固态成形理论基础教材

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1、材料固态成形理论基础 塑性变形物理基础 北京科技大学材料学院 材料加工与控制工程系 刘雅政教授课程组 周乐育 主楼232 引 言 n设课的目的 n课程特点、体系、内容的组成 n需要的基础知识 n如何学好？ 专业的任务专业的任务 材料成形中：塑性变形是一种最常用的生产产品 的工艺方法，材料经过塑性成形使其具有需要的形 状和性能，才体现出它的价值。 n材料加工的目的有两个：一是改变材料的形状， 另一个是改善其性能。 引言 21世纪信息、材料时代 中国尚未完成工业化 中国尚未完成城镇化 居民消费结构在变化 研究金属变形特点的重要性 目前中国仍处于工业化阶段 中国地质科学院研究： 金属矿产人均消费量与

2、人均GDP呈“S”形 有序变化，反映由农业经济到工业经济再 到后工业经济矿产资源消费基本特征。 引言 金属材料,尤其是钢铁材料: 由于具有比其它材料优越的综合性能; 在性能方面以及数量和质量方面蕴藏 着巨大潜力;对人类文明发挥着重要的 作用。 在一定时期内钢铁材料仍为主要使用 材料 居民消费结构升级带动新的市场需求 n当前我国经济发展仍处于经济周期的上升阶段； n消费结构由温饱型向小康型升级：上世纪90年代后期以来这种升级势头 日趋强劲，由消费结构升级带动的市场最终需求十分旺盛； n整个经济随之进入新一轮快速增长期，这是当前乃至今后经济持续快速 增长的最可靠支撑。 2003年中国经济快速发展，

3、人均国内生产总值首 次突破1000美元，达到1090美元。国内生产总值 (GDP)较上年增长9.1。 住 衣食 行 温 饱 小 康 引言 需要先进钢 铁材料 高性能高强度、高韧性、长寿命高性能高强度、高韧性、长寿命 高精度高形状尺寸精度和表面质量高精度高形状尺寸精度和表面质量 低成本低合金含量和工艺操作成本低成本低合金含量和工艺操作成本 绿色化易于回收和利用、可持续发展绿色化易于回收和利用、可持续发展 中国经济建设的可持续发展和新兴产业的 发展必须以先进钢铁材料做为基本保证 引言 20032003年新日铁开发年新日铁开发X120X120管线钢管线钢 高性能管线钢的发展趋势 油气管道业面临的挑战

4、是：在高寒、深海、沙漠、地震和地质灾害等 恶劣环境下建设长距离、高压、大流量输气管道； X80及X80以上钢级高强度管线钢；低温状态使用的高强度管线钢； 有合适断裂控制性能的管线钢；抗HIC和SSCC管线钢； 抗H2S/CO2腐蚀管线钢及双金属复合管； 抗大变形管线钢；连续柔性管；抗应变时效管 8 LAMFTQC USTBeijing 管线用钢 要求高性能管线： 日本生产：X120 我国目前状态： 稳定生产：X65、X70 、 X80 开发：X100 辽河油田某井因二氧化碳所致的油管腐蚀 （失重率：63% ；平均腐蚀速度=4.84 mm/年） 11 LAMFTQC USTBeijing 大跨度

5、公路桥梁工程的发展 白沙洲长江大桥 南京长江二桥 以斜拉桥和悬索桥为主，也 有钢拱桥；设计时速一般为 80-120km/h；所使用钢板主 要为Q345q、Q370q 大胜关长江大桥 铁路桥梁工程的发展 芜湖长江大桥 (2000年) 钢箱梁连接由铆接、栓焊发展到整体 焊接节点。 桁梁由双桁梁发展到三桁梁。 桥梁跨度由128米发展到312米直至 504米。 列车通过时速由70km/h发展到 200km/h直至300km/h。 列车线路由双线发展到4线直至6线 。 跨海大桥的发展 杭州湾跨海大桥（全长36.4公里，已竣工） 东海大桥（全长32.5公里，已竣工） 跨海大桥一般为公路桥 设计时速一般为8

6、0-120km/h，所使 用钢板主要为Q345、Q370、Q390 管桩用钢Q345需求量大， 受海洋环境影响，所使用钢板需要 考虑耐腐蚀性能 铁路桥用钢 跨海大桥用钢发展：高强度钢；耐候钢；变截面钢 13 LAMFTQC USTBeijing 汽车高强度钢板 汽车高强度钢板使用情况 15 汽车用钢的发展趋势 汽车 减重 节能 和提 高碰 撞标 准 用材高 强化高 强度和 超高强 度钢在 车身结 构上的 应用 90； 16 日本、欧洲、北美都积极开发高强度钢板，以适应汽车制造商对汽车材料轻量化和抗冲击性 能的要求。 其中日本开发的高强度钢板热轧板达到980kg/mm2级别；冷轧板、电镀锌板（低

7、YP 值，抗冲击能量吸收型）达到1270 kg/mm2级别；热镀锌板（低YP值，抗冲击能量吸收型） 达到980kg/mm2级别 17 科技部组织：“汽车轻量化联盟” 2010年轻量化目标： 商用车：主要通过提高大梁板、板簧和轮辐的强度等措施，进行减重，如引进商用车新车型的大 梁板强度级别将达到700MPa ，使“轻量化”联盟企业新型货车减重300kg以上。 乘用车：通过提高轿车使用各种高强钢强度级别和应用比例，结合采用激光拼焊板、热冲压成型 和液压成型等汽车使用新技术的途径，使“轻量化”联盟各企业的新型轿车单车平均减重8 10%。 2010年以后，希望达到目前发达国家汽车轻量化的水平（减重20

8、%左右）。 高强钢用于汽车业 ：HSLA钢,BH钢， 先进高强钢：DP钢 、TRIP钢、TWIP钢 、SIP(shear band induced plasticity )钢、 CP钢和马氏体钢等 工程大约由30万个板 件通过近10万延米的 一级焊缝组合而成， 这些板件有大有小， 大的数百公斤，小的 不到一公斤。最大厚 度60mm。 高层建筑用钢 金茂大厦 420.5m 上海环球金融 中心492m 上海中心大厦主楼 127层层，主体建筑结结 构高度为为580米，总总 高度632米. 2014年 竣工 国贸三期330米 银银泰中心63层层249.9米， 京广大厦209米 北京 国贸三期330米

9、银泰中心63层249.9米， 国内9个城市有超过100米建筑 上海 广州新电视电视 塔，是一座以观观光旅游为为 主，并具有广播电视发电视发 射、文化娱乐娱乐 和城市窗口功能的大型城市基础设础设 施。 天津泰达“摩 天楼” “海蛇 大厦”(“三扭 转大厦” ) 全球唯一的三 柱扭转式先锋 建筑！天津雅 高索菲特五星 大酒店 高层建筑用钢 Lamellar tearing in T butt weld 典型粱拄焊接T型结构的拘束应力导致钢板的层状撕裂 高层建筑用钢性能要求： 低屈强比，耐热性，抗层状撕裂 金属材料的性能（使用性能和加工性能）： 在使用条件一定时，是决定于成分和组织结 构的。 在材料

10、的化学成分一定的情况下，其组织结 构是由加工工艺决定的，即通过冷、热加工 、热处理和形变热处理可以在很大范围内改 变金属材料的组织结构，从而改变材料的性 能。 引言 掌握了形变、形变和相变相结合的过程中金属 材料组织结构的变化规律，就可以利用这些规律， 设计和优化加工工艺: 获得满足性能要求所需要的组织结构。 这些规律就是：材料在塑性变形过程中的物 理基础, 或称：塑性加工金属学。 引言 力的作用下、材料的组织性能控制 控制轧制对组织细化的作用 引言 固态成形理论的知识结构 n塑性加工力学： 宏观变形规律（68章） 目的：研究宏观流动规律 n塑性变形物理基础： 微细观理论（1012章） 目的：

11、组织结构、性能控制 引言 因此,为了达到有效的控制材料性能目的: 课程特点： 在现代缺陷理论的基础上，阐明金属塑性 变形的物理实质、变形机理、塑性变形时 材料的组织结构和性能变化的关系，从而 为合理地选择加工条件，保证塑性变形过 程的进行提供理论基础。 引言 课程内容 10.金属塑性变形的物理本质 11.金属的塑性变形和强化 12.金属在塑性变形中的组织结构与性 能变化 10.金属塑性变形的物理本质 10.1 塑性变形机理 n金属塑性变形包括晶内变形和晶间变形； 晶内变形：各种位错错运动动而实现实现 晶内的一部分相对对于 另一部分的剪切运动动剪切运动动有不同的机理，其中在常 温下最基本的形式是

12、：滑移、孪生滑移、孪生。 晶间变形：在T 0.5Tm（Tm：熔化温度） n控制作用的变形机理： 当变形温度比晶体熔点低很多时：是滑移和孪生滑移和孪生； 在高温塑性变形时：扩散机理扩散机理起重要作用。 实际变形过程的复杂性： n几种机理起作用； n受许多因素影响：晶体结构、化学成分、相状态 等材料的内在因素，及变形温度、变形速度、应力状 态等外部条件的影响。 n因此要研究和控制材料的变形过程，掌 握基本的塑性变形机理很有必要。 10.1.1 滑移 刃位错滑移阻力 点阵阻力 3 43 43 4 333 滑移系统 n面间距a 越大、柏氏矢量 b 越小时,派一纳力 越小; n密排面和密排方向就是滑移面

13、和滑移方向。滑移面和位于其上的 滑移方向就构成了滑移系统。 滑移系统 面心立方晶体的111 的12个滑移系 体心立方晶体中通过 方向的 12个滑移面 10.1.2 孪生 n晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶体学平面 和方向产生的切变； n晶体切变后结构没有变化，但是取向发生了变化; n相对切变是沿孪生面逐层连续依次进行的，而不像滑 移那样集中在一些滑移面上进行; n孪生比滑移困难一些，所以变形时首先发生滑移，当 切应力升高到一定数值时，才出现孪生。 n密排六方金属，由于滑够系统少，各滑移系相对于外力的取向都 不利时，也可能在形变一开始就形成孪晶。 面心立方晶体的孪生过程 切变前原子的位置

14、切变后原子的位置 孪生要素 切变量S S=2 cot a -Fe中的孪晶（冲击条件下） 位错 板条 M 片状 孪晶 M fcc中的切边带 层错能低的fcc晶体会 出现形变孪晶，如银 、黄铜； fcc不易出现孪晶原因 滑移系多；孪晶应变 大（S=0.707） hcp Zn 10.1.3 扩散塑性变形机理 n当金属在高温塑性变形时，扩散就起着重要的 作用。 n扩散具有双重作用: 它对剪切塑性变形机理可以有很大影响； 扩散可以独立产生塑性流动。 n扩散塑性变形机理包括:扩散-位错机理 ；溶质原子定向溶解机理；定向空位流 机理。 扩散-位错机理:从几个方面影响位错运动 a 对刃位错的攀移和螺位错的割阶

15、运动产生影响; b 控制着蠕变变形过程的机理; c 扩散时溶质气团对位错运动的限制作用,位错被气团锚住了; 溶质原子定向溶解机理:原子流动是可逆的 随机、无序的溶质原子, 优先聚集在受拉的棱边;晶体点阵的不同方向上产生了溶 解原子能力的差别;(应力松弛和弹性后效现象) 定向空位流机理:不可逆的塑性流动机理 应力诱导作用使晶界产生空位的能量提高，造成空位在晶界上的迁移 10.1.4 晶间滑动机理 n晶间滑动机理是综合的变形机理，它和晶内滑 移、扩散塑性机理是互相协调的。 由于晶界一般说来不是平坦的平面，两晶粒沿晶界产 生相对切变时，就必须伴随其他机理来协调。 n对超塑性变形，大家的观点认为是晶间

16、滑动机 理为其控制机理。 为改善材料的超塑成形性，并尽可能提高成 型效率， 就要加强该种形变机理的作用，细化晶粒就是采用的 有效措施之一。 10.2 金属的屈服强度 n金属的屈服强度是指金属抵抗塑性变形的抗力。定量 地讲，屈服强度是指金属发生塑性变形时的临界应力 。 n金属抵抗塑性变形能力：和加载的应力状态有关；受 变形温度、应变速率和变形量等外在实验条件和内在 的成分、组织状态的影响。 n屈服强度作为金属材料的力学性能指标，专指的是在 单向应力状态下和相应的变形温度、应变速率和变形 程度下，产生塑性变形所需要的单位变形力。 10.2.1 理论屈服强度的估计 n经典塑性变形理论对塑性变形的描述： 滑移是一部分晶体在滑移面上，沿着滑移方向，相对于 另一部分晶体的刚性整体式地切变。 理想晶体原子的排列 情况 原子间受力后产生的位移 理论切屈服强度 n msin2 式中m最大切应力幅值。 原点附近的（x/b）很小，故可简写为：m2 应力，应变关