2物理基础

1第12章金属塑性成形的物理基础本章内容：从微观结构microstructure角度来分析塑性变形机理——即位错理论，并分析冷、热塑性变形时金属的表现——回复和再结晶及影响因素。本章重点：金属塑性影响因素及改善方法，变形抗力影响因素及改善方法12．1单晶体塑性变形机制12．1．1金属的晶体结构固体中的原子：有序排列------晶体crystal无序排列------非晶体有关概念：晶格lattice、晶胞、晶格常数latticegeometry12．1．1．1晶胞结构面心立方（4原子/晶胞）：Ag,Al,Au,Ni,Cu,Pb,r-Fe2体心立方（2原子/晶胞）：Cr,V,Mo,W,α-Fe密排六方（6原子/晶胞）：Zn,Mg,Cd12．1．1．2晶体结构单晶体——由晶胞堆积而成，各向异性实际金属——多晶体，微观各向异性anisotropic、宏观各向同性isotropic，存在缺陷defects。晶体缺陷crystaldefects：点缺陷：空位，间隙原子，杂质原子线缺陷：位错dislocation，包括刃型位错和螺型位错面缺陷：堆垛层错stackingfault，晶界，亚晶界（亚晶粒）12．1．2滑移滑移slip——应力超过弹性极限后，晶体的层片之间沿一定的晶面和晶向产生相对位移，且保3证滑移距离为原子间距整数倍、晶体继续完整。412．1．2．1滑移系滑移系=滑移面（原子密排面）×滑移方向（原子密排方向）面心立方：{111}4个面×1103个方向=12个滑移系体心立方：相对密排面6个×2个方向=12个滑移系密排六方：{0001}1个×11203个方向=3个滑移系512．1．2．2滑移的临界切应力能否滑移——取决于切应力coscosAF材料滑移的临界切应力coscossc612．1．2．3晶体转动晶体转动使滑移面与滑移方向趋于一致。12．1．2．4复滑移随着受力与变形，几个滑移系交替启动或同时进行。12．1．3孪生均匀切变且宽度较小，变形部分与未变形部分以孪晶面为分界面镜象对称。12．2位错理论12．2．1位错dislocation理想晶体刚性滑移时：aGb2max其中：G——切变弹性模量7切应力的计算值与实验测定值差3~4个数量级实际上晶体内存在缺陷——位错（50年代证实），切应力使位错移动而导致产生滑移。12．2．2位错种类刃型位错与螺型位错12．2．3位错的量化柏氏矢量BurgersVector刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直。螺型位错：柏氏矢量与位错线平行，存在位错的左旋和右旋。12．2．4位错的运动12．2．4．1滑移金属变形实质（4分40秒）刃型位错滑移与螺型位错滑移812．2．4．2攀移攀移：刃型位错特有12．2．4．3交滑移交滑移crossslip：螺型位错特有12．2．5位错的增殖增殖机制：Frank-Read位错源习题12章11、简述滑移和孪生两种塑性变形机理的主要区别。912．3多晶体的冷塑性变形12．3．1特点1)相互协调：变形体deformationbody内有利位向晶粒先滑移，不利位向晶粒后滑移，且各晶粒滑移要协调配合。2)晶界阻碍：晶界处畸变大，阻力大。3)不均匀性：晶粒之间与晶粒内部变形不均匀，引起应力。12．3．2机制晶内变形大：滑移+孪生晶间变形小：移动+转动12．3．3变形后组织与性能1）组织：形成纤维组织，变形织构变形后各晶粒的位向趋于一致，导致各向异性。2）性能：kaHB即——加工硬化1012．4加工硬化workhardening12．4．1现象与机理性能变化：晶内晶间变形，纤维组织，晶粒破碎，织构，不均匀应力。单晶曲线：1阶段——只有一组滑移系滑移2阶段——滑移面相交位错切割塞积3阶段——交滑移位错绕过障碍常见的单晶硬化曲线。多晶曲线：无１阶段，细晶加工硬化显著。12．4．2影响及应用kaHB45钢的加工硬化曲线有利：强化金属，改善工艺性。如拉深，冷拉钢丝。不利：继续变形困难。如多次拉深时的中间退火。1112．5回复与再结晶加工硬化组织加热——产生静态回复和静态再结晶，引起性能发生变化12．5．1软化过程的动力塑性变形——吸收机械能——内能升高——亚稳态（有向稳定态自发转变的趋势）——加热——克服能垒——转变（即软化过程的动力为储存能）12．5．2回复方法：冷塑变组织——加热0.1~0.3T熔——回复现象：缺陷减少，部分内应力消除，性能部分恢复。机制：低温下点缺陷运动与结合，中温下位错运动与抵消，高温下位错攀移与抵消。应用：去应力退火。1212．5．3再结晶方法：冷塑变组织——加热0.4~0.5T熔——再结晶形核与长大——无畸变新晶粒现象：完全消除加工硬化机制：亚晶界合并成新晶界，位错聚集成新晶界，晶界扫过高密度位错区。影响因素：温度0.4~0.5T熔，温度高则再结晶快，变形程度大则再结晶快，原始晶粒尺寸细则T再低，保温时间长则T再低，化学成分复杂则T再高。再结晶图：特别注意二次再结晶区域。再结晶图的主要用途：防止二次再结晶。习题12章3、4、6133、分析多晶体塑性变形的特点4、晶粒大小对金属塑性和变形抗力有何影响？6、冷塑性变形对金属组织和性能有何影响？12．6金属的热塑性变形12．6．1机理晶内变形：滑移+孪生晶间变形：移动+转动，比冷变形重要。热塑性与扩散塑性：较少。12．6．2组织与性能变化组织：流线，带状组织，纤维组织。性能：取决于晶粒大小，晶粒细则综合性能好。1412．6．3动态回复与动态再结晶热变形：一般T0.6T熔定义：在热变形时产生的回复与再结晶称动态回复与动态再结晶。作用：软化金属。组织：动态回复时伸长晶粒内形成等轴亚晶粒，动态再结晶与静态类似但HBb.。12．7金属的塑性及影响因素12．7．1塑性及塑性图塑性：固体金属在外力作用下发生永久变形而不破坏的能力。指标：延伸率δ，断面收缩率ψ试验：延伸率δ标准试样L/D=5,10；压缩程度ε标准试样H/D=1.5塑性图：实验得出1512．7．2金属本质对塑性的影响12．7．2．1化学成分chemicalconstitution一般规律：纯度高塑性好，杂质多塑性差。加入元素要具体分析：如钢中有含碳量C,P（冷脆）,S（热脆~900度）,N（兰脆~300度）,H（白点）,O，合金12．7．2．2组织结构单晶塑性好，单相塑性好，晶粒细塑性好，铸造组织塑性差。12．7．3变形温度一般规律：T上升——δ及ψ增加。原因为T上升——回复与再结晶，临界切应力下降，多相变单相，热塑变增强，晶界滑动加强。16特殊区域：如碳钢：~300℃兰脆~900℃热脆1250℃高温脆区12．7．4变形速度12．7．4．1热效应与温度效应变形速度：水压机1~10cm/s机械压力机30~100cm/s通用锻锤500~900cm/s热效应：变形能转化为热能温度效应：产生的热量使变形体温度升高主要结论：一般材料热变形时温度基本不变，冷变形时温度会升高。12．7．4．2对塑性的影响马鞍形规律原因：低中速时，速度增加，更多位错运动，来不及回复再结晶，塑性下降。中高速时，速度增加，温度效应增强，塑性上升。1712．7．4．3应用合理选择，提高变形速度，如高速锤。12．7．5应力状态压应力数目多，值越大，塑性越好原因：阻止晶界破坏，抑制裂纹，抵消拉应力，如精冲12．7．6其他因素周围介质影响，变形程度影响，尺寸大塑性低，摩擦大塑性低。12．7．7提高塑性途径提高塑性途径（4分10秒）温度、速度合理，增加压应力数目，材料均匀，变形均匀等。12．8变形抗力及影响因素12．8．1定义及指标定义：金属抵抗变形的力18指标：单向应力时用真实应力（流动应力）12．8．2影响因素12．8．2．1化学成分chemicalconstitution纯度高变形抗力低，杂质多变形抗力高。12．8．2．2组织结构micro-structure晶格变化，单相与多相，晶粒细变形抗力大12．8．2．3变形温度温度升高则临界切应力、变形抗力降低（但有例外）。12．8．2．4变形速度一方面：速度增加——发热率增加——抗力降低另一方面：速度增加——位错运动增加——抗力升高结论：反马鞍形变化，一般速度增加——抗力增加1912．8．2．5变形程度变形程度增加——加工硬化——抗力增加12．8．2．6应力状态stressstate压应力数目越多越大——抗力增加12．9超塑性成形superplasticity超塑性成形（5分10秒）超塑性成形的主要特征。习题12章7、14、157、产生加工硬化的原因是什么？它对金属的塑性和塑性加工有何影响？14、化学成分、组织状态、变形温度、变形程度对变形抗力有何影响？2015、应力状态对金属的塑性和变形抗力有何影响？返回目录