金属塑性变形的物理基础.

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1、第二章 金属塑性变形的物理基础 第一节 金属冷态下的塑性变形 第二节 金属热态下的塑性变形 第三节 金属在塑性加工过程中的塑性行为 第四节 金属的超塑性 第一节 金属冷态下的塑性变形 1.塑性变形机理 2.塑性变形特点 3.合金的塑性变形 4.冷塑性变形对金属组织和性能的影响 多晶体是由许多微小的单个晶粒杂乱组合而成。 多晶体在其组织结构上的特点： （1）多晶体的各个晶粒，其形状和大小是不同的， 化学成分和力学性能的分布不均匀； （2）多晶体各相邻晶粒的取向一般不同； （3）在多晶体中存在大量的晶界，晶界的结构和性 质与晶粒本身不同，并在晶界上聚集着其它物质的 杂质。 1.塑性变形机理 单晶体

2、的塑性变形 滑移和孪生 多晶体的塑性变形 晶内变形和晶界变形 多晶体的晶内变形可以看做是一个单晶的塑性变形 （一）晶内变形 晶内变形的主要方式和单晶体一样为滑移 和孪生。其中滑移变形是主要的；而孪生 变形是次要的，一般仅起调节作用。但在 体心立方金属，特别是密排六方金属中， 孪生变形也是主要的。 （一）晶内变形 （1）滑移 滑移:晶体一部分沿一定晶面（滑移面 ）和晶向（滑移方向）相对另一部分发 生相对移动和切变。产生宏观的塑性变 形。 滑移面：原子排列密度最大的晶面。 滑移方向：原子排列密度最大的方向。 滑移系:一种滑移面及其上的一个滑移 方向构成 滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶 向发生。

3、因为原子密度最大的晶面，原 子间距小，原子间结合力强；而其晶面 间的距离则较大，晶面与晶面之间的结 合力较弱，滑移阻力较小。 1、滑移系多的比少的容易变形。 2、体心和面心立方同样具有12个滑移系，面心比体心易 变形，滑移方向的作用大于滑移面的作用。 3、滑移面对温度具有敏感性。温度升高，原子密度次大 的晶面也参与滑移，故温度升高，金属塑性提高。 滑移系的存在只能够说明金属晶体有产生 滑移的可能性。还需要一个临界切应力。 临界切应力：要使滑移能够发生，需要沿 滑移面的滑移方向上作用一定大小的切应 力。 临界切应力的大小取决于金属的类型、纯 度、晶体结构的完整度、变形温度、应变 速率和预先变形程

4、度等。 晶面转动 单晶体拉伸 单晶体压缩 滑移的微观描述 单滑移（平移滑移）：是沿着 一定的结晶面和结晶方间进行 。它仅可能在最初始的塑性变 形阶段发生。 双滑移：指从某一变形程度开 始，同时有两个滑移系统进行 工作。但这并不意味着它们的 作用是同步的。 多滑移：与双滑移相似，晶体 在滑移过程中，如果滑移同时 在各个滑移系统上进行时，则 称此滑移为多滑移。 交滑移：若滑移是沿两个不同 的滑移面和共有的滑移方向上 进行时，则称为交滑移。 （一）晶内变形 面心立方晶体孪生变形示意 a) 孪生面和孪生方向 b) 孪生变形时原子的移动 孪生面 孪生面 孪生方向 孪生方向 孪生区域 2.孪生 孪生：晶体

5、在切应力的作用下，其一部分 沿某一定晶面和晶向，按一定的关系发生 相对的位向移动，其结果使晶体的一部分 与原晶体的位向处于相互对称的位置。 这种在变形过程中产生的孪生变形部分称 为“形变孪晶” 在孪生变形时， 所有平行于孪生 面的原子平面都 朝着一个方向移 动。每一晶面移 动距离的大小与 它距孪生面的距 离成正比。每一 晶面与相邻晶面 的相对移动恒等 于点阵常数的若 干分之一。 晶体以何种方式变形，取决于那张变形需 要的切应力低。 常温下滑移切应力低于孪生，很低温度下 ，孪生低于滑移。 变形速度的增加可促使晶体的孪生化，如 高速冲击。 高应力集中处会诱发孪生变形。 密排六方滑移系少，主要以孪生

6、为主。 滑移和孪生可交替进行。 镁中的变形孪晶和滑移带 孪生与滑移的区别 由孪生的变形过程可知，孪生所发生的切变均匀地波及整 个孪生变形区，而滑移变形只集中在滑移面上，切变是不 均匀的； 孪生切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数 倍（而是几分之一原子间距），而滑移时原子移动的距离 是滑移方向原子间距的整数倍； 孪生变形后，孪晶面两边晶体位向不同，成镜像对称；而 滑移时，滑移面两边晶体位向不变； 由于孪生改变了晶体的取向，因此孪晶经抛光浸蚀后仍可 观察到，而滑移所造成的台阶经抛光浸蚀后不会重现。 （二）晶间变形 晶粒相互滑动和转动 在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要集 中在晶内。晶

7、间变形只起次要作用。而且需要 其他变形机制的协调。这主要是由于晶界强度 高于晶内，其变形比晶内困难。而且多晶体各 晶粒间犬牙交错，造成晶界滑移困难，如晶界 发生变形，必将引起裂纹，故晶界变形量是很 小的。 2.塑性变形特点 1.各晶粒变形的不同时性 2.各晶粒变形的相互协调性 3.晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近 区域之间变形的不均匀性。 1.变形的不同时性 切应力达到要求的有利滑移系 晶粒先变形，取向不利的尚未 开始变形。 位错开动在晶内滑移，在晶界 处塞积，造成应力场，作用于 相邻晶粒。如果此附加应力足 够的，造成相邻晶粒取向不利 的滑移系开动，则发生滑移， 塑性变形。 位错塞积处应力释

8、放，A中位 错继续移动，发生形状改变。 2.各晶粒变形的相互协调性 多晶体中晶粒处于其他晶粒的包围中，它 们的变形不是孤立和任意的，需要其他晶 粒的相互协调配合，否则无法保持晶粒之 间的连续性。 在晶粒内部，除了取向有利的滑移外，还 要求其他不利的滑移系也参与滑移，才能 保证晶粒形状的改变，而与周围晶粒的协 调性。 3.变形的不均匀性 宏观变形的不均匀是外部条件造成的 微观变形不均匀是由多晶体的结构决定的。 软取向先滑移，硬取向后滑移。 晶界和晶内性能不同。 粗晶粒钢冲压会出现“桔皮” 3.合金的塑性变形 合金相结构两类：固溶体和化合物 常见的合金组织种类： （一）单相固溶体合金 （二）两相或

9、多相合金 3.合金的塑性变形 (一) 单相固溶体的塑性变形 1 固溶体的结构 与纯金属组织无差异；变形机理与多晶纯金属相同，即滑移和孪生，变形也 会受相邻晶粒影响。不同就是有异类原子存在，固溶或置换。 2 固溶强化 （1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度 提高而塑性、韧性下降的现象。 （2）强化机制：柯氏气团强化，导致晶格畸变减小，位错 应变能降低，阻碍位错运动。 (一) 单相固溶体的塑性变形 2 固溶强化 （3）屈服和应变时效 现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。 预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象； 去载后放置一段时间或200加热后再加载出现屈服。这种现

10、象叫做 应变时效。 原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。 (一) 单相固溶体的塑性变形 2 固溶强化 （4）屈服效应 当金属的变形量恰好处于屈服延伸的范围时，金属表面会 出现粗糙不平、变形不均匀的痕迹，称为吕德斯带。 防止措施： a.薄板在拉延前进行微量冷轧（12%压下量），使被溶 质碳原子钉扎的位错脱钉，然后冲压加工。 b.钢中加入少量钛、铝等强碳化物形成元素，减少碳、氮 对位错的钉扎，消除屈服效应。 （二） 多相合金的塑性变形 1.结构：基体（70%）第二相。 2.分类： a.聚合型两相合金，即第二相粒子尺寸与基体相晶粒属于同一数量级。（- 两相黄铜、碳钢中铁素体和粗大渗碳体） b.弥散

11、分布型两相合金，第二相粒子十分细小，弥散分布在基体晶粒内。（钢 中细小碳化物弥散分布） 3.性能 （1）两相性能接近：按强度分数相加计算。 （2）软基体硬第二相 第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）； a结构 两相呈层片状分布（珠光体）； 第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。 两相合金中，如一相为塑性相，而另一相 为脆性相，则合金的力学性能主要取决于 脆性相的存在情况。 （二） 多相合金的塑性变形 3 性能 （2）软基体硬第二相 不可变形粒子，位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错运动) b 弥散强化 可变形粒子位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻 碍位错运动） 沉淀强化：通过过饱和固溶体

12、的时效处理而 沉淀析出并产生强化的称为沉淀强化或时效 强化。多属可变形粒子。 弥散强化：第二相微粒是借粉末冶金方法加 入而起强化作用的。属于不可变形粒子。 4. 塑性变形对材料组织和性能的影响 （一） 对组织结构的影响 晶粒拉长; （1） 形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布。 （一） 对组织结构的影响 （2） 形成形变织构 a.形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。 丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成） b.类型 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平 行于主变形方向。（轧制时形成） 第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响 （一） 对组织结构的影响

13、 （2） 形成形变织构 力学性能：利:深冲板材变形控制;弊：制耳。 c.对性能的影响 (各向异性) 物理性能:硅钢片100100织构可减少铁损。 （一） 对组织结构的影响 （3） 形成位错胞 变形量 位错缠结 位错胞 （大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。) （二） 对性能的影响 （1） 对力学性能的影响（加工硬化） a.加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的 强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。 4. 塑性变形对材料组织和性能的影响 （二） 对性能的影响 （1） 对力学性能的影响（加工硬化） 强化金属的重要途径； 利 提高材料使用安全性； b.利弊 材料加工成型的保证。 弊 变

14、形阻力提高，动力消耗增大； 脆断危险性提高。 （二） 对性能的影响 （2） 对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。 热塑性变形的概念 实际热加工温度远高于再结晶温度 在热塑性变形过程中，回复、再结晶与加 工硬化同时发生，加工硬化不断被回复或 再结晶所抵消，而使金属处于高塑性、低 变形抗力的软化状态。 软化分类：相变软化和热软化。 第二节金属热态下的塑性变形 第二节金属热态下的塑性变形 1.热塑性变形时软化过程 （1）动态回复 动态回复是在热变形过程中发生的回 复，金属即使在远高于静态再结晶温度下 塑性变形时一般也只发生

15、动态回复。 （2）动态再结晶 动态再结晶是在热变形过程中发生的 再结晶，与静态再结晶一样，也是通过形 核和生长来完成的。它容易发生在层错能 较低且有较大热变形程度的金属上。 第二节金属热态下的塑性变形 1.热热塑性变变形时软时软 化过过程 （3）静态回复 在较低的温度下、或在较早阶段发生转变的 过程称为静态回复。它是变形后的金属自发地向 自由能降低的方向转变的过程。 （4）静态再结晶 在再结晶温度以上，金属原子有更大的活动 能力，会在原变形金属中重新形成新的无畸变等 轴晶，并最终取代冷变形组织，此过程称为金属 的静态再结晶。 图4-9 冷变形金属加热时组织和性能的变化 冷变形金属加热时组织和性能的变化如图 第二节金属热态下的塑性变形 1.热热塑性变变形时软时软 化过过程 （5）亚动态再结晶 热变形中已经形成但