金属的塑性课件

第2章金属的塑性 2 1金属的塑性 2 2金属多晶体塑性变形的主要机制 2 3影响金属塑性的因素 2 4金属的超塑性 2 1金属的塑性 2 1 1塑性的基本概念2 1 2塑性指标及其测量方法2 1 3塑性状态图及其应用 2 1 1塑性的基本概念 什么是塑性 塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力 塑性与柔软性的区别是什么 塑性反映材料产生永久变形的能力 柔软性反映材料抵抗变形的能力 塑性与柔软性的对立统一 不锈钢 塑性好 但变形抗力高白口铸铁 塑性差 变形抗力高铅 塑性好 变形抗力小结论 塑性与柔软性不是同一概念 为什么要研究金属的塑性 探索塑性变化规律寻求改善塑性途径选择合理加工方法确定最佳工艺制度提高产品质量 5 1 2塑性指标及其测量方法 塑性指标 金属在破坏前产生的最大变形程度 即极限变形量 塑性指标的测量方法 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 2 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 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 单向拉应力均匀变形阶段和三向拉应力局部变形阶段的塑性总和 伸长率大小与试样原始标距有关 而端面收缩率与试样原始标距无关 拉伸速度10mm s以下 对应应变速率在10 1 10 3S 1对应液压机的速度 3 8 4 5m s对应锻锤的速度 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 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 试样高端H0一般为直径D0的1 5倍 扭转试验法 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 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 扭转时的应力状态接近静水压力 且试样沿整个长度的塑性变形均匀 不像拉伸出现缩颈和压缩试验出现鼓形 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 金属变形的全过程 弹性变形均匀塑性变形不均匀塑性变形断裂各阶段变形的特点弹塑性共存定律弹塑性共存定律的意义 弹塑性共存定律的概念 在塑性变形过程中有弹性变形同时存在的现象 1 什么是变形抗力 变形抗力大塑性就越差 2 影响变形抗力有那些因素 对以下退火态安装变形抗力由小到大排序 42CrMo 纯铁 Gr15 45 4Cr5MoSiV 3 什么是塑性指标 塑性指标的表示方法 4 判断 伸长率大小与试样原始标距无关 端面收缩率与试样原始标距有关 5 填空 扭转时的应力状态接近静水压力 且试样沿整个长度的塑性变形均匀 不像拉伸出现 缩颈 和压缩试验出现 鼓形 2 1 3塑性状态图 plasticconditiondiagram 及其应用 概念 表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形 简称塑性图 一个完整的塑性图应该同时给出拉伸试验时的强度极限 b 延伸率 和断面收缩率 镦粗试验时的最大压缩率 M 扭转试验的扭转角或圈数 冲击试验的AK值 弯曲试验的弯曲角度或次数等多种性能指标与试验温度的关系 它反映了温度 速度以及应力状态类型等对金属塑性的影响 塑性图是选择合理的金属塑性加工方法和制订冷加工和热加工工艺规程的重要依据 是生产中不可缺少的基本资料之一 试验温度 图为W18Cr4V高速钢的塑性图 该钢种在800 1200 的温度范围内具有很好的塑性 塑性加工 如轧制 前钢锭加热时的最高温度为1230 超过此温度 钢可能产生裂纹或轴向断裂 变形终了温度不应低于900 否则不仅塑性明显降低 而且变形抗力急剧增大 温度 T 530 为液相 270 为 两相组织 270 T 530 为单一的 相 根据力学性能要求确立MB5主要成分为 Al5 5 7 0 Mn0 15 0 5 Zn0 5 1 5 根据塑性图进一步确定热变形温度范围 慢速加工 温度为350 400 时 断面收缩率 和压缩率 M都有最大值 不论轧制或挤压 都可在此温度范围内以较慢的速度加工 锻锤下加工 在350 左右有突变 变形温度应选择在400 450 工件形状比较复杂 变形时易发生应力集中 应根据 K曲线来判定 从图中可知 在相变点270 附近突然降低 因此 锻造或冲压时的工作温度应在250 以下进行为佳 2 2金属多晶体塑性变形的主要机制 2 2 1多晶体变形的特点2 2 2多晶体的塑性变形机构2 2 3合金的塑性变形2 2 4变形机构图 2 2 1多晶体变形的特点 1 各晶粒变形的不同时性2 各晶粒变形的相互协调性3 变形不均匀 多晶体塑性变形分为晶内变形和晶间变形两种 晶粒位向和晶界性质对多晶体塑性变形有较大的影响 通常多晶体塑性变形首相在那些最有利于变形位向的晶粒中进行 由于多晶体内各个晶粒位向不同 并受晶界约束 故各晶粒变形不均匀 而且每个晶粒内变形也不一致 经拉伸后晶界处呈竹节状 晶界强度与温度关系 低温或室温下 晶界强而晶粒本身弱 高温情况则相反 晶界与晶粒相对强度是随温度变化而变化的 晶界对塑性变形的影响晶界 多晶体是许多取向不同的小单晶体即晶粒组成的 晶粒和晶粒之间的过渡区域 将多晶铁分别在室温和高温进行拉伸试验 在室温拉伸时 靠近晶界处试样直径变化比较小 远离晶界处则直径显著减小 在高温下 晶界处试样显著变细 晶界的作用 1 阻碍作用拉伸试样变形后在晶界处呈竹节状 每个晶粒中的滑移带均终止于晶界附近 晶界附近位错塞积 位错塞积 材料强度提高 2 协调作用晶界正是起着相邻晶粒的变形的作用 由于协调变形的要求 在晶界处变形必须连续 也就是说两个相邻晶粒在晶界处的变形必须相同 3 促进作用在高温在变形时 由于晶界比晶粒弱 故除了晶粒内滑移 相邻两个晶粒还会沿着晶界发生相对滑移 此称为晶界滑动 晶界滑动了也造成晶体宏观塑性变形 但变形量远远小于滑移和孪生引起的塑性变形 4 起裂作用一方面 由于晶界阻碍滑移 此处由于位错塞积而引起应力集中 另一方面 材料中的杂质和第二相往往优先分布于晶界 使晶界变脆 这样一来 在变形过程中裂纹往往起源于晶界 此外 由于晶界处缺陷多 原子处于能量较高的不稳定状态 在腐蚀介质作用下 晶界往往优先被腐蚀形成微裂纹 多晶体塑性变形的特点1 各晶粒变形的不同时性2 各晶粒变形的相互协调性 a 面心立方金属塑性好b 密排六方金属塑性差冷加工困难3 各晶粒塑性变形量不均匀 a 由于晶界的影响和晶粒位向不同的影响 各个晶粒变形不均匀 有的变形量大有的变形量小 即使是同一个晶粒变形也不均匀 晶粒中心区域变形量较大 晶界及其附近区域变形量小 b 双晶粒试样拉伸变形后的形状如图 晶界处呈竹节状 说明晶界处滑移受阻变形量小 而晶粒内部变形量较大 2 晶界的作用及晶粒大小的影响 不同时性 相互协调性 不均匀性和单位体积内晶界越多 变形抗力越大 5 2 2多晶体的塑性变形机构 1 晶粒的转动与移动 2 溶解 沉积机构 该机构的实质是一相晶体的原子迅速而飞跃式的转到另一相的晶体中去 保证两相有较大的相互溶解度外 还必须具备下列条件 1 随着温度的变化或原有相晶体表面大小及曲率的变化 伴随有最大的溶解度改变 2 变形时 应具备足够高的温度条件 3 非晶机构 非晶机构是指在一定的变形温度和速度条件下 多晶体中的原子非同步的连续的在应力场和热激活的作用下 发生定向迁移的过程 2 2 3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 单相固溶体合金的变形 单相固溶体的显微组织与纯金属相似 因而其变形情况也与之类同 但是在固溶体中由于溶质原子的存在 使其对塑性变形的抗力增加 固溶体的强度 硬度一般都比其溶剂金属高 而塑性 韧性则有所降低 并具有较大的加工硬化率 溶质原子的作用主要表现在固溶强化 Solid solutionStrenthening 作用 提高塑性变形抗力 1 固溶强化固溶强化 固溶体合金的 曲线 由于溶质原子加入使 s和整个 曲线的水平提高 影响固溶强化的因素 溶质原子类型及浓度 溶质原子与基体金属的原子尺寸差 相差大时强化作用大 间隙型溶质原子比置换型溶原子固溶强化效果好 溶质原子与基体金属价电子数差 价电子数差越大 强化作用大 固溶强化的实质是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 单相固溶体合金塑性变形 Cu Ni固溶体的力学性能与成分的关系 多相合金的变形 多相合金中的第二相可以是纯金属 固溶体或化合物 其塑性变形不仅和基体相的性质 而且和第二相 或更多相 的性质及存在状态有关 如第二相本身的强度 塑性 应变硬化性质 尺寸大小 形状 数量 分布状态 两相间的晶体学匹配 界面能 界面结合情况等等 多相合金的基本相为固溶体 第二相是用来强化的一种重要方式 它可以通相变热处理 沉淀强化 precipitationstrengthening 时效强化 agehardening 或粉末冶金法 弥散强化 来获得 根据第二相粒子的尺寸大小可将合金分为 1 聚合型两相合金 两相尺寸 性能相近 2 弥散分布型两相合金 两相尺寸 性能相差很大 多相合金的塑性变形 1 聚合型两相合金的塑性变形 合金中第二相粒子的尺寸与基体晶粒的尺寸如属同一数量级 就称为聚合型两相合金 在聚合型两相合金中 如果两个相都具有塑性 则合金的变形情况决定于两相的体积分数 即 如果聚合型合金两相中一个为塑性相 一个为硬脆相 则合金在塑性变形过程所表现的性能与第二相的相对含量有关 还与第二相的形状 大小 分布有关 讨论 1 若硬脆相呈连续分布在塑性相 基体 晶界上 则经少量变形后会发生沿晶脆断 脆性相越多 网状越连续 塑性越差 如过共析钢中二次Fe3C呈网状分布于铁素体晶界上 2 若硬脆相呈层片状分布在基体相中 由于变形主要集中在基体相中 且位错移动被限制在很短距离内 增加了继续变形的阻力 使其强度提高 如钢中的片状P由片状 和片状Fe3C相间组成 3 若硬脆相呈粒状分布于基体中 因基体相连续 第二相对基体变形的阻碍作用大大减弱 具有强度和塑性的配合 如 粒状P中Fe3C呈颗粒分布 钢具有良好的综合力学性能 2 弥散分布型两相合金的塑性变形 两相合金中 如果第二相粒子十分细小 并且弥散地分布在基体晶粒内 则称为弥散分布型两相合金 在这种情况下 第二相质点可能使合金的强度显著提高而对塑性和韧性的不利影响可减至最小程度 第二相以细小质点的形态存在而合金显著强化的现象称弥散强化 1 不可变形粒子 2 可变形粒子 不可变形粒子的强化作用 粒子周围留下位错环 而其余部分则越过粒子继续运动 位错线弯曲绕过第二相粒子所需要的切应力为 Gb LL 第二相粒子间距这是一临界值 只有外加切应力大于上述临界值时 位错线才能绕过去 因此 1 L 粒子越多 L越小 大 强化效果愈明显 减小粒子尺寸或提高粒子的体积分数都可以合金强度提高 理论计算 小到20 50个原子间距时 强化效果最佳 位错绕过第二相粒子的示意图 可变形微粒的强化作用 可变形粒子的合金中位错运动与粒子相遇时切过机制 即第二相粒子在位错切过粒子时随同基体一起变形 其强化作用取决于粒子本身的性质及粒子与基体的联系 可变形粒子的主要作用有以下几方面 1 位错切过粒子时 粒子产生宽度为b的台阶 出现了新的表面积 界面能升高 2 第二相粒子与基体点阵不同 晶格常数也不同 位错切过粒子时 引起滑移面上原子错排 需要做功 给位错运动带来困难 3 沉淀相颗粒的共格应力场与位错的应力场之间产生弹性交互作用 阻碍位错运动 4 位错切过后产生一割阶 阻碍位错运动 5 当颗粒的弹性切变模量高于基体时 位错进入沉淀相便增大位错自身的弹性畸变能 引起位错和线张力变大 位错运动遇到更大的阻力 位错行为DislocationBehavior 材料强化的方法 1 加工硬化 由于位错塞积 缠结及其相互作用 阻止位错的进一步运动 2 细晶强化 晶界上的原子排列不规则 且杂质缺陷多 能量较高 阻碍位错的通过 且晶粒细小时 变形均匀 应力集中小 裂纹不易萌生和传播 3 固溶强化 位错与溶质相互作用 即柯氏气团阻碍位错运动 4 弥散强化 由于位错绕过 切过第二相粒子 需要增加额外的能量 如表面能或错排能 同时 粒子周围的弹性应力场与位错产生交互作用 阻碍位错运动 细化晶粒改善塑性和韧性的机理 晶粒越小 晶粒内部的应变与晶界附近的应变相差越小 变形越均匀 因应力集中造成裂纹的机会越少 这就有可能在断裂前发生较大的变形量 也就是得到较大的伸长率和断面收缩率晶粒越小 裂纹不易产生且不易扩展 因而在断裂过程中吸收了较多的能量 即表现出较高的韧性 5 2 4变形机制图 3 3影响金属塑性的因素 3 3 1影响塑性的内部因素3 3 2影响金属塑性的外部因素3 3 3提高金属塑性的主要途径 3 3 1影响塑性的内部因素 1 化学成分 1 杂质 2 合金元素对塑性的影响2 组织结构包括组元的晶格 晶粒的取向 晶界的特征等 图5 13说明Mg Al Zn系变形镁合金中的铝 锌含量对塑性和强度有影响 由图5 13a可知 随铝含量的增加 合金的塑性指标 逐渐降低 当铝含量超过12 时值几乎降低到零 而图5 13b表明 当含约5 以下的锌时 却能使合金的塑性得到改善 2 3 2影响金属塑性的外部因素 1 变形温度金属的塑性可能因为温度的升高明而得到改善 2 变形速度变形速度对塑性的影响比较复杂 当变形速度不大时 随变形速度的提高塑性是降低的 而当变形速度较大时 塑性随变形速度的提高反而变好 铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度 3 变形程度变形程度对塑性的影响 是同加工硬化及加工过程中伴随着塑性变形的发展而产生的裂纹倾向联系在一起的 在热变形过程中 变形程度与变形温度 速度条件是相互联系着的 当加工硬化与裂纹胚芽的修复速度大于发生速度时 可以说变形程度对塑性影响不大 对于冷变形而言 由于没有上述的修复过程 一般都是随着变形程度的增加而降低塑性 4 应力状态静水压力对提高金属塑性的良好影响 可由下述原因所造成 1 体压缩能遏止晶粒边界的相对移动 使晶间变形困难 2 体压缩能促进由于塑性变形和其它原因而破坏了晶内联系的恢复 3 体压缩能完全或局部地消除变形物体内数量很小的某些夹杂物甚至液相对塑性的不良影响 4 体压缩能完全抵偿或者大大降低由于不均匀变形所引起的拉伸附加应力 从而减轻了拉应力的不良影响 5 变形状态 6 尺寸因素 7 周围介质 1 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 2 周围介质的作用能引起变形物体表面层的腐蚀以及化学成分的改变 使塑性降低 3 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 2 3 3提高金属塑性的主要途径 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 2 4金属的超塑性 2 4 1超塑性的基本概念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 金属超塑性归纳为以下几方面的特点 即大延伸 无缩颈 小应力 易成形 2 4 2超塑性的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 根据材料的组织形态特点也称之为细晶超塑性 特点是材料具有稳定的超细等轴晶粒组织 在一定的温度区间 T 0 4TM 和一定的变形速度 10 4 10 1分 1 条件下出现超塑性 晶粒直径多在5 m以下 2 相变超塑性或第二类超塑性 又称为动态超塑性或变态超塑性 相变超塑性 并不要求材料具有超细晶粒组织 而是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 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 使金属原子发生剧烈运动而呈现出超塑性 相变超塑性不要求微细等轴晶粒 这是有利的 但要求变形温度反复变化 给实际生产带来困难 故使用上受到限制 3 其它超塑性或第三类超塑性 近年来发现 普通非超塑性材料在一定条件下快速变形时 也能显示出超塑性 有些材料在消除应力退火过程中 在应力作用下也可以得到超塑性 Al 5 Si及Al 4 Cu合金在溶解度曲线上下施以循环加热可以得到超塑性 此外 国外正在研究的还有升温超塑性 异向超塑性等 有人把上述的第二类及第三类超塑性统称为动态超塑性 或环境超塑性 2 4 3细晶超塑性细晶超塑性又称为组织超塑性 在试验中已发现细晶超塑性有许多重要特征 归纳起来有以下几个方面的内容 1 变形力学特征超塑性金属由于没有 或很小 加工硬化 在塑性变形开始后 有一段很长的均匀变形过程 最后达到百分之几或甚至几千的高延伸率 其工程应力 应变曲线如图5 26a所示 当应力超过最大值后 随着应变的增加 应力缓慢地连续下降 金属的塑性与超塑性 2 金属组织特征到目前为止所发现的细晶超塑性材料 大部分是共析和共晶合金 其显微组织要求有极细的晶粒度 等轴 双相及稳定的组织 要求双相 是因为第二相能阻止母相晶粒长大 而母相也能阻止第二相的长大 要求稳定 是指在变形过程中晶料长大的速度要慢 以便有充分的热变形持续时间 超塑性变形过程中 晶界起着很重要的作用 要求晶粒的边界比例大 并且晶界要平坦 易于滑动 所以要求晶粒细小 等轴 在这些因素中 晶粒尺寸是主要的影响因素 一般认为直径大于10 m的晶粒组织是难于实现超塑性的 2 4 4细晶超塑性变形的机理1 扩散蠕变理论1973年M F Ashby和R A Verrall提出了一个由晶内 晶界扩散蠕变过程共同调节的晶界滑动模型 扩散蠕变理论应用于超塑性变形时 有两种现象不能解释 1 在蠕变变形中 应力与应变成正比 m 1 而在超塑性变形中 m值总是处于0 5 0 8之间 2 在蠕变变形中 晶粒沿着外力方向被拉长 但在超塑性变形中 晶粒仍保持等轴状 因此 经典的扩散蠕变理论不能完全说明超塑性变形时的基本物理过程 也解释不了它的主要力学特征 所以该理论能否作为超塑性变形的一个主要机理 还不十分清楚 2 晶界滑动理论超细晶粒材料的晶界有异乎寻常大的总面积 因此晶界运动在超塑性变形中起着极其重要的作用 晶界运动分为滑动和移动两种 前者为晶粒沿晶界的滑移 后者为相邻晶粒间沿晶界产生的迁移 在研究超塑性变形机理的过程中 曾提出了许多晶界滑动的理论模型 3 动态再结