1、2011-11-5金屬塑性變形物理基礎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律的異同組織與性能變化規律的異同“金屬塑性變形的物理基礎金屬塑性變形的物理基礎”課程課程2011-11-5金屬塑性變形物理基礎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力學性能；物化性能o 在一定的使用條件下n溫度、加載速度、應力狀態、環境介質等o 影響因素n成分與組織結構材料設計與材料加工工藝設計2011-11-5金屬塑性變形物理基礎金屬塑性變形形式定義金屬塑性變形形式定義o 冷變形是指在再結晶溫度以下的變形。變形后具有明顯的加工硬化現象(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晶所消除。因而，在此過程中表現不出加工硬化現象。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 冷塑性變形機理（純金屬）冷塑性變形機理（純金屬）1、晶內變形 滑移 孿生2011-11-5金屬塑性變形物理基礎2、晶間變形晶粒間的相對滑動和轉動冷塑性變形機理（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

3、構n變形織構n晶內及晶間的破壞 性能變化：n力學性能n殘余應力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 組織變化：n纖維組織 n亞結構n變形織構 晶體取向變化n晶內及晶間的破壞 晶粒形狀變化2011-11-5金屬塑性變形物理基礎冷變形冷變形纖維組織纖維組織o 金屬發生塑性變形后, 晶粒發生變形, 沿形變方向被拉長或壓扁。當變形量很大時, 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冷變形冷變

4、形亞結構的變化亞結構的變化o 金屬經大的塑性變形時， 由于位錯的密度增大并發生交互作用，大量位錯堆積在局部地區， 并相互纏結， 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， 從而在晶粒內產生亞結構（亞晶粒）。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎冷變形冷變形形變織構形變織構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動，使各晶粒的位向呈現一定程度的規律性，這一現象稱為擇優取向，這種組織狀態稱為形變織構。典型織構2011-11-5金屬塑性變形物理基礎形變織構的影響與應用形變織構的影響與應用o一般來說，不希望金屬板材存在織構，尤其是用于深沖壓成

5、型的板材，由于織構會造成其沿各方向變形的不均勻性，使工件的邊緣出現高低不不平，所謂的“制耳”。o但是，變壓器用硅鋼片，由于-Fe方向最易磁化，生產中通過軋制可獲得具有（110）001織構和磁化性能優異的硅鋼片。制耳現象2011-11-5金屬塑性變形物理基礎冷變形冷變形晶內及晶間破壞晶內及晶間破壞 o 在冷變形過程中不發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），孿晶等過程的復雜作用以及各晶粒所產生的相對轉動與移動，造成了在晶粒內部及晶粒間界處出現一些顯微裂紋、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亞結構n變形織構n晶內及晶間的破壞 性能變化：n力學性能n殘余應力n物化性能2011-11-5金屬塑性變形物理基礎冷變形冷變形力學性能力學性能o 金屬發生塑性變形時，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絲冷變形的力學性能變化常溫變形對低碳鋼力學性能的影響2011-11-5金屬塑性變形物理基礎加工硬化加工硬化的本質原因：的本質原因：o 金屬發生塑性變形時, 位錯密度增加, 位錯間的交互作用增強, 相互纏結, 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）2011-11-5金屬塑性變形物理基礎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)鋼的自行車鏈條經五次軋制，總變形量為65%時性能對比65Mn彈簧鋼絲經冷拉后，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 當高錳鋼受到激烈摩擦或劇烈沖擊時，其表面部分就會產生微量塑性變形，隨之產生強烈的加工硬化，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致最終斷裂；2011-11-5金屬塑性變形物理基礎加工硬化的意義加工硬化的意義-提高了構件的安全性提高了構件的安全性o 構件在使用

9、過程中，往往不可避免地會某些部位出現應力集中和過載現象，在這種情況下，由于金屬能加工硬化，使局部過載部位在產生少量塑性變形之后，提高了屈服強度并與所承受的應力達到平衡，變形就不會繼續發展，從而在一定程度上提高了構件的安全性。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎冷變形冷變形殘余應力（儲存能）殘余應力（儲存能）o 塑性變形中外力所作的功除大部分轉化成熱外，還有一小部分以畸變能的形式存儲在材料內部，這部分存儲能的具體表現方式為：宏觀殘余應力、微觀殘余應力、點陣畸變。宏觀表現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%金屬經塑性變形后的殘余應力是不可避免的，這對工件的變

10、形、開裂和應力腐蝕產生影響和危害。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎殘余內應力的消除與應用殘余內應力的消除與應用o 金屬塑性變形后的殘余應力，可以通過去應力退火來消除；n經拉延成型的黃銅彈殼在280左右進行去應力退火，以避免變形和應力腐蝕。o 殘余應力的應用：有意控制殘余應力的分布，使其與工作應力方向相反，可以提高工件的力學性能，如車架承重板簧。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎冷變形冷變形物化性能物化性能o 密度、導熱、導電、導磁性下降n晶間物質的破壞使晶粒直接接觸、晶粒位向有序化、晶間出現了顯微裂紋、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 化學活性

11、增加，電極電位提高，耐腐蝕性下降n結構缺陷多，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基本概念：相關基本概念： 是否出現是否出現新無畸變晶粒新無畸變晶粒而發生亞結構和性能變化而發生亞結構和性能變化 回復回復 再結晶再結晶 晶粒長大晶粒長大 動力學動力學弛豫過程弛豫過程 動力學動力學孕育期孕育期 正常長大正常長大影響因素影響因素 回復機制回復機制低低/中中/高溫高溫 再結晶過程再結晶過程形核形核/長大長大 異常長大異常長大影響因素影響因素 再結晶溫度影響因素再結晶溫度影響因素 再結晶晶粒度再結晶晶粒度 電

12、阻率降空位/位錯應變能內應力降晶體內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，均勻度界面能，表面能作為驅動力2011-11-5金屬塑性變形物理基礎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部空位、位錯等結構缺陷密度增加，畸變能升高，使其處于熱力學不穩定的高自由能狀態。因此材料具有自發恢復到變形前低自由能狀態的趨勢。當冷變形金屬加熱時會發生回復、再結晶和晶粒長大等過程。2011-11-5金屬塑性變形物理基礎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階段，各材料釋放的存儲能量均較小，再結晶晶粒出現的溫度對應于儲能釋放曲

13、線的高峰處。熱變形主要機理熱變形主要機理晶晶內內滑滑移移晶晶內內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熱變形主要機理發生條件熱變形主要機理發生條件2011-11-5金屬塑性變形物理基礎a)b)c)a) 空位和原子的移動方向 b) 晶內擴散 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），應變速率低（時間多）溫度高（能量大），晶粒細（路程短），應變速率低（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熱變形軟化機制與相關概念熱變形軟化機制與相關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生o 動態回復 -高層錯能（Al/Mo/W/a-Fe）易交滑移/攀移o 動態再結晶 -底層錯能（Cu/Ni/SS/Fe）擴展位錯寬2. 去除外力后o 亞動態再結晶o 靜態回復o 靜態再結晶與冷變形相似2011-11-5金屬塑性變形物理基礎 回復 熱態變形及隨后過程中金屬內所發生的大角度晶界移動之前的一切位錯運動過程。 靜態回復與動態回復的區別 動態回復發生在變形之時 靜態回復發生在變形之后 回復過程回復過程2011-11-5金屬塑性變形物理基礎 點缺陷運動和結合 位錯重新組合與抵消 位錯攀移與交滑移 亞晶形成與合并 多邊形化回復過程中的位錯運動回

15、復過程中的位錯運動 回復機制： 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p 組織變化不大p 位錯密度減小p 內應力減小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過程對金屬組織性能的影響：回復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。再結晶過程再結晶過程2011-11-5金屬塑性變形物理基礎靜態再結晶靜態再結晶動態再結晶動態再結晶亞動態再結晶亞動態再結晶2011-11-5金屬塑性變形物理基礎 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：發生在變形結束后靜態再結晶靜態再結晶2011-11-5金屬塑性變形物理基礎 在塑性變形過程的同時發生的再結晶過程 條件：變形+溫度 特點：與變形同時發生動態再結晶動態再結晶2011-11-5金屬塑性變形物理基礎 在塑性變形過程中形成但來不及長大的再結晶晶核，在隨后的高溫滯留階段長大成再結晶晶粒的過程特點：變形后發生、迅速、無孕育期與動態再結晶的區別：變形后發生與靜態再結晶的區別：無孕育期亞動態再結晶亞動態再結晶2011-11-5金屬塑性變形物理基礎 層錯能低 集束成特征位錯困難 不易于攀移和交滑移 回復作用不顯著，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域遷移容

17、易 再結晶再結晶條件再結晶條件 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回復再結晶晶粒長大性質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晶晶粒大小回復和再結晶對組織性能的影響：回復和再結晶對組織性能的影響：2011-11-5金屬塑性變形物理基礎軋制靜態回復動態回復動態回復靜態再結晶靜態再結晶熱擠動態再結晶亞動態再結晶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力與流線一致，而外加剪切應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為核心形核，形成帶狀組織。o 缺點：導致材

19、料的各向異性n避免在兩相區變形；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熱變形對金屬組織的影響熱變形對金屬組織的影響o 網狀組織-鋼材內部缺陷之一，表現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)形成的網狀結構。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，均可改善或減輕網狀碳化物組織。 2011-11-5金屬塑性變形物理基礎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改造鑄態組織-壓縮（焊合）鑄態金屬的組

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，有效改善材料性能2011-11-5金屬塑性變形物理基礎W18Cr4V鑄態組織 420W18Cr4V鍛造組織 210：熱態塑性變形對組織性能的影響熱態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低應變速率下熱變形o 超塑性-指材料在一定的內部條件和外部條件下，呈現出異常低的流變抗力、異常高的流變性能的現象。超塑性的特點有大延伸率，無縮頸，小應力，易成形。 n實現條件：一定的變形溫度；低的應變速率；細小晶粒n本質：晶界的轉動；晶粒的轉動 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