-塑性物理基础

1、第二章 金属塑性变形的物理基础2.1 金属冷态下的塑性变形2.2 金属热态下的塑性变形2.3 金属的超塑性变形(略讲)2.4 金属在塑性加工过程中的塑性行为2.1 金属冷态下的塑性变形体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构体心立方结构体心立方结构 特点：9个原子，每个对及晶胞中有有一个原子 晶胞中的原子数 8（18）+12 致密度：0.68 原子排列的紧密程度-原子所占体积与细胞体积之比 典型金属：Cr，V，-Fe，-Ti等。面心立方面心立方 特点：14个原子，每个对及晶胞中有有一个原子 晶胞中原子数 8（18）+ （12） 64 致密度：0.74 典型金属：Al，Ni，Cu，-Fe等。 特

2、点：17个原子， 两个晶格常数， 胞中的原子数为 12（1/6）+（1/2）2+36， 致密度0.74。 典型金属： Zn，Mg， -Ti 密排六密排六方方铁的同素异晶体 912 -Fe 体心立方晶 912 1394 -Fe 面心立方晶 1394 熔点 Fe 立心立方晶2.1.1 塑性变形机理晶内变形 晶间变形(1)晶内变形 滑移和孪生。 1）滑移 滑移变形是主要的，孪生变形是次要的，在体心和密排中孪生也起到重要的作用。 晶体的一部分沿一定的界面和晶向相对于另一部分产生相对移动或切变。这一晶面和晶向称为滑移面和滑移方向（滑移系） 滑移面-原子的密排面 滑移方向原子排列的最密方向 AA面的原子间

3、距大，易形成滑移面 BB面的原子间距小，不易形成滑移面 当晶体受力时，由于各个滑移系相对于外力的空间位向不同，其上所作用的切应力分量的大小也必然不同。现设某一晶体作用有由拉力 P引起的拉伸应力，其滑移面的法线方向与拉伸轴的夹角为，面上的滑移方向与拉伸轴的夹角为，通过简单的静力学分析可知，在此滑移方向上的切应力分量为 ：=coscos令=coscos，称为取向因子。 若=450,则=max=0.5, =max=/2 软取向 此意味着该滑移系处于最佳取向，其上的切应力分量最有利于优先达到临界值而发生滑移。而当=900,=00或=00,=900时， =0 硬取向 此时无论多大，滑移的驱动力恒等于零，

4、处于此取向的滑移系不能发生滑移。位错的基本理论微观刃型位错 正刃型 负刃型螺旋位错 右螺旋 左螺旋位错密度=s/v V体积 ，S，该体积中位错的总长度 退火：106-10 8 cm-2强烈冷变形：1011-10 12 cm-2影响，强度和变形增加，强度大，不易变形。2）孪生（孪晶） 晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（称为孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向）发生。在常温下，大多数体心立方金属滑移的临界切应力小于孪生的临界切应力，所以滑移是优先的变形方式，只有在很低的温度下，由于孪生的临界切应力低于滑移的临界切应力，这时孪生才能发生。孪生变形后由于变形部分位向改变，可能变得有利于滑移

5、，于是晶体又开始滑移，二者交替地进行。Sb，BI等菱方结构金属几乎全部为孪生变形。（2）晶间变形 晶间变形的主要方式是晶粒之间相互滑动和转动，如图所示，多晶体受力变形时，沿晶界处可能产生切应力，当此切应力足以克服晶粒彼此间相对滑移的阻力时，便发生相对滑动。另外，由于各晶粒所处位向不同，其变形情况及难易程度亦不相同。这样，在相邻晶粒间不然引起力的相互作用，而可能产生一对力偶，造成晶粒间的相互转动。 晶界特征晶界特征 1）该处原子的排列不规则，常温下阻碍金属的塑性变形，宏观表现上晶界处较晶粒内部的有更高的强度和硬度高，高温则相反。常温下晶粒细，强度和硬度高。 2）抗腐蚀能力差：晶界的能量高，原子处

6、于不稳定状态，在腐蚀的环境下，晶界首先被破坏。 3）熔点低：金属的融化首先从晶界开式 4）内吸附：某些能降低晶界能的金属元素或非金属元素，优先富集于晶界层 5）晶界处的电阻较高 2.1.2 2.1.2 塑性变形的特点塑性变形的特点1）各晶粒变形的不同时性 塑性变形首先在位向有利的晶粒内发生,位错源开动,但其中的位错却无法移出此晶粒,而是在晶界处塞积。位错塞积产生的应力场越过晶界作用到相邻晶粒上,使其得到附加应力。随外加应力的增大,最终使相邻位向不利的晶粒中滑移系的剪应力分量达到临界值而开动起来,同时也使原来的位错塞积得到释放,位错运动移出晶粒。如此持续运作,使更多晶粒参与变形。（2）各晶粒变形

7、的相互协调性晶粒的变形需要相互协调配合，如此才能保持晶粒之间的连续性，即变形不是孤立和任意的。（3）变形的不均匀性 软位向的晶粒先变形，硬位向的晶粒后变形，其结果必然是各晶粒变形量的差异，这是由多晶体的结构特点所决定的。在不同总变形量多晶体铝试样中部分晶粒的变形分布在不同总变形量多晶体铝试样中部分晶粒的变形分布2.1.3 2.1.3 合金的塑性变形合金的塑性变形（1 1）单相固溶体合金的塑性变形）单相固溶体合金的塑性变形固溶强化：随溶质原子含量的增加，单相固溶体塑性变形抗力提高，强度、硬度不断增加，塑性、韧性不断下降的现象。 实质：溶质与位错的弹性弹性、电电、化学化学交互作用。 柯氏(Cotr

8、ell)气团 影响因素：(1)溶质原子不同、浓度不同，强化效果不同(2)溶质原子与基体金属原子尺寸差越大，强化作用越大。(3)间隙溶质原子比置换溶质原子强化作用大。(4)溶质与基体价电子数差越大，强化作用越强。屈服和应变时效（2 2）多相固溶体合金的塑性变形）多相固溶体合金的塑性变形第二相的获得：相变热处理，粉末冶金两相合金类型：聚合型，弥散型聚合型两相合金的变形 两相的塑性都较好变形阻力取决于两相的体积分数：等应变理论：等应力理论：只有第二相较强时，合金才能强化。 第二相为硬脆相合金性能除了与两相相对含量有关外，还取决于脆性相的形状和分布。(1)连续网状第二相：使合金塑形变差，强度降低(2)

9、层片状第二相：使强度提高，(3)粗颗粒状第二相：强度降低，塑性、韧性改善 弥散型两相合金的塑性变形两种类型：(1)不可变形微粒的强化作用：位错绕过机制第二相微粒间距越小，强化效果越好(2)可变形微粒的强化作用：位错切过机制 需要错排能 需要反相畴界能 需要表面能 弹性应力场与位错作用，阻碍其运动 位错能量、线张力变化（1）组织的变化 1）晶粒形状的变化 金属经冷加工变形后，其晶粒形状发生变化，变化趋势大体与金属宏观变形一致。 2）晶粒内产生亚结构 2.1.4 冷塑性变形对金属组织和性能的影响 丝织 构示意图a）拉拔前 b）拉拔后3）晶粒位向改变（变形织构） 多晶体中原为任意取向的各个晶粒，会逐

10、渐调整其取向而彼此趋于一致。这种由于塑性变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织，称为 “ 变形织构 ” 。因板织构所造成的因板织构所造成的“制耳制耳”a) a) 无制耳无制耳 b) b) 有制耳有制耳 板织构示意板织构示意a) a) 轧制前轧制前 b b）轧制后）轧制后（4）晶粒内产生胞状亚结构 塑性变形主要是借位错的运动而进行的。经大变形后，位错密度可从退火状态的106107cm-2增加到10111012cm-2。位错运动及交互作用结果，其分布是不均匀的。它们先是比较纷乱地纠缠成群，形成“位错缠结”。如果变形量增大，就形成胞状亚结构。（2）性能的变化 其中变化最显著的是金属的力学性能，即随着变

11、形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性韧性降低，这种现象称为加工硬化。 45号钢 对于不能用热处理方法强化的材料，借助冷塑性变形来提高其力学性能就显得更为重要。 最后还要指出，加工硬化对金属塑性成形也有不利的一面。它使金属的塑性下降，变形抗力升高，继续变形越来越困难，特别是对于高硬化速率金属的多道次成形更是如此。2.2金属热态下的塑性变形 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或再结晶所抵消，而使金属处于高塑性、低变形抗力的软化状态。 2.2.1 热塑性变形时的软化过程 按其性质可分为以下几种：动态回复，动态再结晶，静态回复，静态再结晶，亚静态再结晶等。动态

12、回复和动态再结晶是在热塑性变形过程发生的；而静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶则是在热变形的间歇或热变形后，利用金属的高温余热进行。 若从热力学的角度来看，变形引起了金属内能的增加，而处于不稳定的高自由能状态，具有向变形前低自由能状态的自发恢复的趋势 （1）静态回复和再结晶1）静态回复 金属物理性能和微细结构发生变化，强度、硬度有所降低，塑性、韧性有所提高；但显微组织没有什么变化。这是由于在回复温度内，原子只在微晶内进行短程抗散，使点缺陷和位错发生运动，从而改变了它们的数量和分布状态。 在整个回复阶段，点缺陷减少，位错密度有所下降，位错分布形态经过重新调整和组合而处于低能态，位错发团变薄、网络

13、更清晰。 去应力退火是回复在金属加工中的应用之一。 2）静态再结晶 冷变形金属加热到更高的温度后，在原来变形的金属中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金属的冷变形组织，这个过程称为金属的再结晶。（2）动态回复 动态回复是在热塑性变形过程中发生的回复，动态回复主要是通过位错的攀移、交滑移等来实现的。 （3）动态再结晶 动态再结晶是在热塑性变形过程中发生的再结晶。动态再晶和静态再结晶基本一样，也是通过形核和长大来完成，其机理也是如前述，是大角度晶界（或亚晶界）向高位错密度区域的迁移 金属热塑性变形机理主要有：晶内滑移，晶内孪生，晶界滑移和扩散蠕变等。 （1）晶内滑移 在通常条件下（一般晶粒

14、大于10 m 以上时），热变形的只要机理仍然是晶内滑移。 （2) 晶界滑移 热塑性变形时，由于晶界强度低于晶内，使得晶界滑移易于进行；又由于扩散作用的增强，及时消除了晶界滑动所引起的破坏。 2.2.2 热塑性变形机理(3)扩散性蠕变 扩散性蠕变是在应力场作用下，由空位的定向移动所引起的。 1)改善晶粒组织 将不同变形温度和在此温度下的不同变形程度、以及发生再结晶后空冷所得的晶粒大小，画成立体图，称为第二类再结晶图或动态再结晶图。这类再结晶图比起金属学中通常介绍的第一类再结晶图（又称静态再结晶图），更接近于热成形加工的生产实际，它是制订热加工工艺规程的重要参考资料，用以控制成形件的晶粒大小。2.

15、2.3 热塑性变形的金属组织和性能的影响（1）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。 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。 4）形成纤维组织 3）破碎并改善碳化物和非

16、金属夹杂物在钢中的分布 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。 （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度、硬度、塑性和韧性。 纤维组织形成，使金属力学性能呈各向异性，沿流线方向比垂直流线方向具有较高的力学性能，其中尤以塑性、韧性指标最为显著。 2.3 2.3 金属的超塑性变形金属的超塑性变形超塑性的一般理解： 金属和合金具有超常的均匀变形能力，其伸长率可以达到百分之几百、甚至百分之几千。 至今仍无物理本质上的确切定义。超塑性变形的一般特

17、点： 1、大伸长率； 2、无缩颈； 3、低流动应力； 4、易成形。2.3.1 2.3.1 超塑性成形实例超塑性成形实例 Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸率现象挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸率现象（19501950），左为拉伸前的试样。），左为拉伸前的试样。2.3.2 2.3.2 超塑性现象的种类超塑性现象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。主要控制因素：晶粒超细化（10um）、等轴化，并在成形期间保持稳定；变形温度：0.50.7 Tm应变速率：10-110-5 s-1 是指

18、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。主要控制因素：温度幅度（t = t上 t下）；温度循环率（即加热-冷却速度）2.3.3 2.3.3 超塑性变形机理超塑性变形机理 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。2.3.4 A-V2.3.4 A-V超塑变形机理超塑变形机理 由Ashby和Ver

19、rall提出的晶界滑动和扩散蠕变联合机理，简称A-V机理。起始状态中间状态终了阶段 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。2.3.5 2.3.5 影响细晶超塑性的主要因素影响细晶超塑性的主要因素 1、应变速率411 1010minm细晶超塑性具有高度的速度敏感性，速度的变化对流动应力和 值的影响很显著，只有控制在 范围内，才能获得超塑性。2、变形温度 mT超塑性变形温度大约在0.5左右，当低于或超过某一温度范围时，就不出现超塑性现象。3、组织的影响 金属需要具有超细、等轴、双相及稳定的晶粒。2.4 2.4 金属在塑性加工过程中

20、的塑性行为金属在塑性加工过程中的塑性行为 金属的塑性加工是以塑性为前提条件。 2.4.1 塑性的基本概念和塑性指标 2.4.2 金属的化学成分和组织对塑性的影响 2.4.3 变形温度对金属塑性的影响 2.4.4反应速率对金属塑性的影响 2.4.5变形力学条件对金属塑性的影响 2.4.6 其他因素对金属塑性的影响 2.4.7 提高金属塑性的基本途径 2.4.1 塑性的基本概念和塑性指标 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-应变曲线金属的塑性指标金属的塑性指标 衡量金属材料塑性好坏的数量指标，称为塑衡量金属材料塑性好坏的数量指标，称为塑性指标，一般以

21、材料开始破坏时的塑性变形量性指标，一般以材料开始破坏时的塑性变形量来表示。来表示。测定塑性指标测定塑性指标的实验方法的实验方法 拉伸实验拉伸实验 镦粗实验镦粗实验 扭转实验扭转实验拉伸试验拉伸试验电子拉伸试验机0L0d标准试件试件断口拉伸试验的力学条件与塑性指拉伸试验的力学条件与塑性指标标拉伸速度10 mm/s131010 /s应变速率: 一般液压机的速度范畴3.84.5m/s锻锤变形速度的下限可确定以下塑性指标： (1) 伸长率K00100LLL (2) 断面收缩率0K0100AAAc 试样侧表面出现第一条裂纹时的压缩程度作为塑性指标。0Kc0100%HHHK H镦粗试样侧表面出现第一条裂纹

22、时的高度3.2.2 3.2.2 镦粗试验镦粗试验MM 材料的塑性指标用试样破断前的扭转角或扭转圈数表示。 材料扭转时的应力状态：m0优点： 无颈缩、鼓形3.2.3 3.2.3 扭转试验扭转试验 常用的胀形试验为杯突试验，试验时，将试样置于凹模与压边圈之间夹紧，球状冲头向上运动使试样胀成凸包，直到凸包产生裂纹为止，测出此时的凸包高度 IE 记为杯突试验值。 3.2.4 杯突试验2.4.2 金属的化学成分和组织 对塑性的影响 (1)化学成分的影响 1)碳钢中碳和杂质元素的影响C：可固溶于铁，形成铁素体和奥氏体，具有良好的塑性，多于的碳与铁成形化合物Fe3C（渗碳体），具有很高的硬度，几乎无塑性。C

23、 塑性 。H：氢脆现象，出现微细裂纹白点在合金中尤为严重。P：有害杂质，强度，硬度高，塑性和韧性降低冷脆性。 0.3时，完全脆性，1-1.5热变形是塑性影响不大。S：有害杂质，与Fe形成FeS，熔点1190 Fe-Fes共晶985，分布在晶界。热变形导致开裂热脆性。加入Mn可消除S的有害作用。N：N增加，Fe4N析出，塑性和韧性极大地降低，-时效脆性。 300 左右时出现兰脆现象。O：以夹杂物形式存在于钢中 FeS-FeO易溶共晶910 分布在晶界造成热脆性。2)合金元素对钢的塑性的影响合金元素对铁素体伸长率和韧性的影响合金元素对铁素体伸长率和韧性的影响（2) 组织的影响 1)相组成的影响 单

24、相组织（纯金属或固溶体）比多相组织塑性好。 2)晶粒度的影响 细晶组织比粗晶组织具有更好的塑性。 3) 铸造组织的影响 Cr-Ni-MoCr-Ni-Mo钢铸造组织和锻造组织塑性的差别钢铸造组织和锻造组织塑性的差别 变形温度对金属的塑性有重大的影响。就大部分金属来言，其总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的线性上升。 2.4.3 变形温度对金属塑性的影响碳钢的塑性随温度的变化曲线 现有塑性成形设备的工作速度差别很大，水压机约 1-10cm/s ，机械压力机约 30-100cm/s ，通用锻锤约 500-900cm/s 。 (1)热效应与温度效应 从能量的观点看，塑性变形时金

25、属所吸收的能量，绝大部分转化为热能，这种现象称为热效应。在 20 塑性压缩的情况下，对镁、铝、铜和铁等金属，塑性变形热能约占变形体所吸收能量的 85%-90% ；而上述金属的合金约占 75%-85% 。 2.4.42.4.4反应速率对金属塑性的影响反应速率对金属塑性的影响 塑性变形热能，除一部分散失到周围介质中，其余的使变形体温度升高，这种由于塑性变形过程中所产生的热量而使变形体温度升高，这种由于塑性变形过程中所产生的热量而使变形体温度升高的现象，称为温度称为温度效应效应。应变速率对塑性的影响的示意曲线应变速率对塑性的影响的示意曲线 从工艺性能的角度来看，提高应变速率会在以下几个方面起有利作用

26、： 第一，降低摩擦系数，从而降低金属的流动阻力、改善金属的充填性及变形的不均匀性；第二，减少热成形时的热量损失，从而减少毛坯温度的下降和温度分布的不均匀性，这对于工件形状复杂（如具有薄壁，高筋等）且材料的锻造温度范围又较窄的生产场合是有利的；第三，出现所谓“惯性流动效应”，从而改善金属的充填性，这对于象薄辐板类齿轮、叶片等复杂工件的模锻成形是有利的。塑性图 为了具体掌握不同变形条件下，金属的塑性随温度变化的情形，需要用实验方法绘制其塑性 - 温度曲线，简称塑性图。 静态变形静态变形 动态变形动态变形GH镍基高温合金的塑性图镍基高温合金的塑性图 2.4.5变形力学条件对金属塑性的影响 研究变形力

27、学条件对塑性的影响，实质上就是研究应力状态和应变状态对塑性的影响。 卡尔曼试验仪器的工作部分卡尔曼试验仪器的工作部分 (1) 应力状态的影响 卡尔曼将圆柱形大理石和红砂石试样置于特制仪器中进行压缩，该仪器除了轴向加压外，还可以对试样施加侧向压力（用甘油注入仪器的试验腔内）。试验表明：在在只有侧向压力只有侧向压力同时作用下，同时作用下，侧向压力越大，侧向压力越大，变形所需的轴变形所需的轴向压力和材料向压力和材料的塑性也越高。的塑性也越高。 由于受到当时试验条件的限制，卡尔曼所得到的大理石压缩程度约为 8%-9% ，红砂石的约为 6%-7% ，后人在更大的侧向压力下进行大理石压缩试验，获得了高达

28、78% 的压缩程度。 应力状态对塑性的影响实际作用的是其应力球张量部应力球张量部分分，它反映了质点三向均等受压（或受拉）的程度。 应力球张量的每个分量称为平均应力或静水应力平均应力或静水应力，它的负值称为静水压力。这样，应力状态对塑性的影响最终归结为其静水压力对塑性的影响。 静水压力越大静水压力越大，也即在主应力状态下压应力个数越多、数值越大时，金属的塑性就越好；反之，如拉应力个数越多、数值越大 ，即静水压力越小时，则金属的塑性越差。 静水压力越大金属的塑性会越高 1)拉伸应力会促进晶间变形、加速晶界的破坏；而压缩应力能阻止或减少晶间变形，随着静水压力的增大，晶间变形越加困难，因而提高了金属的塑性。 2)三向压缩应力有利于愈合塑性变形过程中产生的各种损伤；而拉应力则相反，它促使损伤的发展。例如，在某晶粒的滑移面上，由于滑移变形而产生一显微缺陷，若此时滑移面上作用着拉应力，则会促使原子层的彼此分离，加速晶粒的破坏；反之，若作用着压应力，则有利于该缺陷的闭合和消除。3)当变形体内原先存在着少量对塑性不利的杂质、液态相或组织缺陷时，三向压缩作用能抑制这些缺陷，全部或部分地消除其危害；反之，在拉应力作用下，将在这些地方产生应力集中，促进金属的破坏。 4)增大静水压力能抵消由于不均匀变形引起的附加拉