晶。而在金屬變形的同時(shí)發(fā)生再結(jié)晶，則被稱為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，屬于再結(jié)晶的一種。再結(jié)晶生成的新品粒晶格類型與變形前晶格類型均一樣。變形金屬進(jìn)行再結(jié)晶后，金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除，此時(shí)內(nèi)應(yīng)力全部消失，物理、化學(xué)性能基本上恢復(fù)到變形以前的水平。

  3. 馬氏體的回火

  馬氏體是鋼鐵或非鐵合金中通過無擴(kuò)散切邊共格型轉(zhuǎn)變形成的產(chǎn)物。在鋼鐵中，馬氏體具體表現(xiàn)為碳溶于鐵而形成的過飽和固溶體。馬氏體是不穩(wěn)定相，在一定溫度下即會(huì)分解。雙相鋼主要有鐵素體和板條狀馬氏體組成。溫成形是在叫相變溫度以下，其中必然包含了回火的過程。馬氏體在回火過程成中主要會(huì)分解為鐵素體和碳化物。