与铜管生产工艺有关的材料学问题Word文档格式.docx
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纯金属凝固不易得到树枝晶，只有在结晶前沿的液相中具有负的温度梯度时才会出现树枝晶，而合金则很常见树枝晶，这是由于合金存在成分过冷的影响。
所以，应知道有两种过冷：
a、热过冷：
如前述Tm不变，T实际变，出现过冷。
b、成分过冷：
凝固过程中，T实际一定，Tm变，（由于液相中溶质分布发生变化）而出现过冷。
树枝晶的晶轴前伸方向：
a、散热方向b、晶体的晶向（面心立方为〈100〉）。
1.3金属凝固（结晶）后的晶粒大小
晶粒大小受凝固时形核率N，长大速度Z的影响，故：
a、过冷度（冷却速度）上升，使N/Z上升（核多），晶粒细。
b、变质处理，加难熔的形核剂，或加可熔的促进形核物质，使晶粒细。
c、振动：
机械振动、超声振动、电磁震动。
振动使枝晶尖端破碎，形成新核心，使晶粒细。
另外，振动提供形核功，使N上升。
1.4铸造宏观组织
通常，液体金属进入结晶器（铸型），与结晶器型壁表面接触，产生强烈过冷，在接触的薄层中，产生大量晶核，晶核迅速生成，互相接触，形成细晶区。
细晶区前沿的液体过冷度减小，形核变得困难，此时热量的散发垂直于型壁，具有明显的方向性，晶体沿着与散发方向相反的方向择优生长，形成柱状晶；
（纯金属时，固/液界面前沿的液体一般具有正的温度梯度，故柱状晶前沿大致呈平面生长；
若是合金，具有较宽的凝固温度范围，结晶前沿的液相中会出现成分过冷，使过冷度变大，柱状晶将通过树枝状方式生长，但柱状晶树枝晶的一次晶轴仍垂直于型壁）。
随着柱晶的不断生长，在中间的液体金属中将形成中心等轴晶区，这是由于中心的过冷度越来越大，一因浇注的液体金属将细晶区的部分晶体冲入中心，二因已凝固的小晶体下沉（固体比重大），三因枝晶部分熔断，成为籽晶并长大，阻止了柱晶发展而形成中心等轴晶区。
对于连铸的铸坯（棒坯），其宏观组织如图3所示。
对TP2连铸管坯，其宏观组织如图4所示。
一般，力求得到晶粒细小，致密，均匀的结晶组织。
柱晶和等轴晶哪个好？
对不同金属，有不同的要求。
对钢铁，一般不希望有柱状晶，因为柱状晶接触面（交晶面）较脆弱，常聚集易熔杂质和非金属夹杂，热加工时易沿这些界面开裂；
相反，等轴晶无择优取向，无脆弱分界面，取向不同的晶粒互相咬合，裂纹不易扩展。
对于纯度较高，不含易熔杂质和塑性较好的有色金属，因为柱状晶致密（不象等轴晶那样容易形成显微疏松），故希望扩大柱晶区。
TP2水平连铸管就是这种情况。
TP2属于纯金属，结晶温度范围小，易形成柱状晶。
1.5铸造缺陷
1.5.1偏析
1.定义：
铸坯各部位或晶粒内部化学成分不均匀的现象称为偏析。
2.分类：
⑴晶内偏析（枝晶偏析，树枝偏析）：
一个晶粒内的成分不均匀，枝干与枝间成分不一致，图5
⑵比重偏析（重力偏析）：
沿高度上的成分不均匀，不同相比重不同，上浮下沉。
⑶区域偏析：
正偏析，铸坯中心富集易熔组分；
负偏析（逆偏析），铸坯外层富集易熔组分。
1.5.2气孔
⑴定义及特征：
金属凝固过程中，气体未能逸出而滞留在熔体内形成。
一般为圆形、椭圆形或长条形；
单个或成串分布，内壁光滑。
按出现的位置分为内部中心气孔、皮下气孔和表面气孔。
图6—图9
⑵产生原因：
a炉衬、工模具、覆盖剂、原副材料潮湿，含气量高。
（电铜无铜豆，无水无锈、木炭要煅烧充分等）
b除气精炼不充分。
c铸造温度高，速度快，冷却水压大或二次冷却水射角大。
d熔体保护不良，熔体吸气，环境潮湿。
e结晶器渗水，滑油含水。
⑶紫铜熔铸中的吸气
紫铜（纯铜，包括T1—T3，TP2）中溶入的气体，主要是H和O。
其中H原子体积小，能溶入金属中，是铜中气体的主要成分，所以有人说：
“吸气主要是吸氢”。
O原子在铜中主要以Cu2O的形式存在。
在熔化的铜液中，H和O的含量如图10。
可见，O多则H少，O少则H多。
脱氧：
表面脱氧：
木炭覆盖，仅是表面进行。
熔体内脱氧：
Cu—P中间合金，由于熔体不均匀，仍有O残存。
实际上：
脱氧—氧化共存，脱H—除H共存（木炭含气含水），H在铜液中的溶解度随温度升高而增大，随温度降低而减少，所以高温时吸的H多，在凝固时随温度降低要析出，来不及上浮，在枝晶间的缩孔和缩松中或夹杂物微粒上吸附，集聚成泡，大者为气孔，小者为针孔。
还有一种气孔可能是H2O气孔，铜液中Cu2O与析出的H反应形成水蒸气，水蒸气在枝晶间的缩孔内或晶界上形成气孔。
TP2水平连铸坯由于结晶器和温度的关系，外表面附近的皮下气孔较多，中心气孔较少。
1.5.3缩孔与缩松
⑴定义：
金属在凝固过程中发生体积收缩，金属液不能及时补充，凝固后出现收缩孔洞，成为缩孔。
铜凝固时的体积收缩率为4.15%
⑵特征：
集中缩孔：
容积大而集中的缩孔叫集中缩孔。
缩松：
细小而分散的缩孔叫缩松。
显微缩松：
出现在晶界和枝晶间的缩孔叫显微缩松。
缩孔表面一般参差不齐，似锯齿状或带棱角，其内往往有低熔杂质，有时
缩孔也充填有析出的气体，这时孔较平滑，此时缩孔也是气孔。
⑶原因：
浇注温度低，冷却温度大，冷速快，补缩不良。
1.5.4夹杂（渣）
⑴定义与特征：
与基体有明显的分界面，性能相差悬殊的金属物或非金属物称夹杂。
金属夹杂：
不熔于基体金属的各种金属化合物初晶，及未熔完的熔点纯金属颗粒，以及外来异金属。
非金属夹杂：
氧化物，硫化物，碳化物，熔剂，熔渣，涂料，炉衬碎屑等夹杂在金属基体内有一定的形状和颜色，常见的有点状，球状，不规则块状，针状，片状，薄膜状，侵蚀后在金相显微镜下其颜色与基体有较大差异。
⑵原因：
a熔炼温度低，时间短，纯金属颗粒块大，搅拌不充分。
b除渣精炼不良，扒渣（捞渣）不净
c炉料不净，混入异物或工具
1.5.5裂纹
⑴分类：
热裂：
在结晶过程（即在凝固过程）中产生的裂纹，特征是多为沿晶开裂，裂纹曲折而不规则，有时还有分叉裂纹，裂纹多分布在铸坯最后凝固区或其附近。
裂纹内可能夹有氧化膜，或表面略带氧化色。
冷裂：
在凝固后的冷却过程中产生的裂纹，即多产生在温度较低的弹性状态下，常穿过晶粒内部（穿晶开裂），多呈直线扩裂，平直挺拔，裂纹较规则。
有的冷裂是以热裂为基础转变来的。
对铜及铜合金而言，铸造中出现的裂纹大多是热裂，造成开裂的应力主要是内外层温度差大而引起的收缩应力，有时也有机械应力，复杂合金可能有相变应力。
图19—22
⑵常见热裂类型产生原因
a、表面纵向裂纹的原因
①金属或合金有热脆性（如紫铜、铝青铜）。
②铸坯从结晶器出来时，局部表面温度高。
③局部冷却不均（如水孔堵塞处冷却弱）。
④结晶器内套外壁上水垢较厚。
⑤结晶器内套变形。
⑥铸造温度高，铸造速度快。
b、表面横向裂纹的原因
①结晶器（石墨模具）内表面粗糙或有粘有金属。
②结晶器（石墨模具）内壁变形。
③结晶器内套外壁上水垢多，导热差，铸造速度快。
④水平牵引程序的停—拉时间不当。
⑤铸造温度低。
2.变形与再结晶
材料受力会变形，了解材料的变形规律，有助于了解材料强度，塑性，刚性等机械性能的物理本质；
有助于了解材料的加工过程对组织性能的影响。
2.1弹性变形和塑性变形
⑴材料受力发生变形，力小时，变形小，并且力去掉后变形立即消失（立即恢复原状），这部分变形叫弹性变形。
弹性变形的另一特征是力与变形（或应力与应变）之间存在虎克定律所示的线性关系。
即σ=Eε,τ=Gγ
式中:
σ和τ—正应力和切应力,ε和γ—正应变和切应变,
E和G—弹性模量（杨氏模量）和剪切模量。
弹性变形量很小，最大的弹性伸长不超过材料原来长度的0.1-1.0%。
⑵材料受力大到一定程度以后，外力去除后变形不能完全消失（不能恢复原状）而留下永久变形，这部分永久变形叫塑性变形。
塑性变形量比弹性变形大，可以达到原来材料长度的1.0%--60%。
如TP2的软态的塑性变形量在拉断后其断后伸长率δ50=50%（标准要求≥40%）。
最简单的材料的力学试验—拉伸试验可测得（图25）：
σp0.01，σp0.05—规定非比例伸长应力（以前叫“弹性极限”）。
σ—屈服点,又分为σSU（上屈服点）和σSL（下屈服点）。
屈服点又称屈服强度,屈服极限。
σt0.5—规定总伸长率为0.5%的应力。
对没有明显σs的材料，用σt0.5作为规定屈服强度（以前称条件屈服强度）。
σr0.2—规定残余伸长率为0.2%的应力。
对没有明显σs的材料，用σr0.2作为规定屈服强度（以前称条件屈服强度）。
σb—抗拉强度，又称强度极限，极限拉伸强度。
⑶弹性极限（规定非比例伸长应力σp0.01或σp0.05）与弹性系数（E和G）的区别：
弹性极限（规定非比例伸长应力σp0.01或σp0.05）是表征材料对微量塑性变形的抗力指标，是一个对成分、组织十分敏感的性能指标。
弹性系数（E和G）是表征材料对弹性变形抗力的指标，是一个对成分组织加工硬化均不敏感的性能指标。
工程设计上把EF0（F0一物件截面积）称为构件刚度，故E也称为材料刚度（刚性）。
2.2单晶体的塑性变形方式
单晶是一块只含一个晶粒的金属，研究单晶的性质，是研究金属性质的基础。
一般金属都是多晶体。
单晶的塑性变形方式有两种：
滑移和孪生。
（1）滑移：
是金属最基本的塑性变形方式，是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）发生相对滑动。
滑移面是晶体里面各种晶面中原子排列最密集的晶面；
滑移方向是晶体里面各种晶向中原子排列最密集的晶向
一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。
金属晶体中的滑移系越多，其塑性越好。
比如：
面心立方（FCC）金属，Au、Ag、Pt、Rh、Al、Cu、Ni属此类晶格（图26）：
滑移面为｛111｝四个
滑移方向为〈110〉三个
滑移系｛111｝〈110〉共4*3=12个
体心立方（BCC）金属，Fe、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta属此类晶格（图27）：
滑移面为﹛110﹜六个，滑移方向为〈111〉二个，滑移系﹛110﹜〈111〉共
6×
2=12个。
密排六方（HCP）金属，Zn、Ti、Mg、Cr属此类晶格,其中的Zn滑移面只（0001）一个,滑移方向只有〈1120〉三个，滑移系只有1*3=3个。
可见，密排六方金属的塑性不如面心立方和体心立方的，即锌、镁、钛的塑性不如常见的铝、铜、铁，也不如金、银、铂、铑。
将单晶加上拉力，用肉眼观察其外观，看到单晶表面出现了滑移形成的滑移带（图28）。
用光学显微镜能看到多晶体金属中的大晶粒内有滑移带（图29），用电子显微镜可看出每个滑移带是由许多平行的滑移线组成的（图30）。
单晶受外力大作用，只有当外力F在滑移面上沿滑移方向的分切应力达到临界分切应力τk时才能发生滑移。
如图31所示，截面积为A的单晶受外力F的拉伸，外力F与滑移面与滑移方向的夹角分别是λ和φ，外力产生的应力σ在滑移面上产生的剪应力τ=Cosλ?
Cosφ（如图31）。
当外应力σ达到单晶的屈服强度σS时，晶体开始塑性变形，此时在滑移面上产生的分切应力τ达到临界分切应力τK，即：
σS=
由此式分析：
对于一定的晶体，当试验条件一定，τK为定植，则单晶的σS随晶体位向而变。
当λ和φ之中有一个等于900，则σS均为∞，此时晶体不可能滑移；
当λ和φ都是450时，σS最小，最容易滑移。
试验测得一些金属晶体在一定温度、一定纯度、一定热处理状态和一定变形速度的τK值如下（单位：
kgf/mm2）：
金属
Ag（银）
Cd（镉）
Mg（镁）
Au
（金）
Zn（锌）
Cu
（铜）
Sn
（锡）
Al
（铝）
Ni
（镍）
Fe
（铁）
τK
0.06
0.08
0.09
0.10
0.113
0.12-0.24
0.58
2.90
晶体中有偏离理想结构的区域，成为晶体缺陷。
晶体缺陷分为四类：
点缺陷（空位，填隙原子，杂质原子）,线缺陷（位错，又分为刃型位错，钿型位错），面缺陷（堆垛层错，孪晶界，晶界，外表面），体缺陷（如气孔，夹杂）。
这些晶体缺陷对金属的性能都有很大影响。
在这里，讨论塑性变形中的滑移时，我们主要关心位错。
不含位错的完整晶体，滑移只能通过晶体一部分对另一部分作整体刚性滑移来进行，由于整体刚性滑移困难，使完整晶体具有很高的强度
含有位错的非完整晶体中，滑移是通过位错在切应力的作用下沿滑移面移动而逐步进行的（如图32），当一个位错线移至表面时，就产生一个原子间距的外移量。
而在位错移动时，只要求位错中心附近少数原子移动很小的距离（小于一个原子间距），使非完整晶体的滑移较完整晶体容易的多，故强度也低的多。
在滑移面上的某些位错线，在滑移面上受到足够的切应力时，这些位错线产生运动，并增殖出新的位错，从而构成位错源。
所谓的滑移的临界分切应力，就是使位错源动作起来，并使位错克服各种阻力而移至晶体表面所需的切应力。
所以，纯金属晶体通过滑移产生塑变的阻力很大程度上决定于位错密度及分布特征。
（2）孪生
滑移是金属变形的最主要方式，但有些晶体除了滑移外还通过孪生变形。
孪生是晶体的一部分对应于一定晶面（孪晶面），沿一定晶面（孪生位向）进行相对移动。
孪生后，变形部分与未变形部分以孪晶面为分界面，构成晶面对称的位向关系。
对称的两部分晶体称为“孪晶”或“双晶”。
孪晶面两边的晶体位向不同，故在侵蚀后的显微组织中能见到孪晶带。
金属晶体发生孪生变形的临界分切应力远较滑移临界分切应力为大，因此孪生只在滑移难以进行时发生。
密排六方金属滑移系少，特别当滑移面（0001）于外力接近垂直时，滑移面上的分切应力很小，孪晶面{10TZ}上的分切应力则较大，因此这类金属常以孪生方式变形。
体心立方金属的滑移系较多，只在低温或受到冲击时才发生孪生变形。
面心立方金属一般不发生孪生变形，但铜、黄铜等在冷变形后退火时，能通过堆垛层错的生长形成退火孪晶。
图34
2.3多晶体金属的塑性变形
金属材料通常为多晶体，各晶粒的塑性变形方式主要为位滑移及孪生。
由于各晶粒位向不同，对一定方向的外力来说，各晶粒抵抗塑变的能力也不同。
那些位向有利或塑变抗力最小的晶粒首先发生滑移，但当错位移到晶界附近就受到阻碍而塞积起来，不能穿过晶界。
只有外力增大，使位错塞积产生的应力集中足以使相邻晶粒内的位错源动作起来时，才能使形变传递到相邻晶粒。
因此，由于晶界阻碍位错运动，多晶体的晶粒越细，单位体积内的晶界越多，其塑变抗力即强度越高。
细晶粒不但强度高，塑性和韧性也较好，例如冷冲压用的钢板，为保证冲压时不开裂，应有较好的塑性，一般要求晶粒细。
细晶粒钢板冲压时变形较均匀，不会产生桔皮状的粗糙表面。
但在高温下，大量晶界的存在会降低材料塑变抗力，高温下受力时，相邻晶粒沿晶界产生相对滑动。
所以对于耐热合金的抗变能力，希望材料有粗大的晶粒。
2.4塑变对材料组织和性能的影响
⑴对组织的影响
多晶体金属塑变后，晶粒内出现滑移带和孪晶，各晶粒还沿变形方向伸长和扭曲。
当变形量很大时，各晶粒都被显着拉长而形成纤维组织（如图35）。
同时，塑变使位错增多（退火时106-8个/cm2，塑变后1011-12个/cm2）。
⑵对性能的影响
由于塑变引起位错密度增加，使金属材料产生加工硬化，即：
随着变形程度增加，强度和硬度升高，塑性和韧性下降。
利用加工硬化可以提高材料强度。
反过来，加工硬化也给随后的冷加工带来困难，这时需用退火消除加工硬化。
塑变使材料电阻增大，磁矫顽力升高，导磁率下降，抗蚀性下降。
⑶内应力：
材料在外力作用下产生塑变时，各宏观区和微观区所受的应力状态和变形情况不可能完全相同；
外力去除后各相邻宏观区域和微观区域的弹性恢复也不完全一样，使材料内产生了残余应力（内应力），它降低零件的尺寸稳定性并增大腐蚀倾向。
因此，必要时须进行去应力退火。
2.5回复、再结晶和晶粒长大
经过塑变的金属加热时，随加热温度升高，会发生回复，再结晶和晶粒长大等过程（如图36）
（1）回复：
回复是指经冷塑变的金属材料加热时，在再结晶之前发生的组织和性能的变化过程。
在此过程中，材料的光学显微组织无明显变化，但电阻率和内应力显着降低，强度、低度稍有下降，塑性稍有上升（如图36中“回复”段）。
电子显微分析表明，回复已导致形成清晰的亚晶界和较完整的亚晶。
回复过程中，加热使原子活动性提高，原子扩散，晶体中的位错会组列成位错壁，构成小角度亚晶界，使冷变形时造成的晶体点阵畸变，能量降低，内应力减小。
热处理工艺中，有一种退火叫“去应力退火”，就是利用回复过程降低内应力，稳定工件尺寸，并减少应力腐蚀倾向，但仍保持加工硬化效果，即基本保持原来的强度和硬度。
（2）再结晶
再结晶通常指经冷变形的金属材料在足够高的温度加热时，通过新晶核的形成及长大，最终形成无应变的新晶粒。
在这种情况下，成分和晶体结构不发生变化。
通常，以经一小时保温能完成再结晶的最低退火温度定为材料的再结晶温度。
再结晶温度的定义
再结晶温度的定义有几种：
1定义为：
在指定的时间内，冷加工的金属完全再结晶所需的最低温度；
2定义为：
再结晶刚刚开始的温度；
3定义为：
再结晶完成一半的温度；
4定义为：
“硬度—退火温度”曲线上拐点的温度。
按第④种定义纯铜的大致再结晶温度为220℃（493°
K，相当于0.36Tm）如图37。
杂质对铜的再结晶温度影响很大，轧制压下量为60％的铜在各种温度退火显示的再结晶温度如图38，O、Pb、S、Sb、As对再结晶温度的提高依次增大，As的提高作用最大，而在这些杂质基础上再加NI，提高作用要大。
影响再结晶温度的主要因素有：
1）材料的冷变形程度越大，再结晶温度越低（如图39）；
2）材料纯度越高，再结晶温度越低，杂质和合金元素不同程度提高再结晶温度；
3）退火温度下的保持时间，4）硬而不能塑变的第二相粒子，对基体的再结晶影响很大，相互间距、尺寸大的第二相粒子，降低基体的再结晶温度，促进基体的再结晶，间距小（≤1um），尺寸小（≤0.3um）的第二相粒子，阻碍基体的再结晶温度，比如基体中的细小弥散的AL2O3粒子，可使烧结铝的再结晶温度超过500℃。
一些金属材料的最低再结晶温度见下表：
材料
铝
70/30黄铜
金
铁
20钢
铅
镁
镍
铂
银
铜
锡
钨
锌
最低
150
375
200
450
460
620
220
1210
15
材料最低再结晶温度T再（°
k）≈（0.4~0.5）Tm（°
k）
热加工（热变形）：
在材料再结晶温度以上进行的压力加工不发生应变硬化（加工硬化）的程度称为热加工
冷加工（冷变形）：
在材料再结晶温度以下进行的压力加工发生应变硬化（加工硬化）的塑变称为冷加工。
钢铁在400℃进行的压力加工仍属于冷加工。
钨、铅在室温进行的压力加工已属于热加工。
热加工不引起加工硬化，在塑变时（位错生殖运动，晶粒变长），再结晶也开始（图40）。
但能消除材料中的某些缺陷，如：
将气孔和疏松焊合，改善夹杂物的分布，将粗大的柱状晶和树枝晶变为细小均匀的晶粒等，结果提高材料的致密性和机械性能。
我公司的行星轧制介于冷热加工之间，再结晶和塑变交叉发生，再结晶是属于再动态结晶。
（3）晶粒长大
冷变形过的金属完成再结晶后，继续升高温度或延长保温时间，会发生晶粒长大。
晶粒长大会使机械性能降低。
因此要避免加热温度过高和加热时间过长。
即使这是正常的晶粒长大—即同时长大的晶粒很多，长大过程中晶粒尺寸较均匀。
相反，还有一种异常的晶粒长大，即基体中少数晶粒急剧长大，将周围的小晶粒全部吞并，这种异常晶粒长大称为“二次结晶”。
一般二次结晶使材料机械性能下降使冷变形后工件桔皮，应防止。
但对软磁料如硅钢片却可利用二次再结晶获得晶粒的择优取向，提高磁性。
再结晶图：
表示再结晶退火后的晶粒尺寸与冷变形程度的关系和退火温度的空间图形。
可供制订冷变形金属再结晶退火工艺时参考。
临界变形度：
冷变形度很小时，进行再结晶时形成的晶核数很少，再结晶退火后的晶粒特别粗大，这样的变形度称临界变形度。
对一般金属来说，其数值约在2-10％之间。
应预防之，为此用大变形度（30％以上）。
当冷变形度很大，材料在较高温度退火时由于二次再结晶也会形成特别粗大的晶粒。
2.常用金属机械性能指标
3.1静拉伸机械性能
⑴拉伸曲线
把试样装在拉伸试验机上，开动机器缓慢加载（力），随着载荷（力）的增大，式样的变形量△L也增大。
此时，试验机的记录器上可以自动记录，载荷F与变形量△L的关系曲线，这个曲线称为拉伸曲线。
典型的拉伸曲线如图3-1。
OP段是直线，代表弹性变形，即
这一阶段里，力与变形成正比，P
对应的力FP是弹性极限载荷。
PSUSL是一段有起伏的曲线，代表开始发生塑性变形，这时，在力达到FSU时，试样可在力不增加或者下降（SL对应的力FSL）的情况下发生明显塑性变形，这种现象称为屈服。
FSU称为上屈服力FS，FSL称为下屈服力。
有的材料FSU=FSL，
则称为屈服力FS。
SLb是一段上升的曲线，过了SL点以后，力不增加变形也不增加了，这说明发生了加工硬化,力再增大，变形才又增大，而且试样是发生均匀塑性变形和加工硬化。
bk是一端下降的曲线，由于前一段的均匀塑变和加工硬化，一定程度后即到b点以后，加工硬化跟不上形变的发展，变形开始集中在局部发生，试样开始出现“缩颈”，缩颈处横截面积减小，从此试样承载能力下降，所以
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