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1、金属热加工原理本讲稿第一页，共三十二页 基本概念基本概念塑性变形：塑性变形：当作用在物体上外力取消后，物体的变形不能完全恢复而当作用在物体上外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形。产生的残余变形。塑性：塑性：在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力称为塑性。的能力称为塑性。本讲稿第二页，共三十二页金属塑性成形的优点金属塑性成形的优点组织、性能好：组织、性能好：使铸锭内部组织疏松多孔、晶粒粗大且不均使铸锭内部组织疏松多孔、晶粒粗大且不均匀等许多缺陷，经塑性成形使其结构致密、组织匀等许多缺陷，经塑性成形使其结构致密、组织
2、改善、性能提高。改善、性能提高。90以上铸钢要经过塑性加工。以上铸钢要经过塑性加工。铸造缺陷：缩孔铸造缺陷：缩孔本讲稿第三页，共三十二页 材料利用率高：材料利用率高：不产生切屑，只有少量的工艺废料，并且流不产生切屑，只有少量的工艺废料，并且流线分布合理。一般可达线分布合理。一般可达7585。锻造缺陷：涡流锻造缺陷：涡流锻造缺陷：涡流锻造缺陷：涡流本讲稿第四页，共三十二页尺寸精度较高：尺寸精度较高：精密锻造、精密挤压、精密冲裁等方法已达精密锻造、精密挤压、精密冲裁等方法已达到少或无切削的要求。如叶片的复杂曲面可达到到少或无切削的要求。如叶片的复杂曲面可达到只需磨削的精度。只需磨削的精度。红原航空
3、锻铸工业公司生产的精锻叶片红原航空锻铸工业公司生产的精锻叶片本讲稿第五页，共三十二页 生产效率高：生产效率高：随着塑性加工工具和设备的改进及机械化、随着塑性加工工具和设备的改进及机械化、自动化程度的提高，生产率也相应得到提高。自动化程度的提高，生产率也相应得到提高。高速冲床形成次数已达高速冲床形成次数已达15001800次次/分；分；1200010kN热模锻压力机锻造一根汽车发热模锻压力机锻造一根汽车发动机用的六拐曲轴只需动机用的六拐曲轴只需40s.本讲稿第六页，共三十二页单晶体的塑性变形：滑移和孪生单晶体的塑性变形：滑移和孪生多晶体的塑性变形：各个晶粒变形的总和多晶体的塑性变形：各个晶粒变形
4、的总和一、一、滑移 在在外加切应力外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）发生定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）发生相对的滑相对的滑动动塑性变形机制塑性变形机制11-1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形本讲稿第七页，共三十二页正应力正应力：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将晶体：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将晶体拉断；拉断；切应力切应力 ：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。生相
5、对滑动。本讲稿第八页，共三十二页在在最最密密排排晶晶面面之之间间的的面面间间距距及及最最密密排排晶晶向向之之间间的的原原子子间间距距才才最最大大，原原子子结结合力最弱。合力最弱。自然过程的发生总是沿着阻力最小的方式进行！自然过程的发生总是沿着阻力最小的方式进行！Why?滑移面（方向）滑移面（方向）最大密排面（晶向）最大密排面（晶向）本讲稿第九页，共三十二页二、滑移系：滑移面和二、滑移系：滑移面和该面上该面上的一个滑移方向的一个滑移方向 金属三种常见晶格的滑移系金属三种常见晶格的滑移系本讲稿第十页，共三十二页Why?体心立方（体心立方（-Fe）和面心立方金属（）和面心立方金属（Cu、Al）滑移）
6、滑移系数目相同，但面心立方金属的塑性变形能力更好系数目相同，但面心立方金属的塑性变形能力更好?晶体的滑移就是晶体滑移面两侧部分作晶体的滑移就是晶体滑移面两侧部分作整体整体的相对移的相对移动（刚性移动）？动（刚性移动）？How?本讲稿第十一页，共三十二页滑移系数目滑移系数目，材料塑性，材料塑性；滑移方向滑移方向，材料塑性，材料塑性,（滑移方向的作用大于滑移（滑移方向的作用大于滑移面的作用）面的作用）FCC和和BCC的滑移系为的滑移系为12个，个，HCP为为3个；个；FCC的滑移方向多于的滑移方向多于BCC。金属塑性：金属塑性：Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。）。本讲稿第十二页，共三十
7、二页滑移的位错机制滑移的位错机制位错位错滑移滑移塑性变形塑性变形 How?切应力作用下，晶体中的位错沿着滑移面逐步移动，最后移出表面，留下切应力作用下，晶体中的位错沿着滑移面逐步移动，最后移出表面，留下一个大小等于该位错矢量模的台阶。一个大小等于该位错矢量模的台阶。大量位错（原子距）大量位错（原子距）移出晶体移出晶体滑移线（滑移线（1000原子距）原子距）滑滑移带移带铜单晶变形后出现的滑移带本讲稿第十三页，共三十二页滑移的位错机制：滑移的位错机制：晶体的滑移是通过晶体的滑移是通过位错在滑移面上的动动位错在滑移面上的动动来来实现的，而勿需使晶体的两部分作整体相对移实现的，而勿需使晶体的两部分作整
8、体相对移动。动。滑移的实现滑移的实现 借助于位错运动。（刚性滑移模型计算出的临界借助于位错运动。（刚性滑移模型计算出的临界切应力值实测值）切应力值实测值）金属计算值(MN/m2)实测值(MN/m2)计算值与实测值之比铜银金镍镁锌64004500450011000300048001.00.50.925.80.830.94640090004900190036005100本讲稿第十四页，共三十二页截面为截面为A A的圆柱单晶，受拉力的圆柱单晶，受拉力F F，在滑，在滑移面上沿滑移方向发生的滑移：移面上沿滑移方向发生的滑移：1.临界剪应力-在滑移面上沿滑移方向开始滑移 的最小分切应力则则F F在滑移方
9、向上的分切应力在滑移方向上的分切应力为为F F作用在滑移面上沿滑移方向上的切向分力作用在滑移面上沿滑移方向上的切向分力F F 为为三、滑移的临界剪应力及其影响因素本讲稿第十五页，共三十二页当=s（屈服应力）时，晶体开始塑性变形。这时滑移方向上的剪应力即为临界剪应力k所以，当作用在滑移面上的切应力k时，受拉伸的单晶体开始滑移。本讲稿第十六页，共三十二页2.取向因子 称为取向因子。外力与滑移系之间的夹角与不同时，不同。不同滑移面及滑移方向的应力都不一样；不同滑移面及滑移方向的应力都不一样；同一滑移面上同一滑移面上不同滑移方向，剪应力也不一样不同滑移方向，剪应力也不一样。软取向：晶体最容易发生滑移的
10、取向。=45o硬取向：晶体不可能滑移的取向。=90o，0o本讲稿第十七页，共三十二页镁单镁单晶拉伸的屈服晶拉伸的屈服应应力与晶体取向的关系力与晶体取向的关系本讲稿第十八页，共三十二页3.晶体的转动 位向和晶面的变化拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐趋于平行的拉伸轴线。拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐趋于平行的拉伸轴线。压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。取向因子的变化晶面转动引起的几何硬化：几何硬化：、远离远离45o，分切应力减小，滑移困难，分切应力减小，滑移困难几何软化：几何软化：、接近接近45o，分切应力增大，滑移容易，分切应力增大，滑移容易本讲稿第十九页，共三十
11、二页4.影响临界分切应力的因素-k是一个材料常数 金属的本性位错运动的阻力与金属晶体原子间的结合力有关。位错运动的阻力与金属晶体原子间的结合力有关。金属的本性（原子结构、点阵类型、点阵常数等）不同，金属的本性（原子结构、点阵类型、点阵常数等）不同，原子结合力不同，原子结合力不同，k也不同，与也不同，与、无关无关 金属中的杂质杂质或溶质原子，使滑移阻力杂质或溶质原子，使滑移阻力，k 晶体缺陷 使缺陷多的因素，使k 形变温度 T，原子动能，结合力，k 形变速率 v，k本讲稿第二十页，共三十二页晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪
12、生面）和晶向（孪生方向）发生切变。生切变。金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。为什么发生孪生变形？何种情况下才易发生？为什么发生孪生变形？何种情况下才易发生？特点：1.1.均匀切变，切变部分位向均匀切变，切变部分位向改变，但点阵结构不变；改变，但点阵结构不变；发生孪生时各原子移动的发生孪生时各原子移动的距离是不相等的。距离是不相等的。2.2.临界分切应力临界分切应力滑移分切滑移分切应力；应力；3.3.形变量很小；形变量很小；
13、4.4.形变速度快，接近声速。形变速度快，接近声速。四、四、孪生本讲稿第二十一页，共三十二页孪生仅会在滑移不易产生的情况下发生：.FCC金属一般不发生孪生，少数（金属一般不发生孪生，少数（Cu、Ag、Au）在）在极低温度下发生。极低温度下发生。.BCC金属仅在室温或受冲击时发生。金属仅在室温或受冲击时发生。.HCP金属较容易发生孪生。金属较容易发生孪生。本讲稿第二十二页，共三十二页面心立方晶体孪生变形示意图面心立方晶体孪生变形示意图（a）孪晶面和孪晶方向）孪晶面和孪晶方向（b）孪生变形时原子的移动）孪生变形时原子的移动锌晶体中的变形孪晶组织锌晶体中的变形孪晶组织本讲稿第二十三页，共三十二页孪生
14、系统和原子的运动O孪生是在切应力作用下晶体内部发生均匀切变的过程，即一部孪生是在切应力作用下晶体内部发生均匀切变的过程，即一部分晶体沿一定的晶面和晶向分晶体沿一定的晶面和晶向逐层移动逐层移动。O孪生系统主要取决于晶体结构：在孪生系统主要取决于晶体结构：在fcc中为中为111 ；在；在bcc中为中为112111，在，在hcp中为中为 、。本讲稿第二十四页，共三十二页孪生区域产生了孪生区域产生了均匀切变均匀切变，即每层，即每层(111)面相对其相邻晶面沿面相对其相邻晶面沿 晶向移动了该晶向上原子间距的分数倍（图中所示为晶向移动了该晶向上原子间距的分数倍（图中所示为）。孪生变形也是通过孪生变形也是通
15、过位错运动位错运动来实现的，但产生孪晶的位错其柏氏矢量来实现的，但产生孪晶的位错其柏氏矢量必须必须小于一个原子间距小于一个原子间距。孪生可看成是孪生可看成是不全位错滑过切变区中各层晶面不全位错滑过切变区中各层晶面而进行的。而进行的。本讲稿第二十五页，共三十二页滑移和孪生的比较滑移滑移孪生孪生相相同同点点宏观上看，两者宏观上看，两者都是在剪（切）应力都是在剪（切）应力作用下发生的均匀剪切变形。作用下发生的均匀剪切变形。微观上看，二者微观上看，二者都是晶体塑性变形都是晶体塑性变形的基本方式，是晶体的一部分相对的基本方式，是晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向平移。于另一部分沿一定的晶面和晶
16、向平移。两者两者都都不改变晶体结构类型不改变晶体结构类型。不不同同点点晶体中的晶体中的位向位向晶体中已滑移部分与未滑移部晶体中已滑移部分与未滑移部分的分的位向相同位向相同已孪生部分（孪晶）和未孪生部分已孪生部分（孪晶）和未孪生部分(基基体体)的位向不同，且两部分之间具有的位向不同，且两部分之间具有特特定的位向关系定的位向关系（镜面对称）（镜面对称）位移的量位移的量原子的位移是原子的位移是沿滑移方向上原沿滑移方向上原子间距的整数倍子间距的整数倍；且在一个滑；且在一个滑移面上总位移较大。移面上总位移较大。原子的位移原子的位移小于孪生方向的原子间距小于孪生方向的原子间距，一般为一般为孪生方向原子间距
17、的孪生方向原子间距的1/n1/n对塑性变对塑性变形的贡献形的贡献对晶体塑性变形贡献很大，即对晶体塑性变形贡献很大，即总变形量大总变形量大对晶体塑性变形贡献有限，即对晶体塑性变形贡献有限，即总变形总变形量小量小变形应力变形应力有有确定确定的（近似）临界分切应的（近似）临界分切应力力所需分切应力一般所需分切应力一般高于高于滑移的临界分滑移的临界分切应力切应力变形条件变形条件一般情况下，一般情况下，先发生滑移变形先发生滑移变形滑移变形难以进行时；或滑移变形难以进行时；或晶体对称度晶体对称度很低、变形温度较低、加载速率较高很低、变形温度较低、加载速率较高变形机制变形机制滑移是滑移是全位错运动全位错运动
18、的结果的结果孪生是孪生是不全位错不全位错运动的结果运动的结果本讲稿第二十六页，共三十二页一、晶粒取向的影响（取向差效应）一、晶粒取向的影响（取向差效应）P变形有先有后变形有先有后各晶粒相对于外力轴的取向不同，位向有利的晶各晶粒相对于外力轴的取向不同，位向有利的晶粒先变形，且不同晶粒变形量也不同。一般变形度达到粒先变形，且不同晶粒变形量也不同。一般变形度达到20%20%，几乎所，几乎所有晶粒都可参加变形。有晶粒都可参加变形。P各个晶粒的变形必须协调各个晶粒的变形必须协调对一个晶粒来讲不能自由地、均匀地滑移，对一个晶粒来讲不能自由地、均匀地滑移，它要受到相邻晶粒的牵制，故晶粒之间要互相配合、协调。
19、如果协调不好，它要受到相邻晶粒的牵制，故晶粒之间要互相配合、协调。如果协调不好，将会导致塑性下降（晶界处开裂）。理论分析指出，要能协调变形，每个晶将会导致塑性下降（晶界处开裂）。理论分析指出，要能协调变形，每个晶粒至少能在粒至少能在5 5个独立的滑移系个独立的滑移系上进行滑移。这样，多晶体变形就比单晶体上进行滑移。这样，多晶体变形就比单晶体更复杂，应变硬化率也大得多。更复杂，应变硬化率也大得多。P变形不均匀导致内应力不均匀变形不均匀导致内应力不均匀下图表明，下图表明，A A、B B、C C晶粒所处位向不同，晶粒所处位向不同，故滑移次序不同，因而在它们之间产生了不同的应力。故滑移次序不同，因而在
20、它们之间产生了不同的应力。11-2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形本讲稿第二十七页，共三十二页二、晶界对滑移的阻滞效应n晶界上原子排列不规则，点阵畸变严晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧的晶粒取向不同，因重，且晶界两侧的晶粒取向不同，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，即室温下晶一个晶粒是极其困难的，即室温下晶界对滑移有界对滑移有阻滞效应阻滞效应。位错塞积示意图位错塞积示意图拉伸后晶界拉伸后晶界处处呈竹呈竹节节状状本讲稿第二十八页，共三十二页n一般来说，晶界可使金属强化，也可使金属软化，这主要一般来说，晶界可使金属强化，也可使金
21、属软化，这主要依赖依赖于温度和变形速率于温度和变形速率。当温度低于。当温度低于 ，且变形速率较大时，晶，且变形速率较大时，晶粒细化会使金属强度升高；但当温度高于上述界限及变形速粒细化会使金属强度升高；但当温度高于上述界限及变形速率很慢时，晶界增多反而使金属强度降低。故率很慢时，晶界增多反而使金属强度降低。故高温合金一般高温合金一般希望获得粗晶组织希望获得粗晶组织。三、晶粒大小对变形抗力的影响对于大多数金属材料，其屈服强度与晶粒平均直经对于大多数金属材料，其屈服强度与晶粒平均直经d的关的关系可用系可用Hall-Petch方程式表示：方程式表示：=+kyd-1/2 式中式中0,ky均为常数均为常数
22、本讲稿第二十九页，共三十二页锌单晶和多晶的拉伸曲线锌单晶和多晶的拉伸曲线通过细化晶粒来同时提高金属通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的的强度、硬度、塑性和韧性的方法称方法称细晶强化细晶强化。本讲稿第三十页，共三十二页晶粒大小对变形抗力的影响晶粒大小对变形抗力的影响低碳钢的屈服强度与晶低碳钢的屈服强度与晶粒大小的关系粒大小的关系铜和铝的屈服强度与其亚铜和铝的屈服强度与其亚晶尺寸的关系晶尺寸的关系细晶强化在细晶强化在提高材料强度提高材料强度的同时，也的同时，也改善材料的塑性和韧性改善材料的塑性和韧性，这是其，这是其他强化方法所不具备的。他强化方法所不具备的。本讲稿第三十一页，共三十二页多晶体塑性变形的微观特点多晶体塑性变形的微观特点.多方式：滑移和孪生（室温和低温下）晶界滑动和迁移（高温下）点缺陷的定向扩散（温度很高，外加应力很低）.多滑移：每个晶粒至少要有五个滑移系统同时开动，以维持 多晶体的完整性.不均匀：晶界约束 晶粒中心的滑移量晶界附近 晶体转动时，中心区的转角边缘区本讲稿第三十二页，共三十二页