第二章_金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)

1、第二章 金屬塑性變形 的物理基礎(chǔ) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容n金屬冷態(tài)下的塑性變形金屬冷態(tài)下的塑性變形 n金屬熱態(tài)下的塑性變形金屬熱態(tài)下的塑性變形 n金屬的超塑性變形金屬的超塑性變形 n金屬在塑性加工過(guò)程中的塑性行為金屬在塑性加工過(guò)程中的塑性行為第一節(jié)第一節(jié) 金屬冷態(tài)下的塑性變形金屬冷態(tài)下的塑性變形n基本概念基本概念 單晶體單晶體多晶體多晶體位錯(cuò)位錯(cuò)金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)n單晶體：?jiǎn)尉w：各方向上的原子密度不同各向各方向上的原子密度不同各向異性異性 n多晶體多晶體：晶粒方向性互相抵消各向同性：晶粒方向性互相抵消各向同性 n存在著一系列缺陷：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面存在著一系列缺陷：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷

2、缺陷 線缺陷（位錯(cuò)）線缺陷（位錯(cuò)）n線缺陷線缺陷又稱為又稱為位錯(cuò)位錯(cuò)。n位錯(cuò)模型最開(kāi)始是為了解釋材料的強(qiáng)度性質(zhì)位錯(cuò)模型最開(kāi)始是為了解釋材料的強(qiáng)度性質(zhì)而提出的。而提出的。n材料拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性限度而使材料拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性限度而使晶體材料發(fā)生塑性形變時(shí)，可以在表面上觀晶體材料發(fā)生塑性形變時(shí)，可以在表面上觀察到滑移帶的條紋。察到滑移帶的條紋?；茙c滑移面滑移帶與滑移面如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？n按原子面與原子面之間剛性錯(cuò)開(kāi)的模型進(jìn)按原子面與原子面之間剛性錯(cuò)開(kāi)的模型進(jìn)行定量解釋時(shí)遇到嚴(yán)重困難。在該模型中行定量解釋時(shí)遇到嚴(yán)重困難。在該模

3、型中假定滑移面兩側(cè)原子間的結(jié)合鍵同時(shí)破壞，假定滑移面兩側(cè)原子間的結(jié)合鍵同時(shí)破壞，又同時(shí)鍵合。由于同時(shí)破壞這些原子鍵所又同時(shí)鍵合。由于同時(shí)破壞這些原子鍵所需的力很大，致使按照該模型計(jì)算出來(lái)的需的力很大，致使按照該模型計(jì)算出來(lái)的理論強(qiáng)度比晶體的實(shí)際強(qiáng)度要大理論強(qiáng)度比晶體的實(shí)際強(qiáng)度要大100倍到倍到1000倍。倍。 如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？n經(jīng)過(guò)大量研究，人們認(rèn)識(shí)到滑移過(guò)程并非是經(jīng)過(guò)大量研究，人們認(rèn)識(shí)到滑移過(guò)程并非是原子面之間整體的發(fā)生相對(duì)位移，而是一部原子面之間整體的發(fā)生相對(duì)位移，而是一部分先發(fā)生位移，然后推動(dòng)晶體中另一部分滑分先發(fā)生位移，然后推動(dòng)晶體中另一部分滑移，循序漸進(jìn)。移，循序

4、漸進(jìn)。如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？n位錯(cuò)就是在滑移面上已經(jīng)滑移及尚未滑移部分的位錯(cuò)就是在滑移面上已經(jīng)滑移及尚未滑移部分的分界線。這樣，晶體的滑移可以看作是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)分界線。這樣，晶體的滑移可以看作是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。當(dāng)位錯(cuò)從一端運(yùn)動(dòng)到另一端之后，整個(gè)的結(jié)果。當(dāng)位錯(cuò)從一端運(yùn)動(dòng)到另一端之后，整個(gè)晶體錯(cuò)動(dòng)了一個(gè)原子位置，位錯(cuò)滑出晶體時(shí)，晶晶體錯(cuò)動(dòng)了一個(gè)原子位置，位錯(cuò)滑出晶體時(shí)，晶體恢復(fù)完整，但卻留下了永久形變。體恢復(fù)完整，但卻留下了永久形變。n由于位錯(cuò)附近有嚴(yán)重原子錯(cuò)排，以及彈性畸變引由于位錯(cuò)附近有嚴(yán)重原子錯(cuò)排，以及彈性畸變引起的長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)，因此在位錯(cuò)附近的原

5、子平均能起的長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)，因此在位錯(cuò)附近的原子平均能量比其理想晶格位置上的要高，比較容易運(yùn)動(dòng)。量比其理想晶格位置上的要高，比較容易運(yùn)動(dòng)。另一方面又由于運(yùn)動(dòng)是逐步進(jìn)行的，所以，實(shí)際另一方面又由于運(yùn)動(dòng)是逐步進(jìn)行的，所以，實(shí)際剪切應(yīng)力比理論值要低得多。剪切應(yīng)力比理論值要低得多。 位錯(cuò)位錯(cuò)S：位錯(cuò)線長(zhǎng)度，V：體積，：位錯(cuò)密度 VS一般退火金屬： =106-108/cm2冷變形、淬火金屬： =1011-1012/cm2 n位錯(cuò)有兩種基本類(lèi)型，一種叫做位錯(cuò)有兩種基本類(lèi)型，一種叫做刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)，另一種叫，另一種叫做做螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)。實(shí)際晶體中的位錯(cuò)往往既不是單純的螺。實(shí)際晶體中的位錯(cuò)往往既不是單純的螺位

6、錯(cuò)，也不是單純的刃位錯(cuò)，而是它們的混合形式，位錯(cuò)，也不是單純的刃位錯(cuò)，而是它們的混合形式，故稱之為故稱之為混合位錯(cuò)混合位錯(cuò)。n位錯(cuò)密度越高，金屬的強(qiáng)度、硬度越高。位錯(cuò)密度越高，金屬的強(qiáng)度、硬度越高。 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) n晶體中多余的半原子面好象一片刀刃切入晶體中，沿著半晶體中多余的半原子面好象一片刀刃切入晶體中，沿著半原子面的原子面的“刃邊刃邊”，形成一條間隙較大的，形成一條間隙較大的“管道管道”，該，該“管道管道”周?chē)浇脑悠x平衡位置，造成晶格畸變。周?chē)浇脑悠x平衡位置，造成晶格畸變。刃型位錯(cuò)包括刃型位錯(cuò)包括“管道管道”及其周?chē)Ц癜l(fā)生畸變的范圍，通及其周?chē)Ц癜l(fā)生畸變的范圍，通

7、常只有常只有3到到5個(gè)原子間距寬，而位錯(cuò)的長(zhǎng)度卻有幾百至幾萬(wàn)個(gè)原子間距寬，而位錯(cuò)的長(zhǎng)度卻有幾百至幾萬(wàn)個(gè)原子間距。個(gè)原子間距。 刃型位錯(cuò)與間隙原子的相互作用刃型位錯(cuò)與間隙原子的相互作用n刃型位錯(cuò)會(huì)吸引間隙原子刃型位錯(cuò)會(huì)吸引間隙原子和置換原子向位錯(cuò)區(qū)聚集。和置換原子向位錯(cuò)區(qū)聚集。小的間隙原子（紅色）往小的間隙原子（紅色）往往進(jìn)入位錯(cuò)管道，置換原往進(jìn)入位錯(cuò)管道，置換原子（棕色）則富集在管道子（棕色）則富集在管道周?chē)?。這樣可以降低晶格周?chē)＿@樣可以降低晶格的畸變能，同時(shí)這些間隙的畸變能，同時(shí)這些間隙原子和置換原子對(duì)位錯(cuò)起原子和置換原子對(duì)位錯(cuò)起了釘扎作用，使位錯(cuò)難以了釘扎作用，使位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)，結(jié)果可以使

8、晶體的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果可以使晶體的強(qiáng)度、硬度提高。強(qiáng)度、硬度提高。M.F. Ashby and D.R.H. Jones, Engineering Materials 1, 2nd ed. (2002)刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)混合型位錯(cuò)（螺型混合型位錯(cuò)（螺型+ +刃型刃型 ）位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)n單滑移：只有一個(gè)特定的滑移系處于最有利單滑移：只有一個(gè)特定的滑移系處于最有利的位置而優(yōu)先開(kāi)動(dòng)時(shí)，形成單滑移。的位置而優(yōu)先開(kāi)動(dòng)時(shí)，形成單滑移。n多滑移：由于變形時(shí)晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，有兩多滑移：由于變形時(shí)晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，有兩組或幾組滑移面同時(shí)轉(zhuǎn)到有利位

9、向，使滑移組或幾組滑移面同時(shí)轉(zhuǎn)到有利位向，使滑移可能在兩組或更多的滑移面上同時(shí)或交替地可能在兩組或更多的滑移面上同時(shí)或交替地進(jìn)行，形成進(jìn)行，形成“雙滑移雙滑移”或或“多滑移多滑移”。n交滑移：晶體在兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿交滑移：晶體在兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一滑移方向進(jìn)行的滑移。同一滑移方向進(jìn)行的滑移。滑移的表面痕跡滑移的表面痕跡n單滑移：?jiǎn)螁位疲簡(jiǎn)我环较虻幕环较虻幕茙?；移帶；n多滑移：相多滑移：相互交叉的滑互交叉的滑移帶；移帶；n交滑移：波交滑移：波紋狀的滑移紋狀的滑移帶。帶。位錯(cuò)源和位錯(cuò)增殖位錯(cuò)源和位錯(cuò)增殖Frank-Read sources in SiDash, Disloca

10、tion and Mechanical Properties of Crystals, Wiley (1957).一一 塑性變形機(jī)理塑性變形機(jī)理 1 1 晶內(nèi)變形晶內(nèi)變形 晶內(nèi)變形的主要方式：滑移、孿生晶內(nèi)變形的主要方式：滑移、孿生滑移滑移 n滑移滑移: :在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對(duì)位移向（滑移方向）產(chǎn)生相對(duì)位移, ,且不破壞晶且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。n滑移面：原子排列密度最大的晶面?；泼妫涸优帕忻芏茸畲蟮木?/p>

11、面。 n滑移方向：原子排列密度最大的方向?；品较颍涸优帕忻芏茸畲蟮姆较颉?n滑移系滑移系: :一種滑移面及其上的一個(gè)滑移方向一種滑移面及其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成。構(gòu)成?；茙Щ茙?滑移面、滑移方向、滑移系滑移面、滑移方向、滑移系滑移時(shí)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)滑移時(shí)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) n一個(gè)位錯(cuò)移到晶體表面時(shí)，便形成一個(gè)原子間距一個(gè)位錯(cuò)移到晶體表面時(shí)，便形成一個(gè)原子間距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位錯(cuò)移到晶的滑移量。同一滑移面上，有大量的位錯(cuò)移到晶體表面時(shí)，則形成一條滑移線。體表面時(shí)，則形成一條滑移線。 臨界剪切應(yīng)力臨界剪切應(yīng)力 n晶體進(jìn)入塑性時(shí)，在滑移面上，沿滑移方晶體進(jìn)入塑性時(shí)，在滑移面上，沿滑移方向的剪

12、應(yīng)力稱為臨界剪應(yīng)力向的剪應(yīng)力稱為臨界剪應(yīng)力 0sPA0coscoscoscoscsPAcoscos取向因子 uvw is perpendicular to (uvw)孿生孿生n 孿晶是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)孿晶是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系，此公共晶面就公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系，此公共晶面就稱為孿晶面。稱為孿晶面。 面心立方晶體孿晶的高分辨透射電鏡面心立方晶體孿晶的高分辨透射電鏡(HRTEM）照片）照片孿晶孿晶滑移與孿晶滑移與孿晶孿生的特點(diǎn)孿生的特點(diǎn)（1 1）孿生是一部分晶體沿孿晶面相對(duì)于另一部分晶體）孿生是一部分晶體沿孿晶面相對(duì)于

13、另一部分晶體作切變，切變時(shí)原子移動(dòng)的距離是孿生方向原子間距的作切變，切變時(shí)原子移動(dòng)的距離是孿生方向原子間距的分?jǐn)?shù)倍；孿生是部分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果；孿晶面兩側(cè)晶體分?jǐn)?shù)倍；孿生是部分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果；孿晶面兩側(cè)晶體的位向不同，呈鏡面對(duì)稱；孿生是一種均勻的切變。的位向不同，呈鏡面對(duì)稱；孿生是一種均勻的切變。孿生的特點(diǎn)孿生的特點(diǎn)（2 2）孿晶的萌生一般需）孿晶的萌生一般需要較大的應(yīng)力，但隨后長(zhǎng)要較大的應(yīng)力，但隨后長(zhǎng)大所需的應(yīng)力較小，其拉大所需的應(yīng)力較小，其拉伸曲線呈鋸齒狀。孿晶核伸曲線呈鋸齒狀。孿晶核心大多是在晶體局部高應(yīng)心大多是在晶體局部高應(yīng)力區(qū)形成。變形孿晶一般力區(qū)形成。變形孿晶一般呈片狀。變形孿晶經(jīng)常

14、以呈片狀。變形孿晶經(jīng)常以爆發(fā)方式形成，生成速率爆發(fā)方式形成，生成速率較快。較快。孿生的特點(diǎn)孿生的特點(diǎn)（3 3）形變孿晶常見(jiàn)于密排六方和體心立方晶）形變孿晶常見(jiàn)于密排六方和體心立方晶體（密排六方金屬很容易產(chǎn)生孿生變形），體（密排六方金屬很容易產(chǎn)生孿生變形），面心立方晶體中很難發(fā)生孿生。面心立方晶體中很難發(fā)生孿生。（4 4）孿生本身對(duì)金屬塑性變形的貢獻(xiàn)不大，）孿生本身對(duì)金屬塑性變形的貢獻(xiàn)不大，但形成的孿晶改變了晶體的位向，使新的滑但形成的孿晶改變了晶體的位向，使新的滑移系開(kāi)動(dòng)，間接對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)。移系開(kāi)動(dòng)，間接對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)。 一一 塑性變形機(jī)理塑性變形機(jī)理 2 2 晶間變形晶間變形 晶間變形

15、的主要方式：晶粒之間相晶間變形的主要方式：晶粒之間相互滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。互滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。 二二 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形的特點(diǎn)多晶體的塑性變形的特點(diǎn)n各晶粒變形的不同時(shí)性各晶粒變形的不同時(shí)性 位錯(cuò)在晶界塞積位錯(cuò)在晶界塞積 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 相鄰晶粒位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)相鄰晶粒位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng) 相鄰晶粒變形相鄰晶粒變形 塑變塑變n各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性 （1 1）原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。）原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。 （2 2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會(huì)導(dǎo)致晶體分裂）形會(huì)導(dǎo)致晶體分裂） （3 3）條件：

16、獨(dú)立滑移系）條件：獨(dú)立滑移系 5 5個(gè)。（保證晶粒形狀的個(gè)。（保證晶粒形狀的自由變化）自由變化）多晶體的塑性變形的特點(diǎn)多晶體的塑性變形的特點(diǎn)n晶粒之間和晶粒內(nèi)部與晶界附近區(qū)域之間變形晶粒之間和晶粒內(nèi)部與晶界附近區(qū)域之間變形的不均勻性的不均勻性 （1 1）晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。）晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。 （2 2）晶界對(duì)變形的影響）晶界對(duì)變形的影響: :滑移、孿生多終止于晶界滑移、孿生多終止于晶界, ,極極少穿過(guò)。少穿過(guò)。n變形的不均勻性變形的不均勻性 （3 3）晶粒大小與性能的關(guān)系）晶粒大小與性能的關(guān)系 a a 晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高(

17、(細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化) ) s s= = 0 0+Kd+Kd-1/2-1/2 原因：晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大。原因：晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大。 晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中 導(dǎo)致的開(kāi)裂機(jī)會(huì)減少，可承受更大的變導(dǎo)致的開(kāi)裂機(jī)會(huì)減少，可承受更大的變 形量，表現(xiàn)出形量，表現(xiàn)出高塑性高塑性。 b b 晶粒越細(xì)，塑韌性提高晶粒越細(xì)，塑韌性提高 細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易 萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂 過(guò)程中可吸收較多能量過(guò)程中可吸收較多能量, ,表現(xiàn)表現(xiàn)高韌性

18、高韌性。三三 合金的塑性變形合金的塑性變形 1 1 單相固溶體的塑性變形單相固溶體的塑性變形 （1 1） 固溶體的結(jié)構(gòu)固溶體的結(jié)構(gòu) （2 2） 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 a a） 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。 晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) b b） 強(qiáng)化機(jī)制強(qiáng)化機(jī)制 柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化n固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 c c） 屈服和應(yīng)變時(shí)效屈服和應(yīng)變時(shí)效 現(xiàn)象：上下屈服點(diǎn)、屈服延伸（呂德斯帶擴(kuò)展）?，F(xiàn)象：上下屈服點(diǎn)、屈服延伸（呂德斯帶擴(kuò)展）。 預(yù)變形和時(shí)效的影響：去載后立即

19、加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)預(yù)變形和時(shí)效的影響：去載后立即加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；去載后放置一段時(shí)間或象；去載后放置一段時(shí)間或200200加熱后再加載出現(xiàn)屈服。加熱后再加載出現(xiàn)屈服。 原因：柯氏氣團(tuán)的存在、破壞和重新形成。原因：柯氏氣團(tuán)的存在、破壞和重新形成。上屈服點(diǎn)上屈服點(diǎn)下屈服點(diǎn)下屈服點(diǎn)n固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 d d） 固溶強(qiáng)化的影響因素固溶強(qiáng)化的影響因素 溶質(zhì)原子含量越多，強(qiáng)化效果越好；溶質(zhì)原子含量越多，強(qiáng)化效果越好； 溶劑與溶質(zhì)原子半徑差越大，強(qiáng)化效果越好；溶劑與溶質(zhì)原子半徑差越大，強(qiáng)化效果越好； 溶劑與溶質(zhì)原子價(jià)電子數(shù)差越大，強(qiáng)化效果越好；溶劑與溶質(zhì)原子價(jià)電子數(shù)差越大，強(qiáng)化效果越好； 間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)

20、化效果高于置換式溶質(zhì)原子。間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果高于置換式溶質(zhì)原子。合金的塑性變形合金的塑性變形 2 2 多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：基體第二相基體第二相 性能：性能： （1 1）兩相性能接近：按強(qiáng)度分?jǐn)?shù)相加計(jì)算）兩相性能接近：按強(qiáng)度分?jǐn)?shù)相加計(jì)算 （2 2）軟基體硬第二相）軟基體硬第二相 第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體）第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體） a a 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 兩相呈層片狀分布（珠光體）兩相呈層片狀分布（珠光體） 第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形n性能性能（2 2）軟基體硬第二相）軟基體硬

21、第二相 位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子( (粒子、位錯(cuò)環(huán)阻粒子、位錯(cuò)環(huán)阻 礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)) ) b b 彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子（表面能、錯(cuò)排能、位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子（表面能、錯(cuò)排能、 粒子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）粒子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）四四 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 1 1 對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響 晶粒拉長(zhǎng)晶粒拉長(zhǎng) （1 1） 形成纖維組織形成纖維組織 雜質(zhì)呈細(xì)帶狀或鏈狀分布雜質(zhì)呈細(xì)帶狀或鏈狀分布H62黃銅擠壓的帶狀組織黃銅擠壓的帶狀組織（2 2） 亞結(jié)構(gòu)亞結(jié)構(gòu)n變形量增大變形量增大 位錯(cuò)纏結(jié)位錯(cuò)纏結(jié) 位錯(cuò)胞位錯(cuò)胞（大量位錯(cuò)纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)

22、位錯(cuò)密度低（大量位錯(cuò)纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯(cuò)密度低) )（3 3） 形變形變織構(gòu)織構(gòu)n形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu) 取向的組織。取向的組織。 絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行（拉拔時(shí)絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行（拉拔時(shí)n類(lèi)型類(lèi)型 形成）形成） 板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于 平行于主變形方向（軋制時(shí)形成）平行于主變形方向（軋制時(shí)形成）（3 3） 形變形變織構(gòu)織構(gòu) 力學(xué)性能力學(xué)性能: :利利: :深沖板材變形控制；弊深沖板材變形控制；弊: :制耳制耳 ( (各向異性各向異

23、性) )n對(duì)性能的影響對(duì)性能的影響 物理性能物理性能: :硅鋼片硅鋼片100100100100織構(gòu)可減少鐵損織構(gòu)可減少鐵損2 2 對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化） （1 1）加工硬化（形變強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化）：隨變形）加工硬化（形變強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化）：隨變形量的增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高而塑韌性下降量的增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。四四 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 2 2 對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化） 強(qiáng)化金屬的重要途徑強(qiáng)化金屬的重要途徑 利利 提高材料使用安全性提高材料使用安全性 （2 2

24、）利弊）利弊 材料加工成型的保證材料加工成型的保證 弊弊 變形阻力提高，動(dòng)力消耗增大變形阻力提高，動(dòng)力消耗增大 脆斷危險(xiǎn)性提高脆斷危險(xiǎn)性提高第二節(jié)第二節(jié) 金屬熱態(tài)下的塑性變形金屬熱態(tài)下的塑性變形n從金屬學(xué)的角度看，在再結(jié)晶溫度以上從金屬學(xué)的角度看，在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形，稱為熱塑性變形或熱進(jìn)行的塑性變形，稱為熱塑性變形或熱塑性加工。塑性加工。n在熱塑性變形過(guò)程中，回復(fù)、再結(jié)晶與在熱塑性變形過(guò)程中，回復(fù)、再結(jié)晶與加工硬化同時(shí)發(fā)生，加工硬化不斷被回加工硬化同時(shí)發(fā)生，加工硬化不斷被回復(fù)化再結(jié)晶所抵消，而使金屬處于高塑復(fù)化再結(jié)晶所抵消，而使金屬處于高塑性、低變形抗力的軟化狀態(tài)。性、低變形抗力的

25、軟化狀態(tài)。一一 熱塑性變形時(shí)的軟化過(guò)程熱塑性變形時(shí)的軟化過(guò)程 冷變形金屬加熱時(shí)組織和性能的變化冷變形金屬加熱時(shí)組織和性能的變化二二 熱塑性變形機(jī)理熱塑性變形機(jī)理 n晶內(nèi)滑移晶內(nèi)滑移n晶內(nèi)孿生晶內(nèi)孿生n晶界滑移晶界滑移n擴(kuò)散性蠕變擴(kuò)散性蠕變擴(kuò)散性蠕變擴(kuò)散性蠕變?nèi)?熱塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響熱塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響 n 改善晶粒組織改善晶粒組織 n 鍛合內(nèi)部缺陷鍛合內(nèi)部缺陷 n 破碎并改善碳化物和非金屬夾雜物在鋼中的分布破碎并改善碳化物和非金屬夾雜物在鋼中的分布n 形成纖維組織形成纖維組織n 改善偏析改善偏析鋼錠鍛造過(guò)程中纖維組織形成示意鋼錠鍛造過(guò)程中纖維組織形成示意 第三節(jié)第三節(jié) 金

26、屬的超塑性變形金屬的超塑性變形n超塑性是指金屬在特超塑性是指金屬在特定變形條件下，呈現(xiàn)定變形條件下，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、出異常低的流變抗力、異常高的流變性能異常高的流變性能（例如大的延伸率）（例如大的延伸率）的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 一一 超塑性的概念和種類(lèi)超塑性的概念和種類(lèi)超塑性的特點(diǎn)超塑性的特點(diǎn)n 超塑性變形的一般特點(diǎn)：超塑性變形的一般特點(diǎn)： 1 1、大伸長(zhǎng)率、大伸長(zhǎng)率 2 2、無(wú)縮頸、無(wú)縮頸 3 3、低流動(dòng)應(yīng)力、低流動(dòng)應(yīng)力 4 4、易成形、易成形n 采用超塑性成形工藝，可獲得形狀復(fù)雜和尺寸精確的鍛件，采用超塑性成形工藝，可獲得形狀復(fù)雜和尺寸精確的鍛件，而變形力大大降低而變形力大大降低 。超塑

27、性成形實(shí)例超塑性成形實(shí)例 TC11TC11鈦合金基于最大鈦合金基于最大m m值的超塑性研究值的超塑性研究n試驗(yàn)方法：最大試驗(yàn)方法：最大m值法值法(原始創(chuàng)新原始創(chuàng)新)n塑性指標(biāo)：最大延伸率塑性指標(biāo)：最大延伸率=2300%(世界新記錄世界新記錄)n試驗(yàn)溫度：試驗(yàn)溫度：900 (最佳溫度最佳溫度)n原始組織狀態(tài)：細(xì)晶，晶粒度原始組織狀態(tài)：細(xì)晶，晶粒度5m (工藝創(chuàng)新工藝創(chuàng)新)n試驗(yàn)時(shí)間：試驗(yàn)時(shí)間：2006.9.30n試驗(yàn)地點(diǎn)：南昌航空大學(xué)試驗(yàn)地點(diǎn)：南昌航空大學(xué)M棟棟112室室超塑性的種類(lèi)超塑性的種類(lèi)n 細(xì)晶超塑性n 相變超塑性 是指在一定的恒溫下，在應(yīng)變速率和晶粒度都滿足要求的條件下所是指在一定的恒

28、溫下，在應(yīng)變速率和晶粒度都滿足要求的條件下所呈現(xiàn)的細(xì)晶超塑性。又稱為結(jié)構(gòu)超塑性或恒溫超塑性。呈現(xiàn)的細(xì)晶超塑性。又稱為結(jié)構(gòu)超塑性或恒溫超塑性。 是指在一定外力作用下，使金屬或合金在相變溫度附近反復(fù)加熱和是指在一定外力作用下，使金屬或合金在相變溫度附近反復(fù)加熱和冷卻，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后獲得很大的伸長(zhǎng)率。又稱為動(dòng)態(tài)超塑性。冷卻，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后獲得很大的伸長(zhǎng)率。又稱為動(dòng)態(tài)超塑性。二二 細(xì)晶超塑性變形力學(xué)特征細(xì)晶超塑性變形力學(xué)特征n在整個(gè)變形過(guò)程中，表現(xiàn)出低應(yīng)力水平、無(wú)縮頸的在整個(gè)變形過(guò)程中，表現(xiàn)出低應(yīng)力水平、無(wú)縮頸的大延伸現(xiàn)象。大延伸現(xiàn)象。n流動(dòng)應(yīng)力（真實(shí)應(yīng)力）對(duì)變形速率極其敏感。描述流動(dòng)應(yīng)力

29、（真實(shí)應(yīng)力）對(duì)變形速率極其敏感。描述這種特征的方程為這種特征的方程為mKYYKm真實(shí)應(yīng)力決定于試驗(yàn)條件的材料常數(shù)應(yīng)變速率應(yīng)變速率敏感性指數(shù)三三 影響細(xì)晶超塑性的主要因素影響細(xì)晶超塑性的主要因素 1、應(yīng)變速率411 1010minm細(xì)晶超塑性具有高度的速度敏感性，速度的變化對(duì)流動(dòng)應(yīng)力和 值的影響很顯著，只有控制在 范圍內(nèi)，才能獲得超塑性。2、變形溫度 mT超塑性變形溫度大約在0.5左右，當(dāng)?shù)陀诨虺^(guò)某一溫度范圍時(shí)，就不出現(xiàn)超塑性現(xiàn)象。3、組織的影響 金屬需要具有超細(xì)、等軸、雙相及穩(wěn)定的晶粒。四四 超塑性變形機(jī)理超塑性變形機(jī)理 目前仍處于探討階段，尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。目前仍處于探討階段，尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)

30、。幾種主流的觀點(diǎn)：幾種主流的觀點(diǎn)： 晶界滑移的觀點(diǎn) 擴(kuò)散蠕變機(jī)理的作用 動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 一般地認(rèn)為，超塑性變形機(jī)理比常規(guī)塑性變形機(jī)理更為復(fù)雜，它包括晶界的滑移和晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)、擴(kuò)散蠕變、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)、在特殊情況下還有再結(jié)晶等，是幾個(gè)機(jī)理的綜合作用。A-V超塑變形機(jī)理超塑變形機(jī)理 由由Ashby和和Verrall提提出的出的晶界滑動(dòng)晶界滑動(dòng)和和擴(kuò)散蠕擴(kuò)散蠕變變聯(lián)合機(jī)理，簡(jiǎn)稱聯(lián)合機(jī)理，簡(jiǎn)稱A-V機(jī)理。機(jī)理。起始狀態(tài)中間狀態(tài)終了階段 該理論認(rèn)為，在該理論認(rèn)為，在晶界晶界滑移滑移的同時(shí)伴隨有的同時(shí)伴隨有擴(kuò)散擴(kuò)散蠕變?nèi)渥?，?duì)晶界滑移起調(diào)，對(duì)晶界滑移起調(diào)節(jié)作用的節(jié)作用的不是晶內(nèi)位錯(cuò)不是晶內(nèi)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)

31、，而是，而是原子的擴(kuò)原子的擴(kuò)散遷移散遷移。第四節(jié)第四節(jié) 金屬在塑性加工過(guò)程中的塑金屬在塑性加工過(guò)程中的塑性行為性行為一一 金屬的塑性及其指標(biāo)金屬的塑性及其指標(biāo)1 金屬的塑性金屬的塑性 金屬在外力作用下發(fā)生不可恢復(fù)的變形而保持其完整性不被破壞的性質(zhì)稱為金屬的塑性。應(yīng)力-應(yīng)變曲線碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試件1 金屬的塑性金屬的塑性eeP試件在彈性極限范圍內(nèi)的變形將完全恢復(fù)到原來(lái)的形狀。試件在彈性極限范圍內(nèi)的變形將完全恢復(fù)到原來(lái)的形狀。1 金屬的塑性金屬的塑性eePP 試件變形達(dá)到其彈性極限后，如果繼續(xù)加載，將發(fā)生試件變形達(dá)到其彈性極限后，如果繼續(xù)加載，將發(fā)生不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變

32、形。1 金屬的塑性金屬的塑性ePP 對(duì)超過(guò)彈性極限載荷的金屬金屬試件卸載，卸載對(duì)超過(guò)彈性極限載荷的金屬金屬試件卸載，卸載曲線近似于彈性曲線。曲線近似于彈性曲線。e1 金屬的塑性金屬的塑性ePPep塑性變形 試件完全卸載后，殘留部分不可恢復(fù)的變形試件完全卸載后，殘留部分不可恢復(fù)的變形P P, ,即塑性變形即塑性變形。2 金屬的塑性指標(biāo)金屬的塑性指標(biāo) 衡量金屬材料塑性好壞的數(shù)量指標(biāo)，稱為塑性指標(biāo)，一衡量金屬材料塑性好壞的數(shù)量指標(biāo)，稱為塑性指標(biāo)，一般以材料開(kāi)始破壞時(shí)的塑性變形量來(lái)表示。般以材料開(kāi)始破壞時(shí)的塑性變形量來(lái)表示。測(cè)定塑性指標(biāo)測(cè)定塑性指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)驗(yàn)方法 拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn) 鐓粗實(shí)驗(yàn)鐓粗實(shí)

33、驗(yàn) 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)電子拉伸試驗(yàn)機(jī)0L0d標(biāo)準(zhǔn)試件試件斷口拉伸試驗(yàn)的力學(xué)條件與塑性指標(biāo)拉伸試驗(yàn)的力學(xué)條件與塑性指標(biāo)拉伸速度10 mm/s131010 /s應(yīng)變速率: 一般液壓機(jī)的速度范疇3.84.5m/s鍛錘變形速度的下限可確定以下塑性指標(biāo)：(1) 伸長(zhǎng)率K00100LLL (2) 斷面收縮率0K0100AAA 鐓粗試驗(yàn)鐓粗試驗(yàn)c 試樣側(cè)表面出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)的壓縮程度作為塑性指標(biāo)。0Kc0100%HHHK H鐓粗試樣側(cè)表面出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)的高度PP 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)MM 材料的塑性指標(biāo)用試樣破斷前的材料的塑性指標(biāo)用試樣破斷前的扭轉(zhuǎn)角或扭轉(zhuǎn)圈數(shù)表示。扭轉(zhuǎn)角或扭轉(zhuǎn)圈數(shù)表示。 材料扭

34、轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)：m0優(yōu)點(diǎn)： 無(wú)頸縮、鼓形二二 影響金屬塑性的主要因素影響金屬塑性的主要因素1 化學(xué)成分對(duì)金屬塑性的影響化學(xué)成分對(duì)金屬塑性的影響碳碳 : 碳碳塑性塑性（滲碳體）（滲碳體）雜質(zhì)雜質(zhì): : 雜質(zhì)雜質(zhì)塑性塑性 磷磷冷脆性冷脆性。強(qiáng)度、硬度。強(qiáng)度、硬度 塑性塑性 硫硫熱脆性熱脆性。硫化物和共晶體分布晶界，熔點(diǎn)低。硫化物和共晶體分布晶界，熔點(diǎn)低 氮氮時(shí)效脆性時(shí)效脆性、即蘭脆。溫度、即蘭脆。溫度氮化物析出氮化物析出 氫氫氫脆，氫脆，間隙固溶體。間隙固溶體。白點(diǎn)白點(diǎn)，擴(kuò)散聚集微缺陷處，擴(kuò)散聚集微缺陷處 氧氧熱脆性熱脆性。氧化物、易溶共晶體分布晶界，熔點(diǎn)低。氧化物、易溶共晶體分布晶界，熔點(diǎn)低合金元素合金元素: : 合金元素加入合金元素加入塑性塑性抗力抗力一般規(guī)律：一般規(guī)律： 金屬的塑性主要取決于基體金屬?；w金屬。碳和雜質(zhì)元素碳和雜質(zhì)元素2 組織對(duì)金屬塑性的影響組織對(duì)金屬塑性的影響相結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)晶粒度晶粒度鑄造組織鑄造組織IIIIII1233 溫度對(duì)金屬塑性