金属塑性成形原理第一次课

1、主讲：倪成员衢州学院机械工程学院 1 金属塑性成形 2 金属塑性成形方法 3 塑性加工理论的发展概况 4 本课程的任务 5 金属材料加工的主要方向卧式挤压机卧式挤压机25 m(c)ND/001几个基本概念几个基本概念弹性、塑性变形的力学特征弹性、塑性变形的力学特征弹性弹性(Elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。塑性塑性(Plasticity)：固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力 屈服屈服(Yielding)：开始产生塑性变形的临界状态损伤损伤(Damage)：材料内部缺陷产生及发展的过程断裂断裂(Fracture)：宏观裂纹产生、扩展到变形体破断的

2、过程 变形方式变形方式弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形可逆性可逆性可逆可逆不可逆不可逆 - - 关系关系线性线性非线性非线性与加载路径的关系与加载路径的关系无关无关有关有关对组织和性能的影响对组织和性能的影响无影响无影响影响大影响大变形机理变形机理原子间距的变化原子间距的变化位错运动为主位错运动为主弹塑性共存弹塑性共存 整体变形中包含弹性变形和塑性变形；整体变形中包含弹性变形和塑性变形；塑性变形的发生必先经历弹性变形。塑性变形的发生必先经历弹性变形。金属冷变形时可以产生加工硬化（强度、硬度增加，塑金属冷变形时可以产生加工硬化（强度、硬度增加，塑性降低）。性降低）。金属塑性变形时，可以使晶粒得到

3、细化（冷变形使晶粒金属塑性变形时，可以使晶粒得到细化（冷变形使晶粒破碎，热变形使晶粒动态再结晶）破碎，热变形使晶粒动态再结晶）塑性变形可以使位错密度增加。塑性变形可以使位错密度增加。金属塑性变形时，可以产生变形织构。金属塑性变形时，可以产生变形织构。1 金属的塑性 2 金属多晶体塑性变形的主要机制 3 影响金属塑性的因素 4 金属的超塑性1. 1 1. 1 塑性的基本概念塑性的基本概念 1. 2 1. 2 塑性指标及其测量方法塑性指标及其测量方法 1. 3 1. 3 塑性状态图及其应用塑性状态图及其应用 什么是塑性？什么是塑性？ 塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏塑性是金属在外力作用下

4、产生永久变形而不破坏其完整性的能力。其完整性的能力。塑性与柔软性的区别是什么？塑性与柔软性的区别是什么？ 塑性反映材料产生永久变形的能力。塑性反映材料产生永久变形的能力。 柔软性反映材料抵抗变形的能力。柔软性反映材料抵抗变形的能力。探索塑性变化规律探索塑性变化规律寻求改善塑性途径寻求改善塑性途径选择合理加工方法选择合理加工方法确定最佳工艺制度确定最佳工艺制度提高产品质量提高产品质量概概 念：念： 金属在破坏前产生的最大金属在破坏前产生的最大 变形程度，即极限变形量。变形程度，即极限变形量。表示方法：表示方法： 断面收缩率断面收缩率 延伸率延伸率 冲击韧性冲击韧性 最大压缩率最大压缩率 扭转角（

5、或扭转数）扭转角（或扭转数） 弯曲次数弯曲次数拉伸试验法拉伸试验法压缩试验法压缩试验法扭转试验法扭转试验法轧制模拟试验法轧制模拟试验法00100%hLLL00100%hFFF式中：式中：L L0 0拉伸试样原始标距长度；拉伸试样原始标距长度； L Lh h拉伸试样破断后标距间的长度；拉伸试样破断后标距间的长度； F F0 0拉伸试样原始断面积；拉伸试样原始断面积； F Fh h拉伸试样破断处的断面积拉伸试样破断处的断面积 简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定：式确定： 00100%hHHH式中：式中： 压下率；压下率； H0试样原始高度

6、；试样原始高度； Hh试样压缩后，在侧表面出现第一条试样压缩后，在侧表面出现第一条 裂纹时的裂纹时的 高度高度 对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形（换作为剪切变形（ ） 。 030nRL式中：式中：R试样工作段的半径；试样工作段的半径； L0试样工作段的长度；试样工作段的长度； n试样破坏前的总转数。试样破坏前的总转数。 在在平辊间轧制平辊间轧制楔形试件，用楔形试件，用偏心轧辊轧制偏心轧辊轧制矩形矩形试样，找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压试样，找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压下量作为轧制过程的塑性指标。

7、下量作为轧制过程的塑性指标。 l弹性变形弹性变形l均匀塑性变形均匀塑性变形l不均匀塑性变形不均匀塑性变形l断裂断裂l各阶段变形的特点各阶段变形的特点l弹塑性共存定律弹塑性共存定律l弹塑性共存定律的意义弹塑性共存定律的意义概念：表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的概念：表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形，简称塑性图。关系曲线图形，简称塑性图。应用：合理选择加工方法应用：合理选择加工方法 制定冷热变形工艺制定冷热变形工艺根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据相图确定合金的相组成根据相图确定合金的相组成根据塑性图确定热变形温度范围根据塑性图确定

8、热变形温度范围根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据相图确定合金的相组成根据相图确定合金的相组成根据塑性图确定热变形温度范围根据塑性图确定热变形温度范围根据力学性能要求确立根据力学性能要求确立MB5MB5主要成分为：主要成分为： Al 5. 5 7. 0%Al 5. 5 7. 0%Mn 0. 15 0. 5%Mn 0. 15 0. 5%Zn 0. 5 1. 5%.Zn 0. 5 1. 5%.温度 T T530530，为液相，为液相270270，为，为 两相组两相组织织270270 T T530530，为单，为单一的一的 相相慢速加工，温度为慢速加工，温度为

9、350400350400时时, ,值和值和M M都有最大值，都有最大值，不论轧制或挤压，都可在此温度范围内以较慢的速度加不论轧制或挤压，都可在此温度范围内以较慢的速度加工。工。 锻锤下加工，在锻锤下加工，在350350左右有突变，变形温度应选择在左右有突变，变形温度应选择在400450400450。 工件形状比较复杂，变形时易发生应力集中，应根据工件形状比较复杂，变形时易发生应力集中，应根据K K曲线来判定。从图中可知，在相变点曲线来判定。从图中可知，在相变点270270附近突然附近突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在250250以下以下进行为佳。进

10、行为佳。2.1 2.1 多晶体变形的特点多晶体变形的特点 2.2 2.2 多晶体的塑性变形机构多晶体的塑性变形机构 2.3 2.3 合金的塑性变形合金的塑性变形 2.4 2.4 变形机构图变形机构图 1 1变形不均匀变形不均匀 1 1晶粒的转动与移动晶粒的转动与移动 该机构的实质是一相晶体的原子迅速而飞跃式该机构的实质是一相晶体的原子迅速而飞跃式的转到另一相的晶体中去。的转到另一相的晶体中去。 保证两相有较大的相互溶解度外，还必须具备保证两相有较大的相互溶解度外，还必须具备下列条件下列条件 : : （1 1）随着温度的变化或原有相晶体表面大小及）随着温度的变化或原有相晶体表面大小及曲率的变化，

11、伴随有最大的溶解度改变。曲率的变化，伴随有最大的溶解度改变。 （2 2）变形时，应具备足够高的温度条件。）变形时，应具备足够高的温度条件。 非晶机构是指在一定的变形温度和速度条件下，非晶机构是指在一定的变形温度和速度条件下，多晶体中的原子非同步的连续的在应力场和热激活的多晶体中的原子非同步的连续的在应力场和热激活的作用下，发生定向迁移的过程。作用下，发生定向迁移的过程。 1 1单相固溶体合金的变形单相固溶体合金的变形 2 2多相合金的变形多相合金的变形 单相固溶体的显微组织与纯金属相似，因而其单相固溶体的显微组织与纯金属相似，因而其变形情况也与之类同，但是在固溶体中由于溶质原变形情况也与之类同

12、，但是在固溶体中由于溶质原子的存在，使其对塑性变形的抗力增加。固溶体的子的存在，使其对塑性变形的抗力增加。固溶体的强度、硬度一般都比其溶剂金属高，而塑性、韧性强度、硬度一般都比其溶剂金属高，而塑性、韧性则有所降低，并具有较大的加工硬化率。则有所降低，并具有较大的加工硬化率。 多相合金中的第二相可以是纯金属、固溶多相合金中的第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，其塑性变形不仅和基体相的性质，体或化合物，其塑性变形不仅和基体相的性质，而且和第二相（或更多相）的性质及存在状态而且和第二相（或更多相）的性质及存在状态有关。如第二相本身的强度、塑性、应变硬化有关。如第二相本身的强度、塑性、应变硬化性质、尺

13、寸大小、形状、数量、分布状态、两性质、尺寸大小、形状、数量、分布状态、两相间的晶体学匹配、界面能、界面结合情况等相间的晶体学匹配、界面能、界面结合情况等等。等。 合金中第二相粒子的尺寸与基体晶粒的尺寸合金中第二相粒子的尺寸与基体晶粒的尺寸如属同一数量级，就称为聚合型两相合金。在聚如属同一数量级，就称为聚合型两相合金。在聚合型两相合金中，如果两个相都具有塑性，则合合型两相合金中，如果两个相都具有塑性，则合金的变形情况决定于两相的体积分数。即：金的变形情况决定于两相的体积分数。即：2211ff2211ff 两相合金中，如果第二相粒子十分细小，两相合金中，如果第二相粒子十分细小，并且弥散地分布在基体

14、晶粒内，则称为并且弥散地分布在基体晶粒内，则称为弥散分弥散分布型两相合金布型两相合金。在这种情况下，第二相质点可。在这种情况下，第二相质点可能使合金的强度显著提高而对塑性和韧性的不能使合金的强度显著提高而对塑性和韧性的不利影响可减至最小程度。第二相以细小质点的利影响可减至最小程度。第二相以细小质点的形态存在而合金显著强化的现象称弥散强化。形态存在而合金显著强化的现象称弥散强化。 3.1 3.1 影响塑性的内部因素影响塑性的内部因素 3.2 3.2 影响金属塑性的外部因素影响金属塑性的外部因素 3.3 3.3 提高金属塑性的主要途径提高金属塑性的主要途径 1 1化学成分化学成分 （1 1）杂质）

15、杂质 （2 2）合金元素对塑性的影响）合金元素对塑性的影响 2 2组织结构组织结构 包括组元的晶格、晶粒的取向、晶界的特征包括组元的晶格、晶粒的取向、晶界的特征等。等。 图图5-135-13说明说明Mg-Al-ZnMg-Al-Zn系变形镁合金中的铝、锌含系变形镁合金中的铝、锌含量对塑性和强度有影响。由图量对塑性和强度有影响。由图5-13a5-13a可知，随铝含量的可知，随铝含量的增加，合金的塑性指标（）逐渐降低，当铝含量超过增加，合金的塑性指标（）逐渐降低，当铝含量超过12%12%时值几乎降低到零，而图时值几乎降低到零，而图5-13b5-13b表明，当含约表明，当含约5%5%以以下的锌时，却能

16、使合金的塑性得到改善。下的锌时，却能使合金的塑性得到改善。 1.1.变形温度变形温度 金属的塑性可能因为温度的升高明而得到改善。金属的塑性可能因为温度的升高明而得到改善。 2.2.变形速度变形速度 变形速度对塑性的影响比较复杂。当变形速度不大时，变形速度对塑性的影响比较复杂。当变形速度不大时，随变形速度的提高塑性是降低的；而当变形速度较大时，塑随变形速度的提高塑性是降低的；而当变形速度较大时，塑性随变形速度的提高反而变好。性随变形速度的提高反而变好。塑性变形速度，变形速度，1/秒秒铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度3.3.变形程度变形程度 变形程度对塑性的影响

17、，是同加工硬化及加工过程中伴变形程度对塑性的影响，是同加工硬化及加工过程中伴随着塑性变形的发展而产生的裂纹倾向联系在一起的。随着塑性变形的发展而产生的裂纹倾向联系在一起的。 在热变形过程中，变形程度与变形温度在热变形过程中，变形程度与变形温度- -速度条件是相速度条件是相互联系着的，当加工硬化与裂纹胚芽的修复速度大于发生速互联系着的，当加工硬化与裂纹胚芽的修复速度大于发生速度时，可以说变形程度对塑性影响不大。度时，可以说变形程度对塑性影响不大。 对于冷变形而言，由于没有上述的修复过程，一般都是对于冷变形而言，由于没有上述的修复过程，一般都是随着变形程度的增加而降低塑性。随着变形程度的增加而降低

18、塑性。4.4.应力状态应力状态 静水压力对提高金属塑性的良好影响，可由下述原因静水压力对提高金属塑性的良好影响，可由下述原因所造成：所造成：（1 1）体压缩能遏止晶粒边界的相对移动，使晶间变形困难。）体压缩能遏止晶粒边界的相对移动，使晶间变形困难。 （2 2）体压缩能促进由于塑性变形和其它原因而破坏了晶内）体压缩能促进由于塑性变形和其它原因而破坏了晶内联系的恢复。联系的恢复。 （3 3）体压缩能完全或局部地消除变形物体内数量很小的某）体压缩能完全或局部地消除变形物体内数量很小的某些夹杂物甚至液相对塑性的不良影响。些夹杂物甚至液相对塑性的不良影响。 （4 4）体压缩能完全抵偿或者大大降低由于不均

19、匀变形所引）体压缩能完全抵偿或者大大降低由于不均匀变形所引起的拉伸附加应力，从而减轻了拉应力的不良影响。起的拉伸附加应力，从而减轻了拉应力的不良影响。 （1 1）周围介质和气氛能使变形物体表面层溶解并与金）周围介质和气氛能使变形物体表面层溶解并与金属基体形成脆性相，因而使变形物体呈现脆性状态。属基体形成脆性相，因而使变形物体呈现脆性状态。 （2 2）周围介质的作用能引起变形物体表面层的腐蚀以）周围介质的作用能引起变形物体表面层的腐蚀以及化学成分的改变，使塑性降低。及化学成分的改变，使塑性降低。 （3 3）有些介质（如润滑剂）吸附在变形金属的表面上，）有些介质（如润滑剂）吸附在变形金属的表面上，

20、可使金属塑性变形能力增加。可使金属塑性变形能力增加。 提高塑性的主要途径有以下几个方面：提高塑性的主要途径有以下几个方面：(1)(1)控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；织的均匀性；(2)(2)采用合适的变形温度采用合适的变形温度速度制度；速度制度；(3)(3)选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；性，尽量造成均匀的变形状态；(4)(4)避免加热和加工时周围介质的不良影响。避免加热和加工时周围介质的不良影响。 4. 1 超塑性的基本概念超塑性的基

21、本概念 金属材料在受到拉伸应力时，显示出很大的延伸金属材料在受到拉伸应力时，显示出很大的延伸率而不产生缩颈与断裂现象，把延伸率能超过率而不产生缩颈与断裂现象，把延伸率能超过100%100%的的材料统称为材料统称为“超塑性材料超塑性材料”，相应地把延伸率超过，相应地把延伸率超过100%100%的现象叫做的现象叫做“超塑性超塑性”。 金属超塑性归纳为以下几方面的特点：即大延伸、金属超塑性归纳为以下几方面的特点：即大延伸、无缩颈、小应力、易成形。无缩颈、小应力、易成形。 4. 2 4. 2 超塑性的分类超塑性的分类 按照超塑性实现的条件（组织、温度、应力状态按照超塑性实现的条件（组织、温度、应力状态

22、等）可将超塑性分为以下几类。等）可将超塑性分为以下几类。 1 1恒温超塑性或第一类超塑性。根据材料的组织形态特恒温超塑性或第一类超塑性。根据材料的组织形态特点也称之为细晶超塑性。点也称之为细晶超塑性。 特点是材料具有稳定的超细等轴晶粒组织，在一特点是材料具有稳定的超细等轴晶粒组织，在一定的温度区间（定的温度区间（T0.4TMT0.4TM）和一定的变形速度（）和一定的变形速度（10-10-410-1410-1分分-1-1）条件下出现超塑性。晶粒直径多在）条件下出现超塑性。晶粒直径多在5m5m以下。以下。 2 2相变超塑性或第二类超塑性，又称为动态超塑性或变相变超塑性或第二类超塑性，又称为动态超塑

23、性或变态超塑性。态超塑性。 相变超塑性，并不要求材料具有超细晶粒组织，相变超塑性，并不要求材料具有超细晶粒组织，而是在一定的温度和应力条件下，经过多次循环相变而是在一定的温度和应力条件下，经过多次循环相变或同素异构转变而获得大延伸率。产生相变超塑性的或同素异构转变而获得大延伸率。产生相变超塑性的必要条件，是材料应具有固态相变的特性，并在外加必要条件，是材料应具有固态相变的特性，并在外加载荷作用下，在相变温度上下循环加热与冷却，诱发载荷作用下，在相变温度上下循环加热与冷却，诱发产生反复的组织结构变化，使金属原子发生剧烈运动产生反复的组织结构变化，使金属原子发生剧烈运动而呈现出超塑性。而呈现出超塑

24、性。 相变超塑性不要求微细等轴晶粒，这是有利的，相变超塑性不要求微细等轴晶粒，这是有利的，但要求变形温度反复变化，给实际生产带来困难，故但要求变形温度反复变化，给实际生产带来困难，故使用上受到限制。使用上受到限制。 3 3其它超塑性或第三类超塑性。其它超塑性或第三类超塑性。 近年来发现，普通非超塑性材料在一定条件下快近年来发现，普通非超塑性材料在一定条件下快速变形时，也能显示出超塑性。速变形时，也能显示出超塑性。 有些材料在消除应力退火过程中，在应力作用下有些材料在消除应力退火过程中，在应力作用下也可以得到超塑性，也可以得到超塑性，Al-5%SiAl-5%Si及及Al-4%CuAl-4%Cu合

25、金在溶解度合金在溶解度曲线上下施以循环加热可以得到超塑性。此外，国外曲线上下施以循环加热可以得到超塑性。此外，国外正在研究的还有升温超塑性，异向超塑性等。正在研究的还有升温超塑性，异向超塑性等。 有人把上述的第二类及第三类超塑性统称为动态有人把上述的第二类及第三类超塑性统称为动态超塑性，或环境超塑性。超塑性，或环境超塑性。 4. 3 4. 3 细晶超塑性细晶超塑性 细晶超塑性又称为组织超塑性，在试验中已发现细晶超塑性又称为组织超塑性，在试验中已发现细晶超塑性有许多重要特征，归纳起来有以下几个方细晶超塑性有许多重要特征，归纳起来有以下几个方面的内容。面的内容。1 1变形力学特征变形力学特征 超塑

26、性金属由于没有（或很小）加工硬化，在塑超塑性金属由于没有（或很小）加工硬化，在塑性变形开始后，有一段很长的均匀变形过程，最后达性变形开始后，有一段很长的均匀变形过程，最后达到百分之几或甚至几千的高延伸率，其工程应力到百分之几或甚至几千的高延伸率，其工程应力应变曲线如图应变曲线如图5-26a5-26a所示，当应力超过最大值后，随着所示，当应力超过最大值后，随着应变的增加，应力缓慢地连续下降。应变的增加，应力缓慢地连续下降。 2 2金属组织特征金属组织特征 到目前为止所发现的细晶超塑性材料，大部分是到目前为止所发现的细晶超塑性材料，大部分是共析和共晶合金，其显微组织要求有极细的晶粒度、共析和共晶合

27、金，其显微组织要求有极细的晶粒度、等轴、双相及稳定的组织。要求双相，是因为第二相等轴、双相及稳定的组织。要求双相，是因为第二相能阻止母相晶粒长大，而母相也能阻止第二相的长大；能阻止母相晶粒长大，而母相也能阻止第二相的长大；要求稳定，是指在变形过程中晶料长大的速度要慢，要求稳定，是指在变形过程中晶料长大的速度要慢，以便有充分的热变形持续时间；超塑性变形过程中，以便有充分的热变形持续时间；超塑性变形过程中，晶界起着很重要的作用，要求晶粒的边界比例大，并晶界起着很重要的作用，要求晶粒的边界比例大，并且晶界要平坦，易于滑动，所以要求晶粒细小、等轴。且晶界要平坦，易于滑动，所以要求晶粒细小、等轴。在这些

28、因素中，晶粒尺寸是主要的影响因素。一般认在这些因素中，晶粒尺寸是主要的影响因素。一般认为直径大于为直径大于10m10m的晶粒组织是难于实现超塑性的。的晶粒组织是难于实现超塑性的。 4. 4 4. 4 细晶超塑性变形的机理细晶超塑性变形的机理 1 1扩散蠕变理论扩散蠕变理论 19731973年年M. F. AshbyM. F. Ashby和和R. A. VerrallR. A. Verrall提出了一个由提出了一个由晶内晶内- -晶界扩散蠕变过程共同调节的晶界滑动模型。晶界扩散蠕变过程共同调节的晶界滑动模型。 扩散蠕变理论应用于超塑性变形时，有两种现象不扩散蠕变理论应用于超塑性变形时，有两种现象

29、不能解释：能解释：1 1）在蠕变变形中，应力与应变成正比，）在蠕变变形中，应力与应变成正比，m=1m=1，而在超塑性变形中，而在超塑性变形中，m m值总是处于值总是处于0.50.80.50.8之间。之间。2 2）在蠕）在蠕变变形中，晶粒沿着外力方向被拉长，但在超塑性变形变变形中，晶粒沿着外力方向被拉长，但在超塑性变形中，晶粒仍保持等轴状。因此，经典的扩散蠕变理论不中，晶粒仍保持等轴状。因此，经典的扩散蠕变理论不能完全说明超塑性变形时的基本物理过程，也解释不了能完全说明超塑性变形时的基本物理过程，也解释不了它的主要力学特征。所以该理论能否作为超塑性变形的它的主要力学特征。所以该理论能否作为超塑性

30、变形的一个主要机理，还不十分清楚。一个主要机理，还不十分清楚。 2 2晶界滑动理论晶界滑动理论 超细晶粒材料的晶界有异乎寻常大的总面积，因超细晶粒材料的晶界有异乎寻常大的总面积，因此晶界运动在超塑性变形中起着极其重要的作用。晶此晶界运动在超塑性变形中起着极其重要的作用。晶界运动分为滑动和移动两种，前者为晶粒沿晶界的滑界运动分为滑动和移动两种，前者为晶粒沿晶界的滑移，后者为相邻晶粒间沿晶界产生的迁移。移，后者为相邻晶粒间沿晶界产生的迁移。 在研究超塑性变形机理的过程中，曾提出了许多在研究超塑性变形机理的过程中，曾提出了许多晶界滑动的理论模型。晶界滑动的理论模型。 3 3动态再结晶理论动态再结晶理

31、论 晶界移动（迁移）与再结晶现象密切相关，这种晶界移动（迁移）与再结晶现象密切相关，这种再结晶可使内部有畸变的晶粒变为无畸变的晶粒，从再结晶可使内部有畸变的晶粒变为无畸变的晶粒，从而消除其预先存在的应变硬化。在高温变形时，这种而消除其预先存在的应变硬化。在高温变形时，这种再结晶过程是一个动态的、连续的恢复过程，即一方再结晶过程是一个动态的、连续的恢复过程，即一方面产生应变硬化，一面产生再结晶恢复（软化）。如面产生应变硬化，一面产生再结晶恢复（软化）。如果这种过程在变形中能继续下去，好象变形的同时又果这种过程在变形中能继续下去，好象变形的同时又有退火，就会促使物质的超塑性。有退火，就会促使物质的

32、超塑性。 1 1几种典型超塑性合金的制备几种典型超塑性合金的制备 （1 1）Z n-22%AlZ n-22%Al合金的制备及超塑性获得的方法合金的制备及超塑性获得的方法 （2 2）Al-Zn-MgAl-Zn-Mg系合金系合金 2 2超塑性的应用超塑性的应用 （1 1）真空成形法）真空成形法 （2 2）气压成形）气压成形 （3 3）超塑性模锻和挤压）超塑性模锻和挤压 （4 4）无模拉拔）无模拉拔 1 1何谓金属的塑性？塑性高低如何度量？有哪些常用测何谓金属的塑性？塑性高低如何度量？有哪些常用测定方法？定方法？2 2多晶体金属塑性变形的主要特点和主机制有哪些？多晶体金属塑性变形的主要特点和主机制有

33、哪些？3 3改善金属材料的工艺塑性有哪些途径？怎样才能获得改善金属材料的工艺塑性有哪些途径？怎样才能获得金属材料的超塑性？金属材料的超塑性？4 4何谓超塑性？超塑性变形的基本特点有哪些？何谓超塑性？超塑性变形的基本特点有哪些？5 5细晶超塑性产生的基本条件是什么？它有何重要变形细晶超塑性产生的基本条件是什么？它有何重要变形力学和组织结构特点？力学和组织结构特点？6 6细晶超塑性的主要机制是什么？细晶超塑性的主要机制是什么？7 7m m值的物理意义是什么？值的物理意义是什么？3.1 3.1 塑性加工中金属的组织与性能塑性加工中金属的组织与性能 3.2 3.2 金属塑性变形的温度金属塑性变形的温度

34、速度效应速度效应 3.3 3.3 形变热处理形变热处理1. 1 1. 1 冷变形冷变形 1. 2 1. 2 热变形热变形 1. 3 1. 3 塑性变形对固态相变的影响塑性变形对固态相变的影响 1 1冷变形的概念冷变形的概念 2 2冷变形时金属显微组织的变化冷变形时金属显微组织的变化 3 3冷变形时金属性能的变化冷变形时金属性能的变化 变形温度低于回复温度，在变形中只有加工硬化作用变形温度低于回复温度，在变形中只有加工硬化作用而无回复与再结晶现象，通常把这种变形称为冷变形或冷而无回复与再结晶现象，通常把这种变形称为冷变形或冷加工。冷变形时金属的变形抗力较高，且随着所承受的变加工。冷变形时金属的变

35、形抗力较高，且随着所承受的变形程度的增加而持续上升，金属的塑性则随着变形程度的形程度的增加而持续上升，金属的塑性则随着变形程度的增加而逐渐下降，表现出明显的硬化现象。增加而逐渐下降，表现出明显的硬化现象。 抗力 塑性 冷加工率 变形抗力与塑性 （1 1）纤维组织）纤维组织 多晶体金属经冷变形后，原来等轴的晶粒沿着主变多晶体金属经冷变形后，原来等轴的晶粒沿着主变形的方向被拉长。变形量越大，拉长的越显著。当变形的方向被拉长。变形量越大，拉长的越显著。当变形量很大时，各个晶粒已不能很清楚地辨别开来，呈形量很大时，各个晶粒已不能很清楚地辨别开来，呈现纤维状，故称现纤维状，故称纤维组织纤维组织。被拉长的

36、程度取决于主变。被拉长的程度取决于主变形图和变形程度。形图和变形程度。 （2 2）亚结构）亚结构 随着冷变形的进行，位错密度迅速提高。经强烈冷变形后，随着冷变形的进行，位错密度迅速提高。经强烈冷变形后，可由原来退火状态的可由原来退火状态的10106 610107 7/cm/cm2 2增至增至1010111110101212/cm/cm2 2。经透射电。经透射电子显微镜观察，这些位错在变形晶粒中的分布是很不均匀的。子显微镜观察，这些位错在变形晶粒中的分布是很不均匀的。只有在变形量比较小或者在层错能低的金属中，由于位错难只有在变形量比较小或者在层错能低的金属中，由于位错难以产生交滑移和攀移，在位错

37、可动性差的情况下，位错的分以产生交滑移和攀移，在位错可动性差的情况下，位错的分布才是比较分散和比较均匀的。在变形量大而且层错能较高布才是比较分散和比较均匀的。在变形量大而且层错能较高的金属中，位错的分布是很不均匀的。纷乱的位错纠结起来，的金属中，位错的分布是很不均匀的。纷乱的位错纠结起来，形成位错缠结的高位错密度区（约比平均位错密度高五倍），形成位错缠结的高位错密度区（约比平均位错密度高五倍），将位错密度低的部分分隔开来，好像在一个晶粒的内部又出将位错密度低的部分分隔开来，好像在一个晶粒的内部又出现许多现许多“小晶粒小晶粒”似的，只是它们的取向差不大（几度到几似的，只是它们的取向差不大（几度到

38、几分），这种结构称为分），这种结构称为亚结构亚结构。 （3 3）变形织构）变形织构 多晶体塑性变形时，各个晶粒滑移的同时，也伴随着晶多晶体塑性变形时，各个晶粒滑移的同时，也伴随着晶体取向相对于外力有规律的转动，使取向大体趋于一致叫做体取向相对于外力有规律的转动，使取向大体趋于一致叫做“择优取向择优取向”。具有择优取向的物体，其组织称为。具有择优取向的物体，其组织称为“变形织变形织构构”。 金属及合金经过挤压、拉拔、锻造和轧制以后，都会金属及合金经过挤压、拉拔、锻造和轧制以后，都会产生产生变形织构变形织构。塑性加工方式不同，可出现不同类型的织构。塑性加工方式不同，可出现不同类型的织构。通常，变形

39、织构可分为通常，变形织构可分为丝织构丝织构和和板织构板织构。 （4 4）晶内及晶间的破坏）晶内及晶间的破坏 在冷变形过程中不发生软化过程的愈合作用，在冷变形过程中不发生软化过程的愈合作用，因因滑移滑移（位错的运动及其受阻、双滑移、交叉滑移（位错的运动及其受阻、双滑移、交叉滑移等），双晶等过程的复杂作用以及各晶粒所产生的相等），双晶等过程的复杂作用以及各晶粒所产生的相对转动与移动，造成了在对转动与移动，造成了在晶粒内部及晶粒间界处出现晶粒内部及晶粒间界处出现一些显微裂纹、空洞等缺陷一些显微裂纹、空洞等缺陷使金属密度减少，是造成使金属密度减少，是造成金属显微裂纹的金属显微裂纹的根源根源。 （1 1

40、）物化性能）物化性能a. a. 密度密度金属经冷变形后，晶内及晶冷变形后密度降至金属经冷变形后，晶内及晶冷变形后密度降至8. 8868. 886克克/ /厘米厘米3 3。相应的铜的密度是由。相应的铜的密度是由8. 9058. 905克克/ /厘米厘米3 3，降至，降至8. 898. 89克克/ /厘米厘米3 3。 8.92 8.91 8.90 8.89 8.88 8.87 20 40 60 80 100 1 2 密度，克/厘米3 b. b. 电阻电阻晶间物质的破坏使晶粒直接接触、晶粒位向有序化、晶间物质的破坏使晶粒直接接触、晶粒位向有序化、间出现了显微裂纹、裂口、空洞等缺陷致使间出现了显微裂纹

41、、裂口、空洞等缺陷致使金属的导金属的导电性降低电性降低，如图，如图6-66-6所示。所示。c. c. 化学稳定性化学稳定性 冷变形后，金属的残余应力和内能增加，从而使化学冷变形后，金属的残余应力和内能增加，从而使化学不稳定性增加，耐蚀性能降低。不稳定性增加，耐蚀性能降低。 除此之外，冷变形还可能改变磁性。如锌和铜，冷变除此之外，冷变形还可能改变磁性。如锌和铜，冷变形后可减少其抗磁性。高度冷加工后，形后可减少其抗磁性。高度冷加工后，铜可以变为顺铜可以变为顺磁性的金属磁性的金属，对顺磁性金属冷变形会降低磁化敏感性，对顺磁性金属冷变形会降低磁化敏感性等等。等等。 （2 2）力学性能）力学性能 由于发

42、生了晶内及晶间破坏，晶格产生了畸变由于发生了晶内及晶间破坏，晶格产生了畸变以及出现以及出现第二、三类残余应力第二、三类残余应力等，故经受冷变等，故经受冷变形后的金属及合金，其塑性指标随所承受的变形后的金属及合金，其塑性指标随所承受的变形程度的增加而下降，在极限情况下可达到接形程度的增加而下降，在极限情况下可达到接近于完全脆性的状态。另外，由于晶格畸变、近于完全脆性的状态。另外，由于晶格畸变、晶粒的长大、细化以及出现亚结构等，金属的晶粒的长大、细化以及出现亚结构等，金属的抗力指标则随变形程度的增加而提高。金属力抗力指标则随变形程度的增加而提高。金属力学性能与变形程度的曲线称硬化曲线。学性能与变形

43、程度的曲线称硬化曲线。 200 150 100 50 100 200 300 400 500 -196 室温 真应变% 15 10 5 20 15 10 5 0 10 20 30 40 畸变能 畸变能占总 功能分数 畸变能分数，% 图6-8 Au-Ag合金拉拔加工时的储存能 图6-9 纯铜冷加工后畸变能及畸变能 虚线测量值；实线计算值 分数随变形量的变化关系 （3 3）织构与各向异性）织构与各向异性 金属材料经塑性变形以后，在不同加工方式下，会出金属材料经塑性变形以后，在不同加工方式下，会出现不同类型的织构。由于织构的存在而使金属呈现各现不同类型的织构。由于织构的存在而使金属呈现各向异性。向异

44、性。 105MPa 轧冷横0.8 0.8 1.6 1.2 0.4 0.4 1.2 1.6 再结晶 （a） （b） 冷轧和再结晶铜片的弹性模量值冷轧和再结晶铜片的弹性模量值 深冲件上的制耳深冲件上的制耳 1 1热变形的概念热变形的概念 2 2热变形对金属组织性能的影响热变形对金属组织性能的影响 3 3热变形过程中的回复与再结晶热变形过程中的回复与再结晶 所谓热变形（又称热加工）是指变形金属在完全所谓热变形（又称热加工）是指变形金属在完全再结晶条件下进行的塑性变形。一般在热变形时金属再结晶条件下进行的塑性变形。一般在热变形时金属所处温度范围是其熔点绝对温度的所处温度范围是其熔点绝对温度的0. 75

45、0. 950. 750. 95倍，在倍，在变形过程中，同时产生软化与硬化，且软化进行的很变形过程中，同时产生软化与硬化，且软化进行的很充分，变形后的产品无硬化的痕迹。充分，变形后的产品无硬化的痕迹。 与其它加工方法相比，如冷加工，具有自己一系列的优点，与其它加工方法相比，如冷加工，具有自己一系列的优点，诸如：诸如：（1 1）金属在热加工变形时，）金属在热加工变形时，变形抗力较低，消耗能量较少变形抗力较低，消耗能量较少。（2 2）金属在热加工变形时，）金属在热加工变形时，其塑性升高其塑性升高，产生断裂的倾向性，产生断裂的倾向性减小。减小。 （3 3）与冷加工相比较，热加工变形一般）与冷加工相比较

46、，热加工变形一般不易产生织构不易产生织构。 （4 4）在生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而）在生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而可可使生产工序简化，生产效率提高使生产工序简化，生产效率提高。 （5 5）热加工变形可引起组织性能的变化热加工变形可引起组织性能的变化，以满足对产品某些，以满足对产品某些组织与性能的要求。组织与性能的要求。 同其他加工方法相比也有如下的不足：同其他加工方法相比也有如下的不足：（1 1）对薄或细的轧件，由于散热较快，在生产中保持热加）对薄或细的轧件，由于散热较快，在生产中保持热加工的温度条件比较困难。因此，目前对生产工的温度条件比较困难。因此，目

47、前对生产薄的或细薄的或细的的金属材料来讲，一般仍采用金属材料来讲，一般仍采用冷加工冷加工（如冷轧、冷拉）的（如冷轧、冷拉）的方法。方法。（2 2）热加工后轧件的表面不如冷加工生产的尺寸精确和光热加工后轧件的表面不如冷加工生产的尺寸精确和光洁。洁。因为在加热时，由于轧件表面生成氧化皮和冷却时因为在加热时，由于轧件表面生成氧化皮和冷却时收缩的不均匀。收缩的不均匀。（3 3）热加工后产品的组织及性能不如冷加工时均匀。热加工后产品的组织及性能不如冷加工时均匀。因为因为热加工结束时，工件各处的温度难于均匀一致。热加工结束时，工件各处的温度难于均匀一致。（4 4）不依赖热加工提高材料强度。）不依赖热加工提

48、高材料强度。（5 5）有些金属具有）有些金属具有热脆热脆的不进行热加工。的不进行热加工。 确定热变形的温度范围，最少需要该确定热变形的温度范围，最少需要该合金的相图合金的相图、塑塑性图性图（图（图6-126-12）及）及变形抗力随温度而变化的图形变形抗力随温度而变化的图形（图（图6-136-13）等资料。）等资料。 根据合金相图及塑性图，可这样来选择热变形温度范根据合金相图及塑性图，可这样来选择热变形温度范围：围： （1 1）温度的上限，大致取该合金熔点绝对温度（）温度的上限，大致取该合金熔点绝对温度（TmTm）的）的0.950.95倍，即应比液相线低倍，即应比液相线低5050左右。左右。 （

49、2 2）温度的下限，是要求保证在变形的过程中再结晶能）温度的下限，是要求保证在变形的过程中再结晶能充分迅速地进行，并且整个变形过程是在单相系统内充分迅速地进行，并且整个变形过程是在单相系统内完成。完成。 T熔 0.95 T 0.75 T熔 100 300 500 700 900 9 7 5 3 1 冲击韧性，公斤/毫米2 图图6-12 6-12 确定热变形温度的必需资料确定热变形温度的必需资料（a a）相图；（）相图；（b b）塑性图（）塑性图（HPb59-1HPb59-1）60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 100 200 300 400 500 600

50、 700 800 900 1000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 温度， 强度极限，10MPa 图6-13 各种有色金属、合金加热温度对强度极限的影响铜镍合金；2镍；3锡青铜QSn70.4；4LY11；5铜；6锰铜；7锌；8铅；9H68；10H62；11H59；12LY12；13MB5；14铝（1 1）热变形对铸态组织的改造）热变形对铸态组织的改造 一般来说，金属在高温下塑性高、抗力小，加之一般来说，金属在高温下塑性高、抗力小，加之原子扩散过程加剧，伴随有完全再结晶时，更原子扩散过程加剧，伴随有完全再结晶时，更有利于有利于组织的改善组织的改善。故热变形多作为铸态组

51、织初次加工的方。故热变形多作为铸态组织初次加工的方法。法。 热变形能最有效地改变金属和合金的铸锭组织，可以使热变形能最有效地改变金属和合金的铸锭组织，可以使铸态组织发生下述有利变化。铸态组织发生下述有利变化。 a.a.一般热变形是通过一般热变形是通过多道次多道次的反复变形来完成。的反复变形来完成。 b.b.由于应力状态中由于应力状态中静水压力静水压力分量的作用，可使锭中存在的分量的作用，可使锭中存在的气泡焊合，缩孔压实，疏松压密，变为较致密的结构。气泡焊合，缩孔压实，疏松压密，变为较致密的结构。 c.c.由于高温下原子热运动能力加强，在应力作用下，借助由于高温下原子热运动能力加强，在应力作用下

52、，借助原子的原子的自扩散和互扩散自扩散和互扩散，可使铸锭中化学成分的不均匀，可使铸锭中化学成分的不均匀性相对减少。性相对减少。 上述三方面综合作用的结果，可使上述三方面综合作用的结果，可使铸态组织改造成变形铸态组织改造成变形组织（或加工组织），它比铸锭有较高的密度、均匀细组织（或加工组织），它比铸锭有较高的密度、均匀细小的等轴晶粒及比较均匀的化学成分，因而塑性和抗力小的等轴晶粒及比较均匀的化学成分，因而塑性和抗力的指标都明显提高。的指标都明显提高。 （2 2）热变形制品晶粒度的控制）热变形制品晶粒度的控制 在热变形过程中，为了保证产品性能及使用在热变形过程中，为了保证产品性能及使用条件对热加工

53、制品晶粒尺寸的要求，控制热变形产品条件对热加工制品晶粒尺寸的要求，控制热变形产品的的晶粒度晶粒度是很重要的。是很重要的。 热变形后制品晶粒度的大小，取决于热变形后制品晶粒度的大小，取决于变形变形程度和变形温度程度和变形温度（主要是加工终了温度）。第二类再（主要是加工终了温度）。第二类再结晶全图，是描述晶粒大小与变形程度及变形温度之结晶全图，是描述晶粒大小与变形程度及变形温度之间关系的。如图间关系的。如图6-146-14所示。根据这种图即可确定为了所示。根据这种图即可确定为了获得均匀的组织和一定尺寸晶粒时，所需要保持的加获得均匀的组织和一定尺寸晶粒时，所需要保持的加工终了温度及应施加的变形程度。

54、工终了温度及应施加的变形程度。 0 10 20 90 80 70 60 50 40 200 300 350 400 450 500 0 20 30 90 80 70 50 40 10 60 200 250 350 400 450 500 300 300 200 100 300 200 100 0 晶粒直径，微米 变形程度，% 变形程度，% 变形温度， 变形温度， 30 250 0 （a） （b） 图图6-14 6-14 第二类再结晶全图（第二类再结晶全图（LY2LY2）（a a）在压力机上压缩）在压力机上压缩 （b b）在锻锤下压缩）在锻锤下压缩（3 3）热变形时的纤维组织）热变形时的纤维组织

55、 金属内部所含有的杂质、第二相和各种缺陷，在热变形过程中，金属内部所含有的杂质、第二相和各种缺陷，在热变形过程中，将将沿着最大主变形方向被拉长、拉细而形成纤维组织或带状结沿着最大主变形方向被拉长、拉细而形成纤维组织或带状结构。构。这些带状结构是一系列平行的条纹，也称为这些带状结构是一系列平行的条纹，也称为流线流线。 纤维组织一般只能在变形时纤维组织一般只能在变形时通过不断地改变变形的方向来避免通过不断地改变变形的方向来避免，很难用退火的方法去消除。当夹杂物（或晶间夹杂层）数量不很难用退火的方法去消除。当夹杂物（或晶间夹杂层）数量不多时，可用长时高温退火的方法，依靠成分地均匀化，和组织多时，可用

56、长时高温退火的方法，依靠成分地均匀化，和组织不均匀处的消失以去除。在个别情况下，当这些晶间夹杂物能不均匀处的消失以去除。在个别情况下，当这些晶间夹杂物能溶解或凝聚溶解或凝聚时，纤维组织也可以被消除。时，纤维组织也可以被消除。 金属中的空穴（包括凝固时的缩孔和气眼等），金属中的空穴（包括凝固时的缩孔和气眼等），在变形时也会被拉长，当变形量很大、温度足够高时，在变形时也会被拉长，当变形量很大、温度足够高时，这些孔穴可能被这些孔穴可能被压紧、焊合压紧、焊合，如果变形量不够大，这，如果变形量不够大，这些孔穴就形成了头发状的裂纹称为些孔穴就形成了头发状的裂纹称为“发裂发裂”。 显著的纤维组织也能引起分层

57、，使变形金属得到显著的纤维组织也能引起分层，使变形金属得到层状或板状的断口，例如层状或板状的断口，例如HPb59-1HPb59-1，QA10-3-1.5QA10-3-1.5的层状的层状断口，消除的方法是断口，消除的方法是铸造时细化晶粒铸造时细化晶粒，改善铅、，改善铅、AlAl2 2O O3 3分布状况，防止氧化吸气以减少分布状况，防止氧化吸气以减少AlAl2 2O O3 3的生成。的生成。 一般将热变形过程中，在应力状态作用下所发生一般将热变形过程中，在应力状态作用下所发生的的回复与再结晶过程称为动态的回复与再结晶过程称为动态的，以区别冷变形后退，以区别冷变形后退火过程中、热变形的各道次之间以

58、及热变形后在空气火过程中、热变形的各道次之间以及热变形后在空气中冷却时所发生的、属于静态的回复与再结晶过程。中冷却时所发生的、属于静态的回复与再结晶过程。 （a a）图为高层错能金属在热轧加工率比较小时（）图为高层错能金属在热轧加工率比较小时（50%50%），），只发生动态回复只发生动态回复；（b b）图表示低层错能金属，由于热轧变形程度小（）图表示低层错能金属，由于热轧变形程度小（50%50%），），热轧时，只发生动态回复，随后发生静态回复和静态再热轧时，只发生动态回复，随后发生静态回复和静态再结晶；结晶；（c c）图表示高层错能金属在挤压变形程度大（）图表示高层错能金属在挤压变形程度大（9

59、9%99%）时，）时，在挤压中发生动态回复，出模孔后，发生静态回复和静在挤压中发生动态回复，出模孔后，发生静态回复和静态再结晶；态再结晶；（d d）图表示低层错能金属，在挤压变形程度大（）图表示低层错能金属，在挤压变形程度大（99%99%）时，）时，在挤压中发生动态回复与动态再结晶。出模孔后，发生在挤压中发生动态回复与动态再结晶。出模孔后，发生静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶。静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶。静态再结晶（1 1）动态回复）动态回复金属在热变形时，若只发生金属在热变形时，若只发生动态回复的软化过程动态回复的软化过程，其应力，其应力- -应变曲线，如图应变曲线，如图6-17a

60、6-17a所示。曲线明显地分为三个阶段。所示。曲线明显地分为三个阶段。第一阶段为微变形阶段。此时，试样中的应变速率从零增第一阶段为微变形阶段。此时，试样中的应变速率从零增加到试验所要求的应变速率，其应力加到试验所要求的应变速率，其应力- -应变曲线呈直线，应变曲线呈直线，当达到屈服应力以后，变形进入了第二阶段，加工硬化率当达到屈服应力以后，变形进入了第二阶段，加工硬化率逐渐降低。逐渐降低。最后进入第三阶段，为稳定变形阶段。此时，最后进入第三阶段，为稳定变形阶段。此时，加工硬化被加工硬化被动态回复所引起的软化过程所抵消动态回复所引起的软化过程所抵消。即由变形所引起的位。即由变形所引起的位错增加的