金属的冷变形(北理工考研适用)

第八章金属的冷变形弹性、黏弹性【弹性变形】材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状，这种可恢复的变形称为弹性变形。【弹性模量】代表着使原子离开平衡位置的难易程度，表征晶体中原子间结合力强弱的物理量，是组织不敏感参数。沿着原子最密排的晶向弹性模量最高，而沿着原子排列的最疏松晶向弹性模量最低。【包格申效应】材料经预先加载产生少量塑性变形（小于4%）,而后同向加载则Oe升高，反向加载则Oe下降，此现象称为包格申效应。【弹性滞后】应变落后于应力，在O七取向上使加载线与卸载线不重合而形成一个封闭回线，称弹性滞后。【内耗】弹性滞后，表明加载消耗于材料的变形功大于卸载时材料回复所释放的变形功，多余的部分被材料内部所消耗，称之内耗。单晶体的塑性变形1、 滑移线与滑移带2、 滑移系【滑移面】晶体的滑移发生在一定的晶面和晶向，发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。【滑移系】一个确定的滑移面与位于该滑移面上的一个滑移方向构成一个滑移系。滑移面和滑移方向通常是晶体中的密排面和密排方向.FCC：滑移面：｛111｝，共有四个有效滑移面滑移方向：110，每个滑移面上有三个滑移方向滑移系数目：4*3=12个BCC滑移面：｛110｝、｛112｝、｛123｝等晶面上。通常在低温下为｛112｝，中温时为｛110｝，高温下为｛123｝滑移方向总是111晶向。总的滑移系数目：6*2+12*1+24+1=48个一般滑移系多塑性会好，但是还与杂质、加工硬化等有关，bcc的滑移方向少，48个滑移系不能同时运动，且滑移面密排程度低，因此fcc塑性更好。HCP：滑移面与轴比c/a有关。当c/a大于或近似等于1.633时，滑移面为（0001）晶面，滑移系为3个。当c/a小于1.633时，滑移面变为柱面（1-100）或棱锥面（1-101）,滑移系分别为3个和6个。但滑移方向都是＜11-20＞。★孪生是塑性变形的另一种重要形式，它常作为滑移不易进行时的补充。【孪生】是以晶体中一定的晶面（称为孪晶面）沿着一定的晶向（孪生方向）移动而发生的，已滑移部分和未滑移部分镜面对称。在切变区域内，与孪晶面平行的各层晶面的相对位移是一定的。实质就是一个肖克莱不全位错的移动。孪晶对整个变形量的总体贡献不大，而且临界切应力很大。但是对hcp结构很重要。形成的孪晶改变了晶体的位向，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。体心立方金属滑移系多，但在一定特殊条件下也可发生孪晶。面心立方一般不会发生孪晶，但对于加工硬化或超低温的金属也有可能。3、*临界分切应力FCOS九F、入 aT二 二COS九COS0二QCOS九COSAcos0A s0滑移面法向和外力夹角 入滑移方向和外力夹角滑移面分力：Feos入滑移面面积：A/COS0【Schmid取向因子】对于某特定晶体，临界切应力一定，屈服强度不同是由于取向因子不同造成的。m增大，软取向，容易屈服m减小，硬取向，不易屈服1mmax=COS九COS0(九+0=900)=mmax当滑移面垂直或平行于拉伸轴时，m=0当滑移面垂直或平行于拉伸轴时，m=0,不滑移。4、 【晶体的转动】拉伸时，在产生滑移的过程中，晶体的位向在不断改变，不仅滑移面在转动，而且滑移方向也改变位向。5、 多系滑移【单滑移】只有一个特定的滑移系处于最有利的位置而优先开动时，形成单滑移。一个晶粒内只有一组平行滑移线。【多滑移】由于变形时晶体转动，有两组或几组滑移面同时转到有利位向，使滑移可能在两组或更多的滑移面上同时或交替地进行，形成“双滑移”或“多滑移”【交滑移】指两个或多个滑移面共同沿着一个滑移方向的滑移。交滑移是纯螺位错的运动，当螺位错分解为扩展位错时，欲交滑移，必须先束集为全螺位错，此过程与层错能有关（层错能越低，越难束集，难以发生交滑移），还可因热激活而得到促进。6、 位错的滑移机制★派-纳公式由派-纳公式可知，位错宽度越大，则派-纳力越小，这是因为外错宽度表示了位错所导致的点阵严重畸变区的范围，宽度大，则位错周围的原子就能比较接近于平衡位置，点阵的弹性畸变能低，故位错移动时其他原子所作相应移动的距离较小，产生的阻力也较小。例如面心立方结构金属具有大的位错宽度，故其派-纳力小，屈服应力低；而体心立方金属结构的位错宽度较窄，故其派-纳大，屈服应力较高；至于原子间作用力具有强烈方向性的共价晶体和离子晶体，其位错宽度极窄，则表现出硬而脆的特性。★位错的阻力：①点阵阻力；②位错与位错的交互作用产生的阻力；③运动位错交截后形成的扭折和割阶，尤其是螺型位错的割阶将对位错起定扎作用；④位错与其他级晶体缺陷如点缺陷、其他位错、晶界和第二相质点等交互作用产生的阻力，对位错均会产生阻力，导致晶体强化。【扭折】是不均匀塑性变形的一种形式，它是在滑移和孪生难以实现，或者在变形受到某种约束时才出现的。在扭折带中，晶体位向有突变，有可能使该区域内的滑移系处于有利的位置，从而产生滑移。多晶体的塑性变形一、 晶粒取向的影响每个晶粒的变形受到相邻晶粒的制约，需要与相邻晶粒相互协调②晶界对每个晶粒以及多晶材料整体的塑性变形产生重要影响★一个多晶体是否能够塑性变形不同晶粒变形存在不同时性和不均匀性，如果各晶粒的变形独立进行、互不约束，变形从某个晶粒开始以后，不可能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒之中，则出现空隙和裂纹。多晶体作为一个连续的整体，每个晶粒处于其它晶粒的包围之中，不允许各个晶粒在任一滑移系中自由变形，为使每一晶粒与邻近晶粒产生协调变形，需要六个方向上同时应变分量自由度。VonMises指出：晶粒应至少能在五个独立的滑移系上进行滑移任意变形可用E：xx,£yy,£zz，Yxy，Yyz,Yzx表示。因AV=£xx+£yy+£zz=0，故只有5个独立变量。即决定于它是否具备有5个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的要求。这与晶体的结构类型有关：滑移系甚多的面心立方和体心立方晶体能满足这个条件，故它们的晶体具有很好的塑性；相反，密排六方晶体由于滑移系少，晶粒之间的应变协调性差，所以其多晶体的塑性变形能力很低。二、 晶界的影响晶界上原子排列不规律，点阵畸变严重，何况晶界两侧的晶粒取向不同，滑移方向和滑移面彼此不一致，因此滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，也就是说，在室温下晶界对滑移具有阻碍效应。【晶界阻滞效应】90%以上的晶界是大角度晶界，结构复杂，由约几个纳米厚的原子排列紊乱区域与原子排列较整齐区域交替相间而成。晶界本身使滑移受阻不易直接传到相邻晶粒。【取向差效应】多晶体中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同，滑移不能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。二者耦合作用，很难区分★位错塞积模型位错运动一晶界阻碍一位错塞积一应力集中应力集中足够大，激发相邻晶粒位错源，原来取向不利的晶粒也开始变形，相邻晶粒变形松弛应力，滑移传播一变形传递多晶体的变形抗力比单晶体大：由于晶界阻滞效应及取向差效应，使多晶体的变形抗力比单晶体大，其中，取向差效应是多晶体加工硬化更主要的原因，一般说来，晶界阻滞效应只在变形早期较重要。位错塞积量影响背应力，进而影响位错源运动：相同外力下塞积相同位错一粗晶粒位错源距晶界远一背应力小一同样外力下塞积多一背应力大一临近晶粒的位错易开动一粗晶粒屈服强度低一细晶强化高温强度：变形温度高于0.5Tm以上时，由于原子活动能力增大，以及原子沿晶界的扩散速率加快，使高温下晶界在应力作用下会产生粘滞性流动，发生晶粒沿晶界的相对滑动；另外，还可能产生“扩散蠕变”晶界本身是空位的源和湮没井，多晶体的晶粒越细，扩散蠕变速度就越大，所以，细晶粒组织的高温强度反而较低。【蠕变】产生的变形随时间缓慢增加的现象。原因：主要由高温下金属晶界滑移引起。合金的塑性变形一、单相固溶体合金的塑性变形1、 【固溶强化】合金溶质原子溶入基体金属形成固溶体后，变形时抗力提高，即临界切应力大于纯金属的现象。置换式固溶：原子尺寸差别增大，溶解度减小，点阵畸变度增大，应力场增强，位错运动阻力增大，强化效果增强。间隙式固溶：间隙固溶形成强烈的点阵畸变，效果明显。女口：碳原子溶入F中，形成不对称畸变，形成体心正方结构，含碳量增大，正方度（c/a）增大，强化效果增强。★影响固溶强化的因素溶质原子的质量分数越高，强化作用就越大，特别是当原子数分数很低时，强化效果更明显。溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用越明显。间隙型溶质原子比置换型溶质原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化效果大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度有限，故实际强化效果也有限。溶质原子与基体金属的价电子相差越大，固溶强化越明显，即固溶体的屈服强度随合金电子浓度的增加而提咼。一般认为，固溶强化是由于多方面的作用，主要有溶质原子与位错的弹性交互作用、化学交互作用和静电交互作用，以及当固溶体产生塑性变形时，位错运动改变了溶质原子的在固溶体结构中以短程有序或偏聚形存在的分布状态，从而引起系统能量的升高，由此也增加了滑移变形的阻力。2、 屈服现象和应变时效★屈服与柯氏气团：C、N等溶质原子与位错的应力场发生弹性交互作用，形成气团钉扎位错运动，必须在更大的应力作用下才能产生新的位错或使位错脱钉，表现为上屈服点；一旦脱钉，使位错继续运动的应力就不需开始时那么大，故应力值下降到下屈服点，试样继续伸长，应力保持为定值或有微少的波动。【应变时效】将低碳钢试样拉伸到产生少量预塑性变形后卸载，立刻重新加载，试样不发生屈服现象，但若在室温停留几天或在低温（如150°C）时效几小时后再进行拉伸，此时屈服点现象重新出现，并且上屈服点升高，这种现象即应变时效。室温长期停留或低温时效期间，溶质原子C、N又聚集到位错线周围重新形成气团所致。解决由于吕德斯带造成的工件表面不平整的措施:加入少量新的溶质原子，形成稳定化合物的元素。板材在深冲之前进行比屈服伸长范围稍大的预变形（约0.5%-2%变形度），使位错挣脱气团的钉扎，然后尽快进行深冲。第二相对合金的塑性变形的影响按第二相尺寸分类：1、 聚合型：第二相粒子尺寸与基体晶粒尺寸属同一数量级两个相都具有塑性相：等应变理论：fG+fG等应力理论：£二+baabb两相中一个是塑性相，而另一个是硬脆相时，则合金的机械性能主要取决于硬脆相的存在情况。第二相粗大：变形只在基体中，第二相易破碎或周围产生裂纹，合金强度塑性不好。第二相连续分布在晶界上：合金很脆。2、 弥散分布型：第二相粒子十分细小，并且弥散地分布在基体晶粒内第二相以细小弥散的微粒均匀分布在基体相中时，将产生显著的强化作用，通常将微粒分成不可变形的和可变形的两类。不可变形微粒的强化作用一一奥罗万机制（位错绕过机制）适用于第二相粒子较硬并与基体界面为非共格的情形。减小粒子尺寸（在同样的体积分数时，粒子越小则粒子间距也越小）或提高粒子的体积分数，都使合金的强度提高。可变形微粒的强化作用一一'割机制适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形,强化作用主要决定于粒子本身的性质以及其与基体的联系。位错切过粒子后产生新的界面，提高了界面能若共格的粒子是一种有序结构，位错切过时需要附加应力点阵常数与基体不同产生共格畸变，应变场阻碍位错运动层错能与基体的不同，扩展位错切过粒子时宽度会产生变化，引起能量升高，从而强化由于基体和粒子中滑移面的取向不一致，螺型位错线切过粒子时必然产生一割阶，而割阶会妨碍整个位错线的移动。增大粒子尺寸或增加体积分数有利于提高强度冷变形金属组织和性能一、 显微组织变化每个晶粒内部出现大量的滑移带或孪晶；随着变形度增加，原来的等轴晶粒将逐渐沿其变形方向伸长，当变形量很大时，晶粒变大模糊不清，晶粒已难以分辨出而呈现出一片如纤维状的条纹，这称为【纤维组织】纤维的分布方向即材料的流变伸展方向。二、 亚结构变化【胞状组织】位错冷变形过程中产生大量增殖和双交滑移，数量激增（106-1012cm-2）。形成了高密度位错缠结的位错胞壁，内部密度低。属于小角度晶界，但位错难以穿过。变形量增大，位错胞尺寸减小，位错密度增大，跨越胞壁的平均取向差也逐渐增加。层错能高的金属（如Al、Fe）,当变形程度较高时，容易出现明显的胞状组织。三、性能变化1、【加工硬化】随塑性变形量增大，材料强度不断提高，塑性不断下降的现象。机理：位错交割、缠结，塞积等阻碍位错运动。

机理：位错交割、缠结，塞积等阻碍位错运动。单晶体的加工硬化第一阶段（易滑移阶段）：单滑移。第二阶段（线性硬化阶段）：多滑移第三阶段（抛物线硬化阶段）：交滑移。多晶体的加工硬化因晶粒空间取向和协调变形要求f多晶体各晶粒必然有多组滑移系同时开动f因此多晶体的应力一应变曲线不会出现单晶曲线的第I阶段。2、物理、化学性能变化塑性变形后的金属材料，因点阵畸变,2、物理、化学性能变化塑性变形后的金属材料，因点阵畸变,空位和位错等结构缺陷的增加，金属的电阻率增高，金属的电阻温度系数下降，密度、磁导率和热导率降低，铁磁材料的磁滞损耗及矫顽力增大。由于塑性变形使得金属中的结构缺陷增多，能量升高，金属的化学活性增大，腐蚀速度加快。3、性能各向异性织构出现使材料性能呈现各向异性。四、 形变织构【纤维组织】退火态等轴晶经过冷变形后，晶粒沿拉拔和轧制方向伸长，可变形夹杂和第二相随晶粒伸展（变形足够大时，晶界模糊），不可变形夹杂物也呈带状分布，这种组织称为纤维组织。顺纤维方向强度增大，垂直方向减小，呈现各向异性。【变形织构】由于变形时滑移面的转动，使多晶体中某同一滑移系取向变成与拉力轴平行，即各任意取向的晶粒由于转动使取向趋于大体一致，这个过程称为“择优取向”由变形引起的择优取向后的晶体结构称为“变形织构”【丝织构】在拉丝时形成，使各个晶粒的某一晶向转向与拉伸方向平行，以与线轴平行的晶向＜uvw＞表示。【板织构】轧制时，使晶粒的某一晶向趋向于与轧制方向平行，某一晶面趋向于与轧制面平行，以与轧面平行的晶面｛hkl｝和与轧向平行的晶向＜uvw＞表示，记为｛hkl｝vuvw＞。变形量增大，织构趋势增强。完全理想的织构，取向如同单晶，实际上，多晶体金属中晶粒取向的集中程度往往不很高。织构的形成使材料的性能出现各向异性。五、 残余应力【残余内应力】金属塑性变形时，外力所作的功除了转化为热量之外，还有一小部分被保留在金属内部，表现为残余应力。塑性变形不均匀在材料内形成三类残余内应力。①第一类残余应力（宏观残余应力，作用范围为整个工件）：它是由金属材料（或零件）各个部分（如表面和心部）的宏观塑性形变不均匀而引起的。使工件尺寸不稳定，严重时甚至使工件在受力之下变形产生断裂第二类残余应力（微观残余应力）尺度与晶粒尺寸为同级往往在晶粒内或晶粒之间保持平衡，是由于晶粒或亚晶粒之间变形不均匀而引起的。使金属更容易腐蚀，以黄铜最为典型，加工以后由于内应力存在，春季或潮湿环境下发生应力腐蚀开裂。第三类残余应力（晶格畸变残余应力）因晶粒内部位错等造成晶格畸变而产生。塑性变形时产生大量空位和位错，其周围产生了点阵畸变和应力场，此时的内应力是在几百或几千个原子范围内保持平衡，其中占主要的又是由于生成大量位错所形成的应力。是产生加工硬化的主要原因。残余应力危害：减低工件承载能力；使工件尺寸、形状变化，降低工件耐蚀性。残余应力利用：表面压应力提高疲劳强度。六、储存能【储存能】不高于20%的金属变形功以空位、位错所具有能量以及弹性应变能的形式储存于材料内部，称储存能。位错占据储存能的80%左右。★影响储存能的因素变形量越大，储存能越大。变形温度越低、变形速率越快，储存能越大。变形金属强度越高，储存能越大。金属熔点越高，储存能越大。储存能对金属能量状态的影响：使金属处于高能量状态。回复再结晶冷变形金属在加热时组织性能会发生变化。冷变形时较高的弹性畸变能、高位错密度、空位等储存能量是促使冷变形金属发生变化的驱动力。微观组织处于不稳定状态。一旦加热，原子具有足够的扩散能力，将发生一系列变化，从而导致性能的变化。变化时从储能释放及组织结构和性能的变化来分析，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。一、回复【回复】冷变形金属加热，尚未发生组织变化前微观结构和性能变化的过程。一般认为是点缺陷和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的组态和分布。低温回复：0.1-0.3Tm，原子活动能力有限，点缺陷运动，空位迁移至晶界、与间隙原子结合，浓度降低，趋于平衡。中温回复：0.3-0.5Tm,,滑移导致位错反应或抵消，位错胞壁转化为亚晶界。高温回复：＞0.5Tm,位错充分激活，滑移和攀移，同号位错形成位错墙（多边化）亚晶粒合并。★回复动力学特点回复过程没有孕育期，随着退火的开始即发生软化。在一定温度下，初期的回复速率很大，以后逐渐变慢，直到最后回复速率为零。每一温度有一极限回复程度，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此极限所需时间则越短。回复后金属性能不能恢复到冷变形前的水平。回复退火的应用：主要用作去应力退火，使冷加工金属在基本上保持加工硬化的状态下降低其内应力，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，提高耐蚀性。二、再结晶【再结晶】冷变形后的金属加热到一定温度后，变形组织中产生无畸变的新等轴晶粒，而力学、物理性能急剧变化，恢复到变形以前的完全软化状态的过程。其驱动力为冷变形时的储能。（大变形的中间工序，消除加工硬化，成份结构不变。）再结晶形核：高畸变能区，畸变能补足形核界面能原有晶界弓出形核：变形度较小时（V20%）,相邻两个晶粒的变形不均匀导致位错密度不同，晶界将向高位错密度的晶粒弓出。亚晶形核：变形度较大时（＞20%），通过亚晶合并（高层错能金属）和亚晶迁移长大（低层错能金属），使亚晶界与基体的取向差增大，直至形成大角度晶界，便成为再结晶的核心。★再结晶动力学具有S形特征，存在孕育期温度越高，转变速度越快再结晶速率开始时很小，然后逐渐加快，再结晶体积分数约为0.5时，速度达到最大值，随后逐渐减慢★影响再结晶的因素变形量：变形量越大，储存能越高，再结晶速率也越大。开始再结晶温度越低。存在一最小变形量，称为临界变形量。变形量大于临界变形量，再结晶才可能发生。一般为2-10%。温度：温度越高，原子扩散能力提高，再结晶速率也越大。临界变形量越小。存在一最低再结晶温度，称为开始再结晶温度。加热温度高于此温度再结晶才可能发生。【再结晶温度】经过严重冷变形的金属（£＞70%）,加热1小时，再结晶体积占到总体积的95%的温度。保温30-60min，开始发生再结晶或完成50%再结晶的温度。引用再结晶温度时，必须注意它的具体条件。对于工业纯金属，其起始再结晶温度与熔点之间关系：T=（0.35-0.45）T再 熔金属纯度：纯金属加入微量溶质原子，再结晶形核和长大都困难，将提高再结晶温度，降低再结晶速率.第二相：较大的第二相利于形核，小颗粒抑制形核。入三1pm，di三0.3pm：降低再结晶温度，提高再结晶速度入＜1pm，diW0.3pm：提高再结晶温度，降低再结晶速度原始晶粒大小：原始晶粒尺寸越小，降低再结晶温度，提高再结晶速率。三、再结晶后的晶粒长大驱动力:是晶界能的下降，晶粒长大导致总界面能的降低。晶粒长大是大晶粒吞并小晶粒过程。长大方向朝界面曲率中心，即界面朝曲率中心迁移。晶粒长大的驱动力是晶界曲率造成的晶界两侧的化学位差。凹侧化学位高于凸侧的化学位，导致原子从凹侧扩散至凸侧，界面向凹侧移动。【正常长大】晶粒连续均匀长大，具有均匀的晶粒尺寸分布、 7卫、丄再结晶后晶粒尺寸dC（苛）4N★再结晶后晶粒大小变形程度增加，再结晶晶粒变细。原始晶粒越细，再结晶后晶粒越细退火温度：当变形程度和保温时间一定时，退火温度越高，晶粒长大速度越快，所得到的晶粒越粗大。加热速度很慢将使晶粒粗化。第二相质点的数量越多，颗粒越小，则阻碍晶粒长大的能力越强，晶粒越细小。【异常长大（二次再结晶）】将再结晶完成后的金属继续加热至某一温度以上，或更长时间的保温，会有少数晶粒优先长大，成为特别粗大的晶粒的现象。驱动力：同正常晶粒长大一样，是长大前后的界面能差产生条件：正常晶粒长大过程被弥散的第二相质点或杂质、织构等所强烈阻碍。对性能的影响：得到粗大组织，降低材料的室温机械性能，大多数情况下应当避免。四、金属热变形【热加工】将金属或合金加热至再结晶温度以上进行的压力加工载荷：变形硬化过程+温度：回复和再结晶过程=动态回复和再结晶条件：温度足够高、变形足够大、变形率足够小。热加工后的晶粒沿变形方向伸长，同时，晶粒内部出现动态回复所形成的等轴亚晶粒。亚晶尺寸与稳态流变应力