第一章 金屬塑性成形的物理基礎(chǔ)

第十二章

金屬塑性成形的物理基礎(chǔ)第一節(jié)概述第二節(jié)金屬在冷態(tài)下的塑性變形第三節(jié)金屬的熱塑性變形第四節(jié)對塑性和變形抗力的影響第五節(jié)金屬的超塑性第一節(jié)緒論塑性：材料在外力的作用下產(chǎn)生一定的永久變形而不破壞其完整性的能力。塑性成形：材料成形的基本方法之一，它是利用材料的塑性，在外力作用下獲得所需尺寸和形狀的工件的一種加工方法，又稱為塑性加工。1、航空航天航空航天領(lǐng)域2、武器裝備武器裝備領(lǐng)域3、交通運輸交通運輸領(lǐng)域4、建筑建筑領(lǐng)域5、家用電器家用電器領(lǐng)域主要內(nèi)容一、金屬塑性成形的特點二、塑性成形工藝的分類三、塑性變形成形理論的發(fā)展概況四、本課程的任務本課程參考資料一、金屬塑性成形的特點1、生產(chǎn)效率高，適用于大批量生產(chǎn)

沖硅鋼片的高速沖床的速度可達2000次/min;

鍛造一根汽車發(fā)動機曲軸只需要40s；

M12l螺栓的冷鍛210件/min。2、改善了金屬的組織和結(jié)構(gòu)和性能

鋼錠內(nèi)部的組織缺陷，如疏松、晶粒粗大，經(jīng)塑性變形后，組織變得致密，夾雜物被擊碎；與機械加工相比，金屬的纖維組織不會被切斷，因而結(jié)構(gòu)性能得到提高。機械加工塑性加工

3、材料利用率高

金屬塑性成形主要靠金屬的體積轉(zhuǎn)移來獲得一定的形狀和尺寸，無切削，只有少量的工藝廢料，因此材料利用率高，一般可達75%～85%，最高可達98%以上。

4、尺寸精度高

精密鍛造、精密擠壓、精密沖裁零件，可以達到不需機械加工就可以使用的程度。二、塑性成形工藝的分類

體積成形（熱加工）

板料成形（冷加工）鍛造軋制自由鍛造拉拔擠壓

模鍛成形工序

分離工序

軋制擠壓

拉拔

自由鍛開式模鍛沖裁拉深閉式模鍛(1)軋制：金屬通過旋轉(zhuǎn)的軋輥受到壓縮，橫斷面積減小，長度增加的過程。(可實現(xiàn)連續(xù)軋制)縱軋、橫軋、斜軋。舉例：汽車車身板、煙箔等；其它：多輥軋制(24輥)、孔型軋制等。(2)擠壓：金屬在擠壓筒中受推力作用從?？字辛鞒龆迫「鞣N斷面金屬材料的加工方法。舉例：管、棒、型；其它：異型截面。正擠反擠臥式擠壓機(4)鍛造：鍛錘錘擊工件產(chǎn)生壓縮變形

A.自由鍛：金屬在上下鐵錘及鐵砧間受到?jīng)_擊力或壓力而產(chǎn)生塑性變形的加工我國自行研制的萬噸級水壓機

B.模鍛：金屬在具有一定形狀的鍛模膛內(nèi)受沖擊力或壓力而產(chǎn)生塑性變形的加工。舉例：飛機大梁，火箭捆挷環(huán)等萬噸級水壓機模鍛的飛機大梁、火箭捆挷環(huán)(5)沖壓：金屬坯料在沖模之間受壓產(chǎn)生分離或變形的加工方法。三、塑性變形成形理論的發(fā)展概況塑性成形力學，是在塑性理論（或塑性力學）的發(fā)展和應用中逐漸形成的：

1864年法國工程師H.Tresca屈雷斯加首次提出最大切應力屈服準則

1925年德國卡爾曼用初等應力法建立了軋制時的應力分布規(guī)律；薩克斯和齊別爾提出了切塊法即主應力法；再后來，滑移線法、上限法、有限元法等相繼得到發(fā)展。四、本課程的任務（一）增量理論：1、Levy-Mises（米塞斯）增量理論2、Prandtl-Reuss（羅伊斯）理論磨損全量理論：Hencky（亨基）全量理論

學習塑性力學的基礎(chǔ)知識，掌握應力應變分析、塑性變形物性方程(本構(gòu))

等變形力學知識，為塑性加工過程中變形體的應力、應變分析及變形力與功的計算奠定力學基礎(chǔ)。本課程的任務（二）

學習金屬塑性變形的物理冶金知識，掌握塑性變形時金屬流動和變形不均勻分布規(guī)律，分析影響金屬塑性流動和變形不均勻的影響因素、金屬塑性變形的微觀機理和組織性能變化規(guī)律，為確定塑性加工的溫度、速度等條件，獲得最佳塑性狀態(tài)和制品組織性能奠定材料學基礎(chǔ)。本課程的任務（三）

學習塑性加工過程中摩擦與潤滑的基本知識，掌握摩擦基本的特點與規(guī)律；摩擦對塑性加工過程的影響與作用；塑性加工工藝潤滑的基本理論，為合理選擇潤滑劑及潤滑工藝奠定物理化學基礎(chǔ)。本課程參考資料1、俞漢清陳金德編金屬塑性成形原理機工社出版2、萬勝狄主編金屬塑性成形原理機工社出版3、汪大年主編金屬塑性成形原理機工社出版第二節(jié)金屬在冷態(tài)下的塑性變形一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織二、金屬冷態(tài)下的塑性變形機理三、合金的塑性變形四、冷塑性變形對金屬組織和性能的影響一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織

晶界：晶粒之間為晶界，晶界表現(xiàn)出許多與晶粒內(nèi)部不同的性質(zhì)；如：室溫時晶界的強度和硬度高于晶內(nèi)，高溫時則相反；晶界中原子的擴散速度比晶內(nèi)原子快得多；晶界的熔點低于晶內(nèi)；晶界容易被腐蝕等。多晶體的塑性變形包括晶內(nèi)變形和晶界變形合金：由兩種或兩種以上的金屬構(gòu)成，按組織特征分為單相合金（以基體金屬為基的單相固溶體組織）和多相合金（除基體外，還有第二相）。多晶體：由許多大小、形狀和位向都不同的晶粒組成，晶粒之間存在晶界。變形的不均勻性和各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性是其變形的主要特點。

二、金屬冷態(tài)下的塑性變形機理

晶內(nèi)變形的主要方式為滑移和孿生，其中滑移是主要的（一）晶內(nèi)變形1．滑移動畫演示滑移：在切應力的作用下，晶體的一部分與另一部分沿一定的晶面（滑移面：原子密度最大或比較大的晶面）和晶向（滑移方向：原子密度最大的密排方向）產(chǎn)生相對滑動。一個滑移面和該面上的一個滑移方向構(gòu)成滑移系。滑移的結(jié)果使大量的原子逐步發(fā)生遷移，從而產(chǎn)生宏觀的塑性變形。晶內(nèi)滑移受到晶界的阻礙，還受到周圍難滑移晶粒的阻礙。而且，隨變形增加，還會發(fā)生多系滑移，滑移面還會發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲等。圖12-3滑移方向與滑移面圖12-4滑移面上的切應力分析其中：為橫截面上的拉應力，稱為取向因子==45時，最大，切應力最大，滑移系處于最佳取向。軟取向：=0.5或接近于0.5的取向硬取向：=0或接近于0的取向多晶體只有處于軟取向的滑移面最先滑移注：單晶體的臨界切應力，不隨取向因子的變化而變化2．孿生動畫演示孿生變形：在切應力的作用下，晶體的變形部分與未變形部分形成以孿晶面為分界面成鏡面對稱的位向關(guān)系孿生變形所需的切應力大于滑移變形時所需的切應力。所以，滑移是優(yōu)先發(fā)生的變形方式。發(fā)生孿生變形的條件主要與晶體結(jié)構(gòu)、變形溫度和變形速度有關(guān)：密排立方和體心立方的金屬易發(fā)生孿生變形，一般在沖擊載荷和較低溫度下易發(fā)生孿生變形。如密排立方（鋅、鎂）——常溫、慢速拉伸體心立方（鐵）——室溫、沖擊載荷或低溫、不太大的變形速率面心立方（純銅）——特別低的溫度（-230℃）注：孿生變形引起的變形量是較小的，因此，晶體的塑性變形主要依靠滑移變形。（二）晶間變形晶間變形的方式包括晶粒間的相互滑動和轉(zhuǎn)動。在外力的作用下，當沿晶界處的切應力足以克服晶粒相互滑動的阻力時，晶粒間發(fā)生相互滑動。多晶體變形的不均勻性使得在相鄰的晶粒間產(chǎn)生了力偶，造成晶粒間的相互轉(zhuǎn)動。晶粒相對轉(zhuǎn)動的結(jié)果可使已發(fā)生滑移的晶粒逐漸轉(zhuǎn)到位向不利的位置而停止滑移，而使另外一些晶粒轉(zhuǎn)至有利的位向而發(fā)生滑移。

多晶體的滑移

晶粒之間的相對滑動和轉(zhuǎn)動（三）晶界變形

低溫時，晶界處原子排列極不規(guī)則，并聚集著較多的雜質(zhì)原子，使滑移受到阻礙，變形阻力較大。其次，由一個晶粒到另一個晶粒的位向有突變，即晶界處晶粒的結(jié)構(gòu)是不連續(xù)的，因此，晶界處各晶粒相互制約晶界變形困難。

多晶體金屬的晶粒越細，單位體積內(nèi)的晶界面積越大，滑移在相近的晶粒間傳播所需要的能量越多，塑性變形抗力大，強度較高；而且單位體積內(nèi)位向有利的晶粒也越多，變形分布較均勻，塑性較好。因此，細晶金屬不容易產(chǎn)生裂紋，發(fā)生裂紋后也不容易擴展，因此細晶金屬的韌性也較好。這就是可以通過細化晶粒來提高金屬材料綜合性能的原因。三、合金的塑性變形

合金具有純金屬不可比擬的力學性能和特殊的物理、化學性能。合金的相結(jié)構(gòu)有兩大類：固溶體（如鋼中的鐵素體）化合物（鋼中的Fe3C）

常見的合金組織有兩大類：單相固溶體合金兩相或多相合金（一）單相固溶體合金的塑性變形

單相固溶體合金的塑性變形與多晶體純金屬相似，也是滑移和孿生，變形時同樣受到相鄰晶粒的影響。但溶質(zhì)原子溶入后，使其塑性變形抗力增大，合金強度、硬度提高而塑性、韌性下降，并有較大的加工硬化率。這種現(xiàn)象叫做固溶強化。（溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行）是由溶質(zhì)原子阻礙金屬中的位錯運動引起的。（二）多相合金的塑性變形

多相合金（兩相合金）中的第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，起強化作用的主要是硬而脆的化合物。合金的塑性變形在很大程度上取決于第二相的數(shù)量、形狀、大小和分布的形態(tài)。但從變形的機理來說，仍然是滑移和孿生第二相以連續(xù)網(wǎng)狀分布在基體晶粒的邊界上隨著第二相數(shù)量的增加，合金的強度和塑性皆下降。第二相以彌散質(zhì)點（顆粒）分布在基體晶粒內(nèi)部合金的強度顯著提高而對塑性和韌性的影響較小。彌散強化：第二相以細小質(zhì)點的形式存在而使合金顯著強化的現(xiàn)象稱彌散強化。一方面，相界（即晶界）面積顯著增多并使周圍晶格發(fā)生顯著畸變，從而使滑移阻力增加。另一方面，第二相質(zhì)點阻礙位錯的運動。因此，粒子越細，彌散分布越好，強化的效果越好。

兩相合金的顯微組織四、冷塑性變形對金屬組織和性能的影響（一）對組織結(jié)構(gòu)的影響

晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶和孿生帶；晶粒的形狀發(fā)生變化：隨變形程度的增加，等軸晶沿變形方向逐步伸長，當變形量很大時，晶粒組織成纖維狀；晶粒的位向發(fā)生改變：晶粒在變形的同時，也發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而使得各晶粒的取向逐漸趨于一致（擇優(yōu)取向），從而形成變形織構(gòu)。變形后變形前拉拔形成的絲結(jié)構(gòu)拉拔后軋制形成的板織構(gòu)軋制前軋制后拉拔前（二）對金屬性能的影響塑性變形改變了金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，因而改變了金屬的力學性能。隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度增加，而塑性和韌性相應下降。即產(chǎn)生了加工硬化加工硬化：在常溫狀態(tài)下，金屬的流動應力隨變形程度的增加而上升。為了使變形繼續(xù)下去，就需要增加變形外力或變形功。這種現(xiàn)象稱為加工硬化。這主要是由于塑性變形引起位錯密度增大，導致位錯之間交互作用增強，大量形成纏結(jié)、不動位錯等障礙，形成高密度的“位錯林”，使其余位錯運動阻力增大，于是塑性變形抗力提高。加工硬化的兩面性：一方面，它能提高金屬的強度，可作為強化金屬的一種手段（形變強化）；還可以改善一些冷加工工藝性能，使塑性變形能夠較均勻地分布于整個工件；另一方面，它又增加了變形的困難，提高了變形抗力，甚至降低了金屬的塑性。注：加工硬化既是金屬塑性變形的特征，也是強化金屬的重要手段。第三節(jié)金屬的熱塑性變形熱塑性變形：

金屬在再結(jié)晶溫度以上的變形，稱為熱塑性變形。

熱塑性變形過程中，回復、再結(jié)晶和加工硬化同時發(fā)生，加工硬化不斷被回復和再結(jié)晶等軟化過程所抵消，金屬處于高塑性、低變形抗力的狀態(tài)。主要內(nèi)容一、熱塑性變形時金屬的軟化過程二、熱塑性變形機理三、雙相合金熱塑性變形的特點四、熱塑性變形對金屬組織和性能的影響一、熱塑性變形時金屬的軟化過程

熱塑性變形時金屬的軟化過程比較復雜，它與變形溫度、應變速率、變形程度和金屬本身的性質(zhì)有關(guān)，主要有靜態(tài)回復、靜態(tài)再結(jié)晶、動態(tài)回復、動態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶等。1、回復和再結(jié)晶

從熱力學角度來看，變形引起加工硬化，晶體缺陷增多，金屬畸變內(nèi)能增加，原子處于不穩(wěn)定的高自由能狀態(tài)，具有向低自由能狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。當加熱升溫時，原子具有相當?shù)臄U散能力，變形后的金屬自發(fā)地向低自由能狀態(tài)轉(zhuǎn)變。這一轉(zhuǎn)變過程稱為回復和再結(jié)晶，這一過程伴隨有晶粒長大?；貜屯窃谳^低的溫度下或較早的階段發(fā)生的過程，再結(jié)晶則是在較高的溫度下或較晚的階段發(fā)生的轉(zhuǎn)變。1．靜態(tài)回復

在回復階段，金屬的強度、硬度有所下降，塑性、韌性有所提高；但顯微組織沒有發(fā)生明顯的變化，因為在回復溫度范圍內(nèi)，原子只在晶內(nèi)作短程擴散，使點缺陷和位錯發(fā)生運動，改變了數(shù)量和狀態(tài)的分布。低溫回復（0.1～0.3）Tm時，回復的主要機理是點缺陷運動和互相結(jié)合，使點缺陷的濃度下降。中溫回復（0.3～0.5）Tm時，位錯團內(nèi)部位錯重新組合和調(diào)整、位錯運動和異號位錯互毀，導致位錯團厚度變薄，位錯網(wǎng)絡清晰，晶界位錯密度下降，亞晶緩慢長大。高溫回復發(fā)生時（T>0.5Tm），發(fā)生位錯攀移，亞晶合并和多邊形化現(xiàn)象。２．靜態(tài)再結(jié)晶

冷變形金屬加熱到一定溫度后，會發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，用新的無畸變的等軸晶，取代金屬的冷變形組織。與回復不同，再結(jié)晶使金屬的顯微組織徹底改變或改組，使其在性能上也發(fā)生很大變化，如強度、硬度顯著降低，塑性大大提高，加工硬化和內(nèi)應力完全消除，物理性能得到恢復等。但是，再結(jié)晶并不是一個簡單地使金屬的組織恢復到變形前的狀態(tài)的過程，可以通過控制變形和再結(jié)晶條件，調(diào)整再結(jié)晶晶粒的大小和再結(jié)晶的體積數(shù)，用這種方式和手段來改善和控制金屬組織和性能。圖12-16回復和再結(jié)晶對金屬組織和性能的變化回復再結(jié)晶晶粒長大發(fā)生溫度較低溫度較高溫度更高溫度轉(zhuǎn)變機制原子活動能量小，空位移動使晶格扭曲恢復。位錯短程移動，適當集中形成規(guī)則排列原子擴散能力大，新晶粒在嚴重畸變組織中形核和生長，直至畸變晶粒完全消失，但無晶格類型轉(zhuǎn)變新生晶粒中大晶粒吞并小晶粒，晶界位移組織變化金相顯微鏡下觀察組織無變化。宏觀內(nèi)應力和微觀內(nèi)應力有較大下降形成新的等軸晶粒，有時還產(chǎn)生再結(jié)晶織構(gòu)，位錯密度大大下降晶粒明顯長大性能變化強度、硬度略有下降，塑性略有上升，電阻率明顯下降強度、硬度明顯下降，加工硬化基本消除。塑性上升使性能惡化，塑性明顯下降應用說明去應力退火工藝，一般只有回復轉(zhuǎn)變再結(jié)晶退火可消除加工硬化效果，消除組織各向異性應在工藝處理過程中防止產(chǎn)生３．動態(tài)回復

動態(tài)回復發(fā)生在熱塑性變形過程中，它對軟化金屬起著重要的作用。動態(tài)回復主要是通過位錯的攀移、交滑移來實現(xiàn)的。層錯能高，變形位錯的交滑移和攀移比較容易進行，位錯容易在滑移面間轉(zhuǎn)移，使異號位錯互相抵消，其結(jié)果是位錯密度下降，畸變能降低，達不到動態(tài)再結(jié)晶所需的能量水平。所以動態(tài)回復是層錯能高的金屬熱變形過程中唯一的軟化機制。４．動態(tài)再結(jié)晶

在熱塑性變形過程中發(fā)生的，層錯能低的金屬在變形量很大時才可能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。因為層錯能低時，不易進行位錯的交滑移和攀移。動態(tài)再結(jié)晶需要一定的驅(qū)動力，只有畸變能差積累到一定水平時，動態(tài)再結(jié)晶才能啟動，否則只能發(fā)生動態(tài)回復。只有當變形程度遠高于靜態(tài)再結(jié)晶所需的臨界變形程度時，動態(tài)再結(jié)晶才會發(fā)生。動態(tài)再結(jié)晶的能力除與金屬的層錯能高低有關(guān)外，還與晶界遷移的難易程度有關(guān)。金屬越純，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的能力越強。溶質(zhì)原子固溶于金屬基體，彌散的第二相粒子，都會嚴重阻礙晶界的遷移，減緩或遏止動態(tài)再結(jié)晶過程的進行。動態(tài)再結(jié)晶的晶粒度大小與變形程度、應變速率和變形溫度有關(guān)，一般是降低變形溫度、提高應變速率和變形程度，會使動態(tài)再結(jié)晶后的晶粒變細，而細小的晶粒組織具有更高的變形抗力。

因此，可以通過控制變形溫度、速率和變形程度來調(diào)節(jié)晶粒組織的粗細和它的力學機械性能。在動態(tài)再結(jié)晶的過程中，由變形引起的硬化過程和由再結(jié)晶引起的軟化過程相互平衡時，真實應力趨于穩(wěn)定。二、熱塑性變形機理金屬熱塑性變形機理主要有以下幾種：晶內(nèi)滑移，晶內(nèi)孿生，晶界滑移，擴散蠕變。其中，晶內(nèi)滑移是最主要的行為方式；孿生多發(fā)生在高溫高速變形；晶界滑移和擴散蠕變只發(fā)生在高溫變形的時。1.晶內(nèi)滑移

高溫時原子間距加大，原子的熱振動和擴散速度加快，位錯的活動變得活躍起來，滑移、攀移、交滑移和位錯結(jié)點脫錨比低溫時容易；滑移系增多，改善了各晶粒之間的變形協(xié)調(diào)性；同時在熱變形狀態(tài)下，晶界對位錯運動的阻礙作用相對減弱，位錯有可能進入晶界。2.晶界滑移

熱塑性變形時，晶界強度較低，使得晶界滑動變得容易進行。與冷變形相比，晶界滑動的變形量要大得多。此外，改變變形條件，如降低應變速率和減小晶粒尺寸，都有利于增大晶界滑動量。三向壓應力狀態(tài)有利于修復高溫晶界滑動所產(chǎn)生的裂縫，擴大晶界變形。但是，在常規(guī)條件下，晶界滑動相對于晶內(nèi)滑移變形量還是比較小的。3.擴散蠕變擴散蠕變是在應力場作用下，由空位的定向移動引起的。

在一定溫度下，晶體中總存在一定數(shù)量的空位。顯然，空位旁邊的原子容易跳入空位，相應地在原子占據(jù)的結(jié)點上出現(xiàn)新的空位，相當于空位朝原子遷移的相反方向遷移。在應力場作用下，受拉應力的晶界的空位濃度高于其它部位的晶界，由于各部位空位的化學勢能差，而引起空位的定向轉(zhuǎn)移，即空位從垂直于拉應力的晶界析出，而被平行于拉應力的晶界所吸收。三、雙相合金熱塑性變形的特點1、彌散型雙相合金

第二相粒子對基體相變形和再結(jié)晶行為產(chǎn)生影響，從而對熱塑性變形產(chǎn)生影響。一方面，位錯在第二相附近產(chǎn)生塞積，密度加大，分布不均，有利于再結(jié)晶形核。但如果另一方面，當彌散狀的第二相粒子直徑和間距較小，位錯的分布較為均勻，在熱變形中不易重新排列和形成大角度晶界，因而不利于再結(jié)晶形核。彌散的第二相粒子對晶界還具有釘扎作用，降低了晶界的可動性，限制了高溫狀態(tài)下晶粒的長大，限制了動態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶和聚合再結(jié)晶的晶粒長大。碳鋼中含有的第二相粒子如MnS、Al2O3、TiN、W、V、Zr等，都具有這種機械阻礙作用。２．聚合型雙相合金熱變形的再結(jié)晶行為與各相的性能和體積百分比有關(guān)。再結(jié)晶形核地點發(fā)生在位錯數(shù)量多且分布密集的區(qū)域。變形小的相，再結(jié)晶的晶核只能在相界旁形成；變形大的那一相，既可以在相界旁形成，也可以在相內(nèi)完成。由此造成的后果是熱變形時，金屬質(zhì)點流動不均勻，產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，也降低了合金的塑性變形能力。第二相粒子，在較高的變形溫度和較低的應變速率下，發(fā)生粗化。在亞共析鋼和共析鋼中還能發(fā)生第二相球化。在較大的變形條件下，還可將第二相打碎，改變其分布，使第二相呈帶狀、線狀或鏈狀。例如，低碳鋼在兩相區(qū)熱鍛時，會形成鐵素體帶狀組織。當?shù)诙酁榈腿埸c純金屬相或共晶體分布于晶界時，第二相會發(fā)生局部熔化，形成熱脆現(xiàn)象，在熱鍛、熱軋時沿晶界開裂，產(chǎn)生缺陷。四、熱塑性變形對金屬組織和性能的影響1、改善晶粒組織經(jīng)熱塑性變形可獲得均勻細小的再結(jié)晶組織，從而獲得較好的綜合機械性能。2、鍛合內(nèi)部缺陷鑄態(tài)金屬中的缺陷如疏松、空隙和微裂紋等，經(jīng)過鍛造后被壓實，致密度得到提高。鋼錠鍛造過程中纖維組織形成示意圖3、形成纖維狀組織4、改善碳化物和夾雜物分布可以使碳化物和夾雜物被擊碎，并均勻分布在基體中，削弱了對基體的破壞作用。

5、改善偏析在熱塑性變形中，通過枝晶破碎和擴散，可使鑄態(tài)金屬的偏析略有改善，鑄件的力學性能得到提高。第四節(jié)影響塑性和變形抗力的因素一、塑性、塑性指標和塑性圖二、影響塑性的因素三、影響變形抗力的因素一、塑性、塑性指標和塑性圖塑性：金屬在外力作用下發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力。1、塑性反映了材料產(chǎn)生塑性變形的能力；2、塑性不是固定不變的，同一種材料，在不同的變形條件下，會表現(xiàn)出不同的塑性。3、影響金屬塑性的因素主要有兩方面：

1）內(nèi)因：金屬本身的晶格類型、化學成分和金相組織等；

2）外因：變形時外部條件，如變形溫度和受力狀況等。塑性指標：為衡量金屬塑性的高低而確定的數(shù)量上的指標，一般以金屬材料開始發(fā)生破壞時的塑性變形量來表示。常用的塑性指標：

1、拉伸試驗伸長率δ(％)

2、斷面收縮率Ψ（％）為試樣的原始標準間距和試樣斷裂后標距間長度；為試樣的原始橫截面積和試樣斷裂處的最小橫截面積。用斷面收縮率作為塑性指標更合理塑性指標還可以用鐓粗實驗和扭轉(zhuǎn)試驗測定。鐓粗試驗（試樣的高度為直徑的1.5倍）中，以出現(xiàn)第一條裂紋時的變形程度為塑性指標：注：只有相同的指標才能相互比較試樣原始高度和表面出現(xiàn)第一條裂紋時的高度

鐓粗試驗原始樣出現(xiàn)裂紋后的試樣塑性圖：

在不同的變形速度下，以不同溫度下的各種塑性指標（、、、、ak等）為縱坐標、以溫度為橫坐標繪制成的函數(shù)曲線。碳鋼塑性圖二、影響塑性的因素

內(nèi)部因素：化學成分組織結(jié)構(gòu)外部因素：變形溫度應變速度應力狀態(tài)（一）化學成分和合金成分對金屬塑性的影響金屬的塑性隨其純度的提高而增加，如純鋁99.96％伸長率為45％，98％伸長率為30％產(chǎn)生脆化現(xiàn)象，使冷熱變形都非常困難。如碳鋼中：

P——冷脆

S——熱脆

N——時效脆性

H——氫脆P易溶于鐵素體S化物分布于晶界N溶入a鐵過飽和隨后析出雜質(zhì)的存在狀態(tài)、分布情況和形狀不同，對塑性的影響也不同；如：Pb、S、Sn等不溶于金屬—————降低金屬塑性溶于金屬—————塑性變化不大單質(zhì)或化合物晶界處雜質(zhì)元素之間相互作用對金屬的塑性產(chǎn)生影響；硫+Fe——FeS（熔點1190℃），熱脆

+Mn——MnS

（熔點1600℃），塑性提高。合金元素特性、數(shù)量、元素之間的相互作用及分布等對金屬的塑性產(chǎn)生影響。

碳：形成單相固溶體（fcc）——鐵素體和奧氏體——有較好的塑性；形成脆性過剩相——滲碳體——塑性降低。鉻、鎢、鉬、鈦、釩：形成硬而脆的碳化物——塑性下降。鈦、釩：形成高度彌散的碳化物細小顆?！獙λ苄杂绊懖淮?。注：對冷加工用鋼而言，含碳量應盡量低。下面以碳鋼為例，分析碳及雜質(zhì)元素（P、S、N、H、o）對塑性的影響1、碳碳對碳鋼性能的影響最大

1）碳能固溶于鐵，形成鐵素體和奧氏體，它們具有良好的塑性。

2）當鐵中的碳含量超過其溶碳能力時，多余的碳便以滲碳體Fe3C形式出現(xiàn)，它具有很高的硬度，而塑性幾乎為零。含碳量越高，滲碳體的數(shù)量越多，金屬的塑性也越差。見下圖碳含量對碳鋼力學性能的影響2、磷鋼中有害雜質(zhì)，在鋼中有很大的溶解度，易溶于鐵素體，使鋼的塑性降低，在低溫時更為嚴重，這種現(xiàn)象稱為冷脆性。此外，磷具有極大的偏析傾向，能促使奧氏體晶粒長大。3、硫鋼中有害物質(zhì)，主要與鐵形成FeS，與其它元素形成硫化物。硫化物及其共晶體（Fe-FeS

），通常分布于晶界上，在鋼的鍛造溫度范圍內(nèi)會發(fā)生變形開裂，即“熱脆”現(xiàn)象。在鋼中加入適量錳，生成MnS，硫化錳及其共晶體的熔點高于鋼的鍛、軋溫度，不會產(chǎn)生熱脆性，從而消除硫的危害。

4、氮在鋼中主要以氮化物Fe4N形式存在。當含量較小時，對鋼的塑性影響較小；當含量增加時，鋼的塑性下降。當含氮量較高的鋼從高溫快冷至低溫時，α鐵被過飽和，隨后以Fe4N形式析出，使鋼的塑性、韌性大大下降，這種現(xiàn)象稱為時效脆性。5、氫鋼中溶氫，會使鋼的塑性、韌性下降，造成所謂“氫脆”（白點）。6、氧在鋼中溶解度很小，主要以氧化物的形式出現(xiàn)，降低鋼的塑性。與其它夾雜物形成共晶體，分布于晶界處，造成鋼的熱脆性。7、其它元素：主要是降低鋼的塑性，提高變形抗力合金元素對鐵素體伸長率和韌性的影響（二）組織狀態(tài)對金屬塑性的影響晶格類型的影響面心立方——12個滑移系，同一滑移面上3個滑移方向，塑性最好，如鋁、銅和鎳等。體心立方——12個滑移系，同一滑移面上2個滑移方向，塑性較好，如釩、鎢、鉬等。密排六方——3個滑移系，塑性最差，如鎂、鋅、鈣等。晶粒度的影響晶粒度越小，越均勻，塑性越高。相組成的影響單相組織塑性好；多相組織塑性差。（晶界、晶內(nèi)；硬相、軟相）鑄造組織的影響鑄造組織具有粗大的柱狀晶粒，具有偏析、夾雜、氣泡、疏松等缺陷，因而塑性較差。（三）變形溫度對金屬塑性的影響對大多數(shù)金屬而言，總的趨勢是隨著溫度升高，塑性增加。

1）發(fā)生回復與再結(jié)晶，消除了加工硬化。

2）原子動能增加，位錯活動加劇，出現(xiàn)新的滑移系，改善晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性。

3）晶間滑移作用增強：晶界切變抗力降低；晶界間滑移易于進行。

4）金屬的組織、結(jié)構(gòu)的變化：多相——單相；晶格的結(jié)構(gòu)改變，如鈦：室溫hcp——bcc。在加熱的某些溫度區(qū)間，由于相態(tài)或晶界狀態(tài)的變化而出現(xiàn)脆性區(qū)，使金屬的塑性降低。藍脆區(qū)：中溫（200-400℃）區(qū)，由于氧化物、氮化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出；熱脆區(qū)：高溫（800-950℃）區(qū)，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，使得鐵素體和奧氏體共存，另外，晶界處可能析出FeS-FeO低熔點的共晶體；高溫脆區(qū)：加熱溫度超過1250℃后，由于過熱、過燒，晶粒粗大，晶界出現(xiàn)氧化物和低熔物質(zhì)的局部熔化。碳鋼的塑性隨溫度的變化曲線（四）應變速率對塑性的影響一方面，隨變形速率的增大，金屬的塑性降低：沒有足夠的時間進行回復或再結(jié)晶，軟化過程進行得不充分。另一方面，隨著變形速率的增加，在一定程度上使金屬的溫度升高，溫度效應顯著，從而提高金屬的塑性。但對于有脆性轉(zhuǎn)變的金屬，則應變速率的增加可能引起塑性的下降。提高應變速率可以降低摩擦系數(shù)，從而降低金屬的流動阻力、改善金屬的充填性。提高應變速率可以減少熱成形時的熱量損失，減少毛坯溫度下降和溫度分布的不均勻性，這對于具有薄壁、高筋等形狀復雜的工件成形是有利的。（五）應力狀態(tài)對塑性的影響

主應力圖：自變形體中某點取一立方微單元體，用箭頭表示作用在該單元體主應力，稱為主應力圖，主應力圖只表示出應力的個數(shù)和方向，并不表示應力的大小。主應力圖有九種：單向主應力圖：二向主應力圖：

三向主應力圖：應力狀態(tài)不同對塑性的影響也不同：主應力圖中壓應力個數(shù)越多，數(shù)值越大，則金屬的塑性越高；拉應力個數(shù)越多，數(shù)值越大，則金屬的塑性就越低。這是由于拉應力促進晶間變形，加速晶界破壞，而壓應力阻止或減小晶間變形；另外，三向壓應力有利于抑制或消除晶體中由于塑性變形而引起的各種微觀破壞，而拉應力則相反，它使各種破壞發(fā)展，擴大。變形抗力：金屬在發(fā)生塑性變形時，產(chǎn)生抵抗變形的能力，稱為變形抗力，一般用接觸面上平均單位面積變形力表示。變形抗力大小取決于材料在一定變形條件下的真實應力，還取決于塑性加工時的應力狀態(tài)、接觸摩擦狀態(tài)和變形體的尺寸因素等。注：只有在單向應力狀態(tài)下，材料的變形抗力才等于材料在該變形條件下的真實應力。注：塑性和變形抗力是兩個不同的概念

塑性——反映材料塑性變形的能力變形抗力——反映塑性變形的難易程度

塑性好不一定變形抗力低，反之亦然。三、對變形抗力的影響因素（一）化學成分的影響金屬純度越高，變形抗力越小。合金元素的原子與基體原子間相互作用的特性、原子體積的大小以及合金原子在基體中的分布等。（基體點陣畸變）雜質(zhì)的含量、雜質(zhì)的性質(zhì)及其在基體中的分布特性。（二）組織結(jié)構(gòu)的影響結(jié)構(gòu)變化：組織狀態(tài)不同，變形抗力不同。組織結(jié)構(gòu)的變化（相變），變形抗力也發(fā)生變化。晶粒大?。壕ЯＴ郊殻惑w積內(nèi)的晶界越多，變形抗力就高（室溫晶界強度高于晶內(nèi)）。單相組織和多相組織：單相組織合金元素含量越高，晶格畸變越嚴重，變形抗力越大。單相組織比多相組織的變形抗力小。多相組織中第二相的性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量和分布狀況對變形抗力都有影響。硬而脆的第二相在基體相晶粒內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時，合金的變形抗力就高。第二相越細，分布越均勻，數(shù)量越多，變形抗力就越大。（三）變形溫度的影響幾乎所有的金屬和合金，變形抗力都隨溫度的升高而降低。但是當金屬和合金隨著溫度的變化而發(fā)生物理-化學變化和相變時，會出現(xiàn)相反的情況，如鋼在加熱過程中發(fā)生的藍脆和熱脆現(xiàn)象。（四）變形程度的影響隨變形程度的增加，會產(chǎn)生加工硬化，使繼續(xù)變形發(fā)生困難，因而變形抗力增加。當變形程度較高時，促進了回復與再結(jié)晶過程的發(fā)生與發(fā)展，變形抗力的增加變得比較緩慢。（五）變形速度的影響一般情況下，隨著變形速度的增加，變形抗力提高（特別熱變形）。一方面，變形速度提高，單位時間內(nèi)的發(fā)熱率增加，使變形抗力降低。另一方面，變形速度提高也縮短了變形時間，使位錯運動的發(fā)展時間不足（滑移來不及進行），促使變形抗力增加。（六）應力狀態(tài)的影響

應力狀態(tài)不同，變形抗力不同。如擠壓時金屬處于三向壓應力狀態(tài)，拉拔時金屬處于一向受拉二向受壓的應力狀態(tài)。擠壓時的變形抗力遠比拉拔時變形抗力大。

拉拔和擠壓時不同的應力狀態(tài)和變形抗力第五節(jié)金屬的超塑性金屬超塑性：是指在一些特定條件下，如一定的化學成分、特定的顯微組織、特定的變形溫度和應變速率等，金屬會表現(xiàn)出異乎尋常的高塑性狀態(tài)，即所謂超常的塑性變形行為，具有均勻變形能力，其伸長率可以達到百分之幾百、甚至幾千，這就是金屬的超塑性。主要內(nèi)容一、超塑性變形的特點二、超塑性變形的類型三、超塑性變形對組織的變化和對力學性能的影響一、超塑性變形的特點1、大伸長率

超塑性材料在單向拉伸時δ值非常高，在變形穩(wěn)定性方面要比普通材料好得多，材料成形性能得到大大改善，使形狀復雜或難以成形的材料變得容易成形。如衛(wèi)星上的鈦合金球形燃料箱，其壁厚0.71～1.5mm，用普通方法是無法成形的，用超塑性成形才成為可能。2、無縮頸、低流動應力

超塑性變形時斷面均勻縮小，斷面收縮率可接近100%，幾乎無縮頸發(fā)生。并且具有非常低的流動應力，每平方毫米僅幾十兆帕，因此對設備噸位的要求很低。超塑性變形對應變速率很敏感，只有在一定的速度范圍內(nèi)才表現(xiàn)出超塑性。超塑性變形過程中基本上沒有或者只發(fā)生很小的應變硬化現(xiàn)象，流動性和充填性極好，因而極易成形。由于超塑性成形是宏觀均勻變形，所以變形后的制品表面光滑，沒有起皺、微裂和滑移痕