第一章金属塑性变形的物理基础

1、第一章第一章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础第一章 金属塑性变形的物理基础1. 1 金属的塑性变形的机理及特点1. 2 金属塑性加工中组织和性能变化的基本规律 1. 3影响金属塑性的因素1. 4 金属的超塑性变形 1. 1 金属的塑性变形的机理及特点w一、概述w二、塑性变形机理w三、合金的塑性变形w四、热加工的变形机理一、概述1 塑性的基本概念在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力塑性加工：利用金属塑性变形获得所需形状尺寸的零件方法根据加工过程中的温度不同，分为：冷加工：回复和再结晶温度下热加工：再结晶温度上温加工：两者之间2 塑性指标及其测量方法2 塑性指标及其测量方法

2、塑性指标塑性指标的测量方法塑性指标概 念： 金属在破坏前产生的最大变 形程度，即极限变形量。表示方法： 断面收缩率 延伸率 冲击韧性 最大压缩率 扭转角（或扭转数） 弯曲次数塑性指标的测量方法拉伸试验法压缩试验法扭转试验法轧制模拟试验法拉伸试验法00100%hLLL00100%hFFF式中：L0拉伸试样原始标距长度； Lh拉伸试样破断后标距间的长度； F0拉伸试样原始断面积； Fh拉伸试样破断处的断面积 压缩试验法 简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定： 00100%hHHH式中： 压下率； H0试样原始高度； Hh试样压缩后，在侧表面出现第一条 裂纹时的 高度扭转试验法 对于一

3、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（） 。 030nRL式中：R试样工作段的半径； L0试样工作段的长度； n试样破坏前的总转数。 轧制模拟试验法 在平辊间轧制楔形试件，用偏心轧辊轧制矩形试样，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。 二、塑性变形机理 w1.单晶体塑性变形 滑移 一定的晶面和晶向 相对滑动 滑移面 滑移方向 滑移系 位错增值 临界切应力孪生一定的晶面和晶向 均匀切变coscossk 2.多晶体塑性变形 各晶粒的取向不同 晶界对位错运动的阻碍 1）变形机制为 晶内 滑动 晶间 转动 晶粒的转动 2）多晶体变形的特点不同时性相互协

4、调性不均匀性 塑性变形和弹性变形共存 三、合金的塑性变形 1.单相固溶体合金的变形 2.多相合金的变形 1.单相固溶体合金的变形w与多晶体组织相同 变形机制一样w溶质原子的加入 屈服强度和加工硬化率高w溶质原子怎样引起合金的屈服强度提高的？w1）气团 2）较多时，阻碍作用2.多相合金的变形 w根据第二相的尺寸分为w聚合型w弥散型w 塑性加工金属学 冶金出版社位错切开软相四 热加工的变形机理w变形机理w发生动态回复和动态再结晶w软化过程 使材料保持在高塑性、低屈服应力状态金属材料在热轧和挤压时的软化过程 2.热变形加工方法的优缺点 w优点w1) 金属在热加工变形时，变形抗力较低，消耗能量较少 w

5、2) 金属在热加工变形时，其塑性升高，产生断裂的倾向性减小 w3) 与冷加工相比较，热加工变形一般不易产生织构 w4) 在生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而可使生产工序简化，生产效率提高。w5) 热加工变形可引起组织性能的变化，以满足对产品某些组织与性能的要求 w缺点w1) 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 w2) 热加工后轧件的表面不如冷加工生产的尺寸精确和光洁 w3) 热加工后产品的组织及性能不如冷加工时均匀 w4) 从提高材料的强度来看，热加工不及冷加工 w5) 有些金属不宜进行热加工 1. 2 金属塑性加工中组织和性能变化的基本规律w一、冷

6、塑性变形时金属组织和性能的变化w二、热塑性变形时金属组织和性能的变化一、冷塑性变形时金属组织和性能的变化w1.组织晶粒 等轴 纤维 形成胞状结构 变形量大时 各晶粒取向一致w2.性能 一般地：强度、硬度 塑性、韧性 二、热塑性变形时金属组织和性能的变化1. 3 影响金属塑性的因素影响金属塑性的因素提高金属塑性的基本途径金属的化学成分及组织对塑性的影响1化学成分 （1）杂质 （2）合金元素对塑性的影响 2组织结构 这是内部因素w外部因素包括： 1.变形温度 一般地，随温度升高，塑性变好，但对于一些材料存在热脆区，如果温度在热脆区范围内，塑性反而降低。变形温度对金属塑性的影响塑性指标温度，K 图5

7、-14 温度对塑性影响的典型曲线温度，图5-15 碳钢的塑性随温度变化图塑塑性性2.应变速率1）变形速度为单位时间内变形程度的变化或单位时间内的相对位移体积，即w s-1w式中 ： 变形速度；w 变形程度；w 变形物体的体积；w 完成变形所需要的时间，单位s。w一般用最大主变形方向的变形速度来表示各种变形过程的变形速度 2）引起热效应 变形体温度升高，使塑性变好 也称为温度效应3）应变速率越高，滑移越不能充分进行，弹性变形部分越多，外力随之越大，达到断裂应力时，材料断裂 应变速率对塑性的影响，是这两种作用的综合。dtdVV1dtddVt变形速率对金属塑性的影响塑性变形速度，1/秒变形速度对塑性

8、的影响1.定义：消耗在塑性变形的能量，因塑性变形的复杂现象(滑移、晶间错移等)所致，变形后绝大部分转化为热能，当这部分热量来不及向外散发而积蓄于变形物体内部时，促使金属温度升高。 2.影响热效应（温度效应）的因素：变形温度 越高 温度效应越小应变速率 越高 温度效应越大对热变形，温度在再结晶以上，温度效应不明显。变形程度 越大 温度效应越大热效应表5-1 铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度合 金 号挤压系数挤压速度（毫米/秒）金属温度 L411150158195LD21116150294315LY111116150340350LY1131653083.热效应造成的影响1) 改变变形抗力 2)

9、改变变形过程的形式 3) 引起相态的变化 4) 改变合金的塑性状态 w4热效应的有利作用w1) 制定加工工艺规程时，采用适当的变形速度、变形温度与变形程度，可以减少或取消中间退火(充分利用热效应)；w2) 可以在低温下进行高速变形；w3) 可以提高金属的塑性与降低变形抗力，使较难变形的金属易于加工；w4) 实际操作中，用以控制工具孔型。w5热效应的不利影响w1) 使工具温度升高，造成金属粘结工具的现象。如粘模、缠辊等，大大降低工具的寿命与产品质量。w2) 使变形速度受到限制，影响生产率。如旋锻和拉丝过程中，由于变形温度升高显著，使之不能稳定(缩丝或断丝)进行，而必须采取一些必要的冷却措施。w3

10、) 某些金属因热效应使之进入脆性状态，从而不能采用连续变形。3.尺寸因素对金属塑性的影响变形体尺寸越大，其内部缺陷越多、性能越不均匀，变形时，越易在缺陷处、性能较差处断裂，降低材料的整体塑性。力 学性能12体积图5-25 变形物体体积对力学性能的影响 1塑性； 2变形抗力； 3临界体积点4.变形程度w1）对冷变形 随着变形程度的增加，加工硬化现象越重，塑性越低w2）热变形 对塑性影响不大w为什么？5.变形状态3-15 主应变图6.应力状态图3-6 主应力图7.周围介质w1）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。w2）周围介质的作用能引起变形物体

11、表面层的腐蚀以及化学成分的改变，使塑性降低。w3）有些介质（如润滑剂）吸附在变形金属的表面上，可使金属塑性变形能力增加 提高金属塑性的基本途径提高塑性的主要途径有以下几个方面：(1)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；(2)采用合适的变形温度速度制度；(3)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；(4)避免加热和加工时周围介质的不良影响。 1.4 金属的超塑性w1.定义 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100%的材料统称为“超塑性材料”，相应地把延伸率超过100%的现象叫做“超塑性”。w2

12、 .特点 根据超塑性的宏观变形特性 w1）大延伸 w2）无缩颈 w3）小应力 w4）易成形3.分类按照超塑性实现的条件（组织、温度、应力状态等）可将超塑性分为以下几类：1）恒温超塑性或第一类超塑性 材料具有稳定的超细等轴晶粒组织，在一定的温度区间（T0.4Tm）和一定的变形速度（10-410-1S-1）条件下出现超塑性 对热稳定差的材料，即使晶粒很小，也不能表现出超塑性。也称为结构超塑性、细晶超塑性。平时说的超塑性多指此类2）相变超塑性或第二类超塑性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 ，也称为动态超塑性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

13、在外加载荷作用下，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 4.两种超塑性的比较特点细晶超塑性相变超塑性组织要求超细化、等轴化、稳定化无特殊要求变形温度恒温（0.50.7Tm）相变温度附近反复转变变形过程一次大变形多次小变形叠加有无相变无有对合金要求可以等轴化、超细化具有相变或同素异构5.细晶超塑性分析1）变形力学特征 T：Const（a）（b）V2 V1V2V1工程应力工程应变真应变真应力T：Const（1）（2）图1-14 超塑性金属的应力应变曲线（a）工程应力应变；（b）真实应力应变mK超塑性变形的应力状态方程，即超塑性变形应力与应变速率的关系为：式中 真实应力真实应变速

14、度；m应变速率敏感性系数K决定于试验条件的常数w2）应变速率敏感性系数w表示材料抵抗颈缩的能力，m越大，越不容易产生颈缩lndlndm102（a）（b）1010.90.60.310-310-410-210-210-1110应变速率 min-1 ()dA/dtm=1A1/4Mg-Al共晶合金的应变速率（a）流动应力；（b）系数m=dln/dln的关系 与 不同m值时，截面变化速度与A值的关系 3)影响细晶超塑性的因素 (1)金属组织的影响极细的晶粒度、等轴、双相及稳定的组织 (2)应变速率的影响 细晶超塑性对速度非常敏感，只有在范围 内，才能表现出超塑性(3)变形温度的影响 1114min10m

15、in104)超塑性变型时组织的变化 (1)晶粒度的变化材料发生超塑性变形以后，虽然获得巨大的延伸率，但晶粒根本没有被拉长，仍然保持着等轴状态 (2)显微组织的变化材料发生超塑性变形以后， 发生显著的晶界滑移、移动及晶粒回转,几乎观察不到位错组织 (3)空洞的形成大量的研究表明，许多合金在超塑性拉伸变形时会形成空洞 5)细晶超塑性变形的机理 A.扩散蠕变理论（ a） （b） （c） （d） （e）在拉伸应力作用下，由初态a过渡到中间态b，最后达到终态c由晶内和晶界扩散流动所控制的晶界滑动和晶界迁移过程。 B.晶界滑动理论晶界滑移面位错塞积阻挡晶粒位错塞积超细晶粒材料的晶界有异乎寻常大的总面积，因

16、此晶界运动在超塑性变形中起着极其重要的作用。假定两晶粒群的晶界滑移在遇到了障碍晶粒时，被迫停止，此时引起的应力集中通过障碍晶粒内位错的产生和运动而缓和。位错通过晶粒而塞积到对面的晶界上，当应力达到一定程度时，使塞积前端的位错沿晶界攀移而消失，则内应力得到松驰，于是晶界滑移又再次发生。 C.动态再结晶理论 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，好象变形的同时又有退火，就会促使物质的超塑性。 5 .超塑性的应用 1）几种典型超塑性合金的制备目前人们已知的超塑性金属及合金已超过200种，按基体区分有Zn、Al、Ti、Mg、Ni、Pb、Sn、Zr、Fe基等合金，其中包括共晶合金、共析合金、多元合金等类型的合金。一般说来，共析、共晶合金由于比较容易细化晶粒及获得均匀的组织状态，所以容易实现超塑性。 A.Z n-22%Al合金的制备及超塑性获得的方法Zn-22%Al合金属共析合