1、2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)金屬在冷和熱塑性加工過程中金屬在冷和熱塑性加工過程中組織與性能變化規(guī)律的異同組織與性能變化規(guī)律的異同“金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)”課程課程2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)金屬材料性能及其影響因素金屬材料性能及其影響因素o 金屬材料性能n力學(xué)性能；物化性能o 在一定的使用條件下n溫度、加載速度、應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)等o 影響因素n成分與組織結(jié)構(gòu)材料設(shè)計與材料加工工藝設(shè)計2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)金屬塑性變形形式定義金屬塑性變形形式定義o 冷變形是指在再結(jié)晶溫度以下的變形。變形后具有明顯的加工硬化現(xiàn)象(冷變形強化)。n如冷擠壓

2、、冷軋、冷沖壓等。o 熱變形是指在再結(jié)晶溫度以上的變形。在其變形過程中，其加工硬化隨時被再結(jié)晶所消除。因而，在此過程中表現(xiàn)不出加工硬化現(xiàn)象。n如熱軋、熱鍛、熱擠壓等。o 溫變形是指介于冷、熱變形之間的變形，加工硬化和再結(jié)晶同時存在。n如：溫鍛、溫擠壓等。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ) 冷塑性變形機理（純金屬）冷塑性變形機理（純金屬）1、晶內(nèi)變形 滑移 孿生2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)2、晶間變形晶粒間的相對滑動和轉(zhuǎn)動冷塑性變形機理（純金屬）冷塑性變形機理（純金屬）2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)冷變形對組織與性能的影響冷變形對組織與性能的影響 組織變化：n纖維組織n亞結(jié)

3、構(gòu)n變形織構(gòu)n晶內(nèi)及晶間的破壞 性能變化：n力學(xué)性能n殘余應(yīng)力n物化性能冷變形對組織的影響冷變形對組織的影響2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ) 組織變化：n纖維組織 n亞結(jié)構(gòu)n變形織構(gòu) 晶體取向變化n晶內(nèi)及晶間的破壞 晶粒形狀變化2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)冷變形冷變形纖維組織纖維組織o 金屬發(fā)生塑性變形后, 晶粒發(fā)生變形, 沿形變方向被拉長或壓扁。當(dāng)變形量很大時, 晶粒變成細條狀(拉伸時), 金屬中的夾雜物和第二相也被拉長, 形成纖維組織。變形前的退火狀態(tài)組織 變形后的冷軋變形組織 沿垂直變形方向截取試樣則不能真實反映晶粒變形情況2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)冷變形冷變

4、形亞結(jié)構(gòu)的變化亞結(jié)構(gòu)的變化o 金屬經(jīng)大的塑性變形時， 由于位錯的密度增大并發(fā)生交互作用，大量位錯堆積在局部地區(qū)， 并相互纏結(jié)， 形成不均勻的分布, 使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊， 從而在晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)（亞晶粒）。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)冷變形冷變形形變織構(gòu)形變織構(gòu)o 在塑性變形中，隨著變形大程度的增加，各個晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形變方向轉(zhuǎn)動，使各晶粒的位向呈現(xiàn)一定程度的規(guī)律性，這一現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向，這種組織狀態(tài)稱為形變織構(gòu)。典型織構(gòu)2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)形變織構(gòu)的影響與應(yīng)用形變織構(gòu)的影響與應(yīng)用o一般來說，不希望金屬板材存在織構(gòu)，尤其是用于深沖壓成

5、型的板材，由于織構(gòu)會造成其沿各方向變形的不均勻性，使工件的邊緣出現(xiàn)高低不不平，所謂的“制耳”。o但是，變壓器用硅鋼片，由于-Fe方向最易磁化，生產(chǎn)中通過軋制可獲得具有（110）001織構(gòu)和磁化性能優(yōu)異的硅鋼片。制耳現(xiàn)象2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)冷變形冷變形晶內(nèi)及晶間破壞晶內(nèi)及晶間破壞 o 在冷變形過程中不發(fā)生軟化過程的愈合作用，因滑移（位錯的運動及其受阻、雙滑移、交叉滑移等），孿晶等過程的復(fù)雜作用以及各晶粒所產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)動與移動，造成了在晶粒內(nèi)部及晶粒間界處出現(xiàn)一些顯微裂紋、空洞等缺陷使金屬密度減少，是造成金屬顯微裂紋的根源。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)冷變形冷變形對組織

6、與性能的影響對組織與性能的影響 組織變化：n纖維組織n亞結(jié)構(gòu)n變形織構(gòu)n晶內(nèi)及晶間的破壞 性能變化：n力學(xué)性能n殘余應(yīng)力n物化性能2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)冷變形冷變形力學(xué)性能力學(xué)性能o 金屬發(fā)生塑性變形時，隨變形度的增大，金屬的強度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，也叫形變強化或冷作硬化。 Cu絲冷變形的力學(xué)性能變化常溫變形對低碳鋼力學(xué)性能的影響2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)加工硬化加工硬化的本質(zhì)原因：的本質(zhì)原因：o 金屬發(fā)生塑性變形時, 位錯密度增加, 位錯間的交互作用增強, 相互纏結(jié), 造成位錯運動阻力的增大, 引起塑性變形抗力提高。o 晶粒破

7、碎細化, 使強度得以提高。（細晶效應(yīng)）2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)加工硬化的意義加工硬化的意義-強化手段強化手段o加工硬化是金屬材料五大強化手段之一；在生產(chǎn)中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。特別是對于純金屬和不能熱處理強化的材料，冷變形加工是強化它們的主要手段；020040060080010001200硬度（H B S ）抗拉強度（M p a )變形前變形后Q345(16Mn)鋼的自行車鏈條經(jīng)五次軋制，總變形量為65%時性能對比65Mn彈簧鋼絲經(jīng)冷拉后，抗拉強度可達20003000MPa,，比一般鋼材的強度提高46倍。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)加工硬化的意義加工硬化

8、的意義-強化手段強化手段o 高錳鋼（ZGMn13)屬于奧氏體鋼，熱處理不能強化，它的主要強化手段就是加工硬化。o 當(dāng)高錳鋼受到激烈摩擦或劇烈沖擊時，其表面部分就會產(chǎn)生微量塑性變形，隨之產(chǎn)生強烈的加工硬化，使其硬度和強度快速提高，從而能夠作為耐磨鋼使用。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)加工硬化的意義加工硬化的意義-金屬的冷成型加工的保證金屬的冷成型加工的保證o 金屬的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性變形均勻地分布于整個工件上，而不致于集中在某些局部而導(dǎo)致最終斷裂；2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)加工硬化的意義加工硬化的意義-提高了構(gòu)件的安全性提高了構(gòu)件的安全性o 構(gòu)件在使用

9、過程中，往往不可避免地會某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中和過載現(xiàn)象，在這種情況下，由于金屬能加工硬化，使局部過載部位在產(chǎn)生少量塑性變形之后，提高了屈服強度并與所承受的應(yīng)力達到平衡，變形就不會繼續(xù)發(fā)展，從而在一定程度上提高了構(gòu)件的安全性。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)冷變形冷變形殘余應(yīng)力（儲存能）殘余應(yīng)力（儲存能）o 塑性變形中外力所作的功除大部分轉(zhuǎn)化成熱外，還有一小部分以畸變能的形式存儲在材料內(nèi)部，這部分存儲能的具體表現(xiàn)方式為：宏觀殘余應(yīng)力、微觀殘余應(yīng)力、點陣畸變。宏觀表現(xiàn)0.1%晶粒獲亞晶粒之間變形不均勻性空位、間隙原子、位錯等 80%-90%金屬經(jīng)塑性變形后的殘余應(yīng)力是不可避免的，這對工件的變

10、形、開裂和應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生影響和危害。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)殘余內(nèi)應(yīng)力的消除與應(yīng)用殘余內(nèi)應(yīng)力的消除與應(yīng)用o 金屬塑性變形后的殘余應(yīng)力，可以通過去應(yīng)力退火來消除；n經(jīng)拉延成型的黃銅彈殼在280左右進行去應(yīng)力退火，以避免變形和應(yīng)力腐蝕。o 殘余應(yīng)力的應(yīng)用：有意控制殘余應(yīng)力的分布，使其與工作應(yīng)力方向相反，可以提高工件的力學(xué)性能，如車架承重板簧。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)冷變形冷變形物化性能物化性能o 密度、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、導(dǎo)磁性下降n晶間物質(zhì)的破壞使晶粒直接接觸、晶粒位向有序化、晶間出現(xiàn)了顯微裂紋、裂口、空洞等缺陷致使金屬的密度降低n原子脫離其平衡位置，位錯密度的增加o 化學(xué)活性

11、增加，電極電位提高，耐腐蝕性下降n結(jié)構(gòu)缺陷多，自由焓升高，擴散速度快2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化相關(guān)基本概念：相關(guān)基本概念： 是否出現(xiàn)是否出現(xiàn)新無畸變晶粒新無畸變晶粒而發(fā)生亞結(jié)構(gòu)和性能變化而發(fā)生亞結(jié)構(gòu)和性能變化 回復(fù)回復(fù) 再結(jié)晶再結(jié)晶 晶粒長大晶粒長大 動力學(xué)動力學(xué)弛豫過程弛豫過程 動力學(xué)動力學(xué)孕育期孕育期 正常長大正常長大影響因素影響因素 回復(fù)機制回復(fù)機制低低/中中/高溫高溫 再結(jié)晶過程再結(jié)晶過程形核形核/長大長大 異常長大異常長大影響因素影響因素 再結(jié)晶溫度影響因素再結(jié)晶溫度影響因素 再結(jié)晶晶粒度再結(jié)晶晶粒度 電

12、阻率降空位/位錯應(yīng)變能內(nèi)應(yīng)力降晶體內(nèi)彈性變形硬度及強度保持位錯密度消除畸變能，控制晶粒大小，形態(tài)，均勻度界面能，表面能作為驅(qū)動力2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化o 金屬冷變形使材料內(nèi)部空位、位錯等結(jié)構(gòu)缺陷密度增加，畸變能升高，使其處于熱力學(xué)不穩(wěn)定的高自由能狀態(tài)。因此材料具有自發(fā)恢復(fù)到變形前低自由能狀態(tài)的趨勢。當(dāng)冷變形金屬加熱時會發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大等過程。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)冷變形金屬加熱時性能影響冷變形金屬加熱時性能影響在回復(fù)階段，各材料釋放的存儲能量均較小，再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)的溫度對應(yīng)于儲能釋放曲

13、線的高峰處。熱變形主要機理熱變形主要機理晶晶內(nèi)內(nèi)滑滑移移晶晶內(nèi)內(nèi)孿孿生生晶晶界界滑滑移移擴擴散散蠕蠕變變2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)熱變形主要機理發(fā)生條件熱變形主要機理發(fā)生條件2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)a)b)c)a) 空位和原子的移動方向 b) 晶內(nèi)擴散 c) 晶界擴散熱塑性變形機理熱塑性變形機理擴散蠕變擴散蠕變溫度高（能量大），晶粒細（路程短），應(yīng)變速率低（時間多）溫度高（能量大），晶粒細（路程短），應(yīng)變速率低（時間多）擴散蠕變作用大擴散蠕變作用大2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)熱變形軟化機制與相關(guān)概念熱變形軟化機制與相關(guān)概念熱塑性變形過程中加工硬化加工硬化和軟

14、化過程軟化過程并存1. 外力和溫度的共同作用下發(fā)生o 動態(tài)回復(fù) -高層錯能（Al/Mo/W/a-Fe）易交滑移/攀移o 動態(tài)再結(jié)晶 -底層錯能（Cu/Ni/SS/Fe）擴展位錯寬2. 去除外力后o 亞動態(tài)再結(jié)晶o 靜態(tài)回復(fù)o 靜態(tài)再結(jié)晶與冷變形相似2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ) 回復(fù) 熱態(tài)變形及隨后過程中金屬內(nèi)所發(fā)生的大角度晶界移動之前的一切位錯運動過程。 靜態(tài)回復(fù)與動態(tài)回復(fù)的區(qū)別 動態(tài)回復(fù)發(fā)生在變形之時 靜態(tài)回復(fù)發(fā)生在變形之后 回復(fù)過程回復(fù)過程2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ) 點缺陷運動和結(jié)合 位錯重新組合與抵消 位錯攀移與交滑移 亞晶形成與合并 多邊形化回復(fù)過程中的位錯運動回

15、復(fù)過程中的位錯運動 回復(fù)機制： 主要通過位錯攀移和交滑移 位錯運動：2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)p 組織變化不大p 位錯密度減小p 內(nèi)應(yīng)力減小p 強度、硬度略有減小，塑性略有上升p 電阻率明顯下降回復(fù)過程對金屬組織性能的影響：回復(fù)過程對金屬組織性能的影響： 大角度晶界掃過變形組織，以新生無畸變晶粒取代變形晶粒的過程。再結(jié)晶過程再結(jié)晶過程2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)靜態(tài)再結(jié)晶靜態(tài)再結(jié)晶動態(tài)再結(jié)晶動態(tài)再結(jié)晶亞動態(tài)再結(jié)晶亞動態(tài)再結(jié)晶2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ) 指冷變形后的金屬在足夠高的溫度下，通過新晶核的形成及長大，以無畸變的新晶粒逐步取代變形晶粒的過程 條件：變形+

16、溫度 特點：發(fā)生在變形結(jié)束后靜態(tài)再結(jié)晶靜態(tài)再結(jié)晶2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ) 在塑性變形過程的同時發(fā)生的再結(jié)晶過程 條件：變形+溫度 特點：與變形同時發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶動態(tài)再結(jié)晶2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ) 在塑性變形過程中形成但來不及長大的再結(jié)晶晶核，在隨后的高溫滯留階段長大成再結(jié)晶晶粒的過程特點：變形后發(fā)生、迅速、無孕育期與動態(tài)再結(jié)晶的區(qū)別：變形后發(fā)生與靜態(tài)再結(jié)晶的區(qū)別：無孕育期亞動態(tài)再結(jié)晶亞動態(tài)再結(jié)晶2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ) 層錯能低 集束成特征位錯困難 不易于攀移和交滑移 回復(fù)作用不顯著，并形成高位錯密度差 晶界遷移能力強 大角度晶界向高位錯密度區(qū)域遷移容

17、易 再結(jié)晶再結(jié)晶條件再結(jié)晶條件 層錯能層錯能+ +晶界遷移難易程度晶界遷移難易程度2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)回復(fù)再結(jié)晶晶粒長大性質(zhì)密度電阻率空位密度加熱溫度位錯密度硬度和強度伸長率結(jié)晶晶粒大小回復(fù)和再結(jié)晶對組織性能的影響：回復(fù)和再結(jié)晶對組織性能的影響：2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)軋制靜態(tài)回復(fù)動態(tài)回復(fù)動態(tài)回復(fù)靜態(tài)再結(jié)晶靜態(tài)再結(jié)晶熱擠動態(tài)再結(jié)晶亞動態(tài)再結(jié)晶a)b)c)d)變形率50%變形率99%熱塑性變形中的軟化過程熱塑性變形中的軟化過程冷加工熱加工2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)熱變形對金屬組織的影響熱變形對金屬組織的影響o 加工流線-熱加工能使金屬中殘存的枝晶偏析、

18、可變形夾雜物和第二相沿金屬流動方向被拉長，形成纖維組織(或稱“流線”)，使金屬的力學(xué)性能特別是塑性和韌性具有方向性，縱向上的性能顯著大于橫向上的。因此熱加工時應(yīng)力求工件流線分布合理。 o 鍛造曲軸的合理流線分布，可保證曲軸工作時所受的最大拉應(yīng)力與流線一致，而外加剪切應(yīng)力或沖擊力與流線垂直，使曲軸不易斷裂。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)熱變形對金屬組織的影響熱變形對金屬組織的影響o 帶狀組織-復(fù)相合金中的各個相，在熱加工時沿著變形方向交替呈帶狀分布的組織。往往是由于枝晶偏析或夾雜物在壓力加工過程中被拉長所造成的。n鋼中的鐵素體或滲碳體以伸長的雜質(zhì)為核心形核，形成帶狀組織。o 缺點：導(dǎo)致材

19、料的各向異性n避免在兩相區(qū)變形；n減少夾雜元素含量；n采用高溫擴散退火或正火可以消除帶狀組織。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)熱變形對金屬組織的影響熱變形對金屬組織的影響o 網(wǎng)狀組織-鋼材內(nèi)部缺陷之一，表現(xiàn)為熱加工的鋼材冷卻后沿奧氏體晶界析出的過剩碳化物(指過共析鋼等)或鐵素體(指亞共析鋼)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。n組織晶粒粗大，塑性和沖擊韌性嚴重下降。 n控制加熱溫度，提高塑性加工時的壓縮比，控制冷卻速度，或正火熱處理，均可改善或減輕網(wǎng)狀碳化物組織。 2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)熱變形對金屬組織的影響熱變形對金屬組織的影響o 改善組織，提高性能n改造鑄態(tài)組織-壓縮（焊合）鑄態(tài)金屬的組

20、織的縮孔、疏松、空隙、氣泡等缺陷n細化晶粒-軋制破壞粗大柱狀晶、樹枝晶，通過熱變形與再結(jié)晶形成細小等軸晶粒，甚至亞晶組織n破碎夾雜物-破碎夾雜物和第二相并改變它們的分布狀態(tài)，有效改善材料性能2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)W18Cr4V鑄態(tài)組織 420W18Cr4V鍛造組織 210：熱態(tài)塑性變形對組織性能的影響熱態(tài)塑性變形對組織性能的影響2011-11-5金屬塑性變形物理基礎(chǔ)低應(yīng)變速率下熱變形o 超塑性-指材料在一定的內(nèi)部條件和外部條件下，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能的現(xiàn)象。超塑性的特點有大延伸率，無縮頸，小應(yīng)力，易成形。 n實現(xiàn)條件：一定的變形溫度；低的應(yīng)變速率；細小晶粒n本質(zhì)：晶界的轉(zhuǎn)動；晶粒的轉(zhuǎn)動 n分類：極細等軸晶粒（直徑五微米以下）下超塑性稱為超細晶