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)第一節(jié) 金屬冷態(tài)下的塑性變形第二節(jié) 金屬熱態(tài)下的塑性變形第三節(jié) 金屬在塑性加工過(guò)程中的塑性行為第四節(jié) 金屬的超塑性第一節(jié) 金屬冷態(tài)下的塑性變形1.塑性變形機(jī)理2.塑性變形特點(diǎn)3.合金的塑性變形4.冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響多晶體是由許多微小的單個(gè)晶粒雜亂組合而成。多晶體是由許多微小的單個(gè)晶粒雜亂組合而成。多晶體在其組織結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)：多晶體在其組織結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)：（1）多晶體的各個(gè)晶粒，其形狀和大小是不同的，）多晶體的各個(gè)晶粒，其形狀和大小是不同的，化學(xué)成分和力學(xué)性能的分布不均勻；化學(xué)成分和力學(xué)性能的分布不均勻；（2）多晶體各相鄰晶粒的取向一般不同；）多晶體各相

2、鄰晶粒的取向一般不同；（3）在多晶體中存在大量的晶界，晶界的結(jié)構(gòu)和性）在多晶體中存在大量的晶界，晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與晶粒本身不同，并在晶界上聚集著其它物質(zhì)的質(zhì)與晶粒本身不同，并在晶界上聚集著其它物質(zhì)的雜質(zhì)。雜質(zhì)。 1.塑性變形機(jī)理單晶體的塑性變形 滑移和孿生多晶體的塑性變形 晶內(nèi)變形和晶界變形多晶體的晶內(nèi)變形可以看做是一個(gè)單晶的塑性變形（一）晶內(nèi)變形晶內(nèi)變形的主要方式和單晶體一樣為滑移和孿生。其中滑移變形是主要的；而孿生變形是次要的，一般僅起調(diào)節(jié)作用。但在體心立方金屬，特別是密排六方金屬中，孿生變形也是主要的。（一）晶內(nèi)變形（1）滑移滑移:晶體一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對(duì)另一

3、部分發(fā)生相對(duì)移動(dòng)和切變。產(chǎn)生宏觀的塑性變形?；泼妫涸优帕忻芏茸畲蟮木?。 滑移方向：原子排列密度最大的方向。 滑移系:一種滑移面及其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成滑移總是沿著原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因?yàn)樵用芏茸畲蟮木?，原子間距小，原子間結(jié)合力強(qiáng)；而其晶面間的距離則較大，晶面與晶面之間的結(jié)合力較弱，滑移阻力較小。1 1、滑移系多的比少的容易變形。、滑移系多的比少的容易變形。2 2、體心和面心立方同樣具有、體心和面心立方同樣具有1212個(gè)滑移系，面心比體心易個(gè)滑移系，面心比體心易變形，滑移方向的作用大于滑移面的作用。變形，滑移方向的作用大于滑移面的作用。3 3、滑移面對(duì)溫度具有敏感性。溫度升高

4、，原子密度次大、滑移面對(duì)溫度具有敏感性。溫度升高，原子密度次大的晶面也參與滑移，故溫度升高，金屬塑性提高。的晶面也參與滑移，故溫度升高，金屬塑性提高?；葡档拇嬖谥荒軌蛘f(shuō)明金屬晶體有產(chǎn)生滑移的可能性。還需要一個(gè)臨界切應(yīng)力。臨界切應(yīng)力：要使滑移能夠發(fā)生，需要沿滑移面的滑移方向上作用一定大小的切應(yīng)力。臨界切應(yīng)力的大小取決于金屬的類型、純度、晶體結(jié)構(gòu)的完整度、變形溫度、應(yīng)變速率和預(yù)先變形程度等。晶面轉(zhuǎn)動(dòng)單晶體拉伸單晶體壓縮滑移的微觀描述單滑移單滑移（平移滑移）：是沿著（平移滑移）：是沿著一定的結(jié)晶面和結(jié)晶方間進(jìn)行。一定的結(jié)晶面和結(jié)晶方間進(jìn)行。它僅可能在最初始的塑性變形它僅可能在最初始的塑性變形階段發(fā)

5、生。階段發(fā)生。雙滑移：指從某一變形程度開(kāi)雙滑移：指從某一變形程度開(kāi)始，同時(shí)有兩個(gè)滑移系統(tǒng)進(jìn)行始，同時(shí)有兩個(gè)滑移系統(tǒng)進(jìn)行工作。但這并不意味著它們的工作。但這并不意味著它們的作用是同步的。作用是同步的。多滑移：與雙滑移相似，晶體多滑移：與雙滑移相似，晶體在滑移過(guò)程中，如果滑移同時(shí)在滑移過(guò)程中，如果滑移同時(shí)在各個(gè)滑移系統(tǒng)上進(jìn)行時(shí)，則在各個(gè)滑移系統(tǒng)上進(jìn)行時(shí)，則稱此滑移為多滑移。稱此滑移為多滑移。交滑移：若滑移是沿兩個(gè)不同交滑移：若滑移是沿兩個(gè)不同的滑移面和共有的滑移方向上的滑移面和共有的滑移方向上進(jìn)行時(shí)，則稱為交滑移。進(jìn)行時(shí)，則稱為交滑移。 （一）晶內(nèi)變形 面心立方晶體孿生變形示意a) 孿生面和孿生方

6、向 b) 孿生變形時(shí)原子的移動(dòng)孿生面孿生面孿生方向?qū)\生方向?qū)\生區(qū)域2.孿生孿生：晶體在切應(yīng)力的作用下，其一部分孿生：晶體在切應(yīng)力的作用下，其一部分沿某一定晶面和晶向，按一定的關(guān)系發(fā)生沿某一定晶面和晶向，按一定的關(guān)系發(fā)生相對(duì)的位向移動(dòng)，其結(jié)果使晶體的一部分相對(duì)的位向移動(dòng)，其結(jié)果使晶體的一部分與原晶體的位向處于相互對(duì)稱的位置。與原晶體的位向處于相互對(duì)稱的位置。這種在變形過(guò)程中產(chǎn)生的孿生變形部分稱這種在變形過(guò)程中產(chǎn)生的孿生變形部分稱為為“形變孿晶形變孿晶” 在孿生變形時(shí)，在孿生變形時(shí)，所有平行于孿生所有平行于孿生面的原子平面都面的原子平面都朝著一個(gè)方向移朝著一個(gè)方向移動(dòng)。每一晶面移動(dòng)。每一晶面移動(dòng)距

7、離的大小與動(dòng)距離的大小與它距孿生面的距它距孿生面的距離成正比。每一離成正比。每一晶面與相鄰晶面晶面與相鄰晶面的相對(duì)移動(dòng)恒等的相對(duì)移動(dòng)恒等于點(diǎn)陣常數(shù)的若于點(diǎn)陣常數(shù)的若干分之一。干分之一。 晶體以何種方式變形，取決于那張變形需晶體以何種方式變形，取決于那張變形需要的切應(yīng)力低。要的切應(yīng)力低。常溫下滑移切應(yīng)力低于孿生，很低溫度下，常溫下滑移切應(yīng)力低于孿生，很低溫度下，孿生低于滑移。孿生低于滑移。變形速度的增加可促使晶體的孿生化，如變形速度的增加可促使晶體的孿生化，如高速?zèng)_擊。高速?zèng)_擊。高應(yīng)力集中處會(huì)誘發(fā)孿生變形。高應(yīng)力集中處會(huì)誘發(fā)孿生變形。密排六方滑移系少，主要以孿生為主。密排六方滑移系少，主要以孿生

8、為主。滑移和孿生可交替進(jìn)行。滑移和孿生可交替進(jìn)行。 鎂中的變形孿晶和滑移帶鎂中的變形孿晶和滑移帶 孿生與滑移的區(qū)別 由孿生的變形過(guò)程可知，孿生所發(fā)生的切變均勻地波及整由孿生的變形過(guò)程可知，孿生所發(fā)生的切變均勻地波及整個(gè)孿生變形區(qū)，而滑移變形只集中在滑移面上，切變是不個(gè)孿生變形區(qū)，而滑移變形只集中在滑移面上，切變是不均勻的；均勻的；孿生切變時(shí)原子移動(dòng)的距離不是孿生方向原子間距的整數(shù)孿生切變時(shí)原子移動(dòng)的距離不是孿生方向原子間距的整數(shù)倍（而是幾分之一原子間距），而滑移時(shí)原子移動(dòng)的距離倍（而是幾分之一原子間距），而滑移時(shí)原子移動(dòng)的距離是滑移方向原子間距的整數(shù)倍；是滑移方向原子間距的整數(shù)倍；孿生變形后，

9、孿晶面兩邊晶體位向不同，成鏡像對(duì)稱；而孿生變形后，孿晶面兩邊晶體位向不同，成鏡像對(duì)稱；而滑移時(shí)，滑移面兩邊晶體位向不變；滑移時(shí)，滑移面兩邊晶體位向不變；由于孿生改變了晶體的取向，因此孿晶經(jīng)拋光浸蝕后仍可由于孿生改變了晶體的取向，因此孿晶經(jīng)拋光浸蝕后仍可觀察到，而滑移所造成的臺(tái)階經(jīng)拋光浸蝕后不會(huì)重現(xiàn)。觀察到，而滑移所造成的臺(tái)階經(jīng)拋光浸蝕后不會(huì)重現(xiàn)。（二）晶間變形晶粒相互滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)在冷態(tài)變形條件下，多晶體的塑性變形主要在冷態(tài)變形條件下，多晶體的塑性變形主要集中在晶內(nèi)。晶間變形只起次要作用。而且集中在晶內(nèi)。晶間變形只起次要作用。而且需要其他變形機(jī)制的協(xié)調(diào)。這主要是由于晶需要其他變形機(jī)制的協(xié)調(diào)。這主要

10、是由于晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)，其變形比晶內(nèi)困難。而且界強(qiáng)度高于晶內(nèi)，其變形比晶內(nèi)困難。而且多晶體各晶粒間犬牙交錯(cuò)，造成晶界滑移困多晶體各晶粒間犬牙交錯(cuò)，造成晶界滑移困難，如晶界發(fā)生變形，必將引起裂紋，故晶難，如晶界發(fā)生變形，必將引起裂紋，故晶界變形量是很小的。界變形量是很小的。2.塑性變形特點(diǎn)1.各晶粒變形的不同時(shí)性2.各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性3.晶粒與晶粒之間和晶粒內(nèi)部與晶界附近區(qū)域之間變形的不均勻性。1.變形的不同時(shí)性切應(yīng)力達(dá)到要求的有利滑移系切應(yīng)力達(dá)到要求的有利滑移系晶粒先變形，取向不利的尚未晶粒先變形，取向不利的尚未開(kāi)始變形。開(kāi)始變形。位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)在晶內(nèi)滑移，在晶界位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)在晶內(nèi)滑移，在晶界處塞積

11、，造成應(yīng)力場(chǎng)，作用于處塞積，造成應(yīng)力場(chǎng)，作用于相鄰晶粒。如果此附加應(yīng)力足相鄰晶粒。如果此附加應(yīng)力足夠的，造成相鄰晶粒取向不利夠的，造成相鄰晶粒取向不利的滑移系開(kāi)動(dòng)，則發(fā)生滑移，的滑移系開(kāi)動(dòng)，則發(fā)生滑移，塑性變形。塑性變形。位錯(cuò)塞積處應(yīng)力釋放，位錯(cuò)塞積處應(yīng)力釋放，A A中位中位錯(cuò)繼續(xù)移動(dòng)，發(fā)生形狀改變。錯(cuò)繼續(xù)移動(dòng)，發(fā)生形狀改變。2.各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性多晶體中晶粒處于其他晶粒的包圍中，它們的變形不是孤立和任意的，需要其他晶粒的相互協(xié)調(diào)配合，否則無(wú)法保持晶粒之間的連續(xù)性。在晶粒內(nèi)部，除了取向有利的滑移外，還要求其他不利的滑移系也參與滑移，才能保證晶粒形狀的改變，而與周?chē)Я５膮f(xié)調(diào)性。3.變形的不

12、均勻性宏觀變形的不均勻是外部條件造成的微觀變形不均勻是由多晶體的結(jié)構(gòu)決定的。軟取向先滑移，硬取向后滑移。晶界和晶內(nèi)性能不同。粗晶粒鋼沖壓會(huì)出現(xiàn)“桔皮”3.合金的塑性變形合金相結(jié)構(gòu)兩類：固溶體和化合物常見(jiàn)的合金組織種類：（一）單相固溶體合金（二）兩相或多相合金3.合金的塑性變形( (一一) ) 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)與純金屬組織無(wú)差異；變形機(jī)理與多晶純金屬相同，即滑移和孿生，變形也與純金屬組織無(wú)差異；變形機(jī)理與多晶純金屬相同，即滑移和孿生，變形也會(huì)受相鄰晶粒影響。不同就是有異類原子存在，固溶或置換。會(huì)受相鄰晶粒影響。不同就是有異類原子存在，固溶或

13、置換。 2 2 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 （1 1）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)度、硬度固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。 （2 2）強(qiáng)化機(jī)制：）強(qiáng)化機(jī)制：柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化，導(dǎo)致晶格畸變減小，位錯(cuò)柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化，導(dǎo)致晶格畸變減小，位錯(cuò)應(yīng)變能降低，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)變能降低，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。( (一一) ) 單相固溶體的塑性變形單相固溶體的塑性變形 2 2 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 （3 3）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）。現(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

14、加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；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。這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做應(yīng)變時(shí)效。應(yīng)變時(shí)效。 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。( (一一) ) 單相固溶體的塑性變形單相固溶體的塑性變形 2 2 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 （4 4）屈服效應(yīng)）屈服效應(yīng)當(dāng)金屬的變形量恰好處于屈服延伸的范圍時(shí)，金屬表面會(huì)出現(xiàn)粗糙不平、變形不均勻的痕跡，稱為呂德斯帶。防止措施：a.薄板在拉延前進(jìn)行微量冷軋（12%壓下量），使被溶質(zhì)碳原子釘扎的位錯(cuò)脫釘，然后沖壓加工。b

15、.鋼中加入少量鈦、鋁等強(qiáng)碳化物形成元素，減少碳、氮對(duì)位錯(cuò)的釘扎，消除屈服效應(yīng)。（二）（二） 多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形1.1.結(jié)構(gòu)：基體（結(jié)構(gòu)：基體（70%70%）第二相。）第二相。2.2.分類：分類：a.a.聚合型兩相合金，即第二相粒子尺寸與基體相晶粒屬于同一數(shù)量級(jí)。（聚合型兩相合金，即第二相粒子尺寸與基體相晶粒屬于同一數(shù)量級(jí)。（-兩相黃銅、碳鋼中鐵素體和粗大滲碳體）兩相黃銅、碳鋼中鐵素體和粗大滲碳體）b.b.彌散分布型兩相合金，第二相粒子十分細(xì)小，彌散分布在基體晶粒內(nèi)。（鋼彌散分布型兩相合金，第二相粒子十分細(xì)小，彌散分布在基體晶粒內(nèi)。（鋼中細(xì)小碳化物彌散分布）中細(xì)小碳化物彌散分布

16、）3.3.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）。兩相合金中，如一相為塑性相，而另一相為脆性相，則合金的力學(xué)性能主要取決于脆性相的存在情況。（二）（二） 多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形3 3 性能性能（2 2）軟基體硬第二相）軟基體硬第二相 不可變形粒子，位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子不可變形粒

17、子，位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子( (粒子、位錯(cuò)環(huán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)粒子、位錯(cuò)環(huán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)) ) b b 彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 可變形粒子位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子（表面能、錯(cuò)排能、粒子阻可變形粒子位錯(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)）礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）2Gb沉淀強(qiáng)化：通過(guò)過(guò)飽和固溶體的時(shí)效處理而沉淀析出并產(chǎn)生強(qiáng)化的稱為沉淀強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化。多屬可變形粒子。彌散強(qiáng)化：第二相微粒是借粉末冶金方法加入而起強(qiáng)化作用的。屬于不可變形粒子。4. 4. 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 （一）（一） 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

18、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。（一）（一） 對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響（2 2） 形成形變織構(gòu)形成形變織構(gòu)a.a.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)絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時(shí)形成）某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時(shí)形成）b.b.類型類型 板織構(gòu)板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平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）行于主變形方向。（軋制時(shí)形成） 第五節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 （

19、一）（一） 對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響（2 2） 形成形變織構(gòu)形成形變織構(gòu) 力學(xué)性能：利力學(xué)性能：利: :深沖板材變形控制深沖板材變形控制; ;弊：制耳弊：制耳。c.c.對(duì)性能的影響對(duì)性能的影響 ( (各向異性各向異性) ) 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。（一）（一） 對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響 （3 3） 形成位錯(cuò)胞形成位錯(cuò)胞 變形量變形量 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)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。) )（二）（二） 對(duì)性能的影響對(duì)性能的影響 （1 1） 對(duì)力學(xué)性能的影響

20、（加工硬化）對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化） a.a.加工硬化（形變強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化）：隨變形量的增加，材料的加工硬化（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的現(xiàn)象。強(qiáng)度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。4.塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 （二）（二） 對(duì)性能的影響對(duì)性能的影響 （1 1） 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； b.b.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，

21、動(dòng)力消耗增大； 脆斷危險(xiǎn)性提高。脆斷危險(xiǎn)性提高。（二）（二） 對(duì)性能的影響對(duì)性能的影響 （2 2） 對(duì)物理、化學(xué)性能的影響對(duì)物理、化學(xué)性能的影響 導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率下降，比重、熱導(dǎo)率下降；導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率下降，比重、熱導(dǎo)率下降； 結(jié)構(gòu)缺陷增多，擴(kuò)散加快；結(jié)構(gòu)缺陷增多，擴(kuò)散加快； 化學(xué)活性提高，腐蝕加快?；瘜W(xué)活性提高，腐蝕加快。熱塑性變形的概念實(shí)際熱加工溫度遠(yuǎn)高于再結(jié)晶溫度在熱塑性變形過(guò)程中，回復(fù)、再結(jié)晶與加工硬化同時(shí)發(fā)生，加工硬化不斷被回復(fù)或再結(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)。軟化分類：相變軟化和熱軟化。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變

22、形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形1.1.熱塑性變形時(shí)軟化過(guò)程熱塑性變形時(shí)軟化過(guò)程（1）動(dòng)態(tài)回復(fù) 動(dòng)態(tài)回復(fù)是在熱變形過(guò)程中發(fā)生的回復(fù)，金屬即使在遠(yuǎn)高于靜態(tài)再結(jié)晶溫度下塑性變形時(shí)一般也只發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)。（2）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是在熱變形過(guò)程中發(fā)生的再結(jié)晶，與靜態(tài)再結(jié)晶一樣，也是通過(guò)形核和生長(zhǎng)來(lái)完成的。它容易發(fā)生在層錯(cuò)能較低且有較大熱變形程度的金屬上。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形1.1.熱塑性變形時(shí)軟化過(guò)程熱塑性變形時(shí)軟化過(guò)程（3）靜態(tài)回復(fù) 在較低的溫度下、或在較早階段發(fā)生轉(zhuǎn)變的過(guò)程稱為靜態(tài)回復(fù)。它是變形后的金屬自發(fā)地向自由能降低的方向轉(zhuǎn)變的過(guò)程。（4）靜態(tài)再結(jié)晶 在再結(jié)晶溫度

23、以上，金屬原子有更大的活動(dòng)能力，會(huì)在原變形金屬中重新形成新的無(wú)畸變等軸晶，并最終取代冷變形組織，此過(guò)程稱為金屬的靜態(tài)再結(jié)晶。 圖4-9 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)組織和性能的變化如圖第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形1.1.熱塑性變形時(shí)軟化過(guò)程熱塑性變形時(shí)軟化過(guò)程 （5）亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 熱變形中已經(jīng)形成但未長(zhǎng)大的再結(jié)晶晶核以及長(zhǎng)大途中遺留下的再結(jié)晶晶粒，但變形停止后溫度足夠高時(shí)，會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大，此過(guò)程稱為亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。它不需形核，所以進(jìn)行得很快。 圖4-10 動(dòng)、靜回復(fù)和再結(jié)晶示意熱軋和熱擠時(shí)，動(dòng)、靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶的示意圖。4.2.2熱熱塑性變形機(jī)理塑性變形機(jī)

24、理第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形2.熱塑性變形的機(jī)理 變形機(jī)理主要有：晶內(nèi)滑移、晶內(nèi)孿生、晶界滑移和擴(kuò)散蠕變。 一般來(lái)說(shuō)，晶內(nèi)滑移是最主要和常見(jiàn)的；孿生多在高溫變形時(shí)發(fā)生，但對(duì)劉芳晶系金屬，這種機(jī)理起重要作用。晶界滑移和擴(kuò)散蠕變只在高溫變形時(shí)才發(fā)揮作用。 （1）晶內(nèi)滑移 熱變形的主要機(jī)理仍然是晶內(nèi)滑移。高溫時(shí)原子間距加大，熱振動(dòng)和擴(kuò)散速度增加，位錯(cuò)滑移、攀移、交滑移及節(jié)點(diǎn)脫錨比低溫容易；滑移系增多，滑移靈便性提高，各晶粒之間變形更加協(xié)調(diào)；晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙作用減弱。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形2.熱塑性變形的機(jī)理 （2）晶界滑移 熱塑性變形時(shí)，由于

25、晶界強(qiáng)度降低，使得晶界滑動(dòng)易于進(jìn)行；又由于擴(kuò)散作用的增強(qiáng)，即使消除了晶界滑動(dòng)引起的破壞。因此，與冷變形相比晶界滑動(dòng)的變形量要大的多。此外，降低應(yīng)變速率和減小晶粒尺寸，有利于增大晶界滑動(dòng)量。三向應(yīng)力的作用也利于“塑性焊合”，修復(fù)晶界滑動(dòng)引起的裂縫。在常規(guī)的熱塑性變形中，其占的比例很小。 擴(kuò)散蠕變示意a）空位和原子的移動(dòng)方向 b）晶內(nèi)擴(kuò)散 c）晶界擴(kuò)散2.熱塑性變形的機(jī)理 （3）擴(kuò)散性蠕變擴(kuò)散性蠕變是在應(yīng)力場(chǎng)作用下，由空位的定向移動(dòng)所引起的。受拉應(yīng)力的晶界(特別是與拉應(yīng)力相垂直的晶界)的空位濃度高于其他部位的晶界。由于各部位空位的化學(xué)勢(shì)能差，引起空位的定向移動(dòng)，即空位從垂直于拉應(yīng)力的晶界放出，而被

26、平行于拉應(yīng)力的晶界所吸收。 a圖中虛箭頭方向表示空位移動(dòng)的方向，實(shí)箭頭方向表示原子的移動(dòng)方向。空位移動(dòng)的實(shí)質(zhì)就是原子的定向轉(zhuǎn)移，從而發(fā)生了物質(zhì)的遷移，引起晶粒形狀的改變，產(chǎn)生了塑性變形。 按擴(kuò)散途徑的不同，可分為晶內(nèi)擴(kuò)散相晶界擴(kuò)散。晶內(nèi)擴(kuò)散引起晶粒在拉應(yīng)力方向上的伸長(zhǎng)變形(見(jiàn)圖b)，或在受壓方向上的縮短變形；而晶界擴(kuò)散引起晶粒的“轉(zhuǎn)動(dòng)”，如圖c所示。擴(kuò)散性蠕變既直接為塑性變形作貢獻(xiàn)，也對(duì)晶界滑移起調(diào)節(jié)作用。溫度越高，擴(kuò)散越強(qiáng)。晶粒越細(xì)，擴(kuò)散距離越短；應(yīng)變速率低，擴(kuò)散具有足夠的時(shí)間。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形熱塑性變形的主要機(jī)理仍然是晶內(nèi)滑移；由于晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散蠕變作用

27、的增加，再加之變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶。因此，熱態(tài)下金屬塑性變形能力比冷態(tài)下高，變形抗力較低。 第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形3.雙相合金熱塑性變形的特點(diǎn) 1)對(duì)于彌散型雙相合金，由于位錯(cuò)在第二相粒子附近塞積，使位錯(cuò)密度增加、分布不均，因而有利于再結(jié)晶形核。但如果彌散的第二相粒子直徑和間距都很小，則位錯(cuò)的分布會(huì)較為均勻，在熱變形過(guò)程中不易重新排列和形成大角度晶界，因而反而不利于再結(jié)晶形核。第二相粒子一般在熱塑性變形過(guò)程中會(huì)聚合和軟化，使第二相粒子的直徑和間距加大，因而有利于再結(jié)晶形核。彌散的第二相粒子對(duì)晶界具有釘扎作用，降低了晶界的可動(dòng)性，因而既限制了高溫過(guò)程的晶粒長(zhǎng)

28、大，也限制了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶以及聚合再結(jié)晶的晶粒長(zhǎng)大。 2)對(duì)于聚合型的雙相合金，由于各相的性能和體積百分?jǐn)?shù)的不同，同樣會(huì)對(duì)熱變形時(shí)的再結(jié)晶行為產(chǎn)生影響。對(duì)于變形小的那一相，再結(jié)晶的晶核只能在相界旁形成，而對(duì)于變形大的那一相，既可在相界旁也可在內(nèi)部生成。由于形核機(jī)率不同，再結(jié)晶的情況及晶粒大小必然不同，這就造成熱變形時(shí)的不均勻流動(dòng)和較大的內(nèi)應(yīng)力，降低了合金的塑性變形能力。兩相變形量的差異越大，這種后果就會(huì)越明顯。3)兩相合金熱變形時(shí)，在較大的變形程度條件下，可將粗大的第二相打碎、并改變其分布狀況，使第二相(包括夾雜物)呈帶狀、線狀或鏈狀分布。4)雙相合金熱變形時(shí)，由于具備有利的原子擴(kuò)散條

29、件，會(huì)使第二相的形態(tài)發(fā)生改變。特別是在較高的變形溫度和較低的應(yīng)變速率下，第二相粒子可能發(fā)生粗化。在亞共析鋼和共析鋼中，還可看到第二相的球化。 5)當(dāng)?shù)诙酁榈腿埸c(diǎn)純金屬相或低熔點(diǎn)共晶體分布于晶界時(shí)，則熱變形時(shí)會(huì)局部熔化，造成金屬的熱脆性，在熱鍛、熱軋時(shí)容易沿晶界開(kāi)裂。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形3.雙相合金熱塑性變形的特點(diǎn) 1 1）對(duì)組織的影響）對(duì)組織的影響（1 1）改善晶粒組織，細(xì)化晶粒）改善晶粒組織，細(xì)化晶粒 對(duì)于鑄態(tài)金屬，粗大的樹(shù)枝狀晶經(jīng)塑性變形及再結(jié)晶而變成等軸（細(xì)）晶粒組織；對(duì)于經(jīng)軋制、鍛造或擠壓的鋼坯或型材，在以后的熱加工中通過(guò)塑性變形與再結(jié)晶，其晶粒組織一

30、般也可得到改善。晶粒越細(xì)小均勻，金屬的強(qiáng)度和塑、韌性指標(biāo)均越高。盡管晶粒度還可以通過(guò)鍛后的熱處理來(lái)改善，但如果鍛件的晶粒過(guò)于粗大，則這種改善也不可能很徹底。至于那些無(wú)固態(tài)相變、不能通過(guò)熱處理來(lái)改善其晶粒度的金屬(如奧氏體不銹鋼、鐵索體不銹鋼和一些耐熱合金等)，控制其塑性變形再結(jié)晶晶粒度就更具有十分重要的意義。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形4.熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 1 1）對(duì)組織的影響）對(duì)組織的影響（2 2）鍛合內(nèi)部缺陷）鍛合內(nèi)部缺陷 鑄態(tài)金屬中疏松、空隙和微裂紋等缺陷被壓實(shí)，提高金屬致密度。鍛合經(jīng)歷兩個(gè)階段：缺陷區(qū)發(fā)生塑性變形，

31、使空隙兩壁閉合；在壓應(yīng)力作用下，加上高溫，使金屬焊合成一體。沒(méi)有足夠大的變形，不能實(shí)現(xiàn)空隙閉合，很難達(dá)到宏觀缺陷焊合。足夠大三向壓應(yīng)力，能實(shí)現(xiàn)微觀缺陷鍛合。 第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形4.熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 1 1）對(duì)組織的影響）對(duì)組織的影響（3 3）形成纖維組織）形成纖維組織 在熱變形過(guò)程中，隨變形程度增加，鋼錠內(nèi)粗大樹(shù)枝晶沿主在熱變形過(guò)程中，隨變形程度增加，鋼錠內(nèi)粗大樹(shù)枝晶沿主變形方向伸長(zhǎng)，與此同時(shí)，晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向變形方向伸長(zhǎng)，與此同時(shí)，晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向也逐漸與主變形方向一致，形成

32、流線。由于再結(jié)晶的結(jié)果，被拉長(zhǎng)也逐漸與主變形方向一致，形成流線。由于再結(jié)晶的結(jié)果，被拉長(zhǎng)的晶粒變成細(xì)小的等軸晶，而流線卻很穩(wěn)定地保留下來(lái)直至室溫。的晶粒變成細(xì)小的等軸晶，而流線卻很穩(wěn)定地保留下來(lái)直至室溫。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形4.熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響鋼錠鍛造過(guò)程中纖維組織形成的示意 1 1）對(duì)組織的影響）對(duì)組織的影響（4）破碎改善碳化物和非金屬夾雜在鋼中分布 高速鋼、高鉻鋼、高碳工具鋼等，其內(nèi)部含有大量的碳化物。通過(guò)鍛造或軋制，可使這些碳化物被打碎、并均勻分布，從而改善了它們對(duì)金屬基體的削弱作用。（5）在一定程度上改善鑄

33、造組織的偏析是由于熱變形破碎枝晶和加速擴(kuò)散所致。其小枝晶偏析(或顯微偏析)改善較大，區(qū)域性偏析改善不明顯。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形4.熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響2 2）對(duì)性能的影響）對(duì)性能的影響 細(xì)化晶粒、鍛合內(nèi)部缺陷、破碎并改善碳化物和非金細(xì)化晶粒、鍛合內(nèi)部缺陷、破碎并改善碳化物和非金屬夾雜在鋼中分布可提高材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。屬夾雜在鋼中分布可提高材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。 纖維組織形成，使金屬力學(xué)性能呈各向異性，沿流線纖維組織形成，使金屬力學(xué)性能呈各向異性，沿流線方向比垂直流線方向具有較高的力學(xué)性能，其中尤以塑

34、性、方向比垂直流線方向具有較高的力學(xué)性能，其中尤以塑性、韌性指標(biāo)最為顯著。韌性指標(biāo)最為顯著。 第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形4.熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形5.熱變形加工的優(yōu)缺點(diǎn)熱加工變形的優(yōu)點(diǎn)：1) 金屬熱變形時(shí)，變形抗力低，能耗少。高溫時(shí)原子運(yùn)動(dòng)及熱振動(dòng)增強(qiáng)，擴(kuò)散和溶解加速，臨界切應(yīng)力降低；滑移系統(tǒng)增多，變形更為協(xié)調(diào)；加工硬化因完全再結(jié)晶而被消除。2) 金屬熱變形時(shí)，塑性升高，產(chǎn)生斷裂的傾向減小。由于完全再結(jié)晶使加工硬化消除，在斷裂與愈合的過(guò)程中使愈合加速。3) 與冷加工相比較，熱

35、加工變形一般不易產(chǎn)生織構(gòu)。在高溫下發(fā)生滑移的系統(tǒng)較多，滑移面和滑移方向不斷發(fā)生變化。4) 在生產(chǎn)過(guò)程中，不需要像冷加工那樣的中間退火，從而可使生產(chǎn)工序簡(jiǎn)化，生產(chǎn)效率提高。5) 熱加工變形可引起組織性能的變化，以滿足對(duì)產(chǎn)品某些組織與性能的要求。熱加工變形的不足：1) 對(duì)薄或細(xì)的軋件，由于散熱較快，在生產(chǎn)中保持熱加工的溫度條件比較困難。因此，生產(chǎn)薄的或細(xì)的金屬材料一般仍采用冷加工方法。2) 熱加工后軋件的表面不如冷加工生產(chǎn)的尺寸精確和光潔。因?yàn)闊彳埣砻嫔裳趸ず屠鋮s時(shí)有收縮。3) 熱加工后產(chǎn)品的組織及性能不如冷加工時(shí)均勻。因?yàn)闊峒庸そY(jié)束時(shí)，各處的溫度難以均勻一致，溫度偏高處的晶粒尺寸要大一些。

36、4) 從提高材料的強(qiáng)度來(lái)看，熱加工不及冷加工，因?yàn)闊峒庸r(shí)由于溫度的作用使金屬軟化。5) 有些金屬不宜進(jìn)行熱加工。例如，在一般的鋼中含有較多的FeS，或在銅中含有鉍時(shí)，在熱加工中由于晶界上由這些雜質(zhì)所組成的低熔點(diǎn)共晶體發(fā)生熔化，使晶間的結(jié)合遭到破壞，而引起金屬斷裂。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形5.熱變形加工的優(yōu)缺點(diǎn)第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形6.熱變形溫度的確定根據(jù)合金相圖及塑性圖，可選擇熱變形溫度范圍：1) 溫度的上限，大致絕對(duì)熔化溫度()的0.95倍。這樣可保證不會(huì)熔化，也可避免產(chǎn)生過(guò)度氧化。若該合金中含有低熔點(diǎn)物質(zhì)，則應(yīng)比其熔點(diǎn)溫度稍低。2

37、) 溫度的下限，要求保證在變形的過(guò)程中再結(jié)晶能充分迅速地進(jìn)行，并且整個(gè)變形過(guò)程是在單相系統(tǒng)內(nèi)完成。若產(chǎn)生了相變，則因變形材料性能的不一致而顯著降低塑性。超塑性則相反。另外，再結(jié)晶開(kāi)始溫度與其所承受的變形程度有關(guān)。變形程度越大，開(kāi)始再結(jié)晶的溫度越低。一般取0.7左右，并應(yīng)比相變線稍高。 3) 根據(jù)相圖確定了變形溫度范圍后，尚需用抗力圖來(lái)校正，應(yīng)設(shè)法保證整個(gè)熱變形過(guò)程是在金屬變形抗力最小的區(qū)間內(nèi)完成。為了獲取晶粒較細(xì)小的產(chǎn)品，對(duì)于多道次變形的熱變形作業(yè)，在最后道次時(shí)，一般應(yīng)將變形溫度降低到可以及時(shí)充分進(jìn)行再結(jié)晶，完工后的冷卻又不致再發(fā)生晶粒長(zhǎng)大的溫度，即熱變形的完工溫度(或終了溫度)應(yīng)選取稍高于開(kāi)

38、始再結(jié)晶的溫度(約0.5以上)。同時(shí)，也應(yīng)采用較大的終了變形程度以求再結(jié)晶后晶粒的尺寸最小。第三節(jié) 影響金屬塑性的因素3.1 影響金屬塑性的內(nèi)部因素3.2 影響金屬塑性的外部因素3.3 提高金屬塑性的途徑化學(xué)成份化學(xué)成份 組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 變形速度變形速度 變形程度變形程度 應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài) 變形溫度變形溫度 接觸摩擦接觸摩擦1 1 化學(xué)成份對(duì)變形抗力的影響化學(xué)成份對(duì)變形抗力的影響化學(xué)成份對(duì)變形抗力的影響非常復(fù)雜。一般情況下，化學(xué)成份對(duì)變形抗力的影響非常復(fù)雜。一般情況下，對(duì)于各種純金屬，因原子間相互作用不同，變形抗對(duì)于各種純金屬，因原子間相互作用不同，變形抗力也不同。同一種金屬，純度愈高，變形

39、抗力愈小。力也不同。同一種金屬，純度愈高，變形抗力愈小。合金元素對(duì)變形抗力的影響，主要取決于合金元素合金元素對(duì)變形抗力的影響，主要取決于合金元素的原子與基體原子間相互作用特性、原子體積的大的原子與基體原子間相互作用特性、原子體積的大小以及合金原子在基體中的分布情況。合金元素引小以及合金原子在基體中的分布情況。合金元素引起基體點(diǎn)陣畸變程度愈大，變形抗力也越大。起基體點(diǎn)陣畸變程度愈大，變形抗力也越大。第三節(jié) 影響金屬塑性的因素3.1 影響金屬塑性的內(nèi)部因素圖圖(a)是形成無(wú)限固溶的二元合金之硬度隨成分而變化的圖示，它表明固溶體的硬度是形成無(wú)限固溶的二元合金之硬度隨成分而變化的圖示，它表明固溶體的硬

40、度比純金屬的高。變形抗力的最大值對(duì)應(yīng)于固溶體的最大飽和度，從而對(duì)應(yīng)于點(diǎn)陣的比純金屬的高。變形抗力的最大值對(duì)應(yīng)于固溶體的最大飽和度，從而對(duì)應(yīng)于點(diǎn)陣的最大畸變。最大畸變。圖圖(b)指出了形成共晶體二元合金的硬度隨成分變化的情況。共晶體混合物可由指出了形成共晶體二元合金的硬度隨成分變化的情況。共晶體混合物可由純金屬構(gòu)成，也可由其他化合物或固溶體構(gòu)成。純金屬構(gòu)成，也可由其他化合物或固溶體構(gòu)成。圖圖(c)是形成化合物的二元合金的硬度隨成分變化的圖示。是形成化合物的二元合金的硬度隨成分變化的圖示。碳碳在較低的溫度下隨著鋼中在較低的溫度下隨著鋼中含碳量的增加，鋼的塑性含碳量的增加，鋼的塑性變形抗力升高。溫度

41、升高變形抗力升高。溫度升高時(shí)其影響減弱。圖中示出，時(shí)其影響減弱。圖中示出，在不同變形溫度和變形速在不同變形溫度和變形速度條件下，壓下率為度條件下，壓下率為30時(shí)含碳量對(duì)變形抗力的時(shí)含碳量對(duì)變形抗力的影響。可見(jiàn)，低溫時(shí)的影影響。可見(jiàn)，低溫時(shí)的影響比高溫時(shí)大得多。響比高溫時(shí)大得多。熱加工中，碳雖能完全溶熱加工中，碳雖能完全溶解在解在A 中，但中，但C含量高，含量高，鋼的熔化溫度降低，鍛造鋼的熔化溫度降低，鍛造溫度范圍變窄，奧氏體晶溫度范圍變窄，奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向越大，再結(jié)晶粒長(zhǎng)大傾向越大，再結(jié)晶速度越慢，對(duì)熱加工不利。速度越慢，對(duì)熱加工不利。硅硅鋼中含硅對(duì)塑性變形抗力有明顯的影響。用硅使鋼合金化時(shí)

42、，可使鋼的變形抗力有較大的提高。例如含硅量為1.52.0的結(jié)構(gòu)鋼(55Si2、60Si2)在一般的熱加工條件下，其變形抗力比中碳鋼約高出2025。含硅量高達(dá)56以上時(shí)，熱加工較為困難。鉻鉻對(duì)含鉻量為0.71.0的鉻鋼來(lái)講，影響其變形抗力的不是鉻，而是鋼中的含碳量。這些鋼的變形抗力僅比其相應(yīng)含碳量的碳鋼高510。高碳鉻鋼GCr6GCrl5(含鉻量0.451.65)的變形抗力雖稍高于碳鋼，但影響變形抗力的主要因素也是碳。鎳鎳鎳在鋼中可使變形抗力稍有提高。但是，對(duì)25NiA，30NiA和13Ni2A等來(lái)講，其變形抗力與碳鋼相差不大。含鎳量較高的鋼(Ni25Ni28)，這種差別是很大的。在許多情況下，

43、在鋼中同時(shí)加入幾種合金元素，例如在鋼中加入鉻和鎳。這時(shí)，鋼中的碳、鉻和鎳對(duì)變形抗力都要產(chǎn)生影響。12CrNi3A鋼的變形抗力比45號(hào)碳鋼高出20。Cr18Ni9Ti鋼的變形抗力比碳鋼提高50。雜質(zhì)元素磷冷脆硫熱脆氮蘭脆氫氫脆、白點(diǎn)2 2 組織結(jié)構(gòu)對(duì)變形抗力的影響組織結(jié)構(gòu)對(duì)變形抗力的影響晶粒大小晶粒大小結(jié)構(gòu)變化結(jié)構(gòu)變化單相組織和多相組織單相組織和多相組織第三節(jié) 影響金屬塑性的因素3.1 影響金屬塑性的內(nèi)部因素晶粒大小晶粒大小金屬的變形抗力與其組織有密切關(guān)系，其中晶粒金屬的變形抗力與其組織有密切關(guān)系，其中晶粒大小是一個(gè)重要因素。大小是一個(gè)重要因素。試驗(yàn)結(jié)果表明，晶粒越細(xì)小變形抗力越大。試驗(yàn)結(jié)果表明

44、，晶粒越細(xì)小變形抗力越大。位錯(cuò)理論位錯(cuò)理論也有人認(rèn)為，當(dāng)晶粒變小時(shí)，晶粒的表面積相對(duì)也有人認(rèn)為，當(dāng)晶粒變小時(shí)，晶粒的表面積相對(duì)增大，從而使表面力（表面張力和周?chē)ЯＳ绊懺龃?，從而使表面力（表面張力和周?chē)ЯＳ绊懰a(chǎn)生的力所產(chǎn)生的力)增大，結(jié)果使變形抗力升高。增大，結(jié)果使變形抗力升高。在變形金屬中夾雜物的存在也會(huì)影響到變形抗力。在一般情況下，夾雜物會(huì)使物體的變形抗力升高。雜質(zhì)含量對(duì)變形抗力有影響，含量增大，抗力顯著增大。雜質(zhì)原子與基體組元組成固溶體時(shí)，會(huì)引起基體組元點(diǎn)陣畸變，從而提高變形抗力。雜質(zhì)元素在周期表中離基體愈遠(yuǎn)，則雜質(zhì)的硬化作用愈強(qiáng)烈，因而變形抗力提高愈顯著。若雜質(zhì)以單獨(dú)夾雜物的形式彌

45、散分布在晶粒內(nèi)或晶粒之間，則對(duì)變形抗力的影響較小。若雜質(zhì)元素形成脆性的網(wǎng)狀?yuàn)A雜物，則使變形抗力下降。結(jié)構(gòu)變化結(jié)構(gòu)變化金屬與合金的性質(zhì)取決于結(jié)構(gòu)，即取決于原子間金屬與合金的性質(zhì)取決于結(jié)構(gòu)，即取決于原子間的結(jié)合方式和原子在空間排布情況。當(dāng)原子的排的結(jié)合方式和原子在空間排布情況。當(dāng)原子的排列方式發(fā)生變化時(shí)，即發(fā)生了相變，則抗力也會(huì)列方式發(fā)生變化時(shí)，即發(fā)生了相變，則抗力也會(huì)發(fā)生一定的變化。發(fā)生一定的變化。組織狀態(tài)不同，抗力值也有差異，如退火態(tài)與加組織狀態(tài)不同，抗力值也有差異，如退火態(tài)與加工態(tài)，抗力明顯不同。工態(tài)，抗力明顯不同。單相組織與多相組織單相組織與多相組織當(dāng)合金是單相組織時(shí)，變形抗力的提高是晶格

46、畸變當(dāng)合金是單相組織時(shí)，變形抗力的提高是晶格畸變的結(jié)果。當(dāng)合金為多相組織時(shí)，第二相的性質(zhì)、大的結(jié)果。當(dāng)合金為多相組織時(shí)，第二相的性質(zhì)、大小、形狀、數(shù)量與分布狀況對(duì)變形抗力都有影響。小、形狀、數(shù)量與分布狀況對(duì)變形抗力都有影響。一般而言，硬而脆的第二相在基體相晶粒內(nèi)呈顆粒一般而言，硬而脆的第二相在基體相晶粒內(nèi)呈顆粒狀彌散分布，合金的抗力就高。第二相越細(xì)，分布狀彌散分布，合金的抗力就高。第二相越細(xì)，分布越均勻，數(shù)量越多，則變形抗力越高。越均勻，數(shù)量越多，則變形抗力越高。化學(xué)成份化學(xué)成份應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)接觸摩擦接觸摩擦變形溫度變形溫度變形速度變形速度變形程度變形程度第三節(jié) 影響金屬塑性

47、的因素3.2 影響金屬塑性的外部因素應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性的影響，從卡爾曼經(jīng)典的大理石和紅砂石試驗(yàn)可清楚看出。其用白色卡拉大理石和紅砂石作成圓柱形試樣，將其置于專用的儀器內(nèi)鐓粗，在儀器中可以產(chǎn)生軸向壓力和附加的側(cè)向壓力。當(dāng)只用一個(gè)軸向壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)，大理石與砂石表現(xiàn)為脆性。如果除軸向壓力外再附加上側(cè)向壓力，那么大理石和紅石可產(chǎn)生塑性變形，并且隨著側(cè)向壓力的增加，變形能力也加大?？柭脗?cè)面壓力使大理石得到89%的壓縮變形。其后，M. B. 拉斯切加耶夫也對(duì)大理石進(jìn)行了變形試驗(yàn)，在側(cè)壓力下拉伸時(shí)，得到25%的延伸率，在進(jìn)行鐓粗試驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)生78%的壓縮率時(shí)仍末破壞。從上述情況中可以看出，金屬

48、在塑性變形中所承受的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其塑性的發(fā)揮有顯著的影響，靜水壓力值越大，金屬的塑性發(fā)揮得越好。按應(yīng)力狀態(tài)圖的不同，可將其對(duì)金屬塑性的影響順序做這樣的排列：三向壓應(yīng)力狀態(tài)圖最好，兩向壓向拉次之，兩向拉向壓更次，三向拉應(yīng)力狀態(tài)圖為最差。在塑性加工的實(shí)際中，即使其應(yīng)力狀態(tài)圖相同，但對(duì)金屬塑性的發(fā)揮也可能不同。例如，金屬的擠壓，圓柱體在兩平板間壓縮和板材的軋制等，其基本的應(yīng)力狀態(tài)圖皆為三向壓應(yīng)力狀態(tài)圖，但對(duì)塑性的影響程度卻不完全一樣。這就要根據(jù)其靜水壓力的大小來(lái)判斷。靜水壓力越大，變形金屬所呈現(xiàn)的塑性越大。變形溫度變形溫度對(duì)大多數(shù)金屬隨著溫度升高，塑性增加，但并非簡(jiǎn)對(duì)大多數(shù)金屬隨著溫度升高，塑性增加，

49、但并非簡(jiǎn)單的線性上升。在加熱中往往由于相態(tài)或晶粒邊界單的線性上升。在加熱中往往由于相態(tài)或晶粒邊界狀態(tài)的變化而出現(xiàn)脆性區(qū)，使金屬塑性下降。狀態(tài)的變化而出現(xiàn)脆性區(qū)，使金屬塑性下降。區(qū)低溫脆性區(qū)藍(lán)脆區(qū)熱脆區(qū)高溫脆性區(qū)溫度升高塑性增加的原因：（1）發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶（2）原子動(dòng)能增加，位錯(cuò)活動(dòng)增加，滑移系增多，晶粒協(xié)調(diào)性增加。（3）金屬組織、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（4）擴(kuò)散蠕變機(jī)制起作用（5）晶間滑移作用增強(qiáng)變形速度變形速度（一）熱效應(yīng)與溫度效應(yīng)熱效應(yīng)：塑性變形時(shí)金屬所吸收的能量，絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能的現(xiàn)象。溫度效應(yīng)：塑性變形熱能，除一部分散失到周?chē)橘|(zhì)中，其余的使變形體溫度升高的現(xiàn)象。溫度效應(yīng)的影響因素：（1）變

50、形溫度 溫度越高，變形抗力越小，變形功也越小，其轉(zhuǎn)化為熱量也越小，其高溫下容易散失。故熱變形溫度效應(yīng)小，冷變形溫度效應(yīng)大。（2）變形速率 變形速率大，變形抗力所做的變形功也大，轉(zhuǎn)換為熱能的量也大，而且時(shí)間短，不容易散失。（3）變形程度 變形程度大，單位體積變形功也大，溫度效應(yīng)越明顯。此外，溫度效應(yīng)還與周?chē)橘|(zhì)的溫差及接觸表面的導(dǎo)熱情況有關(guān)。變形速度變形速度應(yīng)變速率對(duì)塑性的影響機(jī)理1）增加應(yīng)變速率會(huì)使金屬的真實(shí)應(yīng)力增加。所有的變形機(jī)理都是需要時(shí)間來(lái)完成的，時(shí)間不足，則相對(duì)于這些變形均不起作用。2）增加應(yīng)變速率，由于沒(méi)有足夠時(shí)間進(jìn)行回復(fù)再結(jié)晶，軟化過(guò)程不充分，金屬塑性降低。3）增加應(yīng)變速率，溫度效

51、應(yīng)明顯增加。但不能使金屬進(jìn)入脆性區(qū)。1）和2）的矛盾要結(jié)合起來(lái)分析，是兩方面綜合作用的結(jié)果。總的來(lái)說(shuō)，熱變形時(shí)應(yīng)變速率對(duì)金屬塑性的影響較冷變形大。另外還要考慮變形溫度的影響。變形速度變形速度應(yīng)變速率對(duì)金屬塑性影響的一些基本結(jié)論應(yīng)變速率對(duì)金屬塑性影響的一些基本結(jié)論1）2）對(duì)于具有脆性轉(zhuǎn)變的金屬，應(yīng)變速率增加，溫度效應(yīng)會(huì)使金屬進(jìn)入脆性區(qū)，塑性降低。反之，由脆性區(qū)進(jìn)入塑性區(qū)，塑性增加。3）從工藝角度出發(fā)，提高應(yīng)變速率有以下幾個(gè)有利作用：降低摩擦系數(shù)、降低成形時(shí)熱量損失、出現(xiàn)慣性流動(dòng)效應(yīng)、4）在非常高的應(yīng)變速率下，金屬的流變行為發(fā)生變化，如爆炸成形、電液成形、電磁成形等。變形程度變形程度變形程度對(duì)變形

52、抗力的影響，除其本身大小的影變形程度對(duì)變形抗力的影響，除其本身大小的影響外，還與變形物體的材質(zhì)，當(dāng)時(shí)的變形溫度條響外，還與變形物體的材質(zhì)，當(dāng)時(shí)的變形溫度條件和變形速度條件有關(guān)。件和變形速度條件有關(guān)。當(dāng)變形金屬處于完全硬化狀態(tài)時(shí)，隨著變形程當(dāng)變形金屬處于完全硬化狀態(tài)時(shí)，隨著變形程度的增加，變形抗力增大度的增加，變形抗力增大(曲線曲線1)。但在高溫。但在高溫條件下，對(duì)某些鐵素體類合金，因在變形過(guò)程條件下，對(duì)某些鐵素體類合金，因在變形過(guò)程中只產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，所以當(dāng)變形達(dá)到一定程度中只產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，所以當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，其應(yīng)力保持不變后，其應(yīng)力保持不變(曲線曲線2)，而對(duì)奧氏體類，而對(duì)奧氏體類合金，

53、當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，因有動(dòng)態(tài)再結(jié)合金，當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，因有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的出現(xiàn)，使應(yīng)力下降，直到達(dá)到平衡階段晶的出現(xiàn)，使應(yīng)力下降，直到達(dá)到平衡階段(曲曲線線3)。由此可見(jiàn)，變形程度對(duì)變形抗力的影響。由此可見(jiàn)，變形程度對(duì)變形抗力的影響應(yīng)隨變形物體的材質(zhì)和變形條件的不同而異。應(yīng)隨變形物體的材質(zhì)和變形條件的不同而異。接觸摩擦接觸摩擦塑性加工中摩擦的主要特點(diǎn)：塑性加工中摩擦的主要特點(diǎn)：在高壓下產(chǎn)生的摩擦。在高壓下產(chǎn)生的摩擦。 較高溫度下的摩擦。較高溫度下的摩擦。 不斷增加新的接觸表面，不斷增加新的接觸表面， 摩擦副（金屬與工具）的性質(zhì)相差大摩擦副（金屬與工具）的性質(zhì)相差大 接觸摩擦是金屬塑性加工時(shí)

54、的重要變形條件。接觸摩擦是金屬塑性加工時(shí)的重要變形條件。接觸摩擦不僅決定著金屬變形時(shí)應(yīng)力與變形的分接觸摩擦不僅決定著金屬變形時(shí)應(yīng)力與變形的分布，而且還影響著金屬的塑性、變形抗力以及金布，而且還影響著金屬的塑性、變形抗力以及金屬的內(nèi)部組織與性能。屬的內(nèi)部組織與性能。摩擦一般會(huì)改變變形過(guò)程的應(yīng)力狀態(tài)，因而對(duì)變摩擦一般會(huì)改變變形過(guò)程的應(yīng)力狀態(tài)，因而對(duì)變形抗力產(chǎn)生影響。形抗力產(chǎn)生影響。影響摩擦的主要因素影響摩擦的主要因素金屬的種類和化學(xué)成分金屬的種類和化學(xué)成分 工具材料及其表面狀態(tài)工具材料及其表面狀態(tài) 接觸面上的單位壓力接觸面上的單位壓力 變形溫度變形溫度 變形速度變形速度 潤(rùn)滑狀態(tài)潤(rùn)滑狀態(tài)提高材料成

55、分和組織均勻性合理選擇變形溫度和變形速率選擇三向壓縮性較強(qiáng)的變形方式減小變形的不均勻性第三節(jié) 影響金屬塑性的因素3.3 提高金屬塑性的基本途徑第四節(jié) 金屬的超塑性納米銅的室溫超塑性在不同溫度下在不同溫度下ZnAl22的拉伸變形的拉伸變形(250時(shí)延伸時(shí)延伸率率 )%1083Bi-44Sn擠壓材料在擠壓材料在慢速拉伸下出現(xiàn)異常慢速拉伸下出現(xiàn)異常大的延伸率大的延伸率（ ） %1950高溫合金高溫合金INCONEL718的超塑性成形航天器件的超塑性成形航天器件雙相不銹鋼超塑性成形的航天器件雙相不銹鋼超塑性成形的航天器件超塑成形的波形膨脹節(jié)用超塑成形的波形膨脹節(jié)用TC4鈦合金波紋管鈦合金波紋管超塑性的

56、概念超塑性的力學(xué)特征超塑性的組織特征超塑性的機(jī)理超塑性的應(yīng)用超塑性的概念超塑性是指材料在一定的內(nèi)部（化學(xué)成分、組織）超塑性是指材料在一定的內(nèi)部（化學(xué)成分、組織）條件（如晶粒形狀及尺寸、相變等）和外部（環(huán)條件（如晶粒形狀及尺寸、相變等）和外部（環(huán)境）條件下（如溫度、應(yīng)變速率等），呈現(xiàn)出異境）條件下（如溫度、應(yīng)變速率等），呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能（例如大的常低的流變抗力、異常高的流變性能（例如大的延伸率）的現(xiàn)象。延伸率）的現(xiàn)象。 一般說(shuō)來(lái)，如果材料的延伸率超過(guò)一般說(shuō)來(lái)，如果材料的延伸率超過(guò)100，就可，就可稱為超塑性。凡具有能超過(guò)稱為超塑性。凡具有能超過(guò)100延伸率的材料，延伸率的

57、材料，則稱之為超塑性材料?，F(xiàn)代已知的超塑性材料之則稱之為超塑性材料?，F(xiàn)代已知的超塑性材料之延伸率最大可超過(guò)延伸率最大可超過(guò)1000，有的甚至可達(dá)，有的甚至可達(dá)2000 超塑性的概念可以理解為金屬和合金具有超常的均勻變形的能力。但從物理本質(zhì)上確切的定義，至今沒(méi)有。故對(duì)超塑性的定義有很多種：（1）延伸率定義（2）應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m0.3（3）抵抗頸縮的能力。超塑性的特點(diǎn)超塑性的特點(diǎn)與一般情形相比，超塑性效應(yīng)有以下的特點(diǎn)：（1）大延伸率（2）無(wú)頸縮（3）低流動(dòng)應(yīng)力（4）易成形正是由于以上特點(diǎn)，且變形中無(wú)加工硬化現(xiàn)象，因此具有極好的流動(dòng)性和充填性，能加工出復(fù)雜精確的零件。超塑性的分類超塑性的分類組織

58、超塑性或恒溫超塑性。組織超塑性或恒溫超塑性。根據(jù)材料的組織形態(tài)特點(diǎn)也稱之為微細(xì)根據(jù)材料的組織形態(tài)特點(diǎn)也稱之為微細(xì)晶粒超塑性。晶粒超塑性。 特點(diǎn)是材料具有特點(diǎn)是材料具有微細(xì)微細(xì)的的等軸晶粒等軸晶粒組織。組織。溫度：溫度：Ts0.5Tm（Ts和和Tm分別為超塑變形和材料熔點(diǎn)溫度的絕對(duì)溫分別為超塑變形和材料熔點(diǎn)溫度的絕對(duì)溫度）度）變形速度：變形速度：10-510-1/s。微細(xì)晶粒尺寸其范圍在微細(xì)晶粒尺寸其范圍在0.55m之間。一般來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)越有利之間。一般來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)越有利于塑性的發(fā)展，但對(duì)有些材料來(lái)說(shuō)（例如于塑性的發(fā)展，但對(duì)有些材料來(lái)說(shuō)（例如Ti合金）晶粒尺寸達(dá)幾十合金）晶粒尺寸達(dá)幾十微米時(shí)

59、仍有很好的超塑性能。微米時(shí)仍有很好的超塑性能。由于超塑性變形是在一定的溫度區(qū)間進(jìn)行的，因此即使初始組織具由于超塑性變形是在一定的溫度區(qū)間進(jìn)行的，因此即使初始組織具有微細(xì)晶粒尺寸，如果熱穩(wěn)定性差，在變形過(guò)程中晶粒迅速長(zhǎng)大的有微細(xì)晶粒尺寸，如果熱穩(wěn)定性差，在變形過(guò)程中晶粒迅速長(zhǎng)大的話，仍不能獲得良好的超塑性。話，仍不能獲得良好的超塑性。 缺點(diǎn)：晶粒超細(xì)化、等軸化、穩(wěn)定化受到限制，不是所有合金都能達(dá)到要求。缺點(diǎn)：晶粒超細(xì)化、等軸化、穩(wěn)定化受到限制，不是所有合金都能達(dá)到要求。超塑性的分類超塑性的分類相變超塑性或動(dòng)態(tài)超塑性相變超塑性或動(dòng)態(tài)超塑性這類超塑性，并不要求材料有超細(xì)晶粒，而是在一定的溫度和負(fù)荷條

60、件下，這類超塑性，并不要求材料有超細(xì)晶粒，而是在一定的溫度和負(fù)荷條件下，經(jīng)過(guò)多次的循環(huán)相變或同素異形轉(zhuǎn)變獲得大延伸。經(jīng)過(guò)多次的循環(huán)相變或同素異形轉(zhuǎn)變獲得大延伸。主要控制因素：溫度幅度（主要控制因素：溫度幅度（t=tt=t上上-t-t下下）和溫度循環(huán)率。和溫度循環(huán)率。如碳素鋼和低合金鋼，加以一定的負(fù)荷，同時(shí)于如碳素鋼和低合金鋼，加以一定的負(fù)荷，同時(shí)于A1、3溫度上下施以反復(fù)的一溫度上下施以反復(fù)的一定范圍的加熱和冷卻，每一次循環(huán)發(fā)生（定范圍的加熱和冷卻，每一次循環(huán)發(fā)生（ag）的兩次轉(zhuǎn)變，可以得到兩次）的兩次轉(zhuǎn)變，可以得到兩次均勻延伸。均勻延伸。D.Oelschlgel等用等用AISI1018、10