金属塑性变形的物理基础

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 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,一、塑性变形机理,多晶体的塑性变形包括晶粒内部变形（晶内变形）、晶外变形（晶间变形）。,（一）晶内变形,变形方式：滑移（主要）、孪生（次要）,1、滑移,晶体在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变。滑移矢量与柏氏矢量平行。,滑移发生的地方：原子密度最大的晶面和晶向，例如面心立方的110和，体心立方的111和等。,原因：原子密度最大的晶面，原子间距小，原子间的结合力强；而

2、其晶面间的距离则较大，晶面与晶面之间的结合力较小，滑移阻力便小。,结论：滑移系多的金属要比滑移系少的金属变形协调性好、塑性高；而其发生滑移的条件需沿滑移面施加一定大小的切应力。,设拉力P引起的拉伸应力，切应力分量为 =coscos,P,P,滑移面,滑移方向,令u=coscos，称为取向因子,当u=0.5或接近0.5，称为软取向 当u=0或接近0，称为硬取向,金属多晶体中，各晶粒的位向不同，使得塑性变形必然不可能在所有晶粒内同时进行，构成多晶体塑性变形不同于单晶体。,2、孪生（形变孪晶）,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）发生均匀切变。 金属

3、在塑性变形时以何种方式变形，取决于哪种变形所需的切应力为低。常温下，滑移优先；低温下，孪生优先。,（二）晶间变形,主要方式是晶粒之间相互滑动和转动。 在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形只是次要作用。,二、塑性变形的特点,特点,1）各晶粒变形的不同性（方式不同）,2）各晶粒变形的相互协调性（目的一致）,3）晶粒之间、晶体内部和晶界附近区域之间变形的不均匀性。（尺寸不一致）,由于晶粒变形的特点，使得晶粒大小对金属的塑性和变形抗力有一定的影响。,设晶粒平均直径d，材料屈服强度s，根据实验结果获得两者之间的关系表达式为 s=0+Kyd,-1/2,-1/2,d （cm）,s（MP

4、a）,25,50,75,100,100,200,0：常数，变形抗力，约为单晶体临界切应力23倍 Ky：常数，变形影响,因此，晶粒细化，单位体积的晶界越多，削弱了晶粒内部的应力场，无法达到变形发生的程度，故需外加更大的力；而且晶粒细化，金属的塑性越好。,原因：1）晶粒细化，变形能均匀分布 2）晶粒细化，晶粒的应变分布差异较小。,三、合金的塑性变形,合金的相结构有两大类：固熔体和化合物。 常见的合金组织有两种：一种是单相固熔体合金；另一种是两相或多相合金。,（一）单相固溶体合金,组织上和多晶体纯金属差异不大，变形机理也同样是滑移和孪生为主。,由于溶入溶质原子，使金属的变形抗力和加工硬化率有所提高，

5、塑性有所下降，称为固溶强化,溶质原子的介入，使得晶体内位错能降低（内能降低）屈服强度降低，容易造成吕德斯带的产生，影响产品质量,（二）多相合金的塑性变形,多相合金的变形复杂，但仍是滑移和孪生为主。,根据多相合金中第二相粒子的尺寸大小可分为两类：,1）第二相粒子的尺寸与基体相晶粒尺寸属于同一数量级，称为聚合型两相合金。,2）第二相粒子十分细小，并弥散地分布在基体晶粒内，称为弥散分布型两相合金,多相合金晶体中第二相粒子的分布情况不同，使塑性变形的情况与单相合金的有所不同。,1）聚合型两相合金 由于两相尺寸分布在同一数量级上。因此，只有第二相为较强相时，合金才能得到强化。,较强相所占比例,30%，变

6、形滑移发生在较弱相,30%70%，两相接近,70%，成为基体相，塑性由其控制,2）弥散型两相合金 当第二相以细小微粒均匀分布于基体相时，将产生显著的强化作用。,这种强化作用可根据其粒子进入方式分为两类： a.第二相粒子通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出，并产生强化的，称为时效强化； b.第二相粒子借助粉末冶金方法加入的，称为弥散强化。,补充说明：第二相粒子也可分为可变形和不可变形两种。可变形即位错切过微粒；不可变形即绕过微粒。这两种方式的形成主要根据第二相粒子的尺寸大小，尺寸过大，切过困难，绕过容易；尺寸过小，切过容易，绕过困难。,滑移面,第二相粒子,b,生成表面,四、冷塑性变形对金属组织

7、和性能的影响,（一）组织的变化,1.晶粒形状的变化,金属冷加工变形后，其晶粒形状变化趋势大体与金属宏观变形一致。,2.晶粒内产生亚结构,金属的塑性变形主要是借助位错的移动进行的。,晶粒变形,位错堆积,位错缠结,亚结构,变形量过大,3.晶粒位向改变（变形织构，也称形变织构）,定义：多晶体中，晶粒随着变形量的增大，原来任意取向的各个晶粒，会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。这种由于塑性变形的结构而使晶粒具有择优取向的组织，称为变形织构。,前,后,丝织构在拉拔和挤压中形成，轴对称变形，其主应变为两向压缩、一向拉伸。,前,后,板织构是在轧制或宽展很小的矩形件镦粗时形成的。特征是各个晶粒的某一个晶向趋向于与

8、轧制方向平行，而某一个晶面趋向于与轧制平面平行,影响：变形织构的存在，使得金属性能将显示各向异性，且经退火后，织构和各向异性仍然存在，对产品进行加工带来困难，并影响产品质量。例如，“制耳”现象。,（二）性能的变化,加工硬化。即随金属变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而韧性、塑性随之降低的现象。,原因：位错交互作用的结果。,应用：可使金属不用通过热处理的方式，在冷态下进行强化，达到工作需要的强度。,缺陷：使得工件内部容易造成应力集中。,2.2金属热态下的塑性变形,一、热塑性变形时的软化过程,软化过程按性质可分为以下5种： 动态回复 动态再结晶 静态回复 静态再结晶 亚动态再结晶,动态回复 动

9、态再结晶,静态回复 静态再结晶 亚动态再结晶,热塑性变形过程中,热变形的间歇期间 或热变形后,1.静态回复和再结晶,成因：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自发恢复的趋势。,发生条件：温度变化。因此静态回复在较低温度下，或在较早阶段发生的转变过程；静态再结晶在较高温度下，或较晚阶段发生的转变过程。,（1）静态回复,静态回复随回复温度的不同而有所区别,低温回复（0.10.3Tm）：空位的运动和空位与其他缺陷的结合； 中温回复（0.30.5Tm）：除了上述的点缺陷运动外，还包括位错发团内部位错的重新组合或调整、位错的滑移和异号位错的互

10、毁； 高温回复（0.5Tm，小于再结晶发生的温度）：出现位错的攀移、亚晶的合并和多边形化。,影响：回复使得点缺陷减少，位错密度降低，亚晶增大，晶体组织处于低能态，但晶粒形状没有发生改变。以上这些使得整个金属的晶格畸变程度大为减少，性能也发生改变（硬度、强度、韧性）。,（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。,特点：组织彻底改组的过程，性能发生根本性的变化。强度、硬度下降明显，塑性大为提高，加工硬化后内应力完全消除，物理性能也得到恢复，金属恢复到冷变形前的状态。,过程：再结晶是通过形核

11、和生长来完成的。,材料,胞状亚结构,变形程度大,亚晶,合并 位向差很小,成核,加热,内部位错密度很小,机理：变形程度小，晶界两侧的位错密度会有很大的差别。在一定的高温下，晶界的一个线段会向位错密度高的晶粒的一侧突然移动，从而导致该侧部分的位错互毁而降低到最低密度。因此，该区域形成再结晶的核心。,（3）动态回复,动态回复是在热塑性变形过程中的回复，在金属软化过程中占有很重要的地位。 动态回复主要通过位错的攀移、交滑移等来实现的。同时也是高层错能金属热变形的唯一软化机制,动态回复,动态回复后的金属组织为亚晶组织，内部位错密度相当高，故变形后立即进行热处理，则获得变形强化和热处理强化的双重效果，故这

12、种热处理方法称为高温形变热处理。,（4）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。 动态再结晶容易发生在层错能较低的金属，同样是由亚晶形核和成长而形成的过程。,动态再结晶过程中，塑性变形还在进行，生长中的再结晶晶粒随即发生变形，而静态的晶粒却是无应变发生。因此动态的晶粒具有更高的强度和硬度。,二、热塑性变形机理,晶内滑移,晶内孪生,晶界滑移,扩散蠕变,（主要）,（高温高速变形过程中）,（高温变形过程中,交互作用）,1.晶内滑移,高温,原子热振动及扩散速度增加,位错滑移,位错攀移,交滑移,节点脱锚,容 易,滑移系增多,晶界阻碍作用减弱,晶内滑移,2.晶界滑移,a.在微细晶粒变形中，

13、晶界强度低于晶内，容易发生滑动；,b.扩散蠕变调节，消除晶界滑动引起的破坏,3.扩散蠕变,应力场作用下，由空位的定向移动引起的。,空位和原子移动方向,晶内扩散,三、双相合金热塑性变形的特点,1.弥散型双相合金,a.位错在第二相粒子附近堆积，使位错密度增加、分布不均，有利于再结晶形核。但若第二相粒子直径和间距都很小，则使位错均匀分布，不利于再结晶形核； b.弥散的第二相具有“钉扎”作用，也限制了再结晶的晶粒成长。,2.聚合型双相合金,形核一般在变形小的相中晶界旁形成；变形大的一相，形核可发生在相界也可在相中。,3.两相合金热变形时，较大的变形程度，可将粗大的第二相打碎，并改变其分布，使第二相呈带

14、状、线状或链状分布。,4.双相合金热变形时，第二相在较高的变形温度下可能发生粗化。,5.当第二相为低熔点金属相或低熔点共晶体分布于晶界时，热塑性变形区域局部溶化，造成金属的热脆性。,四、热塑性变形对金属组织和性能的影响,1.改善晶粒组织； 2.锻合内部缺陷（热锻）； 3.破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布； 4.形成纤维组织； 5.改善偏析。,2.3金属的超塑性变形,金属出于特定的条件下，如一定的化学成分，特定的显微组织及转变能力、特定的变形温度和应变速率等，则金属会呈现出异常的高塑性状态，称为超塑性变形状态。,一、概念和种类,具有超常的均匀变形能力，伸长率达到百分之几百百分之几千。,

15、伸长率：200； 应变速率敏感性指数：m0.3； 抗缩颈能力大。,特点：大伸长率、低流动应力、易成形。,（一）概念,纳米铜的室温超塑性,在不同温度下ZnAl22的拉伸变形1083%,Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸率1950%,（二）种类,条件：a.晶粒超细化和等轴长（10um）； b.恒温条件的下限温度0.5Tm （0.5Tm0.7Tm）； c.应变速率在（1/101/100000）/s,1.细晶超塑性（结构超塑性或恒温超塑性）,控制因素：a.温度变化幅度（t=t上t下）； b.温度循环率（加热 冷却速度）；,2.相变超塑性（变态超塑性）,特点：相变超塑性的总伸长率和温度循

16、环次数有关，次数越多、伸长率越大。,二、细晶超塑性力学特征,条件应力-应变曲线,真 实 应 力,真实应变,真实应力-应变曲线,特点：没有加工硬化,超塑性特征方程：,Y真实应力 K材料常数（试验条件决定） 应变速率 m应变速率敏感性指数,m是表征超塑性的一个重要指标：,m1，牛顿粘性流动公式、K粘性系数,m0.020.2，普通金属,m0.31.0，超塑性金属,三、影响因素,四、典型的超塑性材料,目前已知的超塑性金属及合金已有数百种，按基体区分，有Zn、Al、Ti、Mg、Ni、Pb、Sn、Zr、Fe基等合金。其中包括共析合金、共晶、多元合金、高级合金等类型的合金。部分典型的超塑性合金见下表,五、超

17、塑性的应用,由于金属在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用，包括压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等方面。 自七十年代初期，具有超塑性的金属材料在工业上逐渐得到引人注目的应用。据报导，在日本、美、英、德等国已有专门生产超塑性材料的企业。对细晶超塑性材料，在电子工业中已在大量地使用。对相变超塑性材料，也有良好的发展前景，例如不锈钢、钛合金等材料在汽车工业和部分国防工业获得了良好的应用。,（一）无模拉伸 如图所示，这种拉伸方法巧妙地利用了材料的超塑性，在拉伸时，根据超塑性材料对温度和变形速度的敏感性，用一感应线圈控制加热温度使工件进行局部加热

18、，并在拉伸时对拉拔速度加以控制。 在拉伸过程中可利用不同形状的感应线圈，通过控制感应热的大小或断续，制出任意断面的各种形状的管材、棒材。,（二）板料冲压 板料冲压是最适宜的超塑成形的方法之一。如图所示，板料冲压成形的一例。这是一种借助于栓塞顶头的成型方法。,（三）压焊加工 压焊加工是一种对超塑性材料进行铸造和锻造结合的加工方法。用这种方法可以获得具有极细晶粒结构的制件，从而大大优于一般的铸造技术。,（四）其他 通讯卫星地面接收站的抛物面体，曲面形状精度要求很高，用板材冷冲压不但冲压力要很大，而且由于材料反弹，制品与模具形状不一，要求多次矫正修改才能接近理论值。采用超塑成型，压力大大减小，制品与模具形面非常接近误差很小，一次成型，效果很好。 人造卫星上使用的钛合金燃料箱为中空球体，壁厚0.75-1.5mm，采用常规方法几乎无法成形，采用超塑成形，很顺利制成。,目前研究热点,金属基复合材料、陶瓷材料和金属间互化物近年来在高新技术领域获得了特别的青睐，因为它们普遍的有重量轻、强度大、耐高温、抗磨损等一系列优点，但它们也有一个共同的特点，即很难加工，冷热加工都很难，这使它们的推广应用受到了