第11章-2 金属塑性变形的物理基础-热变形

杂质元素 磷——冷脆 硫——热脆 氮——兰脆 氢——氢脆、白点




1．某些金属或合金在低于再结晶温度或温度下降时所表现的韧性剧烈下降 的现象。 2．钢中含磷量较高时，钢在冷加工过程中所表现的脆性现象。 3．紫铜中氧、硫含量较高时，因形成Cu2O、Cu2S而造成的塑性下降现 象。 S在固态Fe中的溶解度很小，几乎不能溶解。它在钢中以FeS的形式存在， 而FeS和Fe易形成熔点较低（仅有985度）的共晶体。当钢在 1100~1200度进行热加工时，分布于晶界的低熔点的共晶体熔化而导致 开裂，这就是通常所说的S的“热脆”现象 不同种类的钢筋，其强度随温度的变化规律有所不同。对于钢筋混凝土结 构常用的普通低碳钢，随着温度的升高，屈服台阶逐渐减小，到300℃时 屈服台阶消失。400℃以下时，随温度升高，钢筋的抗拉强度和硬度均比 常温略高，但是塑性降低。这种现象称为蓝脆现象。 产生蓝脆的原因是碳和氮间隙原子的形变时效。在150～350℃温度范围 内形变时，已开动的位错迅速被可扩散的碳、氮原子所锚定，形成柯垂耳 气团(柯氏气团)。为了使形变继续进行，必须开动新的位错，结果钢中在 给定的应变下，位错密度增高，导致强度升高和韧性降低。为了消除碳钢 的蓝脆，钢中加入一定量强碳化物和氮化物形成元素如钛、铌、钒，在钢 中形成Tic、TiN、NbC、NbN、vC、vN，将碳、氮原子固定。另外加 入少量铝，除脱氧外，还与氮形成AlN，也可减少蓝脆倾向。


硅 钢中含硅对塑性变形抗力有明显的影响。用硅使 钢合金化时，可使钢的变形抗力有较大的提高。 例如含硅量为1.5％～2.0％的结构钢(55Si2、 60Si2)在一般的热加工条件下，其变形抗力比中 碳钢约高出20％～25％。含硅量高达5％～6％ 以上时，热加工较为困难。




铬 对含铬量为0.7～1.0％的铬钢来讲，影响其变形抗力的不是铬， 而是钢中的含碳量。这些钢的变形抗力仅比其相应含碳量的碳 钢高5～10％。高碳铬钢GCr6～GCrl5(含铬量0.45～1.65％)的变 形抗力虽稍高于碳钢，但影响变形抗力的主要因素也是碳。 镍 镍在钢中可使变形抗力稍有提高。但是，对25NiA，30NiA和 13Ni2A等来讲，其变形抗力与碳钢相差不大。含镍量较高的钢 (Ni25~Ni28)，这种差别是很大的。 在许多情况下，在钢中同时加入几种合金元素，例如在钢中加 入铬和镍。这时，钢中的碳、铬和镍对变形抗力都要产生影响。 12CrNi3A钢的变形抗力比45号碳钢高出20％。Cr18Ni9Ti钢 的变形抗力比碳钢提高50％。
2.热塑性变形的机理
（3）扩散性蠕变
第二节金属热态下的塑性变形
扩散性蠕变是在应力场作用下，由空位的 定向移动所引起的。受拉应力的晶界的空 位浓度高于其他部位的晶界，引起空位的 定向移动，即空位从垂直于拉应力的晶界 放出，而被平行于拉应力的晶界所吸收。 a图中虚箭头方向表示空位移动的方向， 实箭头方向表示原子的移动方向，形状改 扩散蠕变示意 变。 按扩散途径的不同，可分为晶内扩散相 a）空位和原子的移动方向 b）晶内扩 散 c）晶界扩散 晶界扩散。晶内扩散引起晶粒在拉应力方 向上的伸长变形(见图b)，或在受压方向上 的缩短变形；而晶界扩散引起晶粒的“转 动”，如图c所示。扩散性蠕变既直接为塑 性变形作贡献，也对晶界滑移起调节作用。 温度越高，扩散越强。晶粒越细，扩散距离越短；应变速率低，扩散具有足够的 时间。
第二节金属热态下的塑性变形
1.热塑性变形时软化过程
（3）静态回复
在较低的温度下、或在较早阶段发生转变的 过程称为静态回复。它是变形后的金属自发地向 自由能降低的方向转变的过程。
（4）静态再结晶
在再结晶温度以上，金属原子有更大的活动 能力，会在原变形金属中重新形成新的无畸变等 轴晶，并最终取代冷变形组织，此过程称为金属 的静态再结晶。
第二节金属热态下的塑性变形
4.热塑性变形对金属组织和性能的影响
1）对组织的影响 （2）锻合内部缺陷 铸态金属中疏松、空隙和微裂纹等缺陷被压实，提高金属致 密度。锻合经历两个阶段：缺陷区发生塑性变形，使空隙两壁闭 合；在压应力作用下，加上高温，使金属焊合成一体。没有足够 大的变形，不能实现空隙闭合，很难达到宏观缺陷焊合。足够大 三向压应力，能实现微观缺陷锻合。
第二节金属热态下的塑性变形
2.热塑性变形的机理 （2）晶界滑移 热塑性变形时，由于晶界强度降低，使得晶界 滑动易于进行；又由于扩散作用的增强，消除了晶 界滑动引起的破坏。因此，与冷变形相比晶界滑动 的变形量要大的多。此外，降低应变速率和减小晶 粒尺寸，有利于增大晶界滑动量。三向应力的作用 也利于“塑性焊合”，修复晶界滑动引起的裂缝。 在常规的热塑性变形中，其占的比例很小。
第三节 影响金属塑性的因素


3.1 影响金属塑性的内部因素 3.2 影响金属塑性的外部因素 3.3 提高金属塑性的途径
化学成份 组织结构 变形速度 变形程度 应力状态 变形温度 接触摩擦
第三节 影响金属塑性的因素
3.1 影响金属塑性的内部因素


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化学成份对变形抗力的影响

化学成份对变形抗力的影响非常复杂。一般情况下， 对于各种纯金属，因原子间相互作用不同，变形抗 力也不同。同一种金属，纯度愈高，变形抗力愈小。 合金元素对变形抗力的影响，主要取决于合金元素 的原子与基体原子间相互作用特性、原子体积的大 小以及合金原子在基体中的分布情况。合金元素引 起基体点阵畸变程度愈大，变形抗力也越大。
热塑性变形的主要机理仍然是晶内滑移；由于晶界滑动和扩散 蠕变作用的增加，再加之变形时会产生动态回复和再结晶。因
此，热态下金属塑性变形能力比冷态下高，变形抗力较低。
第二节金属热态下的塑性变形 4.热塑性变形对金属组织和性能的影响 1）对组织的影响 （1）改善晶粒组织，细化晶粒 对于铸态金属，粗大的树枝状晶经塑性变形及再结晶而变成等 轴（细）晶粒组织；对于经轧制、锻造或挤压的钢坯或型材，在 以后的热加工中通过塑性变形与再结晶，其晶粒组织一般也可得 到改善。晶粒越细小均匀，金属的强度和塑、韧性指标均越高。 尽管晶粒度还可以通过锻后的热处理来改善，但如果锻件的晶粒 过于粗大，则这种改善也不可能很彻底。至于那些无固态相变、 不能通过热处理来改善其晶粒度的金属(如奥氏体不锈钢、铁索体 不锈钢和一些耐热合金等)，控制其塑性变形再结晶晶粒度就更具 有十分重要的意义。
第二节金属热态下的塑性变形
4.热塑性变形对金属组织和性能的影响
1）对组织的影响 （3）形成纤维组织 在热变形过程中，随变形程度增加，钢锭内粗大树枝晶沿主 变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向 也逐渐与主变形方向一致，形成流线。由于再结晶的结果，被拉长 的晶粒变成细小的等轴晶，而流线却很稳定地保留下来直至室温。
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1.热塑性变形时软化过程
（1）动态回复
动态回复是在热变形过程中发生的回 复，金属即使在远高于静态再结晶温度下 塑性变形时一般也只发生动态回复。
（2）动态再结晶
动态再结晶wenku.baidu.com在热变形过程中发生的 再结晶，与静态再结晶一样，也是通过形 核和生长来完成的。它容易发生在层错能 较低且有较大热变形程度的金属上。
4.2.2热塑性变形机理 第二节金属热态下的塑性变形
2.热塑性变形的机理 变形机理主要有：晶内滑移、晶内孪生、 晶界滑移和扩散蠕变。 一般来说，晶内滑移是最主要和常见的 （1）晶内滑移 热变形的主要机理仍然是晶内滑移。高温时 原子间距加大，热振动和扩散速度增加，位错滑移、 攀移、交滑移及节点脱锚比低温容易；滑移系增多， 滑移灵便性提高，各晶粒之间变形更加协调；晶界 对位错运动阻碍作用减弱。
第三篇 塑性成形原理
第11章 金属塑性成形的物理基础
第一节 第二节 第三节 第四节 金属冷态下的塑性变形 金属热态下的塑性变形 金属在塑性加工过程中的塑性行为 金属的超塑性
第二节金属热态下的塑性变形


热塑性变形的概念 实际热加工温度远高于再结晶温度 在热塑性变形过程中，回复、再结晶与加 工硬化同时发生，加工硬化不断被回复或 再结晶所抵消，而使金属处于高塑性、低 变形抗力的软化状态。 软化分类：相变软化和热软化。
第二节金属热态下的塑性变形
1.热塑性变形时软化过程
（5）亚动态再结晶
热变形中已经形成但未长大的再结晶晶核以 及长大途中遗留下的再结晶晶粒，但变形停止后 温度足够高时，会继续长大，此过程称为亚动态 再结晶。它不需形核，所以进行得很快。
热轧和热挤时，动、静态回复和再结晶的示意图。
图4-10 动、静回复和再结晶示意
图(a)是形成无限固溶的二元合金之硬度随成分而变化的图示，它表明固溶体的硬度 比纯金属的高。变形抗力的最大值对应于固溶体的最大饱和度，从而对应于点阵的 最大畸变。 图(b)指出了形成共晶体二元合金的硬度随成分变化的情况。共晶体混合物可 由纯金属构成，也可由其他化合物或固溶体构成。 图(c)是形成化合物的二元合金的硬度随成分变化的图示。

氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力 集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的 裂纹，又称白点。氢脆只可防，不可治。氢脆一 经产生，就消除不了。在材料的冶炼过程和零件 的制造与装配过程(如电镀、焊接)中进入钢材内 部的微量氢(10—6量级)在内部残余的或外加的 应力作用下导致材料脆化甚至开裂。在尚未出现 开裂的情况下可以通过脱氢处理(例如加热到 200℃以上数小时，可使内氢减少)恢复钢材的 性能。因此内氢脆是可逆的。
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5.热变形加工的优缺点 热加工变形的不足：





1) 对薄或细的轧件，由于散热较快，在生产中保持热加工的温度条件 比较困难。因此，生产薄的或细的金属材料一般仍采用冷加工方法。 2) 热加工后轧件的表面不如冷加工生产的尺寸精确和光洁。因为热轧 件表面生成氧化皮和冷却时有收缩。 3) 热加工后产品的组织及性能不如冷加工时均匀。因为热加工结束时， 各处的温度难以均匀一致，温度偏高处的晶粒尺寸要大一些。 4) 从提高材料的强度来看，热加工不及冷加工，因为热加工时由于温 度的作用使金属软化。 5) 有些金属不宜进行热加工。例如，在一般的钢中含有较多的FeS， 或在铜中含有铋时，在热加工中由于晶界上由这些杂质所组成的低熔 点共晶体发生熔化，使晶间的结合遭到破坏，而引起金属断裂。


碳
在较低的温度下随着钢中 含碳量的增加，钢的塑性 变形抗力升高。温度升高 时其影响减弱。图中示出， 在不同变形温度和变形速 度条件下，压下率为30 ％时含碳量对变形抗力的 影响。可见，低温时的影 响比高温时大得多。 热加工中，碳虽能完全溶 解在A 中，但C含量高， 钢的熔化温度降低，锻造 温度范围变窄，奥氏体晶 粒长大倾向越大，再结晶 速度越慢，对热加工不利。
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4.热塑性变形对金属组织和性能的影响
1）对组织的影响 （4）破碎改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布 高速钢、高铬钢、高碳工具钢等，其内部含有大量的碳化物。 通过锻造或轧制，可使这些碳化物被打碎、并均匀分布，从而改 善了它们对金属基体的削弱作用。 （5）在一定程度上改善铸造组织的偏析是由于热变形破碎枝晶 和加速扩散所致。其小枝晶偏析(或显微偏析)改善较大，区域性 偏析改善不明显。2）对性能的影响 细化晶粒、锻合内部缺陷、破碎并改善碳化物和非金属夹杂 在钢中分布可提高材料的强度、硬度、塑性和韧性。 纤维组织形成，使金属力学性能呈各向异性，沿流线方向比 垂直流线方向具有较高的力学性能，其中尤以塑性、韧性指标最 为显著。
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5.热变形加工的优缺点
热加工变形的优点：





1) 金属热变形时，变形抗力低，能耗少。高温时原子运动及热振 动增强，扩散和溶解加速，临界切应力降低；滑移系统增多，变 形更为协调；加工硬化因完全再结晶而被消除。 2) 金属热变形时，塑性升高，产生断裂的倾向减小。由于完全再 结晶使加工硬化消除，在断裂与愈合的过程中使愈合加速。 3) 与冷加工相比较，热加工变形一般不易产生织构。在高温下发 生滑移的系统较多，滑移面和滑移方向不断发生变化。 4) 在生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而可使生 产工序简化，生产效率提高。 5) 热加工变形可引起组织性能的变化，以满足对产品某些组织与 性能的要求。