第二章-金属塑性变形的物理基础2

第二章-金属塑性变形的物理基础2第一页，共28页。一、热塑性变形时的软化过程定义：从金属学的角度看，在再结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。分类：按其性质可分为动态回复，动态再结晶，静态回复，静态再结晶，亚动态再结晶等。前两种是在热塑性变形过程中发生的，后三种是在热变形的间歇期间或热变形后，利用金属的高温余热进行的。第一页第二页，共28页。（一）静态回复定义：在较低的温度下、或在较早阶段发生转变的过程成为静态回复。它是变形后的金属自发地向自由能降低的方向转变的过程。第二页第三页，共28页。（一）静态回复（续）回复机理随回复温度不同而有差别（１）较低温度的回复（０.１-０.３Ｔm），主要是点缺陷的运动和点缺陷的互相结合；注：Ｔm指金属的绝对熔化温度。（２）加热温度稍高（０.３-０.５Ｔm）时，将发生位错运动，位错重新组合和异号位错互毁；（３）加热温度较高（大于０.５Ｔm）时，不在同一滑移面的位错通过攀移或交滑移等机构得以去除，同时出现亚晶粒长大（“多边形化”）和吞并，降低位错密度。第三页第四页，共28页。“多边形化”位错通过滑移、攀移、交滑移等多种运动方式，使滑移面上的位错由水平塞积逐渐变为垂直排列，形成所谓位错壁。晶体被位错壁分隔成许多位向差小、而原子排列基本不规则的小晶块。这些小晶块形状近似一个多边形，故称此过程为多边形化。多边形化的结果形成亚晶，这种亚晶是回复时形成的，称为回复亚晶，比变形时由于位错缠结而直接形成的亚晶约大１０倍左右。第四页第五页，共28页。（一）静态回复（续）应用：

去应力退火是回复在金属加工中的应用之一。它既可基本保持金属的加工硬化性能，又可消除残余应力，从而避免工件的畸变或开裂，改善耐蚀性。第五页第六页，共28页。（二）静态再结晶定义：

冷变形金属加热到更高的温度（再结晶温度以上）后，金属原子有更大的活动能力，会在原变形金属中重新形成新的无畸变等轴晶，并最终取代冷变形组织，此过程称为金属的静态再结晶。第六页第七页，共28页。（二）静态再结晶（续）特点：（１）再结晶是一个显微组织彻底重新改组的过程，在性能方面也发生了根本性的变化，表现为金属的强度、硬度显著下降，塑性大为提高，加工硬化和应力完全消除，物理性能也得到恢复，金属大体上恢复到冷变形前的状态。但并不是简单地恢复到变形前组织的过程，可通过控制变形和再结晶条件，达到改善和控制金属组织、性能的目的。第七页第八页，共28页。（二）静态再结晶（续）再结晶过程：是通过形核和生长完成的。形核机理：（１）变形程度较大时，高温回复阶段，位向差很小的亚晶会合并成一个较大的亚晶。当进一步提高加热温度时，此合并长大的亚晶就成为再结晶的核心。（２）变形程度较小时，在一定的高温下，晶界的一个线段会向着位错密度高的晶粒一侧突然移动，被这段晶界扫掠过的小面积，位错互毁而降低到最低的密度，这块小区域成为再结晶核心。

注：要求晶界两侧有很大的位错密度差，需要一个相当长的孕育期。第八页第九页，共28页。冷变形金属加热时组织和性能的变化第九页第十页，共28页。（三）动态回复动态回复是在热变形过程中发生的回复，金属即使在远高于静态再结晶温度下塑性变形时一般也只发生动态回复。（原因？）动态回复主要通过位错的攀移、交滑移来实现。动态回复是高层错能金属热变形过程中唯一的软化机制。对于层错能较低的金属若变形程度较小时，通常也只发生动态回复。第十页第十一页，共28页。（四）动态再结晶

动态再结晶是在热变形过程中发生的再结晶，与静态再结晶一样，也是通过形核和生长来完成的。它容易发生在层错能较低且有较大热变形程度的金属上。第十一页第十二页，共28页。（五）亚动态再结晶热变形中已经形成但未长大的再结晶晶核以及长大途中遗留下的再结晶晶粒，但变形停止后温度足够高时，会继续长大，此过程称为亚动态再结晶。它不需形核，所以进行得很快。第十二页第十三页，共28页。动、静回复和再结晶示意第十三页第十四页，共28页。冷变形后回复再结晶晶粒长大第十四页第十五页，共28页。二、热塑性变形机理１、晶内滑移：位错的滑移、攀移、交滑移等２、晶界滑移：与冷变形相比，晶界滑动的变形量要大得多。但与晶界滑移相比，变形量还是小的。３、扩散性蠕变：是在应力场作用下，由空位的定移动引起的。按扩散途径可分为：晶内扩散（引起晶粒在拉应力方向上的伸长变形）和晶界扩散（引起晶粒的“转动”）。第十五页第十六页，共28页。热塑性变形时，由于晶界强度降低，使得晶界滑动易于进行；温度越高，原子动能和扩散能力就越大，扩散蠕变既直接为塑性变形作贡献，也对晶界滑移其调节作用。热塑性变形的主要机理仍然是晶内滑移；由于晶界滑动和扩散蠕变作用的增加，再加之变形时会产生动态回复和再结晶。因此，热态下金属塑性变形能力比冷态下高，变形抗力较低。第十六页第十七页，共28页。扩散蠕变示意a）空位和原子的移动方向b）晶内扩散c）晶界扩散第十七页第十八页，共28页。三、双相合金热塑性变形的特点1.弥散型双相合金：弥散的第二相对再结晶而言会有不同的作用，相对而言，更容易出现不利于结晶的情况。2.聚合型双相合金：各相的性能和比例不同，对热变形中的再结晶行为产生不同的影响，容易降低合金的塑性变形能力。3.两相合金热变形时：第二相可以被打碎、可能发生粗化、容易局部熔化，造成金属的热脆性。第十八页第十九页，共28页。四、热塑性变形对金属组织和性能的影响１、对组织的影响

（１）改善晶粒组织，细化晶粒

对于铸态金属，粗大的树枝状晶经塑性变形及再结晶而变成等轴（细）晶粒组织；对于经轧制、锻造或挤压的钢坯或型材，在以后的热加工中通过塑性变形与再结晶，其晶粒组织一般也可得到改善。

第十九页第二十页，共28页。对组织的影响（2）锻合内部缺陷

铸态金属中疏松、空隙和微裂纹等缺陷被压实，提高金属致密度。锻合经历两个阶段：缺陷区发生塑性变形，使空隙两壁闭合；在压应力作用下，加上高温，使金属焊合成一体。没有足够大的变形，不能实现空隙闭合，很难达到宏观缺陷焊合。足够大三向压应力，能实现微观缺陷锻合。第二十页第二十一页，共28页。１、对组织的影响（3）形成纤维组织

在热变形过程中，随变形程度增加，钢锭内粗大树枝晶沿主变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也逐渐与主变形方向一致，形成流线。由于再结晶的结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而流线却很稳定地保留下来直至室温。第二十一页第二十二页，共28页。钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意第二十二页第二十三页，共28页。１、对组织的影响（4）破碎改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布

高速钢、高铬钢、高碳工具钢等，其内部含有大量的碳化物。通过锻造或轧制，可使这些碳化物被打碎、并均匀分布，从而改善了它们对金属基体的削弱作用。第二十三页第二十四页，共28页。２、对性能的影响

细化晶粒、锻合内部缺陷、破碎并改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布可提高材料的强