金属塑性变形的物理基础.ppt

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1、第二章 金属塑性变形的物理基础,第一节 金属冷态下的塑性变形第二节 金属热态下的塑性变形第三节 金属在塑性加工过程中的塑性行为第四节 金属的超塑性,第一节 金属冷态下的塑性变形,1.塑性变形机理2.塑性变形特点3.合金的塑性变形4.冷塑性变形对金属组织和性能的影响,多晶体是由许多微小的单个晶粒杂乱组合而成。多晶体在其组织结构上的特点：（1）多晶体的各个晶粒，其形状和大小是不同的，化学成分和力学性能的分布不均匀；（2）多晶体各相邻晶粒的取向一般不同；（3）在多晶体中存在大量的晶界，晶界的结构和性质与晶粒本身不同，并在晶界上聚集着其它物质的杂质。,1.塑性变形机理,单晶体的塑性变形 滑移和孪生多晶

2、体的塑性变形 晶内变形和晶界变形多晶体的晶内变形可以看做是一个单晶的塑性变形,（一）晶内变形,晶内变形的主要方式和单晶体一样为滑移和孪生。其中滑移变形是主要的；而孪生变形是次要的，一般仅起调节作用。但在体心立方金属，特别是密排六方金属中，孪生变形也是主要的。,（一）晶内变形,（1）滑移滑移:晶体一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对另一部分发生相对移动和切变。产生宏观的塑性变形。滑移面：原子排列密度最大的晶面。滑移方向：原子排列密度最大的方向。滑移系:一种滑移面及其上的一个滑移方向构成滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生。因为原子密度最大的晶面，原子间距小，原子间结合力强；而其晶

3、面间的距离则较大，晶面与晶面之间的结合力较弱，滑移阻力较小。,1、滑移系多的比少的容易变形。2、体心和面心立方同样具有12个滑移系，面心比体心易变形，滑移方向的作用大于滑移面的作用。3、滑移面对温度具有敏感性。温度升高，原子密度次大的晶面也参与滑移，故温度升高，金属塑性提高。,滑移系的存在只能够说明金属晶体有产生滑移的可能性。还需要一个临界切应力。,临界切应力：要使滑移能够发生，需要沿滑移面的滑移方向上作用一定大小的切应力。临界切应力的大小取决于金属的类型、纯度、晶体结构的完整度、变形温度、应变速率和预先变形程度等。,晶面转动,单晶体拉伸,单晶体压缩,滑移的微观描述,单滑移（平移滑移）：是沿着

4、一定的结晶面和结晶方间进行。它仅可能在最初始的塑性变形阶段发生。双滑移：指从某一变形程度开始，同时有两个滑移系统进行工作。但这并不意味着它们的作用是同步的。多滑移：与双滑移相似，晶体在滑移过程中，如果滑移同时在各个滑移系统上进行时，则称此滑移为多滑移。交滑移：若滑移是沿两个不同的滑移面和共有的滑移方向上进行时，则称为交滑移。,（一）晶内变形,面心立方晶体孪生变形示意,a)孪生面和孪生方向 b)孪生变形时原子的移动,孪生面,孪生面,孪生方向,孪生方向,孪生区域,2.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，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

5、相互对称的位置。这种在变形过程中产生的孪生变形部分称为“形变孪晶”,在孪生变形时，所有平行于孪生面的原子平面都朝着一个方向移动。每一晶面移动距离的大小与它距孪生面的距离成正比。每一晶面与相邻晶面的相对移动恒等于点阵常数的若干分之一。,晶体以何种方式变形，取决于那张变形需要的切应力低。常温下滑移切应力低于孪生，很低温度下，孪生低于滑移。变形速度的增加可促使晶体的孪生化，如高速冲击。高应力集中处会诱发孪生变形。密排六方滑移系少，主要以孪生为主。滑移和孪生可交替进行。,镁中的变形孪晶和滑移带,孪生与滑移的区别,由孪生的变形过程可知，孪生所发生的切变均匀地波及整个孪生变形区，而滑移变形只集中在滑移面上

6、，切变是不均匀的；孪生切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍（而是几分之一原子间距），而滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍；孪生变形后，孪晶面两边晶体位向不同，成镜像对称；而滑移时，滑移面两边晶体位向不变；由于孪生改变了晶体的取向，因此孪晶经抛光浸蚀后仍可观察到，而滑移所造成的台阶经抛光浸蚀后不会重现。,（二）晶间变形,晶粒相互滑动和转动,在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要集中在晶内。晶间变形只起次要作用。而且需要其他变形机制的协调。这主要是由于晶界强度高于晶内，其变形比晶内困难。而且多晶体各晶粒间犬牙交错，造成晶界滑移困难，如晶界发生变形，必将引起裂纹，故晶界变形量

7、是很小的。,2.塑性变形特点,1.各晶粒变形的不同时性2.各晶粒变形的相互协调性3.晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性。,1.变形的不同时性,切应力达到要求的有利滑移系晶粒先变形，取向不利的尚未开始变形。位错开动在晶内滑移，在晶界处塞积，造成应力场，作用于相邻晶粒。如果此附加应力足够的，造成相邻晶粒取向不利的滑移系开动，则发生滑移，塑性变形。位错塞积处应力释放，A中位错继续移动，发生形状改变。,2.各晶粒变形的相互协调性,多晶体中晶粒处于其他晶粒的包围中，它们的变形不是孤立和任意的，需要其他晶粒的相互协调配合，否则无法保持晶粒之间的连续性。在晶粒内部，除了取向有利的滑移外

8、，还要求其他不利的滑移系也参与滑移，才能保证晶粒形状的改变，而与周围晶粒的协调性。,3.变形的不均匀性,宏观变形的不均匀是外部条件造成的微观变形不均匀是由多晶体的结构决定的。软取向先滑移，硬取向后滑移。晶界和晶内性能不同。,粗晶粒钢冲压会出现“桔皮”,3.合金的塑性变形,合金相结构两类：固溶体和化合物常见的合金组织种类：（一）单相固溶体合金（二）两相或多相合金,3.合金的塑性变形,(一)单相固溶体的塑性变形1 固溶体的结构与纯金属组织无差异；变形机理与多晶纯金属相同，即滑移和孪生，变形也会受相邻晶粒影响。不同就是有异类原子存在，固溶或置换。2 固溶强化（1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其

9、强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。（2）强化机制：柯氏气团强化，导致晶格畸变减小，位错应变能降低，阻碍位错运动。,(一)单相固溶体的塑性变形 2 固溶强化（3）屈服和应变时效 现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间或200加热后再加载出现屈服。这种现象叫做应变时效。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。,(一)单相固溶体的塑性变形 2 固溶强化（4）屈服效应当金属的变形量恰好处于屈服延伸的范围时，金属表面会出现粗糙不平、变形不均匀的痕迹，称为吕德斯带。防止措施：a.薄板在拉延前进行微量冷轧（12%压下量），使被溶质碳

10、原子钉扎的位错脱钉，然后冲压加工。b.钢中加入少量钛、铝等强碳化物形成元素，减少碳、氮对位错的钉扎，消除屈服效应。,（二）多相合金的塑性变形1.结构：基体（70%）第二相。2.分类：a.聚合型两相合金，即第二相粒子尺寸与基体相晶粒属于同一数量级。（-两相黄铜、碳钢中铁素体和粗大渗碳体）b.弥散分布型两相合金，第二相粒子十分细小，弥散分布在基体晶粒内。（钢中细小碳化物弥散分布）3.性能（1）两相性能接近：按强度分数相加计算。（2）软基体硬第二相 第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；a结构 两相呈层片状分布（珠光体）；第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。,两相合金中，如一相为塑性相，而另一相为脆性相

11、，则合金的力学性能主要取决于脆性相的存在情况。,（二）多相合金的塑性变形3 性能（2）软基体硬第二相 不可变形粒子，位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错运动)b 弥散强化 可变形粒子位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻 碍位错运动）,沉淀强化：通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化的称为沉淀强化或时效强化。多属可变形粒子。弥散强化：第二相微粒是借粉末冶金方法加入而起强化作用的。属于不可变形粒子。,4.塑性变形对材料组织和性能的影响,（一）对组织结构的影响 晶粒拉长;（1）形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布。,（一）对组织结构的影响（2）形成形变织构a.形变织构：多晶体材料由

12、塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）b.类型 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平 行于主变形方向。（轧制时形成）,第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响,（一）对组织结构的影响（2）形成形变织构 力学性能：利:深冲板材变形控制;弊：制耳。c.对性能的影响(各向异性)物理性能:硅钢片100100织构可减少铁损。,（一）对组织结构的影响（3）形成位错胞 变形量 位错缠结 位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。),（二）对性能的影响（1）对力学性能的影响（加工硬化）a.加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬

13、度升高而塑韧性下降的现象。,4.塑性变形对材料组织和性能的影响,（二）对性能的影响（1）对力学性能的影响（加工硬化）强化金属的重要途径；利 提高材料使用安全性；b.利弊 材料加工成型的保证。弊 变形阻力提高，动力消耗增大；脆断危险性提高。,（二）对性能的影响（2）对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；结构缺陷增多，扩散加快；化学活性提高，腐蚀加快。,热塑性变形的概念实际热加工温度远高于再结晶温度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。软化分类：相变软化和热软化。,第二节金属热态下的塑

14、性变形,第二节金属热态下的塑性变形1.热塑性变形时软化过程,（1）动态回复 动态回复是在热变形过程中发生的回复，金属即使在远高于静态再结晶温度下塑性变形时一般也只发生动态回复。（2）动态再结晶 动态再结晶是在热变形过程中发生的再结晶，与静态再结晶一样，也是通过形核和生长来完成的。它容易发生在层错能较低且有较大热变形程度的金属上。,第二节金属热态下的塑性变形1.热塑性变形时软化过程（3）静态回复 在较低的温度下、或在较早阶段发生转变的过程称为静态回复。它是变形后的金属自发地向自由能降低的方向转变的过程。（4）静态再结晶 在再结晶温度以上，金属原子有更大的活动能力，会在原变形金属中重新形成新的无畸

15、变等轴晶，并最终取代冷变形组织，此过程称为金属的静态再结晶。,图4-9 冷变形金属加热时组织和性能的变化,冷变形金属加热时组织和性能的变化如图,第二节金属热态下的塑性变形1.热塑性变形时软化过程,（5）亚动态再结晶 热变形中已经形成但未长大的再结晶晶核以及长大途中遗留下的再结晶晶粒，但变形停止后温度足够高时，会继续长大，此过程称为亚动态再结晶。它不需形核，所以进行得很快。,图4-10 动、静回复和再结晶示意,热轧和热挤时，动、静态回复和再结晶的示意图。,热塑性变形机理,第二节金属热态下的塑性变形2.热塑性变形的机理 变形机理主要有：晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移和扩散蠕变。一般来说，晶内滑移是最

16、主要和常见的；孪生多在高温变形时发生，但对刘芳晶系金属，这种机理起重要作用。晶界滑移和扩散蠕变只在高温变形时才发挥作用。（1）晶内滑移 热变形的主要机理仍然是晶内滑移。高温时原子间距加大，热振动和扩散速度增加，位错滑移、攀移、交滑移及节点脱锚比低温容易；滑移系增多，滑移灵便性提高，各晶粒之间变形更加协调；晶界对位错运动阻碍作用减弱。,第二节金属热态下的塑性变形2.热塑性变形的机理（2）晶界滑移 热塑性变形时，由于晶界强度降低，使得晶界滑动易于进行；又由于扩散作用的增强，即使消除了晶界滑动引起的破坏。因此，与冷变形相比晶界滑动的变形量要大的多。此外，降低应变速率和减小晶粒尺寸，有利于增大晶界滑动

17、量。三向应力的作用也利于“塑性焊合”，修复晶界滑动引起的裂缝。在常规的热塑性变形中，其占的比例很小。,扩散蠕变示意a）空位和原子的移动方向 b）晶内扩散 c）晶界扩散,2.热塑性变形的机理（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。受拉应力的晶界(特别是与拉应力相垂直的晶界)的空位浓度高于其他部位的晶界。由于各部位空位的化学势能差，引起空位的定向移动，即空位从垂直于拉应力的晶界放出，而被平行于拉应力的晶界所吸收。a图中虚箭头方向表示空位移动的方向，实箭头方向表示原子的移动方向。空位移动的实质就是原子的定向转移，从而发生了物质的迁移，引起晶粒形状的改变，产生了塑性变形。

18、按扩散途径的不同，可分为晶内扩散相晶界扩散。晶内扩散引起晶粒在拉应力方向上的伸长变形(见图b)，或在受压方向上的缩短变形；而晶界扩散引起晶粒的“转动”，如图c所示。扩散性蠕变既直接为塑性变形作贡献，也对晶界滑移起调节作用。,温度越高，扩散越强。晶粒越细，扩散距离越短；应变速率低，扩散具有足够的时间。,第二节金属热态下的塑性变形,热塑性变形的主要机理仍然是晶内滑移；由于晶界滑动和扩散蠕变作用的增加，再加之变形时会产生动态回复和再结晶。因此，热态下金属塑性变形能力比冷态下高，变形抗力较低。,第二节金属热态下的塑性变形3.双相合金热塑性变形的特点,1)对于弥散型双相合金，由于位错在第二相粒子附近塞积

19、，使位错密度增加、分布不均，因而有利于再结晶形核。但如果弥散的第二相粒子直径和间距都很小，则位错的分布会较为均匀，在热变形过程中不易重新排列和形成大角度晶界，因而反而不利于再结晶形核。第二相粒子一般在热塑性变形过程中会聚合和软化，使第二相粒子的直径和间距加大，因而有利于再结晶形核。弥散的第二相粒子对晶界具有钉扎作用，降低了晶界的可动性，因而既限制了高温过程的晶粒长大，也限制了动态再结晶、静态再结晶以及聚合再结晶的晶粒长大。,2)对于聚合型的双相合金，由于各相的性能和体积百分数的不同，同样会对热变形时的再结晶行为产生影响。对于变形小的那一相，再结晶的晶核只能在相界旁形成，而对于变形大的那一相，既

20、可在相界旁也可在内部生成。由于形核机率不同，再结晶的情况及晶粒大小必然不同，这就造成热变形时的不均匀流动和较大的内应力，降低了合金的塑性变形能力。两相变形量的差异越大，这种后果就会越明显。3)两相合金热变形时，在较大的变形程度条件下，可将粗大的第二相打碎、并改变其分布状况，使第二相(包括夹杂物)呈带状、线状或链状分布。4)双相合金热变形时，由于具备有利的原子扩散条件，会使第二相的形态发生改变。特别是在较高的变形温度和较低的应变速率下，第二相粒子可能发生粗化。在亚共析钢和共析钢中，还可看到第二相的球化。5)当第二相为低熔点纯金属相或低熔点共晶体分布于晶界时，则热变形时会局部熔化，造成金属的热脆性

21、，在热锻、热轧时容易沿晶界开裂。,第二节金属热态下的塑性变形3.双相合金热塑性变形的特点,1）对组织的影响（1）改善晶粒组织，细化晶粒 对于铸态金属，粗大的树枝状晶经塑性变形及再结晶而变成等轴（细）晶粒组织；对于经轧制、锻造或挤压的钢坯或型材，在以后的热加工中通过塑性变形与再结晶，其晶粒组织一般也可得到改善。晶粒越细小均匀，金属的强度和塑、韧性指标均越高。尽管晶粒度还可以通过锻后的热处理来改善，但如果锻件的晶粒过于粗大，则这种改善也不可能很彻底。至于那些无固态相变、不能通过热处理来改善其晶粒度的金属(如奥氏体不锈钢、铁索体不锈钢和一些耐热合金等)，控制其塑性变形再结晶晶粒度就更具有十分重要的意

22、义。,第二节金属热态下的塑性变形4.热塑性变形对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。,第二节金属热态下的塑性变形4.热塑性变形对金属组织和性能的影响,1）对组织的影响（3）形成纤维组织 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

23、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。,第二节金属热态下的塑性变形4.热塑性变形对金属组织和性能的影响,钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意,1）对组织的影响（4）破碎改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布 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。（5）在一定程度上改善铸造组织的偏析是由于热变形破碎枝晶和加速扩散所致。其小枝晶偏析(或显微偏析)改善较大，区域性偏析改善不明显。,第二节金属热态下的塑性变形4.热塑性变形对金属组织和性能的影响,2）对性能的影响

24、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。,第二节金属热态下的塑性变形4.热塑性变形对金属组织和性能的影响,第二节金属热态下的塑性变形5.热变形加工的优缺点,热加工变形的优点：1)金属热变形时，变形抗力低，能耗少。高温时原子运动及热振动增强，扩散和溶解加速，临界切应力降低；滑移系统增多，变形更为协调；加工硬化因完全再结晶而被消除。2)金属热变形时，塑性升高，产生断裂的倾向减小。由于完全再结晶使加工硬化消除，在断裂与愈合的过程

25、中使愈合加速。3)与冷加工相比较，热加工变形一般不易产生织构。在高温下发生滑移的系统较多，滑移面和滑移方向不断发生变化。4)在生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而可使生产工序简化，生产效率提高。5)热加工变形可引起组织性能的变化，以满足对产品某些组织与性能的要求。,热加工变形的不足：1)对薄或细的轧件，由于散热较快，在生产中保持热加工的温度条件比较困难。因此，生产薄的或细的金属材料一般仍采用冷加工方法。2)热加工后轧件的表面不如冷加工生产的尺寸精确和光洁。因为热轧件表面生成氧化皮和冷却时有收缩。3)热加工后产品的组织及性能不如冷加工时均匀。因为热加工结束时，各处的温度难以均匀一致，温

26、度偏高处的晶粒尺寸要大一些。4)从提高材料的强度来看，热加工不及冷加工，因为热加工时由于温度的作用使金属软化。5)有些金属不宜进行热加工。例如，在一般的钢中含有较多的FeS，或在铜中含有铋时，在热加工中由于晶界上由这些杂质所组成的低熔点共晶体发生熔化，使晶间的结合遭到破坏，而引起金属断裂。,第二节金属热态下的塑性变形5.热变形加工的优缺点,第二节金属热态下的塑性变形6.热变形温度的确定,根据合金相图及塑性图，可选择热变形温度范围：1)温度的上限，大致绝对熔化温度()的0.95倍。这样可保证不会熔化，也可避免产生过度氧化。若该合金中含有低熔点物质，则应比其熔点温度稍低。2)温度的下限，要求保证在

27、变形的过程中再结晶能充分迅速地进行，并且整个变形过程是在单相系统内完成。若产生了相变，则因变形材料性能的不一致而显著降低塑性。超塑性则相反。另外，再结晶开始温度与其所承受的变形程度有关。变形程度越大，开始再结晶的温度越低。一般取0.7左右，并应比相变线稍高。3)根据相图确定了变形温度范围后，尚需用抗力图来校正，应设法保证整个热变形过程是在金属变形抗力最小的区间内完成。为了获取晶粒较细小的产品，对于多道次变形的热变形作业，在最后道次时，一般应将变形温度降低到可以及时充分进行再结晶，完工后的冷却又不致再发生晶粒长大的温度，即热变形的完工温度(或终了温度)应选取稍高于开始再结晶的温度(约0.5以上)

28、。同时，也应采用较大的终了变形程度以求再结晶后晶粒的尺寸最小。,第三节 影响金属塑性的因素,3.1 影响金属塑性的内部因素3.2 影响金属塑性的外部因素3.3 提高金属塑性的途径,化学成份 组织结构 变形速度 变形程度 应力状态 变形温度 接触摩擦,1 化学成份对变形抗力的影响化学成份对变形抗力的影响非常复杂。一般情况下，对于各种纯金属，因原子间相互作用不同，变形抗力也不同。同一种金属，纯度愈高，变形抗力愈小。合金元素对变形抗力的影响，主要取决于合金元素的原子与基体原子间相互作用特性、原子体积的大小以及合金原子在基体中的分布情况。合金元素引起基体点阵畸变程度愈大，变形抗力也越大。,第三节 影响

29、金属塑性的因素3.1 影响金属塑性的内部因素,图(a)是形成无限固溶的二元合金之硬度随成分而变化的图示，它表明固溶体的硬度比纯金属的高。变形抗力的最大值对应于固溶体的最大饱和度，从而对应于点阵的最大畸变。图(b)指出了形成共晶体二元合金的硬度随成分变化的情况。共晶体混合物可由纯金属构成，也可由其他化合物或固溶体构成。图(c)是形成化合物的二元合金的硬度随成分变化的图示。,碳在较低的温度下随着钢中含碳量的增加，钢的塑性变形抗力升高。温度升高时其影响减弱。图中示出，在不同变形温度和变形速度条件下，压下率为30时含碳量对变形抗力的影响。可见，低温时的影响比高温时大得多。热加工中，碳虽能完全溶解在A

30、中，但C含量高，钢的熔化温度降低，锻造温度范围变窄，奥氏体晶粒长大倾向越大，再结晶速度越慢，对热加工不利。,硅钢中含硅对塑性变形抗力有明显的影响。用硅使钢合金化时，可使钢的变形抗力有较大的提高。例如含硅量为1.52.0的结构钢(55Si2、60Si2)在一般的热加工条件下，其变形抗力比中碳钢约高出2025。含硅量高达56以上时，热加工较为困难。,铬对含铬量为0.71.0的铬钢来讲，影响其变形抗力的不是铬，而是钢中的含碳量。这些钢的变形抗力仅比其相应含碳量的碳钢高510。高碳铬钢GCr6GCrl5(含铬量0.451.65)的变形抗力虽稍高于碳钢，但影响变形抗力的主要因素也是碳。镍镍在钢中可使变形

31、抗力稍有提高。但是，对25NiA，30NiA和13Ni2A等来讲，其变形抗力与碳钢相差不大。含镍量较高的钢(Ni25Ni28)，这种差别是很大的。在许多情况下，在钢中同时加入几种合金元素，例如在钢中加入铬和镍。这时，钢中的碳、铬和镍对变形抗力都要产生影响。12CrNi3A钢的变形抗力比45号碳钢高出20。Cr18Ni9Ti钢的变形抗力比碳钢提高50。,杂质元素磷冷脆硫热脆氮兰脆氢氢脆、白点,2 组织结构对变形抗力的影响晶粒大小结构变化单相组织和多相组织,第三节 影响金属塑性的因素3.1 影响金属塑性的内部因素,晶粒大小金属的变形抗力与其组织有密切关系，其中晶粒大小是一个重要因素。试验结果表明，

32、晶粒越细小变形抗力越大。位错理论也有人认为，当晶粒变小时，晶粒的表面积相对增大，从而使表面力（表面张力和周围晶粒影响所产生的力)增大，结果使变形抗力升高。,在变形金属中夹杂物的存在也会影响到变形抗力。在一般情况下，夹杂物会使物体的变形抗力升高。杂质含量对变形抗力有影响，含量增大，抗力显著增大。杂质原子与基体组元组成固溶体时，会引起基体组元点阵畸变，从而提高变形抗力。杂质元素在周期表中离基体愈远，则杂质的硬化作用愈强烈，因而变形抗力提高愈显著。若杂质以单独夹杂物的形式弥散分布在晶粒内或晶粒之间，则对变形抗力的影响较小。若杂质元素形成脆性的网状夹杂物，则使变形抗力下降。,结构变化金属与合金的性质取

33、决于结构，即取决于原子间的结合方式和原子在空间排布情况。当原子的排列方式发生变化时，即发生了相变，则抗力也会发生一定的变化。组织状态不同，抗力值也有差异，如退火态与加工态，抗力明显不同。,单相组织与多相组织当合金是单相组织时，变形抗力的提高是晶格畸变的结果。当合金为多相组织时，第二相的性质、大小、形状、数量与分布状况对变形抗力都有影响。一般而言，硬而脆的第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散分布，合金的抗力就高。第二相越细，分布越均匀，数量越多，则变形抗力越高。,化学成份,应力状态,组织结构,接触摩擦,变形温度,变形速度,变形程度,第三节 影响金属塑性的因素3.2 影响金属塑性的外部因素,应力状态,

34、应力状态对塑性的影响，从卡尔曼经典的大理石和红砂石试验可清楚看出。其用白色卡拉大理石和红砂石作成圆柱形试样，将其置于专用的仪器内镦粗，在仪器中可以产生轴向压力和附加的侧向压力。当只用一个轴向压力实验时，大理石与砂石表现为脆性。如果除轴向压力外再附加上侧向压力，那么大理石和红石可产生塑性变形，并且随着侧向压力的增加，变形能力也加大。卡尔曼利用侧面压力使大理石得到89%的压缩变形。其后，M.B.拉斯切加耶夫也对大理石进行了变形试验，在侧压力下拉伸时，得到25%的延伸率，在进行镦粗试验时，产生78%的压缩率时仍末破坏。从上述情况中可以看出，金属在塑性变形中所承受的应力状态对其塑性的发挥有显著的影响，

35、静水压力值越大，金属的塑性发挥得越好。,按应力状态图的不同，可将其对金属塑性的影响顺序做这样的排列：三向压应力状态图最好，两向压向拉次之，两向拉向压更次，三向拉应力状态图为最差。在塑性加工的实际中，即使其应力状态图相同，但对金属塑性的发挥也可能不同。例如，金属的挤压，圆柱体在两平板间压缩和板材的轧制等，其基本的应力状态图皆为三向压应力状态图，但对塑性的影响程度却不完全一样。这就要根据其静水压力的大小来判断。静水压力越大，变形金属所呈现的塑性越大。,变形温度,对大多数金属随着温度升高，塑性增加，但并非简单的线性上升。在加热中往往由于相态或晶粒边界状态的变化而出现脆性区，使金属塑性下降。,区低温脆

36、性区蓝脆区热脆区高温脆性区,温度升高塑性增加的原因：（1）发生回复和再结晶（2）原子动能增加，位错活动增加，滑移系增多，晶粒协调性增加。（3）金属组织、结构发生变化（4）扩散蠕变机制起作用（5）晶间滑移作用增强,变形速度,（一）热效应与温度效应热效应：塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分转化为热能的现象。温度效应：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的现象。温度效应的影响因素：（1）变形温度 温度越高，变形抗力越小，变形功也越小，其转化为热量也越小，其高温下容易散失。故热变形温度效应小，冷变形温度效应大。（2）变形速率 变形速率大，变形抗力所做的变形功也大，转换为热能

37、的量也大，而且时间短，不容易散失。（3）变形程度 变形程度大，单位体积变形功也大，温度效应越明显。此外，温度效应还与周围介质的温差及接触表面的导热情况有关。,变形速度,应变速率对塑性的影响机理1）增加应变速率会使金属的真实应力增加。所有的变形机理都是需要时间来完成的，时间不足，则相对于这些变形均不起作用。2）增加应变速率，由于没有足够时间进行回复再结晶，软化过程不充分，金属塑性降低。3）增加应变速率，温度效应明显增加。但不能使金属进入脆性区。1）和2）的矛盾要结合起来分析，是两方面综合作用的结果。总的来说，热变形时应变速率对金属塑性的影响较冷变形大。另外还要考虑变形温度的影响。,变形速度应变速

38、率对金属塑性影响的一些基本结论,1）2）对于具有脆性转变的金属，应变速率增加，温度效应会使金属进入脆性区，塑性降低。反之，由脆性区进入塑性区，塑性增加。3）从工艺角度出发，提高应变速率有以下几个有利作用：降低摩擦系数、降低成形时热量损失、出现惯性流动效应、4）在非常高的应变速率下，金属的流变行为发生变化，如爆炸成形、电液成形、电磁成形等。,变形程度,变形程度对变形抗力的影响，除其本身大小的影响外，还与变形物体的材质，当时的变形温度条件和变形速度条件有关。,当变形金属处于完全硬化状态时，随着变形程度的增加，变形抗力增大(曲线1)。但在高温条件下，对某些铁素体类合金，因在变形过程中只产生动态回复，

39、所以当变形达到一定程度后，其应力保持不变(曲线2)，而对奥氏体类合金，当变形达到一定程度后，因有动态再结晶的出现，使应力下降，直到达到平衡阶段(曲线3)。由此可见，变形程度对变形抗力的影响应随变形物体的材质和变形条件的不同而异。,接触摩擦,塑性加工中摩擦的主要特点：在高压下产生的摩擦。较高温度下的摩擦。不断增加新的接触表面，摩擦副（金属与工具）的性质相差大,接触摩擦是金属塑性加工时的重要变形条件。接触摩擦不仅决定着金属变形时应力与变形的分布，而且还影响着金属的塑性、变形抗力以及金属的内部组织与性能。摩擦一般会改变变形过程的应力状态，因而对变形抗力产生影响。,影响摩擦的主要因素金属的种类和化学成

40、分 工具材料及其表面状态 接触面上的单位压力 变形温度 变形速度 润滑状态,提高材料成分和组织均匀性合理选择变形温度和变形速率选择三向压缩性较强的变形方式减小变形的不均匀性,第三节 影响金属塑性的因素3.3 提高金属塑性的基本途径,第四节 金属的超塑性,纳米铜的室温超塑性,在不同温度下ZnAl22的拉伸变形(250时延伸率),Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸率（）,高温合金INCONEL718的超塑性成形航天器件,双相不锈钢超塑性成形的航天器件,超塑成形的波形膨胀节用TC4钛合金波纹管,超塑性的概念超塑性的力学特征超塑性的组织特征超塑性的机理超塑性的应用,超塑性的概念,超塑性

41、是指材料在一定的内部（化学成分、组织）条件（如晶粒形状及尺寸、相变等）和外部（环境）条件下（如温度、应变速率等），呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现象。一般说来，如果材料的延伸率超过100，就可称为超塑性。凡具有能超过100延伸率的材料，则称之为超塑性材料。现代已知的超塑性材料之延伸率最大可超过1000，有的甚至可达2000,超塑性的概念,可以理解为金属和合金具有超常的均匀变形的能力。但从物理本质上确切的定义，至今没有。故对超塑性的定义有很多种：（1）延伸率定义（2）应变速率敏感性指数m0.3（3）抵抗颈缩的能力。,超塑性的特点,与一般情形相比，超塑性效应有以下的特

42、点：（1）大延伸率（2）无颈缩（3）低流动应力（4）易成形正是由于以上特点，且变形中无加工硬化现象，因此具有极好的流动性和充填性，能加工出复杂精确的零件。,超塑性的分类,组织超塑性或恒温超塑性。根据材料的组织形态特点也称之为微细晶粒超塑性。特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。温度：Ts0.5Tm（Ts和Tm分别为超塑变形和材料熔点温度的绝对温度）变形速度：10-510-1/s。微细晶粒尺寸其范围在0.55m之间。一般来说，晶粒越细越有利于塑性的发展，但对有些材料来说（例如Ti合金）晶粒尺寸达几十微米时仍有很好的超塑性能。由于超塑性变形是在一定的温度区间进行的，因此即使初始组织具有微细晶粒尺寸，如

43、果热稳定性差，在变形过程中晶粒迅速长大的话，仍不能获得良好的超塑性。缺点：晶粒超细化、等轴化、稳定化受到限制，不是所有合金都能达到要求。,超塑性的分类,相变超塑性或动态超塑性这类超塑性，并不要求材料有超细晶粒，而是在一定的温度和负荷条件下，经过多次的循环相变或同素异形转变获得大延伸。主要控制因素：温度幅度（t=t上-t下）和温度循环率。如碳素钢和低合金钢，加以一定的负荷，同时于A1、3温度上下施以反复的一定范围的加热和冷却，每一次循环发生（ag）的两次转变，可以得到两次均匀延伸。D.Oelschlgel等用AISI1018、1045、1095、52100等钢种试验表明，延伸率可达到500%以上

44、。变形的特点：初期时每一次循环的变形量比较小，而在一定次数之后，例如几十次之后，每一次循环可以得到逐步加大的变形，到断裂时，可以累积为大延伸。由于相变超塑性是在一个变动频繁的温度范围内，依靠结构的反复变化引起的，材料的组织不断地从一种状态转变为另一种状态，故又称为动态超塑性。,相变超塑性或动态超塑性有相变的金属材料，不但在扩散相变过程中具有很大的塑性，淬火过程中奥氏体向马氏体转变、回火过程中残余奥氏体向马氏体单向转变过程，也可以获得异常高的塑性。如果在马氏体开始转变点（Ms）以上的一定温度区间加工变形，可以促使奥氏体向马氏体逐渐转变，在转变过程中也可以获得异常高的延伸，塑性大小与转变量的多少，

45、变形温度及变形速度有关。这种过程称为转变诱发塑性。即所谓TRIP现象。Fe-Ni合金，Fe-Mn-C等合金都具有这种特性。,相变超塑性或动态超塑性相变超塑性不要求材料进行晶粒的超细化、等轴化、稳定化处理，但必须给予动态热循环，在操作上比较难实现。目前主要应用于焊接和热处理方面。,其它超塑性,在消除应力退火过程中，在应力作用下可以得到超塑性。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，根据Johnson试验，在具有异向性热膨胀的材料如U，Zr等，加热时可有超塑性，称为异向超塑性。有人把-U在有负荷及照射下的变形也称为超塑性。球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也可以得到超

46、塑性。,其它超塑性,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。例如标距21mm的热轧低碳钢棒快速加热到两相区，保温110秒钟，快速拉伸，其延伸率可达到100300%。这种短时间内的超塑性可称为短暂超塑性，关于短暂超塑性目前研究还不多。,细晶超塑性与相变超塑性变形的特点,超塑性的历史及发展,超塑性现象最早的报道是在1920年，德国人罗申汉（N.Rosenhaim）等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180度。1934年，英国的发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延伸率。1945年前苏联的等发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率并提出“超塑

47、性”这一名词。1964年，美国的对Zn-Al合金进行了系统的研究，并提出了应变速率敏感性指数m值这个新概念，为超塑性研究奠定了基础。上世纪六十年代后期及七十年代，世界上形成了超塑性研究的高潮。,特别引人注意的是，近几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。一些超塑性的Zn合金、Al合金、Ti合金、Cu合金以及黑色金属等正以它们优异的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。,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

48、、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,m为应变速率敏感性指数,超塑性的力学特征,特征1：无加工硬化现象，整个变形过程表现出低应力水平、无颈缩的大延伸现象。,超塑性的力学特征,特征2：在超塑性材料中，流动应力特别敏感于应变速率。,m是表征超塑性的一个重要指标。当m=1时，上式即为牛顿粘性流动公式。对于普通金属，m=0.020.2；对于超塑性金属，m=0.31.0；m值越大，伸长率也越大。从物理意义上讲，m值大时，流动应力会随着应变速率的增大急剧增大，此时，如果试样某处有局部颈缩，则该处的应变速率加大，该处变形所需应力也加大，这就阻止了

49、该断面的继续减小，促使变形向别处发展，最终获得更长的伸长率。,应变速率敏感性指数m的物理意义应变速率敏感性指数m是材料超塑性的一个重要参数，它表征金属抵抗颈缩的能力，高的m值使抵抗颈缩的能力增加。其理论意义是：产生颈缩的部位应变速率增加，由于高的流动应力应变速率敏感性，需要更高的应力。在试样其余部分没有继续塑性变形的情况下，外加应力不足以使颈缩发展。,影响超塑性的主要因素,（1）应变速度的影响,曲线可分成三个区间：区的应变速率很小（），应力和也较小，为蠕变速度范围内的变形；区的应变速率范围为，在此区间内，随着的增大，应力快速变大，值先增大后变小，为超塑性应变速度范围；区，应力随应变速率的增大而

50、达到最大值，值继续变小，为一般应变速率范围。由此可知，细晶超塑性对速度非常敏感，只有在范围内，才能表现出超塑性。,影响超塑性的主要因素,变形温度的影响,影响超塑性的主要因素,晶粒的大小对流动应力及m值也有明显的影响。一般来说，具有良好超塑性的起始晶粒度一般应10m，最好是5m。,晶粒越细小：除区外，在所有应变速率条件下，流动应力都下降，特别是在低应变速率下更为明显；区和区的过渡推向高应变速率范围；m的最大峰值增加，并移向高应变速率区,超塑性变形时的组织变化,（1）晶粒度的变化试验研究结果表明，于超塑性变形时晶粒的等轴性保持不变，并在变形后通常可以看到晶粒有些长大。在正常微细晶粒超塑性显微组织中