第2章_金属塑性变形的物理基础

1、v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础主要内容主要内容： 第一节第一节 金属冷态下的塑性变形金属冷态下的塑性变形 第二节第二节 金属热态下的塑性变形金属热态下的塑性变形 第三节第三节 金属的超塑性金属的超塑性 第四节第四节 金属在塑性加工过程中的塑性行为金属在塑性加工过程中的塑性行为v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础v晶体晶体：固体物质中原子呈周期性有规则的固体物质中原子呈周期性有规则的排列的物质排列的物质v空间点阵空间点阵：原子在晶体所占的空间内按照原子在晶体所占的空间内按照一定的几何规律作周期性的排列一定的几何规律作周期性的排列v晶格晶格：为了描

2、述晶体内原子排列的状况，为了描述晶体内原子排列的状况，常以一些直线将晶体中各原子的中心连接常以一些直线将晶体中各原子的中心连接起来使之构成一空间格子起来使之构成一空间格子v晶胞晶胞：从晶格中选取一个能反映晶格特征从晶格中选取一个能反映晶格特征的最小几何单元来分析晶体中的原子排列的最小几何单元来分析晶体中的原子排列规律，这一最小的几何单元称为晶胞规律，这一最小的几何单元称为晶胞v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础典型的晶胞结构典型的晶胞结构面心立方面心立方 典型金属典型金属AlAl、CuCu、AgAg、NiNi、-Fe-Fev第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的

3、物理基础体心立方体心立方 典型金属典型金属-Fe-Fe、-Ti-Ti、CrCr、WW、V V 、MoMo典型的晶胞结构典型的晶胞结构v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础密排六方密排六方 典型金属典型金属-Ti-Ti、-Co-Co、BeBe、MgMg、ZnZn典型的晶胞结构典型的晶胞结构v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础三种晶胞的晶体结构三种晶胞的晶体结构v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构v单晶体单晶体: :各方向上的原子密度不同各方向上的原子密度不同各向各向异性异性v多晶体多晶体: :晶粒

4、方向性互相抵消晶粒方向性互相抵消各向同性各向同性v塑性成形所用的金属材料绝大多数为多晶塑性成形所用的金属材料绝大多数为多晶体，其变形过程比单晶体复杂的多。体，其变形过程比单晶体复杂的多。一一 塑性变形机理塑性变形机理v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础多晶体的塑性变形方式多晶体的塑性变形方式晶内变形晶内变形晶间变形晶间变形滑移滑移孪生孪生滑动滑动转动转动以晶内变形为主，晶间变形对晶内变形起协调作用。以晶内变形为主，晶间变形对晶内变形起协调作用。多晶体塑性变形的分类多晶体塑性变形的分类v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础主要方式主要方式：滑移：滑移：晶

5、体在力的作用下，晶体的一部分沿一晶体在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生的相定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生的相对移动或切变对移动或切变孪生：孪生：晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（着一定的晶面（孪生面孪生面）和一定的晶向（）和一定的晶向（孪孪生方向生方向）发生均匀切变）发生均匀切变1. 1. 晶内变形晶内变形v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础滑移面示意图滑移面示意图v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础 所谓滑移，所谓滑移，是指晶体（单晶体或构成多晶体是指晶体（单

6、晶体或构成多晶体中的一个晶粒）在力的作用下，晶体的一部中的一个晶粒）在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向，相对于晶体的另一分沿一定的晶面和晶向，相对于晶体的另一部分发生的相对移动或切变部分发生的相对移动或切变。 这些晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。这些晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。 滑移面和滑移方向的组合称为滑移系（滑移滑移面和滑移方向的组合称为滑移系（滑移系的存在只说明金属晶体长生滑移的可能性系的存在只说明金属晶体长生滑移的可能性）滑移的定义滑移的定义v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础滑移面、滑移方向和滑移系滑移面、滑移方向和滑移系v第第2章章 金属

7、塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础 一般地说，滑移总是沿着原子密度最大一般地说，滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生，沿原子排列最密集的晶面和晶向发生，沿原子排列最密集的方向滑移阻力最小，最容易成为滑移的方向滑移阻力最小，最容易成为滑移方向。方向。 滑移系多的金属要比滑移系少的金属，滑移系多的金属要比滑移系少的金属，变形协调性好、塑性高。变形协调性好、塑性高。 滑移面对温度具有敏感性：滑移面对温度具有敏感性：温度升高，温度升高，金属出现新的滑移系，塑性相应的提高金属出现新的滑移系，塑性相应的提高。滑移面、滑移方向滑移面、滑移方向v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基

8、础晶体进入塑性时，在滑晶体进入塑性时，在滑移面上，移面上，沿滑移方向的沿滑移方向的切应力切应力称为临界切应力称为临界切应力滑移时的滑移时的临界切应力临界切应力v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础 临界切应力的大小，取决于临界切应力的大小，取决于金属的类型、金属的类型、纯度、晶体结构的完整性、变形温度、纯度、晶体结构的完整性、变形温度、应变速率、和预先变形程度应变速率、和预先变形程度等因素。等因素。 滑移系上所受的切应力分量取决于取向滑移系上所受的切应力分量取决于取向因子因子临界切应力临界切应力v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础 令令=coscosc

9、oscos，称为取向因子。，称为取向因子。 若若=45=45，则，则=maxmax=0.5=0.5，=maxmax=/2=/2。此意味着该滑移系处于最。此意味着该滑移系处于最佳取向，其上的切应力分量最有利于优先达佳取向，其上的切应力分量最有利于优先达到临界值而发生滑移，这种取向称为软取向；到临界值而发生滑移，这种取向称为软取向； 而当而当=90=90，=0=0或或=0=0，=90=90时，时，=0=0此时无论此时无论多大，滑多大，滑移的驱动力恒等于零，处于此取向的滑移系移的驱动力恒等于零，处于此取向的滑移系不能发生滑移，这种取向称为硬取向。不能发生滑移，这种取向称为硬取向。滑移时晶体的取向滑移

10、时晶体的取向v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础 晶体在滑移过程中，由于受到外界晶体在滑移过程中，由于受到外界的约束作用会发生转动的约束作用会发生转动 就单晶体拉伸变形来说，滑移面会就单晶体拉伸变形来说，滑移面会力图向拉力方向转动而滑移方向则力图向拉力方向转动而滑移方向则力图向最大切应力分量方向转动力图向最大切应力分量方向转动 对于多晶体，晶粒被拉长的同时，对于多晶体，晶粒被拉长的同时，滑移面和滑移方向也朝一定方向转滑移面和滑移方向也朝一定方向转动，各晶粒调整其方位而趋于一致动，各晶粒调整其方位而趋于一致滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动v第第2章章 金属塑性变形的物理基础

11、金属塑性变形的物理基础v19261926，弗兰克尔，估算了晶体的剪切强度：，弗兰克尔，估算了晶体的剪切强度：v假设：理想晶体两排原子相距为假设：理想晶体两排原子相距为a a，同排原子间，同排原子间距为距为b b。原子在平衡位置时，能量处于最低的位。原子在平衡位置时，能量处于最低的位置。在外力置。在外力 作用下，原子偏离平衡位置时，能量作用下，原子偏离平衡位置时，能量上升，原子能量随位置的变化为一余弦函数。上升，原子能量随位置的变化为一余弦函数。v通过计算晶体的临界剪切应力，并与实际的临界通过计算晶体的临界剪切应力，并与实际的临界剪切应力进行比较，人们发现，理论计算的剪切剪切应力进行比较，人们发

12、现，理论计算的剪切强度比实验所得到的剪切强度要高一千倍以上。强度比实验所得到的剪切强度要高一千倍以上。位错理论位错理论v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础位错理论位错理论v为了解释这种理论值和实际值的差别，为了解释这种理论值和实际值的差别，19341934年泰年泰勒（勒（G.I.TaylorG.I.Taylor）、奥罗万（）、奥罗万（E.OrowanE.Orowan）、和波兰）、和波兰伊（伊（M.PolanyiM.Polanyi）几乎在同一时间内，分别提出了）几乎在同一时间内，分别提出了位错假设。他们认为在晶体内存在着一种线缺陷，位错假设。他们认为在晶体内存在着一种线缺陷

13、，它在剪切应力下更容易滑移，并引起塑性变形。它在剪切应力下更容易滑移，并引起塑性变形。随着实验手段的不断发展，越来越多的事实证明随着实验手段的不断发展，越来越多的事实证明了位错的存在，形成了一种位错理论。在随后的了位错的存在，形成了一种位错理论。在随后的几十年中，这种位错理论在金属塑性变形的微观几十年中，这种位错理论在金属塑性变形的微观研究上获得了很大发展。研究上获得了很大发展。v位错理论的发展也促进了晶界理论、晶体缺陷等位错理论的发展也促进了晶界理论、晶体缺陷等理论的发展。理论的发展。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础位错的运动示意位错的运动示意位错的运动就像毛虫爬行

14、一样，是局部区域先滑移，位错的运动就像毛虫爬行一样，是局部区域先滑移，并逐步扩大，而不是理想的刚性滑动并逐步扩大，而不是理想的刚性滑动v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础位错运动的演示位错运动的演示v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础柏氏矢量柏氏矢量（联系（联系材料科学基础材料科学基础）刃形位错的柏氏矢量与位错线垂直刃形位错的柏氏矢量与位错线垂直螺形位错的柏氏矢量与位错线平行螺形位错的柏氏矢量与位错线平行v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础刃形位错的柏氏矢量刃形位错的柏氏矢量v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理

15、基础位错的运动位错的运动 滑移滑移 攀移：攀移：正攀移、负攀移正攀移、负攀移刃形位错刃形位错螺形位错螺形位错v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础位错的滑移位错的滑移-刃形位错刃形位错一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体时，一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体时，就会在晶体表面产生宽度为一个柏氏矢就会在晶体表面产生宽度为一个柏氏矢量的台阶量的台阶v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础位错的滑移位错的滑移-刃形位错刃形位错 刃型位错的移动方向与位错线相互刃型位错的移动方向与位错线相互垂直垂直 位错滑移的结果是位错滑移的结果是在晶体表面形成在晶体表面形成一个宽度为柏

16、氏矢量的台阶一个宽度为柏氏矢量的台阶v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础位错的滑移位错的滑移-刃形位错刃形位错 螺型位错滑移过整个晶体后，也在晶体螺型位错滑移过整个晶体后，也在晶体表面形成一个宽度为表面形成一个宽度为柏氏矢量的台阶柏氏矢量的台阶。 位错移动的方向与柏氏矢量垂直，即位错移动的方向与柏氏矢量垂直，即与与位错线垂直位错线垂直v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础位错的攀移位错的攀移 螺型位错无攀移螺型位错无攀移 正攀移正攀移正刃型位错位错线上移正刃型位错位错线上移 负刃型位错位错线下移负刃型位错位错线下移v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金

17、属塑性变形的物理基础位错的交割位错的交割 两根刃型位错线都在各自的滑移面上移动，两根刃型位错线都在各自的滑移面上移动，则在相遇后交截分别形成各界，形成割阶则在相遇后交截分别形成各界，形成割阶后仍分别在各自的平面内运动。后仍分别在各自的平面内运动。 刃型位错和螺型位错交割时，在各自的位刃型位错和螺型位错交割时，在各自的位错线上形成刃型割阶，位错线也能继续滑错线上形成刃型割阶，位错线也能继续滑移。移。 螺型位错和螺型位错交割时，相交后形成螺型位错和螺型位错交割时，相交后形成的两个割阶被钉住而不能移动，只能通过的两个割阶被钉住而不能移动，只能通过攀移才能使割阶移动。攀移才能使割阶移动。v第第2章章

18、金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础交滑移交滑移 对于螺型位错，所有包含位错线的晶面都对于螺型位错，所有包含位错线的晶面都可能成为滑移面。可能成为滑移面。 交滑移交滑移：螺形位错的柏氏矢量具有一定的：螺形位错的柏氏矢量具有一定的灵活性，当滑移受阻是，可离开原滑移面灵活性，当滑移受阻是，可离开原滑移面而沿另一晶面继续移动而沿另一晶面继续移动 双交滑移双交滑移：发生交滑移的位错，滑移再次：发生交滑移的位错，滑移再次受阻，而转到与第一次的滑移面平行的的受阻，而转到与第一次的滑移面平行的的晶面继续滑移晶面继续滑移 刃型位错不可能产生交滑移刃型位错不可能产生交滑移v第第2章章 金属塑性变形的物理

19、基础金属塑性变形的物理基础位错塞积位错塞积 当运动位错遇上障碍物时，若外加应力不当运动位错遇上障碍物时，若外加应力不够大，就被阻止在障碍物前，构成位错塞够大，就被阻止在障碍物前，构成位错塞积积 要使塞积位错群越过障碍物继续滑移，必要使塞积位错群越过障碍物继续滑移，必须增大外应力，这是加工硬化的原因之一。须增大外应力，这是加工硬化的原因之一。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础孪生孪生 孪生孪生是单晶体是单晶体塑性变形的另塑性变形的另一种方式。孪一种方式。孪生是以晶体中生是以晶体中的一定的晶面的一定的晶面（称为孪晶面）（称为孪晶面）沿着一定的晶沿着一定的晶向（孪生方向）向（

20、孪生方向）移动而发生的。移动而发生的。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础孪生孪生 在常温下，大多数体心立方金属滑移的在常温下，大多数体心立方金属滑移的临界切应力小于孪生，故滑移是优先的临界切应力小于孪生，故滑移是优先的变形方式；在变形方式；在很低的温度下很低的温度下则相反，孪则相反，孪生才能发生生才能发生 对于面心立方金属，孪生的临界切应力对于面心立方金属，孪生的临界切应力比滑移大，一般不发生孪生比滑移大，一般不发生孪生;在极低的温在极低的温度下或高速冲击载荷下，孪生才有可能度下或高速冲击载荷下，孪生才有可能发生发生 密排六方金属由于滑移系少，滑移难以密排六方金属由于滑

21、移系少，滑移难以进行，进行，主要靠孪生方式变形主要靠孪生方式变形滑移与孪生滑移与孪生有什么异同有什么异同点？点？v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础2、晶间变形、晶间变形晶间变形的主要方式是晶间变形的主要方式是晶粒之间的相互滑动和转动晶粒之间的相互滑动和转动晶粒之间的滑动和转动晶粒之间的滑动和转动v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础晶间变形晶间变形 晶间变形不能简单的看成是经接触的相晶间变形不能简单的看成是经接触的相对机械滑动，而是对机械滑动，而是晶界附近具有一定厚晶界附近具有一定厚度的区域内发生应变的结果度的区域内发生应变的结果。 在冷态变形条件下

22、，多晶体的塑性变形在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形知其次要的主要是晶内变形，晶间变形知其次要的作用，而且需要其他的机制相协调。作用，而且需要其他的机制相协调。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础二、塑性成形的特点二、塑性成形的特点v受晶界和晶粒位向的影响较大受晶界和晶粒位向的影响较大 多晶体塑性变形的抗力比单晶体高；多晶体塑性变形的抗力比单晶体高； 多晶体内晶粒越细，晶界总面积就越大，金属强度越高，多晶体内晶粒越细，晶界总面积就越大，金属强度越高，塑性越好。塑性越好。v多晶体变形不均匀性多晶体变形不均匀性 晶粒受位向和晶界的约束，变形先后不一致，

23、导致变形晶粒受位向和晶界的约束，变形先后不一致，导致变形不均匀。不均匀。 由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间存在不同的内应由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间存在不同的内应力，变形结束后不会消失，构成残余应力。力，变形结束后不会消失，构成残余应力。v综上，综上，即塑性变形具有不同时性，相互协调性以及不均即塑性变形具有不同时性，相互协调性以及不均匀匀 性。性。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础晶粒大小对金属塑性和变形抗力的影晶粒大小对金属塑性和变形抗力的影响响 晶粒越细小，金属屈服强度越大晶粒越细小，金属屈服强度越大 晶粒越小，金属塑性越好晶粒越小，金属塑性越好 晶粒细化对

24、提高塑性成形件的表面质量晶粒细化对提高塑性成形件的表面质量有利有利v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础三、合金的塑性变形三、合金的塑性变形v合金的相结构有两大类：合金的相结构有两大类：固溶体固溶体（如钢中（如钢中的铁素体、铜锌合金中的的铁素体、铜锌合金中的 相相）和）和化合物化合物（如钢中的（如钢中的FeFe3 3C C、铜锌合金中的、铜锌合金中的 相相）v常见的合金组织：常见的合金组织：单相固溶体合金、两相单相固溶体合金、两相或多相合金或多相合金v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础单相固溶体合金的塑性变形单相固溶体合金的塑性变形 固溶强化固溶强化：

25、异类原子以置换或间隙方式溶入基：异类原子以置换或间隙方式溶入基体合金，对金属的变形行为产生影响，使变形体合金，对金属的变形行为产生影响，使变形抗力和加工硬化率有所提高，塑性有所下降的抗力和加工硬化率有所提高，塑性有所下降的现象现象 应变时效应变时效：应变力作用下，材料的组织性能随：应变力作用下，材料的组织性能随时间发生变化。当退火状态的低碳钢试样拉伸时间发生变化。当退火状态的低碳钢试样拉伸到超过屈服点发生少量塑性变形后卸载，然后到超过屈服点发生少量塑性变形后卸载，然后立即重新加载拉伸，则可见其拉伸曲线不再出立即重新加载拉伸，则可见其拉伸曲线不再出现屈服点，此时试样不会再发生屈服现象。如现屈服点

26、，此时试样不会再发生屈服现象。如果将预变性试样在常温下放置几天或经果将预变性试样在常温下放置几天或经200左右短时加热后再行拉伸，则屈服现象又复出左右短时加热后再行拉伸，则屈服现象又复出现，且屈服应力进一步提高。现，且屈服应力进一步提高。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形按照第二相粒子的尺寸大小按照第二相粒子的尺寸大小 ，可将其分为，可将其分为 聚合型两相合金聚合型两相合金：第二相粒子的尺寸与：第二相粒子的尺寸与基体相晶粒尺寸属于同一数量级基体相晶粒尺寸属于同一数量级 弥散分布型两相合金弥散分布型两相合金：第二相粒子十分：第二相粒子十

27、分微小，并弥散地分布在基体晶粒内微小，并弥散地分布在基体晶粒内v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础聚合型两相合金的塑性变形聚合型两相合金的塑性变形此类合金并非都因第二相而产生强化，只此类合金并非都因第二相而产生强化，只有第有第二相较强时，合金才能得到强化二相较强时，合金才能得到强化 滑移首先发生于较弱相中滑移首先发生于较弱相中 较强相数量很少，变形基本在较弱相中较强相数量很少，变形基本在较弱相中进行进行 较强相体积分数达到较强相体积分数达到30%，两相以接近，两相以接近于相等的应变发生变形于相等的应变发生变形 较强相体积分数高于较强相体积分数高于70%，该相变为基，该相变

28、为基体相体相v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础弥散型两相合金的塑性变形弥散型两相合金的塑性变形当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相体相中时，将产生显著的硬化现象中时，将产生显著的硬化现象沉淀强化（时效强化沉淀强化（时效强化）：第二相微粒是）：第二相微粒是通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化析出并产生强化弥散强化弥散强化：第二相微粒是借助粉末冶金：第二相微粒是借助粉末冶金方法加入而起强化作用方法加入而起强化作用v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础四、冷变形对金属组织

29、和性能的四、冷变形对金属组织和性能的影响影响（一）（一） 组织的变化组织的变化 晶粒形状的变化晶粒形状的变化：金属经冷加工变形后，其晶：金属经冷加工变形后，其晶粒形状发生变化，变化趋势大体与金属宏观变粒形状发生变化，变化趋势大体与金属宏观变形一致。形一致。 晶粒内产生亚晶晶粒内产生亚晶 晶粒位相改变晶粒位相改变（变形织构：多晶体中原为任意（变形织构：多晶体中原为任意取向的各个晶粒，会逐渐调整其取向而彼此趋取向的各个晶粒，会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。这种由于塑性变形的结果而使晶粒具于一致。这种由于塑性变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织）有择优取向的组织） 拉拔时产生丝织构，轧制时产生板织构

30、（变形拉拔时产生丝织构，轧制时产生板织构（变形织构经退火后和各向异性仍然存在）织构经退火后和各向异性仍然存在）v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础冷变形对金属组织和性能的影冷变形对金属组织和性能的影响响(二二) 性能的变化性能的变化 加工硬化：随变形程度的增加工硬化：随变形程度的增加，金属强度、硬度增加，加，金属强度、硬度增加，而塑性韧性降低的现象，称而塑性韧性降低的现象，称为加工硬化。为加工硬化。 加工硬化在金属的塑性成形加工硬化在金属的塑性成形加工中，会使变形力显著增加工中，会使变形力显著增加，对成形工件和模具都有加，对成形工件和模具都有一定的损害作用；但利用金一定的

31、损害作用；但利用金属加工硬化的性质，对材料属加工硬化的性质，对材料进行预处理，会使其力学性进行预处理，会使其力学性能提高能提高v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础第二节第二节 金属热态下的塑性变形金属热态下的塑性变形 热塑性变形的定义热塑性变形的定义：从金属学的角度看，再结：从金属学的角度看，再结晶温度以上进行的塑性变形，称为热塑性变形晶温度以上进行的塑性变形，称为热塑性变形或热塑性加工。或热塑性加工。 在热塑性变形过程中，回复、再结晶与加工硬化在热塑性变形过程中，回复、再结晶与加工硬化同时发生，加工硬化不断被回复或再结晶所抵消，同时发生，加工硬化不断被回复或再结晶所抵消

32、，而使金属处于高塑性、低变形抗力的软化状态。而使金属处于高塑性、低变形抗力的软化状态。 在实际的金属中，并不像理想金属晶体中那样，在实际的金属中，并不像理想金属晶体中那样，原子与原子紧密排列而是存在很多缺陷：原子与原子紧密排列而是存在很多缺陷： 包括包括点缺陷、线缺陷和面缺陷点缺陷、线缺陷和面缺陷v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础点缺陷点缺陷点缺陷包括：点缺陷包括：空位、间隙原子和异类原子空位、间隙原子和异类原子间隙原子间隙原子空位空位置换间置换间隙原子隙原子异类间隙异类间隙原子原子v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础线缺陷线缺陷位错是晶体中的线缺

33、陷，包括：韧性位错、位错是晶体中的线缺陷，包括：韧性位错、螺形位错、混合位错螺形位错、混合位错螺形位错混合位错v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础面缺陷面缺陷面缺陷是指二维缺陷，包括：堆垛层错、晶界面缺陷是指二维缺陷，包括：堆垛层错、晶界和亚晶界和亚晶界 堆垛层错（堆垛层错（stacking fault） 抽出型层错抽出型层错 插入型层错插入型层错如面心立方：如面心立方：ABCA（B）CABC 抽出抽出ABC（B）ABCABC 插入插入v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础晶界晶界一般分为小角度晶界（一般分为小角度晶界（101010 ）晶界上的原子平均

34、能量高于晶界上的原子平均能量高于晶内原子，高出的能量晶内原子，高出的能量称为晶界能。称为晶界能。小角度晶界v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础晶界晶界亚晶界亚晶界扭转晶界扭转晶界v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础一、热塑性变形时的软化过程一、热塑性变形时的软化过程热塑性变形时的软化过程比较复杂。按热塑性变形时的软化过程比较复杂。按其性质可分为以下几种：动态回复，动其性质可分为以下几种：动态回复，动态再结晶，静态回复，静态再结晶，亚态再结晶，静态回复，静态再结晶，亚动态再结晶等。动态再结晶等。动态回复和动态再结晶是在热塑性变形动态回复和动态再结晶是在

35、热塑性变形过程中发生的；而静态回复、静态再结过程中发生的；而静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶则是在热变形的间歇晶和亚动态再结晶则是在热变形的间歇期间或热变形后，利用金属的高温余热期间或热变形后，利用金属的高温余热进行的。进行的。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础热塑性变形时的软化过程热塑性变形时的软化过程 高层错能金属在热轧变形程度较小高层错能金属在热轧变形程度较小(50)时，时，只发生动态回复，随后发生静态回复；低层错只发生动态回复，随后发生静态回复；低层错能金属在热轧变形程能金属在热轧变形程 度较小度较小(50)时，只时，只 发生动态回复，随后发生动态回复，随后

36、发生静态回复和静态发生静态回复和静态 再结晶再结晶v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础热塑性变形时的软化过程热塑性变形时的软化过程 高层错能金属在热挤压变形程度很大高层错能金属在热挤压变形程度很大(99)时，时，发生动态回复，出模孔后发生静态回复和静态发生动态回复，出模孔后发生静态回复和静态再结晶；低再结晶；低 层错能金属在热挤层错能金属在热挤 压变形程度很大压变形程度很大 (99) 时，发生动时，发生动 态再结晶，出模孔态再结晶，出模孔 后发生亚动态再结后发生亚动态再结 晶晶v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础（一）（一） 静态回复和再结晶静态回复

37、和再结晶 静态回复：静态回复：金属在塑性变形期间所吸收金属在塑性变形期间所吸收的机械能，大部分用来改变金属的形状的机械能，大部分用来改变金属的形状和变为热能而散失掉。大约有和变为热能而散失掉。大约有110110的的能量以各种能的形式储存在金属中使金能量以各种能的形式储存在金属中使金属的内能升高，处于热力学上的不稳定属的内能升高，处于热力学上的不稳定状态，有自发向稳定状态转变的趋势。状态，有自发向稳定状态转变的趋势。当温度升高时，由于原子动能的增加，当温度升高时，由于原子动能的增加，就产生向稳定状态的转变，降低了储蓄就产生向稳定状态的转变，降低了储蓄能。能。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金

38、属塑性变形的物理基础回复回复 低温回复（低温回复（0.10.3Tm）时，回复的主要）时，回复的主要机理是空位的移动和空位与其他缺陷的机理是空位的移动和空位与其他缺陷的结合结合 中温回复（中温回复（0.3 0.5Tm）时，除了上述的）时，除了上述的点缺陷运动外，还包括位错发团内部的点缺陷运动外，还包括位错发团内部的重新组合或调整、位错的滑移和异号位重新组合或调整、位错的滑移和异号位错的互毁错的互毁 高温回复（大于高温回复（大于0.5Tm小于再结晶温度）小于再结晶温度）时，则进而出现位错的攀移、亚晶的合时，则进而出现位错的攀移、亚晶的合并和多边形化并和多边形化v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金

39、属塑性变形的物理基础静态回复和再结晶静态回复和再结晶 （静态）再结晶：（静态）再结晶：当变形金属加热至当变形金属加热至较高温度时，将形较高温度时，将形成一些位错密度很成一些位错密度很低的新晶粒，这些低的新晶粒，这些新晶粒不断增加和新晶粒不断增加和扩大，逐渐全部取扩大，逐渐全部取代己变形的高位错代己变形的高位错密度的晶粒的过程密度的晶粒的过程v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础静态再结晶静态再结晶 再结晶后，金属强度、硬度显著下降，再结晶后，金属强度、硬度显著下降，塑性、韧性提高，内应力和加工硬化塑性、韧性提高，内应力和加工硬化完全消除。完全消除。 再结晶温度：经过再结晶温

40、度：经过70以上大变形量的以上大变形量的金属，在均匀温度中保持一小时能完全金属，在均匀温度中保持一小时能完全再结晶的最低温度。再结晶的最低温度。 影响再结晶的因素：温度、保温时间、影响再结晶的因素：温度、保温时间、变形程度、原始晶粒尺寸和金属的化学变形程度、原始晶粒尺寸和金属的化学成分等成分等v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础动态回复动态回复 动态回复是在热塑性变形过程中发生的动态回复是在热塑性变形过程中发生的回复回复 金属即使在远高于静态再结晶温度下塑金属即使在远高于静态再结晶温度下塑性加工时，一般也只发生动态回复性加工时，一般也只发生动态回复 动态回复在热塑性变形的

41、软化过程中占动态回复在热塑性变形的软化过程中占有很重要的作用，是高层错能金属热变有很重要的作用，是高层错能金属热变形过程中唯一的软化机制形过程中唯一的软化机制 动态回复主要是通过位错的攀移、交滑动态回复主要是通过位错的攀移、交滑移等来完成移等来完成v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础动态再结晶动态再结晶 动态再结晶是在热塑性变形过程中发生动态再结晶是在热塑性变形过程中发生的结晶的结晶 动态再结晶容易发生在层错能较低的金动态再结晶容易发生在层错能较低的金属，且当热加工变形量很大时属，且当热加工变形量很大时 动态再结晶晶粒与同等大小的静态再结动态再结晶晶粒与同等大小的静态再结

42、晶晶粒相比，具有更高的强度和硬度晶晶粒相比，具有更高的强度和硬度 动态再结晶后的晶粒度与变形温度、应动态再结晶后的晶粒度与变形温度、应变速率和变形程度等因素有关变速率和变形程度等因素有关v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础热变形后的软化过程热变形后的软化过程 在热变形的间歇时间或者热变形完成之后，由在热变形的间歇时间或者热变形完成之后，由于金属仍处于高温状态，一般会发生以下三种于金属仍处于高温状态，一般会发生以下三种软化过程：静态回复、静态再结晶和亚动态再软化过程：静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶。结晶。 金属热变形时除少数发生动态再结晶情况外，金属热变形时除少数发生动

43、态再结晶情况外，会形成亚晶组织，使内能提高，处于热力学不会形成亚晶组织，使内能提高，处于热力学不稳定状态，若热变形程度不大，将会发生静态稳定状态，若热变形程度不大，将会发生静态回复；若热变形程度较大，且热变形后金属仍回复；若热变形程度较大，且热变形后金属仍保持在再结晶温度以上时，则将发生静态再结保持在再结晶温度以上时，则将发生静态再结晶。晶。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础热变形后的软化过程热变形后的软化过程 对于层错能较低在热变形时发生动态再结晶的对于层错能较低在热变形时发生动态再结晶的金属，热变形后则迅即发生亚动态再结晶。金属，热变形后则迅即发生亚动态再结晶。 所

44、谓亚动态再结晶，是指热变形过程中已经形所谓亚动态再结晶，是指热变形过程中已经形成的、但尚未长大的动态再结晶晶核、以及长成的、但尚未长大的动态再结晶晶核、以及长大到中途的再结晶晶粒被遗留下来，当变形停大到中途的再结晶晶粒被遗留下来，当变形停止后而温度又足够高时，这些晶核和晶粒会继止后而温度又足够高时，这些晶核和晶粒会继续长大，此软化过程即称为亚动态再结晶。续长大，此软化过程即称为亚动态再结晶。 上述三种软化过程均与热变形时的变形温度、上述三种软化过程均与热变形时的变形温度、应变速率和变形程度，以及材料的成分和层错应变速率和变形程度，以及材料的成分和层错能的高低等因素有关。能的高低等因素有关。v第

45、第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础二、热塑性变形机理二、热塑性变形机理 金属热塑性变形机理主要有：晶内滑移、金属热塑性变形机理主要有：晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移和扩散蠕变等。晶内孪生、晶界滑移和扩散蠕变等。 晶内滑移是最主要和常见的；晶内滑移是最主要和常见的； 孪生多在高温高速变形时发生，但对于孪生多在高温高速变形时发生，但对于六方晶系金属，这种机理也起重要作用；六方晶系金属，这种机理也起重要作用； 晶界滑移和扩散蠕变只在高温变形时才晶界滑移和扩散蠕变只在高温变形时才发挥作用发挥作用v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础扩散性蠕变扩散性蠕变 扩散性蠕变

46、是在应力场作用下，由空位的定扩散性蠕变是在应力场作用下，由空位的定向移动所引起的。在应力场作用下，受拉应向移动所引起的。在应力场作用下，受拉应力的晶界力的晶界(特别是与拉应力相垂直的晶界特别是与拉应力相垂直的晶界)的的空位浓度高于其他部位的晶界。由于各部位空位浓度高于其他部位的晶界。由于各部位空位的化学势能差，引起空位的定向移动，空位的化学势能差，引起空位的定向移动，即空位从垂直于拉应力的晶界放出，而被平即空位从垂直于拉应力的晶界放出，而被平行于拉应力的晶界所吸收。行于拉应力的晶界所吸收。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础扩散性蠕变扩散性蠕变 按扩散途径的不同，可分为晶

47、内扩散和晶界按扩散途径的不同，可分为晶内扩散和晶界扩散。晶内扩散引起晶粒在拉应力方向上的扩散。晶内扩散引起晶粒在拉应力方向上的伸长变形，或在受压方向上的缩短变形；而伸长变形，或在受压方向上的缩短变形；而晶界扩散引起晶粒的晶界扩散引起晶粒的“转动转动”v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础三、双相合金热塑性变形的特三、双相合金热塑性变形的特点点 对于弥散型双相合金，第二相粒子除直接对基体相的对于弥散型双相合金，第二相粒子除直接对基体相的变形产生影响外，还会通过对合金的再结晶行为的影变形产生影响外，还会通过对合金的再结晶行为的影响而对热塑性变形产生影响响而对热塑性变形产生影响

48、对于聚合型的双相合金，由于各相的性能和体积百分对于聚合型的双相合金，由于各相的性能和体积百分数的不同，同样会对热变形时的再结晶行为产生影响数的不同，同样会对热变形时的再结晶行为产生影响 两相合金热变形时，在较大的变形程度条件下，可将两相合金热变形时，在较大的变形程度条件下，可将粗大的第二相打碎、并改变其分布状况，使第二相粗大的第二相打碎、并改变其分布状况，使第二相(包包括夹杂物括夹杂物)呈带状呈带状 双相合金热变形时，由于具备有利的原子扩散条件，双相合金热变形时，由于具备有利的原子扩散条件，会使第二相的形态发生改变会使第二相的形态发生改变 当第二相为低熔点纯金属相或低熔点共晶体分布于晶当第二相

49、为低熔点纯金属相或低熔点共晶体分布于晶界时，则热变形时会局部熔化，造成金属的热脆性，界时，则热变形时会局部熔化，造成金属的热脆性，在热银、热轧时容易沿晶界开裂在热银、热轧时容易沿晶界开裂v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础四、热塑性变形对金后组织和性四、热塑性变形对金后组织和性能的影响能的影响 改善晶粒组织改善晶粒组织 锻合内部缺陷锻合内部缺陷 破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布中的分布 形成纤维组织形成纤维组织 改善偏析改善偏析v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础第三节第三节 金属的超塑性变形金属的超塑性变

50、形 使金属处于特定的条件下，如一定的化学成分、使金属处于特定的条件下，如一定的化学成分、特定的显微组织及转变能力、特定的变形温度特定的显微组织及转变能力、特定的变形温度和应变速率等，则金属会表现出异乎寻常的高和应变速率等，则金属会表现出异乎寻常的高塑性状态，即所谓超塑性变形状态。塑性状态，即所谓超塑性变形状态。 优越性：能极大地发挥材料塑性潜力和大大降优越性：能极大地发挥材料塑性潜力和大大降低变形抗力，从而有利于复杂零件的精确成形。低变形抗力，从而有利于复杂零件的精确成形。 对于像钦合金、铝合金、镁合金、合金钢和高对于像钦合金、铝合金、镁合金、合金钢和高温合金等较难成形的金属材料的成形，尤其具

51、温合金等较难成形的金属材料的成形，尤其具有重要意义。有重要意义。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础一、超塑性的概念和种类一、超塑性的概念和种类所谓超塑性，可以理解为金属和合金具有所谓超塑性，可以理解为金属和合金具有超常超常的均匀变形能力，一般有以下定义方式的均匀变形能力，一般有以下定义方式 大伸长率：达到百分之几百、甚至百分大伸长率：达到百分之几百、甚至百分之几千之几千 拉伸时无颈缩拉伸时无颈缩 无流动应力无流动应力 易成形易成形 基本上无加工硬化基本上无加工硬化v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础分类分类经常归纳为细晶超塑性和相变超塑性经常归纳为

52、细晶超塑性和相变超塑性 细晶超塑性：材料的晶粒必须超细化和等轴化，细晶超塑性：材料的晶粒必须超细化和等轴化，并在成形期间保持稳定，晶粒细化的程度要求并在成形期间保持稳定，晶粒细化的程度要求小于小于10m，越小越好；恒温条件的下限温度，越小越好；恒温条件的下限温度约为约为05Tm。(Tm为绝对熔化温度为绝对熔化温度)，一般为，一般为0.50.7Tm；应变速率在；应变速率在10-110-5s-1范围内范围内.由于由于这种超塑性的特点是先使金属经过必要的组织这种超塑性的特点是先使金属经过必要的组织结构准备，又是在特定的恒温条件下出现的，结构准备，又是在特定的恒温条件下出现的，故又称为结构超塑性或恒温

53、超塑性故又称为结构超塑性或恒温超塑性v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础分类分类 动态超塑性（相变超塑性）动态超塑性（相变超塑性） 在一定的外力作用下，使金属或合金在相变温在一定的外力作用下，使金属或合金在相变温度附近反复加热和冷却，使其充分相变或同素度附近反复加热和冷却，使其充分相变或同素异构转变，而获得很大的伸长率异构转变，而获得很大的伸长率两种超塑性的比较：两种超塑性的比较： 相变超塑性相变超塑性它不要求材料进行晶粒的超细化、它不要求材料进行晶粒的超细化、等轴化和稳定化的预先处理，这是其有利的一等轴化和稳定化的预先处理，这是其有利的一面面 但是相变超塑性必须给予动态

54、热循环作用，这但是相变超塑性必须给予动态热循环作用，这就构成操作上的一大缺点，较难应用于超塑性就构成操作上的一大缺点，较难应用于超塑性成形加工成形加工v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础二、细晶超塑性变形力学特征二、细晶超塑性变形力学特征1 由于没有加工硬化其应力由于没有加工硬化其应力-应变曲线变为应变曲线变为如下如下2 流动应力对变形速率极其敏感流动应力对变形速率极其敏感Y为真实应力为真实应力K实验条件常数实验条件常数m应变速率敏感系数应变速率敏感系数 为应变速率为应变速率v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础三、影响细晶超塑性的主要因三、影响细晶超

55、塑性的主要因素素细晶超塑性材料对影响因素的影响相当敏细晶超塑性材料对影响因素的影响相当敏感，感，只在严格要求的条件下才表现出超塑性只在严格要求的条件下才表现出超塑性 应变速率应变速率 变形温度变形温度 组织影响组织影响v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础四、超塑性时组织的变化和对力四、超塑性时组织的变化和对力学性能的影响学性能的影响（一）组织变化（一）组织变化 晶粒会发生长大，但等轴度基本不变晶粒会发生长大，但等轴度基本不变 在最佳超塑性应变速率范围内，不形成在最佳超塑性应变速率范围内，不形成亚结构，也未发现位错亚结构，也未发现位错 许多合金会产生空洞许多合金会产生空洞v

56、第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础超塑性时组织的变化和对力学性超塑性时组织的变化和对力学性能的影响能的影响（二）对力学性能的影响（二）对力学性能的影响 不存在织构，不产生各向异性，具有较不存在织构，不产生各向异性，具有较高的抗应力腐蚀性能高的抗应力腐蚀性能 不存在弹性畸变能，没有残余应力不存在弹性畸变能，没有残余应力 存在加工软化现象存在加工软化现象 很高的疲劳强度很高的疲劳强度v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础五、超塑性变形机理五、超塑性变形机理A-V机理：机理： 由阿希贝由阿希贝(Ashby)和弗拉和弗拉尔尔(Verral)提出的晶界滑动和提出

57、的晶界滑动和扩散蠕变联合机理扩散蠕变联合机理(简称简称AV机理机理)被认为能较好地解释被认为能较好地解释超塑性变形过程，该理论认超塑性变形过程，该理论认为，在晶界滑移的同时伴随为，在晶界滑移的同时伴随有扩散蠕变，对晶界滑移起有扩散蠕变，对晶界滑移起调节作用的不是晶内位错的调节作用的不是晶内位错的运动，而是原子的扩散迁移。运动，而是原子的扩散迁移。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础第四节第四节 金属在塑性加工过程中的金属在塑性加工过程中的塑性行为塑性行为一、塑性的基本概念和塑性指标一、塑性的基本概念和塑性指标 塑性是指固体材料在外力作用下发生永塑性是指固体材料在外力作用下

58、发生永久变形而不破坏其完整性的能力，它反久变形而不破坏其完整性的能力，它反映了材料产生塑性变形的能力。映了材料产生塑性变形的能力。 塑性指标是为了衡量金属塑性的高低而塑性指标是为了衡量金属塑性的高低而确立的数量上的指标。通常用材料开始确立的数量上的指标。通常用材料开始破坏时的塑性变形量来表示。破坏时的塑性变形量来表示。v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础常用的塑性指标常用的塑性指标 伸长率伸长率（拉伸试验）（拉伸试验） 断面收缩率断面收缩率 （拉伸试验）（拉伸试验）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

59、；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 00100%hLLL00100%hFFFv第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础常用的塑性指标常用的塑性指标 应变应变（在墩粗试验中）（在墩粗试验中）式中：式中： 压下率；压下率； H0试样原始高度；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00100%hHHHv第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础常用的塑性指标常用的塑性指标 扭转试验：扭转试验：对

60、于一定试样，所得总转数越高，塑对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形性越好，可将扭转数换作为剪切变形（ ） 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。 v第第2章章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础二、金属的化学成分和组织对塑二、金属的化学成分和组织对塑性的影响性的影响（一）化学成分的影响（一）化学成分的影响（C、P、S、N、H、O）碳碳: :碳碳塑性塑性杂质杂质: :杂质杂质塑性塑性磷磷冷脆性冷脆性硫硫热脆性热脆性氮氮时效脆性时效脆性氢氢氢脆现象，白