金属塑性加工技术3-材料学基础.ppt

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1、第三篇 塑性变形材料学基础,金属塑性加工原理 Principle of Plastic Deformation in Metals Processing,第5章 金属的塑性,5.1 金属的塑性 5.2 金属多晶体塑性变形的主要机制 5.3 影响金属塑性的因素 5.4 金属的超塑性,5.1.1 塑性的基本概念 5.1.2 塑性指标及其测量方法 5.1.3 塑性状态图及其应用,5.1 金属的塑性,5.1.1 塑性的基本概念,什么是塑性 塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力塑性与柔软性的区别是什么？塑性反映材料产生永久变形的能力 柔软性反映材料抵抗变形的能力,塑性与柔软性的对立统

2、一,铅-塑性好，变形抗力小不锈钢-塑性好，但变形抗力高白口铸铁-塑性差，变形抗力高结论：塑性与柔软性不是同一概念,为什么要研究金属的塑性？,探索塑性变化规律寻求改善塑性途径选择合理加工方法确定最佳工艺制度提高产品质量,5.1.2 塑性指标及其测量方法,塑性指标的测量方法塑性指标,塑性指标,概念：金属在破坏前产生的最大变形程度，即极限变形量表示方法：断面收缩率=(F0-Fh)/F0100%延伸率=(Lh-L0)/L0100%冲击韧性 k最大压缩率=(H0-Hh)/H0100%扭转角（或扭转数）=Rn/30L0(未给出每次的扭转角？)弯曲次数,塑性指标的测量方法,拉伸试验法压缩试验法扭转试验法轧制

3、模拟试验法冲击韧性弯曲试验,拉伸试验法,式中：L0拉伸试样原始标距长度；Lh拉伸试样破断后标距间的长度；F0拉伸试样原始断面积；Fh拉伸试样破断处的断面积,断面收缩率=(F0-Fh)/F0100%延伸率=(Lh-L0)/L0100%,压缩试验法,简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定：=(H0-Hh)/H0100%,式中：压下率；H0试样原始高度；Hh试样压缩后，在侧表面出现第一条裂纹时的 高度,扭转试验法,对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形()=Rn/30L0(每次的扭转角),式中：R试样工作段的半径 L0试样工作段的长度 n试样破坏前的总转数,轧制

4、模拟试验法,在平辊间轧制楔形试件，用偏心轧辊轧制矩形试样，找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压下量作为轧制过程的塑性指标。,5.1.3 塑性状态图及其应用,表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形，简称塑性图。应用：合理选择加工方法,制定冷热变形工艺,确定MB5镁合金热加工工艺步骤,根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据相图确定合金的相组成根据塑性图确定变形温度范围,根据相图确定合金的相组成,T530，合金为液相270T530，单一相T270，两相组织：Mg的固溶体，立方相：Mg4Al3 或 Mg17Al12，硬脆相,AZ61M(MB5)属变形镁合金，主要成分为：Al 5.5 7

5、.0%Mn 0.15 0.5%Zn 0.5 1.5%,铝含量对镁合金力学性能的影响,随Al含量增加，相增多，延伸率下降，硬度和强度提高,根据塑性图确定热变形温度范围,MB5合金的塑性图k 冲击韧性,m 慢力作用下的最大压缩率C 冲击力作用下的最大压缩率,断面收缩率,0 弯曲角度,慢速：轧制、挤压 和m在350-400较快速：锤锻 C确定在400-450快速：锻造和冲压k确定250以下,从塑性图上获取的信息,慢速加工，温度为350400时,值和M都有最大值，不论轧制或挤压，都可在此温度范围内以较慢的速度加工。锻锤下加工，在350左右有突变，变形温度应选择在400450。工件形状比较复杂，变形时易

6、发生应力集中，应根据K曲线来判定。从图中可知，在相变点270附近突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在250以下进行为佳。,5.2 金属多晶体塑性变形的主要机制,5.2.1 多晶体变形的特点 5.2.2 多晶体的塑性变形机构 5.2.3 合金的塑性变形 5.2.4 变形机构图,5.2.1 多晶体变形的特点,1变形不均匀,多晶体塑性变形的竹节现象,粗晶铝晶粒各处变形不均,2晶界的作用及晶粒大小的影响,冷变形情况下：晶界强度高于晶内强度晶粒越细、强度硬度越高、变形越均匀，应力集中小，塑性好与单晶体相比，多晶体受晶界和晶体取向差别的影响，各晶粒变形先后、大小不同，同一晶粒内变形也不均匀，易产生残

7、余应力,5.2.2 多晶体的塑性变形机构,1晶粒的转动与移动,晶粒转动：金属整体性变形和晶粒不均匀变形出现力偶晶粒移动：晶界受剪切应力作用使晶粒处于有利位向，便于变形发展易造成晶界裂纹产生冷变形时，是断裂的先兆(晶界强度高于晶内)热变形时，晶界扩散加强，易修复裂纹，是热变形的重要机制之一,2溶解沉积机构,该机构的实质是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。保证两相有较大的相互溶解度外，还必须具备下列条件:(1)随着温度的变化或原有相晶体表面大小及曲率的变化，伴随有最大的固溶度改变。(2)变形时，应具备足够高的温度条件。,3非晶机构,非晶机构是指在一定的变形温度和速度条件下，多晶体

8、中的原子非同步的连续的在应力场和热激活的作用下，发生定向迁移的过程。大量原子定向迁移引起宏观塑性变形取决于温度、应力和应变速度在温度高至0.5T熔，在较低的应力作用下都会发生，温度越高，晶粒越小，扩散越快（高温需要粗晶）,5.2.3 合金的塑性变形,1.单相固溶体合金的变形 不改变晶体对称性时，增加位错运动阻力，强度、硬度提高，加工硬化率提高，塑性有下降趋势，如Cu-Ni合金改变晶体对称性时，可能引起可以开动的滑移系减少，少于5个独立滑移系时，多晶体的变形协调性降低，合金变脆，如Ti-(O)2.多相合金的变形 聚合型多相合金-第二相晶粒尺寸与基体相晶粒尺寸同数量级弥散分布型多相合金-第二相细小

9、、弥散分布,聚合型多相合金,组成相都具有塑性时=f11+f22=f11+f22当第二项为硬脆相时，随第二相体积分数的增加，强度和塑性都降低,弥散分布型多相合金,切割机制绕过机制弥散强化的效果与第二相的尺寸、间距有关,5.2.4 变形机构图,揭示在某一应力-温度范围内对应变速率起控制作用的变形机理,5.2.4 变形机构图,揭示在某一应力-温度范围内对应变速率起控制作用的变形机理,a.1mm b.10微米 应变速率线,5.2.4 变形机构图,揭示在某一应力-温度范围内对应变速率起控制作用的变形机理,1400K 50Fe-50Ni,应力-应变关系方程（本构方程）,e=Aeneme-bTn-加工与硬化

10、指数m-应变速率敏感性系数A-材料常数T-绝对温度b-温度影响系数，与变形机制的激活能Q有关如：=An e-Q/RT,5.3 影响金属塑性的因素,5.3.1 影响塑性的内部因素 5.3.2 影响金属塑性的外部因素 5.3.3 提高金属塑性的主要途径,5.3.1 影响塑性的内部因素,1化学成分（1）杂质（2）合金元素对塑性的影响 2组织结构,5.3.2 影响塑性的外部因素,变形温度变形速度变形程度应力状态变形状态尺寸因素周围介质,一、变形温度对塑性的影响,随温度升高，塑性提高：出现新的变形机制，如晶界滑移、非晶机构、沉淀溶解出现回复、再结晶出现新的滑移系但并非直线上升，随相态和晶界的变化，可能出

11、现三个脆性区,三个脆性区,低温脆性区：晶界析出物脆化中温脆性区：过饱和固溶体晶界析出脆化高温脆性区：与周围介质反应脆化、过热或过烧,碳钢有四个脆性区,几种铝合金及铜合金的塑性图,几种铝合金及铜合金的塑性图,二、变形速度对塑性的影响,加工硬化速度大于软化速度，热效应使温度升高到热脆区或者相反,三、变形程度对塑性的影响,热变形：再结晶速度大于应变速度时，变形程度的影响不大冷变形：无再结晶作用，变形程度增加，塑性降低对于难变形金属，多次分散小变形可提高塑性(一次大变形所产生的变形热可能是局部温度升高过热而产生裂纹),静水压力对提高金属塑性的良好影响,四、应力状态对塑性的影响,最大变形与静水压力的关系

12、曲线,三向压应力最好，两压一拉次之，一压两拉更次，三向拉最差,1、大理石 2、砂石,抑制晶粒边界的相对移动；修复变形裂纹和组织缺陷；消除杂质和液相的不利影响；抵消附加拉应力,图5-24 主变形图对金属中缺陷形状的影响a）未变形的情况；（b）经两向压缩向延伸变形后的情况；（c）经向压缩两向延伸后的情况,五、变形状态对塑性的影响,两向压缩一向延伸最好：如挤压、拉拔、旋锻一向压缩一向拉伸次之：如轧板一向压缩两向延伸最差：如镦粗,变形物体体积对力学性能的影响1塑性；2变形抗力；3临界体积点,六、尺寸因素对塑性的影响,加工件体积增大，塑性降低组织缺陷表面因素,七、周围介质对塑性的影响,吸附、扩散形成脆性

13、相-塑性降低表面腐蚀、改变化学成分-塑性降低细化滑移束，使变形均匀-塑性增加,5.3.3 提高金属塑性的主要途径,提高塑性的主要途径有以下几个方面：(1)控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；(2)采用合适的变形温度速度制度；(3)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；(4)避免加热和加工时周围介质的不良影响。,5.4 超塑性,5.4.1 超塑性的概念：大延伸、无缩颈、小应力、易变形5.4.2 超塑性的分类细晶超塑性、动态超塑性5.4.3 细晶超塑性的特征变形力学特征、组织特征5.4.4 超塑性的机理扩散蠕变机理、晶界滑动、动态再结晶,第

14、6章塑性加工过程的组织性能 变化和温度-速度条件,6.1 塑性加工中金属的组织与性能 6.2 金属塑性变形的温度速度效应 6.3 形变热处理,6.1 塑性加工中金属的组织与性能,6.1.1 冷变形 6.1.2 热变形 6.1.3 塑性变形对固态相变的影响,6.1.1 冷变形,1冷变形的概念 2冷变形时金属显微组织的变化 3冷变形时金属性能的变化,6.1.2 热变形,1热变形的概念 2热变形对金属组织性能的影响 3热变形过程中的回复与再结晶,6.1.3 塑性变形对固态相变的影响,1应力与变形的作用 2温度和变形速度的作用,6.2 金属塑性变形的温度速度效应,6.2.1 变形温度 6.2.2 变形

15、速度 6.2.3 变形中的热效应及温度效应 6.2.4 热力学条件之间的相互关系,6.2.1 变形温度,塑性变形时金属所具有的实际温度，称为变形温度，它与加热温度是有区别的。变形温度既取决于金属变形前的加热温度，又与变形中能量转化而使金属温度提高的温度有关，同时又与变形金属同周围介质进行热交换所损失的温度有关。,6.2.2 变形速度,变形速度为单位时间内变形程度的变化或单位时间内的相对位移体积，即：,式中 变形速度；变形程度；V 变形物体的体积,6.2.3 变形中的热效应及温度效应,所谓“热效应”是指变形过程中金属的发热现象，热效应可用发热率来表示：式中 发热率；AT 转化为热的那部分能量；A

16、 使物体产生塑性变形时的能量。塑性变形过程中因金属发热而促使金属的变形温度升高的效果，称为温度效应，用 表示：式中 T1变形前金属所具有的温度；T2变形后因热效应的作用金属实际具有的温度。,一、影响温度效应的因素,变形温度 温度越高，小变形速度 速度越大，大变形程度 变形量大，大周围导热情况,二、热效应的效果,改变变形抗力改变变形型式 冷变形变成热变形引起相态变化改变塑性状态,三、热效应的应用,减少中间退火在低温下进行高速变形提高塑性、降低抗力控制孔型、辊型,四、热效应的不利影响,使工具温升，降低工具寿命，造成粘结工具使变形速度受限制，影响生产率使变形金属进入脆性区,6.2.4 热力学条件之间

17、的相互关系,1变形温度和变形速度恒定时，变形程度与变形抗力 的 关系:2变形程度和变形速度恒定时，变形抗力与单相状态条件下的变形温度的关系为：3变形程度和变形温度恒定时，变形抗力与变形速度的关系为：综合可写成 式中A、a、b、c、取决于变形条件和变形材料的常数，由实验确定；平均变形程度；平均变形速度；T变形温度，K。,6.3 形变热处理,6.3.1 低温形变热处理 6.2.3 高温形变热处理 6.2.3 预形变热处理 利用晶格缺陷对相转变组织的强烈影响，有效地综合利用形变强化和相变强化，将压力加工与热处理操作相结合，使成形工艺同获得最终性能统一起来的一种工艺方法轧钢的控轧-控冷工艺挤压铝型材的

18、挤压-风冷工艺,时效型合金形变热处理工艺图（a）低温形变热处理；（b）高温形变热处理（c）综合形变热处理；（d）预形变热处理,t,6,7,6,7,1,3,2,4,1,3,2,5,4,6,7,6,7,1,3,2,4,5,4,2,4,高温形变热处理工艺1淬火加热与保温；2压力加工；3冷至变形温度；4快冷；5重新淬火加热短时保温；6淬火加热温度范围；7塑性区,1 塑性加工中的常见裂纹2 金属断裂的物理本质 3 塑性-脆性转变4 金属的可加工性,6.4 塑性加工过程的断裂与可加工性,1.锻造时的断裂2.轧制时的断裂3.挤压、拉拔时的断裂,一、塑性加工中的常见裂纹,1.断裂的基本类型2.断裂的过程及物理

19、本质,二、金属断裂的物理本质,脆性断裂与韧性断裂脆性断裂：断面收缩小于5%韧性断裂：断面收缩率大于5%正断与切断正断：断裂面与正应力方向垂直，常为解理面断裂切断：断裂面沿最大切应力方向，常沿滑移面断裂,1.断裂的基本类型,(1)脆性断裂,单晶：解理面断裂多晶：穿晶断裂与沿晶断裂,穿晶断裂,出现光亮解理面,沿晶断裂,颗粒状断口,（2）韧性断裂,单晶：滑移面断裂多晶：出现缩颈，断口很小或形成杯锥状断口,塑性变形与断裂过程同时发生裂纹生核与裂纹扩展两个阶段,2.断裂的过程及物理本质,力学角度：有利位向晶粒首先变形，塑性变形连续性受阻时，出现裂纹核协调整体性变形的发展。裂纹的出现和扩展实质上是协调变形

20、的一种方式位错理论的观点：变形是位错在滑移面上运动和增值的过程；位错塞积成为高应力区，产生高应变能破坏原子结合键而产生裂纹核。断裂的过程是位错塞积和消失的过程,(1)裂纹形核机理,材料内部原有的缺陷：气孔、夹杂、晶界弱面、相弱面变形过程中形成：位错塞积、位错反应、位错墙侧移、位错销毁,位错塞积理论,塞积阻力=n0n=D0L/G bD=(1-)；L 塞积群长度；0为外加有效切应力,位错运动在界面受阻，当塞积应力大于界面结合力时，形成裂纹核,位错反应理论,相交滑移面上位错反应发生同号位错聚合，形成微裂纹,位错墙侧移理论,刃型位错垂直排列形成位错墙，引起滑移面弯曲而产生裂纹,位错销毁理论,平行滑移面

21、相距很近(小于10个原子间距)，异号刃型位错合并而销毁，形成孔隙,(2)裂纹扩展,微裂纹产生 材料断裂裂纹造成的应力集中可通过塑性变形松弛、使裂纹钝化微裂纹的修复过程：原子扩散、原子吸附使断裂面减少静水压力可使裂纹贴合回复、再结晶、相变等有助于裂纹修复静水压力越小、温度越低，越有利于裂纹扩展,Griffith 最小功理论,c=(2E/c)c-裂纹扩展的临界拉应力-单位面积的表面能 c-裂口的长半轴裂纹的扩展会引起表面积增加，从而使表面能增加主要适用于脆性材料，塑性材料需要修正,塑性与脆性并非金属固定不变的特性，一些金属在室温呈现脆性，但在较高温度下却具有塑性。与塑性区和脆性区有区别，在转变区塑性指标急剧变化。一般规定塑性改变50%的温度点微塑性-脆性转变温度Tc。,三、塑性-脆性转变,除温度变化外，晶粒度、静水压力、变形速度、应力状态的变化也会造成塑-脆转变,塑-脆转变的解释,断裂强度f对温度不敏感，屈服强度s随温度升高而降低。fs为脆性；,降低断裂强度和提高屈服强度都可能提高塑-脆转变温度,四、金属的可加工性,不同加工方法进行塑性变形时，工件出现第一条可见裂纹的最大变形量。W=f1*f2f1-材料的基本塑性；f2-加工方法的固有特性轧制时，f1=断面收缩率，f2的典型值为1.4挤压时，Wex=k/Kf，k为最大延伸率，Kf为流变应力Wex15极好,