研究生課程材料加工學(xué)金屬部分ppt課件

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材料加工學(xué),材料加工（金屬）：鑄造、鍛壓、焊接、粉末冶金等。 材料加工學(xué)：金屬材料的加工成型原理、工藝方法和過程。 金屬熔體的微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、凝固結(jié)晶過程；鑄造、鍛壓、焊接成型等。,1,參考資料：《金屬凝固理論》、《金屬工藝學(xué)》、《金屬學(xué)與熱處理》、《金屬凝固學(xué)》（圖書館有）等； 網(wǎng)絡(luò)圖書館等； 各種相關(guān)的文獻(xiàn)資料。,2,Arthur C. Clarke提出的技術(shù)發(fā)展的三大定律: (1)“When a scientist states that something is possible，he/she is always certainly right .When he/she states that something is impossible，he/she is very probably wrong.” (2)“The only way of discovering the limits of the possible is to venture a little way past them into the im- possible” (3) “Any sufficiently advanced technology is indis- tinguishable from magic”,(唯一發(fā)現(xiàn)有可能的極限是探索極限以外不可能的東西)。,(任何先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)步都是和魔術(shù)分不開的)。,(Nothing is impossible)。,3,凝固（Solidification）,凝固是一門技術(shù)，也是一門科學(xué)。 技術(shù)－－ 。 Casting is not only an art but also a science. 瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院Kurz教授實(shí)驗(yàn)室 Solidification 國(guó)內(nèi)： 圖2-1 研究?jī)?nèi)容,鑄造,,4,圖2-1 凝固科學(xué)與凝固加工的研究?jī)?nèi)容,5,凝固是冷卻的過程,*用冷模對(duì)上下表面同時(shí)進(jìn)行冷卻 **如,Al-4.5％Cu（質(zhì)量百分比）合金,表2-1 快速凝固加工的冷速范圍及晶粒尺度等特點(diǎn),6,1、凝固的歷史發(fā)展,凝固理論：20世紀(jì)40年代出現(xiàn)，之前有鑄冶工藝。 從鑄冶工藝－常規(guī)可控凝固－定向凝固－快速凝固－ 空間凝固－超常凝固； 從結(jié)構(gòu)材料－功能材料－結(jié)構(gòu)功能材料； 從金屬（合金）－金屬間化合物－金屬基復(fù)合材料－金屬/非金屬基復(fù)合材料； 從多晶－單晶－微晶－非晶；,7,2、常用的凝固理論,形成了許多理論 液固相變形核理論 形核速率與溫度、臨界形核功、相變激活能有關(guān)。 晶體界面生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)理論 成分過冷理論 第一次從界面穩(wěn)定性揭示凝固過程。 液固界面前沿有一個(gè)溶質(zhì)富集層，如果液相的實(shí)際溫度低于 液相線，形成過冷。 不足：假設(shè)熱力學(xué)平衡，忽略界面曲率和液固兩相熱物理參數(shù)的差異。 界面穩(wěn)定性線性動(dòng)力學(xué)理論 界面穩(wěn)定性與溫度梯度、界面能、溶質(zhì)邊界層有關(guān)。,8,共晶生長(zhǎng)理論 共晶凝固不同于 單相合金凝固 枝晶生長(zhǎng)邊緣穩(wěn)定性理論 枝晶半徑與過冷度、生長(zhǎng)速度有關(guān)。 快速凝固晶體生長(zhǎng)理論 非平衡凝固；生長(zhǎng)速度大，溶質(zhì)分配系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、液相線斜率影響V。,9,3、結(jié)晶的熱力學(xué)條件,①過冷：△T＝Tm-T， ②為什么凝固結(jié)晶必須過冷？ 從熱力學(xué)分析， T=Tm，平衡態(tài)； TTm, GsGl, 熔化; TTm, GsGl, 凝固. 驅(qū)動(dòng)力: △Gv=Lm △T/Tm Lm為熔化潛熱. △Gv與△T成正比. 很顯然,過冷度越大,液固兩相 自由能差越大,結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力越大, 結(jié)晶速度越快.,圖2-2 液相和固相自由能隨溫度變化,10,4、均勻(質(zhì))形核homogeneous nucleation,當(dāng)過冷液相中形成一個(gè)晶胚（核）,一部分原子進(jìn)入晶胚內(nèi)部, 這些原子的自由能比過冷液相原子的自由能低, 這個(gè)降低 的能量是體積自由能, 是結(jié)晶的動(dòng)力; 另有一部分原子轉(zhuǎn)移到晶胚的表面, 其自由能比過冷液 相原子的高, 這個(gè)增高的能量為表面自由能, 是結(jié)晶的阻力. 總的自由能的變化將決定晶核的能否長(zhǎng)大。 假設(shè)晶核為球形，半徑為r，表面積為S，體積為V。 當(dāng)過冷液相中形成一個(gè)晶核時(shí)，總的自由能的變化為 △G＝－ △GV+ △GS △GV為液、固兩相自由能之差。,11,可用單位自由能來表示， △G＝－ V△GB+ σS 很顯然，隨r的增大， △GV比△GB變化的更快。,圖2-3 自由能變化與晶核半徑的關(guān)系,臨界晶核半徑rc： r rc時(shí), 能形核; r= rc時(shí), 平衡態(tài). 金屬凝固結(jié)晶, 晶核半徑要求,12,臨界晶核半徑rc, 令 得 臨界晶核半徑和過冷度 △T成反比。 實(shí)際生產(chǎn)中，增大過 冷度，降低rc ， 增加晶核數(shù)量，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。 r rc時(shí), 能夠形核; 晶核能否長(zhǎng)大？ 臨界形核功A,13,結(jié)晶時(shí)，晶核半徑在rc～ r0之間，晶核的長(zhǎng)大使系統(tǒng)自由能降低，但△G 0,也就是說,形成臨界晶核 時(shí),體積自由能的降低還不 能完全補(bǔ)償表面自由能的 增加,還有一部分表面自由 能必須由外界,即周圍液體 做功來供給,形核功. 臨界半徑---臨界形核功A,,14,很顯然,臨界晶核功A恰好等于臨界晶核時(shí)表面能的1/3. 也就是,形成臨界晶核時(shí),體積自由能得降低只補(bǔ)償了表 面自由能增高的2/3,還有1/3的表面自由能由能量起伏 獲得. 綜上, 均勻形核是在過冷液態(tài)金屬中,依靠結(jié)構(gòu)起伏 形成大于臨界晶核半徑的晶核,同時(shí),必須從能量起伏中 獲得形核功,才能形成穩(wěn)定的晶核。因此，結(jié)構(gòu)起伏和 能量起伏是均勻形核的必要條件，同時(shí)還必須過冷。 形核率：過冷度。,15,5、非均勻(質(zhì))形核heterogeneous nucleation,均勻形核的過冷度很大，純鋁為130℃，純鐵為295℃。 實(shí)際生產(chǎn)中，很難達(dá)到，一般不超過20℃。原因:,圖2-4 非均勻形核示意圖,16,,17,在W 相基底上形成一個(gè)球冠形的S晶核，半徑r，潤(rùn)濕角θ。 系統(tǒng)自由能的變化， 界面處，比表面能滿足 總的自由能的變化,帶入，,,,均勻形核,18,同樣，可以求臨界晶核半徑和臨界晶核功。,臨界晶核半徑相同； θ＝0～180o θ越小，則臨界晶核功越小，非均勻形核越容易，需要的過冷度越小。 形核率：影響因素多。過冷度、溫度、雜質(zhì)、攪拌等，,19,,,,,,,,20,,21,,,22,6、形核劑的選擇,（1）失配度?。汗哺?（2）粗糙度大： 形核劑粗糙度大時(shí)，凹坑多，利于形核。 （3）分散性好： 形核劑在使用時(shí)往往處于顆?；蚍勰畹男问?，若分散性不好，使用時(shí)聚集成團(tuán)，將會(huì)大大影響促進(jìn)形核。 （4）穩(wěn)定性好 指化學(xué)穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性。形核劑一般在高溫熔體中使用，若使用時(shí)易發(fā)生分解、氧化或化合，其性質(zhì)將改變，形核作用將大大減弱、甚至消失。,23,7、經(jīng)典形核理論（Classical Nucleation Theory）,均勻形核和非均勻形核的形核率,,實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)典形核理論在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面 的一些問題產(chǎn)生了疑問。,24,相圖 杠桿定律 共晶相圖 鑄造：液態(tài)成型方法。Foundry/casting， 鑄造過程：熔煉成的液態(tài)合金，澆入具有一定幾何形狀、尺寸大小的型腔中，在重力或外力作用下充滿，凝固后得到。 砂型鑄造和特種鑄造；特點(diǎn)， 鑄造性能：流動(dòng)性、收縮、偏析、吸氣、應(yīng)力、變形和裂紋傾向等。 “高溫出爐，低溫澆注” 生產(chǎn)中，澆注時(shí)應(yīng)遵循高溫出爐，低溫澆注的原則。 因?yàn)樘岣呓饘僖旱某鰻t溫度有利于夾雜物的徹底熔化、熔渣上浮，便于清渣和除氣，減少鑄件的夾渣和氣孔缺陷；采用較低的澆注溫度，則有利于降低金屬液中的氣體溶解度、液態(tài)收縮量和高溫金屬液對(duì)型腔表面的烘烤，避免產(chǎn)生氣孔、粘砂和縮孔等缺陷。因此，在保證充滿鑄型型腔的前提下，盡量采用較低的澆注溫度。,25,凝固方式： 一般三種類型；逐層凝固方式(skin-forming solidification)，體積凝固方式(volume solidification)或稱糊狀凝固方式(mushy solidification)和中間凝固方式(middle solidification)。凝固方式取決與凝固區(qū)域的寬度,而凝固區(qū)域的寬度取決于合金的結(jié)晶溫度范圍和冷卻強(qiáng)度( 溫度梯度)。,26,凝固溫度范圍很小，并且斷面溫度梯度很大時(shí)，鑄件的凝固區(qū)域?qū)⒑苷?，屬于逐層凝固方式；純銅、純鋁、灰鑄鐵以及低碳鋼等屬于逐層凝固； 結(jié)晶溫度范圍很寬，或雖然結(jié)晶溫度范圍不大，但是溫度場(chǎng)較為平坦，以至于表面溫度高于ts時(shí)，鑄件心部的溫度已降至結(jié)晶開始溫度， 使凝固區(qū)域貫穿整個(gè)斷面，體積凝固，或稱糊狀凝固，球墨鑄鐵、高碳鋼、錫青銅等合金； 介于二者之間為中間凝固。在凝固初期往往類似于逐層凝固，大多數(shù)合金均以中間凝固方式進(jìn)行凝固，如中碳鋼、白口鑄鐵等。,27,,28,凝固組織和缺陷,29,等軸晶組織的獲得和細(xì)化 獲得等軸晶組織的原則是使液態(tài)金屬中不斷地產(chǎn)生新晶核，以阻止柱狀晶的生長(zhǎng)，晶核越多則形成的等軸晶晶粒就越細(xì)。 (1)降低澆注溫度：降低澆注溫度是縮小柱狀晶區(qū)和擴(kuò)大等軸晶區(qū)并細(xì)化晶粒的有效措施。降低繞注溫度能使液態(tài)金屬與型壁及澆道壁接觸時(shí)就產(chǎn)生大量晶體并自型壁脫落。降低澆注溫度能使游離的小晶體在隨后的漂移中重新熔化的可能性減小。 （2）孕育處理 在液態(tài)金屬中加入孕育劑，促進(jìn)液態(tài)金屬內(nèi)部形核從而獲得細(xì)小等軸晶的方法稱為孕育處理。 關(guān)于孕育的作用，目前有兩種說法；一種觀點(diǎn)認(rèn)為孕育劑主要起促進(jìn)非自發(fā)形核作用；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為孕育劑主要使溶質(zhì)偏析系數(shù)增大、使枝晶易產(chǎn)生更細(xì)的頸縮，促進(jìn)晶體自型壁脫落和晶枝的熔斷脫落，從而增加漂移于型腔內(nèi)部的小晶體數(shù)量。,30,偏析程度的大小取決于溶質(zhì)平衡分配系數(shù)K0 ．即固-液兩平衡相中溶質(zhì)濃度的比值。 對(duì)于K0＜1的合金，即液相線和固相線隨著溶質(zhì)濃度的增加而降低的合金，K0值越小，結(jié)晶過程中造成的溶質(zhì)偏析程度就越嚴(yán)重； 反之，對(duì)于K0＞1的合金，即液相線和固相線隨著溶質(zhì)濃度的增加而上升的合金． K0值越大，則偏析程度越嚴(yán)重。 因此可以用 1- K0的絕對(duì)值，作為描述固-液界面前沿液相的溶質(zhì)偏析程度的參數(shù)，I 1-K0 I稱溶質(zhì)偏析系數(shù)。不論K0＜1還是K0＞1，凡偏析系數(shù)大的元素對(duì)晶粒細(xì)化的作用就大。就成了選擇晶粒細(xì)化劑的依據(jù)。,31,32,（3）動(dòng)力學(xué)細(xì)化法 動(dòng)力學(xué)細(xì)化方法主要是采用機(jī)械力或電磁力引起固相和液相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶的破碎或與鑄型分離，在液相中形成大量結(jié)晶核心，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。 （4）提高冷卻速度 影響很復(fù)雜。 薄壁件：金屬型可以提高冷速，整個(gè)鑄件斷面產(chǎn)生大的過冷，可獲得細(xì)小等軸晶； 厚壁件：應(yīng)采用砂型，型壁上不易產(chǎn)生凝固殼，晶體容易從型壁上脫落，阻礙柱狀晶的形成。 缺陷： 偏析、縮孔、縮松、氣孔、非金屬夾雜等。,33,金屬凝固時(shí)各組元會(huì)按一定規(guī)律分配，這是造成凝固偏析的原因。掌握金屬凝固中溶質(zhì)再分配的規(guī)律，是生產(chǎn)實(shí)踐中控制各種凝固偏析的基礎(chǔ)。根據(jù)凝固時(shí)晶體形成特點(diǎn)，把凝固時(shí)只析出一個(gè)固相的合金叫單相合金；而把凝固時(shí)同時(shí)析出兩個(gè)以上相的合金，叫多相合金。 成分過冷： 一般凝固條件下，固液界面前沿液相溶質(zhì)將形成一個(gè)溶質(zhì)富集的邊界層(對(duì)k01的合金)。這種溶質(zhì)富集，導(dǎo)致液相凝固溫度TL發(fā)生改變，與界面前沿實(shí)際溫度Ta相比，產(chǎn)生差異， 此差異可能引起過冷把這種由溶質(zhì)再分配導(dǎo)致界面前沿平衡溫度發(fā)生變化而引起的過冷稱為成分過冷。,34,35,36,37,38,共晶合金的凝固,大部分工程合金都采用共晶型合金，原因是共晶型合金具有與純金屬相近的優(yōu)良鑄造性能和綜合力學(xué)性能。它們可分為兩大類，即規(guī)則共晶和非規(guī)則共晶。 規(guī)則共晶由金屬-金屬組成共晶體； 非規(guī)則共晶由金屬-非金屬組成共晶體。如Fe-C, Al-Si共晶。,39,共生生長(zhǎng)： 離異生長(zhǎng),40,對(duì)于共晶合金的共生生長(zhǎng)方式，結(jié)晶時(shí)后析出相依附于領(lǐng)先析出相表面析出，形成具有兩相共同生長(zhǎng)界面的雙相核心，然后依靠溶質(zhì)原子在界面前沿兩相間的橫向擴(kuò)散，互相不斷地為相鄰的另一相提供生長(zhǎng)所需的組元，使兩相協(xié)同生長(zhǎng)。由共晶平衡相圖可以看出，在陰影線區(qū)域內(nèi)的過冷液相結(jié)晶時(shí)，α相要排出組元B，同時(shí)需要溶入組元A；而β相要排出組元A，同時(shí)溶入組元B，這恰巧是兩相共同需要的條件，于是，α相和β相的結(jié)晶過程，正好通過A，B兩類原子在生長(zhǎng)界面前沿的橫向交互擴(kuò)散，彼此為對(duì)方提供所需的組元而并肩向前生長(zhǎng)。這種兩相彼此合作生長(zhǎng)的方式，就稱作共生生長(zhǎng)。 共生生長(zhǎng)需要具備兩個(gè)基本條件，一是兩相生長(zhǎng)能力要相近，且析出相要容易在先析出相上形核和長(zhǎng)大。先析出相一般稱為領(lǐng)先相，它可能是初生相，也可能不是初生相；另一條件是A ，B兩組 元在界面前沿的橫向傳輸能保證兩相等速生長(zhǎng)的需要。 實(shí)驗(yàn)指出，這兩個(gè)條件只有當(dāng)合金過冷到一定溫度和處于一定成分范圍時(shí)才能滿足。這個(gè)范圍就是相圖中陰影線表示的所謂共生區(qū)。,41,有的共晶合金兩相生長(zhǎng)時(shí)，并沒有共同的生長(zhǎng)界面，而是兩相分離，并以不同的生長(zhǎng)速率進(jìn)行結(jié)晶，這就是所謂的離異生長(zhǎng)方式。其所得的組織稱為離異共晶體。 離異共晶體又可分為晶間偏析型和領(lǐng)先相呈球團(tuán)型兩類。 前者的合金成分偏離共晶點(diǎn)很遠(yuǎn)，在初晶相長(zhǎng)得很大，且數(shù)量又很多的條件下，才發(fā)生共晶反應(yīng)，結(jié)果一相就在初晶相的枝晶上繼續(xù)長(zhǎng)出，而把另一相單獨(dú)留在了枝晶間； 后者因領(lǐng)先相往往屬熔點(diǎn)高的金屬，且生長(zhǎng)界面為各向異性，此時(shí)領(lǐng)先相形成球團(tuán)形態(tài)，金屬相只能圍繞其表面生長(zhǎng)，形成“暈圈”。,42,43,金屬冷態(tài)下的塑性變形 多晶體晶粒之間存在著厚度相當(dāng)小的晶界，晶界的結(jié)構(gòu)與相鄰兩晶粒之間的相位差有關(guān)，一般可分為小角度晶界和大角度晶界。實(shí)際多晶體金屬通常都是大角度晶界，因此，晶界表現(xiàn)出許多不同于晶粒內(nèi)部的性質(zhì)，如室溫時(shí)晶界的強(qiáng)度和硬度高于晶內(nèi)，而高溫時(shí)則相反；晶界中原子的擴(kuò)散速度比晶內(nèi)原子快得多；晶界的熔點(diǎn)低于晶內(nèi)；晶界易被腐蝕等等。 晶內(nèi)變形和晶間變形 晶內(nèi)變形的主要方式和單晶體一樣為滑移 和孿生。 晶間變形的主要方式是晶粒之間相互滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。,44,,,,,,,45,,晶粒間的滑動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng),46,多晶體金屬經(jīng)冷態(tài)塑性變形后，除了在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶和孿生帶等組織特征外，還具有下列的組織變化。 晶粒形狀的變化： 金屬經(jīng)冷加工變形后，其晶粒形狀發(fā)生變化，變化趨勢(shì)大體與金屬宏觀變形一致。 晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)：金屬經(jīng)很大的冷變形后，由于晶體內(nèi)的位錯(cuò)增殖和纏結(jié)可以形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。 晶粒位向改變（變形結(jié)構(gòu)）： 多晶體塑性變形時(shí)伴隨有晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量很大時(shí)，多晶體中原為任意取向的各個(gè)晶粒，會(huì)逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致。,47,塑性變形 （1）單晶體的塑性變形 “滑移”： 滑移面、滑移方向 滑移的位錯(cuò)機(jī)制：實(shí)驗(yàn)和理論表明，在實(shí)際晶體中存在位錯(cuò)，晶體的滑移不是一部分相對(duì)于另一部分同時(shí)作整體的剛性移動(dòng)，而是通過位錯(cuò)在切應(yīng)力的作用下沿著滑移面逐步移動(dòng)的結(jié)果。 位錯(cuò)線移動(dòng)到表面，表面留下一個(gè)原子間距的滑移臺(tái)階，大小為柏氏矢量，大量的位錯(cuò)線形成滑移痕跡，這就是滑移線的實(shí)質(zhì)。 位錯(cuò)的增殖；交割與塞積 （2）多晶體 不同時(shí)，相互協(xié)調(diào)，不均勻。 晶粒大小：晶界強(qiáng)化，晶粒細(xì)小，強(qiáng)度高塑性好。 （3）合金的變形 單相固溶體（固溶強(qiáng)化），多相合金（第二相強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化）。,48,變形對(duì)金屬組織和性能的影響 細(xì)化，織構(gòu)， 加工硬化：隨變形程度的增加，強(qiáng)度、硬度增加，而塑性、韌性下降。 為什么？位錯(cuò)的交互作用。 加工硬化的應(yīng)用,49,金屬熱態(tài)下的塑性變形 1、金屬和合金的回復(fù)與再結(jié)晶 形變金屬（有缺陷，畸變能，不穩(wěn)定）的退火，T、t、緩慢冷到室溫 退火：回復(fù)+再結(jié)晶+晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段。 纖維狀------細(xì)小顆粒狀--------粗大顆粒。 去應(yīng)力 再結(jié)晶溫度：經(jīng)過嚴(yán)重冷變形的金屬（變形度在70%以上），在約一個(gè)小時(shí)的保溫內(nèi)能夠完成再結(jié)晶（95%轉(zhuǎn)變量）的溫度。 以上為熱加工，否則為冷加工。 2、動(dòng)態(tài) 3、晶內(nèi)變形和晶界變形 晶界強(qiáng)度低， 4、組織和性能 改善晶粒組織、鍛合內(nèi)部缺陷、形成纖維組織。,50,塑性成形時(shí)，必須對(duì)金屬施加外力，稱為變形力；而金屬抵抗變形的力，則稱為變形抗力，它們大小相等、方向相反。變形抗力反映了材料變形的難易程度，它不僅取決于材料的性質(zhì)，還與塑性成形時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)．  設(shè)有兩個(gè)同材質(zhì)的單元體其應(yīng)力狀態(tài)分別為三向壓縮和兩壓一拉，σ1為外力所產(chǎn)生的主應(yīng)力，σ2、σ3為模壁約束作用所產(chǎn)生的主應(yīng)力，并假設(shè)σ2=σ3。根據(jù)屈服準(zhǔn)則可知，為了使該單元體發(fā)生塑性變形，對(duì)于三向壓應(yīng)力狀態(tài)時(shí)應(yīng)滿足： |σ1|-|σ3|=σs 即 σ1=σs-|σ3|  顯然，第一種情況下σ1的絕對(duì)值（即變形抗力）要比第二種情況下的大.因此，對(duì)第一種情況需要施加更大的外力（即增大σ1），方能使金屬發(fā)生塑性變形。,51,52,真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線,真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線即為金屬在單向應(yīng)力狀態(tài)下真實(shí)應(yīng)力與變形程度（應(yīng)變）之間的關(guān)系曲線。由于該曲線反映了金屬變形時(shí)的加工硬化情況，故也稱為硬化曲線。同一材料，由于變形溫度和應(yīng)變速率的不同，其真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線亦不同。 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線通常采用拉伸試驗(yàn)獲得，它是研究材料的屈服強(qiáng)度（流動(dòng)應(yīng)力）與塑性行為、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和求解塑性成形問題不可缺少的基本實(shí)驗(yàn)資料。,53,應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系： σ=Aεn 式中 A ——與材料有關(guān)的系數(shù)，單位為MPa； n ——硬化指數(shù)。 硬化指數(shù)n：硬化指數(shù)大，表明變形時(shí)硬化顯著，對(duì)后續(xù)變形不利。例如，20鋼和奧氏體不銹鋼的塑性都很好，但是奧氏體不銹鋼的硬化指數(shù)較高，變形后再變形的抗力比20鋼大得多，所以其塑性成形性也較20鋼差。 體積不變：εx+ εy +εz =0 結(jié)論： （1）塑性變形時(shí)，只有形狀和尺寸的改變，而無體積的變化；（2）不論應(yīng)變狀態(tài)如何，其中必有一個(gè)主應(yīng)變的符號(hào)與其它兩個(gè)主應(yīng)變的符號(hào)相反，且這個(gè)主應(yīng)變的絕對(duì)值最大。（3）當(dāng)已知兩個(gè)主應(yīng)變的數(shù)值時(shí)，第三個(gè)主應(yīng)變大小也可求出。,54,一、影響金屬塑性變形的內(nèi)在因素 （一）化學(xué)成分 純金屬的塑性成形性比合金的好。鋼的含碳量對(duì)鋼的塑性成形性影響很大，對(duì)于碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.15%的低碳鋼，主要以鐵素體為主（含珠光體量很少），其塑性較好。隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼中的珠光體量也逐漸增多，甚至出現(xiàn)硬而脆的網(wǎng)狀滲碳體，使鋼的塑性下降，塑性成形性也越來越差。 合金元素會(huì)形成合金碳化物，形成硬化相，使鋼的塑性變形抗力增大，塑性下降，通常合金元素含量越高，鋼的塑性成形性能也越差。 雜質(zhì)元素磷會(huì)使鋼出現(xiàn)冷脆性，硫使鋼出現(xiàn)熱脆性，降低鋼的塑性成形性能。 （二）金屬組織 純金屬及單相固溶體的合金塑性成形性能較好；鋼中有碳化物和多相組織時(shí)，塑性成形性能變差；具有均勻細(xì)小等軸晶粒的金屬，其塑性成形性能比晶粒粗大的柱狀晶粒好；網(wǎng)狀二次滲碳體，鋼的塑性將大大下降。,55,二、影響金屬塑性變形的加工條件 （一） 變形溫度 溫度升高，塑性提高，塑性成形性能得到改善。變形溫度升高到再結(jié)晶溫度以上時(shí)，加工硬化不斷被再結(jié)晶軟化消除，金屬的塑性成形性能進(jìn)一步提高。 過熱：加熱溫度過高，會(huì)使晶粒急劇長(zhǎng)大，導(dǎo)致金屬塑性減小，塑性成形性能下降，這種現(xiàn)象稱為“過熱”。 過燒：如果加熱溫度接近熔點(diǎn)，會(huì)使晶界氧化甚至熔化，導(dǎo)致金屬的塑性變形能力完全消失，這種現(xiàn)象稱為“過燒”，坯料如果過燒將報(bào)廢。 （二） 變形速度 變形速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)變形程度的大小。變形速度的增大，金屬在冷變形時(shí)的冷變形強(qiáng)化趨于嚴(yán)重；當(dāng)變形速度很大時(shí)，熱能來不及散發(fā)，會(huì)使變形金屬的溫度升高，這種現(xiàn)象稱為“熱效應(yīng)”，它有利于金屬的塑性提高，變形抗力下降，塑性變形能力變好。,56,57,§4-4 金 屬 強(qiáng) 化 理 論,位錯(cuò)強(qiáng)化理論,阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的因素,58,超 塑 性 對(duì)某些合金，在特定的條件下進(jìn)行拉伸，其延伸率可達(dá)100％～1000％（一般為 100％），而所需的變形應(yīng)力卻很小。稱這種現(xiàn)象為“超塑性”。 1、微細(xì)晶粒超塑性：是在恒溫下進(jìn)行的，TR=0.5Tm，晶粒?10?m，為等軸晶，無殘余內(nèi)應(yīng)力，故也稱恒溫超塑性。 2、相變超塑性：金屬在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變或相變時(shí)的溫度上下做多次加熱-冷卻循環(huán)進(jìn)行變形，能產(chǎn)生極大的延伸率，它是在動(dòng)態(tài)下發(fā)生的，故稱動(dòng)態(tài)超塑性。,59,60,在溫度—距離坐標(biāo)中，畫出這4個(gè)點(diǎn)的位置，如上圖(c)所示；,61,62,把(d)與(c)兩圖畫在一個(gè)坐標(biāo)中，即上圖(e)中顯示， 離液/固（L/S)界面前沿不同距離處形成了成分過冷區(qū),63,64,