椭圆形封头加工变形后材料性能的恢复及改善

　　如上所述，椭圆形封头材料在经过加工变形后，会出现晶格畸变、晶格破碎、加工残余应力等不良现象。如果金属的加工变形是在再结晶温度以上完成的，上述现象对材料性能的影响会在随后的冷却过程中得以消失和缓解。对不同的材料，不同的变形量，其消失或缓解的程度是不同的。金属材料的淬硬性越强，制造缺陷消失或缓解的程度越低，因为此时它可能来不及恢复和改善，材料的正常相变 已经完成。故对有些材料在加工变形之后需要热处理，有些则不需要热处理，其原因 在于此。金属的加工变量越大，制造缺陷恢复和改善所需要的时间越长，自然冷却时有时可能会达不到所需要的足够时间和温度要求，此时也应考虑进行热处理。对冷加工成型的产品来说，其制造缺陷没有得到恢复和改善的温度条件，故一般在加工后均要进行适当的热处理。

　　椭圆形封头金属在加工变形后，无论是其晶格畸变、晶格破碎，还是残余应力的存在，都使得金属原子的势能升高，从而使金属材料处于不稳定状态。一旦对材料进行加热，提高了金属原子的活动能力，并给予充分的“调整”时间，便会使材料的组织和性能得到恢复和改善。加工变形后进行热处理 是经常采用的方法。

　　不同的热处理，或者说不同的加热温度，对椭圆形封头材料性能的恢复和改善是不同的，下面 来看一下不同的加热温度对加工变形后金属材料性能和组织的影响。

　　当加热温度较低时，原子具有一定的活动能力，但活动能力不够大，此时可造成位错的迁移，使晶格畸变产生的晶格弹性弯曲现象得以消失，从而消除或缓解了因晶格畸变而产生的加工残余应力。但由于此时原子的活动能力较低，使得破碎的晶粒没有形成新的稳定的晶粒，晶格的拉长状态也没有改变，故金属的组织仍处于不稳定状态。此时金属材料的强度和硬度略有下降，但塑性和韧性没有太大的提高。椭圆形封头材料的组织和性能在该温度下的变化过程称为回复。

　　升高加热温度，原子有了足够的活动能力，使原来不规则的位错重新排列，形成新的晶粒，或者使被拉长的晶粒重新组合而形成新的晶粒。经过一定时间后，这些新晶粒会与相邻的晶格取向相近的其它新晶粒合并，椭圆形封头形成稳定的正常晶粒。这一过程实际上是一个结晶过程，但由于该结晶过程只是原破碎晶粒的重新组合，并没有发生晶格形式的变化，新晶粒的晶格形式与旧晶粒相同，故称这种结晶形式叫再结晶。通过再结晶，加工变形后的金属组织发生了 改变，加工变形的不良影响得到消除，材料的机械性能得到完全恢复。

　　继续升高加热温度或延长加热时间，金属的晶粒会继续长大，因为通过晶粒长大，晶界的面积可以减少，表面能便会降低，所以晶粒长大也是一个降低能量的自发过程。可见，管子及其元件无论是在热处理的加热过程，还是在热加工的加热过程，如果加热温度过高，或加热时间过长，都产生成晶粒粗大的金属组织，而这种组织是我们所不希望得到的组织。故控制加热温度和加热时间是保证获得内在质量较好产品的一个很重要因素。

　　回复、再结晶和晶粒长大对材料机械性能的影响如图9-1所示。由图中可知，椭圆形封头变形金属被加热到再结晶温度区间时，可获得较好的综合性能。那么再结晶温度如何确定呢?

　　首先需要指出的是，椭圆形封头没有经过冷加工变形的金属材料是不会发生再结晶的。只有经过冷加工变形，才有晶粒破碎和晶粒再生过程，也 是说才有再结晶过程。而对于热加工变形过程，虽然它也伴随有晶粒破碎和再生过程，但它发生在加工变形过程中和之后的冷却过程中，若重新对它加热已不再有再结晶发生。此时对它进行的热处理主要是消除淬硬组织而不是使其再结晶。这部分的论述将在随后的热处理中介绍。

　　前文已经讲到，金属的加工变量越大，其缺陷的恢复和改善所需要的时间越长，也 是说，再结晶过程与冷加工变形的塑性变形程度有关。塑性变形程度越大，意味着晶粒破碎的程度越大，产生的位错等晶格缺陷也越多，因而会使再结晶较早开始进行，即再结晶温度较低。但再结晶温度并不是随着变形度的增加而一直减小，它存在一个极限值，在低于这个极限温度后，既使金属的变形度再大，再结晶也不会发生，这是因为此时的金属没有获得再结晶所需要的足够能量。再结晶温度的极限值称为 再结晶温度。实验告诉我们，各种金属的 再结晶温度(Tr)与其熔点(Tm)大致存在如下关系：

　　除金属的塑性变形度对再结晶温度有影响外，加热的速度和时间对再结晶温度也有影响，因为再结晶过程需要有一定的时间才能完成。增加加热速度，会使再结晶推迟到在较高的温度下发生。加热保温时间越长，原子的扩散移动进行的越充分，可使再结晶在较低的温度下进行。对碳钢来说，其消除椭圆形封头加工残余应力的高温回火温度一般为500℃~650℃，其再结晶退火温度一般为680℃~720℃。

　　值得一提的是，金属的塑性变形程度(即变形度)对金属的晶粒度是有影响的。一般情况下，椭圆形封头金属的变形度越大，变形越均匀，再结晶后的晶粒便越细。当变形度较小时，由于金属晶粒破碎较少，发生再结晶的晶粒量较少，此时金属的晶粒度基本上仍保持原来的大小不变。如果塑性变形不均匀，再结晶发生的位置和形核数量也是不均匀的，此时晶粒容易相互合并而长大，从而形成粗大晶粒和不均匀晶粒组织而影响材料的机械性能。一般情况下，金属的变形度为2%~10%时，容易造成金属中的变形不均匀。在锻制管件中经常提到的锻造比问题，实际上 是这里所说的变形度。如果锻造比不够，则容易产生不良组织(粗大晶粒和不均匀晶粒组织)，故工程上对锻件的锻造比都有一个 小要求，例如JB4726《压力容器用碳素钢和低合金锻件》标准规定：采用钢绽锻造时，锻件的主截面部分的锻造比不得小于3，采用坯料或轧制材料锻造时，椭圆形封头锻件的主截面部分的锻造比不得小于1.6。