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1、河南科技大学材料学院河南科技大学材料学院第二章第二章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础影响金属塑性的因素影响金属塑性的因素1.1.化学成分的影响化学成分的影响（1）碳钢中碳和杂质元素的影响）碳钢中碳和杂质元素的影响(a)碳碳 碳对碳钢性能的影响最大。碳对碳钢性能的影响最大。C固溶于固溶于Fe，形成形成F和和A，塑性好。塑性好。C含量很大时含量很大时,形成形成Fe3C,硬而脆硬而脆,塑性极低（几乎为塑性极低（几乎为0）。）。（一）金属的化学成分和组织对塑性的影响（一）金属的化学成分和组织对塑性的影响(b)磷磷 磷是钢中的有害杂质。磷是钢中的有害杂质。P固溶于固溶于F，强度、硬度提高，
2、塑性、韧性下降。强度、硬度提高，塑性、韧性下降。冷变形时产生冷脆性。冷变形时产生冷脆性。(c)硫硫 硫是钢中的有害杂质。硫是钢中的有害杂质。S很少溶于很少溶于Fe，在钢中形成在钢中形成FeS和其他硫化物和其他硫化物,FeS与与Fe形成易熔共晶体形成易熔共晶体,分布在晶界。当热加工时，会导致钢的分布在晶界。当热加工时，会导致钢的的开裂的开裂热脆性热脆性。加足够加足够Mn，可消除可消除S的影响的影响。(d)氢氢 氢是钢中的有害元素。氢是钢中的有害元素。溶入钢中使钢的塑性韧性下降，造成氢脆；溶入钢中使钢的塑性韧性下降，造成氢脆；形成形成“白点白点”。(e)氧氧 氧在铁中的溶解度很小，主要是以氧化物的
3、形式存在氧在铁中的溶解度很小，主要是以氧化物的形式存在于钢中，作为杂质，降低抗疲劳强度和塑性。于钢中，作为杂质，降低抗疲劳强度和塑性。(f)氮氮 氮在钢中除少量固溶外，以氮化物形式存在。氮在钢中除少量固溶外，以氮化物形式存在。氮化物的质量分数较小时，对钢的塑性无明显的影响；氮化物的质量分数较小时，对钢的塑性无明显的影响；随着氮化物的质量分数的增加，钢的塑性将降低，导致随着氮化物的质量分数的增加，钢的塑性将降低，导致钢变脆。钢变脆。590时时在在铁铁中中溶溶解解度度最最大大(0.1%)，室室温温时时为为0.001%。快快速速冷冷却却时时，铁铁被被过过饱饱和和，后后以以Fe4N析析出出，塑塑性性低
4、低，强度、硬度高强度、硬度高时效脆性。时效脆性。在在300左右加工时，则会出现所谓左右加工时，则会出现所谓“兰脆兰脆”现象。现象。（2）合金元素对钢的塑性的影响）合金元素对钢的塑性的影响主要表现：塑性降低，变形抗力提高，使用性能好主要表现：塑性降低，变形抗力提高，使用性能好塑性较好的组织结构塑性较好的组织结构塑性较差的组织结构塑性较差的组织结构单晶体单晶体多晶体多晶体纯金属纯金属合金合金单相组织单相组织两相或多相组织两相或多相组织塑性、高熔点第二相塑性、高熔点第二相脆性、低熔点第二相脆性、低熔点第二相第二相弥散、球状、晶内分第二相弥散、球状、晶内分布布 第二相网状、连续、晶界分第二相网状、连续
5、、晶界分布布细晶组织细晶组织粗晶组织粗晶组织晶粒大小均匀晶粒大小均匀晶粒大小不均匀晶粒大小不均匀变形组织变形组织铸造组织铸造组织2.2.组织结构组织结构的影响的影响（二）变形温度对金属塑性的影响（二）变形温度对金属塑性的影响变形温度对金属塑影响很大，是制订工艺规范的主要内变形温度对金属塑影响很大，是制订工艺规范的主要内容之一。容之一。总趋势：温度高，塑性好。可出现几个脆性区。总趋势：温度高，塑性好。可出现几个脆性区。2004008009501200蓝脆区蓝脆区热脆区热脆区高温脆区高温脆区晶界和滑移面上氮化晶界和滑移面上氮化物、氧化物析出，类物、氧化物析出，类似于时效硬化似于时效硬化相变，相变，
6、P转变为转变为A，晶界出现低熔点共晶界出现低熔点共晶物晶物过热、过烧，晶粒过热、过烧，晶粒粗大，晶界出现氧粗大，晶界出现氧化物化物温度升高使金属塑性增加的原因：温度升高使金属塑性增加的原因：v发生回复或再结晶，使之软化，消除加工硬化发生回复或再结晶，使之软化，消除加工硬化v原子动能增加，使位错活动性提高、滑移系增多原子动能增加，使位错活动性提高、滑移系增多v金属的组织、结构发生变化，可能由多相组织转变为单金属的组织、结构发生变化，可能由多相组织转变为单相组织，也可能由对塑性不利的晶格转变为对塑性有利的相组织，也可能由对塑性不利的晶格转变为对塑性有利的晶格晶格v扩散蠕变机理起作用它不仅对塑性变形
7、直接作员献，扩散蠕变机理起作用它不仅对塑性变形直接作员献，还对变形起协调作用，使金属塑性增加还对变形起协调作用，使金属塑性增加v晶间滑移作用增强。晶界切变抗力显著降低，晶间滑移晶间滑移作用增强。晶界切变抗力显著降低，晶间滑移易于进行，消除了晶间滑移所引起的微裂纹，使晶间滑移易于进行，消除了晶间滑移所引起的微裂纹，使晶间滑移量增大；松弛相邻晶粒间由于不均匀变形所引起的应力集量增大；松弛相邻晶粒间由于不均匀变形所引起的应力集中中（三）应变速率对金属塑性的影响（三）应变速率对金属塑性的影响v塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分转化为热能，这塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分转化为热能，这种现象称为
8、种现象称为热效应热效应。v塑性变形过程中所产生的热量而使变形体温度升高的现象，塑性变形过程中所产生的热量而使变形体温度升高的现象，称为称为温度效应温度效应。1.1.热效应与温度效应热效应与温度效应温度效应的影响因素：温度效应的影响因素：(1)变形温度变形温度 温度越高，温度越高，变形抗力及单位体积变形功就越变形抗力及单位体积变形功就越小，转化为热的能量也越少，而且高温下热量往往容易散小，转化为热的能量也越少，而且高温下热量往往容易散失，所以，热变形时的失，所以，热变形时的温度效应就较小；温度效应就较小；反之，冷变形时反之，冷变形时的温度效应较大。的温度效应较大。(2)应变速率应变速率 应变速率
9、越大，应变速率越大，变形抗力及单位体积的变形功变形抗力及单位体积的变形功也越大，转化为热的分能量就越大；另外，由于变形时间也越大，转化为热的分能量就越大；另外，由于变形时间越短，热量的散失也越少；因此，越短，热量的散失也越少；因此，温度效应也越大。温度效应也越大。(3)变形程度变形程度 变形程度越大，变形程度越大，所作的单位体积变形功也越大，所作的单位体积变形功也越大，转化为热的能量必然就越多，因而转化为热的能量必然就越多，因而温度效应也越大。温度效应也越大。2.2.应变速率对塑性的影响机理应变速率对塑性的影响机理 1)增加应变速率会使金届的真实应力升高。这是由于塑性增加应变速率会使金届的真实
10、应力升高。这是由于塑性变形需要有一定的时间来进行。如果应变速率大，则塑性变形需要有一定的时间来进行。如果应变速率大，则塑性变形不能在变形体内充分地扩展和完成，更多地表现为弹变形不能在变形体内充分地扩展和完成，更多地表现为弹性变形，使真实应力的增大。应变速率对金属的断裂抗力性变形，使真实应力的增大。应变速率对金属的断裂抗力影响极小，随着应变速率的增加，金属就会较早地达到断影响极小，随着应变速率的增加，金属就会较早地达到断裂阶段，塑性降低。裂阶段，塑性降低。2)增加应变速率，由于没有足够的时间进行回复或再结晶，增加应变速率，由于没有足够的时间进行回复或再结晶，因而软化过程不充分而使金属的塑性降低。
11、因而软化过程不充分而使金属的塑性降低。3)增加应变速率，会使温度效应增大和金属的温度升高，促增加应变速率，会使温度效应增大和金属的温度升高，促进回复和再结晶，促进微裂纹的修复等，利于金属塑性的提进回复和再结晶，促进微裂纹的修复等，利于金属塑性的提高。高。3.3.应变速率对金属塑性的影响的一些基本结论应变速率对金属塑性的影响的一些基本结论1)应变速率对塑性的影响的一般趋势应变速率对塑性的影响的一般趋势应变速率较低时（应变速率较低时（ab段）：提高应变速率时，由于温度段）：提高应变速率时，由于温度效应所引起的塑性增加，小于其他机理所引起的塑性降效应所引起的塑性增加，小于其他机理所引起的塑性降低，所
12、以最终表现为塑性的降低。低，所以最终表现为塑性的降低。应变速率较大时（应变速率较大时（bc段）：由于温度效应更为显著，使段）：由于温度效应更为显著，使得塑性基本上不再随应变速率的增加而降低；得塑性基本上不再随应变速率的增加而降低；应变速率更大时（应变速率更大时（cd段）：由于温度效应更大，其对塑段）：由于温度效应更大，其对塑性的有利影响超过其他机理对塑性的不利影响，因而最性的有利影响超过其他机理对塑性的不利影响，因而最终使得塑性回升。终使得塑性回升。2)对于具有脆性转变的金属，如果应变速率增加，由于温对于具有脆性转变的金属，如果应变速率增加，由于温度效应作用加强而使金属由塑性区进人脆性区，则金
13、属的度效应作用加强而使金属由塑性区进人脆性区，则金属的塑性降低；反之，如果温度效应的作用恰好使金属由脆性塑性降低；反之，如果温度效应的作用恰好使金属由脆性区进入塑性区，则对提高金属塑性有利。区进入塑性区，则对提高金属塑性有利。3)从工艺性能的角度来看，提高应变速率会在以下几个方从工艺性能的角度来看，提高应变速率会在以下几个方面起有利作用：面起有利作用：降低摩擦系数，从而降低金属的流动阻力、改善金属降低摩擦系数，从而降低金属的流动阻力、改善金属的充填性及变形的不均匀性；的充填性及变形的不均匀性；减少热成形时的热量损失。从而减少毛坯温度的下降减少热成形时的热量损失。从而减少毛坯温度的下降和温度分布
14、的不均匀性；和温度分布的不均匀性；出现所谓出现所谓“惯性流动效应惯性流动效应”，从而改善金属的充填性。，从而改善金属的充填性。4.4.塑性图塑性图用试验的方法绘制的金属在不同变形条件下的塑性用试验的方法绘制的金属在不同变形条件下的塑性温温度曲线，称为塑性图。度曲线，称为塑性图。（五）变形力学条件对金属塑性的影响（五）变形力学条件对金属塑性的影响l应力状态的影响应力状态的影响同一金属在不同的受力条件下所表现出的塑性是不同的。同一金属在不同的受力条件下所表现出的塑性是不同的。变形体的受力情况，也即质点的应力变形体的受力情况，也即质点的应力状态不同时，材料所表现的塑性行为状态不同时，材料所表现的塑性
15、行为也大不相同。也大不相同。主应力图主应力图 受力物体内一点的应力状态，可用作用在应力单元体上的主应力受力物体内一点的应力状态，可用作用在应力单元体上的主应力来描述，只用主应力的个数及符号来描述一点应力状态的简图称为主来描述，只用主应力的个数及符号来描述一点应力状态的简图称为主应力图。一般，主应力图只表示出主应力的个数及正、负号，并不表应力图。一般，主应力图只表示出主应力的个数及正、负号，并不表明所作用应力的大小。明所作用应力的大小。压应力压应力个数越多、数值越大时，金属的塑性越好；压应力压应力个数越多、数值越大时，金属的塑性越好；反之，若拉应力个数越多、数值越大，则金属的塑性越差。反之，若拉
16、应力个数越多、数值越大，则金属的塑性越差。原因：原因：v拉伸应力会促进晶问变形，而压缩应力能阻止或减小晶间拉伸应力会促进晶问变形，而压缩应力能阻止或减小晶间变形，使变形在晶内进行；变形，使变形在晶内进行；v压应力有利于愈合塑性变形过程中产生的各种损伤；压应力有利于愈合塑性变形过程中产生的各种损伤；应力状态对塑性的影响起实际作用的是其应力球张量部应力状态对塑性的影响起实际作用的是其应力球张量部分，它反映了质点三向均等受压分，它反映了质点三向均等受压(或受拉或受拉)的程度。应力球张的程度。应力球张量的每个分量称为平均应力或静水应力，它的负值称为量的每个分量称为平均应力或静水应力，它的负值称为静水静
17、水压力。压力。v压应力能抑制变形内的缺陷；压应力能抑制变形内的缺陷；v抵消由于不均匀变形引起的附加拉应力，防止拉裂。抵消由于不均匀变形引起的附加拉应力，防止拉裂。在塑性加工中，通过改变应力状态提高金属的塑性，保在塑性加工中，通过改变应力状态提高金属的塑性，保证生产的顺利进行，促进工艺的发展。证生产的顺利进行，促进工艺的发展。l应变状态的影响应变状态的影响两向压缩一向拉伸两向压缩一向拉伸最好最好一向压缩一向拉伸一向压缩一向拉伸次之次之一向压缩两向拉伸一向压缩两向拉伸最差最差（四）提高金属塑性的基本途径（四）提高金属塑性的基本途径(1)提高材料成分和组织的均匀性；提高材料成分和组织的均匀性；(2)
18、合理选择变形温度和应变速率；合理选择变形温度和应变速率；(3)选择三向压缩性较强的变形方式；选择三向压缩性较强的变形方式；(4)减小变形的不均匀性。减小变形的不均匀性。（五）金属的超塑性变形（五）金属的超塑性变形（五）金属的超塑性变形（五）金属的超塑性变形超塑性的概念超塑性的概念(延伸率）延伸率）室温：黑色金属一般不超过室温：黑色金属一般不超过40 有色金属一般不超过有色金属一般不超过60 高温：不超过高温：不超过100%超塑性超塑性：金属材料与合金具有超常的均匀塑性变形的：金属材料与合金具有超常的均匀塑性变形的 能力，其延伸率高达百分之几百，甚至百分能力，其延伸率高达百分之几百，甚至百分 之
19、几千的现象。之几千的现象。超塑性的分类超塑性的分类细微晶粒超塑性细微晶粒超塑性相变超塑性相变超塑性1.细晶超塑性细晶超塑性经过适当的热处理，使金属晶粒直径经过适当的热处理，使金属晶粒直径d10m；变形温度变形温度T恒定在（恒定在（0.50.7)Tm(绝对熔化温度）；绝对熔化温度）；应变速率应变速率细晶超塑性是是目前研究和应用较多的一种。细晶超塑性是是目前研究和应用较多的一种。优点：恒温下易于操作，故大量用于超塑性成形；优点：恒温下易于操作，故大量用于超塑性成形；缺点：因为晶粒的超细化、等轴化及稳定化要受到缺点：因为晶粒的超细化、等轴化及稳定化要受到 材料的限制，并非所有合金都能达到。材料的限制
20、，并非所有合金都能达到。（结构超塑性、恒温超塑性、静态超塑性）2.相变超塑性相变超塑性不要求超细晶粒，但材料要求有相变或同素异晶转变；不要求超细晶粒，但材料要求有相变或同素异晶转变；在低在低载荷下，载荷下，在相变温度附近反复加热在相变温度附近反复加热/冷却，经过一定冷却，经过一定的循环后，可出现超塑性。的循环后，可出现超塑性。例如碳钢反复例如碳钢反复160次，其次，其可达可达500%（环境超塑性、动态超塑性）细晶超塑性变形力学特征细晶超塑性变形力学特征特点：特点：1.没有加工硬化没有加工硬化(或加工硬化可以忽略不计或加工硬化可以忽略不计)2.流动应力流动应力(真实应力真实应力)对变形速率极其敏
21、感。对变形速率极其敏感。粘粘-塑性流动方程：塑性流动方程：超塑性变形时，超塑性变形时，n=0当当m=1时时牛顿粘性流动方程牛顿粘性流动方程一般金属，一般金属，m=0.020.2,超塑性时，超塑性时，m=0.21.0m值越大，超塑性越好。值越大，超塑性越好。影响超塑性的主要因素影响超塑性的主要因素1.应变速率的影响应变速率的影响I区区:应变速率极低应变速率极低低流动应力低流动应力,m值较小值较小(m0.3),属于蠕变速度范围；属于蠕变速度范围；II区区:随随 的增加，流动应力迅速增的增加，流动应力迅速增加，加，m值亦增大并出现峰值，值亦增大并出现峰值，此属超塑性应变速率范围；此属超塑性应变速率范
22、围；III区区:流动应力达到最大值，流动应力达到最大值，m值下降，属常规应变范围。值下降，属常规应变范围。细细晶晶超超塑塑性性具具有有高高度度的的速速度度敏敏感感性性，速速度度的的变变化化对对流流动动应应力力和和m值值的的影影响响很很显显著著，只只有有控控制制在在 范范围围内内，才才能能获获得得超超塑性。塑性。2.变形温度的影响变形温度的影响超塑性变形温度大约在超塑性变形温度大约在0.5Tm左左,不同的金属和合金有所差别。不同的金属和合金有所差别。只有当应变速率和变形温度的只有当应变速率和变形温度的综合作用有利于获得最大综合作用有利于获得最大m值时，值时，合金才会表现出最佳的超塑性合金才会表现
23、出最佳的超塑性状态。状态。3.组织的影响组织的影响晶粒尺寸一般晶粒尺寸一般0.55m（不大于（不大于10 m）；）；等轴晶粒，界面短的晶界，界面平坦，易流动；等轴晶粒，界面短的晶界，界面平坦，易流动；双相组织，阻止晶粒长大；双相组织，阻止晶粒长大；稳定，晶粒长大的速度缓慢，有充分的热变形持续时间。稳定，晶粒长大的速度缓慢，有充分的热变形持续时间。超塑性变形时组织的变化和对力学性能的影响超塑性变形时组织的变化和对力学性能的影响1.1.组织的变化组织的变化（1）晶粒度的变化）晶粒度的变化v超塑性变形时，晶粒会发生长大，但等轴度基本不变；超塑性变形时，晶粒会发生长大，但等轴度基本不变；v晶粒的长大与
24、变形程度、应变速率和变形温度有关；晶粒的长大与变形程度、应变速率和变形温度有关；v变形程度越大，晶粒长大也越显著。变形程度越大，晶粒长大也越显著。（2）显微组织的变化）显微组织的变化v在最佳超塑性应变速率范围内，不形成亚结构，没有在最佳超塑性应变速率范围内，不形成亚结构，没有位错运动。位错运动。v但如提高应变速率，则位错数量会增加，个别地方但如提高应变速率，则位错数量会增加，个别地方(如如晶界处晶界处)还会看到位错的塞积。还会看到位错的塞积。v如果应变速率更高时，则亦会形成亚结构。如果应变速率更高时，则亦会形成亚结构。（3）空洞的生成）空洞的生成v许多合金在超塑性拉伸变形时会伴生空洞。空洞与变
25、许多合金在超塑性拉伸变形时会伴生空洞。空洞与变形程度、应变速率、变形温度、晶粒尺寸和相的性质有形程度、应变速率、变形温度、晶粒尺寸和相的性质有关。关。v在相同变形条件下，纫晶组织比租晶组织更易于产生在相同变形条件下，纫晶组织比租晶组织更易于产生空洞。空洞。2.2.对力学性能的影响对力学性能的影响v不存在织构，不产生各向异性，且具有较高的抗应力腐蚀不存在织构，不产生各向异性，且具有较高的抗应力腐蚀性能；性能；v零件内部不存在弹性畸变能，变形后没有残余应力；零件内部不存在弹性畸变能，变形后没有残余应力；v存在加工软化现象；存在加工软化现象；v很高的抗疲劳强度。很高的抗疲劳强度。超塑性变形机理超塑性变形机理目前尚处于研究阶段，没有统一的认识。目前尚处于研究阶段，没有统一的认识。晶界滑移晶界滑移 晶粒转动晶粒转动 扩散蠕变扩散蠕变 阿希贝和弗拉尔晶界滑动和扩散蠕变联阿希贝和弗拉尔晶界滑动和扩散蠕变联合机理（合机理（A-V机理）机理）