合肥工業(yè)大學(xué) 考研 材料成型基本原理12課件

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1、材料成形力學(xué)原理材料成形力學(xué)原理研究的對：金屬塑性成形塑性：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。一、金屬塑性成形的特點(diǎn) 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(dá)2000次/min;鍛造一根汽車發(fā)動機(jī)曲軸只需要40s；M12l螺栓的冷鍛 210件/min。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(jī)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。同時(shí)，由

2、于金屬塑性變形后性能提高，在相同服役條件下，零件的截面可以減小。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(dá)75%85%，最高可達(dá)98%以上。尺寸精度高 精密鍛造、精密擠壓、精密沖裁零件，可以達(dá)到不需機(jī)械加工就可以使用的程度。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 自由鍛開式模鍛閉式模鍛沖裁拉深 塑性成形力學(xué)，是塑性理論（或塑性力學(xué)）的發(fā)展和應(yīng)用中逐漸形成的：1864年法國工程師H.Tresca首次提出最大切應(yīng)力屈服準(zhǔn)則 1925年德國卡爾曼用初等應(yīng)

3、力法建立了軋制時(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律；薩克斯和齊別爾提出了切塊法即主應(yīng)力法；再后來，滑移線法、上限法、有限元法等相繼得到發(fā)展。目的：科學(xué)系統(tǒng)地闡明金屬塑性成形的基礎(chǔ)和規(guī)律，為合理制訂塑性成形工藝奠定理論基礎(chǔ)。任務(wù)：掌握塑性成形時(shí)的金屬學(xué)基礎(chǔ)，以便使工件在成形時(shí)獲得最佳的塑性狀態(tài)，最高的變形效率和優(yōu)質(zhì)的性能；掌握應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和屈服準(zhǔn)則等塑性理論基礎(chǔ)知識，以便對變形過程進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，并尋找塑性變形物體的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律；掌握塑性成形時(shí)的金屬流動規(guī)律和變形特點(diǎn)，分析影響金屬塑性流動的各種因素，以合理地確定坯料尺寸和成形工序，使工件順利成形；掌握塑性成形力學(xué)問題的各種解法及其在具體工藝中的應(yīng)

4、用，以便確定變形體中的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律和所需的變形力和功，為選擇成形設(shè)備和設(shè)計(jì)模具提供依據(jù)。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織 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(diǎn)。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(shí)晶界的強(qiáng)度和硬度高于晶內(nèi)，高溫時(shí)則相反；晶界中原子的擴(kuò)散速度比晶內(nèi)原子快得多；晶界的熔點(diǎn)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。（一）晶

5、內(nèi)變形 晶內(nèi)變形的主要方式為滑移和孿生，其中滑移是主要的 1滑移 滑移：在切應(yīng)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?；频慕Y(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13-3滑移方向與滑移面圖13-4滑移面上的切應(yīng)力分析coscos其中：為橫截面上的拉應(yīng)力，稱為取向因子=45時(shí)，最大，切應(yīng)力最大，滑移系處于最佳取向。cosc

6、os軟取向：=0.5或接近于0.5的取向硬取向：=0或接近于0的取向注：單晶體的臨界切應(yīng)力，不隨取向因子的變化而變化 2孿生孿生變形：在切應(yīng)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(yīng)力大于滑移變形時(shí)所需的切應(yīng)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

7、較小的，因此，晶體的塑性變形主要依靠滑移變形。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(dāng)沿晶界處的切應(yīng)力足以克服晶粒相互滑動的阻力時(shí)，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(shí)，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

8、困難。多晶體金屬的晶粒越細(xì)，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(qiáng)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(xì)晶金屬不容易產(chǎn)生裂紋，發(fā)生裂紋后也不容易擴(kuò)展，因此細(xì)晶金屬的韌性也較好。這就是可以通過細(xì)化晶粒來提高金屬材料綜合性能的原因。合金具有純金屬不可比擬的力學(xué)性能和特殊的物理、化學(xué)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(shí)同樣受到相鄰晶粒的影響。但溶質(zhì)原子溶入

9、后，使其塑性變形抗力增大，合金強(qiáng)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(qiáng)化。是由溶質(zhì)原子阻礙金屬中的位錯運(yùn)動引起的。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(qiáng)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(jī)理來說，仍然是滑移和孿生l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(qiáng)度和塑性皆下降。l第二相以彌散質(zhì)點(diǎn)（顆粒）分布在基體晶粒內(nèi)部 合金的強(qiáng)度顯著提高而對塑性和韌性的影響較小。彌散強(qiáng)化：第二相以細(xì)小質(zhì)點(diǎn)的形式存在而使合金顯著強(qiáng)化的現(xiàn)象稱彌散強(qiáng)化。一方面

10、，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(diǎn)阻礙位錯的運(yùn)動。因此，粒子越細(xì)，彌散分布越好，強(qiáng)化的效果越好。兩相合金的顯微組織聚合型彌散型（一）對組織結(jié)構(gòu)的影響 l晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶和孿生帶；l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(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒組織成纖維狀；l晶粒的位向發(fā)生改變：晶粒在變形的同時(shí)，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)。變形后變形前變形前后的晶粒形狀拉拔形成的絲結(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(xué)性能

11、。隨著變形程度的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度增加，而塑性和韌性相應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致位錯之間交互作用增強(qiáng)，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(yùn)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(qiáng)度，可作為強(qiáng)化金屬的一種手段（形變強(qiáng)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

12、。注：加工硬化既是金屬塑性變形的特征，也是強(qiáng)化金屬的重要手段。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(fù)、再結(jié)晶和加工硬化同時(shí)發(fā)生，加工硬化不斷被回復(fù)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)。熱塑性變形時(shí)金屬的軟化過程比較復(fù)雜，它與變形溫度、應(yīng)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(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶、動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶等。從熱力學(xué)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(dāng)加熱升溫時(shí)，原子具有相當(dāng)?shù)臄U(kuò)散能力，變形后的金屬自發(fā)地向低自由能狀態(tài)

13、轉(zhuǎn)變。這一轉(zhuǎn)變過程稱為回復(fù)和再結(jié)晶，這一過程伴隨有晶粒長大。回復(fù)往往是在較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(fù) 在回復(fù)階段，金屬的強(qiáng)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?yàn)樵诨貜?fù)溫度范圍內(nèi)，原子只在晶內(nèi)作短程擴(kuò)散，使點(diǎn)缺陷和位錯發(fā)生運(yùn)動，改變了數(shù)量和狀態(tài)的分布。低溫回復(fù)（0.10.3）Tm時(shí)，回復(fù)的主要機(jī)理是點(diǎn)缺陷運(yùn)動和互相結(jié)合，使點(diǎn)缺陷的濃度下降。中溫回復(fù)（0.30.5）Tm時(shí)，位錯發(fā)團(tuán)內(nèi)部位錯重新組合和調(diào)整、位錯運(yùn)動和異號位錯互毀，導(dǎo)致位錯發(fā)團(tuán)厚度變薄，位錯網(wǎng)絡(luò)清晰，晶界位錯密度下降，亞晶緩慢長大。高溫

14、回復(fù)發(fā)生時(shí)（T0.5Tm），發(fā)生位錯攀移，亞晶合并和多邊形化現(xiàn)象。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(fù)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(qiáng)度、硬度顯著降低，塑性大大提高，加工硬化和內(nèi)應(yīng)力完全消除，物理性能得到恢復(fù)等。但是，再結(jié)晶并不是一個簡單地使金屬的組織恢復(fù)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13-15回復(fù)和再結(jié)晶對金屬組織和性能的變化表13-1 回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大的特點(diǎn)及應(yīng)用 回 復(fù) 再

15、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(jī)制原子活動能量小，空位移動使晶格扭曲恢復(fù)。位錯短程移動，適當(dāng)集中形成規(guī)則排列原子擴(kuò)散能力大，新晶粒在嚴(yán)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(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力有較大下降形成新的等軸晶粒，有時(shí)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(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有上升，電阻率明顯下降強(qiáng)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(yīng)用說明去應(yīng)力退火工藝，一般只有回復(fù)轉(zhuǎn)變再結(jié)晶退火可消除加工硬化效果，消除組織各

16、向異性應(yīng)在工藝處理過程中防止產(chǎn)生 動態(tài)回復(fù)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(fù)主要是通過位錯的攀移、交滑移來實(shí)現(xiàn)的。層錯能高，變形位錯的交滑移和攀移比較容易進(jìn)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(dá)不到動態(tài)再結(jié)晶所需的能量水平。所以動態(tài)回復(fù)是層錯能高的金屬熱變形過程中唯一的軟化機(jī)制。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(shí)才可能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。因?yàn)閷渝e能低時(shí)，不易進(jìn)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(shí)，動態(tài)再結(jié)晶才能啟動，否則只能發(fā)生動態(tài)回復(fù)。只有當(dāng)變形程度遠(yuǎn)高于靜態(tài)再結(jié)

17、晶所需的臨界變形程度時(shí)，動態(tài)再結(jié)晶才會發(fā)生。l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(qiáng)。溶質(zhì)原子固溶于金屬基體，彌散的第二相粒子，都會嚴(yán)重阻礙晶界的遷移，減緩或遏止動態(tài)再結(jié)晶過程的進(jìn)行。l動態(tài)再結(jié)晶的晶粒度大小與變形程度、應(yīng)變速率和變形溫度有關(guān)，一般是降低變形溫度、提高應(yīng)變速率和變形程度，會使動態(tài)再結(jié)晶后的晶粒變細(xì)，而細(xì)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(xì)和它的力學(xué)機(jī)械性能。l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(shí)，真實(shí)應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

18、金屬熱塑性變形機(jī)理主要有以下幾種：晶內(nèi)滑移，晶內(nèi)孿生，晶界滑移，擴(kuò)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(kuò)散蠕變只發(fā)生在高溫變形的時(shí)。高溫時(shí)原子間距加大，原子的熱振動和擴(kuò)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(diǎn)脫錨比低溫時(shí)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(shí)在熱變形狀態(tài)下，晶界對位錯運(yùn)動的阻礙作用相對減弱，位錯有可能進(jìn)入晶界。熱塑性變形時(shí)，晶界強(qiáng)度較低，使得晶界滑動變得容易進(jìn)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(yīng)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(yīng)力狀態(tài)有利于修復(fù)

19、高溫晶界滑動所產(chǎn)生的裂縫，擴(kuò)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。擴(kuò)散蠕變是在應(yīng)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(yīng)地在原子占據(jù)的結(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)新的空位，相當(dāng)于空位朝原子遷移的相反方向遷移。在應(yīng)力場作用下，受拉應(yīng)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(xué)勢能差，而引起空位的定向轉(zhuǎn)移，即空位從垂直于拉應(yīng)力的晶界析出，而被平行于拉應(yīng)力的晶界所吸收。1、改善晶粒組織 經(jīng)熱塑性變形可獲得均勻細(xì)小的再結(jié)晶組織，從而獲得較好的綜合機(jī)械性能。2、鍛合內(nèi)部缺陷鑄態(tài)金屬中的缺陷如疏松、

20、空隙和微裂紋等，經(jīng)過鍛造后被壓實(shí)，致密度得到提高。3、形成纖維狀組織鋼錠在熱鍛過程中，隨著變形程度的增加，內(nèi)部粗大的樹狀枝晶沿主變形方向伸長，晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向也逐漸趨于與主變形方向一致，脆性夾雜物被破碎呈鏈狀分布。鋼錠鍛造過程中纖維組織形成示意圖 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(kuò)散，可使鑄態(tài)金屬的偏析略有改善，鑄件的力學(xué)性能得到提高。一、塑性、塑性指標(biāo)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

21、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(xué)成分和金相組織等；2）外因：變形時(shí)外部條件，如變形溫度和受力狀況等。塑性指標(biāo)：為衡量金屬塑性的高低而確定的數(shù)量上的指標(biāo)，一般以金屬材料開始發(fā)生破壞時(shí)的塑性變形量來表示。常用的塑性指標(biāo)：拉伸試驗(yàn)伸長率()斷面收縮率（）100 10000AAAk為試樣的原始標(biāo)準(zhǔn)間距和試樣斷裂后標(biāo)距間長度；kL0L、0A、kA為試樣的原始橫截面積和試樣斷裂處的最小橫截面積。塑性指標(biāo)還可以用鐓粗實(shí)驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)測定。鐓粗試驗(yàn)（試樣的高度為直徑的1.5倍）中，以出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)的變形程度

22、為塑性指標(biāo)：注：只有相同的指標(biāo)才能相互比較c00HHHk100 、鐓粗試驗(yàn)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(biāo)（、ak等）為縱坐標(biāo)、以溫度為橫坐標(biāo)繪制成的函數(shù)曲線。碳鋼塑性圖內(nèi)部因素：化學(xué)成分 組織結(jié)構(gòu)外部因素：變形溫度 應(yīng)變速度 應(yīng)力狀態(tài)l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 l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(shí)效脆性 H氫脆l(xiāng)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l雜質(zhì)元

23、素之間相互作用對金屬的塑性產(chǎn)生影響；硫+Fe FeS（熔點(diǎn)1190），熱脆 +Mn MnS（熔點(diǎn)1600），塑性提高。l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(xì)小顆粒對塑性影響不大。注：對冷加工用鋼而言，含碳量應(yīng)盡量低。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(dāng)鐵中的碳含量超過其溶碳能力時(shí)，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

24、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(xué)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(shí)更為嚴(yán)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(diǎn)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(dāng)含量較小時(shí)，對鋼的塑性影響較小；

25、當(dāng)含量增加時(shí)，鋼的塑性下降。當(dāng)含氮量較高的鋼從高溫快冷至低溫時(shí)，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(shí)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(diǎn)）。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l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，

26、塑性最差，如鎂、鋅、鈣等。l晶粒度的影響 晶粒度越小，越均勻，塑性越高。l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）l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。l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(fù)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(qiáng)：晶界切變抗力降低；晶界滑移引起的微裂紋被消除。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hcpbcc，l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

27、而出現(xiàn)脆性區(qū)，使金屬的塑性降低。藍(lán)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(diǎn)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65碳鋼的塑性隨溫度的變化曲線l一方面，隨變形速率的增大，金屬的塑性降低：沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行回復(fù)或再結(jié)晶，軟化過程進(jìn)行得不充分。l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(yīng)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(yīng)變速率的增

28、加可能引起塑性的下降。l提高應(yīng)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。l提高應(yīng)變速率可以減少熱成形時(shí)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(fù)雜的工件成形是有利的。主應(yīng)力圖：自變形體中某點(diǎn)取一立方微單元體，用箭頭表示作用在該單元體主應(yīng)力，稱為主應(yīng)力圖，主應(yīng)力圖只表示出應(yīng)力的個數(shù)和方向，并不表示應(yīng)力的大小。主應(yīng)力圖有九種：單向主應(yīng)力圖：二向主應(yīng)力圖：三向主應(yīng)力圖：l 應(yīng)力狀態(tài)不同對塑性的影響也不同：主應(yīng)力圖中壓應(yīng)力個數(shù)越多，數(shù)值越大，則金屬的塑性越高；拉應(yīng)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(yīng)力促進(jìn)晶間變形，加速晶界破

29、壞，而壓應(yīng)力阻止或減小晶間變形；另外，三向壓應(yīng)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(yīng)力則相反，它使各種破壞發(fā)展，擴(kuò)大。變形抗力：金屬在發(fā)生塑性變形時(shí)，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(shí)應(yīng)力，還取決于塑性加工時(shí)的應(yīng)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(yīng)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(shí)應(yīng)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。（一）化學(xué)成分的影響l金屬純

30、度越高，變形抗力越小。l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(diǎn)陣畸變）l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 l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。l晶粒大?。壕ЯＴ郊?xì)，同一體積內(nèi)的晶界越多，變形抗力就高（室溫晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)）。l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(yán)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(shí)，合金的變形

31、抗力就高；第二相越細(xì)，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(dāng)金屬和合金隨著溫度的變化而發(fā)生物理-化學(xué)變化和相變時(shí)，會出現(xiàn)相反的情況，如鋼在加熱過程中發(fā)生的藍(lán)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(dāng)變形程度較高時(shí)，促進(jìn)了回復(fù)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(shí)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

32、變形時(shí)間，使位錯運(yùn)動的發(fā)展時(shí)間不足（滑移來不及進(jìn)行），促使變形抗力增加。（六）應(yīng)力狀態(tài)的影響 應(yīng)力狀態(tài)不同，變形抗力不同。如擠壓時(shí)金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，拉拔時(shí)金屬處于一向受拉二向受壓的應(yīng)力狀態(tài)。擠壓時(shí)的變形抗力遠(yuǎn)比拉拔時(shí)變形抗力大。拉拔和擠壓時(shí)不同的應(yīng)力狀態(tài)和變形抗力金屬超塑性：是指在一些特定條件下，如一定的化學(xué)成分、特定的顯微組織、特定的變形溫度和應(yīng)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(dá)到百分之幾百、甚至幾千，這就是金屬的超塑性。一、超塑性變形的特點(diǎn)1、大伸長率 超塑性材料在單向拉伸時(shí)值非常高，在變形穩(wěn)定性方面要比普通材料好得

33、多，材料成形性能得到大大改善，使形狀復(fù)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0.711.5mm，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(yīng)力 超塑性變形時(shí)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(yīng)力，每平方毫米僅幾十兆帕，因此對設(shè)備噸位的要求很低。l超塑性變形對應(yīng)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。l超塑性變形過程中基本上沒有或者只發(fā)生很小的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，流動性和充填性極好，因而極易成形。l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、微裂和滑移痕跡等現(xiàn)象。l在金相組織

34、上，當(dāng)原始材料是等軸細(xì)晶組織時(shí)，變形后幾乎仍是等軸細(xì)晶組織，看不到晶粒被拉長。l從變形機(jī)制上，超塑性變形的晶界行為起了主要作用，如晶粒轉(zhuǎn)動、晶界滑動、晶粒換位等，與一般的滑移、孿晶等塑性變形行為是有明顯區(qū)別的。1、細(xì)晶超塑性 細(xì)晶超塑性是在一定的恒溫條件下，應(yīng)變速率和晶粒度都滿足要求條件下所呈現(xiàn)出的超塑性。即材料的晶粒必須細(xì)化或超細(xì)化，一般小于10m，保持恒溫（0.50.7）Tm和 應(yīng)變速率的變形條件，在整個變形過程中，表現(xiàn)出低應(yīng)力水平、無縮頸和大延伸狀態(tài)。相變超塑性不要求金屬有超細(xì)晶粒組織，但 要求金屬有固態(tài)相變特性。在一定外力作用下，使金屬或合金在一定相變溫度附近循環(huán)加熱和冷卻，經(jīng)過一定的

35、循環(huán)次數(shù)以后，就可能誘發(fā)產(chǎn)生反復(fù)的組織結(jié)構(gòu)變化，使金屬原子發(fā)生劇烈運(yùn)動而呈現(xiàn)超塑性，從宏觀上獲得很大的伸長率。相變超塑性是在一個溫度變動頻繁的溫度范圍內(nèi)，依靠結(jié)構(gòu)的反復(fù)變化，不斷使材料組織從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)，故又稱它為動態(tài)超塑性。三、超塑性變形對組織的變化和對力學(xué)性能的影響（一）對合金組織的變化1晶粒的變化 晶粒長大時(shí)，等軸度基本不變。晶粒長大與變形程度、應(yīng)變速率和變形溫度有密切關(guān)系。圖13-32 250拉伸時(shí)，應(yīng)變速率對Zn-Al 淬火合金晶粒尺寸的影響1=100，2=200，3=600 2、顯微組織發(fā)生變化在最佳超塑性應(yīng)變速率范圍內(nèi)，不形成亞結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)晶內(nèi)位錯。但如果提高應(yīng)變速率

36、，則位錯數(shù)量會增加，甚至出現(xiàn)位錯塞積。3、出現(xiàn)空洞許多合金在超塑性拉伸時(shí)會形成空洞?？斩床粌H與變形程度有關(guān)，還與變形速度、變形溫度、晶粒尺寸等有關(guān)。但不是所有合金在超塑性變形時(shí)，都會形成空洞；有的合金在拉伸變形時(shí)形成空洞，在壓縮試驗(yàn)時(shí)卻不產(chǎn)生空洞，成因情況比較復(fù)雜。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 總之，超塑性變形對合金組織的影響表現(xiàn)出以下特征：超塑性變形時(shí)，晶粒雖有不同程度的長大，但基本保持等軸晶粒；變形后的微觀組織中幾乎看不到位錯，不顯示晶內(nèi)滑移的痕跡，但有顯著的晶界滑移痕跡，在許多情況下在晶界或相界處出現(xiàn)空洞。有人認(rèn)為，空洞是由空位在變形期間向晶界處匯集引起的；也有人認(rèn)為，空洞是由于晶界滑移時(shí)缺少相互協(xié)調(diào)的結(jié)果。