橢圓形封頭加工變形后材料性能的恢復(fù)及改善

　　如上所述，橢圓形封頭材料在經(jīng)過(guò)加工變形后，會(huì)出現(xiàn)晶格畸變、晶格破碎、加工殘余應(yīng)力等不良現(xiàn)象。如果金屬的加工變形是在再結(jié)晶溫度以上完成的，上述現(xiàn)象對(duì)材料性能的影響會(huì)在隨后的冷卻過(guò)程中得以消失和緩解。對(duì)不同的材料，不同的變形量，其消失或緩解的程度是不同的。金屬材料的淬硬性越強(qiáng)，制造缺陷消失或緩解的程度越低，因?yàn)榇藭r(shí)它可能來(lái)不及恢復(fù)和改善，材料的正常相變 已經(jīng)完成。故對(duì)有些材料在加工變形之后需要熱處理，有些則不需要熱處理，其原因 在于此。金屬的加工變量越大，制造缺陷恢復(fù)和改善所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，自然冷卻時(shí)有時(shí)可能會(huì)達(dá)不到所需要的足夠時(shí)間和溫度要求，此時(shí)也應(yīng)考慮進(jìn)行熱處理。對(duì)冷加工成型的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其制造缺陷沒(méi)有得到恢復(fù)和改善的溫度條件，故一般在加工后均要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚怼?/p>

　　橢圓形封頭金屬在加工變形后，無(wú)論是其晶格畸變、晶格破碎，還是殘余應(yīng)力的存在，都使得金屬原子的勢(shì)能升高，從而使金屬材料處于不穩(wěn)定狀態(tài)。一旦對(duì)材料進(jìn)行加熱，提高了金屬原子的活動(dòng)能力，并給予充分的“調(diào)整”時(shí)間，便會(huì)使材料的組織和性能得到恢復(fù)和改善。加工變形后進(jìn)行熱處理 是經(jīng)常采用的方法。

　　不同的熱處理，或者說(shuō)不同的加熱溫度，對(duì)橢圓形封頭材料性能的恢復(fù)和改善是不同的，下面 來(lái)看一下不同的加熱溫度對(duì)加工變形后金屬材料性能和組織的影響。

　　當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，原子具有一定的活動(dòng)能力，但活動(dòng)能力不夠大，此時(shí)可造成位錯(cuò)的遷移，使晶格畸變產(chǎn)生的晶格彈性彎曲現(xiàn)象得以消失，從而消除或緩解了因晶格畸變而產(chǎn)生的加工殘余應(yīng)力。但由于此時(shí)原子的活動(dòng)能力較低，使得破碎的晶粒沒(méi)有形成新的穩(wěn)定的晶粒，晶格的拉長(zhǎng)狀態(tài)也沒(méi)有改變，故金屬的組織仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)金屬材料的強(qiáng)度和硬度略有下降，但塑性和韌性沒(méi)有太大的提高。橢圓形封頭材料的組織和性能在該溫度下的變化過(guò)程稱為回復(fù)。

　　升高加熱溫度，原子有了足夠的活動(dòng)能力，使原來(lái)不規(guī)則的位錯(cuò)重新排列，形成新的晶粒，或者使被拉長(zhǎng)的晶粒重新組合而形成新的晶粒。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，這些新晶粒會(huì)與相鄰的晶格取向相近的其它新晶粒合并，橢圓形封頭形成穩(wěn)定的正常晶粒。這一過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)結(jié)晶過(guò)程，但由于該結(jié)晶過(guò)程只是原破碎晶粒的重新組合，并沒(méi)有發(fā)生晶格形式的變化，新晶粒的晶格形式與舊晶粒相同，故稱這種結(jié)晶形式叫再結(jié)晶。通過(guò)再結(jié)晶，加工變形后的金屬組織發(fā)生了 改變，加工變形的不良影響得到消除，材料的機(jī)械性能得到完全恢復(fù)。

　　繼續(xù)升高加熱溫度或延長(zhǎng)加熱時(shí)間，金屬的晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大，因?yàn)橥ㄟ^(guò)晶粒長(zhǎng)大，晶界的面積可以減少，表面能便會(huì)降低，所以晶粒長(zhǎng)大也是一個(gè)降低能量的自發(fā)過(guò)程?？梢?，管子及其元件無(wú)論是在熱處理的加熱過(guò)程，還是在熱加工的加熱過(guò)程，如果加熱溫度過(guò)高，或加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都產(chǎn)生成晶粒粗大的金屬組織，而這種組織是我們所不希望得到的組織。故控制加熱溫度和加熱時(shí)間是保證獲得內(nèi)在質(zhì)量較好產(chǎn)品的一個(gè)很重要因素。

　　回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大對(duì)材料機(jī)械性能的影響如圖9-1所示。由圖中可知，橢圓形封頭變形金屬被加熱到再結(jié)晶溫度區(qū)間時(shí)，可獲得較好的綜合性能。那么再結(jié)晶溫度如何確定呢?

　　首先需要指出的是，橢圓形封頭沒(méi)有經(jīng)過(guò)冷加工變形的金屬材料是不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶的。只有經(jīng)過(guò)冷加工變形，才有晶粒破碎和晶粒再生過(guò)程，也 是說(shuō)才有再結(jié)晶過(guò)程。而對(duì)于熱加工變形過(guò)程，雖然它也伴隨有晶粒破碎和再生過(guò)程，但它發(fā)生在加工變形過(guò)程中和之后的冷卻過(guò)程中，若重新對(duì)它加熱已不再有再結(jié)晶發(fā)生。此時(shí)對(duì)它進(jìn)行的熱處理主要是消除淬硬組織而不是使其再結(jié)晶。這部分的論述將在隨后的熱處理中介紹。

　　前文已經(jīng)講到，金屬的加工變量越大，其缺陷的恢復(fù)和改善所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，也 是說(shuō)，再結(jié)晶過(guò)程與冷加工變形的塑性變形程度有關(guān)。塑性變形程度越大，意味著晶粒破碎的程度越大，產(chǎn)生的位錯(cuò)等晶格缺陷也越多，因而會(huì)使再結(jié)晶較早開始進(jìn)行，即再結(jié)晶溫度較低。但再結(jié)晶溫度并不是隨著變形度的增加而一直減小，它存在一個(gè)極限值，在低于這個(gè)極限溫度后，既使金屬的變形度再大，再結(jié)晶也不會(huì)發(fā)生，這是因?yàn)榇藭r(shí)的金屬?zèng)]有獲得再結(jié)晶所需要的足夠能量。再結(jié)晶溫度的極限值稱為 再結(jié)晶溫度。實(shí)驗(yàn)告訴我們，各種金屬的 再結(jié)晶溫度(Tr)與其熔點(diǎn)(Tm)大致存在如下關(guān)系：

　　除金屬的塑性變形度對(duì)再結(jié)晶溫度有影響外，加熱的速度和時(shí)間對(duì)再結(jié)晶溫度也有影響，因?yàn)樵俳Y(jié)晶過(guò)程需要有一定的時(shí)間才能完成。增加加熱速度，會(huì)使再結(jié)晶推遲到在較高的溫度下發(fā)生。加熱保溫時(shí)間越長(zhǎng)，原子的擴(kuò)散移動(dòng)進(jìn)行的越充分，可使再結(jié)晶在較低的溫度下進(jìn)行。對(duì)碳鋼來(lái)說(shuō)，其消除橢圓形封頭加工殘余應(yīng)力的高溫回火溫度一般為500℃~650℃，其再結(jié)晶退火溫度一般為680℃~720℃。

　　值得一提的是，金屬的塑性變形程度(即變形度)對(duì)金屬的晶粒度是有影響的。一般情況下，橢圓形封頭金屬的變形度越大，變形越均勻，再結(jié)晶后的晶粒便越細(xì)。當(dāng)變形度較小時(shí)，由于金屬晶粒破碎較少，發(fā)生再結(jié)晶的晶粒量較少，此時(shí)金屬的晶粒度基本上仍保持原來(lái)的大小不變。如果塑性變形不均勻，再結(jié)晶發(fā)生的位置和形核數(shù)量也是不均勻的，此時(shí)晶粒容易相互合并而長(zhǎng)大，從而形成粗大晶粒和不均勻晶粒組織而影響材料的機(jī)械性能。一般情況下，金屬的變形度為2%~10%時(shí)，容易造成金屬中的變形不均勻。在鍛制管件中經(jīng)常提到的鍛造比問(wèn)題，實(shí)際上 是這里所說(shuō)的變形度。如果鍛造比不夠，則容易產(chǎn)生不良組織(粗大晶粒和不均勻晶粒組織)，故工程上對(duì)鍛件的鍛造比都有一個(gè) 小要求，例如JB4726《壓力容器用碳素鋼和低合金鍛件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：采用鋼綻鍛造時(shí)，鍛件的主截面部分的鍛造比不得小于3，采用坯料或軋制材料鍛造時(shí)，橢圓形封頭鍛件的主截面部分的鍛造比不得小于1.6。