金属成型塑性变形.ppt

1、塑性变形,金属成型的重要手段,延展性是金属最基本的性质之一。 本章重点研究材料的变形规律及其微观机制，分析其影响因素。 高分子材料的变形属粘弹性变形，陶瓷材料几乎没有塑性，在工业上主要通过热成型或湿成型。所以研究他们的塑性变形，意义有限。,利用它可成型金属零部件。掌握变形的规律，可方便的控制塑性加工的进程；如果设法阻止或延缓金属的变形，则是强化材料的途径。,章目录：,9.1 金属的变形特征,9.2 单晶体的塑性变形,9.3 多晶体的塑性变形,9.4 合金的塑性变形,9.5 塑性变形对金属组织及性能的影响,9.1 金属的变形特性,变形的分类: 弹性变形 外力去除后,变形消失,材料恢复原来形 状的

2、变形。 塑性变形 外力去除后，材料不能恢复原来形状的 永久变形。 变形的基本过程: 弹性变形 弹-塑性变形 加工硬化 断裂,k,b,s,e,一、工程应力应变曲线,均匀塑变,集中塑变,弹性变形,断裂,0,拉伸缩颈,1、强度指标,材料抵抗变形和断裂的能力。 e - 弹性极限 (以余变0.005%为定点) 弹性变形的最大应力值 S - 屈服强度 (以余变0.2%为定点,用0.2表) 明显塑变的最小应力值 b - 抗拉强度 (强度极限) 均匀塑变的最大应力值 k - 断裂强度 集中塑变的最终应力值,2、塑性指标: 产生塑性变形而不被破坏的能力。, - 延伸率, 10% 塑性材料, - 断面收缩率:,3

3、、刚度指标E(G):,抵抗弹性变形的能力,b,s,e,k,均匀塑变,集中塑变,弹性变形,断裂,o,工程应力应变曲线中，、 均按试样初始尺寸计算，拉伸时只需记录P、L即可，使用非常方便。但是在拉伸过程中，由于试样尺寸不断变化，由此计算的和 并非真实。例如产生缩颈后，截面大大缩小,缩颈处的应力应为 ，远大于 ，从而产生了假象。为克服这一缺点，引入真应力真应变曲线，也叫流变曲线，瞬时应力叫流变应力。,二、真应力真应变曲线,真应变e，按瞬时值求得： 总应变为： 真应力S ： 当应变很小时， 1 有： e ，s ，两者相近，可通用。 但当应变很大时，两者相差较多。,（缩颈以前）,真应力应变曲线如图所示，

4、产生缩颈后，应力继续上升，表明加工硬化继续发生。 该曲线可表示为：,e,弹性范围,均匀塑变,集中塑变,断裂,S,0,n 加工硬化指数，约在 0.1 0.5之间 不锈钢： 0.450.55 黄 铜： 0.360.4 铜： 0.3 0.35 铝： 0.150.25,f.c.c 高,铁：0.050.15 b.c.c h.c.p 很小,9.2 单晶体的塑性变形,一、滑移 滑移的本质 位错的运动 1、滑移线与滑移带,塑性变形的基本方式：滑移和孪生,滑移带,滑移线,Cu单晶表面的滑移带,2、滑移系,晶体的滑移总是沿阻力最小的晶面和晶向进行，通常为密排面和密排方向。即单位位错的滑移面和柏氏矢量方向。 密排面

5、和它上面的一个密排方向的组合称为滑移系。 f.c.c 111 43 12 b.c.c 110 或次密排面112、123 62 12 h.c.p (0001) c/a1.633 13 3,b.c.c密排面原子密度较f.c.c小，面间距也较低，滑移阻力较大， 虽然滑移系多，但塑性不如面心立方。 h.c.p由于滑移系少，塑性差。但当温度升高时，原子振动增大， 相近的密排面和方向的数目增加，比低温时易于变形。,3、滑移的临界分切应力, 定义： 作用在位错的滑移面，且平行于布氏矢量的分切应力，称为作用于滑移系的分切应力。 当达到足以克服位错滑移阻力k时，滑移系方能开动，称k 为滑移的临界分切应力。 或：

6、使滑移系开动的最小分切应力。称为临界分切应力k 。 k是材料的性质，取决于材料本身。, 滑移系上的分切应力,如图:单晶体单向拉伸，某一滑移系与外力F 的取向关系由和唯一确定。 外力F 在滑移方向上的分切应力为：, 取向因子,讨论：,若或90，m0，最小。 若三轴共面，且45 m1/2，最大。 0 m 1/2 对于一定的外力F，m、， 滑移系越易滑移。 m1/2称为 软取向； m0，为硬取向。 单晶体中各滑移系的m是不同的。 软取向的滑移系首先开动。, 单晶体的屈服应力s,当k时，位错开始滑移，材料屈服s，代入上式：,对于一定材料，k为定值。 单晶体与外力 F 的取向不同， m不同，屈服应力s也

7、不同。 表现为各向异性。 k值一般 可通过实验测定。,单晶镁的sm的关系,4、滑移时晶体的转动,拉伸时晶体的转动，是力求使晶体的滑移方向与外力轴平行，即下降，增加，向90变化。,软取向,压缩时晶体的转动，力求使滑移方向与外力轴垂直，即增加，下降。,5、多滑移与交滑移,晶体发生塑性变形时，随着滑移的不断进行，将发生转动。 转动的结果，m 值不断变化。原先处于有利地位的滑移系可能转到不利的地位，停止滑移；原来不利地位的滑移系可能转到有利地位，发生滑移。 最后稳定在多个滑移系取向因子相当的地位，于是产生了多个滑移系交替滑移的局面，即称多滑移。,铜在双滑移时产生的交叉滑移带,奥氏体钢中的交叉滑移带,由

8、于晶体转动，m 的变化也可能使螺位错由一个滑移面转移到更有利的滑移面上进行，称为交滑移（共同的滑移方向，不同滑移面）。,铝表面的波纹状滑移带,6、单晶体的应力应变曲线,典型曲线一般分为三阶段 ：单滑移（加工硬化系数小） ：多滑移（加工硬化明显） ：动态回复（异号位错抵消 位错密度不再增加）,沿特殊方向（多个滑移系取向因子m 相同）拉伸，此时 无第阶段，如图A曲线。,例： f.c.c中特殊方向上的等同滑移系,沿 8个等同滑移系； 沿 4个等同滑移系； 沿 6个等同滑移系。,二、孪生,孪生是金属材料塑变的另一种基本方式，一般是在 滑移难以进行时发生。,形变孪晶（条带状）,1、孪生及其特点,退火孪晶

9、（平直边界）,晶体在一定切应力作用下，沿着一定的晶面和晶向产生一个集体的有规则的位移，造成一个具有不同取向，但有相同结构的新晶体，称为孪生。,特点： （与滑移相比）,孪晶的取向不同，而滑移后晶体的取向不变。,原子运动的大小，与距孪晶面距离成正比，呈镜面对称。,表面产生的滑移台阶经抛光后消失；但孪晶取向不同，腐蚀速度不一样，光学性质也有差异，因此可见两块晶体色泽不同的孪晶。孪生的结果使晶体表面产生浮凸。,孪生的发生需要较大的应力，拉伸曲线呈锯齿状。 孪生所能产生的总形变量很小，但可调节晶体位向。,镉孪生变形时的 应力应变曲线,2、实际晶体中的孪晶,以上孪晶是形变孪晶，常呈透镜状，在b.c.c和h

10、.c.p中常见，特别是后者。f.c.c形变孪晶少见，常见的是退火孪晶，即在高温下发生，通常边界平直。,K面,方向,f.c.c,111,b.c.c,h.c.p,随c/a值变化,9.3 多晶体的塑性变形,多晶体的塑性变形与单晶体一样，包括滑移与孪生，但由于晶界的存在，各晶粒的取向不同，使多晶体的塑变具有新的特点。,一、多晶体塑变过程及特点,多晶体受力时，首先晶体中个别软取向（m大）的晶粒A中位错源开动。位错在边界受阻形成塞积，造成前端应力集中，加上外力的作用，最终触发相邻晶粒的位错源起动。A晶粒前端应力松弛，所以A源重新起动。于是变形由一个晶粒传递到另一个晶粒，最后波及整个晶体。,多晶体滑移示意图

11、,另外，由于晶体中每个晶粒都处于其他晶粒的包围之中，每个晶粒的变形都受相邻晶粒的相互制约和协调作用。 单滑移难以满足这一协调作用，否则不能保持晶粒之间的连续性，造成孔隙。 理论上推算，为了保证这种协调关系，每个晶粒的滑移至少需要五个独立的滑移系同时开动。 因此多晶体塑变一开始便是多滑移，且变形抗力高。,特点：,变形抗力高。滑移在晶界受阻，不易直接传递到相邻晶粒，表现出塑性变形抗力较高，这种阻碍即来自晶界，也来自晶界另一侧取向不同的晶粒。 变形的不均匀性。由于晶粒取向不同，产生形变不均匀性。晶粒中心与边界扫过的位错数目不同,形变也不均匀，从而引起内应力.,形变要协调。 为了保证应变的连续性，在晶

12、界附近，要求至少有5个独立 的滑移系同时起动，需要很高的外力。 f.c.c和b.c.c均可提供5个独立滑移系,塑性较好。 h.c.p只有两个独立滑移系,需孪生来协助,塑性差。,晶粒转动。各晶粒取向趋于一 致，形成织构。 各向同性。屈服应力为定值。,二、晶粒大小对形变的影响,如图为低碳钢多晶材料屈服强度与d1/2关系曲线，由实验证明了HallPetch公式。,d 晶粒半径， s 材料屈服强度； 0 单晶屈服强度 由实验还证明： 塑性材料上、下、5、10等流变应力值，以及疲劳强度与晶粒半径之间也服从上述规律，只是0和k不同。 脆性材料的脆断强度b d也服从。,9.4 合金的塑性变形,与纯金属相比，

13、有固溶强化作用。作用大小主要取决于溶剂晶体结构，溶质浓度及固溶体类型。,合金组织：单相和复相,一、固溶体塑变特点,（强化效果）,Al f.c.c. 置换 G/10 Cu f.c.c. 置换 G/20 Fe b.c.c. 置换 G/16 Nb b.c.c. 置换 G/10 Fe b.c.c. 间隙（C） 3G Nb b.c.c. 间隙（N） 2G Ni f.c.c. 间隙（C） G/10,球对称,非球对称,球对称,弱,强,弱,基体金属,溶质原子,畸变对称性,强化效果：,溶质原子浓度C： 溶剂金属晶体结构： b.c.c f.c.c （h.c.p） 固溶体类型： 间隙式 置换式,固溶体形变实例：,深

14、冲低碳钢薄板，因屈服点处局部区域变形不均匀，造成工件表面粗糙不平。 吕德斯带 冲压前微量预形变，消除屈服点,可防止吕德斯带产生.,1. 聚合型 两相塑性相近，强化作用不明显，取均值。 存在硬脆相（取决于硬脆相的形状和分布） 网状 片状 球状 脆性 塑性 强度 低 高 中,二、复相合金的塑变特点,按第二相尺寸大小：聚合型和弥散型,2、弥散型（沉淀强化，时效强化）,第二相质点将阻碍位错运动，因而起强化作用，第二相质点越弥散，阻碍作用越强，强化作用越大。,位错绕过第二相 质点所需切应力,颗粒平均自由程,9.5 冷变形金属的组织与性能,一、塑变对组织与结构的影响 1、显微组织变化 随变形度的增加，晶粒

15、拉长，纤维组织形成。,30压缩率300,50压缩率300,99压缩率300,铜材经不同程度冷轧后的光学显微组织,随变形度的增加，亚结构位错胞形成并细化。,30压缩率30000,50压缩率30000,99压缩率30000,铜材经不同程度冷轧后薄膜透射电镜像,2、形变织构（择优取向）,塑性变形时，各晶粒发生转动，使各晶粒取向逐渐趋于一致，称择优取向或织构，由变形引起的择优取向称为形变织构。 丝织构（拉拔时形成） 用平行于变形方向的晶向表示。 板织构（轧制时形成） 以平行于轧面的晶面 h k l 和平行于轧向的晶向表示。 h k l ,织构造成材料各向异性。 不利：冲压“制耳” 有利：硅钢片，磁学性

16、能明显提高,二、塑变对性能的影响,1、加工硬化 、HB、 作用： 使变形均匀。 均衡负荷，增加安全性。 提高强度。,45钢力学性能变形度曲线,例：,自行车链条的链板，材料16Mn。经5次轧制，由3.5mm压缩到1.2mm，变形度65，强度、硬度提高约一倍。,保险柜、坦克车履带、以及无法热处理强化的铜、铝、 不锈钢等，都可用加工硬化提高强度。,2、其他物理及化学性能的变化,导磁率、导电率、电阻温度系数降低；矫顽力及电阻率升高。 化学活性增加，耐蚀性降低。,三、残余应力,宏观内应力：材料各部位变形不均所致，应力作用范围大，占总应变能U总10。,微观内应力：各晶粒与晶粒之间，晶粒内部（如晶 粒内部与晶界处）变形不均所致，占总储存能U总的 510。,1、内应力,拉拔内应力,弯曲内应力,因位错、空位等缺陷增加