第2章 金属的塑性

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1、第2章 金属的塑性,2.1 金属的塑性 2.2 金属多晶体塑性变形的主要机制 2.3 影响金属塑性的因素 2.4 金属的超塑性,2. 1 金属的塑性,2. 1. 1 塑性的基本概念 2. 1. 2 塑性指标及其测量方法 2. 1. 3 塑性状态图及其应用,2. 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一,不锈钢-塑性好，但变形抗力高 白口铸铁-塑性差，变形抗力高 铅-塑性好，变形抗力小 结论：塑性与柔软性不是同一概念,为什

2、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：金属在破坏前产生的最大变形程度，即极限变形量。 塑性指标的测量方法,表示方法： 断面收缩率 延伸率 冲击韧性 最大压缩率 扭转角（或扭转数） 弯曲次数,2.塑性指标的测量方法,拉伸试验法 压缩试验法 扭转试验法 轧制模拟试验法,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,单向拉应力均匀变形阶段和三向拉应力局部变形阶段的塑性总和。伸长率大小与试样原始标距有关

3、，而端面收缩率与试样原始标距无关。,拉伸速度10mm/s 以下，对应应变速率在10-110-3S-1对应液压机的速度；3.84.5m/s对应锻锤的速度。,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：,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,试样高端H0一般为直径D0的1.5倍。,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（ ） 。,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。,扭转时的应力状态接近静水压力，且试样沿整个长度的塑性变形均匀，不像拉伸出现缩颈和压缩试

4、验出现鼓形。,轧制模拟试验法,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。,金属变形的全过程,弹性变形 均匀塑性变形 不均匀塑性变形 断裂 各阶段变形的特点 弹塑性共存定律 弹塑性共存定律的意义,弹塑性共存定律的概念：在塑性变形过程中有弹性变形同时存在的现象。,1、什么是变形抗力？变形抗力大塑性就越差？,2、影响变形抗力有那些因素？ 对以下退火态安装变形抗力由小到大排序：42CrMo、纯铁、 Gr15、 45# 、 4Cr5MoSiV,3、什么是塑性指标？塑性指标的表示方法？,4、判断：伸长率大小与试样原始标距无关，端面收缩率

5、与试样原始标距有关（ ）。,5、填空：扭转时的应力状态接近静水压力，且试样沿整个长度的塑性变形均匀，不像拉伸出现（缩颈 ）和压缩试验出现（鼓形 ） 。,2.1.3 塑性状态图(plastic condition diagram)及其应用,概念：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。 一个完整的塑性图应该同时给出拉伸试验时的强度极限b、延伸率和断面收缩率，镦粗试验时的最大压缩率M、扭转试验的扭转角或圈数、冲击试验的AK值、弯曲试验的弯曲角度或次数等多种性能指标与试验温度的关系。它反映了温度-速度以及应力状态类型等对金属塑性的影响。 塑性图是选择合理的金属塑性加工方法和制

6、订冷加工和热加工工艺规程的重要依据，是生产中不可缺少的基本资料之一。,试验温度,图为W18Cr4V高速钢的塑性图。该钢种在8001200的温度范围内具有很好的塑性。塑性加工(如轧制)前钢锭加热时的最高温度为1230，超过此温度，钢可能产生裂纹或轴向断裂；变形终了温度不应低于900，否则不仅塑性明显降低，而且变形抗力急剧增大。,温度,T530，为液相； 270，为两相组织； 270 T530，为单一的 相。,根据力学性能要求确立MB5主要成分为： Al 5. 5 7. 0% Mn 0. 15 0. 5% Zn 0. 5 1. 5%.,根据塑性图进一步确定热变形温度范围,慢速加工，温度为35040

7、0时,断面收缩率 和压缩率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。,2.2 金属多晶体塑性变形的主要机制,2.2.1 多晶体变形的特点 2.2.2 多晶体的塑性变形机构 2.2.3 合金的塑性变形 2.2.4 变形机构图,2.2.1 多晶体变形的特点,1、各晶粒变形的不同时性 2、各晶粒变形的相互协调性 3变形不均匀,多晶体塑性变形分为晶内变形和晶间变形

8、两种。 晶粒位向和晶界性质对多晶体塑性变形有较大的影响，通常多晶体塑性变形首相在那些最有利于变形位向的晶粒中进行。 由于多晶体内各个晶粒位向不同，并受晶界约束，故各晶粒变形不均匀，而且每个晶粒内变形也不一致。,经拉伸后晶界处呈竹节状,晶界强度与温度关系：低温或室温下，晶界强而晶粒本身弱；高温情况则相反。晶界与晶粒相对强度是随温度变化而变化的。,晶界对塑性变形的影响 晶界:多晶体是许多取向不同的小单晶体即晶粒组成的，晶粒和晶粒之间的过渡区域。 将多晶铁分别在室温和高温进行拉伸试验。在室温拉伸时，靠近晶界处试样直径变化比较小，远离晶界处则直径显著减小，在高温下，晶界处试样显著变细。,晶界的作用：,

9、1. 阻碍作用 拉伸试样变形后在晶界处呈竹节状，每个晶粒中的滑移带均终止于晶界附近，晶界附近位错塞积。位错塞积，材料强度提高。 2. 协调作用 晶界正是起着相邻晶粒的变形的作用。由于协调变形的要求，在晶界处变形必须连续，也就是说两个相邻晶粒在晶界处的变形必须相同。,3促进作用 在高温在变形时，由于晶界比晶粒弱，故除了晶粒内滑移，相邻两个晶粒还会沿着晶界发生相对滑移，此称为晶界滑动。晶界滑动了也造成晶体宏观塑性变形，但变形量远远小于滑移和孪生引起的塑性变形。 4起裂作用 一方面，由于晶界阻碍滑移，此处由于位错塞积而引起应力集中，另一方面，材料中的杂质和第二相往往优先分布于晶界，使晶界变脆。这样一

10、来，在变形过程中裂纹往往起源于晶界。此外，由于晶界处缺陷多，原子处于能量较高的不稳定状态，在腐蚀介质作用下，晶界往往优先被腐蚀形成微裂纹。,多晶体塑性变形的特点 1、各晶粒变形的不同时性 2、各晶粒变形的相互协调性： a) 面心立方金属塑性好 b) 密排六方金属塑性差冷加工困难 3、各晶粒塑性变形量不均匀： a)由于晶界的影响和晶粒位向不同的影响，各个晶粒变形不均匀，有的变形量大有的变形量小；即使是同一个晶粒变形也不均匀，晶粒中心区域变形量较大，晶界及其附近区域变形量小。 b)双晶粒试样拉伸变形后的形状如图，晶界处呈竹节状，说明晶界处滑移受阻变形量小，而晶粒内部变形量较大。,2晶界的作用及晶粒

11、大小的影响,不同时性、相互协调性、不均匀性和单位体积内晶界越多，变形抗力越大。,5.2.2 多晶体的塑性变形机构,1晶粒的转动与移动,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，伴随有最大的溶解度改变。 （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。,2. 2. 3 合金的塑性变形,（1）单相固溶体合金的变形 （2）多相合金的变

12、形,单相固溶体合金的变形,单相固溶体的显微组织与纯金属相似，因而其变形情况也与之类同，但是在固溶体中由于溶质原子的存在，使其对塑性变形的抗力增加。固溶体的强度、硬度一般都比其溶剂金属高，而塑性、韧性则有所降低，并具有较大的加工硬化率。,溶质原子的作用主要表现在固溶强化(Solid-solution Strenthening)作用，提高塑性变形抗力。 1. 固溶强化 固溶强化：固溶体合金的-曲线：由于溶质原子加入使s 和整个-曲线的水平提高。 影响固溶强化的因素： 溶质原子类型及浓度。 溶质原子与基体金属的原子尺寸差。相差大时强化作用大。 间隙型溶质原子比置换型溶原子固溶强化效果好。 溶质原子与

13、基体金属价电子数差。价电子数差越大，强化作用大。 固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用、化学交互作用和静电交互作用。,单相固溶体合金塑性变形,Cu-Ni固溶体的力学性能与成分的关系,多相合金的变形,多相合金中的第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，其塑性变形不仅和基体相的性质，而且和第二相（或更多相）的性质及存在状态有关。如第二相本身的强度、塑性、应变硬化性质、尺寸大小、形状、数量、分布状态、两相间的晶体学匹配、界面能、界面结合情况等等。,多相合金的基本相为固溶体。第二相是用来强化的一种重要方式，它可以通相变热处理沉淀强化（precipitation strengthening）、时效强

14、化（age hardening）或粉末冶金法弥散强化来获得。 根据第二相粒子的尺寸大小可将合金分为： (1) 聚合型两相合金(两相尺寸、性能相近) (2)弥散分布型两相合金(两相尺寸、性能相差很大),多相合金的塑性变形,（1）聚合型两相合金的塑性变形,合金中第二相粒子的尺寸与基体晶粒的尺寸如属同一数量级，就称为聚合型两相合金。在聚合型两相合金中，如果两个相都具有塑性，则合金的变形情况决定于两相的体积分数。即：,如果聚合型合金两相中一个为塑性相，一个为硬脆相，则合金在塑性变形过程所表现的性能与第二相的相对含量有关，还与第二相的形状、大小、分布有关。,讨论：,(1) 若硬脆相呈连续分布在塑性相(基

15、体)晶界上，则经少量变形后会发生沿晶脆断。脆性相越多，网状越连续，塑性越差。如过共析钢中二次Fe3C呈网状分布于铁素体晶界上。 (2) 若硬脆相呈层片状分布在基体相中，由于变形主要集中在基体相中，且位错移动被限制在很短距离内，增加了继续变形的阻力，使其强度提高。如钢中的片状P由片状和片状Fe3C相间组成。 (3) 若硬脆相呈粒状分布于基体中，因基体相连续，第二相对基体变形的阻碍作用大大减弱，具有强度和塑性的配合。如：粒状P中Fe3C呈颗粒分布，钢具有良好的综合力学性能,（2）弥散分布型两相合金的塑性变形,两相合金中，如果第二相粒子十分细小，并且弥散地分布在基体晶粒内，则称为弥散分布型两相合金。

16、在这种情况下，第二相质点可能使合金的强度显著提高而对塑性和韧性的不利影响可减至最小程度。第二相以细小质点的形态存在而合金显著强化的现象称弥散强化。,（1）不可变形粒子 （2）可变形粒子,不可变形粒子的强化作用,粒子周围留下位错环，而其余部分则越过粒子继续运动。 位错线弯曲绕过第二相粒子所需要的切应力为： = Gb/L L第二相粒子间距 这是一临界值，只有外加切应力大于上述临界值时，位错线才能绕过去。因此， 1/L，粒子越多, L越小，大.强化效果愈明显。减小粒子尺寸或提高粒子的体积分数都可以合金强度提高。理论计算小到2050个原子间距时，强化效果最佳。,位错绕过第二相粒子的示意图,可变形微粒的强化作用,可变形粒子的合金中位错运动与粒子相遇时切过机制，即第二相粒子在位错切过粒子