第2章-金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)分解

第2章-金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)分解第一頁(yè)，共92頁(yè)。晶體：固體物質(zhì)中原子呈周期性有規(guī)則的排列的物質(zhì)空間點(diǎn)陣：原子在晶體所占的空間內(nèi)按照一定的幾何規(guī)律作周期性的排列晶格：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起來(lái)使之構(gòu)成一空間格子晶胞：從晶格中選取一個(gè)能反映晶格特征的最小幾何單元來(lái)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第一頁(yè)第二頁(yè)，共92頁(yè)。典型的晶胞結(jié)構(gòu)面心立方典型金屬Al、Cu、Ag、Ni、γ-Fe第二頁(yè)第三頁(yè)，共92頁(yè)。體心立方典型金屬α-Fe、β-Ti、Cr、W、V、Mo典型的晶胞結(jié)構(gòu)第三頁(yè)第四頁(yè)，共92頁(yè)。密排六方典型金屬α-Ti、α-Co、Be、Mg、Zn典型的晶胞結(jié)構(gòu)第四頁(yè)第五頁(yè)，共92頁(yè)。三種晶胞的晶體結(jié)構(gòu)第五頁(yè)第六頁(yè)，共92頁(yè)。實(shí)際金屬的晶體結(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——各向同性塑性成形所用的金屬材料絕大多數(shù)為多晶體，其變形過(guò)程比單晶體復(fù)雜的多。一塑性變形機(jī)理第六頁(yè)第七頁(yè)，共92頁(yè)。多晶體的塑性變形方式晶內(nèi)變形晶間變形滑移孿生滑動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)以晶內(nèi)變形為主，晶間變形對(duì)晶內(nèi)變形起協(xié)調(diào)作用。多晶體塑性變形的分類第七頁(yè)第八頁(yè)，共92頁(yè)。主要方式：滑移：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(duì)于晶體的另一部分發(fā)生的相對(duì)移動(dòng)或切變孿生：晶體在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面（孿生面）和一定的晶向（孿生方向）發(fā)生均勻切變1.晶內(nèi)變形第八頁(yè)第九頁(yè)，共92頁(yè)?；泼媸疽鈭D第九頁(yè)第十頁(yè)，共92頁(yè)。所謂滑移，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，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向，相對(duì)于晶體的另一部分發(fā)生的相對(duì)移動(dòng)或切變。這些晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向?；泼婧突品较虻慕M合稱為滑移系（滑移系的存在只說(shuō)明金屬晶體長(zhǎng)生滑移的可能性）滑移的定義第十頁(yè)第十一頁(yè)，共92頁(yè)?；泼?、滑移方向和滑移系第十一頁(yè)第十二頁(yè)，共92頁(yè)。一般地說(shuō)，滑移總是沿著原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生，沿原子排列最密集的方向滑移阻力最小，最容易成為滑移方向。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?；泼鎸?duì)溫度具有敏感性：溫度升高，金屬出現(xiàn)新的滑移系，塑性相應(yīng)的提高。滑移面、滑移方向第十二頁(yè)第十三頁(yè)，共92頁(yè)。晶體進(jìn)入塑性時(shí)，在滑移面上，沿滑移方向的切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力滑移時(shí)的臨界切應(yīng)力第十三頁(yè)第十四頁(yè)，共92頁(yè)。臨界切應(yīng)力的大小，取決于金屬的類型、純度、晶體結(jié)構(gòu)的完整性、變形溫度、應(yīng)變速率、和預(yù)先變形程度等因素。滑移系上所受的切應(yīng)力分量取決于取向因子臨界切應(yīng)力第十四頁(yè)第十五頁(yè)，共92頁(yè)。令μ=cosφcosλ，稱為取向因子。若φ=λ=45°，則μ=μmax=0.5，τ=τmax=σ/2。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)到臨界值而發(fā)生滑移，這種取向稱為軟取向；而當(dāng)φ=90°，λ=0°或φ=0°，λ=90°時(shí)，μ=τ=0此時(shí)無(wú)論σ多大，滑移的驅(qū)動(dòng)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?；茣r(shí)晶體的取向第十五頁(yè)第十六頁(yè)，共92頁(yè)。晶體在滑移過(guò)程中，由于受到外界的約束作用會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)就單晶體拉伸變形來(lái)說(shuō)，滑移面會(huì)力圖向拉力方向轉(zhuǎn)動(dòng)而滑移方向則力圖向最大切應(yīng)力分量方向轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)于多晶體，晶粒被拉長(zhǎng)的同時(shí)，滑移面和滑移方向也朝一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，各晶粒調(diào)整其方位而趨于一致滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)第十六頁(yè)第十七頁(yè)，共92頁(yè)。1926，弗蘭克爾，估算了晶體的剪切強(qiáng)度：假設(shè)：理想晶體兩排原子相距為a，同排原子間距為b。原子在平衡位置時(shí)，能量處于最低的位置。在外力τ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)。通過(guò)計(jì)算晶體的臨界剪切應(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(cuò)理論第十七頁(yè)第十八頁(yè)，共92頁(yè)。位錯(cuò)理論為了解釋這種理論值和實(shí)際值的差別，1934年泰勒（G.I.Taylor）、奧羅萬(wàn)（E.Orowan）、和波蘭伊（M.Polanyi）幾乎在同一時(shí)間內(nèi)，分別提出了位錯(cuò)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。隨著實(shí)驗(yàn)手段的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的事實(shí)證明了位錯(cuò)的存在，形成了一種位錯(cuò)理論。在隨后的幾十年中，這種位錯(cuò)理論在金屬塑性變形的微觀研究上獲得了很大發(fā)展。位錯(cuò)理論的發(fā)展也促進(jìn)了晶界理論、晶體缺陷等理論的發(fā)展。第十八頁(yè)第十九頁(yè)，共92頁(yè)。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)示意位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)第十九頁(yè)第二十頁(yè)，共92頁(yè)。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的演示第二十頁(yè)第二十一頁(yè)，共92頁(yè)。柏氏矢量（聯(lián)系《材料科學(xué)基礎(chǔ)》）刃形位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直螺形位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線平行第二十一頁(yè)第二十二頁(yè)，共92頁(yè)。刃形位錯(cuò)的柏氏矢量第二十二頁(yè)第二十三頁(yè)，共92頁(yè)。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)滑移攀移：正攀移、負(fù)攀移刃形位錯(cuò)螺形位錯(cuò)第二十三頁(yè)第二十四頁(yè)，共92頁(yè)。位錯(cuò)的滑移-刃形位錯(cuò)一個(gè)刃型位錯(cuò)沿滑移面滑過(guò)整個(gè)晶體時(shí)，就會(huì)在晶體表面產(chǎn)生寬度為一個(gè)柏氏矢量的臺(tái)階第二十四頁(yè)第二十五頁(yè)，共92頁(yè)。位錯(cuò)的滑移-刃形位錯(cuò)刃型位錯(cuò)的移動(dòng)方向與位錯(cuò)線相互垂直位錯(cuò)滑移的結(jié)果是在晶體表面形成一個(gè)寬度為柏氏矢量的臺(tái)階第二十五頁(yè)第二十六頁(yè)，共92頁(yè)。位錯(cuò)的滑移-刃形位錯(cuò)螺型位錯(cuò)滑移過(guò)整個(gè)晶體后，也在晶體表面形成一個(gè)寬度為柏氏矢量的臺(tái)階。位錯(cuò)移動(dòng)的方向與柏氏矢量垂直，即與位錯(cuò)線垂直第二十六頁(yè)第二十七頁(yè)，共92頁(yè)。位錯(cuò)的攀移螺型位錯(cuò)無(wú)攀移正攀移——正刃型位錯(cuò)位錯(cuò)線上移負(fù)刃型位錯(cuò)位錯(cuò)線下移第二十七頁(yè)第二十八頁(yè)，共92頁(yè)。位錯(cuò)的交割兩根刃型位錯(cuò)線都在各自的滑移面上移動(dòng)，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(dòng)。刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)交割時(shí)，在各自的位錯(cuò)線上形成刃型割階，位錯(cuò)線也能繼續(xù)滑移。螺型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)交割時(shí)，相交后形成的兩個(gè)割階被釘住而不能移動(dòng)，只能通過(guò)攀移才能使割階移動(dòng)。第二十八頁(yè)第二十九頁(yè)，共92頁(yè)。交滑移對(duì)于螺型位錯(cuò)，所有包含位錯(cuò)線的晶面都可能成為滑移面。交滑移：螺形位錯(cuò)的柏氏矢量具有一定的靈活性，當(dāng)滑移受阻是，可離開原滑移面而沿另一晶面繼續(xù)移動(dòng)雙交滑移：發(fā)生交滑移的位錯(cuò)，滑移再次受阻，而轉(zhuǎn)到與第一次的滑移面平行的的晶面繼續(xù)滑移刃型位錯(cuò)不可能產(chǎn)生交滑移第二十九頁(yè)第三十頁(yè)，共92頁(yè)。位錯(cuò)塞積當(dāng)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)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(cuò)塞積要使塞積位錯(cuò)群越過(guò)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。第三十頁(yè)第三十一頁(yè)，共92頁(yè)。孿生

孿生是單晶體塑性變形的另一種方式。孿生是以晶體中的一定的晶面（稱為孿晶面）沿著一定的晶向（孿生方向）移動(dòng)而發(fā)生的。第三十一頁(yè)第三十二頁(yè)，共92頁(yè)。孿生在常溫下，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)先的變形方式；在很低的溫度下則相反，孿生才能發(fā)生對(duì)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;在極低的溫度下或高速?zèng)_擊載荷下，孿生才有可能發(fā)生密排六方金屬由于滑移系少，滑移難以進(jìn)行，主要靠孿生方式變形？滑移與孿生有什么異同點(diǎn)？第三十二頁(yè)第三十三頁(yè)，共92頁(yè)。2、晶間變形晶間變形的主要方式是晶粒之間的相互滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)晶粒之間的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)第三十三頁(yè)第三十四頁(yè)，共92頁(yè)。晶間變形晶間變形不能簡(jiǎn)單的看成是經(jīng)接觸的相對(duì)機(jī)械滑動(dòng)，而是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。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作用，而且需要其他的機(jī)制相協(xié)調(diào)。第三十四頁(yè)第三十五頁(yè)，共92頁(yè)。二、塑性成形的特點(diǎn)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；多晶體內(nèi)晶粒越細(xì)，晶界總面積就越大，金屬?gòu)?qiáng)度越高，塑性越好。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)力，變形結(jié)束后不會(huì)消失，構(gòu)成殘余應(yīng)力。綜上，即塑性變形具有不同時(shí)性，相互協(xié)調(diào)性以及不均勻 性。第三十五頁(yè)第三十六頁(yè)，共92頁(yè)。晶粒大小對(duì)金屬塑性和變形抗力的影響晶粒越細(xì)小，金屬屈服強(qiáng)度越大晶粒越小，金屬塑性越好晶粒細(xì)化對(duì)提高塑性成形件的表面質(zhì)量有利第三十六頁(yè)第三十七頁(yè)，共92頁(yè)。三、合金的塑性變形合金的相結(jié)構(gòu)有兩大類：固溶體（如鋼中的鐵素體、銅鋅合金中的α相）和化合物（如鋼中的Fe3C、銅鋅合金中的β相）常見的合金組織：?jiǎn)蜗喙倘荏w合金、兩相或多相合金第三十七頁(yè)第三十八頁(yè)，共92頁(yè)。單相固溶體合金的塑性變形固溶強(qiáng)化：異類原子以置換或間隙方式溶入基體合金，對(duì)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，塑性有所下降的現(xiàn)象應(yīng)變時(shí)效：應(yīng)變力作用下，材料的組織性能隨時(shí)間發(fā)生變化。當(dāng)退火狀態(tài)的低碳鋼試樣拉伸到超過(guò)屈服點(diǎn)發(fā)生少量塑性變形后卸載，然后立即重新加載拉伸，則可見其拉伸曲線不再出現(xiàn)屈服點(diǎn)，此時(shí)試樣不會(huì)再發(fā)生屈服現(xiàn)象。如果將預(yù)變性試樣在常溫下放置幾天或經(jīng)200℃左右短時(shí)加熱后再行拉伸，則屈服現(xiàn)象又復(fù)出現(xiàn)，且屈服應(yīng)力進(jìn)一步提高。第三十八頁(yè)第三十九頁(yè)，共92頁(yè)。多相合金的塑性變形按照第二相粒子的尺寸大小，可將其分為聚合型兩相合金：第二相粒子的尺寸與基體相晶粒尺寸屬于同一數(shù)量級(jí)彌散分布型兩相合金：第二相粒子十分微小，并彌散地分布在基體晶粒內(nèi)第三十九頁(yè)第四十頁(yè)，共92頁(yè)。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)相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%，兩相以接近于相等的應(yīng)變發(fā)生變形較強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)高于70%，該相變?yōu)榛w相第四十頁(yè)第四十一頁(yè)，共92頁(yè)。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）：第二相微粒是通過(guò)對(duì)過(guò)飽和固溶體的時(shí)效處理而沉淀析出并產(chǎn)生強(qiáng)化彌散強(qiáng)化：第二相微粒是借助粉末冶金方法加入而起強(qiáng)化作用第四十一頁(yè)第四十二頁(yè)，共92頁(yè)。四、冷變形對(duì)金屬組織和性能的影響（一）組織的變化晶粒形狀的變化：金屬經(jīng)冷加工變形后，其晶粒形狀發(fā)生變化，變化趨勢(shì)大體與金屬宏觀變形一致。

晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞晶晶粒位相改變（變形織構(gòu)：多晶體中原為任意取向的各個(gè)晶粒，會(huì)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)（變形織構(gòu)經(jīng)退火后和各向異性仍然存在）第四十二頁(yè)第四十三頁(yè)，共92頁(yè)。冷變形對(duì)金屬組織和性能的影響(二)性能的變化加工硬化：隨變形程度的增加，金屬?gòu)?qiáng)度、硬度增加，而塑性韌性降低的現(xiàn)象，稱為加工硬化。加工硬化在金屬的塑性成形加工中，會(huì)使變形力顯著增加，對(duì)成形工件和模具都有一定的損害作用；但利用金屬加工硬化的性質(zhì)，對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理，會(huì)使其力學(xué)性能提高第四十三頁(yè)第四十四頁(yè)，共92頁(yè)。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形熱塑性變形的定義：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，稱為熱塑性變形或熱塑性加工。在熱塑性變形過(guò)程中，回復(fù)、再結(jié)晶與加工硬化同時(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)。在實(shí)際的金屬中，并不像理想金屬晶體中那樣，原子與原子緊密排列而是存在很多缺陷：包括點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷第四十四頁(yè)第四十五頁(yè)，共92頁(yè)。點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷包括：空位、間隙原子和異類原子間隙原子空位置換間隙原子異類間隙原子第四十五頁(yè)第四十六頁(yè)，共92頁(yè)。線缺陷位錯(cuò)是晶體中的線缺陷，包括：韌性位錯(cuò)、螺形位錯(cuò)、混合位錯(cuò)螺形位錯(cuò)混合位錯(cuò)第四十六頁(yè)第四十七頁(yè)，共92頁(yè)。面缺陷面缺陷是指二維缺陷，包括：堆垛層錯(cuò)、晶界和亞晶界堆垛層錯(cuò)（stackingfault）

抽出型層錯(cuò)插入型層錯(cuò)如面心立方：ABCA（B）CABC抽出ABC（B）ABCABC插入第四十七頁(yè)第四十八頁(yè)，共92頁(yè)。晶界一般分為小角度晶界（θ<10°）和大角度晶界（θ>10

°）晶界上的原子平均能量高于晶內(nèi)原子，高出的能量稱為晶界能。小角度晶界第四十八頁(yè)第四十九頁(yè)，共92頁(yè)。晶界亞晶界扭轉(zhuǎn)晶界第四十九頁(yè)第五十頁(yè)，共92頁(yè)。一、熱塑性變形時(shí)的軟化過(guò)程熱塑性變形時(shí)的軟化過(guò)程比較復(fù)雜。按其性質(zhì)可分為以下幾種：動(dòng)態(tài)回復(fù)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，靜態(tài)回復(fù)，靜態(tài)再結(jié)晶，亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等。動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是在熱塑性變形過(guò)程中發(fā)生的；而靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動(dòng)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進(jìn)行的。第五十頁(yè)第五十一頁(yè)，共92頁(yè)。熱塑性變形時(shí)的軟化過(guò)程高層錯(cuò)能金屬在熱軋變形程度較小(50％)時(shí)，只發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，隨后發(fā)生靜態(tài)回復(fù)；低層錯(cuò)能金屬在熱軋變形程度較小(50％)時(shí)，只發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，隨后發(fā)生靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶第五十一頁(yè)第五十二頁(yè)，共92頁(yè)。熱塑性變形時(shí)的軟化過(guò)程高層錯(cuò)能金屬在熱擠壓變形程度很大(99％)時(shí)，發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，出?？缀蟀l(fā)生靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶；低層錯(cuò)能金屬在熱擠壓變形程度很大

(99％)時(shí)，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，出?？缀蟀l(fā)生亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶第五十二頁(yè)第五十三頁(yè)，共92頁(yè)。（一）靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶靜態(tài)回復(fù)：金屬在塑性變形期間所吸收的機(jī)械能，大部分用來(lái)改變金屬的形狀和變?yōu)闊崮芏⑹У?。大約有1—10％的能量以各種能的形式儲(chǔ)存在金屬中使金屬的內(nèi)能升高，處于熱力學(xué)上的不穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。當(dāng)溫度升高時(shí)，由于原子動(dòng)能的增加，就產(chǎn)生向穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，降低了儲(chǔ)蓄能。第五十三頁(yè)第五十四頁(yè)，共92頁(yè)?；貜?fù)低溫回復(fù)（0.1~0.3Tm）時(shí)，回復(fù)的主要機(jī)理是空位的移動(dòng)和空位與其他缺陷的結(jié)合中溫回復(fù)（0.3~0.5Tm）時(shí)，除了上述的點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)外，還包括位錯(cuò)發(fā)團(tuán)內(nèi)部的重新組合或調(diào)整、位錯(cuò)的滑移和異號(hào)位錯(cuò)的互毀高溫回復(fù)（大于0.5Tm小于再結(jié)晶溫度）時(shí)，則進(jìn)而出現(xiàn)位錯(cuò)的攀移、亞晶的合并和多邊形化去應(yīng)力退火正是回復(fù)在金屬加工中的應(yīng)用第五十四頁(yè)第五十五頁(yè)，共92頁(yè)。靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶（靜態(tài)）再結(jié)晶：當(dāng)變形金屬加熱至較高溫度時(shí)，將形成一些位錯(cuò)密度很低的新晶粒，這些新晶粒不斷增加和擴(kuò)大，逐漸全部取代己變形的高位錯(cuò)密度的晶粒的過(guò)程第五十五頁(yè)第五十六頁(yè)，共92頁(yè)。靜態(tài)再結(jié)晶再結(jié)晶后，金屬?gòu)?qiáng)度、硬度顯著下降，塑性、韌性提高，內(nèi)應(yīng)力和加工硬化完全消除。再結(jié)晶溫度：經(jīng)過(guò)70％以上大變形量的金屬，在均勻溫度中保持一小時(shí)能完全再結(jié)晶的最低溫度。影響再結(jié)晶的因素：溫度、保溫時(shí)間、變形程度、原始晶粒尺寸和金屬的化學(xué)成分等第五十六頁(yè)第五十七頁(yè)，共92頁(yè)。動(dòng)態(tài)回復(fù)動(dòng)態(tài)回復(fù)是在熱塑性變形過(guò)程中發(fā)生的回復(fù)金屬即使在遠(yuǎn)高于靜態(tài)再結(jié)晶溫度下塑性加工時(shí)，一般也只發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)動(dòng)態(tài)回復(fù)在熱塑性變形的軟化過(guò)程中占有很重要的作用，是高層錯(cuò)能金屬熱變形過(guò)程中唯一的軟化機(jī)制動(dòng)態(tài)回復(fù)主要是通過(guò)位錯(cuò)的攀移、交滑移等來(lái)完成第五十七頁(yè)第五十八頁(yè)，共92頁(yè)。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是在熱塑性變形過(guò)程中發(fā)生的結(jié)晶動(dòng)態(tài)再結(jié)晶容易發(fā)生在層錯(cuò)能較低的金屬，且當(dāng)熱加工變形量很大時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒與同等大小的靜態(tài)再結(jié)晶晶粒相比，具有更高的強(qiáng)度和硬度動(dòng)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)第五十八頁(yè)第五十九頁(yè)，共92頁(yè)。熱變形后的軟化過(guò)程在熱變形的間歇時(shí)間或者熱變形完成之后，由于金屬仍處于高溫狀態(tài)，一般會(huì)發(fā)生以下三種軟化過(guò)程：靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。金屬熱變形時(shí)除少數(shù)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶情況外，會(huì)形成亞晶組織，使內(nèi)能提高，處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，若熱變形程度不大，將會(huì)發(fā)生靜態(tài)回復(fù)；若熱變形程度較大，且熱變形后金屬仍保持在再結(jié)晶溫度以上時(shí)，則將發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。第五十九頁(yè)第六十頁(yè)，共92頁(yè)。熱變形后的軟化過(guò)程對(duì)于層錯(cuò)能較低在熱變形時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的金屬，熱變形后則迅即發(fā)生亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。所謂亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，是指熱變形過(guò)程中已經(jīng)形成的、但尚未長(zhǎng)大的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶核、以及長(zhǎng)大到中途的再結(jié)晶晶粒被遺留下來(lái)，當(dāng)變形停止后而溫度又足夠高時(shí)，這些晶核和晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大，此軟化過(guò)程即稱為亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。上述三種軟化過(guò)程均與熱變形時(shí)的變形溫度、應(yīng)變速率和變形程度，以及材料的成分和層錯(cuò)能的高低等因素有關(guān)。第六十頁(yè)第六十一頁(yè)，共92頁(yè)。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、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；孿生多在高溫高速變形時(shí)發(fā)生，但對(duì)于六方晶系金屬，這種機(jī)理也起重要作用；晶界滑移和擴(kuò)散蠕變只在高溫變形時(shí)才發(fā)揮作用第六十一頁(yè)第六十二頁(yè)，共92頁(yè)。擴(kuò)散性蠕變

擴(kuò)散性蠕變是在應(yīng)力場(chǎng)作用下，由空位的定向移動(dòng)所引起的。在應(yīng)力場(chǎng)作用下，受拉應(yīng)力的晶界(特別是與拉應(yīng)力相垂直的晶界)的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(shì)能差，引起空位的定向移動(dòng)，即空位從垂直于拉應(yīng)力的晶界放出，而被平行于拉應(yīng)力的晶界所吸收。第六十二頁(yè)第六十三頁(yè)，共92頁(yè)。擴(kuò)散性蠕變按擴(kuò)散途徑的不同，可分為晶內(nèi)擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散。晶內(nèi)擴(kuò)散引起晶粒在拉應(yīng)力方向上的伸長(zhǎng)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“轉(zhuǎn)動(dòng)”第六十三頁(yè)第六十四頁(yè)，共92頁(yè)。三、雙相合金熱塑性變形的特點(diǎn)對(duì)于彌散型雙相合金，第二相粒子除直接對(duì)基體相的變形產(chǎn)生影響外，還會(huì)通過(guò)對(duì)合金的再結(jié)晶行為的影響而對(duì)熱塑性變形產(chǎn)生影響對(duì)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(huì)對(duì)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，可將粗大的第二相打碎、并改變其分布狀況，使第二相(包括夾雜物)呈帶狀雙相合金熱變形時(shí)，由于具備有利的原子擴(kuò)散條件，會(huì)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)共晶體分布于晶界時(shí)，則熱變形時(shí)會(huì)局部熔化，造成金屬的熱脆性，在熱銀、熱軋時(shí)容易沿晶界開裂第六十四頁(yè)第六十五頁(yè)，共92頁(yè)。四、熱塑性變形對(duì)金后組織和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第六十五頁(yè)第六十六頁(yè)，共92頁(yè)。第三節(jié)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、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(huì)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)。優(yōu)越性：能極大地發(fā)揮材料塑性潛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。對(duì)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，尤其具有重要意義。第六十六頁(yè)第六十七頁(yè)，共92頁(yè)。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超常的均勻變形能力，一般有以下定義方式大伸長(zhǎng)率：達(dá)到百分之幾百、甚至百分之幾千拉伸時(shí)無(wú)頸縮無(wú)流動(dòng)應(yīng)力易成形基本上無(wú)加工硬化第六十七頁(yè)第六十八頁(yè)，共92頁(yè)。分類經(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，并在成形期間保持穩(wěn)定，晶粒細(xì)化的程度要求小于10μm，越小越好；恒溫條件的下限溫度約為0．5Tm。(Tm—為絕對(duì)熔化溫度)，一般為0.5~0.7Tm；應(yīng)變速率在10-1~10-5s-1范圍內(nèi).由于這種超塑性的特點(diǎn)是先使金屬經(jīng)過(guò)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，故又稱為結(jié)構(gòu)超塑性或恒溫超塑性第六十八頁(yè)第六十九頁(yè)，共92頁(yè)。分類動(dòng)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(zhǎng)率兩種超塑性的比較：相變超塑性它不要求材料進(jìn)行晶粒的超細(xì)化、等軸化和穩(wěn)定化的預(yù)先處理，這是其有利的一面但是相變超塑性必須給予動(dòng)態(tài)熱循環(huán)作用，這就構(gòu)成操作上的一大缺點(diǎn)，較難應(yīng)用于超塑性成形加工第六十九頁(yè)第七十頁(yè)，共92頁(yè)。二、細(xì)晶超塑性變形力學(xué)特征1由于沒(méi)有加工硬化其應(yīng)力-應(yīng)變曲線變?yōu)槿缦?流動(dòng)應(yīng)力對(duì)變形速率極其敏感Y為真實(shí)應(yīng)力K實(shí)驗(yàn)條件常數(shù)m應(yīng)變速率敏感系數(shù)為應(yīng)變速率第七十頁(yè)第七十一頁(yè)，共92頁(yè)。三、影響細(xì)晶超塑性的主要因素細(xì)晶超塑性材料對(duì)影響因素的影響相當(dāng)敏感，只在嚴(yán)格要求的條件下才表現(xiàn)出超塑性應(yīng)變速率變形溫度組織影響第七十一頁(yè)第七十二頁(yè)，共92頁(yè)。四、超塑性時(shí)組織的變化和對(duì)力學(xué)性能的影響（一）組織變化晶粒會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大，但等軸度基本不變?cè)谧罴殉苄詰?yīng)變速率范圍內(nèi)，不形成亞結(jié)構(gòu)，也未發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)許多合金會(huì)產(chǎn)生空洞第七十二頁(yè)第七十三頁(yè)，共92頁(yè)。超塑性時(shí)組織的變化和對(duì)力學(xué)性能的影響（二）對(duì)力學(xué)性能的影響不存在織構(gòu)，不產(chǎn)生各向異性，具有較高的抗應(yīng)力腐蝕性能不存在彈性畸變能，沒(méi)有殘余應(yīng)力存在加工軟化現(xiàn)象很高的疲勞強(qiáng)度第七十三頁(yè)第七十四頁(yè)，共92頁(yè)。五、超塑性變形機(jī)理A-V機(jī)理：由阿希貝(Ashby)和弗拉爾(Verral)提出的晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散蠕變聯(lián)合機(jī)理(簡(jiǎn)稱A—V機(jī)理)被認(rèn)為能較好地解釋超塑性變形過(guò)程，該理論認(rèn)為，在晶界滑移的同時(shí)伴隨有擴(kuò)散蠕變，對(duì)晶界滑移起調(diào)節(jié)作用的不是晶內(nèi)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，而是原子的擴(kuò)散遷移。第七十四頁(yè)第七十五頁(yè)，共92頁(yè)。第四節(jié)金屬在塑性加工過(guò)程中的塑性行為一、塑性的基本概念和塑性指標(biāo)塑性是指固體材料在外力作用下發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力，它反映了材料產(chǎn)生塑性變形的能力。塑性指標(biāo)是為了衡量金屬塑性的高低而確立的數(shù)量上的指標(biāo)。通常用材料開始破壞時(shí)的塑性變形量來(lái)表示。第七十五頁(yè)第七十六頁(yè)，共92頁(yè)。常用的塑性指標(biāo)伸長(zhǎng)率δ（拉伸試驗(yàn)）斷面收縮率Ψ（拉伸試驗(yàn)）式中：L0——拉伸試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；

Lh——拉伸試樣破斷后標(biāo)距間的長(zhǎng)度；

F0——拉伸試樣原始斷面積；

Fh——拉伸試樣破斷處的斷面積第七十六頁(yè)第七十七頁(yè)，共92頁(yè)。常用的塑性指標(biāo)應(yīng)變?chǔ)牛ㄔ诙沾衷囼?yàn)中）式中：

——壓下率；

H0——試樣原始高度；

Hh——試樣壓縮后，在側(cè)表面出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)的高度第七十七頁(yè)第七十八頁(yè)，共92頁(yè)。常用的塑性指標(biāo)

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)：對(duì)于一定試樣，所得總轉(zhuǎn)數(shù)越高，塑性越好，可將扭轉(zhuǎn)數(shù)換作為剪切變形（γ

）

式中：R——試樣工作段的半徑；

L0——試樣工作段的長(zhǎng)度；

n——試樣破壞前的總轉(zhuǎn)數(shù)。

第七十八頁(yè)第七十九頁(yè)，共92頁(yè)。二、金屬的化學(xué)成分和組織對(duì)塑性的影響（一）化學(xué)成分的影響（C、P、S、N、H、O）碳:碳↑—→塑性↓雜質(zhì):雜質(zhì)↑—→塑性↓磷—→冷脆性硫—→熱脆性氮—→時(shí)效脆性氫—→氫脆現(xiàn)象，白點(diǎn)合金元素:合金元素加入—→塑性↓—→抗力↑第七十九頁(yè)第八十頁(yè)，共92頁(yè)。金屬的化學(xué)成分和組織對(duì)塑性的影響合金元素對(duì)鋼的塑性的影響所有合金元素都能不同程度地溶入鐵中形成固溶體，由于合金元素的溶入(置換)，使鐵原子的晶格點(diǎn)陣發(fā)生不同程度的畸變，從而使鋼的變形抗力提高，而塑性也有不同程度的降低。許多合金元素如Mn、Cr、Mo、W、Nb、V、11等會(huì)與鋼中的碳形成硬而脆的碳化物，使鋼的強(qiáng)度提高，而塑性下降當(dāng)合金元素與鋼中的氧、硫形成氧化物或硫化物夾雜時(shí)，會(huì)造成鋼的熱脆性，給熱成形帶來(lái)困難第八十頁(yè)第八十一頁(yè)，共92頁(yè)。金屬的化學(xué)成分和組織對(duì)塑性的影響合金元素對(duì)鋼的塑性的影響合金元素會(huì)改變鋼中相的組成，造成組織的多相性，從而使鋼的塑性降低有些合金元素會(huì)影響鋼的鑄造組織和鋼材加熱時(shí)品粒長(zhǎng)大的傾向，從而影響鋼的塑性合金元素一般都使鋼的再結(jié)晶溫度提高、再結(jié)晶速度降低，因而使鋼的硬化傾向增加，塑性降低若鋼中含有低熔點(diǎn)元素時(shí)，這些元素幾乎都不溶于基體金屬，而以純金屬相存在于晶界，造成鋼的熱腕性第八十一頁(yè)第八十二頁(yè)，共92頁(yè)。金屬的化學(xué)成分和組織對(duì)塑性的影響（二）組織的影響相組成的影響：?jiǎn)蜗嘟M織比多相組織塑性好晶粒度的影響：細(xì)晶組織比粗晶組織具有更好的塑性鑄造組織的影響：鑄造組織使金屬塑性降低第八十二頁(yè)第八十三頁(yè)，共92頁(yè)。三、變形溫度對(duì)金屬塑性的影響

總的趨勢(shì)是：隨著溫度的升高，塑性增加，但是這種增加并非簡(jiǎn)單的線性上升；在加熱過(guò)程的某些溫度區(qū)間，往往由于相態(tài)或晶粒邊界狀態(tài)的變化而出現(xiàn)脆性區(qū)，使金屬的塑性降低。在一般情況下，溫度由絕對(duì)零度上升到熔點(diǎn)時(shí)，可能出現(xiàn)幾個(gè)脆性區(qū)，包括低溫的、中