第2章金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)

1、v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)主要內(nèi)容主要內(nèi)容： 第一節(jié)第一節(jié) 金屬冷態(tài)下的塑性變形金屬冷態(tài)下的塑性變形 第二節(jié)第二節(jié) 金屬熱態(tài)下的塑性變形金屬熱態(tài)下的塑性變形 第三節(jié)第三節(jié) 金屬的超塑性金屬的超塑性 第四節(jié)第四節(jié) 金屬在塑性加工過程中的塑性行為金屬在塑性加工過程中的塑性行為v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v晶體晶體：固體物質(zhì)中原子呈周期性有規(guī)則的固體物質(zhì)中原子呈周期性有規(guī)則的排列的物質(zhì)排列的物質(zhì)v空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣：原子在晶體所占的空間內(nèi)按照原子在晶體所占的空間內(nèi)按照一定的幾何規(guī)律作周期性的排列一定的幾何規(guī)律作周期性的排列v晶格晶格：為了描

2、述晶體內(nèi)原子排列的狀況，為了描述晶體內(nèi)原子排列的狀況，常以一些直線將晶體中各原子的中心連接常以一些直線將晶體中各原子的中心連接起來使之構(gòu)成一空間格子起來使之構(gòu)成一空間格子v晶胞晶胞：從晶格中選取一個(gè)能反映晶格特征從晶格中選取一個(gè)能反映晶格特征的最小幾何單元來分析晶體中的原子排列的最小幾何單元來分析晶體中的原子排列規(guī)律，這一最小的幾何單元稱為晶胞規(guī)律，這一最小的幾何單元稱為晶胞v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v金屬的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)v晶態(tài)晶態(tài)v非晶態(tài)非晶態(tài)vSiO2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)典型的晶胞結(jié)構(gòu)典型的晶胞結(jié)構(gòu)面心立方面

3、心立方 典型金屬典型金屬AlAl、CuCu、AgAg、NiNi、-Fe-Fev第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v a42vr=v原子半徑原子半徑v原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74v晶格常數(shù)晶格常數(shù)：a 面心立方晶格面心立方晶格v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)體心立方體心立方 典型金屬典型金屬-Fe-Fe、-Ti-Ti、CrCr、WW、V V 、MoMo典型的晶胞結(jié)構(gòu)典型的晶胞結(jié)構(gòu)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 體心立方晶格體心立方晶格v原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)：配位數(shù)： 8致密

4、度：致密度：0.68v晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：aar43 v原子半徑：原子半徑：v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)密排六方密排六方 典型金屬典型金屬-Ti-Ti、-Co-Co、BeBe、MgMg、ZnZn典型的晶胞結(jié)構(gòu)典型的晶胞結(jié)構(gòu)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)vav2v1vrv v：v原子半徑原子半徑v原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74v晶格常數(shù)：底面邊長晶格常數(shù)：底面邊長 a 和高和高 c，v c/a=1.633 密排六方晶格密排六方晶格v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v第第2章章

5、金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)實(shí)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 單晶體與多晶體單晶體與多晶體 單晶體：其內(nèi)部晶格方位單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。完全一致的晶體。 多晶體：由許多位向不同多晶體：由許多位向不同的晶粒組成的晶體的晶粒組成的晶體 晶粒：實(shí)際使用的金屬材晶粒：實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒成，這些小晶體稱為晶粒。v純鐵組織純鐵組織v晶粒示意晶粒示意圖圖v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基

6、礎(chǔ)v單晶體單晶體v多晶體多晶體v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。v光學(xué)金相顯示的純鐵晶界光學(xué)金相顯示的純鐵晶界v多晶體示意圖多晶體示意圖v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 晶體缺陷晶體缺陷 晶格的不完整部位晶格的不完整部位稱稱晶體缺陷晶體缺陷。 實(shí)際金屬中存在著實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，按形狀可分三類，即點(diǎn)、線、面缺陷即點(diǎn)、線、面缺陷。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬

7、塑性變形的物理基礎(chǔ) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 空間三維尺寸都空間三維尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l間隙原子間隙原子l置換原子置換原子v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) a. 空位：空位：晶格中某些晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。 b. 間隙原子：間隙原子：擠進(jìn)晶擠進(jìn)晶格間隙中的原子。可格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，以是基體金屬原子，也可以是外來原子。也可以是外來原子。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)空位和間隙原子引起的晶格畸變空位和間隙原子引起的晶格畸變v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) c. 置換原

8、子：置換原子：取代原來原子位置的外來原取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。子稱置換原子。 點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶稱晶格畸變格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。韌性下降。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v空位空位v間隙原子間隙原子v大置換原子大置換原子v小置換原子小置換原子v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 線缺陷線缺陷晶體中的位錯晶體中的位錯 位錯：位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑

9、移，滑移面上滑移區(qū)與未生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未v刃型位錯刃型位錯 v螺型位錯螺型位錯v滑移區(qū)的交界線稱作滑移區(qū)的交界線稱作位錯位錯。分為。分為刃型位錯刃型位錯和和螺型位錯螺型位錯。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 刃型位錯：刃型位錯：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是余原子面的邊緣就是刃型位錯刃型位錯。 半原子面在滑移面以上的稱半原子面在滑移面以上的稱正位錯正位錯，用，用“ ”表示表示 半原子面在滑移面以下的稱半原子面在滑移

10、面以下的稱負(fù)位錯負(fù)位錯，用，用“ ”表示表示v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 螺位錯：螺位錯：一個(gè)晶體的某一部分相對于其余部分一個(gè)晶體的某一部分相對于其余部分發(fā)生滑移，原子面沿著中央軸線盤旋上升，每發(fā)生滑移，原子面沿著中央軸線盤旋上升，每繞軸線一周，原子面上升一個(gè)晶面間距，即為繞軸線一周，原子面上升一個(gè)晶面間距，即為螺型位錯螺型位錯。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)刃型位錯和螺型位錯刃型位錯和螺型位錯v刃位錯的形成刃位錯的形成v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)位錯密度：單位體積內(nèi)所包含位錯密度：單位體積內(nèi)所包含的位錯線

11、總長度。的位錯線總長度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)金屬的位錯密度為金屬的位錯密度為1041012/cm2位錯對性能的影響位錯對性能的影響：金屬的塑金屬的塑性變形主要由位錯運(yùn)動引起，性變形主要由位錯運(yùn)動引起，因此阻礙位錯運(yùn)動是強(qiáng)化金屬因此阻礙位錯運(yùn)動是強(qiáng)化金屬的主要途徑。的主要途徑。減少或增加位錯密度都可以提減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。高金屬的強(qiáng)度。v金屬晶須金屬晶須v v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界 晶界是不同位向晶粒的過度部位晶界是不同位向晶

12、粒的過度部位，寬度為，寬度為510個(gè)原個(gè)原子間距，位向差一般為子間距，位向差一般為2040。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 晶界的特點(diǎn)：晶界的特點(diǎn)： 原子排列不規(guī)則。原子排列不規(guī)則。 熔點(diǎn)低。熔點(diǎn)低。 耐蝕性差。耐蝕性差。 易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。子易在晶界偏聚。 阻礙位錯運(yùn)動，是強(qiáng)化阻礙位錯運(yùn)動，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用的金部位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。屬力求獲得細(xì)晶粒。 是相變的優(yōu)先形核部位是相變的優(yōu)先形核部位 v顯微組織的顯示顯微組織的顯示v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v亞晶粒亞晶粒v大角度

13、和小角度晶界大角度和小角度晶界v位錯壁位錯壁 亞晶粒亞晶粒是組成晶粒的尺寸很是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小小，位向差也很小(10 2 )的小晶塊。的小晶塊。 。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)v單晶體單晶體: :各方向上的原子密度不同各方向上的原子密度不同各向各向異性異性v多晶體多晶體: :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塑性成形所用的金屬材料絕大多數(shù)為多晶塑性成形所用的金屬材料絕大多數(shù)為多晶體，其變形過程比單晶體復(fù)雜的多。體，其變形過程比單晶體復(fù)雜的多。一一 塑性變形機(jī)理塑性變形機(jī)理v第第2章章 金屬塑性

14、變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)多晶體的塑性變形方式多晶體的塑性變形方式晶內(nèi)變形晶內(nèi)變形晶間變形晶間變形滑移滑移孿生孿生滑動滑動轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動以晶內(nèi)變形為主，晶間變形對晶內(nèi)變形起協(xié)調(diào)作用。以晶內(nèi)變形為主，晶間變形對晶內(nèi)變形起協(xié)調(diào)作用。多晶體塑性變形的分類多晶體塑性變形的分類v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)主要方式主要方式：滑移：滑移：晶體在力的作用下，晶體的一部分沿一晶體在力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于晶體的另一部分發(fā)生的相定的晶面和晶向相對于晶體的另一部分發(fā)生的相對移動或切變對移動或切變孿生：孿生：晶體在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿晶體在切應(yīng)力作用下

15、，晶體的一部分沿著一定的晶面（著一定的晶面（孿生面孿生面）和一定的晶向（）和一定的晶向（孿孿生方向生方向）發(fā)生均勻切變）發(fā)生均勻切變1. 1. 晶內(nèi)變形晶內(nèi)變形v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)滑移面示意圖滑移面示意圖v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 所謂滑移，所謂滑移，是指晶體（單晶體或構(gòu)成多晶體是指晶體（單晶體或構(gòu)成多晶體中的一個(gè)晶粒）在力的作用下，晶體的一部中的一個(gè)晶粒）在力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向，相對于晶體的另一分沿一定的晶面和晶向，相對于晶體的另一部分發(fā)生的相對移動或切變部分發(fā)生的相對移動或切變。 這些晶面和晶向分別

16、稱為滑移面和滑移方向。這些晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向。 滑移面和滑移方向的組合稱為滑移系（滑移滑移面和滑移方向的組合稱為滑移系（滑移系的存在只說明金屬晶體長生滑移的可能性系的存在只說明金屬晶體長生滑移的可能性）滑移的定義滑移的定義v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v切應(yīng)力作用下的變形切應(yīng)力作用下的變形v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)滑移面、滑移方向和滑移系滑移面、滑移方向和滑移系v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 一般地說，滑移總是沿著原子密度最大一般地說，滑移總是沿著原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生，沿原子排列最密

17、集的晶面和晶向發(fā)生，沿原子排列最密集的方向滑移阻力最小，最容易成為滑移的方向滑移阻力最小，最容易成為滑移方向。方向。 滑移系多的金屬要比滑移系少的金屬，滑移系多的金屬要比滑移系少的金屬，變形協(xié)調(diào)性好、塑性高。變形協(xié)調(diào)性好、塑性高。 滑移面對溫度具有敏感性：滑移面對溫度具有敏感性：溫度升高，溫度升高，金屬出現(xiàn)新的滑移系，塑性相應(yīng)的提高金屬出現(xiàn)新的滑移系，塑性相應(yīng)的提高。滑移面、滑移方向滑移面、滑移方向v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)(a)3.25% Si-Fe單晶體中的平直滑移帶。單晶體中的平直滑移帶。取自取自Hull,proc.vRoy,Soc.A274,5(1963

18、). (b) 垂直于垂直于(a) 中所示表面，且中所示表面，且v通過滑移帶的截面示意圖。每條滑移帶是由平行于滑移通過滑移帶的截面示意圖。每條滑移帶是由平行于滑移v面，且緊密排列的大量滑移臺階所構(gòu)成。面，且緊密排列的大量滑移臺階所構(gòu)成。v滑移帶滑移帶vavbv第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 令令=coscoscoscos，稱為取向因子。，稱為取向因子。 當(dāng)當(dāng)=45=45，則，則=maxmax=0.5=0.5，=maxmax=/2=/2。此意味著該滑移系處于最。此意味著該滑移系處于最佳取向，其上的切應(yīng)力分量最有利于優(yōu)先達(dá)佳取向，其上的切應(yīng)力分量最有利于優(yōu)先達(dá)到臨界值而發(fā)生

19、滑移，這種取向稱為軟取向；到臨界值而發(fā)生滑移，這種取向稱為軟取向； 而當(dāng)而當(dāng)=90=90，=0=0或或=0=0，=90=90時(shí)，時(shí)，=0=0此時(shí)無論此時(shí)無論多大，滑多大，滑移的驅(qū)動力恒等于零，處于此取向的滑移系移的驅(qū)動力恒等于零，處于此取向的滑移系不能發(fā)生滑移，這種取向稱為硬取向。不能發(fā)生滑移，這種取向稱為硬取向?；茣r(shí)晶體的取向滑移時(shí)晶體的取向v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 臨界切應(yīng)力的大小，取決于臨界切應(yīng)力的大小，取決于金屬的類型、金屬的類型、純度、晶體結(jié)構(gòu)的完整性、變形溫度、純度、晶體結(jié)構(gòu)的完整性、變形溫度、應(yīng)變速率、和預(yù)先變形程度應(yīng)變速率、和預(yù)先變形程度等因

20、素。等因素。 滑移系上所受的切應(yīng)力分量取決于取向滑移系上所受的切應(yīng)力分量取決于取向因子因子臨界切應(yīng)力臨界切應(yīng)力v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 晶體在滑移過程中，由于受到外界的約束晶體在滑移過程中，由于受到外界的約束作用會發(fā)生轉(zhuǎn)動作用會發(fā)生轉(zhuǎn)動 就單晶體拉伸變形來說，滑移面會力圖向就單晶體拉伸變形來說，滑移面會力圖向拉力方向轉(zhuǎn)動而滑移方向則力圖向最大切拉力方向轉(zhuǎn)動而滑移方向則力圖向最大切應(yīng)力分量方向轉(zhuǎn)動應(yīng)力分量方向轉(zhuǎn)動 對于多晶體，晶粒被拉長的同時(shí)，滑移面對于多晶體，晶粒被拉長的同時(shí)，滑移面和滑移方向也朝一定方向轉(zhuǎn)動，各晶粒調(diào)和滑移方向也朝一定方向轉(zhuǎn)動，各晶粒調(diào)整其方

21、位而趨于一致整其方位而趨于一致滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v19261926，弗蘭克爾，估算了晶體的剪切強(qiáng)度：，弗蘭克爾，估算了晶體的剪切強(qiáng)度：v假設(shè)：理想晶體兩排原子相距為假設(shè)：理想晶體兩排原子相距為a a，同排原子間，同排原子間距為距為b b。原子在平衡位置時(shí)，能量處于最低的位。原子在平衡位置時(shí)，能量處于最低的位置。在外力置。在外力 作用下，原子偏離平衡位置時(shí)，能量作用下，原子偏離平衡位置時(shí)，能量上升，原子能量隨位置的變化為一余弦函數(shù)。上升，原子能量隨位置的變化為一余弦函數(shù)。v通過計(jì)算晶體的臨界剪切應(yīng)力，并與實(shí)際的臨界通過計(jì)算晶

22、體的臨界剪切應(yīng)力，并與實(shí)際的臨界剪切應(yīng)力進(jìn)行比較，人們發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算的剪切剪切應(yīng)力進(jìn)行比較，人們發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算的剪切強(qiáng)度比實(shí)驗(yàn)所得到的剪切強(qiáng)度要高一千倍以上。強(qiáng)度比實(shí)驗(yàn)所得到的剪切強(qiáng)度要高一千倍以上。位錯理論位錯理論v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 材料理論強(qiáng)度（G/30)/Gpa實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度/MPa理論強(qiáng)度/實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度銀鋁銅鎳鐵鉬鈮鎘鎂（柱面滑移）鈦（柱面滑移）鈹（基面滑移）鈹（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 7

23、1.6 33.3 0.57 39.2 13.7 1.37 5.2 7 3 8 2 3 2 1 4 4 3 8 231031031031031021021021021021031010v一些金屬材料的實(shí)驗(yàn)屈服強(qiáng)度和理論屈服強(qiáng)度一些金屬材料的實(shí)驗(yàn)屈服強(qiáng)度和理論屈服強(qiáng)度v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)位錯理論位錯理論v為了解釋這種理論值和實(shí)際值的差別，為了解釋這種理論值和實(shí)際值的差別，19341934年泰年泰勒（勒（G.I.TaylorG.I.Taylor）、奧羅萬（）、奧羅萬（E.OrowanE.Orowan）、和波蘭）、和波蘭伊（伊（M.PolanyiM.Polanyi

24、）幾乎在同一時(shí)間內(nèi)，分別提出了）幾乎在同一時(shí)間內(nèi)，分別提出了位錯假設(shè)。他們認(rèn)為在晶體內(nèi)存在著一種線缺陷，位錯假設(shè)。他們認(rèn)為在晶體內(nèi)存在著一種線缺陷，它在剪切應(yīng)力下更容易滑移，并引起塑性變形。它在剪切應(yīng)力下更容易滑移，并引起塑性變形。隨著實(shí)驗(yàn)手段的不斷發(fā)展，越來越多的事實(shí)證明隨著實(shí)驗(yàn)手段的不斷發(fā)展，越來越多的事實(shí)證明了位錯的存在，形成了一種位錯理論。在隨后的了位錯的存在，形成了一種位錯理論。在隨后的幾十年中，這種位錯理論在金屬塑性變形的微觀幾十年中，這種位錯理論在金屬塑性變形的微觀研究上獲得了很大發(fā)展。研究上獲得了很大發(fā)展。v位錯理論的發(fā)展也促進(jìn)了晶界理論、晶體缺陷等位錯理論的發(fā)展也促進(jìn)了晶界理

25、論、晶體缺陷等理論的發(fā)展。理論的發(fā)展。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)位錯的運(yùn)動示意位錯的運(yùn)動示意位錯的運(yùn)動就像毛蟲爬行一樣，是局部區(qū)域先滑移，位錯的運(yùn)動就像毛蟲爬行一樣，是局部區(qū)域先滑移，并逐步擴(kuò)大，而不是理想的剛性滑動并逐步擴(kuò)大，而不是理想的剛性滑動v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)位錯理論的基本概念 、柏氏矢量（Burgersv（a）圍繞一刃型位錯的柏氏迥路；（圍繞一刃型位錯的柏氏迥路；（b）完整晶體中完整晶體中v 的相同迥路；迥路缺損即為柏氏矢量。的相同迥路；迥路缺損即為柏氏矢量。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基

26、礎(chǔ)v（a）圍繞一刃型位錯的柏氏迥路；（圍繞一刃型位錯的柏氏迥路；（b）完整晶體中完整晶體中v 的相同迥路；迥路缺損即為柏氏矢量。的相同迥路；迥路缺損即為柏氏矢量。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)柏氏矢量柏氏矢量刃形位錯的柏氏矢量與位錯線垂直刃形位錯的柏氏矢量與位錯線垂直螺形位錯的柏氏矢量與位錯線平行螺形位錯的柏氏矢量與位錯線平行v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)2 位錯的攀移位錯的攀移 螺型位錯無攀移螺型位錯無攀移 正攀移正攀移正刃型位錯位錯線上移正刃型位錯位錯線上移 負(fù)刃型位錯位錯線下移負(fù)刃型位錯位錯線下移v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)

27、金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)3 位錯的交滑移位錯的交滑移 刃型位錯無攀移刃型位錯無攀移v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 對于螺型位錯，所有包含位錯線的晶面都對于螺型位錯，所有包含位錯線的晶面都可能成為滑移面。可能成為滑移面。 交滑移交滑移：螺形位錯的柏氏矢量具有一定的：螺形位錯的柏氏矢量具有一定的靈活性，當(dāng)滑移受阻是，可離開原滑移面靈活性，當(dāng)滑移受阻是，可離開原滑移面而沿另一晶面繼續(xù)移動而沿另一晶面繼續(xù)移動 雙交滑移雙交滑移：發(fā)生交滑移的位錯，滑移再次：發(fā)生交滑移的位錯，滑移再次受阻，而轉(zhuǎn)到與第一次的滑移面平行的的受阻，而轉(zhuǎn)到與第一次的滑移面平行的的晶面繼續(xù)滑移晶面繼續(xù)滑移

28、 刃型位錯不可能產(chǎn)生交滑移刃型位錯不可能產(chǎn)生交滑移v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)4 位錯的交割位錯的交割 兩根刃型位錯線都在各自的滑移面上移動，兩根刃型位錯線都在各自的滑移面上移動，則在相遇后交截分別形成各界，形成割階則在相遇后交截分別形成各界，形成割階后仍分別在各自的平面內(nèi)運(yùn)動。后仍分別在各自的平面內(nèi)運(yùn)動。 刃型位錯和螺型位錯交割時(shí)，在各自的位刃型位錯和螺型位錯交割時(shí)，在各自的位錯線上形成刃型割階，位錯線也能繼續(xù)滑錯線上形成刃型割階，位錯線也能繼續(xù)滑移。移。 螺型位錯和螺型位錯交割時(shí)，相交后形成螺型位錯和螺型位錯交割時(shí)，相交后形成的兩個(gè)割階被釘住而不能移動，只能通

29、過的兩個(gè)割階被釘住而不能移動，只能通過攀移才能使割階移動。攀移才能使割階移動。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)5 位錯的增殖位錯的增殖v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)6 位錯塞積位錯塞積 當(dāng)運(yùn)動位錯遇上障礙物時(shí)，若外加應(yīng)力不當(dāng)運(yùn)動位錯遇上障礙物時(shí)，若外加應(yīng)力不夠大，就被阻止在障礙物前，構(gòu)成位錯塞夠大，就被阻止在障礙物前，構(gòu)成位錯塞積積 要使塞積位錯群越過障礙物繼續(xù)滑移，必要使塞積位錯群越過障礙物繼續(xù)滑移，必須增大外應(yīng)力，這是加工硬化的原因之一。須增大外應(yīng)力，這是加工硬化的原因之一。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v第

30、第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)vCu-4.5Al合金晶界的位錯合金晶界的位錯塞積塞積v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)孿生孿生 孿生孿生是單晶體是單晶體塑性變形的另塑性變形的另一種方式。孿一種方式。孿生是以晶體中生是以晶體中的一定的晶面的一定的晶面（稱為孿晶面）（稱為孿晶面）沿著一定的晶沿著一定的晶向（孿生方向）向（孿生方向）移動而發(fā)生的。移動而發(fā)生的。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)孿生孿生 在常溫下，大多數(shù)體心立方金屬滑移的在常溫下，大多數(shù)體心立方金屬滑移的臨界切應(yīng)力小于孿生，故滑移是優(yōu)先的臨界切應(yīng)力小于孿生，故滑移

31、是優(yōu)先的變形方式；在變形方式；在很低的溫度下很低的溫度下則相反，孿則相反，孿生才能發(fā)生生才能發(fā)生 對于面心立方金屬，孿生的臨界切應(yīng)力對于面心立方金屬，孿生的臨界切應(yīng)力比滑移大，一般不發(fā)生孿生比滑移大，一般不發(fā)生孿生;在極低的溫在極低的溫度下或高速沖擊載荷下，孿生才有可能度下或高速沖擊載荷下，孿生才有可能發(fā)生發(fā)生 密排六方金屬由于滑移系少，滑移難以密排六方金屬由于滑移系少，滑移難以進(jìn)行，進(jìn)行，主要靠孿生方式變形主要靠孿生方式變形滑移與孿生滑移與孿生有什么異同有什么異同點(diǎn)？點(diǎn)？v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)2、晶

32、間變形、晶間變形晶間變形的主要方式是晶間變形的主要方式是晶粒之間的相互滑動和轉(zhuǎn)動晶粒之間的相互滑動和轉(zhuǎn)動晶粒之間的滑動和轉(zhuǎn)動晶粒之間的滑動和轉(zhuǎn)動v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)晶間變形晶間變形 晶間變形不能簡單的看成是經(jīng)接觸的相晶間變形不能簡單的看成是經(jīng)接觸的相對機(jī)械滑動，而是對機(jī)械滑動，而是晶界附近具有一定厚晶界附近具有一定厚度的區(qū)域內(nèi)發(fā)生應(yīng)變的結(jié)果度的區(qū)域內(nèi)發(fā)生應(yīng)變的結(jié)果。 在冷態(tài)變形條件下，多晶體的塑性變形在冷態(tài)變形條件下，多晶體的塑性變形主要是晶內(nèi)變形，晶間變形知其次要的主要是晶內(nèi)變形，晶間變形知其次要的作用，而且需要其他的機(jī)制相協(xié)調(diào)。作用，而且需要其他的機(jī)制

33、相協(xié)調(diào)。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)二、塑性成形的特點(diǎn)二、塑性成形的特點(diǎn)v受晶界和晶粒位向的影響較大受晶界和晶粒位向的影響較大 多晶體塑性變形的抗力比單晶體高；多晶體塑性變形的抗力比單晶體高； 多晶體內(nèi)晶粒越細(xì)，晶界總面積就越大，金屬強(qiáng)度越高，多晶體內(nèi)晶粒越細(xì)，晶界總面積就越大，金屬強(qiáng)度越高，塑性越好。塑性越好。v多晶體變形不均勻性多晶體變形不均勻性 晶粒受位向和晶界的約束，變形先后不一致，導(dǎo)致變形晶粒受位向和晶界的約束，變形先后不一致，導(dǎo)致變形不均勻。不均勻。 由于變形不均勻，晶粒內(nèi)部和晶粒之間存在不同的內(nèi)應(yīng)由于變形不均勻，晶粒內(nèi)部和晶粒之間存在不同的內(nèi)應(yīng)力，變

34、形結(jié)束后不會消失，構(gòu)成殘余應(yīng)力。力，變形結(jié)束后不會消失，構(gòu)成殘余應(yīng)力。v綜上，綜上，即塑性變形具有不同時(shí)性，相互協(xié)調(diào)性以及不均即塑性變形具有不同時(shí)性，相互協(xié)調(diào)性以及不均勻勻 性。性。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)晶粒大小對金屬塑性和變形抗力的影晶粒大小對金屬塑性和變形抗力的影響響 晶粒越細(xì)小，金屬屈服強(qiáng)度越大晶粒越細(xì)小，金屬屈服強(qiáng)度越大 晶粒越小，金屬塑性越好晶粒越小，金屬塑性越好 晶粒細(xì)化對提高塑性成形件的表面質(zhì)量晶粒細(xì)化對提高塑性成形件的表面質(zhì)量有利有利v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物

35、理基礎(chǔ)v晶粒大小晶粒大小210Kdsv第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)三、合金的塑性變形三、合金的塑性變形v合金的相結(jié)構(gòu)有兩大類：合金的相結(jié)構(gòu)有兩大類：固溶體固溶體（如鋼中（如鋼中的鐵素體、銅鋅合金中的的鐵素體、銅鋅合金中的 相相）和）和化合物化合物（如鋼中的（如鋼中的FeFe3 3C C、銅鋅合金中的、銅鋅合金中的 相相）v常見的合金組織：常見的合金組織：單相固溶體合金、兩相單相固溶體合金、兩相或多相合金或多相合金v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)單相固溶體合金的塑性變形單相固溶體合金的塑性變形 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化：異類原子以置換或間隙方式溶入基

36、：異類原子以置換或間隙方式溶入基體合金，對金屬的變形行為產(chǎn)生影響，使變形體合金，對金屬的變形行為產(chǎn)生影響，使變形抗力和加工硬化率有所提高，塑性有所下降的抗力和加工硬化率有所提高，塑性有所下降的現(xiàn)象現(xiàn)象 柯氏氣團(tuán)柯氏氣團(tuán)：溶質(zhì)原子很容易吸附到位錯的附近，：溶質(zhì)原子很容易吸附到位錯的附近，使位錯更穩(wěn)定，對位錯起釘扎作用。使位錯更穩(wěn)定，對位錯起釘扎作用。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形按照第二相粒子的尺寸大小按照第二相粒子的尺寸大小 ，可將其分為，可將其分為 聚合型兩相合金聚合型兩

37、相合金：第二相粒子的尺寸與：第二相粒子的尺寸與基體相晶粒尺寸屬于同一數(shù)量級基體相晶粒尺寸屬于同一數(shù)量級 彌散分布型兩相合金彌散分布型兩相合金：第二相粒子十分：第二相粒子十分微小，并彌散地分布在基體晶粒內(nèi)微小，并彌散地分布在基體晶粒內(nèi)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)聚合型兩相合金的塑性變形聚合型兩相合金的塑性變形此類合金并非都因第二相而產(chǎn)生強(qiáng)化，只有第此類合金并非都因第二相而產(chǎn)生強(qiáng)化，只有第二相較強(qiáng)時(shí)，合金才能得到強(qiáng)化二相較強(qiáng)時(shí)，合金才能得到強(qiáng)化 滑移首先發(fā)生于較弱相中滑移首先發(fā)生于較弱相中 較強(qiáng)相數(shù)量很少，變形基本在較弱相中進(jìn)行較強(qiáng)相數(shù)量很少，變形基本在較弱相中進(jìn)行

38、較強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到較強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%，兩相以接近于相等，兩相以接近于相等的應(yīng)變發(fā)生變形的應(yīng)變發(fā)生變形 較強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)高于較強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)高于70%，該相變?yōu)榛w相，該相變?yōu)榛w相v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)彌散型兩相合金的塑性變形彌散型兩相合金的塑性變形當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，將產(chǎn)生顯著的硬化現(xiàn)象體相中時(shí)，將產(chǎn)生顯著的硬化現(xiàn)象沉淀強(qiáng)化（時(shí)效強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化（時(shí)效強(qiáng)化）：第二相微粒是）：第二相微粒是通過對過飽和固溶體的時(shí)效處理而沉淀通過對過飽和固溶體的時(shí)效處理而沉淀析出并產(chǎn)生強(qiáng)化析出并產(chǎn)生強(qiáng)化彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化

39、：第二相微粒是借助粉末冶金：第二相微粒是借助粉末冶金方法加入而起強(qiáng)化作用方法加入而起強(qiáng)化作用v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)四、冷變形對金屬組織和性能的四、冷變形對金屬組織和性能的影響影響（一）（一） 組織的變化組織的變化 晶粒形狀的變化晶粒形狀的變化：金屬經(jīng)冷加工變形后，其晶：金屬經(jīng)冷加工變形后，其晶粒形狀發(fā)生變化，變化趨勢大體與金屬宏觀變粒形狀發(fā)生變化，變化趨勢大體與金屬宏觀變形一致。形一致。 晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu) 晶粒位相改變晶粒位相改變（變形織構(gòu)：多晶體中原為任意（變形織構(gòu)：多晶體中原為任意

40、取向的各個(gè)晶粒，會逐漸調(diào)整其取向而彼此趨取向的各個(gè)晶粒，會逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致。這種由于塑性變形的結(jié)果而使晶粒具于一致。這種由于塑性變形的結(jié)果而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織）有擇優(yōu)取向的組織） 拉拔時(shí)產(chǎn)生絲織構(gòu)，軋制時(shí)產(chǎn)生板織構(gòu)（變形拉拔時(shí)產(chǎn)生絲織構(gòu)，軋制時(shí)產(chǎn)生板織構(gòu)（變形織構(gòu)經(jīng)退火后和各向異性仍然存在）織構(gòu)經(jīng)退火后和各向異性仍然存在）v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)纖維組織 v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)亞晶粒v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)變形 織構(gòu) 晶粒轉(zhuǎn)動使滑移方向與外力(剪切力)方向趨于一致 v各向異

41、性導(dǎo)致的銅板各向異性導(dǎo)致的銅板 “制制耳耳”v有有v無無v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)冷變形對金屬組織和性能的影響冷變形對金屬組織和性能的影響(二二) 性能的變化性能的變化 加工硬化：隨變形程度的增加，金屬強(qiáng)加工硬化：隨變形程度的增加，金屬強(qiáng)度、硬度增加，而塑性韌性降低的現(xiàn)象，度、硬度增加，而塑性韌性降低的現(xiàn)象，稱為加工硬化。稱為加工硬化。 加工硬化在金屬的塑性成形加工中，會加工硬化在金屬的塑性成形加工中，會使變形力顯著增加，對成形工件和模具使變形力顯著增加，對成形工件和模具都有一定的損害作用；但利用金屬加工都有一定的損害作用；但利用金屬加工硬化的性質(zhì)，對材料進(jìn)行預(yù)

42、處理，會使硬化的性質(zhì)，對材料進(jìn)行預(yù)處理，會使其力學(xué)性能提高其力學(xué)性能提高v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 產(chǎn)生加工硬化的原因是產(chǎn)生加工硬化的原因是: 1、隨變形量增加、隨變形量增加, 位錯密度增加位錯密度增加，由于位，由于位錯之間的交互作用錯之間的交互作用(堆積堆積、纏結(jié)纏結(jié))，使變形抗，使變形抗力增加力增加. v位錯密度與強(qiáng)度關(guān)位錯密度與強(qiáng)度關(guān)系系v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 2. 隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化 3. 隨變形量增加隨變形量增加, 空位密度增加空

43、位密度增加 4. 幾何硬化幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動引起：由晶粒轉(zhuǎn)動引起 加工硬化意義：加工硬化意義： 1 由于加工硬化由于加工硬化, 使已變形部分發(fā)生硬化而停止變使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形形, 而未變形部分開始變形。沒有加工硬化而未變形部分開始變形。沒有加工硬化, 金屬金屬就不會發(fā)生均勻塑性變形。就不會發(fā)生均勻塑性變形。 2 加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對于不加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對于不能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶 一、冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化一

44、、冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化 金屬經(jīng)冷變形后金屬經(jīng)冷變形后, 組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)組織處于不穩(wěn)定狀態(tài), 有自發(fā)恢復(fù)有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小原子擴(kuò)散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力不穩(wěn)定狀態(tài)可長時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。 v加熱溫度加熱溫度 v黃黃銅銅v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 回復(fù)回復(fù) 回復(fù)回復(fù)是指在加熱溫度較低時(shí)是指在加熱溫度較低時(shí)，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯近距離遷

45、移而引起的晶內(nèi)錯近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。某些變化。如空位與其他缺如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異陷合并、同一滑移面上的異號位錯相遇合并而使缺陷數(shù)號位錯相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。量減少等。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 在回復(fù)階段在回復(fù)階段，金屬組織，金屬組織變化不明顯，其強(qiáng)度、變化不明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略硬度略有下降，塑性略有提高，但有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降阻率等顯著下降。 工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象象將冷變形金屬低溫加將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理加工硬

46、化，這種熱處理方法稱方法稱去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 再結(jié)晶再結(jié)晶 當(dāng)變形金屬被加熱到較當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活高溫度時(shí)，由于原子活動能力增大，晶粒的形動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，由破狀開始發(fā)生變化，由破碎拉長的晶粒變?yōu)橥暾槔L的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。的等軸晶粒。 這種這種冷變形組織在加熱冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過程時(shí)重新徹底改組的過程稱稱再結(jié)晶再結(jié)晶。v鐵素體變形鐵素體變形80%v670加熱加熱v650加熱加熱v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長大的過程

47、，但不是再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長大的過程，但不是相變過程，相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。分完全相同。 由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而金屬的強(qiáng)度、硬金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時(shí)高加熱溫度或延長保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長大，這間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個(gè)自發(fā)的過程。是一個(gè)自發(fā)的過程。v黃銅再結(jié)晶后晶粒的長黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大大v580

48、C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織v580580C C保溫保溫1515分后的組織分后的組織v700700C C保溫保溫1010分后的組織分后的組織v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)黃銅再結(jié)晶和晶粒長大各個(gè)階段的金相照片黃銅再結(jié)晶和晶粒長大各個(gè)階段的金相照片v冷變形量為冷變形量為38的組織的組織v580C保溫保溫3秒后的組織秒后的組織v580C保溫保溫4秒后的組織秒后的組織v580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織v580C保溫保溫15分后的組織分后的組織v700C保溫保溫10分后的組織分后的組織v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 由于再結(jié)晶后組織的復(fù)

49、由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而原，因而金屬的強(qiáng)度、金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失提高，加工硬化消失。v冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化 v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)第二節(jié)第二節(jié) 金屬熱態(tài)下的塑性變形金屬熱態(tài)下的塑性變形 熱塑性變形的定義熱塑性變形的定義：從金屬學(xué)的角度看，再結(jié)：從金屬學(xué)的角度看，再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形，稱為熱塑性變形晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形，稱為熱塑性變形或熱塑性加工。或熱塑性加工。 在熱塑性變形過程中，回復(fù)、再結(jié)晶與加工硬化在熱塑性變形過程中，回復(fù)、再結(jié)晶與加工硬化同時(shí)發(fā)生，

50、加工硬化不斷被回復(fù)或再結(jié)晶所抵消，同時(shí)發(fā)生，加工硬化不斷被回復(fù)或再結(jié)晶所抵消，而使金屬處于高塑性、低變形抗力的軟化狀態(tài)。而使金屬處于高塑性、低變形抗力的軟化狀態(tài)。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)一、熱塑性變形時(shí)的軟化過程一、熱塑性變形時(shí)的軟化過程熱塑性變形時(shí)的軟化過程比較復(fù)雜。按熱塑性變形時(shí)的軟化過程比較復(fù)雜。按其性質(zhì)可分為以下幾種：動態(tài)回復(fù)，動其性質(zhì)可分為以下幾種：動態(tài)回復(fù)，動態(tài)再結(jié)晶，靜態(tài)回復(fù)，靜態(tài)再結(jié)晶，亞態(tài)再結(jié)晶，靜態(tài)回復(fù)，靜態(tài)再結(jié)晶，亞動態(tài)再結(jié)晶等。動態(tài)再結(jié)晶等。動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶是在熱塑性變形動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶是在熱塑性變形過程中發(fā)生的；而靜態(tài)回復(fù)、靜

51、態(tài)再結(jié)過程中發(fā)生的；而靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶則是在熱變形的間歇晶和亞動態(tài)再結(jié)晶則是在熱變形的間歇期間或熱變形后，利用金屬的高溫余熱期間或熱變形后，利用金屬的高溫余熱進(jìn)行的。進(jìn)行的。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)動態(tài)回復(fù)動態(tài)回復(fù) 動態(tài)回復(fù)是在熱塑性變形過程中發(fā)生的動態(tài)回復(fù)是在熱塑性變形過程中發(fā)生的回復(fù)回復(fù) 動態(tài)回復(fù)主要是通過位錯的攀移、交滑動態(tài)回復(fù)主要是通過位錯的攀移、交滑移等來完成移等來完成v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)動態(tài)再結(jié)晶動態(tài)再結(jié)晶 動態(tài)再結(jié)晶是在熱塑性變形過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶是在熱塑性變形過程中發(fā)生的結(jié)晶的結(jié)晶 動態(tài)

52、再結(jié)晶后的晶粒度與變形溫度、應(yīng)動態(tài)再結(jié)晶后的晶粒度與變形溫度、應(yīng)變速率和變形程度等因素有關(guān)變速率和變形程度等因素有關(guān)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)二、熱塑性變形機(jī)理二、熱塑性變形機(jī)理 金屬熱塑性變形機(jī)理主要有：晶內(nèi)滑移、金屬熱塑性變形機(jī)理主要有：晶內(nèi)滑移、晶內(nèi)孿生、晶界滑移和擴(kuò)散蠕變等。晶內(nèi)孿生、晶界滑移和擴(kuò)散蠕變等。 晶內(nèi)滑移是最主要和常見的；晶內(nèi)滑移是最主要和常見的； 孿生多在高溫高速變形時(shí)發(fā)生，但對于孿生多在高溫高速變形時(shí)發(fā)生，但對于六方晶系金屬，這種機(jī)理也起重要作用；六方晶系金屬，這種機(jī)理也起重要作用

53、； 擴(kuò)散蠕變只在高溫變形時(shí)才發(fā)揮作用擴(kuò)散蠕變只在高溫變形時(shí)才發(fā)揮作用v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)擴(kuò)散性蠕變擴(kuò)散性蠕變 擴(kuò)散性蠕變是在應(yīng)力場作用下，由空位的定擴(kuò)散性蠕變是在應(yīng)力場作用下，由空位的定向移動所引起的。在應(yīng)力場作用下，受拉應(yīng)向移動所引起的。在應(yīng)力場作用下，受拉應(yīng)力的晶界力的晶界(特別是與拉應(yīng)力相垂直的晶界特別是與拉應(yīng)力相垂直的晶界)的的空位濃度高于其他部位的晶界。由于各部位空位濃度高于其他部位的晶界。由于各部位空位的化學(xué)勢能差，引起空位的定向移動，空位的化學(xué)勢能差，引起空位的定向移動，即空位從垂直于拉應(yīng)力的晶界放出，而被平即空位從垂直于拉應(yīng)力的晶界放出，而

54、被平行于拉應(yīng)力的晶界所吸收。行于拉應(yīng)力的晶界所吸收。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)擴(kuò)散性蠕變擴(kuò)散性蠕變 按擴(kuò)散途徑的不同，可分為晶內(nèi)擴(kuò)散和晶界按擴(kuò)散途徑的不同，可分為晶內(nèi)擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散。晶內(nèi)擴(kuò)散引起晶粒在拉應(yīng)力方向上的擴(kuò)散。晶內(nèi)擴(kuò)散引起晶粒在拉應(yīng)力方向上的伸長變形，或在受壓方向上的縮短變形；而伸長變形，或在受壓方向上的縮短變形；而晶界擴(kuò)散引起晶粒的晶界擴(kuò)散引起晶粒的“轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動”v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)三、雙相合金熱塑性變形的特三、雙相合金熱塑性變形的特點(diǎn)點(diǎn) 對于彌散型雙相合金，第二相粒子除直接對基體相的對于彌散型雙相合金，第二相粒子

55、除直接對基體相的變形產(chǎn)生影響外，還會通過對合金的再結(jié)晶行為的影變形產(chǎn)生影響外，還會通過對合金的再結(jié)晶行為的影響而對熱塑性變形產(chǎn)生影響響而對熱塑性變形產(chǎn)生影響 對于聚合型的雙相合金，由于各相的性能和體積百分對于聚合型的雙相合金，由于各相的性能和體積百分?jǐn)?shù)的不同，同樣會對熱變形時(shí)的再結(jié)晶行為產(chǎn)生影響數(shù)的不同，同樣會對熱變形時(shí)的再結(jié)晶行為產(chǎn)生影響 兩相合金熱變形時(shí)，在較大的變形程度條件下，可將兩相合金熱變形時(shí)，在較大的變形程度條件下，可將粗大的第二相打碎、并改變其分布狀況，使第二相粗大的第二相打碎、并改變其分布狀況，使第二相(包包括夾雜物括夾雜物)呈帶狀呈帶狀 雙相合金熱變形時(shí)，由于具備有利的原子擴(kuò)

56、散條件，雙相合金熱變形時(shí)，由于具備有利的原子擴(kuò)散條件，會使第二相的形態(tài)發(fā)生改變會使第二相的形態(tài)發(fā)生改變 當(dāng)?shù)诙酁榈腿埸c(diǎn)純金屬相或低熔點(diǎn)共晶體分布于晶當(dāng)?shù)诙酁榈腿埸c(diǎn)純金屬相或低熔點(diǎn)共晶體分布于晶界時(shí)，則熱變形時(shí)會局部熔化，造成金屬的熱脆性，界時(shí)，則熱變形時(shí)會局部熔化，造成金屬的熱脆性，在熱鍛、熱軋時(shí)容易沿晶界開裂在熱鍛、熱軋時(shí)容易沿晶界開裂v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)四、熱塑性變形對金后組織和性四、熱塑性變形對金后組織和性能的影響能的影響 改善晶粒組織改善晶粒組織 鍛合內(nèi)部缺陷鍛合內(nèi)部缺陷 破碎并改善碳化物和非金屬夾雜物在鋼破碎并改善碳化物和非金屬夾雜物在鋼中的

57、分布中的分布 形成纖維組織形成纖維組織 改善偏析改善偏析v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)第三節(jié)第三節(jié) 金屬的超塑性變形金屬的超塑性變形 使金屬處于特定的條件下，如一定的化學(xué)成分、使金屬處于特定的條件下，如一定的化學(xué)成分、特定的顯微組織及轉(zhuǎn)變能力、特定的變形溫度特定的顯微組織及轉(zhuǎn)變能力、特定的變形溫度和應(yīng)變速率等，則金屬會表現(xiàn)出異乎尋常的高和應(yīng)變速率等，則金屬會表現(xiàn)出異乎尋常的高塑性狀態(tài)，即所謂超塑性變形狀態(tài)。塑性狀態(tài)，即所謂超塑性變形狀態(tài)。 優(yōu)越性：能極大地發(fā)揮材料塑性潛力和大大降優(yōu)越性：能極大地發(fā)揮材料塑性潛

58、力和大大降低變形抗力，從而有利于復(fù)雜零件的精確成形。低變形抗力，從而有利于復(fù)雜零件的精確成形。 對于像欽合金、鋁合金、鎂合金、合金鋼和高對于像欽合金、鋁合金、鎂合金、合金鋼和高溫合金等較難成形的金屬材料的成形，尤其具溫合金等較難成形的金屬材料的成形，尤其具有重要意義。有重要意義。v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)一、超塑性的概念和種類一、超塑性的概念和種類所謂超塑性，可以理解為金屬和合金具有所謂超塑性，可以理解為金屬和合金具有超常超常的均勻變形能力，一般有以下定義方式的均勻變形能力，一般有以下定義方式 大伸長率：達(dá)到百分之幾百、甚至百分大伸長率：達(dá)到百分之幾百、甚至百分

59、之幾千之幾千 拉伸時(shí)無頸縮拉伸時(shí)無頸縮 無流動應(yīng)力無流動應(yīng)力 易成形易成形 基本上無加工硬化基本上無加工硬化v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)分類分類經(jīng)常歸納為細(xì)晶超塑性和相變超塑性經(jīng)常歸納為細(xì)晶超塑性和相變超塑性 細(xì)晶超塑性：材料的晶粒必須超細(xì)化和等軸化，細(xì)晶超塑性：材料的晶粒必須超細(xì)化和等軸化，并在成形期間保持穩(wěn)定，晶粒細(xì)化的程度要求并在成形期間保持穩(wěn)定，晶粒細(xì)化的程度要求小于小于10m，越小越好；恒溫條件的下限溫度，越小越好；恒溫條件的下限溫度約為約為05Tm。(Tm為絕對熔化溫度為絕對熔化溫度)，一般為，一般為0.50.7Tm；應(yīng)變速率在；應(yīng)變速率在10-110

60、-5s-1范圍內(nèi)范圍內(nèi).由于由于這種超塑性的特點(diǎn)是先使金屬經(jīng)過必要的組織這種超塑性的特點(diǎn)是先使金屬經(jīng)過必要的組織結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備，又是在特定的恒溫條件下出現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備，又是在特定的恒溫條件下出現(xiàn)的，故又稱為結(jié)構(gòu)超塑性或恒溫超塑性故又稱為結(jié)構(gòu)超塑性或恒溫超塑性v第第2章章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)分類分類 動態(tài)超塑性（相變超塑性）動態(tài)超塑性（相變超塑性） 在一定的外力作用下，使金屬或合金在相變溫在一定的外力作用下，使金屬或合金在相變溫度附近反復(fù)加熱和冷卻，使其充分相變或同素度附近反復(fù)加熱和冷卻，使其充分相變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，而獲得很大的伸長率異構(gòu)轉(zhuǎn)變，而獲得很大的伸長率兩種超塑性的比