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第五章金属塑性变形的物理基础第一节金属的塑性变形机理及特点一、概述金属的塑性材料在外力的作用下产生一定的永久变形而不破坏其完整性的能力。金属塑性加工利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，也称为压力加工。塑性加工包括：轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压等方法。轧制轧制挤压拉拔锻造冲压轧制挤压拉拔自由锻开式模锻闭式模锻冲裁拉深金属塑性成形的特点生产效率高，适用于大批量生产冲硅钢片的高速冲床的速度可达2000次/min;锻造一根汽车发动机曲轴只需要40s；M12螺栓的冷锻210件/min。改善了金属的组织和结构和性能钢锭内部的组织缺陷，如疏松、晶粒粗大，经塑性变形后，组织变得致密，夹杂物被击碎；与机械加工相比，金属的纤维组织不会被切断，因而结构性能得到提高。同时，由于金属塑性变形后性能提高，在相同服役条件下，零件的截面可以减小。材料利用率高金属塑性成形主要靠金属的体积转移来获得一定的形状和尺寸，无切削，只有少量的工艺废料，因此材料利用率高，一般可达75%～85%，最高可达98%以上。尺寸精度高精密锻造、精密挤压、精密冲裁零件，可以达到不需机械加工就可以使用的程度。塑性成形工艺的分类•体积成形•板料成形锻造轧制自由锻造拉拔挤压模锻成形工序分离工序本章的任务目的：科学系统地阐明金属塑性成形的基础和规律，为合理制订塑性成形工艺奠定理论基础。任务：掌握塑性成形时的金属学基础，以便使工件在成形时获得最佳的塑性状态，最高的变形效率和优质的性能；金属的晶体结构和组织合金：由两种或两种以上的金属构成，按组织特征分为单相合金（以基体金属为基的单相固溶体组织）和多相合金（除基体外，还有第二相）。多晶体：由许多大小、形状和位向都不同的晶粒组成，晶粒之间存在晶界。变形的不均匀性和各晶粒变形的相互协调性是其变形的主要特点。晶界：晶粒之间为晶界，晶界表现出许多与晶粒内部不同的性质；如：室温时晶界的强度和硬度高于晶内，高温时则相反；晶界中原子的扩散速度比晶内原子快得多；晶界的熔点低于晶内；晶界容易被腐蚀等。晶粒晶界合金的相结构1、固溶体solidsolution◆概念：溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体。如；糖水水—溶剂，糖—溶质。合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体。这种组元叫做溶剂，其它组元叫做溶质；特点：具有溶剂的晶体结构◆分类：按溶质原子在溶剂中分布情况不同，分置换固溶体和间隙固溶体两类①置换固溶体——溶质原子替换晶格上的原子②间隙固溶体——溶质原子溶入晶格原子间隙a)置换固溶体b间隙固溶体特征：晶格类型不变，化学成分有限，性能发生变化◆特征：（1）晶格仍保持原晶格（溶剂）。（2）化学成分在一定范围内可改变。（3）性能随化学成分改变而逐渐变化。◆性能：造成晶格畸变，强度、硬度上升。这种现象称固溶强化。若溶质原子质量分数（含量）适当，其力学性能高。铁碳合金中的固溶体：①铁素体F(单相组织)它是碳在α-Fe中的间隙固溶体，最大溶碳量仅0.0218%(在727℃时实现的),在室温下一般为0.008%以下。性能特点：强度、硬度低，塑性、韧性好α-FeC铁素体F溶入②奥氏体A(单相组织)：它是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，最大溶解度为2.11%(在1148℃时实现的)。如图所示；性能特点：强度、硬度不高，但塑性优良；（塑性变形一般加热到奥氏体状态）γ-FeC奥氏体A溶入◆特征（1）具有一定的化学成分。（2）与任一组元成分不同。（3）熔点高脆性大硬度高。◆性能σ、HB↗↗，δ、ak↘↘，脆性大铁碳合金中的化合物：渗碳体(单相组织)：它是铁与碳形成的金属化合物，含碳量为6.69%,一般用Fe3C表示,它的晶体结构较复杂；渗碳体的性能：硬度很高，但其塑性极差，几乎为0。在室温平衡状态下，铁碳合金中的碳基本上是以Fe3C的形式存在。2、金属化合物compound◆概念：合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属特性的新相。如Fe与C→Fe3C3、机械混合物由结晶过程所形成的两相混合物；铁碳合金中的机械混合物：①珠光体P：F+Fe3C②莱氏体Ld：A+Fe3C低温莱氏体Ld’：P+Fe3C铁素体Fα-FeC溶入渗碳体Fe3C珠光体P混合奥氏体Aγ-FeC溶入渗碳体Fe3C莱氏体Ld混合珠光体铁素体奥氏体外力内部应力原子位移变形高位能不稳定位置低位能的平衡位置返回倾向金属塑性变形时，形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移来实现的，因此塑性变形时所施加的力和能，应足以克服壁垒，使大量的原子群能多次地、定向地由一个平衡位置移动到另一个平衡位置，由此产生宏观塑性变形。弹性变形：外力停止后，变形随之消失塑性变形：外力停止后，变形不消失ττττ冷塑性变形主要是以“滑移”的方式进行。原子相对移动距离超过了晶格中的原子间距，使原子失去恢复到原始状态的能力。二、金属塑性变形的机理晶内变形的主要方式为滑移和孪生，其中滑移是主要的.单晶体塑性变形机理：滑移滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对的滑动。1滑移纯锌单晶体滑移变形示意图滑移面上应力分解示意图（a）在正应力作用下的变形（b）在切应力作用下的变形单晶体试样拉伸变形示意图依靠晶体整体滑移的塑性变形模型实际金属单晶体滑移所需的力仅是理想晶体的百分之一到千分之一，为什么？滑移的位错机制位错运动使塑性变形容易理想晶体含有位错的晶体位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。位错虽然移动了一个原子间距，但位错中心附近的少数原子只作远小于一个原子间距的弹性偏移，而其他区域的原子仍处于正常位置，所以这样的位错运动只需一个很小的切应力即可实现，故，实测的τK远小于理论的τK。QQ’PP’滑移的结果使大量的原子逐步发生迁移，从而产生宏观的塑性变形。晶内滑移受到晶界的阻碍，还受到周围难滑移晶粒的阻碍。而且，随变形增加，还会发生多系滑移，滑移面还会发生扭转、弯曲等。2．孪生孪生变形：在切应力的作用下，晶体的变形部分与未变形部分形成以孪晶面为分界面成镜面对称的位向关系.孪生变形所需的切应力大于滑移变形时所需的切应力。所以，滑移是优先发生的变形方式。发生孪生变形的条件主要与晶体结构、变形温度和变形速度有关：FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCC金属仅在室温或受冲击时发生。HCP金属较容易发生孪生。如密排立方（锌、镁）——常温、慢速拉伸体心立方（铁）——室温、冲击载荷或低温、不太大的变形速率面心立方（纯铜）——极低温度（-230℃），高速冲击载荷孪生变形引起的变形量是较小的，因此，晶体的塑性变形主要依靠滑移变形。孪生本身对塑性变形的贡献不大，但形成的孪晶改变了晶体位向，使新滑移系开动，间接对塑性变形做贡献.多晶体金属的塑性变形与单晶体的本质是一致的，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移、孪生等方式进行；但多晶体与单晶体相比有两点不同：①相邻的晶粒位向不同；②各晶粒之间存在晶界；多晶体塑性变形三、塑性变形特点（1）各晶粒变形的不同时性塑性变形首先在位向有利的晶粒内发生,位错源开动,但其中的位错却无法移出此晶粒,而是在晶界处塞积。位错塞积产生的应力场越过晶界作用到相邻晶粒上,使其得到附加应力。随外加应力的增大,最终使相邻位向不利的晶粒中滑移系的剪应力分量达到临界值而开动起来,同时也使原来的位错塞积得到释放,位错运动移出晶粒。如此持续运作,使更多晶粒参与变形。（2）各晶粒变形的相互协调性晶粒的变形需要相互协调配合，如此才能保持晶粒之间的连续性，即变形不是孤立和任意的。（3）变形的不均匀性软位向的晶粒先变形，硬位向的晶粒后变形，其结果必然是各晶粒变形量的差异，这是由多晶体的结构特点所决定的。变形不均匀多晶体的滑移多晶体的塑性变形可以看成是由组成多晶体的许多单个晶粒产生变形（称为晶内变形）的综合效果。晶粒之间也有晶间变形。多晶体冷塑性变形机制对晶间变形起协调作用晶间变形晶粒相对移动晶粒相对转动多晶体冷塑性变形滑移孪生晶内变形主要变形晶间变形晶间变形的方式包括晶粒间的相互移动和转动。晶粒之间的相对滑动和转动晶界对变形的阻碍作用（1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。（2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。（3）晶粒大小与性能的关系a晶粒越细，强度越高(细晶强化)原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制）晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。b晶粒越细，塑韧性提高细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现出高韧性。细晶强化通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高的现象。强化原理※晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑移阻力大。晶粒越细小，则界越多，变形抗力越大，则强度越大。※晶粒越细小，而且单位体积内位向有利的晶粒也越多，变形分布较均匀，塑性较好。※由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要消耗较大的功。因而韧性也较好。（一）固溶体的塑性变形1固溶体的结构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。晶格畸变，阻碍位错运动；（2）强化机制柯氏气团强化。四、合金的塑性变形（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）。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。屈服效应吕德斯带（4）固溶强化的影响因素溶质原子含量越多，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好；间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。（二）多相合金的塑性变形存在第二相聚合型两相合金（第二相粒子与基体晶粒尺寸属于同一数量级）滑移首先在较软的相中发生。弥散型两相合金（第二相粒子细小弥散的分布在基体中）弥散强化：阻碍位错的运动，产生强化效果相互作用时位错线弯曲，最后绕过粒子继续运动，留下位错环，形成强化。第二节金属塑性加工中组织和性能的变化规律一冷塑性变形时金属组织和性能的变化1对组织结构的影响2性能的变化1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。变形后变形前变形前后的晶粒形状工业纯铁不同变变形度的显微组织变形10%100×变形40%100×变形80%纤维组织100×(2)形成形变织构①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）常见类型板织构：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）力学性能：弊：制耳。（3）对性能的影响(各向异性)物理性能：硅钢片100织构可减少铁损。※由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。拉拔形成的丝结构拉拔后轧制形成的板织构轧制前轧制后拉拔前晶粒位向改变（3）晶粒内产生亚亚结构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。）（1）产生加工硬化：加工硬化：塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，这一现象就是加工硬化，或冷变形强化。如图所示；2性能的变化塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力学性能。机理：塑性变形→位错移动→位错大量增殖→相互作用→运动阻力加大→变形抗力↑→强度↑、硬度↑、塑性、韧性↓。加工硬化对性能的影响对力学性能的影响（加工硬化）强化金属的重要途径；利提高材料使用安全性；利弊材料加工成型的保证。弊变形阻力提高，动力消耗增大；脆断危险性提高。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。回复与再结晶从热力学角度来看，变形引起加工硬化，晶体缺陷增多，金属畸变内能增加，原子处于不稳定的高自由能状态，具有向低自由能状态转变的趋势。当加热升温时，原子具有相当的扩散能力，变形后的金属自发地向低自由能状态转变。这一转变过程称为回复和再结