金属第二章

第二章金属塑性变形的物理基础本章重点塑性及其影响因素加工硬化基本概念塑性基本原理化学成分、组织结构、变形温度、变形速度、应力状态对金属塑性的影响★金属的结构单晶体结构（体心立方、面心立方、密排六方）实际多晶体结构（点缺陷、线缺陷、面缺陷）单晶体的塑性变形机构滑移，挛生位错理论的基本概念位错、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错运动与增值多晶体冷塑性变形的微观机理晶界、晶粒位向、晶内变形、晶间变形、变形不均匀性、变形后组织与性能的改变略有关基本内容参阅金属学及热处理2.1金属学的基本知识2.2加工硬化与回复、再结晶一、加工硬化加工硬化指经过塑性变形后，金属内部的组织结构和物理力学性能发生改变，其塑性、韧性下降，强度、硬度增加，继续变形的力提高的现象。微观上，加工硬化与金属内部的位错滑移、位错交割、位错塞积、交滑移以及晶粒的破碎与变化等有关。加工硬化的后果：强度提高，增加设备吨位；塑性下降，降低变形程度，增加变形工序和中间退火工序；强化金属材料（不能热处理的），提高金属零件的强度，改善冷塑性加工的工艺性能。二、回复、再结晶经冷塑性变形后金属产生加工硬化，如将变形后的金属加热到一定温度，又将产生软化，塑性韧性提高，强度硬度降低，即产生回复和再结晶—静态回复和再结晶。软化的动力：冷塑性变形时储存在金属晶体内部的能量。回复—经冷变形后的金属，当加热到（0.1~0.3)Tm（Tm为热力学温度）温度范围内时，金属的缺陷减少，物理性能逐渐恢复，部分内应力消除，力学性能得到不同程度恢复的过程。（消除应力退火）再结晶—经冷变形后的金属，当加热到一定[(0.4~0.5)Tm]温度时，通过再结晶核心的形成及晶核的长大，最终形成无畸变新晶粒的过程。再结晶过程的影响因素温度变形程度原始晶粒度保温时间金属的化学成分动态回复和动态再结晶—高温时的塑性变形，在变形过程的同时发生回复和再结晶。产生动态回复或动态再结晶主要决定于金属的成分和组织结构。热变形结束后，温度较高，还可产生静态回复和静态再结晶2.3金属的塑性及其影响因素一、金属的塑性与塑性指标金属的塑性指固体金属在外力的作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性的影响因素内部因素晶格类型化学成分晶相组织外部条件变形温度变形速度受力状态★塑性是一种状态、而不是一种性质塑性指标00100%hlll延伸率00100%hAAA断缩面收率00100%hCHHH压缩变形程度其它塑性指标：扭转、以及针对特定成形工艺的弯曲、拉深、翻边、胀形等相应的塑性指标。通用塑性指标平均可变形性？二、金属的化学成分和组织结构对塑性的影响1、晶格类型的影响面心立方晶格结构：塑性较好体心立方晶格结构：塑性较差密排六方晶格结构：塑性较差2、化学成分的影响(主要对象－钢)基本元素：Fe，C合金元素：Si,Mn,Cr,Ni,W,Mo,V,Co,Ti等杂质元素：P,S,N,H,O等C与P,S,N,H,O等元素在钢中含量越高，强度硬度越高，塑性韧性越差C：铁素体、奥式体（固溶体），Fe3C，熔化温度降低P：有害杂质，固溶于铁素体，显著影响塑性韧性，冷脆性S：有害杂质,不溶,FeS与Fe共晶体,晶界,985℃,热脆性N：590℃溶解度0.1%,室温0.001%,析出Fe4N,时效脆性H：溶解度随温度降低，析出于缺陷处，氢脆，白点O：溶解度小，Fe3O4,FeO,MnO,Mn3O4,SiO2,Fe2O3化合物降低疲劳强度与塑性，还与S相似形成热脆性C与杂质元素的影响合金元素的影响溶于固溶体，造成固溶强化形成脆硬的碳化物，造成固溶强化或晶界共晶碳化物改变相的组成，形成多相组织与O、S形成化合物，造成热脆性影响晶粒的长大影响钢的再结晶温度与速度低熔点合金形成热脆性合金元素Si,Mn,Cr,Ni,W,Mo,V,Co,Ti等元素对钢的塑性韧性与强度硬度有不同的影响3、组织结构的影响相同化学成分不同组织的材料塑性也会有较大的差别单相组织塑性较好塑性相近—影响小多相组织脆性相网状分布，塑性显著降低塑性差别大脆性相片状层状分布，影响小脆性弥散均匀分布，无影响晶粒—晶粒细小有利于提高塑性铸态组织—铸态组织中的粗大柱状晶粒、偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，以及组织不均匀性将显著降低金属的塑性相组织三、变形温度对塑性的影响变形温度对塑性影响显著，总趋势：温度升高、塑性增加。低温脆区（蓝脆区）三个脆区中温脆区高温脆区主要原因：回复和再结晶消除加工硬化降低临界切应力，增加滑移系金属的组织结构发生变化增强热塑性作用加强晶界滑动作用2004006008001000(T)20406080()延伸率随温度变化曲线★四、变形速度对塑性的影响1、热效应和温度效应塑性变形总能量(E)弹性变形能—内能升高＋回弹释放塑性变形能—转化为热(温度升高＋散失)0.85~0.9mEE排热率热效应(Em)使金属的温度升高产生温度效应变形温度变形速度变形程度周围环境与热传导影响因素2、变形速度对塑性的影响增加变形速度会使金属晶体的临界切应力升高，使塑性降低增加变形速度，温度效应显著，金属温度升高，使塑性提高增加变形速度，由于没有足够的时间进行回复和再结晶，使塑性降低工艺过程中一般希望提高变形速度降低摩擦改善不均匀性减少热量损失增强惯性流动高速成形（爆炸成形、电磁成形）例外，慢速成形（拉深）变形速度塑性指标变形速度对塑性的影响提高生产效率五、应力状态对塑性的影响主应力状态中，压应力个数越多，数值越大，金属的塑性越好；拉应力个数越多，数值越大，金属的塑性越差。主应力状态种类卡尔曼试验装置示意图★原因拉应力促进晶间变形，加速晶界破坏；三向压缩应力有利于愈合塑性变形过程中产生的各种损伤；而拉应力则相反，它促使损伤的发展；压应力有利于抑制和消除晶体中塑性变形产生的各种微观破坏，拉应力相反；三向压应力能抵消由于不均匀变形引起的附加拉应力。滑移面上的显微缺陷受拉应力和压应力作用示意图六、其它因素对塑性的影响周围介质变形程度尺寸摩擦七、提高金属塑性的途径合理选择变形温度与变形速度合理选择变形方式提高金属材料成分和组织的均匀性减小不均匀变形2.4金属的变形抗力及其影响因素金属受外力而变形，抵抗变形的力—变形抗力变形的难易程度单位流动应力变形抗力的影响因素化学成分组织结构变形温度变形速度变形程度应力状态2.5金属的超塑性金属的超塑性—金属材料在一定的内部条件（金属的组织状态）和外部条件（变形温度、变形速度）下变形体现出的极高的塑性，延伸率达＝100％～2000％。结构超塑性（微细晶粒超塑性）动态超塑性（相变超塑性）超塑性的影响因素组织结构（晶粒度5~10m）变形温度（0.5~0.7Tm）变形速度（10-4~10-1min-1）mSKm＝0.02~0.2一般塑性,m＝0.3~1.0超塑性★超塑性的变形机制晶界滑动与扩散蠕变联合机制金属超塑性的应用超塑性气涨成形超塑性成形与扩散连接模具型腔的超塑性成形作业1，3，5，15，18，19