塑性成型原理全册配套最完整ppt课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,塑性成型原理全册配套最完整精品课件,塑性成型原理全册配套最完整精品课件,第二节 金属塑性变形的物理基础,2.1,金属冷态下塑性变形,思考,（,1,）滑移和孪生的异同点？,（,2,）多晶体的变形特点？,（,3,）什么是加工硬化现象？,（,4,）冷加工对组织和性能的影响？,第二节 金属塑性变形的物理基础 2.1 金属冷态下塑性变,典型拉伸试样,拉伸实验机,2.1.1,应力,-,应变曲线,典型拉伸试样拉伸实验机2.1.1 应力-应变曲线,金属拉伸时应力,-,应变曲线（低碳钢）,典型,工程,应力,-,应变曲线,掌握以下含义：,OA,阶段及,A,点,OA,阶段及,A,点,BC,阶段及,B,点,D,点,E,点,金属拉伸时应力-应变曲线（低碳钢）典型工程应力-应变曲线掌握,弹性模量和刚度的联系与区别？,弹性模量是物质组份性质（微观）,刚度是结构属性（宏观）；,刚度本质也从侧面放映了弹模的大小,.,但影响刚度的因素不光是弹性模量,还有构件的几何尺寸等因素。,什么是弹性模量？影响因素？,弹性模量和刚度的联系与区别？ 弹性模量是物质组份性质（微观）,杨氏模量？,Thomas Yong,（托马斯,杨）,1773-1829,杨氏双缝实验,杨氏模量,视觉和颜色,医学,语言,埃及象形文字,象形文字,音乐,美术,骑马,杂技走钢丝,保险经济,这是一个将,科学和艺术,并列研究、对生活充满热望的天才，我们几乎可以这样说：他生命中的每一天都没有虚度。,百度百科,杨氏模量？Thomas Yong（托马斯杨）杨氏双缝实验象,杨氏模量？,Thomas Yong,（托马斯,杨）,1773-1829,“尽管我仰慕牛顿的大名，但是我并不因此而认为他是万无一失的。我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。”,这是一个将,科学和艺术,并列研究、对生活充满热望的天才，我们几乎可以这样说：他生命中的每一天都没有虚度。,百度百科,杨氏模量？Thomas Yong（托马斯杨）“尽管我仰慕牛,弹性变形是可逆的，物体在变形过程中所贮存起来的能量在卸载过程中将全部释放出来，物体的变形可完全恢复到原始状态这就是说，如已知应力值，则相应的应变可唯一地确定。,材料在弹塑性阶段时，除了应变不可恢复性之外，应力和应变不再有一一对应的关系，即应变的大小和加载的过程有关。,线性弹性力学只讲讨论应力应变关系服从,OA,直线段变化规律的问题；,塑性力学则讨论材料在屈服后破坏前的弹塑性阶段的力学问题,。,弹性变形是可逆的，物体在变形过程中所贮存起来的能量在卸载过程,脆性材料,拉伸时应力,-,应变曲线（镁合金）,典型应力,-,应变曲线,脆性材料拉伸时应力-应变曲线（镁合金）典型应力-应变曲线,镁合金,典型材料的断口形貌,钛合金,镁合金典型材料的断口形貌钛合金,断口形貌与塑性关系,准解理断裂,-,脆性材料,韧窝断裂,-,塑性材料,断口形貌与塑性关系准解理断裂-脆性材料韧窝断裂-塑性材料,2.1.2,单晶体的塑性变形,金属一般是由许多位向不同的晶粒组成，晶粒之间存在晶界，因此发生变形包括晶内变形和晶间变形。,晶内变形,晶内变形包括滑移与孪生两种,单晶体变形,2.1.2单晶体的塑性变形金属一般是由许多位向不同的晶粒组成,单晶试棒拉伸实验,1,滑移,所谓滑移是指晶体（此处可理解为单晶体或构成多晶体中的一个晶粒）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,。这些晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。滑移的结果使大量原子逐步地从一个稳定位置移到另一个稳定位置，产生宏观的塑性变形。,a-,拉伸前；,b-,拉伸后,单晶试棒拉伸实验1滑移a-拉伸前；,滑移要点：,(1),滑移沿晶体内原子密度最大的晶面和晶向发生。一种滑移面和一个滑移方向构成一个,“,滑移系,”,。,三种晶体结构金属的滑移系,滑移要点：三种晶体结构金属的滑移系,(2),滑移只能在切应力作用下发生,滑移系的存在说明金属晶体产生滑移的可能，要使滑移发生需要有一定大小作用力。,(2) 滑移只能在切应力作用下发生,(3),滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整倍数，滑移结果会在晶体表面造成台阶，在其表面出现滑移痕迹,（滑移带、滑移线）,。,图,1,单晶试棒拉伸实验,a-,拉伸前,b-,拉伸后,图,2,滑移线和滑移带,d-100 S-1000,原子间距,(3)滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距,为什么说面心立方比体心立方晶体变形更容易？,面心立方致密度比体心立方大；,塑性变形时晶体中固有滑移系并不同时开动，只有滑移系上的分切应力达到临界值才会滑移。,塑性变形除了与滑移系多少有关，还与杂质对变形的影响、加工硬化，屈服强度大小等相关；,体心立方晶体塑性变形主要由螺位错的运动决定（面心立方晶体由,刃位错,决定），在相同情况下，螺位错运动速度比刃位错慢很多，有文献报道至少慢了,25,倍以上。,为什么说面心立方比体心立方晶体变形更容易？,晶体刚性滑移示意图,20,世纪,20,年代 弗兰克尔,金属理论剪切强度,:10,3,MPa,到,10,4,MPa,金属实际剪切强度,:0.5MPa,到,10MPa,？,晶体刚性滑移示意图20世纪20年代 弗兰克尔金属理论剪切强度,晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图,G.L. Taylor,M.Ploanyi,E.Orowan,位错（,dislocation),30,年代提出,50,年代证实,滑移的本质：位错的运动和不断增殖,晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图G.L. Taylor位,DISLOCATIONS DURING COLD WORK,Dislocations entangle with one another during cold work.,Dislocation motion becomes more difficult.,Adapted from Fig. 4.6, Callister 6e.(Fig. 4.6 is courtesy of M.R. Plichta, Michigan Technological University.),DISLOCATIONS DURING COLD WORKD,孪生,孪生是晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（称为孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向）发生均匀切变。孪生变形后，晶体的变形部分与未变形部分构成了镜面对称关系，镜面两侧晶体的相对位向发生了改变。这种在变形过程中产生的孪生变形部分称为“形变孪晶”，以区别于由退火过程中产生的孪晶。与滑移过程相似，孪生也是通过位错运动来实现的，每层晶面与它相邻晶面沿孪生方向移动小于一个原子间距的距离。,孪生,塑性成型原理全册配套最完整ppt课件,滑移和孪生的异同点？,相同点：,1.,都是由位错运动实现的；,2.,在切应力作用下,.,区别：,1.,滑移方向移动距离是原子整数倍，孪生是原子的相对切变距离小于孪生方向上一个原子间距 ；,2.,滑移时晶体位向不变，而孪晶位向发生变化，与未变形部分形成镜面对称,;,3.,所需临界切应力孪生比滑移大得多,.,滑移和孪生的异同点？ 相同点：,金属晶体究竟以何种方式进行塑性变形，取决于哪种方式变形所需的,切应力为低,。在常温下，大多数,体心立方金属,滑移的临界切应力小于孪生的临界切应力，所以滑移是优先的变形方式，只在很低的温度下，由于孪生的临界切应力低于滑移的临界切应力，这时孪生才能发生。对于,面心立方金属,，孪生的临界切应力远比滑移的大，因此一般不发生孪生变形，但在极低温度（,4,78K,）或高速冲击载荷下，也不排除这种变形方式。再者，当金属滑移变形剧烈进行并受到阻碍时，往往在,高度应力集中,处会诱发孪生变形。孪生变形后由于变形部分位向改变，可能变得有利于滑移，于是晶体又开始滑移，,二者交替他进行,。至于密排六方金属，由于滑移系少，滑移变形难以进行，所以这类金属主要靠孪生方式变形。,金属晶体究竟以何种方式进行塑性变形，取决于哪种方式变,镁合金,镁合金,AZ31,板材组织,焊缝组织,孪生变形,变形组织,镁合金镁合金AZ31板材组织焊缝组织孪生变形变形组织,2.1.3,多晶体的塑性变形,金属一般是由许多位向不同的晶粒组成，晶粒之间存在晶界，因此发生变形包括晶内变形和晶间变形。,多晶体的滑移,由于多晶体中每个晶粒所处的位向不同，决定了金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀塑性变形过程。,2.1.3多晶体的塑性变形金属一般是由许多位向不同的晶粒组成,晶间变形,晶间变形主要是晶粒之间的相对滑移和转动。由于晶粒所处的位向不同，其变形情况和难易程度也不同。,在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形只起次要作用，而且需要有其他变形机制相协调。这是由于晶界强度高于晶内，其变形比晶内变形的困难。还由于晶粒在生成过程中，各晶粒相互接触形成犬牙交错状态，造成对晶界滑移的机械阻碍作用，如果发生晶界变形，容易引起晶界结构的破坏和裂纹的产生，因此晶间变形量只能是很小的,。,综上所述，多晶体塑性变形的特点，一是各晶粒变形的不同时性；二是各晶粒变形的相互协调性；三是晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性。,晶间变形,2.1.4,塑性变形对金属组织性能的影响,(1),晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性,金属经冷加工变形后，其晶粒形状也将发生变化，变化趋势大体与金属宏观变形一致，若变形程度很大，则晶粒呈现为一片如纤维状的条纹，,称为纤维组织,，纤维组织使金属在性能上具有了方向性，对金属变形后的质量有明显影响，金属在纵向（平行于纤维方向）强度、韧性远大于横向（垂直于纤维方向）。,2.1.4塑性变形对金属组织性能的影响(1)晶粒沿变形方向,纯铁,200,倍,纯铝,200,倍,纯铁200倍纯铝200倍,纯铁 变形量,0%,纯铁 变形量,20%,纯铁 变形量,20%,纯铁 变形量,68%,纯铁 变形量0%纯铁 变形量20%纯铁 变形量20%纯,(2),位错密度增加，产生加工硬化,概念：,随着变形的发生，晶体内的位错不断增殖、相互缠结，晶体内产生亚结构，使位错难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动，要使金属继续产生变形，就必须不断增加外力以克服位错之间的交互作用力，从而导致金属的塑性变形抗力迅速增大，即金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性降低，产生所谓“加工硬化”现象。,意义：,加工硬化是是强化金属的重要途径，例如，自行车链条；也有不利的一面，如冷轧材料时，由于加工硬化现象，会增加后序冷轧工艺的动力消耗。需要在冷变形过程中增加中间处理，增加了金属制品的生产成本,延长了生产周期。,影响：,塑性变形除了影响金属的机械性能外，还会使金属的物理性能及化学性能发生变化，如电阻增加，抗腐蚀性降低。,(2) 位错密度增加，产生加工硬化,发生加工硬化时应力,-,应变经验关系式：,=,n,n,为加工硬化指数，,0.1-0.5,，反应加工硬化的强弱,发生加工硬化时应力-应变经验关系式：=nn 为加工硬化,随着变形程度的增加，力学性能变化,纯,金属及某些不能通过热处理方法强化的合金，如低碳钢、纯铜、防锈铝、奥氏体不锈钢、高锰钢等，可通过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提高其强度和硬度。,但,在冷轧薄钢板、冷拉细钢丝及多道拉深的过程中，也会由于加工,硬化造成后道加工,的困难,甚至开,裂,。,故,应,在工序间穿插,热处理工艺,来消除加工硬化。,随着变形程度的增加，力学性能变化纯金属及某些不能通过热处理方,位错密度与材料强度的关系,退火态金属,：,10,4,-10,7,根,/,厘米,冷加工：,10,12,-10,13,根,/,厘米,位错密度,：,通常以通过单位面积上的位错线的根数来衡量，称为位错密度。,位错密度与材料强度的关系退火态金属：位错密度：,通过大量的实验和理论研究证明，发现金属的强度与其中位错位错密度之间的关系如下图所示。从图中看到，密度之间的关系金属的位错密度在某一数值左右（通常为,10,6,10,8,cm,-2,）时，强度最低，相当于金属的退火状态，在此基础上,增加位错密度或降低位错密度都是提高金属强度的有效途径,。利用加工硬化等方法增加值错密度这一途径早已应后于工业中顺利用降低位错密度这一更为有效的途径则不过是近二十年来才受到高度重视。目前还不能制得大尺寸低位错密度的金属，而只能制出一些极细的金属须或细丝，将其编织成较大尺寸的材料或混到某些材料中制成复合材料。随着工业技术的发展，若一旦制得,较大尺寸的低位借密度金属,，则金属强度的大幅度提高，肯定是大有前途的。,通过大量的实验和理论研究证明，发现金属的强度与其中位错位错密,(3),织构现象的产生,伴随着金属发生塑性变形，内部晶粒的晶格位向也将会沿变形的方向发生转动。当变形量很大时（,70-90%,），多晶体中原为任意取向的各晶粒，会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。,这种由于变形而使晶粒具有择优取向的组织称为织构，,也称变形织构。织构不是描述晶粒的形状，而是描述多晶体中晶粒取向的特征。,实际上，变形金属的晶粒取向只能是趋向于这种取向，一般是随着变形程度的增加，趋向于这种取向的晶粒就越多，织构构特征就越明显。,织构的形成对金属材料的加工工艺有很大的影响。金属中变形织构的形成，会使各种性能呈现出明显的各向异性，甚至退火也难以消除,(3)织构现象的产生,晶粒取向,具有择优取向的晶体组织,变形织构,晶粒取向 具有择优取向的晶体组织变形织构,形变织构的两种主要形式,丝织构（拔丝）,拉拔时各晶粒中的某一方向都趋于平行拉拔方向。用平行于拉拔轴的晶向指数,uvw,表示。,形变织构的两种主要形式丝织构（拔丝）拉拔时各晶粒中的某一方向,形变织构的两种主要形式,板织构（轧制）,板材轧制时各晶粒中的某一指数晶面均趋于平行轧制面，各晶粒中的某指数晶向都趋于平行轧制方向。用该晶面指数,(hkl),和晶向指数,uvw,来表示板织构。,形变织构的两种主要形式板织构（轧制）板材轧制时各晶粒中的某一,“,制耳,”,现象,深冲件上的制耳,“制耳”现象深冲件上的制耳,形变织构的利与弊？,1.,例如制造汽车外壳的深冲薄钢板，存在一般织构将使其变形不均匀,产生皱纹,甚至发生破裂；但具有,1 1 1,型板织构的板材,其深冲性能良好。,2.,制造变压器的硅钢片则希望使易磁化的,【1 0 0】,方向平行于轧向，立方织构的硅钢片，具有很低的,铁损,。,1,形变织构的利与弊？1.例如制造汽车外壳的深冲薄钢板，存在一般,(4),残余应力,经塑性变形，外力对金属所做的功，绝大部分在金属变形过程中转化成为热能，使金属温度升高，随后散失掉；仅有少部分转化为内应力残留于金属中形成残余内应力。,金属塑性变形后残余应力的存在会影响工件的变形与开裂。,例如，冷轧钢板会因变形不均所残留的内应力引起钢板翘曲，另外，残余内应力会使金属的耐腐蚀性能降低，因此通常金属塑性变形之后，采用退火处理以消除这些残余应力。但有时也利用在工件表面采用,喷丸、滚压,处理产生一定压应力来抵消外部拉应力的作用，来延长工件的寿命。,(4)残余应力,1.,不均匀的塑性变形；,残余应力产生的原因,2.,不均匀的温度变化；,3.,不均匀的相变,.,1.不均匀的塑性变形；残余应力产生的原因2.不均匀的温度变化,残余应力的测试方法,1.,盲孔法：,钻孔破坏原来的应力平衡，使应力重新分布，圆孔周围的金属发生位移或应变。,2.X,射线法：,X,射线衍射测定晶格应变求出表面应力的方法。,3.,磁性法：,利用铁磁材料的压磁效应，即在应力作用下，铁磁材料各方向上的导磁率发生变化，从而产生磁各向异性。,残余应力的测试方法1.盲孔法：2.X射线法：3.磁性法：,第二章 金属塑性变形的物理基础,思考,（,1,）回复和再结晶特征及应用,（,2,）影响再结晶的因素？,（,3,）冷、热加工的区别（如何判断）？,（,4,）冷加工流线与热加工流线区别？,（,5,）热加工对金属组织、性能影响？,（,6,）叙述晶粒随着温度的升高而长大是一种必然现象。,2.2,金属热塑性变形（一）,第二章 金属塑性变形的物理基础 思考（1）回复和再结晶特征及,（,1,）滑移和孪生的异同点？,（,2,）多晶体的变形特点？,（,3,）什么是加工硬化现象？,（,4,）冷加工对组织和性能的影响？,上节主要内容回顾,冷拔钢丝组织,上节主要内容回顾冷拔钢丝组织,第二章 金属塑性变形的物理基础,思考,（,1,）回复和再结晶特征及应用,（,2,）影响再结晶的因素？,（,3,）,回复和再结晶的驱动力是什么？,（,4,）冷、热加工的区别（如何判断）？,2.2,金属热塑性变形（一）,第二章 金属塑性变形的物理基础 思考（1）回复和再结晶特征及,冷变形组织,加热变形,冷变形组织加热变形,塑性变形产生,：,金属经冷塑性变形其组织、结构和性能的变化：,处于高自由能状态,金属就会自发地向着自由能降低的方向转变,进行这种转变的过程称为,回复和再结晶,。,变化结果,：,转变过程中金属的组织和性能都会发生不同程度的变化，直至恢复到冷变形前的原始状态，即变形金属的软化过程。,（加热升温）,外加动力学条件,塑性变形产生：（加热升温）外加动力学条件,回复,在加热温度较低时，因金属中点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内变化，称为回复。此时原子的活动能力不大，只能在微晶进行短程扩散，使得点缺陷和位错发生运动，从而改变它们的数量和分布，而金属晶粒形状和大小并未发生明显的变化。,回复温度：,T=0.25-0.3T,熔,式中,T,、,T,熔,均以绝对温度表示,特征：,通过回复虽然金属中晶格畸变降低，但晶粒外形并未发生改变，组织仍处于不稳定状态，因此经一定的塑性变形后，金属在强度、硬度和塑性等机械性能方面变化不大，而内应力、电阻率等理化性能降低，,耐腐蚀性高,。,应用（,去残余应力退火,）：,生产中常利用,回复,消除加工硬化后工件的残余内应力。,回复,例,1,：冷拉钢丝绕制弹簧，绕成后应在,280-300,消除应力退火，目的是什么？,去（残余）应力退火应用举例,例,2,：经深冲成形的黄铜（,Zn30%,）弹壳，室外放置一段时间后会自动开裂，为什么，怎么办？,冷变形的残余应力,+,外界气氛对晶界的腐蚀作用,去应力退火（,260,）,卷制、,去应力退火,、钩环制作、（切尾）、,去应力退火,、立定处理、检验、表面防腐处理、包装,定形,例1：冷拉钢丝绕制弹簧，绕成后应在280-300消除应力,静态再结晶,进一步提高温度，晶粒的外形将发生变化，从变形的晶粒中通过形核、长大过程重新形成,等轴细晶粒,，这些细晶粒不断向周围变形金属中扩展，直到金属中变形晶粒完全消失，这个过程称为金属的再结晶过程。,再结晶温度：,一般再结晶温度与金属的变形程度、金属的纯度和保温时间等因素有关，一般经验公式为,（纯金属）,：,T,再,=0.35-,0.4 T,熔,式中,T,再,、,T,熔,均以绝对温度表示,特征：,通过再结晶金属的微观组织发生了根本性变化，金属的强度、硬度显著下降，塑性及韧性显著提高，内应力和加工硬化得以消除。,应用,（,再结晶退火,）,：,在冷轧、冷挤、冷拉、冷冲的过程中穿插,再结晶退火,，,消除加工硬化,，,恢复金属材料的良好塑性，,以利于后续的冷变形加工。,（,是固态相变吗？,）,静态再结晶（是固态相变吗？）,提问：再结晶退火和重结晶退火的区别？,再结晶退火相关常识,重结晶,和再结晶最本质的区别是前者发生了相变，是属于从低温相（铁素体）升温转变为高温相（奥氏体）在降温发生相变，形核形成晶粒，这一过程为重结晶。,再结晶,一般是指较大变形量的金属材料在随后的加热过程中,(,回火，再结晶退火），严重变形的晶粒发生回复，形核长大，形成细小的等轴晶粒，这一过程不会发生相变，只有应变能的释放。,提问：再结晶退火和重结晶退火的区别？再结晶退火相关常识重结晶,静态再结晶形核机制,主要有三种,亚晶聚合,亚晶长大,凸出形核,亚晶中心是一个位错密度和能量最低的稳定区域,静态再结晶形核机制主要有三种亚晶聚合亚晶长大凸出形核亚晶中心,回复,再结晶,晶粒长大的驱动力是什么？,回复再结晶晶粒长大的驱动力是什么？,再结晶的影响因素,再结晶过程不是瞬时完成的，影响因素较多：,化学成分（杂质）,，,提高再结晶温度；,冷变形程度,，,变形程度增加，再结晶温度降低。,原始晶粒,，,原始晶粒越细小，,再结晶温度降低,；,保温时间,，,延长加热时间，再结晶温度降低；,再结晶的影响因素,GH37,镍基高温合金的动态再结晶图,再结晶全图：,将加热温度、变形程度两个因素对再结晶后晶粒度的影响绘制在一个坐标系中，称为再结晶全图，这对制订金属的加工变形与退火工艺起重要的参考作用。,临界变形量,2%-10%,GH37镍基高温合金的动态再结晶图再结晶全图：临界变形量,晶粒长大,变形金属在刚刚结束再结晶晶粒是比较细小，如果再结晶后不控制其加热温度，继续升温，晶粒便会长大，将降低金属的机械性能。,二次再结晶,原来金属变形不均匀，经过再结晶后得到大小不均匀的晶粒，大小晶粒能量相差悬殊，容易发生大晶粒吞并小晶粒而愈长愈大的现象，得到异常粗大的晶粒，降低金属性能，这种不均匀急剧长大的现象。,晶粒长大二次再结晶 原来金属变形不均匀，经过再结晶后得,塑性成形过程组织变化特征,塑性成形过程组织变化特征,再结晶后的晶粒度对金属的性能由很大的影响，不仅影响到金属的强度和塑性，而且还影响金属的冲击韧性。影响金属晶粒度的主要因素有：,加热温度,，,加热温度愈高，金属的晶粒便愈粗大；,保温时间,，,延长加热时间，也会使晶粒粗大；,原始晶粒,，,晶粒越细小，新晶粒越细小；,金属变形度,，,变形度越大，再结晶后的晶粒愈细小。,再结晶过程对晶粒大小的影响,再结晶后的晶粒度对金属的性能由很大的影响，不仅影响到,例1,：已知铅的熔点为327，钨的熔点为3380。问：铅在20、钨在1000时变形各属哪种,加工,？为什么？,解：T铅再 0.4T,熔, 0.4（327+273）, 240,K,-33,1000,故钨在1000属于,冷加工。,T,钨,回,（,0.25,0.3,）,T,熔,（,913,1096,）,K,（,640,823,） , 1000,故钨在1000属于,温变形。,温变形：,T,回,T,变,T,再,冷变形：,T,变,T,回,热变形：,T,变,T,再,T 钨再 0.4 T熔 0.4（3380+273）T,（,1,）回复和再结晶组织和性能变化,（,2,）冷、热加工的区别（如何判断）？,（,3,）回复、再结晶、晶粒长大的驱动力是什么？,（,4,）金属铸件可以通过再结晶退火细化晶粒吗？,上节主要内容回顾,上节主要内容回顾,上节主要内容讨论,再结晶是否为固态相变？,1.,狭义上讲不属于固态相变，广义上是相变,2.,再结晶算是固态转变，而非相变，相变是母相减少同时新相的生成，主要表现在前后晶体结构的变化也包括只有电子自旋方式的变化或又称有序程度的变化；,相变分级,1.,一级相变：,凝固、升华、熔化以及金属和合金中大多数固态相变,2.,二级相变：,磁性转变、有些合金中的有序无序转变、超导态转变,3.,n,级相变：不常见。,上节主要内容讨论再结晶是否为固态相变？1.狭义上讲不属于固态,上节主要内容讨论,化学成分对再结晶温度影响？与熔点的关系？,1.,金属的化学成分对再结晶温度的影响比较复杂。当金属中含有少量合金元素和夹杂时，在多数情况下要提高再结晶温度，这可能是由于少量的异类原子与变形中产生的结构缺陷空位和位错交互作用，阻碍了这些缺陷的运动（原子的扩散和新晶粒生长时晶界的推移），使再结晶过程难以进行。,2.,当合金元素含量较高时，则可能提高也可能降低再结晶温度，这主要视合金元素对基体原子扩散速度的影响，以及合金元素对再结晶形核时表面能的影响而定。,3.,意义：,钼、铬等元素可提高钢的再结晶温度，利用这一规律可以改善钢的高温性能。,上节主要内容讨论化学成分对再结晶温度影响？与熔点的关系？1.,第二章 金属塑性变形的物理基础,思考,（,1,）热加工对金属组织、性能影响？,（,2,）冷加工流线与热加工流线区别？,（,3,）叙述晶粒随着温度的升高而长大是一种必然现象。,2.2,金属热塑性变形（二）,第二章 金属塑性变形的物理基础 思考2.2 金属热塑性变形（,金属塑性变形过程（冷、热加工）,金属塑性变形后，晶粒的形状、尺寸将发生变化，晶粒间产生碎晶，晶格发生扭曲，增加了滑移阻力，从而产生所谓,“,加工硬化,”,现象。其标志是强度和硬度上升，而塑性和韧性下降。然而当继续经受加热时，原子运动加剧，金属内部错位的原子恢复正常排列，消除晶格扭曲，可使加工硬化部分消除，这一过程称之为,“,回复,”,（绝对回复温度为金属绝对熔化温度的,0.25-0.30,倍,）。当金属温度继续升高到绝对熔化温度的,0.35-0.4,倍,时，金属原子获得更高的热能，则开始以某些碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒，进而消除了全部加工硬化现象，这个过程称为再结晶。,当金属在高温下受力变形时，,加工硬化过程,和回复及再结晶等,加工软化过程是同时存在的,。变形过程中的加工硬化会随时被再结晶所消除。,金属塑性变形过程（冷、热加工）,加热升温,金属内能增加,冷塑性变形,回复,再结晶,金属组织变化,金属内能降低,金属性能变化,金属塑性变形与内能变化影响,加热升温金属内能增加冷塑性变形回复再结晶金属组织变化金属内能,塑性变形与内能、晶粒大小、性能的关系,塑性变形与内能、晶粒大小、性能的关系,晶粒随着温度的升高而长大是一种必然现象,奥氏体化过程是一个形核和长大的过程，最初形成的晶粒很多，起始晶粒度就是指奥氏体刚刚形成时的晶粒大小，此时晶粒很细、数量很多。随着温度继续升高，通过晶界的移动，造成晶粒间相互吞并，温度越高，晶界自由能越大，越容易移动，时间一长的话，吞并现象越严重，因而晶粒越粗大。,晶粒随着温度的升高而长大是一种必然现象奥氏体化过程是一个形核,动态回复,即金属在,高温塑性加工,过程中进行的回复（温度,/,外力）,（铝及其合金、工业纯铁、铁素体钢及密排,6,方锌、,Sn,等）。,动态回复主要是通过,位错的攀移、交滑移,等来实现的。,动态回复是高层错能金属热变形过程中唯一的软化机制。,例如铝及铝合金由于它们的层错能高，位错容易在滑移面间转移，而使异号位错相互抵消，结果使位错密度下降，畸变能降低，不足以达到动态再结晶所需的能量水平。因此这类金属在热塑性变形过程中，即使变形程度很大、变形温度远高于静态再结晶的温度，也只发生动态回复，而不发生动态再结晶。,攀移,交滑移,动态回复攀移交滑移,当高温变形金属只发生动态回复时，其组织仍为亚晶组织，金属中的位错密度还相当高。若此时进行热处理，则能获得变形强化和热处理强化的双重效果，使工件具有更为良好的综合力学性能。例如：钢的高温形变淬火。,与普通热处理相比：一些钢材能提高抗强度,10%-30%,，提高塑性,40%-50%,。,高温形变热处理,与普通热处理相比：一些钢材能提高抗强度10%-30%，,高温形变热处理,403Nb,马氏体耐热钢,NT,TMT,TMTT,NT,TMTT,NT,-,固溶（,1100,）,+,回火（,650,）,TMT,-,奥氏体化（,1200,）,+,轧制（,850,）,+,空冷,TMTT,-,奥氏体化（,1200,）,+,轧制（,850,）,+,回火,常温强度提高,47.5%,；,700,强度提高,38.5%,高温形变热处理403Nb马氏体耐热钢NTTMTTMTTNTT,动态再结晶,动态再结晶容易发生在层错能较低的金属发生较大变形量时。,由于金属的层错能低，位错的交滑移和攀移不容易进行，材料局部区域将产生较高的位错密度差，容易发生动态再结晶。,动态再结晶后的晶粒度与变形温度、应变速率和变形程度等因素有关。,降低变形温度、提高应变速率和变形程度，会使动态再结晶后的晶粒变小，通过控制热加工变形时的温度、速度和变形量，就可以调整成形件的晶粒组织和力学性能。,动态再结晶,金属材料动、静态回复和动、静态再结晶示意图,变形率,50%,(A),(B),(C),(D),变形率,99%,静态,回复,动态,回复,静态再结晶,动态回复,动态回复,静态再结晶,动态再结晶,亚动态再结晶,塑性成形过程判断,金属材料动、静态回复和动、静态再结晶示意图变形率50%(A),热加工对金属组织和性能的影响,使金属组织晶粒细化，机械性能提高。,再结晶并不是简单恢复到变形前组织的过程，通过控制变形与再结晶条件可以控制再结晶晶粒的大小和再结晶的体积分数，以达到改善、控制金属组织和性能的目的。,提高金属组织致密度。,铸态金属中疏松、空隙以及微裂纹等缺陷被压实、锻合，提高金属致密度。,破碎碳化物与非金属夹杂物。,碳化物破碎，均匀分布基体金属中，改善碳化物偏析。,夹杂物变形、破碎，降低其有害作用。,热加工产生纤维组织。,金属中存在杂质、夹杂物，沿主变形方向形成纤维组织。,热加工对金属组织和性能的影响,热加工纤维组织,形成条件：,1.,金属内存在有杂质、化合物和铸造结晶时的偏析等，内因；,2.,金属沿某一变形方向有足够的变形程度（锻比），外因。,吊钩的纤维组织,各向异性：,1.,随着锻比,K,的增大，钢的力学性能提高；,2.,当为,2-5,时，性能不在增大，各向异性；,3. K,继续增大，横向塑性、韧性显著下降，各向异性更加严重,中碳钢锭不同锻比对力学性能影响,大型锻件锻造：锻造比,2-6,热加工纤维组织形成条件：吊钩的纤维组织各向异性：中碳钢锭不同,冷加工出现的流线和热加工出现的流线本质上有什么不同？,冷加工流线：,指随变形度增加，晶粒将逐渐被沿变形方向拉长，形成条带状，被称为纤维组织。,热加工流线：,指变形过程中材料内的第二相或夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。,冷加工出现的流线和热加工出现的流线本质上有什么不同？冷加工流,冷加工出现的流线和热加工出现的流线本质上有什么不同？,冷加工流线：,指随变形度增加，晶粒将逐渐被沿变形方向拉长，形成条带状，被称为纤维组织。,热加工流线：,指变形过程中材料内的第二相或夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。,变速器齿套的毛坯金相组织,带状组织：,冷加工出现的流线和热加工出现的流线本质上有什么不同？冷加工流,两者加工温度不同,热加工是再结晶温度以上，冷加工是再结晶温度以下进行。,组织结构不同,冷加工晶粒压扁拉长，位错密度增大；,热加工等轴晶组织。,力学性能不同,冷加工产生,“,加工硬化,”,现象；,热加工产生同时产生,“,加工硬化,”,现象和,“,加工软化,”,现象。,冷热加工有什么不同？,两者加工温度不同冷热加工有什么不同？,第二章 金属塑性变形的物理基础,预习内容,（,1,）什么是塑性？,（,2,）塑性与柔软性的区别是什么？,（,3,）冷脆、红脆、氢脆？,（,4,）影响金属塑性的因素？,2.3,金属的塑性及变形抗力,下一节课主要内容：,第二章 金属塑性变形的物理基础 预习内容（1）什么是塑性？2,上节主要内容回顾,（,1,）热加工对金属组织、性能影响？,（,2,）冷加工流线与热加工流线区别？,（,3,）叙述晶粒随着温度的升高而长大是一种必然现象。,上节主要内容回顾,第二章 金属塑性变形的物理基础,思考,（,1,）什么是塑性？,（,2,）塑性与柔软性的区别是什么？,（,3,）冷脆、红脆、氢脆？,2.3,金属的塑性及变形抗力,第二章 金属塑性变形的物理基础 思考（1）什么是塑性？2.3,弹性变形,实质：所加的外力和能量还不足以使原子越过半个原子间距的距离。,塑性变形,实质：外力或能量，足以使原子越过半个原子间距，金属内的一部分原子相对于另一部分产生相对移动。,弹,-,塑性共存定律：拉拔、挤压；锻压。,变形表示方法：,1,、绝对变形量；,2,、相对变形量；,3,、真实变形量。,变形的基本概念,金属在外力作用下，若其运动受到阻碍，则在金属内部就会产生内力，其形状和尺寸也就发生了改变，这种尺寸的改变成为变形。,弹性变形变形的基本概念金属在外力作用下，若其运动受到阻碍，,变形速率（应变速率,strain rate,）,变形程度对时间的变化率，或者说是应变对时间的变化率。,表达式：,锻造：,平均变形率：,锻造,拉伸, 变形速率（应变速率strain rate）表达式：锻造：,金属的塑性加工,又称为金属的压力加工。它是利用金属的塑性，使其改变形状、尺寸并改善其性能，获得型材、板材、棒材、线材或锻压件的加工方法。,是指固体材料在外力作用下发生,永久变形,，而,不破坏其完整性的能力,。金属的塑性不是固定不变的，它受诸多因素的影响，大致包括以下两个方面：一是金属的内在因素，如晶格类型、化学成分、组织状态等；另一是变形的外部条件，如变形温度、应变速率、变形的力学状态等。,金属或合金对变形力的反作用力。,各国学者都从不同的角度采用物理模拟和数值模拟的方法建立金属塑性与各种影响因素之间关系的物理模型和数学模型。,塑性,所谓塑性：,变形抗力：,研究方法：, 金属的塑性加工塑性 所谓塑性： 变形抗力： 研究方,铅,-,不锈钢,-,白口铸铁,-,过热或过烧金属和合金,-,结论：,塑性好，柔软性好,塑性好，柔软性不好,塑性差，柔软性差,塑性差，柔软性好,塑性与柔软性不是同一概念,塑性与柔软性的区别是什么,塑性反映材料产生永久变形的能力,柔软性反映材料抵抗变形的能力,铅-塑性好，柔软性好塑性好，柔软,概 念：,金属在破坏前产生的最大变形程度，即极限变形量。,表示方法：,断面收缩率,延伸率,冲击韧性,最大压缩率,扭转角（或扭转数）,弯曲次数,塑性指标,概 念： 塑性指标,金属拉伸实验是一种广泛的实验方法，不仅可以测试金属在金属在塑性加工过程中的基本力学性能，而且还可以揭示金属的基本力学行为。,拉伸实验通常在材料实验机上进行，在室温条件下进行轴向加载静拉伸，载荷力线与试样轴线相重合，加载速度从零开始逐渐增大，对应的应变速率为,10,-1,-10,-3,s,-1,。拉伸试样是光滑试样，试样工作部分的应力状态是单向拉应力,。,塑性指标的测量方法,金属拉伸实验,金属拉伸实验是一种广泛的实验方法，不仅可以测试金属在金属在,典型拉伸试样,拉伸实验机,典型拉伸试样拉伸实验机,金属材料拉伸应力,-,应变曲线,塑性成型原理全册配套最完整ppt课件,式中：,L,0,拉伸试样原始标距长度；,L,h,拉伸试样破断后标距间的长度；,F,0,拉伸试样原始断面积；,F,h,拉伸试样破断处的断面积,表示方法,GB/T228-2002,金属材料 室温拉伸试验方法,GB/T4338-1995,金属材料 高温拉伸试验方法,GB2651-89,焊接接头拉伸试验方法,式中：L0拉伸试样原始标距长度；表示方法GB/T228-,简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定：,式中：,压下率；,H,0,试样原始高度；,H,h,试样压缩后，在侧表面出现第一条,裂纹时的高度,压缩实验,简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定： 式,对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形（,） 。,式中：,R,试样工作段的半径；,L,0,试样工作段的长度；,n,试样破坏前的总转数。,扭转实验,对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为,概念：表示金属塑性指标与变形温度及加载方,式的关系曲线图形，简称塑性图。,应用：合理选择加工方法,制定冷热变形工艺,塑性状态图及其应用,完整的塑性状态图,强度、延伸率、断面收缩率、最大压缩率、扭转角或圈、冲击,Ak,、弯曲角或次数,1W18Cr4V,高速钢,概念：表示金属塑性指标与变形温度及加载方 塑性状态图及其应,确定,MB5,合金加工工艺规程的原则和方法,MB5,属变形镁合金，主要成分为,：,Al 5. 5 7. 0%,Mn 0. 15 0. 5%,Zn 0. 5 1. 5%,确定MB5合金加工工艺规程的原则和方法 MB5属变形镁合金,确定,MB5,镁合金热加工工艺步骤,根据产品确定加工方式（慢速、快速等）,根据相图确定合金的相组成,根据塑性图确定热变形温度范围,确定MB5镁合金热加工工艺步骤根据产品确定加工方式（慢速、快,根据相图确定合金的相组成,温度,图,Mg-Al,二元系状态图,T,530,，合金 为液相,T,270,，合金为,两相组织,270,T,530,，合金为单一的,相,根据相图确定合金的相组成温度 图Mg-Al二元系状态图,铝含量对镁合金力学性能的影响,%,b,，,公斤,/,毫米,2,HB,公斤,/,毫米,2,图镁合金中铝含量对合金机械性能的影响,铝含量对镁合金力学性能的影响%HB图镁合金中铝含量对合金机,根据塑性图确定热变形温度范围,试验温度，,图,MB5,合金的塑性图,k,冲击韧性,M,慢力作用下的最大压缩率，,C,冲击,力作用下的最大压缩率；,断面收缩率，,弯曲角度,1.,低速热轧或热挤压温度区间？,2.,高速模锻加工温度区间？,3.,复杂结构件的锻造和冲压温度区间？,根据塑性图确定热变形温度范围试验温度，1.低速热轧或热挤压,从塑性图上获取的信息,慢速加工，温度为,350-400,时,值和,M,都有最大值，不论热轧或热挤压，都可在此温度范围内以较慢的速度加工。,高速模锻加工，在,350,左右有突变，变形温度应选择在,400-450,。,工件形状比较复杂，变形时易发生应力集中，应根据,K,曲线来判定。从图中可知，在相变点,270,附近突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在,250,以下进行为佳。,从塑性图上获取的信息慢速加工，温度为350-400时,值,影响塑性的内部因素,影响金属塑性的外部因素,提高金属塑性的主要途径,第二章 金属塑性变形的物理基础,2.4,影响金属塑性和变形抗力的因素,影响塑性的内部因素 第二章 金属塑性变形的物理基础 2.4,影响塑性的内部因素,1,化学成分,（,1,）碳钢中碳和杂质元素的影响,碳含量对碳钢力学性能的影响,（退火状态）,铁碳合金相图,影响塑性的内部因素 1化学成分 碳含量对碳钢力学性能的影响,影响塑性的内部因素,P,的影响,:,冷脆 强度,/,硬度 塑性,/,韧性,冷变形,0.03%,红脆，,Fe,4,N,影响塑性的内部因素 P的影响: 冷脆 强度/硬度,影响塑性的内部因素,网状渗碳体,影响塑性的内部因素 网状渗碳体,影响塑性的内部因素,白点,影响塑性的内部因素 白点,影响塑性的内部因素,氢在钢中的溶解度与温度的关系,镁,/,铝,影响塑性的内部因素 氢在钢中的溶解度与温度的关系镁/铝,影响塑性的内部因素,（,2,）合金元素对塑性的影响,合金元素,塑性,变形抗力,晶格畸变,硬脆化合物,多相、变形不均匀,硬化倾向增大,（再结晶温度提高、速度降低）,影响塑性的内部因素 （2）合金元素对塑性的影响 合金元素塑性,影响塑性的内部因素,合金元素对铁素体强度极限的影响,合金元素对铁素体延伸率的影响,影响塑性的内部因素 合金元素对铁素体强度极限的影响合金元素对,影响塑性的内部因素,2,组织结构,（,1,）晶粒度,（冷变形、热变形）,（,2,）金相组织,（纯金属、单相固溶体、化合物）,（,3,）铸造组织,（杂质、缺陷）,（,4,）金属的晶格结构,（面心、体心、密排六方）,影响塑性的内部因素 2组织结构 （1）晶粒度（冷变形、热变,第二章 金属塑性变形的物理基础,预习内容,（,1,）影响金属塑性的外部因素？,（,2,）提高金属塑性的途径？,（,3,）静水压力对金属塑性的影响。,下一节课主要内容：,2.4,影响金属塑性和变形抗力的因素,第二章 金属塑性变形的物理基础 预习内容（1）影响金属塑性的,上节主要内容回顾,（,1,）什么是塑性？,（,2,）塑性与柔软性的区别是什么？,（,3,）影响塑性的内部因素？,（,4,）冷脆、红脆、氢脆？,上节主要内容回顾（1）什么是塑性？,学习,“出生新西兰、,J.J.,汤姆逊研究生、,卡文迪许,实验室主任、,英国皇家学会,会长、在,剑桥,逝世，与,牛顿,和,法拉第,并排安葬，享年,66,岁”,培养诺贝尔奖：索迪、阿斯顿、玻尔、威尔逊,等等,12,人,一位杰出科学家不一定是一位伟人，而一位伟大的导师则必须是伟人,被誉为“从来没有树立过一个敌人，也从来没有失去一位朋友”的人,欧内斯特,卢瑟福,a,粒子散射实验,发现并命名质子,人工核反应,学习“出生新西兰、J.J.汤姆逊研究生、卡文迪许实验室主任、,第二章 金属塑性变形的物理基础,思考,2.4,影响金属塑性和变形抗力的因素,影响金属塑性的外部因素,提高金属塑性的主要途径,静水压力对金属塑性的影响。,第二章 金属塑性变形的物理基础 思考2.4 影响金属塑性和变,影响塑性的内部因素,影响金属塑性的外部因素,提高金属塑性的主要途径,影响金属塑性和变形抗力的因素,影响塑性的内部因素 影响金属塑性和变形抗力的因素,影响金属塑性的外部因素,1,变形温度,碳钢的塑性随温度变化图,影响金属塑性的外部因素 1变形温度碳钢的塑性随温度变化图,影响金属塑性的外部因素,区,（超低温度区）,-,原子热振动能力、晶界脆化物脆化,区,（,200-400,）,-,氧化物、氮化物沉淀在晶界、滑移面,区,（,800-950 ,）,-,铁素体和奥氏体共存、低熔点共晶,区（,1250 ,）,-,过热、过烧，晶粒粗大、低熔点共晶,金属塑性降低区,金属塑性增高区,1,区,（,100-200,）,-,原子热振动能力,2,区,（,700-800,）,-,回复和再结晶,3,区,（,950-1250 ,）,-,均匀一致奥氏体,影响金属塑性的外部因素 区（超低温度区）-原子热振动能,纯铝,无氧铜,几种铝合金及铜合金的塑性图,超硬铝合金,H68,Qsn,6.5-0.4,晶粒粗大化,金属间化合物,析出物,第二相,纯铝无氧铜几种铝合金及铜合金的塑性图 超硬铝合金H68Qsn,2.,应变速率,影响金属塑性的外部因素,应变速率对塑性影响的示意图,a-b:,加工硬化,软化,热效应,塑性成形设备工作速度,水压机,1-10cm/s,机械压力机,30-100cm/s,通用锻锤,500-900cm/s,c-d:,加工硬化,软化,热效应,2.应变速率 影响金属塑性的外部因素 应变速率对塑性影响的示,铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度,合 金 号,挤压系数,挤压速度（毫米,/,秒）,金属温度 ,L4,11,150,158-195,LD2,11-16,150,294-315,LY11,11-16,150,340-350,LY11,31,65,308,影响金属塑性的外部因素,铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度合 金 号挤压系数挤压,影响金属塑性的外部因素,不同变形温度下变形速率对塑性影响规律,接近熔化区,-,变形速率剧增，则塑性降低,热变形区,（,0.5-0.9T,M,）,-,塑性好，热脆性降低,温变形区,（,0.2-0.5,T,M,）,-,晶内变形为主,冷变形区（,0-0.2 T,M,）,-,与温变形相似,金属塑性变化,高速率成形被认为是加工不易加工金属的好成形方法（钛和耐热合金）,影响金属塑性的外部因素 不同变形温度下变形速率对塑性影响规律,基于红外热像技术的金属材料疲劳性能研究方法,基于红外热像技术的金属材料疲劳性能研究方法,基于红外热像技术的金属材料疲劳性能研究方法,材料在循环载荷作用下产生的塑性变形经不断累积会引起疲劳破坏,这个过程所耗的塑性功绝大部分以热量形式耗散,因此寻找热耗散温度变化过程与疲劳极限及寿命之间的关系很有意义。,基于红外热像技术的金属材料疲劳性能研究方法材料在循环载荷作用,3,应力状态,大理石和红砂石三向受压的试验结果,1,-,轴向压力,；,2,-,侧向压力,卡尔曼的试验装置,1-,压力柱；,2-,试样；,3-,试验腔室；,4-,液体注入处,影响金属塑性的外部因素,3应力状态 大理石和红砂石三向受压的试验结果卡尔曼的试验装,影响金属塑性的外部因素,通过改变应力状态提高金属塑性,影响金属塑性的外部因素 通过改变应力状态提高金属塑性,影响金属塑性的外部因素,通过改变应力状态提高金属塑性,影响金属塑性的外部因素 通过改变应力状态提高金属塑性,影响金属塑性的外部因素,通过改变应力状态提高金属塑性,包覆钢板后的塑性成型,塑性成型示意图,影响金属塑性的外部因素 通过改变应力状态提高金属塑性包覆钢板,影响金属塑性的外部因素,拉伸应力会促进晶间变形、加速晶界的破坏，三向压应力使晶间变形困难,三向压应力有利于愈合塑性变形中晶内、晶间的各种损伤,消除杂质、液态相或组织缺陷的不良影响,减轻不均匀变形而引起的附加拉应力,静水压力对提高金属塑性的良好影响,有没有不足之处？,均质,流体,作用于一个物体上的压力；,这是一种全方位的力，并均匀地施向物体表面的各个部位,影响金属塑性的外部因素 拉伸应力会促进晶间变形、加速晶界的破,4,应变状态（变形状态）,主应变图对金属中缺陷形态的影响,影响金属塑性的外部因素,轧制和挤压那个更能发挥金属的塑性能力？,4应变状态（变形状态） 主应变图对金属中缺陷形态的影响影响,6,尺寸因素的影响,变形体体积对塑性的影响,影