第二章 金属塑性变形的物理基础

第二章 金属塑性变形的物理基础
2.1 金属冷态下的塑性变形 2.2 金属热态下的塑性变形 2.3 金属的超塑性变形 2.4 金属在塑性加工过程中的塑性 行为
§2.1金属冷态下的塑性变形 2.1金属冷态下的塑性变形
一、塑性变形机理 多晶体的塑性变形包括晶粒内部变形 晶内变形）、晶外变形（晶间变形）。 ）、晶外变形 （晶内变形）、晶外变形（晶间变形）。
（2）静态再结晶
溶质原子的介入，使得 溶质原子的介入， 晶体内位错能降低（ 晶体内位错能降低（内 能降低）屈服强度降低， 能降低）屈服强度降低， 容易造成吕德斯带的产 生，影响产品质量 （二）多相合金的塑性变形 多相合金的变形复杂，但仍是滑移和孪生为主。 多相合金的变形复杂，但仍是滑移和孪生为主。 根据多相合金中第二相粒子的尺寸大小可分为两类： 根据多相合金中第二相粒子的尺寸大小可分为两类： 1）第二相粒子的尺寸与基 体相晶粒尺寸属于同一数量 体相晶粒尺寸属于同一数量 称为聚合型两相合金。 级，称为聚合型两相合金。
（1）静态回复 ☆低温回复（0.1～0.3Tm）：空位的运 低温回复（0.1～0.3Tm）：空位的运 ）： 动和空位与其他缺陷的结合； 动和空位与其他缺陷的结合； 中温回复（0.3～0.5Tm）： ）：除了上述 ☆中温回复（0.3～0.5Tm）：除了上述 的点缺陷运动外， 的点缺陷运动外，还包括位错发团内 部位错的重新组合或调整、 部位错的重新组合或调整、位错的滑 移和异号位错的互毁； 移和异号位错的互毁； 高温回复（>0.5Tm， ☆高温回复（>0.5Tm，小于再结晶发生 的温度）：出现位错的攀移、 ）：出现位错的攀移 的温度）：出现位错的攀移、亚晶的 合并和多边形化。 合并和多边形化。
热塑性变形过程中 热塑性变形过程中 1.静态回复和再结晶 1.静态回复和再结晶
静态回复 轧制
静态再结晶 轧制
成因：从热力学的角度来看， 成因：从热力学的角度来看，变形引起了金属内能 的增加，而处于不稳定的高自由能状态， 的增加，而处于不稳定的高自由能状态，具有向变 形前低自由能状态自发恢复的趋势。 形前低自由能状态自发恢复的趋势。 自发恢复的趋势 发生条件：温度变化。因此静态回复在较低温度 发生条件：温度变化。因此静态回复在较低温度下， 较低温度下 或在较早阶段发生的转变过程；静态再结晶在较高 较早阶段发生的转变过程 或在较早阶段发生的转变过程；静态再结晶在较高 较晚阶段发生的转变过程 发生的转变过程。 温度下 温度下，或较晚阶段发生的转变过程。
100
25
50
-1/2
75
100
d
（cm） cm）
σ0：常数，变形抗力，约为单晶体临界切应力2～3倍 常数，变形抗力，约为单晶体临界切应力2 Ky：常数，变形影响 常数， 因此，晶粒细化，单位体积的晶界越多，削弱了 越多， 因此，晶粒细化，单位体积的晶界越多 削弱了 晶粒内部的应力场 无法达到变形发生的程度， 应力场， 晶粒内部的应力场，无法达到变形发生的程度，故需 外加更大的力；而且晶粒细化，金属的塑性越好。 外加更大的力；而且晶粒细化，金属的塑性越好。 原因： 原因：1）晶粒细化，变形能均匀分布 晶粒细化， 2）晶粒细化，晶粒的应变分布差异较小。 晶粒细化，晶粒的应变分布差异较小。
（一）晶内变形 变形方式：滑移（主要）、孪生（次要） ）、孪生 变形方式：滑移（主要）、孪生（次要）
1、滑移 晶体在力的作用下， 晶体在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面 和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变。 和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变。 滑移矢量与柏氏矢量平行。 滑移矢量与柏氏矢量平行。 滑移发生的地方：原子密度最大的晶面和晶向， 滑移发生的地方：原子密度最大的晶面和晶向， 例如面心立方的{110} <111>，体心立方的{111} {110}和 {111}和 例如面心立方的{110}和<111>，体心立方的{111}和 <110>等 <110>等。 原因：原子密度最大的晶面，原子间距小， 原因：原子密度最大的晶面，原子间距小，原子 间的结合力强；而其晶面间的距离则较大， 间的结合力强；而其晶面间的距离则较大，晶面与晶 面之间的结合力较小，滑移阻力便小。 面之间的结合力较小，滑移阻力便小。 结论： 结论：滑移系多的金属要比滑移系少的金属变形 协调性好、塑性高；而其发生滑移的条件需沿滑移面 协调性好、塑性高； 施加一定大小的切应力。 施加一定大小的切应力。
孪生优先。 孪生优先。
（二）晶间变形 主要方式是晶粒之间相互滑动和转动。 在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要是晶 条件下， 的塑性变形主要 主要是 内变形，晶间变形只是次要作用。 只是次要作用。 次要作用
二、塑性变形的特点 1）各晶粒变形的不同性（方式不同） 方式不同） 2）各晶粒变形的相互协调性（目的一致） 目的一致） 特点 3）晶粒之间、晶体内部和晶界附近区域 晶粒之间、 。（尺寸不一致 尺寸不一致） 之间变形的不均匀性。（尺寸不一致）
b
生成表面 滑移面 第二相粒子
四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 （一）组织的变化 1.晶粒形状的变化 1.晶粒形状的变化 金属冷加工变形后， 金属冷加工变形后，其晶粒形状变化趋势大体与金属 宏观变形一致 一致。 宏观变形一致。
2.晶粒内产生亚结构 2.晶粒内产生亚结构 金属的塑性变形主要是借助位错的移动进行的。 金属的塑性变形主要是借助位错的移动进行的。 晶粒变形 位错堆积 位错缠结
由于晶粒变形的特点，使得晶粒大小对金属的塑 由于晶粒变形的特点， 性和变形抗力有一定的影响。 性和变形抗力有一定的影响。
设晶粒平均直径d 材料屈服强度σ 设晶粒平均直径d，材料屈服强度σs，根据实验 结果获得两者之间的关系表达式为 σs=σ +K d σs（MPa） MPa）
-1/2 0 y
200
静态回复随 回复温度的不 同而有所区别
影响：回复使得点缺陷减少 位错密度降低 影响：回复使得点缺陷减少，位错密度降低，亚晶 减少， 降低， 增大，晶体组织处于低能态 增大，晶体组织处于低能态，但晶粒形状没有发生 低能态， 改变。 改变。以上这些使得整个金属的晶格畸变程度大为 减少，性能也发生改变（硬度、强度、韧性）。 减少，性能也发生改变（硬度、强度、韧性）。
金属多晶体中，各晶粒的位向不同， 金属多晶体中，各晶粒的位向不同， 使得塑性变形必然不可能在所有晶 粒内同时进行， 粒内同时进行，构成多晶体塑性变 形不同于单晶体。 形不同于单晶体。
P
2、孪生（形变孪晶） 孪生（形变孪晶） 作用下， 晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的 晶面（ 和一定的晶向 晶向（ 晶面（称为孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向） 发生均匀切变。 发生均匀切变。 金属在塑性变形时以何种方式变形，取决于哪种 金属在塑性变形时以何种方式变形， 变形所需的切应力为低。常温下，滑移优先；低温下， 变形所需的切应力为低。常温下，滑移优先；低温下，
三、合金的塑性变形 合金的相结构有两大类：固熔体和化合物。 合金的相结构有两大类：固熔体和化合物。 常见的合金组织有两种： 常见的合金组织有两种：一种是单相固熔体合 另一种是两相或多相合金。 金；另一种是两相或多相合金。 （一）单相固溶体合金 组织上和多晶体纯金属差异不大， 组织上和多晶体纯金属差异不大，变形机理也同样是 滑移和孪生为主。 滑移和孪生为主。 由于溶入溶质原子，使金 由于溶入溶质原子， 属的变形抗力和加工硬化 率有所提高， 率有所提高，塑性有所下 称为固溶强化 降，称为固溶强化
2）第二相粒子十分细小，并 第二相粒子十分细小， 弥散地分布在基体晶粒内 分布在基体晶粒内， 弥散地分布在基体晶粒内， 称为弥散分布型两相合金
多相合金晶体中第二相粒子的分布情况不同，使塑 多相合金晶体中第二相粒子的分布情况不同， 不同。 性变形的情况与单相合金的有所不同 性变形的情况与单相合金的有所不同。 1）聚合型两相合金 由于两相尺寸分布在同一数量级上。因此，只有第 由于两相尺寸分布在同一数量级上。因此， 二相为较强相时，合金才能得到强化。 二相为较强相时，合金才能得到强化。 <30%， <30%，变形滑移发生在较弱相 较强相所 占比例 30%～70%， 30%～70%，两相接近 >70%，成为基体相， >70%，成为基体相，塑性由其控制
§2.2金属热态下的塑性变形 2.2金属热态下的塑性变形
一、热塑性变形时的软化过程
软化过程按性质可分为以下5 软化过程按性质可分为以下5种： ※动态回复 ※动态再结晶 ※静态回复 ※静态再结晶 ※亚动态再结晶
动态回复 动态再结晶
静态回复 静态再结晶 亚动态再结晶
热变形的间歇期间 热变形的间歇期间 或热变形后
丝织构在 丝织构在拉拔和挤压 中形成，轴对称变形， 中形成，轴对称变形， 其主应变为两向压缩、 其主应变为两向压缩、 一向拉伸。 一向拉伸。
前 后
板织构是在 板织构是在轧制或宽展 是在轧制或宽展 很小的矩形件镦粗时形 成的。特征是各个晶粒 成的。 的某一个晶向趋向于与 轧制方向平行， 轧制方向平行，而某一 个晶面趋向于与轧制平 面平行
P φ λ
设拉力P引起的拉伸应力σ 设拉力P引起的拉伸应力σ， 切应力分量为
τ=σcosφcosλ 令u=cosφcosλ，称为取向因子 u=cosφcosλ， 当u=0.5或接近0.5，称为软取向 u=0.5或接近0.近0，称为硬取向 u=0或接近 或接近0
滑移方向
补充说明： 补充说明：第二相粒子也可分为可变形和不可变形 两种。可变形即位错切过微粒；不可变形即绕过微粒。 两种。可变形即位错切过微粒；不可变形即绕过微粒。 这两种方式的形成主要根据第二相粒子的尺寸大小， 这两种方式的形成主要根据第二相粒子的尺寸大小，尺 寸过大，切过困难，绕过容易；尺寸过小，切过容易， 寸过大，切过困难，绕过容易；尺寸过小，切过容易， 绕过困难。 绕过困难。
2）弥散型两相合金 当第二相以细小微粒均匀分布于基体相时，将产生 当第二相以细小微粒均匀分布于基体相时， 显著的强化作用。 显著的强化作用。 这种强化作用可根据其粒子进入 方式分为两类： 方式分为两类： a.第二相粒子通过对过饱和固溶 a.第二相粒子通过对过饱和固溶 体的时效处理而沉淀析出， 时效处理而沉淀析出 体的时效处理而沉淀析出，并产 生强化的，称为时效强化 时效强化； 生强化的，称为时效强化； b.第二相粒子借助粉末冶金方法 b.第二相粒子借助粉末冶金方法 第二相粒子借助粉末冶金 加入的，称为弥散强化 弥散强化。 加入的，称为弥散强化。