塑性變形對大口徑螺旋鋼管性能的主要影響是產(chǎn)生加工硬化。加工硬化也稱為冷變形強化或冷作硬化,即金屬在變形后,強度、硬度提高,而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。
如前所述,塑性變形主要是通過位錯運動實現(xiàn)的,對加工硬化起決定性作用的是位錯密度增加。未變形晶粒中已存在大量位錯,發(fā)生塑性變形時,會產(chǎn)生新的位錯,運動位錯與各種位錯及其他晶體缺陷之間會產(chǎn)生各種復(fù)雜的交互作用,阻礙位錯的運動。變形量較大時,由于位錯之間相互糾纏,形成不均勻分布的位錯發(fā)團,并使各晶粒破碎為細碎的亞晶。隨著變形量的增大,由于亞晶和位錯密度的增加,金屬的塑性變形抗力迅速增大,加工硬化現(xiàn)象更為明顯加工硬化具有很重要的實際意義,在工程技術(shù)方面有很廣泛的應(yīng)用。
首先,在工業(yè)生產(chǎn)中,它是一種非常重要的強化手段,尤其是對于那些不能用熱處理方法來強化的金屬材料。其次,加工硬化有利于金屬進行均勻的變形。因為金屬的變形部分產(chǎn)生了硬化,繼續(xù)的變形將主要在未變形或變形較少的部分發(fā)展。但是,加工硬化也給金屬的繼續(xù)變形造成困難。因此,在金屬的變形和加工過程中常要進行中間退火,以消除它的不利影響。
這就增加了生產(chǎn)成本,降低了生產(chǎn)率。一般情況下,大口徑螺旋鋼管多晶體的宏觀性能是各向同性的,但經(jīng)受方向性的塑性變形后會出現(xiàn)各向異性現(xiàn)象,特別是大變形量下,這種現(xiàn)象很明顯。
各向異性現(xiàn)象是組織的方向性和結(jié)構(gòu)的方向性兩種因素的綜合結(jié)果。
1)形成纖維組織金屬塑性變形時,隨著其外形的改變,內(nèi)部晶粒的形狀也發(fā)生相應(yīng)的變化,通常沿變形方向被拉長、擠細或壓扁。當變形量很大時,晶粒變成細條狀,晶界變得模糊不清。同時金屬中的夾雜物也沿變形方向被拉長,形成所謂纖維組織,這種組織的方向性使金屬在不同方向上表現(xiàn)出不同的性能,即產(chǎn)生一定程度的各向異性。
2)變形織構(gòu)的產(chǎn)生當晶體變形量很大(70%以上)時,各晶粒的滑移方向都要向變形方向轉(zhuǎn)動,這樣就使原來位向各不相同的各個晶粒取得近于一致的位向,即形成晶粒晶格的擇優(yōu)取向,這種晶粒位向有序化結(jié)構(gòu)稱為變形織構(gòu)在多數(shù)情況下織構(gòu)的形成對金屬繼續(xù)塑性加工是不利的。例如,用有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時,由于不同方向上的塑性差別較大,深沖之后,大口徑螺旋鋼管的邊緣不整齊,會出現(xiàn)“制耳”現(xiàn)象在某些情況下變形織構(gòu)形成的各向異性在生產(chǎn)上也有好處。
例如,用來制造變壓器鐵的硅鋼片,其品格為體心立方,沿晶向最易磁化,如果能采用具有變形織構(gòu)的硅鋼片制作,并在工作時使晶向平行于磁場方向,可使變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率明顯增加,磁滯損耗降低,從而提高變壓器的效率。殘余應(yīng)力是指去除外力后,殘留在金屬內(nèi)部的應(yīng)力。結(jié)晶、塑性變形、固態(tài)相變、溫度急劇變化等都可能使金屬產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。
塑性變形產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力主要是金屬在外力作用下內(nèi)部變形不均勻造成的。殘余內(nèi)應(yīng)力可分為3類:金屬表層和心部變形不均勻,或這一部分和那一部分變形不均勻,會造成宏觀內(nèi)應(yīng)力(也稱類內(nèi)應(yīng)力);
相鄰晶粒變形不均勻,或晶內(nèi)不同部位變形不均勻,會造成徵觀內(nèi)應(yīng)力(也稱第二類內(nèi)應(yīng)力);由于位錯等缺陷的增加,會造成晶格畸變應(yīng)力(也稱第三類內(nèi)應(yīng)力)。其中,第三類內(nèi)應(yīng)力占絕大部分,分(90%以上),這是使變形金屬強化的重要原因。雖然類、第二類內(nèi)應(yīng)力所占的比例不大,但能引起金屬的變形,降低金屬強度,對后續(xù)的切削加工、熱處理質(zhì)量都有很大影響,并可能使金屬的耐蝕性下降,所以冷塑性變形后往往要對工件進行去應(yīng)力退火處理。
在交變載荷條件下工作的零件往往采取表面強化的方法。如對板彈簧等零件進行噴丸處理、表面滾壓處理等使其表面產(chǎn)生一定的塑性變形而形成殘余壓應(yīng)力,從而提高零件的疲勞強度。金屬及合金經(jīng)冷變形后,強度、硬度升高,塑性、韌性下降,這對某些應(yīng)用是重要的。
但卻給進一步的冷成型加工(例如深沖)帶來困難,常需要將金屬加熱進行退火處理,以便其性能向塑性變形前的狀態(tài)轉(zhuǎn)化。金屬經(jīng)冷變形后,內(nèi)能升高,處于不穩(wěn)定的狀態(tài),并存在向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。
在低溫下這種轉(zhuǎn)變一般不易實現(xiàn)。但加熱時由于原子的活動能力增強,變形金屬的組織和性能會發(fā)生一系列的變化,趨于較穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著加熱溫度的升高,變形金屬大體上相繼經(jīng)過回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大3個階段。
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