第二章金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)課件

第二章金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)第二章金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)主要內(nèi)容金屬冷態(tài)下的塑性變形

金屬熱態(tài)下的塑性變形

金屬的超塑性變形

金屬在塑性加工過程中的塑性行為主要內(nèi)容金屬冷態(tài)下的塑性變形第一節(jié)金屬冷態(tài)下的塑性變形基本概念

單晶體多晶體位錯第一節(jié)金屬冷態(tài)下的塑性變形基本概念金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體：各方向上的原子密度不同－各向異性

多晶體：晶粒方向性互相抵消－各向同性存在著一系列缺陷：點缺陷、線缺陷、面缺陷金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體：各方向上的原子密度不同－各向異性線缺陷（位錯）線缺陷又稱為位錯。位錯模型最開始是為了解釋材料的強度性質(zhì)而提出的。材料拉伸實驗時，當(dāng)應(yīng)力超過彈性限度而使晶體材料發(fā)生塑性形變時，可以在表面上觀察到滑移帶的條紋。線缺陷（位錯）線缺陷又稱為位錯?；茙c滑移面滑移帶與滑移面如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？按原子面與原子面之間剛性錯開的模型進行定量解釋時遇到嚴重困難。在該模型中假定滑移面兩側(cè)原子間的結(jié)合鍵同時破壞，又同時鍵合。由于同時破壞這些原子鍵所需的力很大，致使按照該模型計算出來的理論強度比晶體的實際強度要大100倍到1000倍。如何解釋晶體滑移？按原子面與原子面之間剛性錯開的模型進行定量如何解釋晶體滑移？經(jīng)過大量研究，人們認識到滑移過程并非是原子面之間整體的發(fā)生相對位移，而是一部分先發(fā)生位移，然后推動晶體中另一部分滑移，循序漸進。如何解釋晶體滑移？經(jīng)過大量研究，人們認識到滑移過程并非是原子如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？位錯就是在滑移面上已經(jīng)滑移及尚未滑移部分的分界線。這樣，晶體的滑移可以看作是位錯運動的結(jié)果。當(dāng)位錯從一端運動到另一端之后，整個晶體錯動了一個原子位置，位錯滑出晶體時，晶體恢復(fù)完整，但卻留下了永久形變。由于位錯附近有嚴重原子錯排，以及彈性畸變引起的長程應(yīng)力場，因此在位錯附近的原子平均能量比其理想晶格位置上的要高，比較容易運動。另一方面又由于運動是逐步進行的，所以，實際剪切應(yīng)力比理論值要低得多。如何解釋晶體滑移？位錯就是在滑移面上已經(jīng)滑移及尚未滑移部分的位錯S：位錯線長度，V：體積，ρ：位錯密度一般退火金屬：ρ

=106-108/cm2冷變形、淬火金屬：ρ

=1011-1012/cm2

位錯有兩種基本類型，一種叫做刃型位錯，另一種叫做螺型位錯。實際晶體中的位錯往往既不是單純的螺位錯，也不是單純的刃位錯，而是它們的混合形式，故稱之為混合位錯。位錯密度越高，金屬的強度、硬度越高。

位錯S：位錯線長度，V：體積，ρ：位錯密度一般退火金屬：

刃型位錯

晶體中多余的半原子面好象一片刀刃切入晶體中，沿著半原子面的“刃邊”，形成一條間隙較大的“管道”，該“管道”周圍附近的原子偏離平衡位置，造成晶格畸變。刃型位錯包括“管道”及其周圍晶格發(fā)生畸變的范圍，通常只有3到5個原子間距寬，而位錯的長度卻有幾百至幾萬個原子間距。刃型位錯晶體中多余的半原子面好象一片刀刃切入晶體中，沿著

刃型位錯與間隙原子的相互作用刃型位錯會吸引間隙原子和置換原子向位錯區(qū)聚集。小的間隙原子（紅色）往往進入位錯管道，置換原子（棕色）則富集在管道周圍。這樣可以降低晶格的畸變能，同時這些間隙原子和置換原子對位錯起了釘扎作用，使位錯難以運動，結(jié)果可以使晶體的強度、硬度提高。刃型位錯與間隙原子的相互作用刃型位錯會吸引間隙原子和置換原M.F.AshbyandD.R.H.Jones,EngineeringMaterials1,2nded.(2002)M.F.AshbyandD.R.H.Jones,E刃型位錯刃型位錯

刃型位錯

刃型位錯

螺型位錯

螺型位錯螺型位錯螺型位錯螺型位錯螺型位錯混合型位錯（螺型+刃型）

混合型位錯（螺型+刃型）

位錯的運動單滑移：只有一個特定的滑移系處于最有利的位置而優(yōu)先開動時，形成單滑移。多滑移：由于變形時晶體轉(zhuǎn)動的結(jié)果，有兩組或幾組滑移面同時轉(zhuǎn)到有利位向，使滑移可能在兩組或更多的滑移面上同時或交替地進行，形成“雙滑移”或“多滑移”。交滑移：晶體在兩個或多個不同滑移面上沿同一滑移方向進行的滑移。位錯的運動單滑移：只有一個特定的滑移系處于最有利的位置而優(yōu)先滑移的表面痕跡單滑移：單一方向的滑移帶；多滑移：相互交叉的滑移帶；交滑移：波紋狀的滑移帶。滑移的表面痕跡單滑移：單一方向的滑移帶；位錯源和位錯增殖位錯源和位錯增殖Frank-ReadsourcesinSiDash,DislocationandMechanicalPropertiesofCrystals,Wiley(1957).Frank-ReadsourcesinSiDash,一塑性變形機理

1晶內(nèi)變形晶內(nèi)變形的主要方式：滑移、孿生一塑性變形機理1晶內(nèi)變形滑移

滑移:在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對位移,且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式?；泼妫涸优帕忻芏茸畲蟮木妗；品较颍涸优帕忻芏茸畲蟮姆较?。滑移系:一種滑移面及其上的一個滑移方向構(gòu)成?；苹?在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一滑移帶

滑移帶滑移面、滑移方向、滑移系滑移面、滑移方向、滑移系滑移時的位錯運動

一個位錯移到晶體表面時，便形成一個原子間距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位錯移到晶體表面時，則形成一條滑移線。

滑移時的位錯運動一個位錯移到晶體表面時，便形成一個原子間距臨界剪切應(yīng)力

晶體進入塑性時，在滑移面上，沿滑移方向的剪應(yīng)力稱為臨界剪應(yīng)力

取向因子

[uvw]isperpendicularto(uvw)臨界剪切應(yīng)力晶體進入塑性時，在滑移面上，沿滑移方向的剪應(yīng)力孿生

孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，此公共晶面就稱為孿晶面。孿生

孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)面心立方晶體孿晶的高分辨透射電鏡(HRTEM）照片面心立方晶體孿晶的高分辨透射電鏡(HRTEM）照片孿晶孿晶滑移與孿晶滑移與孿晶孿生的特點（1）孿生是一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作切變，切變時原子移動的距離是孿生方向原子間距的分數(shù)倍；孿生是部分位錯運動的結(jié)果；孿晶面兩側(cè)晶體的位向不同，呈鏡面對稱；孿生是一種均勻的切變。孿生的特點（1）孿生是一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作孿生的特點（2）孿晶的萌生一般需要較大的應(yīng)力，但隨后長大所需的應(yīng)力較小，其拉伸曲線呈鋸齒狀。孿晶核心大多是在晶體局部高應(yīng)力區(qū)形成。變形孿晶一般呈片狀。變形孿晶經(jīng)常以爆發(fā)方式形成，生成速率較快。孿生的特點（2）孿晶的萌生一般需要較大的應(yīng)力，但隨后長大所需孿生的特點（3）形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體（密排六方金屬很容易產(chǎn)生孿生變形），面心立方晶體中很難發(fā)生孿生。（4）孿生本身對金屬塑性變形的貢獻不大，但形成的孿晶改變了晶體的位向，使新的滑移系開動，間接對塑性變形有貢獻。孿生的特點（3）形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體（密排六一塑性變形機理

2晶間變形晶間變形的主要方式：晶粒之間相互滑動和轉(zhuǎn)動。一塑性變形機理2晶間變形二多晶體的塑性變形二多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形的特點各晶粒變形的不同時性位錯在晶界塞積應(yīng)力集中相鄰晶粒位錯源開動相鄰晶粒變形塑變各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性（1）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。（2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨立變形會導(dǎo)致晶體分裂）（3）條件：獨立滑移系5個。（保證晶粒形狀的自由變化）多晶體的塑性變形的特點各晶粒變形的不同時性多晶體的塑性變形的特點晶粒之間和晶粒內(nèi)部與晶界附近區(qū)域之間變形的不均勻性

（1）晶界的特點：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。（2）晶界對變形的影響:滑移、孿生多終止于晶界,極少穿過。多晶體的塑性變形的特點晶粒之間和晶粒內(nèi)部與晶界附近區(qū)域之間變變形的不均勻性

（3）晶粒大小與性能的關(guān)系

a晶粒越細，強度越高(細晶強化)

s=0+Kd-1/2

原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。

晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂機會減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高塑性。

b晶粒越細，塑韌性提高細晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多能量,表現(xiàn)高韌性。變形的不均勻性三合金的塑性變形

1單相固溶體的塑性變形（1）固溶體的結(jié)構(gòu)（2）固溶強化

a）固溶強化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。晶格畸變，阻礙位錯運動

b）強化機制柯氏氣團強化三合金的塑性變形1單相固溶體的塑性變形固溶強化

c）屈服和應(yīng)變時效現(xiàn)象：上下屈服點、屈服延伸（呂德斯帶擴展）。預(yù)變形和時效的影響：去載后立即加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；去載后放置一段時間或200℃加熱后再加載出現(xiàn)屈服。原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。上屈服點下屈服點固溶強化上屈服點下屈服點固溶強化

d）固溶強化的影響因素

溶質(zhì)原子含量越多，強化效果越好；溶劑與溶質(zhì)原子半徑差越大，強化效果越好；溶劑與溶質(zhì)原子價電子數(shù)差越大，強化效果越好；間隙式溶質(zhì)原子的強化效果高于置換式溶質(zhì)原子。固溶強化合金的塑性變形2多相合金的塑性變形

結(jié)構(gòu)：基體＋第二相性能：（1）兩相性能接近：按強度分數(shù)相加計算（2）軟基體＋硬第二相

第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體）

a結(jié)構(gòu)

兩相呈層片狀分布（珠光體）

第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）合金的塑性變形2多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形性能（2）軟基體＋硬第二相位錯繞過第二相粒子(粒子、位錯環(huán)阻礙位錯運動)b彌散強化

位錯切過第二相粒子（表面能、錯排能、粒子阻礙位錯運動）多相合金的塑性變形性能第二章金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)課件四塑性變形對金屬組織和性能的影響

1對組織結(jié)構(gòu)的影響

晶粒拉長

（1）形成纖維組織

雜質(zhì)呈細帶狀或鏈狀分布四塑性變形對金屬組織和性能的影響1對組織結(jié)構(gòu)的影響第二章金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)課件H62黃銅擠壓的帶狀組織H62黃銅擠壓的帶狀組織（2）亞結(jié)構(gòu)變形量增大位錯纏結(jié)位錯胞（大量位錯纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯密度低)（2）亞結(jié)構(gòu)變形量增大位錯纏結(jié)位錯胞（3）形變織構(gòu)形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)取向的組織。絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行（拉拔時類型形成）板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向（軋制時形成）（3）形變織構(gòu)形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈（3）形變織構(gòu)

力學(xué)性能:利:深沖板材變形控制；弊:制耳

(各向異性)對性能的影響

物理性能:硅鋼片{100}[100]織構(gòu)可減少鐵損（3）形變織構(gòu)力學(xué)性能:2對力學(xué)性能的影響（加工硬化）（1）加工硬化（形變強化、冷作強化）：隨變形量的增加，材料的強度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。四塑性變形對金屬組織和性能的影響

2對力學(xué)性能的影響（加工硬化）四塑性變形對金屬組織和性2對力學(xué)性能的影響（加工硬化）

強化金屬的重要途徑利提高材料使用安全性（2）利弊材料加工成型的保證弊變形阻力提高，動力消耗增大脆斷危險性提高

2對力學(xué)性能的影響（加工硬化）第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形從金屬學(xué)的角度看，在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性變形，稱為熱塑性變形或熱塑性加工。在熱塑性變形過程中，回復(fù)、再結(jié)晶與加工硬化同時發(fā)生，加工硬化不斷被回復(fù)化再結(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)。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形從金屬學(xué)的角度看，在再結(jié)晶溫度以一熱塑性變形時的軟化過程

一熱塑性變形時的軟化過程冷變形金屬加熱時組織和性能的變化冷變形金屬加熱時組織和性能的變化二熱塑性變形機理晶內(nèi)滑移晶內(nèi)孿生晶界滑移擴散性蠕變擴散性蠕變二熱塑性變形機理晶內(nèi)滑移擴散性蠕變?nèi)裏崴苄宰冃螌饘俳M織性能的影響

改善晶粒組織鍛合內(nèi)部缺陷破碎并改善碳化物和非金屬夾雜物在鋼中的分布形成纖維組織改善偏析鋼錠鍛造過程中纖維組織形成示意

三熱塑性變形對金屬組織性能的影響改善晶粒組織鋼錠鍛造第三節(jié)金屬的超塑性變形超塑性是指金屬在特定變形條件下，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能（例如大的延伸率）的現(xiàn)象。一超塑性的概念和種類第三節(jié)金屬的超塑性變形超塑性是指金屬在特定變形條件下，呈現(xiàn)超塑性的特點

超塑性變形的一般特點：

1、大伸長率

2、無縮頸

3、低流動應(yīng)力

4、易成形采用超塑性成形工藝，可獲得形狀復(fù)雜和尺寸精確的鍛件，而變形力大大降低。超塑性的特點超塑性變形的一般特點：

超塑性成形實例

TC11鈦合金基于最大m值的超塑性研究試驗方法：最大m值法(原始創(chuàng)新)塑性指標(biāo)：最大延伸率δ=2300%(世界新記錄)試驗溫度：900℃(最佳溫度)原始組織狀態(tài)：細晶，晶粒度5μm(工藝創(chuàng)新)試驗時間：2006.9.30試驗地點：南昌航空大學(xué)M棟112室

超塑性成形實例TC11鈦合金基于最大m值的超塑性研究超塑性的種類

細晶超塑性

相變超塑性

是指在一定的恒溫下，在應(yīng)變速率和晶粒度都滿足要求的條件下所呈現(xiàn)的細晶超塑性。又稱為結(jié)構(gòu)超塑性或恒溫超塑性。

是指在一定外力作用下，使金屬或合金在相變溫度附近反復(fù)加熱和冷卻，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后獲得很大的伸長率。又稱為動態(tài)超塑性。超塑性的種類細晶超塑性相變超塑性是指在一定的恒二細晶超塑性變形力學(xué)特征在整個變形過程中，表現(xiàn)出低應(yīng)力水平、無縮頸的大延伸現(xiàn)象。流動應(yīng)力（真實應(yīng)力）對變形速率極其敏感。描述這種特征的方程為——真實應(yīng)力——決定于試驗條件的材料常數(shù)——應(yīng)變速率——應(yīng)變速率敏感性指數(shù)二細晶超塑性變形力學(xué)特征在整個變形過程中，表現(xiàn)出低應(yīng)力水三影響細晶超塑性的主要因素

三影響細晶超塑性的主要因素四超塑性變形機理

目前仍處于探討階段，尚無統(tǒng)一的認識。幾種主流的觀點：晶界滑移的觀點擴散蠕變機理的作用動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶

一般地認為，超塑性變形機理比常規(guī)塑性變形機理更為復(fù)雜，它包括晶界的滑移和晶粒的轉(zhuǎn)動、擴散蠕變、位錯的運動、在特殊情況下還有再結(jié)晶等，是幾個機理的綜合作用。四超塑性變形機理目前仍處于探討階段，尚無統(tǒng)一的A-V超塑變形機理

由Ashby和Verrall提出的晶界滑動和擴散蠕變聯(lián)合機理，簡稱A-V機理。σσ起始狀態(tài)中間狀態(tài)終了階段???

該理論認為，在晶界滑移的同時伴隨有擴散蠕變，對晶界滑移起調(diào)節(jié)作用的不是晶內(nèi)位錯的運動，而是原子的擴散遷移。A-V超塑變形機理由Ashby和Verra第四節(jié)金屬在塑性加工過程中的塑性行為一金屬的塑性及其指標(biāo)第四節(jié)金屬在塑性加工過程中的塑性行為一金屬的塑性及其指1金屬的塑性

金屬在外力作用下發(fā)生不可恢復(fù)的變形而保持其完整性不被破壞的性質(zhì)稱為金屬的塑性。應(yīng)力-應(yīng)變曲線碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試件1金屬的塑性金屬在外力作用下發(fā)生不可恢1金屬的塑性試件在彈性極限范圍內(nèi)的變形將完全恢復(fù)到原來的形狀。1金屬的塑性試件在彈性極限范圍內(nèi)的變形將完全恢復(fù)到原來的形1金屬的塑性

試件變形達到其彈性極限后，如果繼續(xù)加載，將發(fā)生不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。1金屬的塑性試件變形達到其彈性極限后，1金屬的塑性

對超過彈性極限載荷的金屬金屬試件卸載，卸載曲線近似于彈性曲線。1金屬的塑性對超過彈性極限載荷的金屬金1金屬的塑性塑性變形

試件完全卸載后，殘留部分不可恢復(fù)的變形εP,即塑性變形。1金屬的塑性塑性變形試件完全卸載后，殘2金屬的塑性指標(biāo)

衡量金屬材料塑性好壞的數(shù)量指標(biāo)，稱為塑性指標(biāo)，一般以材料開始破壞時的塑性變形量來表示。測定塑性指標(biāo)的實驗方法

拉伸實驗

鐓粗實驗

扭轉(zhuǎn)實驗2金屬的塑性指標(biāo)衡量金屬材料塑性好壞的數(shù)量拉伸試驗電子拉伸試驗機標(biāo)準(zhǔn)試件試件斷口拉伸試驗電子拉伸試驗機標(biāo)準(zhǔn)試件試件斷口拉伸試驗的力學(xué)條件與塑性指標(biāo)拉伸速度一般液壓機的速度范疇鍛錘變形速度的下限可確定以下塑性指標(biāo)：拉伸試驗的力學(xué)條件與塑性指標(biāo)拉伸速度一般液壓機的速度范疇鍛錘

鐓粗試驗鐓粗試驗

扭轉(zhuǎn)試驗

材料的塑性指標(biāo)用試樣破斷前的扭轉(zhuǎn)角或扭轉(zhuǎn)圈數(shù)表示。

材料扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力狀態(tài)：優(yōu)點：無頸縮、鼓形扭轉(zhuǎn)試驗材料的塑性指標(biāo)用試樣破斷前的扭二影響金屬塑性的主要因素二影響金屬塑性的主要因素1化學(xué)成分對金屬塑性的影響碳

:

碳↑－→塑性↓（滲碳體）雜質(zhì):雜質(zhì)↑－→塑性↓磷－→冷脆性。強度、硬度↑塑性↓硫－→熱脆性。硫化物和共晶體分布晶界，熔點低氮－→時效脆性、即蘭脆。溫度↓氮化物析出↑氫－→氫脆，間隙固溶體。白點，擴散聚集微缺陷處

氧－→熱脆性。氧化物、易溶共晶體分布晶界，熔點低合金元素:

合金元素加入－→塑性↓－→抗力↑一般規(guī)律：金屬的塑性主要取決于基體金屬。碳和雜質(zhì)元素1化學(xué)成分對金屬塑性的影響碳:碳↑－→塑性↓（滲碳體）2組織對金屬塑性的影響相結(jié)構(gòu)晶粒度鑄造組織2組織對金屬塑性的影響相結(jié)構(gòu)晶粒度鑄造組織3溫度對金屬塑性的影響一般趨勢：溫度↑－→塑性↑塑性-2002000400600100012008001400溫度/℃碳鋼的塑性隨溫度的變化曲線3溫度對金屬塑性的影響一般趨勢：溫度↑－→塑性↑塑性-2溫度影響金屬塑性的機理發(fā)生回復(fù)或再結(jié)晶原子動能增加，位錯活動性提高、滑移系增多金屬的組織、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化：多相組織→單相組織，或者，對塑性不利的晶格→對塑性有利的晶格擴散蠕變機理起作用晶間滑移作用增強溫度影響金屬塑性的機理發(fā)生回復(fù)或再結(jié)晶4應(yīng)變速率對金屬塑性的影響該問題比較復(fù)雜，有關(guān)認識仍待深入。一般性的機理分析：1、應(yīng)變速率↑→真實應(yīng)力↑→塑性變形不能充分擴展→較早地達到斷裂階段→塑性↓2、應(yīng)變速率↑→無足夠時間回復(fù)或再結(jié)晶→軟化作用↓→塑性↓3、應(yīng)變速率↑→溫度效應(yīng)↑→溫度↑→塑性↑4應(yīng)變速率對金屬塑性的影響該問題比較復(fù)雜，有關(guān)認識仍待深入應(yīng)變速率對金屬塑性的影響塑性指標(biāo)應(yīng)變速率應(yīng)變速率對塑性的影響的示意曲線應(yīng)變速率對金屬塑性的影響塑性指標(biāo)應(yīng)變速率應(yīng)變速率對塑性壓力柱塞試樣試驗腔室卡爾曼試驗保解儀器的工作部分高壓液體注入孔5應(yīng)力狀態(tài)對金屬塑性的影響0123456789破壞破壞壓縮程度（％）10002000300040005000破壞壓縮程度（％）0123456710002000300040005000破壞卡爾曼試驗壓力柱塞試樣試驗腔室卡爾曼試驗保解儀器的工作部分高壓液體注入應(yīng)力狀態(tài)影響金屬塑性的機理應(yīng)力狀態(tài)對塑性起影響作用的是應(yīng)力球張量。靜水壓力提高金屬塑性變形的解釋：1、靜水壓力↑→晶間變形困難→金屬塑性↑2、三向壓縮應(yīng)力有利于愈合塑性變形過程中產(chǎn)生的各種損傷3、三向壓縮作用能抑制變形體內(nèi)存在的少量的對塑性不利的雜質(zhì)、液相態(tài)或組織缺陷4、增大靜水壓應(yīng)力，可抵消由不均勻變形引起的附加拉應(yīng)力，從而減輕附加拉應(yīng)力所造成的拉裂作用應(yīng)力狀態(tài)影響金屬塑性的機理應(yīng)力狀態(tài)對塑性起影響作用的是應(yīng)力球6提高金屬塑性的基本途徑1、提高材料的成份和組織均勻性2、合理選擇變形溫度和應(yīng)變速率3、選擇三向壓縮性較強的變形方式4、減少變形的不均勻性

6提高金屬塑性的基本途徑1、提高材料的成份和組織均勻性人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，古人說“書中自有黃金屋。”通過閱讀科技書籍，我們能豐富知識，培養(yǎng)邏輯思維能力；通過閱讀文學(xué)作品，我們能提高文學(xué)鑒賞水平，培養(yǎng)文學(xué)情趣；通過閱讀報刊，我們能增長見識，擴大自己的知識面。有許多書籍還能培養(yǎng)我們的道德情操，給我們巨大的精神力量，鼓舞我們前進。人有了知識，就會具備各種分析能力，第二章金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)課件第二章金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)第二章金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)主要內(nèi)容金屬冷態(tài)下的塑性變形

金屬熱態(tài)下的塑性變形

金屬的超塑性變形

金屬在塑性加工過程中的塑性行為主要內(nèi)容金屬冷態(tài)下的塑性變形第一節(jié)金屬冷態(tài)下的塑性變形基本概念

單晶體多晶體位錯第一節(jié)金屬冷態(tài)下的塑性變形基本概念金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體：各方向上的原子密度不同－各向異性

多晶體：晶粒方向性互相抵消－各向同性存在著一系列缺陷：點缺陷、線缺陷、面缺陷金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體：各方向上的原子密度不同－各向異性線缺陷（位錯）線缺陷又稱為位錯。位錯模型最開始是為了解釋材料的強度性質(zhì)而提出的。材料拉伸實驗時，當(dāng)應(yīng)力超過彈性限度而使晶體材料發(fā)生塑性形變時，可以在表面上觀察到滑移帶的條紋。線缺陷（位錯）線缺陷又稱為位錯?；茙c滑移面滑移帶與滑移面如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？按原子面與原子面之間剛性錯開的模型進行定量解釋時遇到嚴重困難。在該模型中假定滑移面兩側(cè)原子間的結(jié)合鍵同時破壞，又同時鍵合。由于同時破壞這些原子鍵所需的力很大，致使按照該模型計算出來的理論強度比晶體的實際強度要大100倍到1000倍。如何解釋晶體滑移？按原子面與原子面之間剛性錯開的模型進行定量如何解釋晶體滑移？經(jīng)過大量研究，人們認識到滑移過程并非是原子面之間整體的發(fā)生相對位移，而是一部分先發(fā)生位移，然后推動晶體中另一部分滑移，循序漸進。如何解釋晶體滑移？經(jīng)過大量研究，人們認識到滑移過程并非是原子如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？如何解釋晶體滑移？位錯就是在滑移面上已經(jīng)滑移及尚未滑移部分的分界線。這樣，晶體的滑移可以看作是位錯運動的結(jié)果。當(dāng)位錯從一端運動到另一端之后，整個晶體錯動了一個原子位置，位錯滑出晶體時，晶體恢復(fù)完整，但卻留下了永久形變。由于位錯附近有嚴重原子錯排，以及彈性畸變引起的長程應(yīng)力場，因此在位錯附近的原子平均能量比其理想晶格位置上的要高，比較容易運動。另一方面又由于運動是逐步進行的，所以，實際剪切應(yīng)力比理論值要低得多。如何解釋晶體滑移？位錯就是在滑移面上已經(jīng)滑移及尚未滑移部分的位錯S：位錯線長度，V：體積，ρ：位錯密度一般退火金屬：ρ

=106-108/cm2冷變形、淬火金屬：ρ

=1011-1012/cm2

位錯有兩種基本類型，一種叫做刃型位錯，另一種叫做螺型位錯。實際晶體中的位錯往往既不是單純的螺位錯，也不是單純的刃位錯，而是它們的混合形式，故稱之為混合位錯。位錯密度越高，金屬的強度、硬度越高。

位錯S：位錯線長度，V：體積，ρ：位錯密度一般退火金屬：

刃型位錯

晶體中多余的半原子面好象一片刀刃切入晶體中，沿著半原子面的“刃邊”，形成一條間隙較大的“管道”，該“管道”周圍附近的原子偏離平衡位置，造成晶格畸變。刃型位錯包括“管道”及其周圍晶格發(fā)生畸變的范圍，通常只有3到5個原子間距寬，而位錯的長度卻有幾百至幾萬個原子間距。刃型位錯晶體中多余的半原子面好象一片刀刃切入晶體中，沿著

刃型位錯與間隙原子的相互作用刃型位錯會吸引間隙原子和置換原子向位錯區(qū)聚集。小的間隙原子（紅色）往往進入位錯管道，置換原子（棕色）則富集在管道周圍。這樣可以降低晶格的畸變能，同時這些間隙原子和置換原子對位錯起了釘扎作用，使位錯難以運動，結(jié)果可以使晶體的強度、硬度提高。刃型位錯與間隙原子的相互作用刃型位錯會吸引間隙原子和置換原M.F.AshbyandD.R.H.Jones,EngineeringMaterials1,2nded.(2002)M.F.AshbyandD.R.H.Jones,E刃型位錯刃型位錯

刃型位錯

刃型位錯

螺型位錯

螺型位錯螺型位錯螺型位錯螺型位錯螺型位錯混合型位錯（螺型+刃型）

混合型位錯（螺型+刃型）

位錯的運動單滑移：只有一個特定的滑移系處于最有利的位置而優(yōu)先開動時，形成單滑移。多滑移：由于變形時晶體轉(zhuǎn)動的結(jié)果，有兩組或幾組滑移面同時轉(zhuǎn)到有利位向，使滑移可能在兩組或更多的滑移面上同時或交替地進行，形成“雙滑移”或“多滑移”。交滑移：晶體在兩個或多個不同滑移面上沿同一滑移方向進行的滑移。位錯的運動單滑移：只有一個特定的滑移系處于最有利的位置而優(yōu)先滑移的表面痕跡單滑移：單一方向的滑移帶；多滑移：相互交叉的滑移帶；交滑移：波紋狀的滑移帶?；频谋砻婧圹E單滑移：單一方向的滑移帶；位錯源和位錯增殖位錯源和位錯增殖Frank-ReadsourcesinSiDash,DislocationandMechanicalPropertiesofCrystals,Wiley(1957).Frank-ReadsourcesinSiDash,一塑性變形機理

1晶內(nèi)變形晶內(nèi)變形的主要方式：滑移、孿生一塑性變形機理1晶內(nèi)變形滑移

滑移:在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對位移,且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式?；泼妫涸优帕忻芏茸畲蟮木妗；品较颍涸优帕忻芏茸畲蟮姆较?。滑移系:一種滑移面及其上的一個滑移方向構(gòu)成?；苹?在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一滑移帶

滑移帶滑移面、滑移方向、滑移系滑移面、滑移方向、滑移系滑移時的位錯運動

一個位錯移到晶體表面時，便形成一個原子間距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位錯移到晶體表面時，則形成一條滑移線。

滑移時的位錯運動一個位錯移到晶體表面時，便形成一個原子間距臨界剪切應(yīng)力

晶體進入塑性時，在滑移面上，沿滑移方向的剪應(yīng)力稱為臨界剪應(yīng)力

取向因子

[uvw]isperpendicularto(uvw)臨界剪切應(yīng)力晶體進入塑性時，在滑移面上，沿滑移方向的剪應(yīng)力孿生

孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，此公共晶面就稱為孿晶面。孿生

孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)面心立方晶體孿晶的高分辨透射電鏡(HRTEM）照片面心立方晶體孿晶的高分辨透射電鏡(HRTEM）照片孿晶孿晶滑移與孿晶滑移與孿晶孿生的特點（1）孿生是一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作切變，切變時原子移動的距離是孿生方向原子間距的分數(shù)倍；孿生是部分位錯運動的結(jié)果；孿晶面兩側(cè)晶體的位向不同，呈鏡面對稱；孿生是一種均勻的切變。孿生的特點（1）孿生是一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作孿生的特點（2）孿晶的萌生一般需要較大的應(yīng)力，但隨后長大所需的應(yīng)力較小，其拉伸曲線呈鋸齒狀。孿晶核心大多是在晶體局部高應(yīng)力區(qū)形成。變形孿晶一般呈片狀。變形孿晶經(jīng)常以爆發(fā)方式形成，生成速率較快。孿生的特點（2）孿晶的萌生一般需要較大的應(yīng)力，但隨后長大所需孿生的特點（3）形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體（密排六方金屬很容易產(chǎn)生孿生變形），面心立方晶體中很難發(fā)生孿生。（4）孿生本身對金屬塑性變形的貢獻不大，但形成的孿晶改變了晶體的位向，使新的滑移系開動，間接對塑性變形有貢獻。孿生的特點（3）形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體（密排六一塑性變形機理

2晶間變形晶間變形的主要方式：晶粒之間相互滑動和轉(zhuǎn)動。一塑性變形機理2晶間變形二多晶體的塑性變形二多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形的特點各晶粒變形的不同時性位錯在晶界塞積應(yīng)力集中相鄰晶粒位錯源開動相鄰晶粒變形塑變各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性（1）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。（2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨立變形會導(dǎo)致晶體分裂）（3）條件：獨立滑移系5個。（保證晶粒形狀的自由變化）多晶體的塑性變形的特點各晶粒變形的不同時性多晶體的塑性變形的特點晶粒之間和晶粒內(nèi)部與晶界附近區(qū)域之間變形的不均勻性

（1）晶界的特點：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。（2）晶界對變形的影響:滑移、孿生多終止于晶界,極少穿過。多晶體的塑性變形的特點晶粒之間和晶粒內(nèi)部與晶界附近區(qū)域之間變變形的不均勻性

（3）晶粒大小與性能的關(guān)系

a晶粒越細，強度越高(細晶強化)

s=0+Kd-1/2

原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。

晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂機會減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高塑性。

b晶粒越細，塑韌性提高細晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多能量,表現(xiàn)高韌性。變形的不均勻性三合金的塑性變形

1單相固溶體的塑性變形（1）固溶體的結(jié)構(gòu)（2）固溶強化

a）固溶強化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。晶格畸變，阻礙位錯運動

b）強化機制柯氏氣團強化三合金的塑性變形1單相固溶體的塑性變形固溶強化

c）屈服和應(yīng)變時效現(xiàn)象：上下屈服點、屈服延伸（呂德斯帶擴展）。預(yù)變形和時效的影響：去載后立即加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；去載后放置一段時間或200℃加熱后再加載出現(xiàn)屈服。原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。上屈服點下屈服點固溶強化上屈服點下屈服點固溶強化

d）固溶強化的影響因素

溶質(zhì)原子含量越多，強化效果越好；溶劑與溶質(zhì)原子半徑差越大，強化效果越好；溶劑與溶質(zhì)原子價電子數(shù)差越大，強化效果越好；間隙式溶質(zhì)原子的強化效果高于置換式溶質(zhì)原子。固溶強化合金的塑性變形2多相合金的塑性變形

結(jié)構(gòu)：基體＋第二相性能：（1）兩相性能接近：按強度分數(shù)相加計算（2）軟基體＋硬第二相

第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體）

a結(jié)構(gòu)

兩相呈層片狀分布（珠光體）

第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）合金的塑性變形2多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形性能（2）軟基體＋硬第二相位錯繞過第二相粒子(粒子、位錯環(huán)阻礙位錯運動)b彌散強化

位錯切過第二相粒子（表面能、錯排能、粒子阻礙位錯運動）多相合金的塑性變形性能第二章金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)課件四塑性變形對金屬組織和性能的影響

1對組織結(jié)構(gòu)的影響

晶粒拉長

（1）形成纖維組織

雜質(zhì)呈細帶狀或鏈狀分布四塑性變形對金屬組織和性能的影響1對組織結(jié)構(gòu)的影響第二章金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)課件H62黃銅擠壓的帶狀組織H62黃銅擠壓的帶狀組織（2）亞結(jié)構(gòu)變形量增大位錯纏結(jié)位錯胞（大量位錯纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯密度低)（2）亞結(jié)構(gòu)變形量增大位錯纏結(jié)位錯胞（3）形變織構(gòu)形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)取向的組織。絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行（拉拔時類型形成）板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向（軋制時形成）（3）形變織構(gòu)形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈（3）形變織構(gòu)

力學(xué)性能:利:深沖板材變形控制；弊:制耳

(各向異性)對性能的影響

物理性能:硅鋼片{100}[100]織構(gòu)可減少鐵損（3）形變織構(gòu)力學(xué)性能:2對力學(xué)性能的影響（加工硬化）（1）加工硬化（形變強化、冷作強化）：隨變形量的增加，材料的強度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。四塑性變形對金屬組織和性能的影響

2對力學(xué)性能的影響（加工硬化）四塑性變形對金屬組織和性2對力學(xué)性能的影響（加工硬化）

強化金屬的重要途徑利提高材料使用安全性（2）利弊材料加工成型的保證弊變形阻力提高，動力消耗增大脆斷危險性提高

2對力學(xué)性能的影響（加工硬化）第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形從金屬學(xué)的角度看，在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性變形，稱為熱塑性變形或熱塑性加工。在熱塑性變形過程中，回復(fù)、再結(jié)晶與加工硬化同時發(fā)生，加工硬化不斷被回復(fù)化再結(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)。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形從金屬學(xué)的角度看，在再結(jié)晶溫度以一熱塑性變形時的軟化過程

一熱塑性變形時的軟化過程冷變形金屬加熱時組織和性能的變化冷變形金屬加熱時組織和性能的變化二熱塑性變形機理晶內(nèi)滑移晶內(nèi)孿生晶界滑移擴散性蠕變擴散性蠕變二熱塑性變形機理晶內(nèi)滑移擴散性蠕變?nèi)裏崴苄宰冃螌饘俳M織性能的影響

改善晶粒組織鍛合內(nèi)部缺陷破碎并改善碳化物和非金屬夾雜物在鋼中的分布形成纖維組織改善偏析鋼錠鍛造過程中纖維組織形成示意

三熱塑性變形對金屬組織性能的影響改善晶粒組織鋼錠鍛造第三節(jié)金屬的超塑性變形超塑性是指金屬在特定變形條件下，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能（例如大的延伸率）的現(xiàn)象。一超塑性的概念和種類第三節(jié)金屬的超塑性變形超塑性是指金屬在特定變形條件下，呈現(xiàn)超塑性的特點

超塑性變形的一般特點：

1、大伸長率

2、無縮頸

3、低流動應(yīng)力

4、易成形采用超塑性成形工藝，可獲得形狀復(fù)雜和尺寸精確的鍛件，而變形力大大降低。超塑性的特點超塑性變形的一般特點：

超塑性成形實例

TC11鈦合金基于最大m值的超塑性研究試驗方法：最大m值法(原始創(chuàng)新)塑性指標(biāo)：最大延伸率δ=2300%(世界新記錄)試驗溫度：900℃(最佳溫度)原始組織狀態(tài)：細晶，晶粒度5μm(工藝創(chuàng)新)試驗時間：2006.9.30試驗地點：南昌航空大學(xué)M棟112室

超塑性成形實例TC11鈦合金基于最大m值的超塑性研究超塑性的種類

細晶超塑性

相變超塑性

是指在一定的恒溫下，在應(yīng)變速率和晶粒度都滿足要求的條件下所呈現(xiàn)的細晶超塑性。又稱為結(jié)構(gòu)超塑性或恒溫超塑性。

是指在一定外力作用下，使金屬或合金在相變溫度附近反復(fù)加熱和冷卻，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后獲得很大的伸長率。又稱為動態(tài)超塑性。超塑性的種類細晶超塑性相變超塑性是指在一定的恒二細晶超塑性變形力學(xué)特征在整個變形過程中，表現(xiàn)出低應(yīng)力水平、無縮頸的大延伸現(xiàn)象。流動應(yīng)力（真實應(yīng)力）對變形速率極其敏感。描述這種特征的方程為——真實應(yīng)力——決定于試驗條件的材料常數(shù)——應(yīng)變速率——應(yīng)變速率敏感性指數(shù)二細晶超塑性變形力學(xué)特征在整個變形過程中，表現(xiàn)出低應(yīng)力水三影響細晶超塑性的主要因素

三影響細晶超塑性的主要因素四超塑性變形機理

目前仍處于探討階段，尚無統(tǒng)一的認識。幾種主流的觀點：晶界滑移的觀點擴散蠕變機理的作用動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶

一般地認為，超塑性變形機理比常規(guī)塑性變形機理更為復(fù)雜，它包括晶界的滑移和晶粒的轉(zhuǎn)動、擴散蠕變、位錯的運動、在特殊情況下還有再結(jié)晶等，是幾個機理的綜合作用。四超塑性變形機理目前仍處于探討階段，尚無統(tǒng)一的A-V超塑變形機理

由Ashby和Verrall提出的晶界滑動和擴散蠕變聯(lián)合機理，簡稱A-V機理。σσ起始狀態(tài)中間狀態(tài)終了階段???

該理論認為，在晶界滑移的同時伴隨有擴散蠕變，對晶界滑移起調(diào)節(jié)作用的不是晶內(nèi)位錯的運動，而是原子的擴散遷移。A-V超塑變形機理由Ashby和Verra第四節(jié)金屬在塑性加工過程中的塑性行為一金屬的塑性及其指標(biāo)第四節(jié)金屬在塑性加工過程中的塑性行為一金屬的塑性及其指1金屬的塑性

金屬在外力作用下發(fā)生不可恢復(fù)的變形而保持其完整性不被破壞的性質(zhì)稱為金屬的塑性。應(yīng)力-應(yīng)變曲線碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試件1金屬的塑性金屬在外力作用下發(fā)生不可恢1金屬的塑性試件在彈性極限范圍內(nèi)的變形將完全恢復(fù)到原來的形狀。1金屬的塑性試件在彈性極限范圍內(nèi)的變形將完全恢復(fù)到原來的形1金屬的塑性

試件變形達到其彈性極限后，如果繼續(xù)加載，將發(fā)生不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。1金屬的塑性試件變形達到其彈性極限后，1金屬的塑性

對超過彈性極限載荷的金屬金屬試件卸載，卸載曲線近似于彈性曲線。1金屬的塑性對超過彈性極限載荷的金屬金1金屬的塑性塑性變形

試件完全卸載后，殘留部分不可恢復(fù)的變形εP,即塑性變形。1金屬的塑性塑性變形試件完全卸載后，殘2金屬的塑性指標(biāo)

衡量金屬材料塑性好壞的數(shù)量指標(biāo)，稱為塑性指標(biāo)，一般以材料開始破壞時的塑性變形量來表示。測定塑性指標(biāo)的實驗方法

拉伸實