第一章 金屬塑性成形的物理基礎(chǔ)

第十二章

金屬塑性成形的物理基礎(chǔ)第一節(jié)概述第二節(jié)金屬在冷態(tài)下的塑性變形第三節(jié)金屬的熱塑性變形第四節(jié)對(duì)塑性和變形抗力的影響第五節(jié)金屬的超塑性第一節(jié)緒論塑性：材料在外力的作用下產(chǎn)生一定的永久變形而不破壞其完整性的能力。塑性成形：材料成形的基本方法之一，它是利用材料的塑性，在外力作用下獲得所需尺寸和形狀的工件的一種加工方法，又稱為塑性加工。1、航空航天航空航天領(lǐng)域2、武器裝備武器裝備領(lǐng)域3、交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸領(lǐng)域4、建筑建筑領(lǐng)域5、家用電器家用電器領(lǐng)域主要內(nèi)容一、金屬塑性成形的特點(diǎn)二、塑性成形工藝的分類(lèi)三、塑性變形成形理論的發(fā)展概況四、本課程的任務(wù)本課程參考資料一、金屬塑性成形的特點(diǎn)1、生產(chǎn)效率高，適用于大批量生產(chǎn)

沖硅鋼片的高速?zèng)_床的速度可達(dá)2000次/min;

鍛造一根汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸只需要40s；

M12l螺栓的冷鍛210件/min。2、改善了金屬的組織和結(jié)構(gòu)和性能

鋼錠內(nèi)部的組織缺陷，如疏松、晶粒粗大，經(jīng)塑性變形后，組織變得致密，夾雜物被擊碎；與機(jī)械加工相比，金屬的纖維組織不會(huì)被切斷，因而結(jié)構(gòu)性能得到提高。機(jī)械加工塑性加工

3、材料利用率高

金屬塑性成形主要靠金屬的體積轉(zhuǎn)移來(lái)獲得一定的形狀和尺寸，無(wú)切削，只有少量的工藝廢料，因此材料利用率高，一般可達(dá)75%～85%，最高可達(dá)98%以上。

4、尺寸精度高

精密鍛造、精密擠壓、精密沖裁零件，可以達(dá)到不需機(jī)械加工就可以使用的程度。二、塑性成形工藝的分類(lèi)

體積成形（熱加工）

板料成形（冷加工）鍛造軋制自由鍛造拉拔擠壓

模鍛成形工序

分離工序

軋制擠壓

拉拔

自由鍛開(kāi)式模鍛沖裁拉深閉式模鍛(1)軋制：金屬通過(guò)旋轉(zhuǎn)的軋輥受到壓縮，橫斷面積減小，長(zhǎng)度增加的過(guò)程。(可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軋制)縱軋、橫軋、斜軋。舉例：汽車(chē)車(chē)身板、煙箔等；其它：多輥軋制(24輥)、孔型軋制等。(2)擠壓：金屬在擠壓筒中受推力作用從模孔中流出而制取各種斷面金屬材料的加工方法。舉例：管、棒、型；其它：異型截面。正擠反擠臥式擠壓機(jī)(4)鍛造：鍛錘錘擊工件產(chǎn)生壓縮變形

A.自由鍛：金屬在上下鐵錘及鐵砧間受到?jīng)_擊力或壓力而產(chǎn)生塑性變形的加工我國(guó)自行研制的萬(wàn)噸級(jí)水壓機(jī)

B.模鍛：金屬在具有一定形狀的鍛模膛內(nèi)受沖擊力或壓力而產(chǎn)生塑性變形的加工。舉例：飛機(jī)大梁，火箭捆挷環(huán)等萬(wàn)噸級(jí)水壓機(jī)模鍛的飛機(jī)大梁、火箭捆挷環(huán)(5)沖壓：金屬坯料在沖模之間受壓產(chǎn)生分離或變形的加工方法。三、塑性變形成形理論的發(fā)展概況塑性成形力學(xué)，是在塑性理論（或塑性力學(xué)）的發(fā)展和應(yīng)用中逐漸形成的：

1864年法國(guó)工程師H.Tresca屈雷斯加首次提出最大切應(yīng)力屈服準(zhǔn)則

1925年德國(guó)卡爾曼用初等應(yīng)力法建立了軋制時(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律；薩克斯和齊別爾提出了切塊法即主應(yīng)力法；再后來(lái)，滑移線法、上限法、有限元法等相繼得到發(fā)展。四、本課程的任務(wù)（一）增量理論：1、Levy-Mises（米塞斯）增量理論2、Prandtl-Reuss（羅伊斯）理論磨損全量理論：Hencky（亨基）全量理論

學(xué)習(xí)塑性力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握應(yīng)力應(yīng)變分析、塑性變形物性方程(本構(gòu))

等變形力學(xué)知識(shí)，為塑性加工過(guò)程中變形體的應(yīng)力、應(yīng)變分析及變形力與功的計(jì)算奠定力學(xué)基礎(chǔ)。本課程的任務(wù)（二）

學(xué)習(xí)金屬塑性變形的物理冶金知識(shí)，掌握塑性變形時(shí)金屬流動(dòng)和變形不均勻分布規(guī)律，分析影響金屬塑性流動(dòng)和變形不均勻的影響因素、金屬塑性變形的微觀機(jī)理和組織性能變化規(guī)律，為確定塑性加工的溫度、速度等條件，獲得最佳塑性狀態(tài)和制品組織性能奠定材料學(xué)基礎(chǔ)。本課程的任務(wù)（三）

學(xué)習(xí)塑性加工過(guò)程中摩擦與潤(rùn)滑的基本知識(shí)，掌握摩擦基本的特點(diǎn)與規(guī)律；摩擦對(duì)塑性加工過(guò)程的影響與作用；塑性加工工藝潤(rùn)滑的基本理論，為合理選擇潤(rùn)滑劑及潤(rùn)滑工藝奠定物理化學(xué)基礎(chǔ)。本課程參考資料1、俞漢清陳金德編金屬塑性成形原理機(jī)工社出版2、萬(wàn)勝狄主編金屬塑性成形原理機(jī)工社出版3、汪大年主編金屬塑性成形原理機(jī)工社出版第二節(jié)金屬在冷態(tài)下的塑性變形一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織二、金屬冷態(tài)下的塑性變形機(jī)理三、合金的塑性變形四、冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織

晶界：晶粒之間為晶界，晶界表現(xiàn)出許多與晶粒內(nèi)部不同的性質(zhì)；如：室溫時(shí)晶界的強(qiáng)度和硬度高于晶內(nèi)，高溫時(shí)則相反；晶界中原子的擴(kuò)散速度比晶內(nèi)原子快得多；晶界的熔點(diǎn)低于晶內(nèi)；晶界容易被腐蝕等。多晶體的塑性變形包括晶內(nèi)變形和晶界變形合金：由兩種或兩種以上的金屬構(gòu)成，按組織特征分為單相合金（以基體金屬為基的單相固溶體組織）和多相合金（除基體外，還有第二相）。多晶體：由許多大小、形狀和位向都不同的晶粒組成，晶粒之間存在晶界。變形的不均勻性和各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性是其變形的主要特點(diǎn)。

二、金屬冷態(tài)下的塑性變形機(jī)理

晶內(nèi)變形的主要方式為滑移和孿生，其中滑移是主要的（一）晶內(nèi)變形1．滑移動(dòng)畫(huà)演示滑移：在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分與另一部分沿一定的晶面（滑移面：原子密度最大或比較大的晶面）和晶向（滑移方向：原子密度最大的密排方向）產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。一個(gè)滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成滑移系?；频慕Y(jié)果使大量的原子逐步發(fā)生遷移，從而產(chǎn)生宏觀的塑性變形。晶內(nèi)滑移受到晶界的阻礙，還受到周?chē)y滑移晶粒的阻礙。而且，隨變形增加，還會(huì)發(fā)生多系滑移，滑移面還會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲等。圖12-3滑移方向與滑移面圖12-4滑移面上的切應(yīng)力分析其中：為橫截面上的拉應(yīng)力，稱為取向因子==45時(shí)，最大，切應(yīng)力最大，滑移系處于最佳取向。軟取向：=0.5或接近于0.5的取向硬取向：=0或接近于0的取向多晶體只有處于軟取向的滑移面最先滑移注：?jiǎn)尉w的臨界切應(yīng)力，不隨取向因子的變化而變化2．孿生動(dòng)畫(huà)演示孿生變形：在切應(yīng)力的作用下，晶體的變形部分與未變形部分形成以孿晶面為分界面成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系孿生變形所需的切應(yīng)力大于滑移變形時(shí)所需的切應(yīng)力。所以，滑移是優(yōu)先發(fā)生的變形方式。發(fā)生孿生變形的條件主要與晶體結(jié)構(gòu)、變形溫度和變形速度有關(guān)：密排立方和體心立方的金屬易發(fā)生孿生變形，一般在沖擊載荷和較低溫度下易發(fā)生孿生變形。如密排立方（鋅、鎂）——常溫、慢速拉伸體心立方（鐵）——室溫、沖擊載荷或低溫、不太大的變形速率面心立方（純銅）——特別低的溫度（-230℃）注：孿生變形引起的變形量是較小的，因此，晶體的塑性變形主要依靠滑移變形。（二）晶間變形晶間變形的方式包括晶粒間的相互滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。在外力的作用下，當(dāng)沿晶界處的切應(yīng)力足以克服晶粒相互滑動(dòng)的阻力時(shí)，晶粒間發(fā)生相互滑動(dòng)。多晶體變形的不均勻性使得在相鄰的晶粒間產(chǎn)生了力偶，造成晶粒間的相互轉(zhuǎn)動(dòng)。晶粒相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果可使已發(fā)生滑移的晶粒逐漸轉(zhuǎn)到位向不利的位置而停止滑移，而使另外一些晶粒轉(zhuǎn)至有利的位向而發(fā)生滑移。

多晶體的滑移

晶粒之間的相對(duì)滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)（三）晶界變形

低溫時(shí)，晶界處原子排列極不規(guī)則，并聚集著較多的雜質(zhì)原子，使滑移受到阻礙，變形阻力較大。其次，由一個(gè)晶粒到另一個(gè)晶粒的位向有突變，即晶界處晶粒的結(jié)構(gòu)是不連續(xù)的，因此，晶界處各晶粒相互制約晶界變形困難。

多晶體金屬的晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)的晶界面積越大，滑移在相近的晶粒間傳播所需要的能量越多，塑性變形抗力大，強(qiáng)度較高；而且單位體積內(nèi)位向有利的晶粒也越多，變形分布較均勻，塑性較好。因此，細(xì)晶金屬不容易產(chǎn)生裂紋，發(fā)生裂紋后也不容易擴(kuò)展，因此細(xì)晶金屬的韌性也較好。這就是可以通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)提高金屬材料綜合性能的原因。三、合金的塑性變形

合金具有純金屬不可比擬的力學(xué)性能和特殊的物理、化學(xué)性能。合金的相結(jié)構(gòu)有兩大類(lèi)：固溶體（如鋼中的鐵素體）化合物（鋼中的Fe3C）

常見(jiàn)的合金組織有兩大類(lèi)：?jiǎn)蜗喙倘荏w合金兩相或多相合金（一）單相固溶體合金的塑性變形

單相固溶體合金的塑性變形與多晶體純金屬相似，也是滑移和孿生，變形時(shí)同樣受到相鄰晶粒的影響。但溶質(zhì)原子溶入后，使其塑性變形抗力增大，合金強(qiáng)度、硬度提高而塑性、韌性下降，并有較大的加工硬化率。這種現(xiàn)象叫做固溶強(qiáng)化。（溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變?cè)龃罅宋诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使滑移難以進(jìn)行）是由溶質(zhì)原子阻礙金屬中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起的。（二）多相合金的塑性變形

多相合金（兩相合金）中的第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，起強(qiáng)化作用的主要是硬而脆的化合物。合金的塑性變形在很大程度上取決于第二相的數(shù)量、形狀、大小和分布的形態(tài)。但從變形的機(jī)理來(lái)說(shuō)，仍然是滑移和孿生第二相以連續(xù)網(wǎng)狀分布在基體晶粒的邊界上隨著第二相數(shù)量的增加，合金的強(qiáng)度和塑性皆下降。第二相以彌散質(zhì)點(diǎn)（顆粒）分布在基體晶粒內(nèi)部合金的強(qiáng)度顯著提高而對(duì)塑性和韌性的影響較小。彌散強(qiáng)化：第二相以細(xì)小質(zhì)點(diǎn)的形式存在而使合金顯著強(qiáng)化的現(xiàn)象稱彌散強(qiáng)化。一方面，相界（即晶界）面積顯著增多并使周?chē)Ц癜l(fā)生顯著畸變，從而使滑移阻力增加。另一方面，第二相質(zhì)點(diǎn)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。因此，粒子越細(xì)，彌散分布越好，強(qiáng)化的效果越好。

兩相合金的顯微組織四、冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響（一）對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響

晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶和孿生帶；晶粒的形狀發(fā)生變化：隨變形程度的增加，等軸晶沿變形方向逐步伸長(zhǎng)，當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒組織成纖維狀；晶粒的位向發(fā)生改變：晶粒在變形的同時(shí)，也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得各晶粒的取向逐漸趨于一致（擇優(yōu)取向），從而形成變形織構(gòu)。變形后變形前拉拔形成的絲結(jié)構(gòu)拉拔后軋制形成的板織構(gòu)軋制前軋制后拉拔前（二）對(duì)金屬性能的影響塑性變形改變了金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，因而改變了金屬的力學(xué)性能。隨著變形程度的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度增加，而塑性和韌性相應(yīng)下降。即產(chǎn)生了加工硬化加工硬化：在常溫狀態(tài)下，金屬的流動(dòng)應(yīng)力隨變形程度的增加而上升。為了使變形繼續(xù)下去，就需要增加變形外力或變形功。這種現(xiàn)象稱為加工硬化。這主要是由于塑性變形引起位錯(cuò)密度增大，導(dǎo)致位錯(cuò)之間交互作用增強(qiáng)，大量形成纏結(jié)、不動(dòng)位錯(cuò)等障礙，形成高密度的“位錯(cuò)林”，使其余位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，于是塑性變形抗力提高。加工硬化的兩面性：一方面，它能提高金屬的強(qiáng)度，可作為強(qiáng)化金屬的一種手段（形變強(qiáng)化）；還可以改善一些冷加工工藝性能，使塑性變形能夠較均勻地分布于整個(gè)工件；另一方面，它又增加了變形的困難，提高了變形抗力，甚至降低了金屬的塑性。注：加工硬化既是金屬塑性變形的特征，也是強(qiáng)化金屬的重要手段。第三節(jié)金屬的熱塑性變形熱塑性變形：

金屬在再結(jié)晶溫度以上的變形，稱為熱塑性變形。

熱塑性變形過(guò)程中，回復(fù)、再結(jié)晶和加工硬化同時(shí)發(fā)生，加工硬化不斷被回復(fù)和再結(jié)晶等軟化過(guò)程所抵消，金屬處于高塑性、低變形抗力的狀態(tài)。主要內(nèi)容一、熱塑性變形時(shí)金屬的軟化過(guò)程二、熱塑性變形機(jī)理三、雙相合金熱塑性變形的特點(diǎn)四、熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響一、熱塑性變形時(shí)金屬的軟化過(guò)程

熱塑性變形時(shí)金屬的軟化過(guò)程比較復(fù)雜，它與變形溫度、應(yīng)變速率、變形程度和金屬本身的性質(zhì)有關(guān)，主要有靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶、動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等。1、回復(fù)和再結(jié)晶

從熱力學(xué)角度來(lái)看，變形引起加工硬化，晶體缺陷增多，金屬畸變內(nèi)能增加，原子處于不穩(wěn)定的高自由能狀態(tài)，具有向低自由能狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。當(dāng)加熱升溫時(shí)，原子具有相當(dāng)?shù)臄U(kuò)散能力，變形后的金屬自發(fā)地向低自由能狀態(tài)轉(zhuǎn)變。這一轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為回復(fù)和再結(jié)晶，這一過(guò)程伴隨有晶粒長(zhǎng)大?；貜?fù)往往是在較低的溫度下或較早的階段發(fā)生的過(guò)程，再結(jié)晶則是在較高的溫度下或較晚的階段發(fā)生的轉(zhuǎn)變。1．靜態(tài)回復(fù)

在回復(fù)階段，金屬的強(qiáng)度、硬度有所下降，塑性、韌性有所提高；但顯微組織沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，因?yàn)樵诨貜?fù)溫度范圍內(nèi)，原子只在晶內(nèi)作短程擴(kuò)散，使點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，改變了數(shù)量和狀態(tài)的分布。低溫回復(fù)（0.1～0.3）Tm時(shí)，回復(fù)的主要機(jī)理是點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)和互相結(jié)合，使點(diǎn)缺陷的濃度下降。中溫回復(fù)（0.3～0.5）Tm時(shí)，位錯(cuò)團(tuán)內(nèi)部位錯(cuò)重新組合和調(diào)整、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和異號(hào)位錯(cuò)互毀，導(dǎo)致位錯(cuò)團(tuán)厚度變薄，位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)清晰，晶界位錯(cuò)密度下降，亞晶緩慢長(zhǎng)大。高溫回復(fù)發(fā)生時(shí)（T>0.5Tm），發(fā)生位錯(cuò)攀移，亞晶合并和多邊形化現(xiàn)象。２．靜態(tài)再結(jié)晶

冷變形金屬加熱到一定溫度后，會(huì)發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，用新的無(wú)畸變的等軸晶，取代金屬的冷變形組織。與回復(fù)不同，再結(jié)晶使金屬的顯微組織徹底改變或改組，使其在性能上也發(fā)生很大變化，如強(qiáng)度、硬度顯著降低，塑性大大提高，加工硬化和內(nèi)應(yīng)力完全消除，物理性能得到恢復(fù)等。但是，再結(jié)晶并不是一個(gè)簡(jiǎn)單地使金屬的組織恢復(fù)到變形前的狀態(tài)的過(guò)程，可以通過(guò)控制變形和再結(jié)晶條件，調(diào)整再結(jié)晶晶粒的大小和再結(jié)晶的體積數(shù)，用這種方式和手段來(lái)改善和控制金屬組織和性能。圖12-16回復(fù)和再結(jié)晶對(duì)金屬組織和性能的變化回復(fù)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大發(fā)生溫度較低溫度較高溫度更高溫度轉(zhuǎn)變機(jī)制原子活動(dòng)能量小，空位移動(dòng)使晶格扭曲恢復(fù)。位錯(cuò)短程移動(dòng)，適當(dāng)集中形成規(guī)則排列原子擴(kuò)散能力大，新晶粒在嚴(yán)重畸變組織中形核和生長(zhǎng)，直至畸變晶粒完全消失，但無(wú)晶格類(lèi)型轉(zhuǎn)變新生晶粒中大晶粒吞并小晶粒，晶界位移組織變化金相顯微鏡下觀察組織無(wú)變化。宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力有較大下降形成新的等軸晶粒，有時(shí)還產(chǎn)生再結(jié)晶織構(gòu)，位錯(cuò)密度大大下降晶粒明顯長(zhǎng)大性能變化強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有上升，電阻率明顯下降強(qiáng)度、硬度明顯下降，加工硬化基本消除。塑性上升使性能惡化，塑性明顯下降應(yīng)用說(shuō)明去應(yīng)力退火工藝，一般只有回復(fù)轉(zhuǎn)變?cè)俳Y(jié)晶退火可消除加工硬化效果，消除組織各向異性應(yīng)在工藝處理過(guò)程中防止產(chǎn)生３．動(dòng)態(tài)回復(fù)

動(dòng)態(tài)回復(fù)發(fā)生在熱塑性變形過(guò)程中，它對(duì)軟化金屬起著重要的作用。動(dòng)態(tài)回復(fù)主要是通過(guò)位錯(cuò)的攀移、交滑移來(lái)實(shí)現(xiàn)的。層錯(cuò)能高，變形位錯(cuò)的交滑移和攀移比較容易進(jìn)行，位錯(cuò)容易在滑移面間轉(zhuǎn)移，使異號(hào)位錯(cuò)互相抵消，其結(jié)果是位錯(cuò)密度下降，畸變能降低，達(dá)不到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的能量水平。所以動(dòng)態(tài)回復(fù)是層錯(cuò)能高的金屬熱變形過(guò)程中唯一的軟化機(jī)制。４．動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

在熱塑性變形過(guò)程中發(fā)生的，層錯(cuò)能低的金屬在變形量很大時(shí)才可能發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。因?yàn)閷渝e(cuò)能低時(shí)，不易進(jìn)行位錯(cuò)的交滑移和攀移。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶需要一定的驅(qū)動(dòng)力，只有畸變能差積累到一定水平時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶才能啟動(dòng)，否則只能發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)。只有當(dāng)變形程度遠(yuǎn)高于靜態(tài)再結(jié)晶所需的臨界變形程度時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶才會(huì)發(fā)生。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的能力除與金屬的層錯(cuò)能高低有關(guān)外，還與晶界遷移的難易程度有關(guān)。金屬越純，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的能力越強(qiáng)。溶質(zhì)原子固溶于金屬基體，彌散的第二相粒子，都會(huì)嚴(yán)重阻礙晶界的遷移，減緩或遏止動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒度大小與變形程度、應(yīng)變速率和變形溫度有關(guān)，一般是降低變形溫度、提高應(yīng)變速率和變形程度，會(huì)使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的晶粒變細(xì)，而細(xì)小的晶粒組織具有更高的變形抗力。

因此，可以通過(guò)控制變形溫度、速率和變形程度來(lái)調(diào)節(jié)晶粒組織的粗細(xì)和它的力學(xué)機(jī)械性能。在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的過(guò)程中，由變形引起的硬化過(guò)程和由再結(jié)晶引起的軟化過(guò)程相互平衡時(shí)，真實(shí)應(yīng)力趨于穩(wěn)定。二、熱塑性變形機(jī)理金屬熱塑性變形機(jī)理主要有以下幾種：晶內(nèi)滑移，晶內(nèi)孿生，晶界滑移，擴(kuò)散蠕變。其中，晶內(nèi)滑移是最主要的行為方式；孿生多發(fā)生在高溫高速變形；晶界滑移和擴(kuò)散蠕變只發(fā)生在高溫變形的時(shí)。1.晶內(nèi)滑移

高溫時(shí)原子間距加大，原子的熱振動(dòng)和擴(kuò)散速度加快，位錯(cuò)的活動(dòng)變得活躍起來(lái)，滑移、攀移、交滑移和位錯(cuò)結(jié)點(diǎn)脫錨比低溫時(shí)容易；滑移系增多，改善了各晶粒之間的變形協(xié)調(diào)性；同時(shí)在熱變形狀態(tài)下，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用相對(duì)減弱，位錯(cuò)有可能進(jìn)入晶界。2.晶界滑移

熱塑性變形時(shí)，晶界強(qiáng)度較低，使得晶界滑動(dòng)變得容易進(jìn)行。與冷變形相比，晶界滑動(dòng)的變形量要大得多。此外，改變變形條件，如降低應(yīng)變速率和減小晶粒尺寸，都有利于增大晶界滑動(dòng)量。三向壓應(yīng)力狀態(tài)有利于修復(fù)高溫晶界滑動(dòng)所產(chǎn)生的裂縫，擴(kuò)大晶界變形。但是，在常規(guī)條件下，晶界滑動(dòng)相對(duì)于晶內(nèi)滑移變形量還是比較小的。3.擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變是在應(yīng)力場(chǎng)作用下，由空位的定向移動(dòng)引起的。

在一定溫度下，晶體中總存在一定數(shù)量的空位。顯然，空位旁邊的原子容易跳入空位，相應(yīng)地在原子占據(jù)的結(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)新的空位，相當(dāng)于空位朝原子遷移的相反方向遷移。在應(yīng)力場(chǎng)作用下，受拉應(yīng)力的晶界的空位濃度高于其它部位的晶界，由于各部位空位的化學(xué)勢(shì)能差，而引起空位的定向轉(zhuǎn)移，即空位從垂直于拉應(yīng)力的晶界析出，而被平行于拉應(yīng)力的晶界所吸收。三、雙相合金熱塑性變形的特點(diǎn)1、彌散型雙相合金

第二相粒子對(duì)基體相變形和再結(jié)晶行為產(chǎn)生影響，從而對(duì)熱塑性變形產(chǎn)生影響。一方面，位錯(cuò)在第二相附近產(chǎn)生塞積，密度加大，分布不均，有利于再結(jié)晶形核。但如果另一方面，當(dāng)彌散狀的第二相粒子直徑和間距較小，位錯(cuò)的分布較為均勻，在熱變形中不易重新排列和形成大角度晶界，因而不利于再結(jié)晶形核。彌散的第二相粒子對(duì)晶界還具有釘扎作用，降低了晶界的可動(dòng)性，限制了高溫狀態(tài)下晶粒的長(zhǎng)大，限制了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶和聚合再結(jié)晶的晶粒長(zhǎng)大。碳鋼中含有的第二相粒子如MnS、Al2O3、TiN、W、V、Zr等，都具有這種機(jī)械阻礙作用。２．聚合型雙相合金熱變形的再結(jié)晶行為與各相的性能和體積百分比有關(guān)。再結(jié)晶形核地點(diǎn)發(fā)生在位錯(cuò)數(shù)量多且分布密集的區(qū)域。變形小的相，再結(jié)晶的晶核只能在相界旁形成；變形大的那一相，既可以在相界旁形成，也可以在相內(nèi)完成。由此造成的后果是熱變形時(shí)，金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)不均勻，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，也降低了合金的塑性變形能力。第二相粒子，在較高的變形溫度和較低的應(yīng)變速率下，發(fā)生粗化。在亞共析鋼和共析鋼中還能發(fā)生第二相球化。在較大的變形條件下，還可將第二相打碎，改變其分布，使第二相呈帶狀、線狀或鏈狀。例如，低碳鋼在兩相區(qū)熱鍛時(shí)，會(huì)形成鐵素體帶狀組織。當(dāng)?shù)诙酁榈腿埸c(diǎn)純金屬相或共晶體分布于晶界時(shí)，第二相會(huì)發(fā)生局部熔化，形成熱脆現(xiàn)象，在熱鍛、熱軋時(shí)沿晶界開(kāi)裂，產(chǎn)生缺陷。四、熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響1、改善晶粒組織經(jīng)熱塑性變形可獲得均勻細(xì)小的再結(jié)晶組織，從而獲得較好的綜合機(jī)械性能。2、鍛合內(nèi)部缺陷鑄態(tài)金屬中的缺陷如疏松、空隙和微裂紋等，經(jīng)過(guò)鍛造后被壓實(shí)，致密度得到提高。鋼錠鍛造過(guò)程中纖維組織形成示意圖3、形成纖維狀組織4、改善碳化物和夾雜物分布可以使碳化物和夾雜物被擊碎，并均勻分布在基體中，削弱了對(duì)基體的破壞作用。

5、改善偏析在熱塑性變形中，通過(guò)枝晶破碎和擴(kuò)散，可使鑄態(tài)金屬的偏析略有改善，鑄件的力學(xué)性能得到提高。第四節(jié)影響塑性和變形抗力的因素一、塑性、塑性指標(biāo)和塑性圖二、影響塑性的因素三、影響變形抗力的因素一、塑性、塑性指標(biāo)和塑性圖塑性：金屬在外力作用下發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力。1、塑性反映了材料產(chǎn)生塑性變形的能力；2、塑性不是固定不變的，同一種材料，在不同的變形條件下，會(huì)表現(xiàn)出不同的塑性。3、影響金屬塑性的因素主要有兩方面：

1）內(nèi)因：金屬本身的晶格類(lèi)型、化學(xué)成分和金相組織等；

2）外因：變形時(shí)外部條件，如變形溫度和受力狀況等。塑性指標(biāo)：為衡量金屬塑性的高低而確定的數(shù)量上的指標(biāo)，一般以金屬材料開(kāi)始發(fā)生破壞時(shí)的塑性變形量來(lái)表示。常用的塑性指標(biāo)：

1、拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率δ(％)

2、斷面收縮率Ψ（％）為試樣的原始標(biāo)準(zhǔn)間距和試樣斷裂后標(biāo)距間長(zhǎng)度；為試樣的原始橫截面積和試樣斷裂處的最小橫截面積。用斷面收縮率作為塑性指標(biāo)更合理塑性指標(biāo)還可以用鐓粗實(shí)驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)測(cè)定。鐓粗試驗(yàn)（試樣的高度為直徑的1.5倍）中，以出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)的變形程度為塑性指標(biāo)：注：只有相同的指標(biāo)才能相互比較試樣原始高度和表面出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)的高度

鐓粗試驗(yàn)原始樣出現(xiàn)裂紋后的試樣塑性圖：

在不同的變形速度下，以不同溫度下的各種塑性指標(biāo)（、、、、ak等）為縱坐標(biāo)、以溫度為橫坐標(biāo)繪制成的函數(shù)曲線。碳鋼塑性圖二、影響塑性的因素

內(nèi)部因素：化學(xué)成分組織結(jié)構(gòu)外部因素：變形溫度應(yīng)變速度應(yīng)力狀態(tài)（一）化學(xué)成分和合金成分對(duì)金屬塑性的影響金屬的塑性隨其純度的提高而增加，如純鋁99.96％伸長(zhǎng)率為45％，98％伸長(zhǎng)率為30％產(chǎn)生脆化現(xiàn)象，使冷熱變形都非常困難。如碳鋼中：

P——冷脆

S——熱脆

N——時(shí)效脆性

H——?dú)浯郟易溶于鐵素體S化物分布于晶界N溶入a鐵過(guò)飽和隨后析出雜質(zhì)的存在狀態(tài)、分布情況和形狀不同，對(duì)塑性的影響也不同；如：Pb、S、Sn等不溶于金屬—————降低金屬塑性溶于金屬—————塑性變化不大單質(zhì)或化合物晶界處雜質(zhì)元素之間相互作用對(duì)金屬的塑性產(chǎn)生影響；硫+Fe——FeS（熔點(diǎn)1190℃），熱脆

+Mn——MnS

（熔點(diǎn)1600℃），塑性提高。合金元素特性、數(shù)量、元素之間的相互作用及分布等對(duì)金屬的塑性產(chǎn)生影響。

碳：形成單相固溶體（fcc）——鐵素體和奧氏體——有較好的塑性；形成脆性過(guò)剩相——滲碳體——塑性降低。鉻、鎢、鉬、鈦、釩：形成硬而脆的碳化物——塑性下降。鈦、釩：形成高度彌散的碳化物細(xì)小顆?！獙?duì)塑性影響不大。注：對(duì)冷加工用鋼而言，含碳量應(yīng)盡量低。下面以碳鋼為例，分析碳及雜質(zhì)元素（P、S、N、H、o）對(duì)塑性的影響1、碳碳對(duì)碳鋼性能的影響最大

1）碳能固溶于鐵，形成鐵素體和奧氏體，它們具有良好的塑性。

2）當(dāng)鐵中的碳含量超過(guò)其溶碳能力時(shí)，多余的碳便以滲碳體Fe3C形式出現(xiàn)，它具有很高的硬度，而塑性幾乎為零。含碳量越高，滲碳體的數(shù)量越多，金屬的塑性也越差。見(jiàn)下圖碳含量對(duì)碳鋼力學(xué)性能的影響2、磷鋼中有害雜質(zhì)，在鋼中有很大的溶解度，易溶于鐵素體，使鋼的塑性降低，在低溫時(shí)更為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象稱為冷脆性。此外，磷具有極大的偏析傾向，能促使奧氏體晶粒長(zhǎng)大。3、硫鋼中有害物質(zhì)，主要與鐵形成FeS，與其它元素形成硫化物。硫化物及其共晶體（Fe-FeS

），通常分布于晶界上，在鋼的鍛造溫度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生變形開(kāi)裂，即“熱脆”現(xiàn)象。在鋼中加入適量錳，生成MnS，硫化錳及其共晶體的熔點(diǎn)高于鋼的鍛、軋溫度，不會(huì)產(chǎn)生熱脆性，從而消除硫的危害。

4、氮在鋼中主要以氮化物Fe4N形式存在。當(dāng)含量較小時(shí)，對(duì)鋼的塑性影響較小；當(dāng)含量增加時(shí)，鋼的塑性下降。當(dāng)含氮量較高的鋼從高溫快冷至低溫時(shí)，α鐵被過(guò)飽和，隨后以Fe4N形式析出，使鋼的塑性、韌性大大下降，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效脆性。5、氫鋼中溶氫，會(huì)使鋼的塑性、韌性下降，造成所謂“氫脆”（白點(diǎn)）。6、氧在鋼中溶解度很小，主要以氧化物的形式出現(xiàn)，降低鋼的塑性。與其它夾雜物形成共晶體，分布于晶界處，造成鋼的熱脆性。7、其它元素：主要是降低鋼的塑性，提高變形抗力合金元素對(duì)鐵素體伸長(zhǎng)率和韌性的影響（二）組織狀態(tài)對(duì)金屬塑性的影響晶格類(lèi)型的影響面心立方——12個(gè)滑移系，同一滑移面上3個(gè)滑移方向，塑性最好，如鋁、銅和鎳等。體心立方——12個(gè)滑移系，同一滑移面上2個(gè)滑移方向，塑性較好，如釩、鎢、鉬等。密排六方——3個(gè)滑移系，塑性最差，如鎂、鋅、鈣等。晶粒度的影響晶粒度越小，越均勻，塑性越高。相組成的影響單相組織塑性好；多相組織塑性差。（晶界、晶內(nèi)；硬相、軟相）鑄造組織的影響鑄造組織具有粗大的柱狀晶粒，具有偏析、夾雜、氣泡、疏松等缺陷，因而塑性較差。（三）變形溫度對(duì)金屬塑性的影響對(duì)大多數(shù)金屬而言，總的趨勢(shì)是隨著溫度升高，塑性增加。

1）發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，消除了加工硬化。

2）原子動(dòng)能增加，位錯(cuò)活動(dòng)加劇，出現(xiàn)新的滑移系，改善晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性。

3）晶間滑移作用增強(qiáng)：晶界切變抗力降低；晶界間滑移易于進(jìn)行。

4）金屬的組織、結(jié)構(gòu)的變化：多相——單相；晶格的結(jié)構(gòu)改變，如鈦：室溫hcp——bcc。在加熱的某些溫度區(qū)間，由于相態(tài)或晶界狀態(tài)的變化而出現(xiàn)脆性區(qū)，使金屬的塑性降低。藍(lán)脆區(qū)：中溫（200-400℃）區(qū)，由于氧化物、氮化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出；熱脆區(qū)：高溫（800-950℃）區(qū)，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，使得鐵素體和奧氏體共存，另外，晶界處可能析出FeS-FeO低熔點(diǎn)的共晶體；高溫脆區(qū)：加熱溫度超過(guò)1250℃后，由于過(guò)熱、過(guò)燒，晶粒粗大，晶界出現(xiàn)氧化物和低熔物質(zhì)的局部熔化。碳鋼的塑性隨溫度的變化曲線（四）應(yīng)變速率對(duì)塑性的影響一方面，隨變形速率的增大，金屬的塑性降低：沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行回復(fù)或再結(jié)晶，軟化過(guò)程進(jìn)行得不充分。另一方面，隨著變形速率的增加，在一定程度上使金屬的溫度升高，溫度效應(yīng)顯著，從而提高金屬的塑性。但對(duì)于有脆性轉(zhuǎn)變的金屬，則應(yīng)變速率的增加可能引起塑性的下降。提高應(yīng)變速率可以降低摩擦系數(shù)，從而降低金屬的流動(dòng)阻力、改善金屬的充填性。提高應(yīng)變速率可以減少熱成形時(shí)的熱量損失，減少毛坯溫度下降和溫度分布的不均勻性，這對(duì)于具有薄壁、高筋等形狀復(fù)雜的工件成形是有利的。（五）應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性的影響

主應(yīng)力圖：自變形體中某點(diǎn)取一立方微單元體，用箭頭表示作用在該單元體主應(yīng)力，稱為主應(yīng)力圖，主應(yīng)力圖只表示出應(yīng)力的個(gè)數(shù)和方向，并不表示應(yīng)力的大小。主應(yīng)力圖有九種：?jiǎn)蜗蛑鲬?yīng)力圖：二向主應(yīng)力圖：

三向主應(yīng)力圖：應(yīng)力狀態(tài)不同對(duì)塑性的影響也不同：主應(yīng)力圖中壓應(yīng)力個(gè)數(shù)越多，數(shù)值越大，則金屬的塑性越高；拉應(yīng)力個(gè)數(shù)越多，數(shù)值越大，則金屬的塑性就越低。這是由于拉應(yīng)力促進(jìn)晶間變形，加速晶界破壞，而壓應(yīng)力阻止或減小晶間變形；另外，三向壓應(yīng)力有利于抑制或消除晶體中由于塑性變形而引起的各種微觀破壞，而拉應(yīng)力則相反，它使各種破壞發(fā)展，擴(kuò)大。變形抗力：金屬在發(fā)生塑性變形時(shí)，產(chǎn)生抵抗變形的能力，稱為變形抗力，一般用接觸面上平均單位面積變形力表示。變形抗力大小取決于材料在一定變形條件下的真實(shí)應(yīng)力，還取決于塑性加工時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)、接觸摩擦狀態(tài)和變形體的尺寸因素等。注：只有在單向應(yīng)力狀態(tài)下，材料的變形抗力才等于材料在該變形條件下的真實(shí)應(yīng)力。注：塑性和變形抗力是兩個(gè)不同的概念

塑性——反映材料塑性變形的能力變形抗力——反映塑性變形的難易程度

塑性好不一定變形抗力低，反之亦然。三、對(duì)變形抗力的影響因素（一）化學(xué)成分的影響金屬純度越高，變形抗力越小。合金元素的原子與基體原子間相互作用的特性、原子體積的大小以及合金原子在基體中的分布等。（基體點(diǎn)陣畸變）雜質(zhì)的含量、雜質(zhì)的性質(zhì)及其在基體中的分布特性。（二）組織結(jié)構(gòu)的影響結(jié)構(gòu)變化：組織狀態(tài)不同，變形抗力不同。組織結(jié)構(gòu)的變化（相變），變形抗力也發(fā)生變化。晶粒大小：晶粒越細(xì)，同一體積內(nèi)的晶界越多，變形抗力就高（室溫晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)）。單相組織和多相組織：?jiǎn)蜗嘟M織合金元素含量越高，晶格畸變?cè)絿?yán)重，變形抗力越大。單相組織比多相組織的變形抗力小。多相組織中第二相的性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量和分布狀況對(duì)變形抗力都有影響。硬而脆的第二相在基體相晶粒內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時(shí)，合金的變形抗力就高。第二相越細(xì)，分布越均勻，數(shù)量越多，變形抗力就越大。（三）變形溫度的影響幾乎所有的金屬和合金，變形抗力都隨溫度的升高而降低。但是當(dāng)金屬和合金隨著溫度的變化而發(fā)生物理-化學(xué)變化和相變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相反的情況，如鋼在加熱過(guò)程中發(fā)生的藍(lán)脆和熱脆現(xiàn)象。（四）變形程度的影響隨變形程度的增加，會(huì)產(chǎn)生加工硬化，使繼續(xù)變形發(fā)生困難，因而變形抗力增加。當(dāng)變形程度較高時(shí)，促進(jìn)了回復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程的發(fā)生與發(fā)展，變形抗力的增加變得比較緩慢。（五）變形速度的影響一般情況下，隨著變形速度的增加，變形抗力提高（特別熱變形）。一方面，變形速度提高，單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱率增加，使變形抗力降低。另一方面，變形速度提高也縮短了變形時(shí)間，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展時(shí)間不足（滑移來(lái)不及進(jìn)行），促使變形抗力增加。（六）應(yīng)力狀態(tài)的影響

應(yīng)力狀態(tài)不同，變形抗力不同。如擠壓時(shí)金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，拉拔時(shí)金屬處于一向受拉二向受壓的應(yīng)力狀態(tài)。擠壓時(shí)的變形抗力遠(yuǎn)比拉拔時(shí)變形抗力大。

拉拔和擠壓時(shí)不同的應(yīng)力狀態(tài)和變形抗力第五節(jié)金屬的超塑性金屬超塑性：是指在一些特定條件下，如一定的化學(xué)成分、特定的顯微組織、特定的變形溫度和應(yīng)變速率等，金屬會(huì)表現(xiàn)出異乎尋常的高塑性狀態(tài)，即所謂超常的塑性變形行為，具有均勻變形能力，其伸長(zhǎng)率可以達(dá)到百分之幾百、甚至幾千，這就是金屬的超塑性。主要內(nèi)容一、超塑性變形的特點(diǎn)二、超塑性變形的類(lèi)型三、超塑性變形對(duì)組織的變化和對(duì)力學(xué)性能的影響一、超塑性變形的特點(diǎn)1、大伸長(zhǎng)率

超塑性材料在單向拉伸時(shí)δ值非常高，在變形穩(wěn)定性方面要比普通材料好得多，材料成形性能得到大大改善，使形狀復(fù)雜或難以成形的材料變得容易成形。如衛(wèi)星上的鈦合金球形燃料箱，其壁厚0.71～1.5mm，用普通方法是無(wú)法成形的，用超塑性成形才成為可能。2、無(wú)縮頸、低流動(dòng)應(yīng)力

超塑性變形時(shí)斷面均勻縮小，斷面收縮率可接近100%，幾乎無(wú)縮頸發(fā)生。并且具有非常低的流動(dòng)應(yīng)力，每平方毫米僅幾十兆帕，因此對(duì)設(shè)備噸位的要求很低。超塑性變形對(duì)應(yīng)變速率很敏感，只有在一定的速度范圍內(nèi)才表現(xiàn)出超塑性。超塑性變形過(guò)程中基本上沒(méi)有或者只發(fā)生很小的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，流動(dòng)性和充填性極好，因而極易成形。由于超塑性成形是宏觀均勻變形，所以變形后的制品表面光滑，沒(méi)有起皺、微裂和滑移痕