第三篇 塑性变形材料学基础

第三篇塑性变形材料学基础第5章金属的塑性§5.1金属的塑性金属塑性加工是以塑性为前提，在外力作用下进行的。从金属塑性加工的角度出发，人们总是希望金属具有高的塑性。但随着科学技术的发展，出现了许多低塑性、高强度的新材料需要进行塑性变形。因此，研究提高金属的塑性问题具有重要意义。5.1.1塑性的基本概念所谓塑性，是指固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力。因此，塑性反映了材料产生塑性变形的能力。塑性的好坏或大小，可用金属在破坏前产生的最大变形程度来表示，并称其为“塑性极限”或“塑性指标”。人们有时会把金属的塑性与柔软性混淆起来，其实它们是有严格区别的两种概念，前者是指金属的流动性能，指是否易于变形而言，后者则是指金属抵抗变形的能力，是指变形量的大小而言，即塑性好的金属不一定易于变形，因此变形抗力不一样，如铜的塑性好，并不像铅那样易于变形，因为铜的变形抗力较高。而铅的柔软性，主要不是指它的塑性好，而是指它变形抗力很小。所有的金属在高温下变形抗力都很小，可以说具有很好的柔软性，但绝对不能肯定它们必然有良好的塑性。因为温度过高往往使其产生过热或过烧，在变形时，就容易产生裂纹，即塑性变坯。可见，金属的塑性与柔软性是完全不同的概念。研究金属塑性的目的是为了探索金属塑性的变化规律，寻求改善金属塑性的途径，以便选择合理的加工方法，确定最适宜的工艺制度，为提高产品的质量提供理论依据。5.1.2塑性指标及其测量方法1．塑性指标为了便于比较各种材料的塑性性能和确定每种材料在一定变形条件下的加工性能，需要有一种度量指标，这种指标称为塑性指标，即金属在不同变形条件下允许的极限变形量。由于影响金属塑性的因素很多，所以很难采用一种通用指标来描述。目前人们大量使用的仍是那些在某特定的变形条件下所测出的塑性指标。如拉伸试验时的断面收缩率及延伸率，冲击试验所得之冲击韧性；镦粗或压缩实验时，第一条裂纹出现前的高向压缩率（最大压缩率）；扭转实验时出现破坏前的扭转角（或扭转数）；弯曲实验试样破坏前的弯曲角度等等。2．塑性指标的测量方法（1）拉伸试验法用拉伸试验法可测出破断时最大延伸率（）和断面收缩率（），和的数值由下式确定：%10000LLLh（5-1）%10000FFFh（5-2）式中：L0——拉伸试样原始标距长度；Lh——拉伸试样破断后标距间的长度；F0——拉伸试样原始断面积；Fh——拉伸试样破断处的断面积（2）压缩试验法在简单加载条件下，因压缩试验法测定的塑性指标用下式确定：%10000HHHh（5-3）式中：——压下率；H0——试样原始高度；Hh——试样压缩后，在侧表面出现第一条裂纹时的高度（3）扭转试验法扭转试验法是在专门的扭转试验机上进行。试验时圆柱体试样的一端固定，另一端扭转。随试样扭转数的不断增加，最后将发生断裂。材料的塑性指标用破断前的总扭转数（n）来表示，对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形（）。030LnR（5-4）式中：R——试样工作段的半径；L0——试样工作段的长度；n——试样破坏前的总转数。（4）轧制模拟试验法在平辊间轧制楔形试件，用偏心轧辊轧制矩形试样，找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压下量作为轧制过程的塑性指标。上述各种试验，只有在一定条件下使用才能反映出正确的结果，按所测数据只能确定具体加工工艺制度的一个大致的范围，有时甚至与生产实际相差甚远。因此需将几种试验方法所得结果综合起来考虑才行。5.1.3塑性状态图及其应用表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形，称为塑性状态图或简称塑性图。它给出了温度——速度及应力状态类型对金属及合金塑性状态影响的明晰概念。在塑性图中所包含的塑性指标越多，变形速度变化的范围越宽广，应力状态的类型越多，则对于确定正确的热变形温度范围越有益。塑性图可用来选择金属及合金的合理塑性加工方法及制订适当的冷热变形规程，是金属塑性加工生产中不可缺少的重要的数据之一，具有很大的实用价值。由于各种测定方法只能反映其特定的变形力学条件下的塑性情况，为确定实际加工过程的变形温度，塑性图上需给出多种塑性指标，最常用的有、、k、、n等。此外，还常给出b曲线以作参考。下面以MB5塑性图为例，分析选定该合金加工工艺规程的原则和方法。MB5塑性图如图5-1所示。试验温度，℃图5-1MB5合金的塑性图k—冲击韧性；M—慢力作用下的最大压缩率，C—冲击力作用下的最大压缩率；—断面收缩率，0—弯曲角度MB5属变形镁合金，其主要成分为Al5.5~7.0%，Mn0.15~0.5%，Zn0.5~1.5%。根据镁铝二元相图（图5-2）可以看出，铝在镁中的溶解度很大，在共晶温度437℃时达到最大，为12.6%，随着温度的降低，溶解度急剧下降，镁铝合金中铝含量对合金性能的影响，如图5-3所示。随着铝含量的增加，强度虽缓慢上升，但塑性却显著下降。因为在平衡状态下的镁铝合金显微组织是由-固溶体和析出在晶界上的金属化合物相（Mg4Al3或Mg17Al12）组成。相随铝含量的增加而逐渐增多，当Al含量达15%时，则形成封闭的网状组织，使合金变脆。图5-2Mg-Al二元系状态图图5-3镁合金中铝含量对合金机械性能的影响从状态图中可见，该合金成分如图中虚线所示。在530℃附近开始熔化，270℃以下为二相系，因此，它的热变形温度应选在270℃以上的单相区。如在慢速下加工，当温度为350~400℃时，值和M都有最大值，因此不论是轧制或挤压，都可以在这个温度范围内以较慢的速度进行。假若在锻锤下加工，因C在350℃左右有突变，所以变形温度应选择在400~450℃。若工件形状比较复杂，在变形时易发生应力集中，则应根据k曲线来判定。从图中可知，k在相变点270℃附近突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在250℃以下进行为佳。以上是一个应用塑性图，并配合合金状态图选择加工温度及加工方法的实例，必须指出，各种试验方法都是相对于其特定受力状况和变形条件所测定的塑性指标，因此仅具有相对和比较意义。况且由于塑性图的研究并未完善，比较适用和全面的塑性图也不多，所以对加工工作者来说，仍有继续深入研究和积累经验的必要。§5.2金属多晶体塑性变形的主要机制工业上实际使用的金属和合金绝大部分都是多晶体，多晶体是由大小、形状和位向不同的晶粒组成，晶粒之间有晶界相连，因而多晶体的变形比单晶体要复杂得多。5.2.1多晶体变形的特点1．变形不均匀多晶体内的晶界及相邻晶粒的不同取向对变形产生重要的影响。如果将一个只有几个晶粒的试样进行拉伸变形，变形后就会产生“竹节效应”（图5-4）。此种现象说明，在晶界附近变形量较小，而在晶粒内部变形量较大。（a）变形前（b）变形后温度，℃δ,%、σb，公斤/毫米2HB，公斤/毫米2图5-4多晶体塑性变形的竹节现象图5-5多晶体塑性变形的不均匀性多晶体塑性变形的不均匀性，不仅表现在同一晶粒的不同部位，而且也表现在不同晶粒之间。当外力加在具有不同取向晶粒的多晶体上时，每个晶粒滑移系上的分切应力因取向因子不同而存在着差异。因此，不同晶粒进入塑性变形阶段的起始早晚也不同。如图5-5所示，分切应力首先在软取向的晶粒B中达到临界值，优先发生滑移变形；而与其相邻的硬向晶粒A，由于没有足够的切应力使之滑移，不能同时进入塑性变形。这样硬取向的晶粒将阻碍软取向晶粒的变形，于是在多晶体内便出现了应力与变形的不均匀性。另外在多晶体内部机械性能不同的晶粒，由于屈服强度不同，也会产生类似的应力与变形的不均匀分布。图5-6是粗晶铝在总变形量相同时，不同晶粒所承受的实际变形量。由图可见，不论是同一晶粒内的不同位置，还是不同晶粒间的实际变形量都不尽相同。因此，多晶体在变形过程中存在着普遍的变形不均匀性。2．晶界的作用及晶粒大小的影响图5-6多晶铝的几个晶粒各处的应变量。垂直虚线是晶界，线上的数字为总变形量多晶体的塑性变形还受到晶界的影响。在晶界中，原子排列是不规则的，在结晶时这里还积聚了许多不固溶的杂质，在塑性变形时这里还堆积了大量位错（一般位错运动到晶界处即行停止），此外还有其它缺陷，这些都造成了晶界内的晶格畸变。所以，晶界使多晶体的强度、硬度比单晶体高。多晶体内晶粒越细，晶界区所占比率就越大，金属和合金的强度、硬质也就越高。此外，晶粒越细，即在同一体积内晶粒数越多，塑性变形时变形分散在许多晶粒内进行，变形也会均匀些，与具有粗大晶粒的金属相比，局部地区发生应力集中的程度较轻，因此出现裂纹和发生断裂也会相对较迟，这就是说，在断裂前可以承受较大的变形量，所以细晶粒金属不仅强度、硬度高，而且在塑性变形过程中塑性也较好。多晶体由于晶粒具有各种位向和受晶界的约束，各晶粒的变形先后不同、变形大小不同，晶体内甚至同一晶粒内的不同部位变形也不一致，因而引起多晶体变形的不均匀性。由于变形的不均匀性，在变形体内就会产生各种内应力，变形结束后不会消失，成为残余应力。5.2.2多晶体的塑性变形机构多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶间变形两种。晶内变形的主要方式是滑移和孪生。晶间变形包括晶粒之间的相对移动和转动、溶解——沉积机构以及非晶机构。冷变形时以晶内变形为主，晶间变形对晶内变形起协调作用。热变形时则晶内变形和晶间变形同时起作用，这里主要讨论晶间变形机构。1．晶粒的转动与移动在2mm内的延伸率，%晶粒5晶粒4晶粒3晶粒2晶粒1位置，mm多晶体变形时，由于各晶粒原来位向不同，变形发生、发展情况各异，但金属整体的变形应该是连续的、相容的（不然将立刻断裂），所以在相邻晶粒间产生了相互牵制又彼此促进的协同动作，因而出现力偶（图5-7），造成了晶粒间的转动，晶粒相对转动的结果可促使原来位向不适于变形的晶粒开始变形，或者促使原来已变形的晶粒能继续变形。另外，在外力的作用下，当晶界所承受的切应力已达到（或者超过了）阻止晶粒彼此间产生相对移动的阻力时，则将发生晶间的移动。晶粒的转动与移动，常常造成晶间联系的破坏，出现显微裂纹。如果这种破坏完全不能依靠其它塑性变形机构来修复时，继续变形将导致裂纹的扩大与发展并引起金属的破坏。由于晶界难变形的作用，低温下晶间强度比晶内大，因此低温下发生晶界移动与转动的可能性较小，晶间变形的这种机构只能是一种辅助性的过渡型式，它本身对塑性变形贡献不大，同时，低温下出现这种变形，又常常是断裂的预兆。在高温下，由于晶间一般有较多的易熔物质，并且因晶格的歪扭原子活泼性比晶内大，所以晶间的熔点温度比晶粒本身低，而产生晶粒的移动与转动的可能性大。同时伴随着产生了软化与扩散过程，能很快的修复与调整因变形所破坏的联系，因此金属借助晶粒的移动与转动能获得很大的变形，且没有断裂的危险。可以认为，在高温下这种变形机构比晶内变形所起的作用大，对整个变形的贡献也较多。2．溶解——沉积机构在研究高温缓慢变形条件下两相合金的塑性变形时确定了这个机构。该机构的实质是一相晶体的原子迅速而飞跃式的转移到另一相的晶体中去。为了完成原子由一相转移至另一相，除了应保证两相有较大的相互溶解度以外，还必须具备下列条件。（1）因为原子的迁移，最大可能是从相的表面层进行，故应随着温度的变化或原有相晶体表面大小及曲率的变化，伴随有最大的溶解度改变。（2）在变形时，必须有利于进行高速溶解和沉积产生的扩散过程，也就是说应具备足够高的温度条件。溶解——沉积机构的重要特点是塑性变形在两相间的界面上进行，又由于金属的沉淀很容易在显微空洞和显微裂纹中进行，则原子的相间转移可使这些显微空洞和裂纹消除，起着修复损伤的作用，从而可使金属的塑性显著增大。3．非晶机构非晶机构是指在一定的变形温度和速度条件下，多晶体中的原子非同步的连续的在应力场和热激活的作用下，发生定向迁移的过程。它包括间隙原子和大的置换式溶质原子将从晶体的受压缩的部位向宽松部位迁移；空位和小的置换式溶质原子将从晶体的宽松部位向压缩部位迁移。大量原子的定向迁移将引起宏观的塑性变形，其切应力取决于变形速度和静水压力。在受力状态下，由温度的作用产生的这种变