第14章 金属的塑性

1、第十四章第十四章 金属的塑性变形金属的塑性变形本章主要内容本章主要内容1414.1 .1 塑性基本概念及测定方法塑性基本概念及测定方法 1414.2 .2 影响塑性的因素及提高塑性的途径影响塑性的因素及提高塑性的途径1414.3 .3 金属的超塑性金属的超塑性1 14 4. .4 4 单晶体单晶体塑性变形机制塑性变形机制1 14 4. .5 5 金属在塑性变形中的硬化金属在塑性变形中的硬化1 14 4. .6 6 金属塑性变形的不均匀性与金属塑性变形的不均匀性与残余应力残余应力1 14.74.7 金属在塑性加工中的金属在塑性加工中的断裂断裂材料成形原理材料成形原理1414.1 .1 塑性基本概

2、念及测定方法塑性基本概念及测定方法1.1.金属塑性：金属塑性：金属在外力作用下发生永久变形而不破坏金属在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。其完整性的能力。2.2.塑性指标：塑性指标：用金属在断裂前产生的最大变形程度。它用金属在断裂前产生的最大变形程度。它反映塑性加工时金属塑性变形的限度，也叫反映塑性加工时金属塑性变形的限度，也叫 “ “塑性极塑性极限限”。 金属塑性不是固定不变，同种材料在不同变形条件下金属塑性不是固定不变，同种材料在不同变形条件下会有不同的塑性，如三向等拉伸时材料的塑性变形程度会有不同的塑性，如三向等拉伸时材料的塑性变形程度低于三向压缩。低于三向压缩。1414.1

3、.1 .1.1 塑性基本概念塑性基本概念柔软性柔软性反映金属的软硬程度，它用变形抗力大小来衡量反映金属的软硬程度，它用变形抗力大小来衡量 金属塑性金属塑性反映金属在外力作用下发生塑性变形不破坏的反映金属在外力作用下发生塑性变形不破坏的能力。它用金属在断裂前产生的最大变形程度来衡量。能力。它用金属在断裂前产生的最大变形程度来衡量。 研究塑性的目的：研究塑性的目的：选择合适的变形方法，确定最好的变形温选择合适的变形方法，确定最好的变形温度、速度条件以及许用的最大变形量，使金属与合金顺利实度、速度条件以及许用的最大变形量，使金属与合金顺利实现成形过程。现成形过程。1414.1 .1 塑性基本概念及测

4、定方法塑性基本概念及测定方法 变形抗力小不表示金属塑性好变形抗力小不表示金属塑性好3.3.塑性指标塑性指标延伸率：延伸率：断面收缩率：断面收缩率：式中：式中：L L0 0拉伸试样原始标距长度；拉伸试样原始标距长度； L Lh h拉伸试样破断后标距间的长度；拉伸试样破断后标距间的长度； F F0 0拉伸试样原始断面积；拉伸试样原始断面积； F Fh h拉伸试样破断处的断面积拉伸试样破断处的断面积. .%100LLL001延伸率延伸率()和断面收缩率和断面收缩率() 只表示在单向拉伸只表示在单向拉伸条件下的塑性变形能力。条件下的塑性变形能力。 %100FFF0011414.1 .1 塑性基本概念及

5、测定方法塑性基本概念及测定方法注意：注意：作为塑性指标作为塑性指标时，必须把计算长度固定下来才能相互比较。时，必须把计算长度固定下来才能相互比较。1414.1 .1 塑性基本概念及测定方法塑性基本概念及测定方法扭转转数扭转转数n n（或扭转角）：用破断前的扭转转数（或扭转角）：用破断前的扭转转数(n)(n)表示表示塑性大小。塑性大小。n n越大，其塑性越好。反映材料受数值相等的拉应越大，其塑性越好。反映材料受数值相等的拉应力和压应力同时作用时的塑性高低。力和压应力同时作用时的塑性高低。 K K： K K AK/F AK/F （J/mmJ/mm2 2） 式中：式中： A AK K 试样所吸收的能

6、量，试样所吸收的能量，J J ； F F缺口处横截面积，缺口处横截面积，mmmm2 2。 1414.1 .1 塑性基本概念及测定方法塑性基本概念及测定方法 冲击韧度冲击韧度 变形力学条件对金属的塑性有很大影响，目前还变形力学条件对金属的塑性有很大影响，目前还没有某种实验方法能测出表示所有塑性加工方式下金没有某种实验方法能测出表示所有塑性加工方式下金属的塑性指标。每种实验方法测定的塑性指标，仅能属的塑性指标。每种实验方法测定的塑性指标，仅能表明金属在该变形过程中所具有的塑性表明金属在该变形过程中所具有的塑性金属塑性的测定方法金属塑性的测定方法: : 1) 1)机械性能试验法机械性能试验法 2)

7、2)模拟试验法模拟试验法1414.1 .1 塑性基本概念及测定方法塑性基本概念及测定方法(1)(1)拉伸试验拉伸试验: :在材料试验机上进行，变形速度为在材料试验机上进行，变形速度为10103 310102 2S S-1-1。 塑性指标塑性指标延伸率延伸率() )和断面收缩率和断面收缩率() )(2) (2) 扭转试验扭转试验: :在专用的扭转试验机上进行。将圆柱形试样一在专用的扭转试验机上进行。将圆柱形试样一端固定，另一端扭转。端固定，另一端扭转。 塑性指标塑性指标扭转转数扭转转数n n(3) (3) 冲击弯曲试验：将材料制成带有缺口的标准试样，把试样冲击弯曲试验：将材料制成带有缺口的标准试

8、样，把试样放在摆锤式冲击试验机的支座上，使重摆从一定高度落下放在摆锤式冲击试验机的支座上，使重摆从一定高度落下将试样冲断。将试样冲断。 塑性指标塑性指标冲击韧度冲击韧度K K机械性能试验法机械性能试验法1414.1 .1 塑性基本概念及测定方法塑性基本概念及测定方法(1)(1)顶锻顶锻( (镦粗镦粗) )试验试验将圆柱形试样在压力机或落锤上镦粗，试样侧面出现肉眼看到将圆柱形试样在压力机或落锤上镦粗，试样侧面出现肉眼看到的第一条裂纹时的变形量做为塑性指标。的第一条裂纹时的变形量做为塑性指标。式中：式中：HH试样的原始高度，试样的原始高度，mmmm， hh试样的变形后高度，试样的变形后高度，mmm

9、m。一般高度一般高度H0H0为直径为直径D0D0的的1.51.5倍。倍。60608080：高塑性；：高塑性；40406060：中塑性；：中塑性；20204040：低塑性，：低塑性，2020：塑性差。：塑性差。反映锻压变形过程反映锻压变形过程( (自由锻、冷镦等自由锻、冷镦等) )的塑性大小。的塑性大小。 模拟试验法模拟试验法1414.1 .1 塑性基本概念及测定方法塑性基本概念及测定方法两种试验法两种试验法: :1. 1. 平辊轧楔形试样至扁平带状，测量首先发生裂纹处的压缩平辊轧楔形试样至扁平带状，测量首先发生裂纹处的压缩率，此压缩率就表示塑性的大小。率，此压缩率就表示塑性的大小。特点：特点：

10、不需要制备特殊的轧辊，但确定极限变形量比较困难。不需要制备特殊的轧辊，但确定极限变形量比较困难。2. 2. 偏心辊轧矩形轧件成楔形件，用最初出现目视裂纹的变压偏心辊轧矩形轧件成楔形件，用最初出现目视裂纹的变压缩率来确定其塑性的大小。缩率来确定其塑性的大小。特点：特点：准确确定极限相对压缩率，免除楔形轧件加工方面的准确确定极限相对压缩率，免除楔形轧件加工方面的麻烦。麻烦。 (2) (2) 楔形轧制试验楔形轧制试验1414.1 .1 塑性基本概念及测定方法塑性基本概念及测定方法双辊刻槽偏心辊双辊刻槽偏心辊单辊刻槽偏心辊单辊刻槽偏心辊 1414.1 .1 塑性基本概念及测定方法塑性基本概念及测定方法

11、(3) (3) 杯突试验（胀形试验）杯突试验（胀形试验）将试样置于凹模与压边圈之间夹紧，球状冲头向上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出此时的凸包高度IEIE记为杯突试验值。记为杯突试验值。板料成形性能的模拟实验还有扩孔试验、拉深试验、板料成形性能的模拟实验还有扩孔试验、拉深试验、弯曲试验和拉深一胀形复合试验等。弯曲试验和拉深一胀形复合试验等。反映冲压工序中的胀形、局部成形反映冲压工序中的胀形、局部成形1414.1 .1 塑性基本概念及测定方法塑性基本概念及测定方法 以温度为横坐标

12、，以温度为横坐标，以延伸率、断面收缩率、以延伸率、断面收缩率、扭转转数及冲击韧度为扭转转数及冲击韧度为纵坐标绘制而成的塑性纵坐标绘制而成的塑性指标随温度而变化的曲指标随温度而变化的曲线。线。1414.1 .1 塑性基本概念及测定方法塑性基本概念及测定方法 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响金属的塑性的因素：影响金属的塑性的因素：内在因素：内在因素：外部条件：外部条件：其它外部条件其它外部条件1 1）碳及杂质）碳及杂质碳碳 使碳钢的塑性降低，强度提高。碳含量越高，碳钢熔化使碳钢的塑性降低，强度提高。碳含量越高，碳钢熔化 温度越低，奥氏体晶粒长

13、大的倾向越大，再结晶速度越温度越低，奥氏体晶粒长大的倾向越大，再结晶速度越 慢，对热成形不利。慢，对热成形不利。磷磷 使钢的强度，硬度显着提高，塑性，韧性显著降低。当含使钢的强度，硬度显着提高，塑性，韧性显著降低。当含 磷量大于磷量大于0.30.3时，钢完全变脆冲击韧性接近于零。该现时，钢完全变脆冲击韧性接近于零。该现 象为象为“冷脆冷脆”，磷具有极大的偏析能力，使钢中局部地区，磷具有极大的偏析能力，使钢中局部地区 达到较高的含磷量而变脆。在热变形时，含磷量不大于达到较高的含磷量而变脆。在热变形时，含磷量不大于1 1 1.5 1.5时，磷完全溶于铁中，对钢的塑性影响不大。时，磷完全溶于铁中，对

14、钢的塑性影响不大。一、化学成分一、化学成分 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径硫硫 不溶于铁中，以不溶于铁中，以FeSFeS及及NiNi的硫化物夹杂形式存在。的硫化物夹杂形式存在。FeSFeS的的 熔点低，当钢在熔点低，当钢在80080012001200范围热加工时，晶界处硫化范围热加工时，晶界处硫化 铁熔化，导致锻件开裂。该现象为铁熔化，导致锻件开裂。该现象为“热脆热脆”。 氮氮 室温或稍高温度下，氮以室温或稍高温度下，氮以Fe4NFe4N形式析出，使钢的强度、形式析出，使钢的强度、 硬度提高，塑性、韧性降低，即时效脆性。在硬度提高，塑性、韧

15、性降低，即时效脆性。在300300左左 右加工还会出现右加工还会出现“蓝脆蓝脆”现象。现象。 氢氢 引起氢脆现象，使钢的塑性大大降低，集中在钢内缺陷引起氢脆现象，使钢的塑性大大降低，集中在钢内缺陷 处形成氢分子与压力的相互作用会出现处形成氢分子与压力的相互作用会出现“白点白点”现象。现象。 氧氧 在钢中形成氧化物夹杂物，降低钢的疲劳强度和塑性。在钢中形成氧化物夹杂物，降低钢的疲劳强度和塑性。 FeO FeO还会和还会和FeSFeS形成低熔点的共晶组织，分布于晶界处，形成低熔点的共晶组织，分布于晶界处， 造成钢的热脆性。造成钢的热脆性。 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑

16、性主要因素及提高塑性的途径合金元素对铁素体伸长率影响合金元素对铁素体伸长率影响 （2 2）合金元素对塑性的影响）合金元素对塑性的影响1.1.形成固溶体，使铁原子晶格点阵形成固溶体，使铁原子晶格点阵畸变，钢的变形抗力提高，塑性降畸变，钢的变形抗力提高，塑性降低。低。 2.2.与钢中的碳结合形成碳化物：与钢中的碳结合形成碳化物：硬而脆碳化物，使钢的强度提硬而脆碳化物，使钢的强度提高，塑性下降。高，塑性下降。高度分散极小颗粒的碳化物，高度分散极小颗粒的碳化物，起弥散强化作用，钢的强度提高，起弥散强化作用，钢的强度提高，塑性的影响不大。塑性的影响不大。在晶界含有大量共晶碳化物，在晶界含有大量共晶碳化物

17、，会使塑性很低。会使塑性很低。 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径。 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径1 1）晶格）晶格 面心立方晶格塑性最好，体心立方晶格塑性其次，密排面心立方晶格塑性最好，体心立方晶格塑性其次，密排六方晶格塑性较差。六方晶格塑性较差。2 2）晶粒度的影响）晶粒度的影响 晶粒越细，材料塑性越好。晶粒越细，材料塑性越好。3 3）相组成）相组成 单相材料一般比多相材料塑性高。单相材料一般比多相材料塑性高。 4 4）铸造组织）铸造组织 铸造组织具有粗大柱状晶粒和偏析、夹杂、气体琉松

18、等铸造组织具有粗大柱状晶粒和偏析、夹杂、气体琉松等缺陷，金属塑性降低。缺陷，金属塑性降低。 二、组织结构二、组织结构 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径1 1、 变形温度变形温度 蓝脆区蓝脆区红脆区红脆区再再结晶和扩散结晶和扩散 低温脆性区低温脆性区热振动热振动 过热和过烧过热和过烧 单一奥氏体单一奥氏体 1414.2.2影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径1 1）四个脆性区）四个脆性区原因：原因：原因：原因：原因：原因：原因：原因：。 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的

19、途径2 2）塑性增高的区域）塑性增高的区域区域区域1 1原因：原因：区域区域2 2：原因：原因：区域区域3 3：原因：原因： 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径 2. 2. 变形速度变形速度 单位时间内的应变，又称应变速率单位时间内的应变，又称应变速率 )(1sdtd )(1st变形速度与设备工作速度不同。变形速度与设备工作速度不同。设备的工作速度不等于变形速度，但很大程度上决定设备的工作速度不等于变形速度，但很大程度上决定变形速度的大小。变形速度的大小。 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径1

20、1）热效应与温度效应）热效应与温度效应热效应：热效应：塑性变形过程中变形能转化为热能的现象。塑性变形过程中变形能转化为热能的现象。温度效应：塑性变形过程中产生的热量使变形体温度升高的现象。温度效应：塑性变形过程中产生的热量使变形体温度升高的现象。影响温度效应因素影响温度效应因素：（1 1）变形速度，变形速度越高，单位时间的变形量大，产生的）变形速度，变形速度越高，单位时间的变形量大，产生的热量越多，热量散失越少，温度效应也越大。热量越多，热量散失越少，温度效应也越大。 （2 2）变形温度，温度越高，材料真实应力降低，单位体积变形）变形温度，温度越高，材料真实应力降低，单位体积变形能减小，温度效

21、应减小。在冷塑性变形时，材料真实应力高，单能减小，温度效应减小。在冷塑性变形时，材料真实应力高，单位体积变形功高，温度效应高。位体积变形功高，温度效应高。 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径2 2变形速度对塑性的影响变形速度对塑性的影响 变形速率不大时，塑性随变形速率增大而下降，当变形速变形速率不大时，塑性随变形速率增大而下降，当变形速率超过一定值时，塑性随变形速率增大而上升率超过一定值时，塑性随变形速率增大而上升区：区：区：区：变形速度变形速度塑性指标塑性指标III 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑

22、性的途径3. 3. 应力状态应力状态 压应力个数越多，数值越大，金属塑性越好，三向压应力个数越多，数值越大，金属塑性越好，三向压应力状态图最好，两向压一向拉次之，两向拉一向压压应力状态图最好，两向压一向拉次之，两向拉一向压更次。更次。 塑性好塑性好塑性差塑性差 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径静水压力提高金属塑性，这是因为：静水压力提高金属塑性，这是因为：（1 1）晶间变形使晶间显微破坏得到积累，进而迅速地引起多晶体）晶间变形使晶间显微破坏得到积累，进而迅速地引起多晶体的破坏，三向压缩能遏止晶粒边界相对移动，使晶间变形困难。的破坏，三向压缩能

23、遏止晶粒边界相对移动，使晶间变形困难。（2 2）三向压缩使金属变得更为致密，显微破坏得到修复，宏观破）三向压缩使金属变得更为致密，显微破坏得到修复，宏观破坏（组织缺陷）也得到修复；三向拉伸则加速各种破坏的发展。坏（组织缺陷）也得到修复；三向拉伸则加速各种破坏的发展。（3 3）三向压缩能完全或局部地消除变形物体内某些夹杂物甚至液）三向压缩能完全或局部地消除变形物体内某些夹杂物甚至液相对塑性的不良影响。三向拉应力会使这些地方形成应力集中，相对塑性的不良影响。三向拉应力会使这些地方形成应力集中，加速金属破坏出现。加速金属破坏出现。（4 4）三向压缩能完全抵偿或大大降低不均匀变形所引起的附加拉）三向压

24、缩能完全抵偿或大大降低不均匀变形所引起的附加拉伸应力，减轻拉应力的不良影响。伸应力，减轻拉应力的不良影响。 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径4 4变形程度变形程度 变形程度对塑性的影响同加工硬化及加工过程中塑性变形变形程度对塑性的影响同加工硬化及加工过程中塑性变形而产生的裂纹倾向有关。而产生的裂纹倾向有关。 在热变形过程中，变形程度与变形温度在热变形过程中，变形程度与变形温度- -速度条件是有关，当速度条件是有关，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。

25、程度对塑性影响不大。 冷变形过程中，变形程度的增加而塑性降低。对硬化强度大的冷变形过程中，变形程度的增加而塑性降低。对硬化强度大的金属与合金，较小的变形程度即进行下一次中间退火，以恢复金属与合金，较小的变形程度即进行下一次中间退火，以恢复其塑性；对于硬化强度小的金属与合金，则在两次中间退火之其塑性；对于硬化强度小的金属与合金，则在两次中间退火之间可给予较大的变形程度。间可给予较大的变形程度。 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径变形物体体积对力学性能的影响变形物体体积对力学性能的影响11塑性；塑性；22变形抗力变形抗力5.5.变形状态变形状态 主

26、变形图中压缩分量越多，越有利发挥金属的塑性。两向主变形图中压缩分量越多，越有利发挥金属的塑性。两向压缩向延伸的主变形图最好，一向压缩一向延伸次之，两向压缩向延伸的主变形图最好，一向压缩一向延伸次之，两向延伸向压缩的主变形图最差。延伸向压缩的主变形图最差。6. 6. 尺寸因素尺寸因素 随加工件体积增大，随加工件体积增大，塑性有所降低。塑性有所降低。 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径7 7周围介质周围介质 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径提高塑性的途径提高塑性的途径 ： 控制化学成分控制化学成分

27、 改善组织结构改善组织结构 提高材料的成分和组织的均匀性提高材料的成分和组织的均匀性 采用合适的变形温度采用合适的变形温度速度制度速度制度 选用三向压应力较强的变形过程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减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态 避免加热和加工时周围介质的不良影响。避免加热和加工时周围介质的不良影响。 1414.2 .2 影响塑性主要因素及提高塑性的途径影响塑性主要因素及提高塑性的途径 1414.3 .3 金属的超塑性金属的超塑性1. 1. 定义：定义：2. 2. 超塑性的种类超塑性的种类 细晶超塑性是在特定的恒温下发生的，也称为细晶超塑性

28、是在特定的恒温下发生的，也称为恒温超塑性恒温超塑性或或静超塑性静超塑性，或，或结构超塑性结构超塑性。 相变超塑性不一定要求材料具有超细晶粒组织，但要求具有相变超塑性不一定要求材料具有超细晶粒组织，但要求具有相变或同素异构转变，也称为相变或同素异构转变，也称为动态超塑性动态超塑性。 也有人把上述的第二及第三类超塑性总称为也有人把上述的第二及第三类超塑性总称为动态超塑性动态超塑性或或环环境超塑性境超塑性。 1414.3 .3 金属的超塑性金属的超塑性3.3.细晶超塑性特征细晶超塑性特征 当当应力应力超过最大值后，随着变形量增加超过最大值后，随着变形量增加而下降，而变形量则可达到很大而下降，而变形量

29、则可达到很大 变形增加真应力变形增加真应力变化很小变化很小真实应变真实应变真实应力真实应力低负荷无细颈的大延伸现象低负荷无细颈的大延伸现象 1414.3 .3 金属的超塑性金属的超塑性4.4.变形力学特征变形力学特征mKlglgddm当应力当应力变形速度表示为变形速度表示为对数曲线时，此变形速度对数曲线时，此变形速度敏感性指数为该曲线的斜敏感性指数为该曲线的斜率率 1414.3 .3 金属的超塑性金属的超塑性变形速度敏感性指数变形速度敏感性指数m m是表征超塑性的一个极其重要的指标；是表征超塑性的一个极其重要的指标；m m值反映材料抗颈缩的能力；值反映材料抗颈缩的能力；m m值大值大, ,有大

30、延伸率的可能性；有大延伸率的可能性；m m1 1时，时， 变为牛顿粘性流动公式变为牛顿粘性流动公式K K是粘性系数；是粘性系数；对于普通金属，对于普通金属，m m0.020.020.20.2对于超塑性材料，对于超塑性材料，m=0.3m=0.31.01.0mK 1414.3 .3 金属的超塑性金属的超塑性 设试样横断面积设试样横断面积A A上有拉伸负荷上有拉伸负荷P P，则，则=P/A=P/AdtdAA1mmmAdtdAAKPdtdA11111试样各横断面积减小速度与试样各横断面积减小速度与 成正比成正比 mA11APmKAdA 1414.3 .3 金属的超塑性金属的超塑性m m值增大时，对局部

31、收缩的抗力增大，变形趋向均值增大时，对局部收缩的抗力增大，变形趋向均匀，有出现大延伸的可能性。匀，有出现大延伸的可能性。 m m值大小与变形速度、变形温度及晶粒大小等因素值大小与变形速度、变形温度及晶粒大小等因素有关。有关。只有当变形速度与变形温度的综合作用是有利于获只有当变形速度与变形温度的综合作用是有利于获得较大的得较大的m m值时，合金才能处于超塑性状态值时，合金才能处于超塑性状态 1414.3 .3 金属的超塑性金属的超塑性细晶超塑性要求有极细的等轴晶粒、双相及稳定的组织。细晶超塑性要求有极细的等轴晶粒、双相及稳定的组织。双相要求：双相要求：第二相晶粒能阻碍母相晶粒的长大，而母相也能第

32、二相晶粒能阻碍母相晶粒的长大，而母相也能阻碍第二相的长大。阻碍第二相的长大。稳定要求：稳定要求：在变形过程中晶粒长大的速度要慢，以便有充分在变形过程中晶粒长大的速度要慢，以便有充分的热变形持续时间的热变形持续时间等轴晶粒要求等轴晶粒要求：孪生普通塑性变形机制，是一种晶界作用，孪生普通塑性变形机制，是一种晶界作用，要求有数量多而又短的晶粒边界，且界面要平坦，易于变要求有数量多而又短的晶粒边界，且界面要平坦，易于变形流动，以减少组织内切应力。形流动，以减少组织内切应力。晶粒尺寸：晶粒尺寸：大于大于10m10m的晶粒组织难以实现超塑性的晶粒组织难以实现超塑性 1414.3 .3 金属的超塑性金属的超

33、塑性5. 5. 超塑性变形变形特点超塑性变形变形特点 1) 1)、晶粒未被拉长，保持等轴状态，晶粒直径长大、晶粒未被拉长，保持等轴状态，晶粒直径长大 。但不是。但不是原样简单粗大化，伴随晶粒回转的同时发生同相晶粒的接近，原样简单粗大化，伴随晶粒回转的同时发生同相晶粒的接近，合并和再分割过程的反复进行。合并和再分割过程的反复进行。 2 2）、晶界滑移、移动及晶粒回转，但并不产生脆性的晶界断）、晶界滑移、移动及晶粒回转，但并不产生脆性的晶界断裂。裂。 3 3）、无位错组织出现。）、无位错组织出现。 4 4）、结晶学织构不发达，若原始取向无序，超塑性变形后仍）、结晶学织构不发达，若原始取向无序，超塑

34、性变形后仍为无序，超塑性变形后织构破坏，基本上变为无序化。为无序，超塑性变形后织构破坏，基本上变为无序化。 1414.3 .3 金属的超塑性金属的超塑性细晶超塑性变形的机制细晶超塑性变形的机制 1 1扩散蠕变理论扩散蠕变理论 2 2晶界滑动理论晶界滑动理论 3 3动态再结晶理论动态再结晶理论 1414.3 .3 金属的超塑性金属的超塑性影响超塑性的主要因素影响超塑性的主要因素1 1）变形速度的影响很大，超塑性只有在）变形速度的影响很大，超塑性只有在1010-41010-1/s内才出内才出现现. .2)2)变形温度对超塑性的影响非常明显，当低于或超过某一温变形温度对超塑性的影响非常明显，当低于或

35、超过某一温度范围时，就不出现超塑性现象。度范围时，就不出现超塑性现象。3 3）晶粒尺寸也影响超塑性。减小晶粒尺寸，有利于超塑性）晶粒尺寸也影响超塑性。减小晶粒尺寸，有利于超塑性变形。变形。4 4）晶粒形状的影响。当晶粒是等轴晶粒且晶界面平坦时，）晶粒形状的影响。当晶粒是等轴晶粒且晶界面平坦时，利于晶界滑动，有利于超塑性变形。利于晶界滑动，有利于超塑性变形。 1414.3 .3 金属的超塑性金属的超塑性43 1 14 4. .4 4 单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形1 14.44.4.1.1.1.1 滑移滑移 晶体塑性变形是通过平行于一定晶体学平面（即滑移面）晶体塑性变形是通过平

36、行于一定晶体学平面（即滑移面）的滑移引起的。的滑移引起的。 塑性变形的结果，使原来光滑的单晶试样的表面变成台阶塑性变形的结果，使原来光滑的单晶试样的表面变成台阶状，这些台阶是由大量位错滑出晶体所形成的。这些线条称为状，这些台阶是由大量位错滑出晶体所形成的。这些线条称为滑移线滑移线，一系列滑移线聚成一束，组成，一系列滑移线聚成一束，组成滑移带滑移带44移线：滑移带中的细线移线：滑移带中的细线滑移层：相邻滑移线间的晶体片层滑移层：相邻滑移线间的晶体片层滑移量：每条滑移线所产生的台阶高度滑移量：每条滑移线所产生的台阶高度 滑移带示意图滑移带示意图 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶

37、体的塑性变形45当应力超过晶体的弹性极限后，晶体中就会产生层片当应力超过晶体的弹性极限后，晶体中就会产生层片之之 间的相对滑移，大量的层片间滑动的累积就构成晶体的间的相对滑移，大量的层片间滑动的累积就构成晶体的宏观塑性变形。宏观塑性变形。滑移集中在某些晶面上，滑移带和滑移线间的晶体片滑移集中在某些晶面上，滑移带和滑移线间的晶体片层并未发生塑性变形，仅仅发生了相对滑动层并未发生塑性变形，仅仅发生了相对滑动塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，晶体塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，晶体沿某些特定的晶面及方向相对错开，这些晶面和晶向分别称沿某些特定的晶面及方向相对错开，这些晶面和晶向分别

38、称“滑移面滑移面”和和“滑移方向滑移方向”。 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形461. 1. 滑移与临界分切应力定律滑移与临界分切应力定律滑移：滑移：指晶体在外力的作用下，其中一部分沿着一定晶面和在这指晶体在外力的作用下，其中一部分沿着一定晶面和在这个晶面上的一定晶向，对其另一部分产生的相对移动。个晶面上的一定晶向，对其另一部分产生的相对移动。滑移面：滑移面：沿着原子密度最大的晶面发生。沿着原子密度最大的晶面发生。滑移方向：滑移方向：沿着原子密度最大的晶向发生。沿着原子密度最大的晶向发生。滑移系：滑移系：滑移面与滑移方向数值的乘积。滑移面与滑移方向数值的乘积。滑

39、移系愈多，滑移过程可能采取的空间取向愈多，滑移愈容易，滑移系愈多，滑移过程可能采取的空间取向愈多，滑移愈容易，塑性愈好。塑性愈好。 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形47金属的主要滑移面、滑移方向和滑移系金属的主要滑移面、滑移方向和滑移系对一定结构晶体对一定结构晶体, ,滑移方向随变形温度不变滑移方向随变形温度不变, ,但滑移面但滑移面随变形温度有所改变。随变形温度有所改变。 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形48滑移是金属的一部分相对于另一部分的剪切运动，其运动滑移是金属的一部分相对于另一部分的剪切运动，其运动的距离是剪切方向上原子

40、间距的整数倍，剪切运动后不破的距离是剪切方向上原子间距的整数倍，剪切运动后不破坏晶体内原有的原子排列规则性，滑移后晶体各部分的位坏晶体内原有的原子排列规则性，滑移后晶体各部分的位向仍然一致。向仍然一致。 滑移是金属的一部分相对于另一部分沿滑移面和滑移方滑移是金属的一部分相对于另一部分沿滑移面和滑移方向的剪切变形，需要一定的向的剪切变形，需要一定的驱动力驱动力来克服滑移运动的阻力，来克服滑移运动的阻力，这个驱动力即是外力在滑移面、滑移方向作用的这个驱动力即是外力在滑移面、滑移方向作用的分切应力分切应力。当此分切应力的数值达到一定大小时，晶体在这个滑移系当此分切应力的数值达到一定大小时，晶体在这个

41、滑移系统上进行滑移。统上进行滑移。 临界切应力：临界切应力：能引起滑移的这个分切应力，以能引起滑移的这个分切应力，以k k 表示。表示。 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形49S S n1n111 11 cos1cos112 12 cos2cos213 13 cos3cos3S S n2n212 12 cos1cos122 22 cos2cos23232 cos3 cos3 S S n3n31313 cos1 cos123 23 cos2cos233 33 cos3cos3 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形50S S n1n1cos

42、cos1 1S Sn2 n2 coscos2 2S Sn3 n3 coscos3 3 1111coscos1 1coscos1 11212coscos2 2coscos1 113 13 coscos3 3 cos cos 1 1+12 12 coscos1 1 coscos2 22222 cos cos2 2 cos cos2 232 32 coscos3 3 coscos2 2+13 13 coscos1 1 coscos3 32323 cos cos2 2 coscos3 333 33 coscos3 3 coscos3 3 缩写为：缩写为：ijij cos cosi i cos cosj

43、 j 当外力增加，滑移方向的分切应力达到临界切应力当外力增加，滑移方向的分切应力达到临界切应力k k时，晶时，晶体产生滑移。体产生滑移。 k kijij cos cosi i coscosj j 即：即：k kcoscos coscos 广义施密特定律广义施密特定律 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形51 单向拉伸变形时，拉应力平行于轴单向拉伸变形时，拉应力平行于轴1 1，则，则1111 处于开始屈服时应力状态。即应力处于开始屈服时应力状态。即应力达到拉伸的屈达到拉伸的屈服应力服应力s s：k kscoscos scoscos 和和角反映外力和单晶角反映外力和单晶

44、体的取向关系。体的取向关系。coscoscoscos称为称为取向因子取向因子，或称为或称为施密特因子施密特因子。 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形52 当拉伸轴与滑移面和滑移方向都成当拉伸轴与滑移面和滑移方向都成4545角时，即当角时，即当4545，即，即=coscos=0.5=coscos=0.5，这时取向因子达到最大值，这时取向因子达到最大值maxmax，拉伸力在该滑移上沿此滑移方向上的分力最大，即沿此滑移方拉伸力在该滑移上沿此滑移方向上的分力最大，即沿此滑移方向上的分切应力最大这时晶体滑移所需外力最小。向上的分切应力最大这时晶体滑移所需外力最小。 软取向：

45、软取向：=0.5=0.5及接近于及接近于0.50.5的方位，或叫的方位，或叫有利方位硬取向：有利方位硬取向：=0=0及接近于及接近于0 0的方位，或叫的方位，或叫不利方位。不利方位。 处于这些硬取向的晶体在外应力数值很大，但在滑移系统上处于这些硬取向的晶体在外应力数值很大，但在滑移系统上的切分应力仍为零，或数值仍然很小，难的切分应力仍为零，或数值仍然很小，难 以滑移。当外力足够以滑移。当外力足够大可能发生断裂。大可能发生断裂。 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形532 2. . 晶体滑移的实质晶体滑移的实质 晶体的滑移过程晶体的滑移过程, ,实质是位错移动和增殖的

46、过程。实质是位错移动和增殖的过程。 滑移首先在其局部区域产生，逐步扩大直至最后整个滑移面滑移首先在其局部区域产生，逐步扩大直至最后整个滑移面 上完成滑移。局部区域首先滑移的原因：该处存在着位错，引上完成滑移。局部区域首先滑移的原因：该处存在着位错，引 起应力集中，使其应力大到足够引起物体的滑移。塑性变形过起应力集中，使其应力大到足够引起物体的滑移。塑性变形过 程中为保证塑性变形的不断进行，必须要有大量新的位错的出程中为保证塑性变形的不断进行，必须要有大量新的位错的出 现这些新的位错产生，称为位错增殖。现这些新的位错产生，称为位错增殖。 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑

47、性变形543. 3. 晶体滑移时的转动晶体滑移时的转动滑移面上最大分切应力与滑移方向一致时，晶体转动滑移面上最大分切应力与滑移方向一致时，晶体转动 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形55滑移面上最大分切应力与滑移方滑移面上最大分切应力与滑移方向不一致时，拉伸时晶体的转动向不一致时，拉伸时晶体的转动 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形56压缩时晶面的转动：压缩时晶面的转动：滑移面逐渐转向与压力轴线垂直，滑移面逐渐转向与压力轴线垂直， 与拉伸时相反与拉伸时相反压缩时晶体转动示意图压缩时晶体转动示意图 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变

48、形单晶体和多晶体的塑性变形57滑移的基本类型滑移的基本类型单滑移：单滑移：外加切应力外加切应力 c,c,开动一组滑移系；开动一组滑移系；特征：表面平行的滑移线特征：表面平行的滑移线; ; 发生在滑移系较少或塑发生在滑移系较少或塑性变形开始阶段。性变形开始阶段。双滑移：双滑移：指从某一变形程度开纳，同时有两个滑移指从某一变形程度开纳，同时有两个滑移系统进行工作。系统进行工作。 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形58交滑移：交滑移：特征：特征：交滑移交滑移 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形59CuCu的单滑移的单滑移AlAl的多滑移的多

49、滑移AlAl单晶的交滑移单晶的交滑移 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形60 多系滑移多系滑移 具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利的滑移具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利的滑移系（其分切应力最大）中进行，但变形时晶面转动，使另一系（其分切应力最大）中进行，但变形时晶面转动，使另一组滑移面上的分切应力逐渐增加到足以发生滑移的临界值以组滑移面上的分切应力逐渐增加到足以发生滑移的临界值以上，晶体的滑移可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交上，晶体的滑移可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行。产生多系滑移。替地进行。产生多系滑移。 滑移的位错机制滑

50、移的位错机制 晶体滑移不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面晶体滑移不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是借助位错在滑移面上运动来逐步地进作刚性整体位移，而是借助位错在滑移面上运动来逐步地进行的。行的。 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形6114.4.114.4.1.2 .2 孪生孪生孪生：孪生：晶体在切应力的作用下，其一部分沿某一定晶面和晶向，晶体在切应力的作用下，其一部分沿某一定晶面和晶向，按一定的关系发生相对的位向移动，其结果使晶体的一部分与按一定的关系发生相对的位向移动，其结果使晶体的一部分与原晶体的位向处于相互对称的位置，其晶面和

51、晶向分别为孪生原晶体的位向处于相互对称的位置，其晶面和晶向分别为孪生晶面和晶向。晶面和晶向。孪晶孪晶: :相对某一特定晶面两边原子排列成镜像对称的一对晶体。相对某一特定晶面两边原子排列成镜像对称的一对晶体。 孪生的形成方式孪生的形成方式: : 1) 1)晶体生长晶体生长, ,如退火孪晶如退火孪晶; ; 2) 2)塑性变形塑性变形, ,称变形孪晶称变形孪晶. . 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形62孪生特点孪生特点: :1)1)均匀切变均匀切变, ,即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面 均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移一定距离。

52、均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移一定距离。 2)2)具有晶体学要素具有晶体学要素: :孪生面和孪生方向孪生面和孪生方向, ,统称孪生系统称孪生系; ;3)3)不改变晶体的点阵类型不改变晶体的点阵类型; ;4)4)相邻层间相对切变量相等且小于一个原子间距相邻层间相对切变量相等且小于一个原子间距, ,每层每层 总切变量与它和孪生面的距离成正比总切变量与它和孪生面的距离成正比; ;5)5)所产生的形变较小所产生的形变较小, ,但便于随后的变形但便于随后的变形; ;6)6)具有可逆性具有可逆性: :应力反向时应力反向时, ,去孪去孪, ,且去孪易于孪生且去孪易于孪生 14.414.4单晶体和多晶体的塑

53、性变形单晶体和多晶体的塑性变形63锻造锻造TiTi产生的孪晶产生的孪晶 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形64面心立方晶体的孪生变形面心立方晶体的孪生变形（a a）孪晶面和孪生方向）孪晶面和孪生方向 （b b）孪生变形时原子的移动）孪生变形时原子的移动 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形65孪生要引起堆垛层错的改变孪生要引起堆垛层错的改变. .孪晶形成的位错机制孪晶形成的位错机制: : 由肖克莱不全位错运动扫过相继的层面造成的均匀切变由肖克莱不全位错运动扫过相继的层面造成的均匀切变。 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多

54、晶体的塑性变形66孪生与滑移的区别：孪生与滑移的区别：孪生孪生滑移滑移临界切应力临界切应力大大小小切变均匀性切变均匀性均匀均匀不均匀不均匀切变量切变量 原子间距的非整原子间距的非整数倍数倍原子间距的整原子间距的整数倍数倍位的变化位的变化改变改变不变不变抛光后浸蚀后抛光后浸蚀后可见可见不可见不可见发生难易程度发生难易程度不易（低温、高不易（低温、高速）速）易易 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形67 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形14.414.4.2.2.1.1多晶体变形的特点多晶体变形的特点1 1变形不均匀变形不均匀 多晶体塑性变

55、形的竹节现象多晶体塑性变形的竹节现象 （a a）变形前）变形前 （b b）变形后）变形后 多晶体塑性变形的不均匀性多晶体塑性变形的不均匀性 682 2晶界的作用及晶粒大小的影响晶界的作用及晶粒大小的影响 多晶铝的几个晶粒各处的应变量。多晶铝的几个晶粒各处的应变量。 垂直虚线是晶界，线上的数字为总变形量垂直虚线是晶界，线上的数字为总变形量 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形6914.4.214.4.2.2 .2 多晶体的塑性变形机制多晶体的塑性变形机制 1 1晶粒的转动与移动晶粒的转动与移动晶粒的转动晶粒的转动 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体

56、的塑性变形702 2溶解溶解沉积机制沉积机制实质：实质：一相晶体的原子迅速而飞跃式的转移到另一相一相晶体的原子迅速而飞跃式的转移到另一相的晶体中去。的晶体中去。保证两相有较大的相互溶解度外，还必须具备下列条保证两相有较大的相互溶解度外，还必须具备下列条件件 : :（1 1）随着温度的变化或原有相晶体表面大小及曲率）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。的变化，伴随有最大的溶解度改变。 (2 (2）变形时，应具备足够高的温度条件。）变形时，应具备足够高的温度条件。 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形713 3非晶机构非晶机构 定向定

57、向 14.414.4单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形72 14.5 14.5 金属在塑性变形中的硬化金属在塑性变形中的硬化1. 1. 单晶体的加工硬化单晶体的加工硬化曲线斜率曲线斜率=d=d/d/d 称为加工硬化率称为加工硬化率 剪切力剪切力c c c 塑性变形阶段塑性变形阶段塑性变形阶段的曲线分为：塑性变形阶段的曲线分为：v易滑移阶段易滑移阶段v线性硬化阶段线性硬化阶段v抛物线硬化阶段抛物线硬化阶段73.线性硬化阶段线性硬化阶段多系滑移多系滑移多系滑移多系滑移位错反应位错反应位错塞积缠结位错塞积缠结胞状亚结构胞状亚结构 必须加大外加切应力必须加大外加切应力变形抗力变形抗力硬化

58、率硬化率.易滑移阶段易滑移阶段单系滑移单系滑移滑移线相互平行滑移线相互平行, ,一组滑移系开动一组滑移系开动, ,硬化率很小硬化率很小.抛物线硬化阶段抛物线硬化阶段交滑移交滑移 交滑移交滑移异号位错抵消异号位错抵消位错密度位错密度硬化率硬化率 1 14.54.5金属在塑性变形中的硬化金属在塑性变形中的硬化742.2.多晶体金属加工硬化多晶体金属加工硬化 对于多晶体对于多晶体, ,多系滑移多系滑移, ,无易滑移阶段无易滑移阶段, ,加工硬化率比较高。加工硬化率比较高。I: I: 小变形区域小变形区域IIII：强烈硬化塑性变形：强烈硬化塑性变形 区，区，IIIIII：织构形成区：织构形成区IVIV

59、：高变形区：高变形区IIIIIIIV 1 14.54.5金属在塑性变形中的硬化金属在塑性变形中的硬化751 14.6 4.6 金属塑性变形的不均匀性与残余应力金属塑性变形的不均匀性与残余应力 1 1 金属塑性变形的不均匀性金属塑性变形的不均匀性均匀变形：物体同时在高度方向和宽度方向上均匀变形：物体同时在高度方向和宽度方向上( (从而也在长度从而也在长度方向上方向上) )变形均匀时。否则就是不均匀变形变形均匀时。否则就是不均匀变形 均匀变形条件：均匀变形条件：(1) (1) 受变形物体是等向性，受变形物体是等向性，(2) (2) 物体内任意点处物理状态完全均匀，物体内任意点处物理状态完全均匀，(

60、3) (3) 接触面上任意质点的绝对及相对压下量相同，接触面上任意质点的绝对及相对压下量相同，(4) (4) 变形是在没有外端变形是在没有外端( (外区外区) )的情况下进行，的情况下进行，(5) (5) 接触面上完全没有外摩擦，或没有由外摩擦所引起的阻力。接触面上完全没有外摩擦，或没有由外摩擦所引起的阻力。762 2 基本应力与附加应力基本应力与附加应力基本应力：基本应力：金属塑性变形时由外力作用所引起的应力，表示金属塑性变形时由外力作用所引起的应力，表示这种应力分布的图形叫做基本应力图。这种应力分布的图形叫做基本应力图。附加应力：附加应力：由于物体内各处的不均匀变形受到物体整体性的由于物体