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1、河南科技大学材料学院,第二章 金属塑性变形的物理基础,影响金属塑性的因素,1.化学成分的影响,（一）金属的化学成分和组织对塑性的影响,(b)磷 磷是钢中的有害杂质。,P固溶于F，强度、硬度提高，塑性、韧性下降。冷变形时产生冷脆性。,(d)氢 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；形成“白点”。,(e)氧 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。,(f)氮 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；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。,590时在铁中溶解度最大(
2、0.1%)，室温时为0.001%。快速冷却时，铁被过饱和，后以Fe4N析出，塑性低，强度、硬度高时效脆性。在300左右加工时，则会出现所谓“兰脆”现象。,（2）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,2.组织结构的影响,（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容之一。,总趋势：温度高，塑性好。可出现几个脆性区。,200400,800950,1200,蓝脆区,热脆区,高温脆区,晶界和滑移面上氮化物、氧化物析出，类似于时效硬化,相变，P转变为A，晶界出现低熔点共晶物,过热、过烧，晶粒粗大，晶界出现氧化物,温度升高使金属塑性增加
3、的原因：,发生回复或再结晶，使之软化，消除加工硬化原子动能增加，使位错活动性提高、滑移系增多金属的组织、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晶格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,（三）应变速率对金属塑性的影响,塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分转化为热能，这种现象称为热效应。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，称为温度效应。,1.热
4、效应与温度效应,温度效应的影响因素：,(1)变形温度 温度越高，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失，所以，热变形时的温度效应就较小；反之，冷变形时的温度效应较大。,(2)应变速率 应变速率越大，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，由于变形时间越短，热量的散失也越少；因此，温度效应也越大。(3)变形程度 变形程度越大，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，因而温度效应也越大。,2.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。这是由于塑性变形需要有一定的时间来进行。如果应变速率大，则塑性
5、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。,2)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。3)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，利于金属塑性的提高。,3.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,应变速率较低时（ab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低，所以最终表现为塑性的降低。,应变速率较大时（
6、bc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；,应变速率更大时（cd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和温度分布的不均匀性；出现所谓“惯
7、性流动效应”，从而改善金属的充填性。,4.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温度曲线，称为塑性图。,（五）变形力学条件对金属塑性的影响,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。,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也大不相同。,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；反之，若拉应力个数越多、数值越大，则金属的
8、塑性越差。,原因：,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；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分，它反映了质点三向均等受压(或受拉)的程度。应力球张量的每个分量称为平均应力或静水应力，它的负值称为静水压力。,压应力能抑制变形内的缺陷；,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，保证生产的顺利进行，促进工艺的发展。,应变状态的影响,两向压缩一向拉伸最好一向压缩一向拉伸次之一向压缩两向拉伸最差,（四）提高金属塑性的基本途径,(1)提高材料成分和组织的均
9、匀性；(2)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；(4)减小变形的不均匀性。,（五）金属的超塑性变形,超塑性的概念,(延伸率）室温：黑色金属一般不超过40 有色金属一般不超过60 高温：不超过100%,超塑性：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 之几千的现象。,超塑性的分类,细微晶粒超塑性相变超塑性,1.细晶超塑性,经过适当的热处理，使金属晶粒直径d10m；变形温度T恒定在（0.50.7)Tm(绝对熔化温度）；,应变速率,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；,缺点：因为晶粒的
10、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。,（结构超塑性、恒温超塑性、静态超塑性）,2.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；在低载荷下，在相变温度附近反复加热/冷却，经过一定的循环后，可出现超塑性。,例如碳钢反复160次，其可达500%,（环境超塑性、动态超塑性）,细晶超塑性变形力学特征,特点：1.没有加工硬化(或加工硬化可以忽略不计),2.流动应力(真实应力)对变形速率极其敏感。,粘-塑性流动方程：,超塑性变形时，n=0,当m=1时,牛顿粘性流动方程,一般金属，m=0.020.2,超塑性时，m=0.21.0,m值越大，超塑性越好。,影响超塑性的主
11、要因素,1.应变速率的影响,细晶超塑性具有高度的速度敏感性，速度的变化对流动应力和m值的影响很显著，只有控制在 范围内，才能获得超塑性。,2.变形温度的影响,超塑性变形温度大约在0.5Tm左,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综合作用有利于获得最大m值时，合金才会表现出最佳的超塑性状态。,3.组织的影响,晶粒尺寸一般0.55m（不大于10 m）；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；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,1.组织的变化,（1）晶粒度的变化,超塑性变形时，晶粒会发生长大，但等轴
12、度基本不变；晶粒的长大与变形程度、应变速率和变形温度有关；变形程度越大，晶粒长大也越显著。,（2）显微组织的变化,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。但如提高应变速率，则位错数量会增加，个别地方(如晶界处)还会看到位错的塞积。如果应变速率更高时，则亦会形成亚结构。,（3）空洞的生成,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关。在相同变形条件下，纫晶组织比租晶组织更易于产生空洞。,2.对力学性能的影响,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；零件内部不存在弹性畸变能，变形后没有残余应力；存在加工软化现象；很高的抗疲劳强度。,超塑性变形机理,目前尚处于研究阶段，没有统一的认识。,晶界滑移 晶粒转动 扩散蠕变 阿希贝和弗拉尔晶界滑动和扩散蠕变联合机理（A-V机理）,
