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金属冷态下的塑性变形

金属热态下的塑性变形

金属的超塑性变形

金属在塑性加工过程中的塑性行为第2页,共88页，2024年2月25日，星期天第一节金属冷态下的塑性变形基本概念

单晶体多晶体位错第3页,共88页，2024年2月25日，星期天金属的晶体结构单晶体：各方向上的原子密度不同－各向异性

多晶体：晶粒方向性互相抵消－各向同性存在着一系列缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷第4页,共88页，2024年2月25日，星期天线缺陷（位错）线缺陷又称为位错。位错模型最开始是为了解释材料的强度性质而提出的。材料拉伸实验时，当应力超过弹性限度而使晶体材料发生塑性形变时，可以在表面上观察到滑移带的条纹。第5页,共88页，2024年2月25日，星期天滑移带与滑移面第6页,共88页，2024年2月25日，星期天如何解释晶体滑移？第7页,共88页，2024年2月25日，星期天如何解释晶体滑移？按原子面与原子面之间刚性错开的模型进行定量解释时遇到严重困难。在该模型中假定滑移面两侧原子间的结合键同时破坏，又同时键合。由于同时破坏这些原子键所需的力很大，致使按照该模型计算出来的理论强度比晶体的实际强度要大100倍到1000倍。第8页,共88页，2024年2月25日，星期天如何解释晶体滑移？经过大量研究，人们认识到滑移过程并非是原子面之间整体的发生相对位移，而是一部分先发生位移，然后推动晶体中另一部分滑移，循序渐进。第9页,共88页，2024年2月25日，星期天如何解释晶体滑移？第10页,共88页，2024年2月25日，星期天如何解释晶体滑移？位错就是在滑移面上已经滑移及尚未滑移部分的分界线。这样，晶体的滑移可以看作是位错运动的结果。当位错从一端运动到另一端之后，整个晶体错动了一个原子位置，位错滑出晶体时，晶体恢复完整，但却留下了永久形变。由于位错附近有严重原子错排，以及弹性畸变引起的长程应力场，因此在位错附近的原子平均能量比其理想晶格位置上的要高，比较容易运动。另一方面又由于运动是逐步进行的，所以，实际剪切应力比理论值要低得多。第11页,共88页，2024年2月25日，星期天位错S：位错线长度，V：体积，ρ：位错密度一般退火金属：ρ

=106-108/cm2冷变形、淬火金属：ρ

=1011-1012/cm2

位错有两种基本类型，一种叫做刃型位错，另一种叫做螺型位错。实际晶体中的位错往往既不是单纯的螺位错，也不是单纯的刃位错，而是它们的混合形式，故称之为混合位错。位错密度越高，金属的强度、硬度越高。

第12页,共88页，2024年2月25日，星期天

刃型位错

晶体中多余的半原子面好象一片刀刃切入晶体中，沿着半原子面的“刃边”，形成一条间隙较大的“管道”，该“管道”周围附近的原子偏离平衡位置，造成晶格畸变。刃型位错包括“管道”及其周围晶格发生畸变的范围，通常只有3到5个原子间距宽，而位错的长度却有几百至几万个原子间距。第13页,共88页，2024年2月25日，星期天

刃型位错与间隙原子的相互作用刃型位错会吸引间隙原子和置换原子向位错区聚集。小的间隙原子（红色）往往进入位错管道，置换原子（棕色）则富集在管道周围。这样可以降低晶格的畸变能，同时这些间隙原子和置换原子对位错起了钉扎作用，使位错难以运动，结果可以使晶体的强度、硬度提高。第14页,共88页，2024年2月25日，星期天M.F.AshbyandD.R.H.Jones,EngineeringMaterials1,2nded.(2002)第15页,共88页，2024年2月25日，星期天刃型位错第16页,共88页，2024年2月25日，星期天

刃型位错

第17页,共88页，2024年2月25日，星期天

螺型位错

第18页,共88页，2024年2月25日，星期天螺型位错第19页,共88页，2024年2月25日，星期天螺型位错第20页,共88页，2024年2月25日，星期天混合型位错（螺型+刃型）

第21页,共88页，2024年2月25日，星期天位错的运动单滑移：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。多滑移：由于变形时晶体转动的结果，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：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。第22页,共88页，2024年2月25日，星期天滑移的表面痕迹单滑移：单一方向的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带；交滑移：波纹状的滑移带。第23页,共88页，2024年2月25日，星期天位错源和位错增殖第24页,共88页，2024年2月25日，星期天Frank-ReadsourcesinSiDash,DislocationandMechanicalPropertiesofCrystals,Wiley(1957).第25页,共88页，2024年2月25日，星期天一塑性变形机理

1晶内变形晶内变形的主要方式：滑移、孪生第26页,共88页，2024年2月25日，星期天滑移

滑移:在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移,且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。滑移面：原子排列密度最大的晶面。滑移方向：原子排列密度最大的方向。滑移系:一种滑移面及其上的一个滑移方向构成。第27页,共88页，2024年2月25日，星期天滑移带

第28页,共88页，2024年2月25日，星期天滑移面、滑移方向、滑移系第29页,共88页，2024年2月25日，星期天滑移时的位错运动

一个位错移到晶体表面时，便形成一个原子间距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位错移到晶体表面时，则形成一条滑移线。

第30页,共88页，2024年2月25日，星期天临界剪切应力

晶体进入塑性时，在滑移面上，沿滑移方向的剪应力称为临界剪应力

取向因子

[uvw]isperpendicularto(uvw)第31页,共88页，2024年2月25日，星期天孪生

孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，此公共晶面就称为孪晶面。第32页,共88页，2024年2月25日，星期天面心立方晶体孪晶的高分辨透射电镜(HRTEM）照片第33页,共88页，2024年2月25日，星期天孪晶第34页,共88页，2024年2月25日，星期天滑移与孪晶第35页,共88页，2024年2月25日，星期天孪生的特点（1）孪生是一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离是孪生方向原子间距的分数倍；孪生是部分位错运动的结果；孪晶面两侧晶体的位向不同，呈镜面对称；孪生是一种均匀的切变。第36页,共88页，2024年2月25日，星期天孪生的特点（2）孪晶的萌生一般需要较大的应力，但随后长大所需的应力较小，其拉伸曲线呈锯齿状。孪晶核心大多是在晶体局部高应力区形成。变形孪晶一般呈片状。变形孪晶经常以爆发方式形成，生成速率较快。第37页,共88页，2024年2月25日，星期天孪生的特点（3）形变孪晶常见于密排六方和体心立方晶体（密排六方金属很容易产生孪生变形），面心立方晶体中很难发生孪生。（4）孪生本身对金属塑性变形的贡献不大，但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。第38页,共88页，2024年2月25日，星期天一塑性变形机理

2晶间变形晶间变形的主要方式：晶粒之间相互滑动和转动。第39页,共88页，2024年2月25日，星期天二多晶体的塑性变形第40页,共88页，2024年2月25日，星期天多晶体的塑性变形的特点各晶粒变形的不同时性位错在晶界塞积应力集中相邻晶粒位错源开动相邻晶粒变形塑变各晶粒变形的相互协调性（1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。（2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）（3）条件：独立滑移系

5个。（保证晶粒形状的自由变化）第41页,共88页，2024年2月25日，星期天多晶体的塑性变形的特点晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性

（1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。（2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。第42页,共88页，2024年2月25日，星期天变形的不均匀性

（3）晶粒大小与性能的关系

a晶粒越细，强度越高(细晶强化)

s=

0+Kd-1/2

原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。

晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。

b晶粒越细，塑韧性提高细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现高韧性。第43页,共88页，2024年2月25日，星期天三合金的塑性变形

1单相固溶体的塑性变形（1）固溶体的结构（2）固溶强化

a）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。晶格畸变，阻碍位错运动

b）强化机制柯氏气团强化第44页,共88页，2024年2月25日，星期天固溶强化

c）屈服和应变时效现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间或200℃加热后再加载出现屈服。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。上屈服点下屈服点第45页,共88页，2024年2月25日，星期天固溶强化

d）固溶强化的影响因素

溶质原子含量越多，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好；间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。第46页,共88页，2024年2月25日，星期天合金的塑性变形2多相合金的塑性变形

结构：基体＋第二相性能：（1）两相性能接近：按强度分数相加计算（2）软基体＋硬第二相

第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）

a结构

两相呈层片状分布（珠光体）

第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）第47页,共88页，2024年2月25日，星期天多相合金的塑性变形性能（2）软基体＋硬第二相位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错运动)b弥散强化

位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻碍位错运动）第48页,共88页，2024年2月25日，星期天第49页,共88页，2024年2月25日，星期天四塑性变形对金属组织和性能的影响

1对组织结构的影响

晶粒拉长

（1）形成纤维组织

杂质呈细带状或链状分布第50页,共88页，2024年2月25日，星期天第51页,共88页，2024年2月25日，星期天H62黄铜挤压的带状组织第52页,共88页，2024年2月25日，星期天（2）亚结构变形量增大位错缠结位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低)第53页,共88页，2024年2月25日，星期天（3）形变织构形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行（拉拔时类型形成）板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于主变形方向（轧制时形成）第54页,共88页，2024年2月25日，星期天（3）形变织构

力学性能:利:深冲板材变形控制；弊:制耳

(各向异性)对性能的影响

物理性能:硅钢片{100}[100]织构可减少铁损第55页,共88页，2024年2月25日，星期天2对力学性能的影响（加工硬化）（1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。四塑性变形对金属组织和性能的影响

第56页,共88页，2024年2月25日，星期天2对力学性能的影响（加工硬化）

强化金属的重要途径利提高材料使用安全性（2）利弊材料加工成型的保证弊变形阻力提高，动力消耗增大脆断危险性提高

第57页,共88页，2024年2月25日，星期天第二节金属热态下的塑性变形从金属学的角度看，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。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化再结晶所抵消，而使金属处于高塑性、低变形抗力的软化状态。第58页,共88页，2024年2月25日，星期天一热塑性变形时的软化过程

第59页,共88页，2024年2月25日，星期天冷变形金属加热时组织和性能的变化第60页,共88页，2024年2月25日，星期天二热塑性变形机理晶内滑移晶内孪生晶界滑移扩散性蠕变扩散性蠕变第61页,共88页，2024年2月25日，星期天三热塑性变形对金属组织性能的影响

改善晶粒组织锻合内部缺陷破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布形成纤维组织改善偏析钢锭锻造过程中纤维组织形成示意

第62页,共88页，2024年2月25日，星期天第三节金属的超塑性变形超塑性是指金属在特定变形条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现象。一超塑性的概念和种类第63页,共88页，2024年2月25日，星期天超塑性的特点

超塑性变形的一般特点：

1、大伸长率

2、无缩颈

3、低流动应力

4、易成形采用超塑性成形工艺，可获得形状复杂和尺寸精确的锻件，而变形力大大降低。第64页,共88页，2024年2月25日，星期天

超塑性成形实例

TC11钛合金基于最大m值的超塑性研究试验方法：最大m值法(原始创新)塑性指标：最大延伸率δ=2300%(世界新记录)试验温度：900℃(最佳温度)原始组织状态：细晶，晶粒度5μm(工艺创新)试验时间：2006.9.30试验地点：南昌航空大学M栋112室第65页,共88页，2024年2月25日，星期天超塑性的种类

细晶超塑性

相变超塑性

是指在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所呈现的细晶超塑性。又称为结构超塑性或恒温超塑性。

是指在一定外力作用下，使金属或合金在相变温度附近反复加热和冷却，经过一定的循环次数后获得很大的伸长率。又称为动态超塑性。第66页,共88页，2024年2月25日，星期天二细晶超塑性变形力学特征在整个变形过程中，表现出低应力水平、无缩颈的大延伸现象。流动应力（真实应力）对变形速率极其敏感。描述这种特征的方程为——真实应力——决定于试验条件的材料常数——应变速率——应变速率敏感性指数第67页,共88页，2024年2月25日，星期天三影响细晶超塑性的主要因素

第68页,共88页，2024年2月25日，星期天四超塑性变形机理

目前仍处于探讨阶段，尚无统一的认识。几种主流的观点：晶界滑移的观点扩散蠕变机理的作用动态回复和动态再结晶

一般地认为，超塑性变形机理比常规塑性变形机理更为复杂，它包括晶界的滑移和晶粒的转动、扩散蠕变、位错的运动、在特殊情况下还有再结晶等，是几个机理的综合作用。第69页,共88页，2024年2月25日，星期天A-V超塑变形机理

由Ashby和Verrall提出的晶界滑动和扩散蠕变联合机理，简称A-V机理。σσ起始状态中间状态终了阶段ІІІ

该理论认为，在晶界滑移的同时伴随有扩散蠕变，对晶界滑移起调节作用的不是晶内位错的运动，而是原子的扩散迁移。第70页,共88页，2024年2月25日，星期天第四节金属在塑性加工过程中的塑性行为一金属的塑性及其指标第71页,共88页，2024年2月25日，星期天1金属的塑性

金属在外力作用下发生不可恢复的变形而保持其完整性不被破坏的性质称为金属的塑性。应力-应变曲线碳钢标准试件第72页,共88页，2024年2月25日，星期天1金属的塑性试件在弹性极限范围内的变形将完全恢复到原来的形状。第73页,共88页，2024年2月25日，星期天1金属的塑性

试件变形达到其弹性极限后，如果继续加载，将发生不可恢复的变形，称为塑性变形。第74页,共88页，2024年2月25日，星期天1金属的塑性

对超过弹性极限载荷的金属金属试件卸载，卸载曲线近似于弹性曲线。第75页,共88页，2024年2月25日，星期天1金属的塑性塑性变形

试件完全卸载后，残留部分不可恢复的变形εP,即塑性变形。第76页,共88页，2024年2月25日，星期天2金属的塑性指标

衡量金属材料塑性好坏的数量指标，称为塑性指标，一般以材料开始破坏时的塑性变形量来表示。测定塑性指标的实验方法

拉伸实验

镦粗实验

扭转实验第77页,共88页，2024年2月25日，星期天拉伸试验电子拉伸试验机标准试件试件断口第78页,共88页，2024年2月25日，星期天拉伸试验的力学条件与塑性指标拉伸速度一般液压机的速度范畴锻锤变形速度的下限可确定以下塑性指标：第79页,共88页，2024年2月25日，星期天

镦粗试验第80页,共88页，2024年2月25日，星期天

扭转试验

材料的塑性指标