金属塑性变形的物理基础ppt.pptx

v金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础v金属的结构金属的结构v晶态晶态v非晶态非晶态vSiO2的结构的结构典型得晶胞结构典型得晶胞结构面心立方面心立方 典型金属典型金属AlAl、CuCu、AgAg、NiNi、-Fe-Fev a42vr=v原子半径原子半径v原子个数原子个数:4配位数配位数:12致密度致密度:0、74v晶格常数晶格常数:a面心立方晶格面心立方晶格体心立方体心立方 典型金属典型金属-Fe-Fe、-Ti-Ti、CrCr、WW、V V、MoMo典型得晶胞结构典型得晶胞结构体心立方晶格体心立方晶格v原子个数原子个数:2配位数配位数:8致密度致密度:0、68v晶格常数晶格常数:av原子半径：原子半径：密排六方密排六方 典型金属典型金属-Ti-Ti、-Co-Co、BeBe、MgMg、ZnZn典型得晶胞结构典型得晶胞结构vav2v1vrv=v：v原子半径原子半径v原子个数原子个数:6配位数配位数:12致密度致密度:0、74v晶格常数晶格常数:底面边长底面边长 a 与高与高 c,v c/a=1、633密排六方晶格密排六方晶格实际金属得晶体结构实际金属得晶体结构 单晶体与多晶体单晶体与多晶体单晶体单晶体:其内部晶格方位其内部晶格方位完全一致得晶体。完全一致得晶体。多晶体多晶体:由许多位向不同由许多位向不同得晶粒组成得晶体得晶粒组成得晶体晶粒晶粒:实际使用得金属材实际使用得金属材料就是由许多彼此方位不料就是由许多彼此方位不同、外形不规则得小晶体同、外形不规则得小晶体组成组成,这些小晶体称为晶这些小晶体称为晶粒。粒。v纯铁组织纯铁组织v晶粒示意晶粒示意图图大家学习辛苦了，还是要坚持vv继续保持安继续保持安静静v单晶体单晶体v多晶体多晶体vv沿晶断口沿晶断口沿晶断口沿晶断口v铅锭宏观组织铅锭宏观组织晶界晶界晶界晶界:晶粒之间得交界面。晶粒之间得交界面。晶粒之间得交界面。晶粒之间得交界面。晶粒越细小晶粒越细小,晶界面积越大。晶界面积越大。v光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界v多晶体示意图多晶体示意图 晶体缺陷晶体缺陷晶格得不完整部位晶格得不完整部位称晶体缺陷。称晶体缺陷。实际金属中存在着实际金属中存在着大量得晶体缺陷大量得晶体缺陷,按按形状可分三类形状可分三类,即点、即点、线、面缺陷。线、面缺陷。点缺陷点缺陷 空间三维尺寸都空间三维尺寸都很小得缺陷。很小得缺陷。v空位空位v间隙原子间隙原子v置换原子置换原子a、空位空位:晶格中某些晶格中某些缺排原子得空结点。缺排原子得空结点。b、间隙原子间隙原子:挤进晶挤进晶格间隙中得原子。可格间隙中得原子。可以就是基体金属原子以就是基体金属原子,也可以就是外来原子。也可以就是外来原子。空位与间隙原子引起得晶格畸变空位与间隙原子引起得晶格畸变c、置换原子置换原子:取代原来原子位置得外来原取代原来原子位置得外来原子称置换原子。子称置换原子。点缺陷破坏了原子得平衡状点缺陷破坏了原子得平衡状态态,使晶格发生扭曲使晶格发生扭曲,称晶称晶格畸变。从而使强度、硬度提高格畸变。从而使强度、硬度提高,塑性、塑性、韧性下降。韧性下降。v空位空位v间隙原子间隙原子v大置换原子大置换原子v小置换原子小置换原子 线缺陷线缺陷晶体中得位错晶体中得位错位错位错:晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移局部滑移,滑移面上滑移区与未滑移面上滑移区与未v刃型位错刃型位错 v螺型位错螺型位错v滑移区得交界线称作位错。分为刃型位错与螺型位滑移区得交界线称作位错。分为刃型位错与螺型位错。错。刃型位错刃型位错:当一个完整晶体某晶面以上得某处多出半当一个完整晶体某晶面以上得某处多出半个原子面个原子面,该晶面象刀刃一样切入晶体该晶面象刀刃一样切入晶体,这个多余原这个多余原子面得边缘就就是刃型位错。子面得边缘就就是刃型位错。半原子面在滑移面以上得称正位错半原子面在滑移面以上得称正位错,用用“”表示表示半原子面在滑移面以下得称负位错半原子面在滑移面以下得称负位错,用用“”表示表示 螺位错螺位错:一个晶体得某一部分相对于其余部分一个晶体得某一部分相对于其余部分发生滑移发生滑移,原子面沿着中央轴线盘旋上升原子面沿着中央轴线盘旋上升,每绕每绕轴线一周轴线一周,原子面上升一个晶面间距原子面上升一个晶面间距,即为螺型即为螺型位错。位错。刃型位错与螺型位错刃型位错与螺型位错v刃位错得形成刃位错得形成位错密度位错密度:单位体积内所包含得单位体积内所包含得位错线总长度。位错线总长度。=S/V(cm/cm3或或1/cm2)金属得位错密度为金属得位错密度为1041012/cm2位错对性能得影响位错对性能得影响:金属得塑性金属得塑性变形主要由位错运动引起变形主要由位错运动引起,因此因此阻碍位错运动就是强化金属得阻碍位错运动就是强化金属得主要途径。主要途径。减少或增加位错密度都可以提减少或增加位错密度都可以提高金属得强度。高金属得强度。v金属晶须金属晶须v 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界晶界就是不同位向晶粒得过度部位晶界就是不同位向晶粒得过度部位,宽度为宽度为510个个原子间距原子间距,位向差一般为位向差一般为2040。晶界得特点晶界得特点:原子排列不规则。原子排列不规则。熔点低。熔点低。耐蚀性差。耐蚀性差。易产生内吸附易产生内吸附,外来原子外来原子易在晶界偏聚。易在晶界偏聚。阻碍位错运动阻碍位错运动,就是强化就是强化部位部位,因而实际使用得金属因而实际使用得金属力求获得细晶粒。力求获得细晶粒。就是相变得优先形核部就是相变得优先形核部位位 v显微组织的显示显微组织的显示v亚晶粒亚晶粒v大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界v位错壁位错壁亚晶粒就是组成晶粒得尺寸亚晶粒就是组成晶粒得尺寸很小很小,位向差也很小位向差也很小(10 2 )得小晶块。得小晶块。实际金属得晶体结构实际金属得晶体结构v单晶体单晶体:各方向上得原子密度不同各方向上得原子密度不同各向各向异性异性 v多晶体多晶体:晶粒方向性互相抵消晶粒方向性互相抵消各向同性各向同性 v塑性成形所用得金属材料绝大多数为多晶塑性成形所用得金属材料绝大多数为多晶体体,其变形过程比单晶体复杂得多。其变形过程比单晶体复杂得多。一一 塑性变形机理塑性变形机理多晶体得塑性变形方式多晶体得塑性变形方式晶内变形晶内变形晶间变形晶间变形滑移滑移孪生孪生滑动滑动转动转动以晶内变形为主以晶内变形为主,晶间变形对晶内变形起协调作用。晶间变形对晶内变形起协调作用。多晶体塑性变形得分类多晶体塑性变形得分类主要方式主要方式:滑移滑移:晶体在力得作用下晶体在力得作用下,晶体得一部分沿一定得晶体得一部分沿一定得晶面与晶向相对于晶体得另一部分发生得相对移晶面与晶向相对于晶体得另一部分发生得相对移动或切变动或切变孪生孪生:晶体在切应力作用下晶体在切应力作用下,晶体得一部分沿着晶体得一部分沿着一定得晶面一定得晶面(孪生面孪生面)与一定得晶向与一定得晶向(孪生方向孪生方向)发生均匀切变发生均匀切变1 1、晶内变形晶内变形滑移面示意图滑移面示意图所谓滑移所谓滑移,就是指晶体就是指晶体(单晶体或构成多晶体单晶体或构成多晶体中得一个晶粒中得一个晶粒)在力得作用下在力得作用下,晶体得一部分晶体得一部分沿一定得晶面与晶向沿一定得晶面与晶向,相对于晶体得另一部分相对于晶体得另一部分发生得相对移动或切变。发生得相对移动或切变。这些晶面与晶向分别称为滑移面与滑移方向。这些晶面与晶向分别称为滑移面与滑移方向。滑移面与滑移方向得组合称为滑移系滑移面与滑移方向得组合称为滑移系(滑移系滑移系得存在只说明金属晶体长生滑移得可能性得存在只说明金属晶体长生滑移得可能性)滑移得定义滑移得定义v切应力作用下得变形切应力作用下得变形滑移面、滑移方向与滑移系滑移面、滑移方向与滑移系一般地说一般地说,滑移总就是沿着原子密度最大滑移总就是沿着原子密度最大得晶面与晶向发生得晶面与晶向发生,沿原子排列最密集得沿原子排列最密集得方向滑移阻力最小方向滑移阻力最小,最容易成为滑移方向。最容易成为滑移方向。滑移系多得金属要比滑移系少得金属滑移系多得金属要比滑移系少得金属,变变形协调性好、塑性高。形协调性好、塑性高。滑移面对温度具有敏感性滑移面对温度具有敏感性:温度升高温度升高,金属金属出现新得滑移系出现新得滑移系,塑性相应得提高。塑性相应得提高。滑移面、滑移方向滑移面、滑移方向(a)3、25%Si-Fe单晶体中得平直滑移带。单晶体中得平直滑移带。取自取自Hull,proc、vRoy,Soc、A274,5(1963)、(b)垂直于垂直于(a)中所示表面中所示表面,且且v通过滑移带得截面示意图。每条滑移带就是由平行于滑移通过滑移带得截面示意图。每条滑移带就是由平行于滑移v面面,且紧密排列得大量滑移台阶所构成。且紧密排列得大量滑移台阶所构成。v滑移带滑移带vavb令令=coscoscoscos,称为取向因子。称为取向因子。当当=45=45,则则=maxmax=0=0、5 5,=maxmax=/2=/2。此意味着该滑移系处于最。此意味着该滑移系处于最佳取向佳取向,其上得切应力分量最有利于优先达到其上得切应力分量最有利于优先达到临界值而发生滑移临界值而发生滑移,这种取向称为软取向这种取向称为软取向;而当而当=90=90,=0=0或或=0=0,=90=90时时,=0=0此时无论此时无论多大多大,滑移得驱动力恒滑移得驱动力恒等于零等于零,处于此取向得滑移系不能发生滑移处于此取向得滑移系不能发生滑移,这这种取向称为硬取向。种取向称为硬取向。滑移时晶体得取向滑移时晶体得取向临界切应力得大小临界切应力得大小,取决于金属得类型、取决于金属得类型、纯度、晶体结构得完整性、变形温度、纯度、晶体结构得完整性、变形温度、应变速率、与预先变形程度等因素。应变速率、与预先变形程度等因素。滑移系上所受得切应力分量取决于取向滑移系上所受得切应力分量取决于取向因子因子临界切应力临界切应力晶体在滑移过程中晶体在滑移过程中,由于受到外界得约束作由于受到外界得约束作用会发生转动用会发生转动就单晶体拉伸变形来说就单晶体拉伸变形来说,滑移面会力图向拉滑移面会力图向拉力方向转动而滑移方向则力图向最大切应力方向转动而滑移方向则力图向最大切应力分量方向转动力分量方向转动对于多晶体对于多晶体,晶粒被拉长得同时晶粒被拉长得同时,滑移面与滑滑移面与滑移方向也朝一定方向转动移方向也朝一定方向转动,各晶粒调整其方各晶粒调整其方位而趋于一致位而趋于一致滑移时晶体得转动滑移时晶体得转动v19261926,弗兰克尔弗兰克尔,估算了晶体得剪切强度估算了晶体得剪切强度:v假设假设:理想晶体两排原子相距为理想晶体两排原子相距为a a,同排原子间距为同排原子间距为b b。原子在平衡位置时。原子在平衡位置时,能量处于最低得位置。在能量处于最低得位置。在外力外力 作用下作用下,原子偏离平衡位置时原子偏离平衡位置时,能量上升能量上升,原原子能量随位置得变化为一余弦函数。子能量随位置得变化为一余弦函数。v通过计算晶体得临界剪切应力通过计算晶体得临界剪切应力,并与实际得临界剪并与实际得临界剪切应力进行比较切应力进行比较,人们发现人们发现,理论计算得剪切强度理论计算得剪切强度比实验所得到得剪切强度要高一千倍以上。比实验所得到得剪切强度要高一千倍以上。位错理论位错理论 材料理论强度(G/30)/Gpa实验强度/MPa理论强度/实验强度银铝铜镍铁钼铌镉镁(柱面滑移)钛(柱面滑移)铍(基面滑移)铍(柱面滑移)2、64 2、37 4、10 6、70 7、10 11、33 3、48 2、07 1、47 3、54 10、32 10、32 0、37 0、78 0、49 3、27、35 27、5 71、6 33、3 0、57 39、2 13、7 1、37 5、2 7 3 8 2 3 2 1 4 4 3 8 2v一些金属材料得实验屈服强度与理论屈服强度一些金属材料得实验屈服强度与理论屈服强度位错理论位错理论v为了解释这种理论值与实际值得差别为了解释这种理论值与实际值得差别,19341934年泰勒年泰勒(G G、I I、TaylorTaylor)、奥罗万、奥罗万(E E、OrowanOrowan)、与波兰伊、与波兰伊(MM、PolanyiPolanyi)几乎在同一时间内几乎在同一时间内,分别提出了位错分别提出了位错假设。她们认为在晶体内存在着一种线缺陷假设。她们认为在晶体内存在着一种线缺陷,她在她在剪切应力下更容易滑移剪切应力下更容易滑移,并引起塑性变形。随着实并引起塑性变形。随着实验手段得不断发展验手段得不断发展,越来越多得事实证明了位错得越来越多得事实证明了位错得存在存在,形成了一种位错理论。在随后得几十年中形成了一种位错理论。在随后得几十年中,这种位错理论在金属塑性变形得微观研究上获得这种位错理论在金属塑性变形得微观研究上获得了很大发展。了很大发展。v位错理论得发展也促进了晶界理论、晶体缺陷等位错理论得发展也促进了晶界理论、晶体缺陷等理论得发展。理论得发展。位错得运动示意位错得运动示意位错得运动就像毛虫爬行一样位错得运动就像毛虫爬行一样,就是局部区域先滑移就是局部区域先滑移,并逐步扩大并逐步扩大,而不就是理想得刚性滑动而不就是理想得刚性滑动位错理论得基本概念、柏氏矢量(Burgersv(a)围绕一刃型位错得柏氏迥路围绕一刃型位错得柏氏迥路;(b)完整晶体中完整晶体中v 得相同迥路得相同迥路;迥路缺损即为柏氏矢量。迥路缺损即为柏氏矢量。v(a)围绕一刃型位错得柏氏迥路围绕一刃型位错得柏氏迥路;(b)完整晶体中完整晶体中v 得相同迥路得相同迥路;迥路缺损即为柏氏矢量。迥路缺损即为柏氏矢量。柏氏矢量柏氏矢量刃形位错得柏氏矢量与位错线垂直刃形位错得柏氏矢量与位错线垂直螺形位错得柏氏矢量与位错线平行螺形位错得柏氏矢量与位错线平行2 位错得攀移位错得攀移螺型位错无攀移螺型位错无攀移正攀移正攀移正刃型位错位错线上移正刃型位错位错线上移 负刃型位错位错线下移负刃型位错位错线下移3 位错得交滑移位错得交滑移刃型位错无攀移刃型位错无攀移对于螺型位错对于螺型位错,所有包含位错线得晶面都可所有包含位错线得晶面都可能成为滑移面。能成为滑移面。交滑移交滑移:螺形位错得柏氏矢量具有一定得灵螺形位错得柏氏矢量具有一定得灵活性活性,当滑移受阻就是当滑移受阻就是,可离开原滑移面而沿可离开原滑移面而沿另一晶面继续移动另一晶面继续移动 双交滑移双交滑移:发生交滑移得位错发生交滑移得位错,滑移再次受阻滑移再次受阻,而转到与第一次得滑移面平行得得晶面继续而转到与第一次得滑移面平行得得晶面继续滑移滑移刃型位错不可能产生交滑移刃型位错不可能产生交滑移4 位错得交割位错得交割两根刃型位错线都在各自得滑移面上移动两根刃型位错线都在各自得滑移面上移动,则在相遇后交截分别形成各界则在相遇后交截分别形成各界,形成割阶后形成割阶后仍分别在各自得平面内运动。仍分别在各自得平面内运动。刃型位错与螺型位错交割时刃型位错与螺型位错交割时,在各自得位错在各自得位错线上形成刃型割阶线上形成刃型割阶,位错线也能继续滑移。位错线也能继续滑移。螺型位错与螺型位错交割时螺型位错与螺型位错交割时,相交后形成得相交后形成得两个割阶被钉住而不能移动两个割阶被钉住而不能移动,只能通过攀移只能通过攀移才能使割阶移动。才能使割阶移动。5 位错得增殖位错得增殖6 位错塞积位错塞积当运动位错遇上障碍物时当运动位错遇上障碍物时,若外加应力不够若外加应力不够大大,就被阻止在障碍物前就被阻止在障碍物前,构成位错塞积构成位错塞积要使塞积位错群越过障碍物继续滑移要使塞积位错群越过障碍物继续滑移,必须必须增大外应力增大外应力,这就是加工硬化得原因之一。这就是加工硬化得原因之一。vCu-4.5Al合金晶界的位错合金晶界的位错塞积塞积孪生孪生 孪生就是单晶孪生就是单晶体塑性变形得体塑性变形得另一种方式。另一种方式。孪生就是以晶孪生就是以晶体中得一定得体中得一定得晶面晶面(称为孪称为孪晶面晶面)沿着一沿着一定得晶向定得晶向(孪孪生方向生方向)移动移动而发生得。而发生得。孪生孪生在常温下在常温下,大多数体心立方金属滑移得临大多数体心立方金属滑移得临界切应力小于孪生界切应力小于孪生,故滑移就是优先得变故滑移就是优先得变形方式形方式;在很低得温度下则相反在很低得温度下则相反,孪生才孪生才能发生能发生对于面心立方金属对于面心立方金属,孪生得临界切应力比孪生得临界切应力比滑移大滑移大,一般不发生孪生一般不发生孪生;在极低得温度下在极低得温度下或高速冲击载荷下或高速冲击载荷下,孪生才有可能发生孪生才有可能发生密排六方金属由于滑移系少密排六方金属由于滑移系少,滑移难以进滑移难以进行行,主要靠孪生方式变形主要靠孪生方式变形滑移与孪生滑移与孪生有什么异同有什么异同点？点？2、晶间变形、晶间变形晶间变形得主要方式就是晶粒之间得相互滑动与转晶间变形得主要方式就是晶粒之间得相互滑动与转动动晶粒之间得滑动与转动晶粒之间得滑动与转动晶间变形晶间变形晶间变形不能简单得看成就是经接触得晶间变形不能简单得看成就是经接触得相对机械滑动相对机械滑动,而就是晶界附近具有一定而就是晶界附近具有一定厚度得区域内发生应变得结果。厚度得区域内发生应变得结果。在冷态变形条件下在冷态变形条件下,多晶体得塑性变形主多晶体得塑性变形主要就是晶内变形要就是晶内变形,晶间变形知其次要得作晶间变形知其次要得作用用,而且需要其她得机制相协调。而且需要其她得机制相协调。二、塑性成形得特点二、塑性成形得特点v受晶界与晶粒位向得影响较大受晶界与晶粒位向得影响较大 多晶体塑性变形得抗力比单晶体高多晶体塑性变形得抗力比单晶体高;多晶体内晶粒越细多晶体内晶粒越细,晶界总面积就越大晶界总面积就越大,金属强度越高金属强度越高,塑性越好。塑性越好。v多晶体变形不均匀性多晶体变形不均匀性 晶粒受位向与晶界得约束晶粒受位向与晶界得约束,变形先后不一致变形先后不一致,导致变形不导致变形不均匀。均匀。由于变形不均匀由于变形不均匀,晶粒内部与晶粒之间存在不同得内应晶粒内部与晶粒之间存在不同得内应力力,变形结束后不会消失变形结束后不会消失,构成残余应力。构成残余应力。v综上综上,即塑性变形具有不同时性即塑性变形具有不同时性,相互协调性以及不均匀相互协调性以及不均匀 性。性。晶粒大小对金属塑性与变形抗力得影晶粒大小对金属塑性与变形抗力得影响响晶粒越细小晶粒越细小,金属屈服强度越大金属屈服强度越大晶粒越小晶粒越小,金属塑性越好金属塑性越好晶粒细化对提高塑性成形件得表面质量晶粒细化对提高塑性成形件得表面质量有利有利v晶粒大小晶粒大小三、合金得塑性变形三、合金得塑性变形v合金得相结构有两大类合金得相结构有两大类:固溶体固溶体(如钢中得如钢中得铁素体、铜锌合金中得铁素体、铜锌合金中得 相相)与化合物与化合物(如钢如钢中得中得FeFe3 3C C、铜锌合金中得、铜锌合金中得 相相)v常见得合金组织常见得合金组织:单相固溶体合金、两相或单相固溶体合金、两相或多相合金多相合金单相固溶体合金得塑性变形单相固溶体合金得塑性变形固溶强化固溶强化:异类原子以置换或间隙方式溶入基异类原子以置换或间隙方式溶入基体合金体合金,对金属得变形行为产生影响对金属得变形行为产生影响,使变形抗使变形抗力与加工硬化率有所提高力与加工硬化率有所提高,塑性有所下降得现塑性有所下降得现象象柯氏气团柯氏气团:溶质原子很容易吸附到位错得附近溶质原子很容易吸附到位错得附近,使位错更稳定使位错更稳定,对位错起钉扎作用。对位错起钉扎作用。多相合金得塑性变形多相合金得塑性变形按照第二相粒子得尺寸大小按照第二相粒子得尺寸大小,可将其分为可将其分为聚合型两相合金聚合型两相合金:第二相粒子得尺寸与基第二相粒子得尺寸与基体相晶粒尺寸属于同一数量级体相晶粒尺寸属于同一数量级弥散分布型两相合金弥散分布型两相合金:第二相粒子十分微第二相粒子十分微小小,并弥散地分布在基体晶粒内并弥散地分布在基体晶粒内聚合型两相合金得塑性变形聚合型两相合金得塑性变形此类合金并非都因第二相而产生强化此类合金并非都因第二相而产生强化,只有第只有第二相较强时二相较强时,合金才能得到强化合金才能得到强化滑移首先发生于较弱相中滑移首先发生于较弱相中较强相数量很少较强相数量很少,变形基本在较弱相中进行变形基本在较弱相中进行较强相体积分数达到较强相体积分数达到30%,两相以接近于相等得两相以接近于相等得应变发生变形应变发生变形较强相体积分数高于较强相体积分数高于70%,该相变为基体相该相变为基体相弥散型两相合金得塑性变形弥散型两相合金得塑性变形当第二相以细小弥散得微粒均匀分布于基当第二相以细小弥散得微粒均匀分布于基体相中时体相中时,将产生显著得硬化现象将产生显著得硬化现象沉淀强化沉淀强化(时效强化时效强化):第二相微粒就是第二相微粒就是通过对过饱与固溶体得时效处理而沉淀通过对过饱与固溶体得时效处理而沉淀析出并产生强化析出并产生强化弥散强化弥散强化:第二相微粒就是借助粉末冶第二相微粒就是借助粉末冶金方法加入而起强化作用金方法加入而起强化作用四、冷变形对金属组织与性能得四、冷变形对金属组织与性能得影响影响(一一)组织得变化组织得变化晶粒形状得变化晶粒形状得变化:金属经冷加工变形后金属经冷加工变形后,其晶粒其晶粒形状发生变化形状发生变化,变化趋势大体与金属宏观变形变化趋势大体与金属宏观变形一致。一致。晶粒内产生亚结构晶粒内产生亚结构晶粒位相改变晶粒位相改变(变形织构变形织构:多晶体中原为任意取多晶体中原为任意取向得各个晶粒向得各个晶粒,会逐渐调整其取向而彼此趋于会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。这种由于塑性变形得结果而使晶粒具有一致。这种由于塑性变形得结果而使晶粒具有择优取向得组织择优取向得组织)拉拔时产生丝织构拉拔时产生丝织构,轧制时产生板织构轧制时产生板织构(变形织变形织构经退火后与各向异性仍然存在构经退火后与各向异性仍然存在)纤维组织 亚晶粒变形 织构晶粒转动使滑移方向与外力(剪切力)方向趋于一致 v各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板“制制耳耳”v有有v无无冷变形对金属组织与性能得影响冷变形对金属组织与性能得影响(二二)性能得变化性能得变化加工硬化加工硬化:随变形程度得增加随变形程度得增加,金属强度、金属强度、硬度增加硬度增加,而塑性韧性降低得现象而塑性韧性降低得现象,称为称为加工硬化。加工硬化。加工硬化在金属得塑性成形加工中加工硬化在金属得塑性成形加工中,会会使变形力显著增加使变形力显著增加,对成形工件与模具对成形工件与模具都有一定得损害作用都有一定得损害作用;但利用金属加工但利用金属加工硬化得性质硬化得性质,对材料进行预处理对材料进行预处理,会使其会使其力学性能提高力学性能提高产生加工硬化得原因就是产生加工硬化得原因就是:1、随变形量增加、随变形量增加,位错密度增加位错密度增加,由于位错由于位错之间得交互作用之间得交互作用(堆积堆积、缠结缠结),使变形抗力增使变形抗力增加加、v位错密度与强度关位错密度与强度关系系2、随变形量增加随变形量增加,亚结构细化亚结构细化3、随变形量增加随变形量增加,空位密度增加空位密度增加4、几何硬化几何硬化:由晶粒转动引起由晶粒转动引起加工硬化意义加工硬化意义:1 由于加工硬化由于加工硬化,使已变形部分发生硬化而停止变使已变形部分发生硬化而停止变形形,而未变形部分开始变形。没有加工硬化而未变形部分开始变形。没有加工硬化,金属金属就不会发生均匀塑性变形。就不会发生均匀塑性变形。2 加工硬化就是强化金属得重要手段之一加工硬化就是强化金属得重要手段之一,对于不对于不能热处理强化得金属与合金尤为重要。能热处理强化得金属与合金尤为重要。回复与再结晶回复与再结晶一、冷变形金属在加热时得组织与性能变化一、冷变形金属在加热时得组织与性能变化 金属经冷变形后金属经冷变形后,组织处于不稳定状态组织处于不稳定状态,有自发恢复有自发恢复到稳定状态得倾向到稳定状态得倾向。但在常温下但在常温下,原子扩散能力小原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加增加,金属将依次发生回复、再结晶与晶粒长大。金属将依次发生回复、再结晶与晶粒长大。v加热温度加热温度 v黄黄铜铜 回复回复回复就是指在加热温度较低回复就是指在加热温度较低时时,由于金属中得点缺陷及位由于金属中得点缺陷及位错近距离迁移而引起得晶内错近距离迁移而引起得晶内某些变化。如空位与其她缺某些变化。如空位与其她缺陷合并、同一滑移面上得异陷合并、同一滑移面上得异号位错相遇合并而使缺陷数号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。量减少等。在回复阶段在回复阶段,金属组织变金属组织变化不明显化不明显,其强度、硬度其强度、硬度略有下降略有下降,塑性略有提高塑性略有提高,但内应力、电阻率等显但内应力、电阻率等显著下降。著下降。工业上工业上,常利用回复现象常利用回复现象将冷变形金属低温加热将冷变形金属低温加热,既稳定组织又保留加工既稳定组织又保留加工硬化硬化,这种热处理方法称这种热处理方法称去应力退火。去应力退火。再结晶再结晶当变形金属被加热到较当变形金属被加热到较高温度时高温度时,由于原子活由于原子活动能力增大动能力增大,晶粒得形晶粒得形状开始发生变化状开始发生变化,由破由破碎拉长得晶粒变为完整碎拉长得晶粒变为完整得等轴晶粒。得等轴晶粒。这种冷变形组织在加热这种冷变形组织在加热时重新彻底改组得过程时重新彻底改组得过程称再结晶。称再结晶。v铁素体变形铁素体变形80%v670加热加热v650加热加热再结晶也就是一个晶核形成与长大得过程再结晶也就是一个晶核形成与长大得过程,但不就但不就是相变过程是相变过程,再结晶前后新旧晶粒得晶格类型与成再结晶前后新旧晶粒得晶格类型与成分完全相同。分完全相同。v由于再结晶后组织得复原由于再结晶后组织得复原,因而金属得强度、硬度因而金属得强度、硬度下降下降,塑性、韧性提高塑性、韧性提高,加工硬化消失。加工硬化消失。再结晶完成后再结晶完成后,若继续升若继续升高加热温度或延长保温时高加热温度或延长保温时间间,将发生晶粒长大将发生晶粒长大,这就这就是一个自发得过程。是一个自发得过程。v黄铜再结晶后晶粒的长黄铜再结晶后晶粒的长大大v580C保温保温8秒后的组织秒后的组织v580580C C保温保温1515分后的组织分后的组织v700700C C保温保温1010分后的组织分后的组织黄铜再结晶与晶粒长大各个阶段得金相照片黄铜再结晶与晶粒长大各个阶段得金相照片v冷变形量为冷变形量为38的组织的组织v580C保温保温3秒后的组秒后的组织织v580C保温保温4秒后的组秒后的组织织v580C保温保温8秒后的组秒后的组织织v580C保温保温15分后的组织分后的组织v700C保温保温10分后的组织分后的组织由于再结晶后组织得复由于再结晶后组织得复原原,因而金属得强度、硬因而金属得强度、硬度下降度下降,塑性、韧性提高塑性、韧性提高,加工硬化消失。加工硬化消失。v冷变形黄铜组织性能随温度的变冷变形黄铜组织性能随温度的变化化 第二节第二节 金属热态下得塑性变形金属热态下得塑性变形热塑性变形得定义热塑性变形得定义:从金属学得角度看从金属学得角度看,再结晶再结晶温度以上进行得塑性变形温度以上进行得塑性变形,称为热塑性变形或称为热塑性变形或热塑性加工。热塑性加工。在热塑性变形过程中在热塑性变形过程中,回复、再结晶与加工硬化同回复、再结晶与加工硬化同时发生时发生,加工硬化不断被回复或再结晶所抵消加工硬化不断被回复或再结晶所抵消,而而使金属处于高塑性、低变形抗力得软化状态。使金属处于高塑性、低变形抗力得软化状态。一、热塑性变形时得软化过程一、热塑性变形时得软化过程热塑性变形时得软化过程比较复杂。按热塑性变形时得软化过程比较复杂。按其性质可分为以下几种其性质可分为以下几种:动态回复动态回复,动态动态再结晶再结晶,静态回复静态回复,静态再结晶静态再结晶,亚动态亚动态再结晶等。再结晶等。动态回复与动态再结晶就是在热塑性变动态回复与动态再结晶就是在热塑性变形过程中发生得形过程中发生得;而静态回复、静态再而静态回复、静态再结晶与亚动态再结晶则就是在热变形得结晶与亚动态再结晶则就是在热变形得间歇期间或热变形后间歇期间或热变形后,利用金属得高温利用金属得高温余热进行得。余热进行得。动态回复动态回复动态回复就是在热塑性变形过程中发生动态回复就是在热塑性变形过程中发生得回复得回复动态回复主要就是通过位错得攀移、交动态回复主要就是通过位错得攀移、交滑移等来完成滑移等来完成动态再结晶动态再结晶动态再结晶就是在热塑性变形过程中发动态再结晶就是在热塑性变形过程中发生得结晶生得结晶动态再结晶后得晶粒度与变形温度、应动态再结晶后得晶粒度与变形温度、应变速率与变形程度等因素有关变速率与变形程度等因素有关二、热塑性变形机理二、热塑性变形机理金属热塑性变形机理主要有金属热塑性变形机理主要有:晶内滑移、晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移与扩散蠕变等。晶内孪生、晶界滑移与扩散蠕变等。晶内滑移就是最主要与常见得晶内滑移就是最主要与常见得;孪生多在高温高速变形时发生孪生多在高温高速变形时发生,但对于六但对于六方晶系金属方晶系金属,这种机理也起重要作用这种机理也起重要作用;扩散蠕变只在高温变形时才发挥作用扩散蠕变只在高温变形时才发挥作用扩散性蠕变扩散性蠕变 扩散性蠕变就是在应力场作用下扩散性蠕变就是在应力场作用下,由空位得由空位得定向移动所引起得。在应力场作用下定向移动所引起得。在应力场作用下,受拉应受拉应力得晶界力得晶界(特别就是与拉应力相垂直得晶界特别就是与拉应力相垂直得晶界)得空位浓度高于其她部位得晶界。由于各部得空位浓度高于其她部位得晶界。由于各部位空位得化学势能差位空位得化学势能差,引起空位得定向移动引起空位得定向移动,即空位从垂直于拉应力得晶界放出即空位从垂直于拉应力得晶界放出,而被平行而被平行于拉应力得晶界所吸收。于拉应力得晶界所吸收。扩散性蠕变扩散性蠕变按扩散途径得不同按扩散途径得不同,可分为晶内扩散与晶界扩可分为晶内扩散与晶界扩散。晶内扩散引起晶粒在拉应力方向上得伸散。晶内扩散引起晶粒在拉应力方向上得伸长变形长变形,或在受压方向上得缩短变形或在受压方向上得缩短变形;而晶界而晶界扩散引起晶粒得扩散引起晶粒得“转动转动”三、双相合金热塑性变形得特三、双相合金热塑性变形得特点点对于弥散型双相合金对于弥散型双相合金,第二相粒子除直接对基体相得变第二相粒子除直接对基体相得变形产生影响外形产生影响外,还会通过对合金得再结晶行为得影响而还会通过对合金得再结晶行为得影响而对热塑性变形产生影响对热塑性变形产生影响对于聚合型得双相合金对于聚合型得双相合金,由于各相得性能与体积百分数由于各相得性能与体积百分数得不同得不同,同样会对热变形时得再结晶行为产生影响同样会对热变形时得再结晶行为产生影响两相合金热变形时两相合金热变形时,在较大得变形程度条件下在较大得变形程度条件下,可将粗可将粗大得第二相打碎、并改变其分布状况大得第二相打碎、并改变其分布状况,使第二相使第二相(包括包括夹杂物夹杂物)呈带状呈带状双相合金热变形时双相合金热变形时,由于具备有利得原子扩散条件由于具备有利得原子扩散条件,会会使第二相得形态发生改变使第二相得形态发生改变当第二相为低熔点纯金属相或低熔点共晶体分布于晶当第二相为低熔点纯金属相或低熔点共晶体分布于晶界时界时,则热变形时会局部熔化则热变形时会局部熔化,造成金属得热脆性造成金属得热脆性,在热在热锻、热轧时容易沿晶界开裂锻、热轧时容易沿晶界开裂四、热塑性变形对金后组织与性四、热塑性变形对金后组织与性能得影响能得影响改善晶粒组织改善晶粒组织锻合内部缺陷锻合内部缺陷破碎并改善碳化物与非金属夹杂物在钢破碎并改善碳化物与非金属夹杂物在钢中得分布中得分布形成纤维组织形成纤维组织改善偏析改善偏析第三节第三节 金属得超塑性变形金属得超塑性变形使金属处于特定得条件下使金属处于特定得条件下,如一定得化学成分、如一定得化学成分、特定得显微组织及转变能力、特定得变形温度特定得显微组织及转变能力、特定得变形温度与应变速率等与应变速率等,则金属会表现出异乎寻常得高则金属会表现出异乎寻常得高塑性状态塑性状态,即所谓超塑性变形状态。即所谓超塑性变形状态。优越性优越性:能极大地发挥材料塑性潜力与大大降能极大地发挥材料塑性潜力与大大降低变形抗力低变形抗力,从而有利于复杂零件得精确成形。从而有利于复杂零件得精确成形。对于像钦合金、铝合金、镁合金、合金钢与高对于像钦合金、铝合金、镁合金、合金钢与高温合金等较难成形得金属材料得成形温合金等较难成形得金属材料得成形,尤其具尤其具有重要意义。有重要意义。一、超塑性得概念与种类一、超塑性得概念与种类所谓超塑性所谓超塑性,可以理解为金属与合金具有超可以理解为金属与合金具有超常常得均匀变形能力得均匀变形能力,一般有以下定义方式一般有以下定义方式大伸长率大伸长率:达到百分之几百、甚至百分之达到百分之几百、甚至百分之几千几千拉伸时无颈缩拉伸时无颈缩无流动应力无流动应力易成形易成形基本上无加工硬化基本上无加工硬化分类分类经常归纳为细晶超塑性与相变超塑性经常归纳为细晶超塑性与相变超塑性细晶超塑性细晶超塑性:材料得晶粒必须超细化与等轴化材料得晶粒必须超细化与等轴化,并在成形期间保持稳定并在成形期间保持稳定,晶粒细化得程度要求晶粒细化得程度要求小于小于10m,越小越好越小越好;恒温条件得下限温度约为恒温条件得下限温度约为0、5Tm。(Tm为绝对熔化温度为绝对熔化温度),一般为一般为0、50、7Tm;应变速率在应变速率在10-110-5s-1范围内范围内、由于这种由于这种超塑性得特点就是先使金属经过必要得组织结超塑性得特点就是先使金属经过必要得组织结构准备构准备,又就是在特定得恒温条件下出现得又就是在特定得恒温条件下出现得,故故又称为结构超塑性或恒温超塑性又称为结构超塑性或恒温超塑性分类分类动态超塑性动态超塑性(相变超塑性相变超塑性)在一定得外力作用下在一定得外力作用下,使金属或合金在相变温使金属或合金在相变温度附近反复加热与冷却度附近反复加热与冷却,使其充分相变或同素使其充分相变或同素异构转变异构转变,而获得很大得伸长率而获得很大得伸长率两种超塑性得比较两种超塑性得比较:相变超塑性相变超塑性她不要求材料进行晶粒得超细化、她不要求材料进行晶粒得超细化、等轴化与稳定化得预先处理等轴化与稳定化得预先处理,这就是其有利得这就是其有利得一面一面但就是相变超塑性必须给予动态热循环作用但就是相变超塑性必须给予动态热循环作用,这就构成操作上得一大缺点这就构成操作上得一大缺点,较难应用于超塑较难应用于超塑性成形加工性成形加工二、细晶超塑性变形力学特征二、细晶超塑性变形力学特征1 由于没有加工硬化其应力由于没有加工硬化其应力-应变曲线变为应变曲线变为如下如下2 流动应力对变形速率极其敏感流动应力对变形速率极其敏感Y为真实应力为真实应力K实验条件常数实验条件常数m应变速率敏感系数应变速率敏感系数 为应变速率为应变速率三、影响细晶超塑性得主要因三、影响细晶超塑性得主要因素素细晶超塑性材料对影响因素得影响相当敏细晶超塑性材料对影响因素得影响相当敏感感,只在严格要求得条件下才表现出超塑性只在严格要求得条件下才表现出超塑性应变速率应变速率变形温度变形温度组织影响组织影响四、超塑性时组织得变化与对力四、超塑性时组织得变化与对力学性能得影响学性能得影响(一一)组织变化组织变化晶粒会发生长大晶粒会发生长大,但等轴度基本不变但等轴度基本不变在最佳超塑性应变速率范围内在最佳超塑性应变速率范围内,不形成亚不形成亚结构结构,也未发现位错也未发现位错许多合金会产生空洞许多合金会产生空洞超塑性时组织得变化与对力学性超塑性时组织得变化与对力学性能得影响能得影响(二二)对力学性能得影响对力学性能得影响不存在织构不存在织构,不产生各向异性不产生各向异性,具有较高具有较高得抗应力腐蚀性能得抗应力腐蚀性能不存在弹性畸变能不存在弹性畸变能,没有残余应力没有残余应力存在加工软化现象存在加工软化