09-5.金属热变形机制
3.4金属的热变形加工
采用超塑合金制造的摩托车外壳
纳米铜的室温超塑性
本章小结
塑性变形是材料在外力作用下所表现出来的一种行为，它不仅能改变材
料的外形和尺寸，而且使其内部的组织、结构和性能发生了一系列变化。 本章重点讨论了金属塑性变形的特点、规律，以及经塑性变形后的金属 在重新加热时其组织、结构与性能所发生的变化规律。 金属经塑性变形产生滑移带、晶粒压扁或拉长，其性能突出表现为加工 硬化，因此加工硬化的含义、机理及在生产中的实际应用即为学习的重 点所在；关于回复与再结晶部分：应注意其前提条件，回复与再结晶的 应用，以及再结晶的概念、再结晶温度与再结晶退火温度的计算等。 正确而合理的热变形加工可消除铸造缺陷，提高其力学性能。同时在特 定条件下，形成合理的流线组织也是必不可少的。 本章的学习，不仅为制定合理的冷、热变形加工提供科学依据，同时也 为探讨材料力学性能的本质、强化材料等提供理论和实际依据。
3.4 金属的热变形加工 （Hot Deformation of Metals）
3.4.1 冷、热变形加工的区别
金属学上，区分冷变形加工和热变形加工的界限是金属的TR。 在TR以下进行塑性变形称为冷加工； 在TR以上进行塑性变形称为热加工。 钨在1100℃变形加工，锡在室温下变形加工，它们各为何种塑性 加工类型？（已知钨的熔点为3410℃ ，锡的熔点为232℃）
钨：TR=(3410+273) ×0.4-273=1200(℃) 冷变形加工 锡：TR=(232+273) ×0.4-273=-71(℃) 热变形加工
3.4 金属的热变形加工 （Hot Deformation of Metals）
3.4.1 冷、热变形加工的区别
金属材料冷变形加工后晶 粒被拉长，变形过程中不 发生再结晶，金属将保留 加工硬化效应。
高温合金材料的变形机制与变形行为
高温合金材料的变形机制与变形行为在高温环境下，材料的性能表现变得尤为重要。
因此，高温合金材料的研究和应用成为了材料科学领域的重要课题之一。
高温合金材料具有出色的耐高温性能和抗氧化性能，被广泛应用于航空航天、汽车工业、能源行业等领域。
高温合金材料的变形机制主要包括塑性变形和本构关系两个方面。
塑性变形是材料在外力的作用下，经过变形能够恢复到原始形状的能力。
本构关系则描述了材料的应力和应变之间的关系。
塑性变形的机制取决于高温合金材料的晶体结构和晶体的变形行为。
晶体结构对高温合金的耐高温性能至关重要。
高温合金通常采用面心立方晶体结构，这种结构能够提供更好的机械性能和抗氧化性能。
高温合金材料的变形行为主要包括滑移、蠕变和晶界滑移等。
滑移是指晶体中的原子沿着晶面或晶轴方向滑动，从而使晶体发生塑性变形。
蠕变是指在高温环境下，材料在持续荷载下发生的时间依赖性塑性变形。
晶界滑移是指晶界附近的原子在应力作用下的位移。
滑移、蠕变和晶界滑移是高温合金材料变形机制的重要组成部分，也是高温材料高温性能的关键因素。
通过深入研究这些变形行为可以提高高温合金材料的性能，进一步推动高温材料的发展。
材料的本构关系描述了材料的应力和应变之间的关系。
高温合金材料的本构关系通常采用应变硬化本构模型来描述。
应变硬化是指材料在应变增加时，其抗力也会相应增加。
通过研究材料的本构关系，可以预测材料在高温环境下的力学行为。
除了塑性变形和本构关系，高温合金材料的变形机制还涉及热膨胀和热应力等因素。
在高温环境下，材料会因为温度的变化而发生膨胀，从而引起应力的变化。
热应力对材料的变形行为具有重要的影响，特别是对于高温合金材料来说。
总的来说，高温合金材料的变形机制与变形行为对材料的性能和应用具有重要影响。
深入研究高温合金材料的变形机制和本构关系，可以为材料的设计和制备提供重要的理论依据。
同时，加强对高温合金材料的研究和应用，将为航空航天、汽车工业和能源行业等领域的发展提供更好的支持。
热变形名词解释
热变形名词解释塑性变形：是金属材料在加热时发生的一种机械变形，它与金属的再结晶和晶粒长大过程密切相关。
金属热变形后晶格产生畸变并造成体积膨胀，如果继续加热，则在新的平衡状态下又会出现新的变形，这样反复多次进行，便可达到预定的要求。
热变形区：材料中组织变化(晶粒取向、位错等)及尺寸改变处即为热变形区。
根据热变形区的实际含义又可将其划分为一次和二次变形区。
一次变形区在热变形前温度保持不变的区域内，因而在加热过程中，可能产生一定数量的新相，但是组织、成分、结构以及显微结构仍然保持基本不变，所以称为一次变形区。
二次变形区是随着加热温度升高和保温时间的增加，材料的组织、成分和显微结构才逐渐地、连续地发生变化。
二次变形是非均匀变形，在冷却过程中也不会完全消失，有时会形成第二相或转变成另外一种相，同时在晶界上出现滑移面，使金属组织、性能、尺寸及显微结构都发生变化。
AlCdSi合金系中相间无化学键存在，是典型的面心立方晶格，其组织决定了相互的取向关系;在热变形过程中发生的均匀化退火、第二次加热再结晶都是通过取向来消除位错。
为防止二次变形在金属热变形后的回火过程中，必须避免出现可逆回火脆性。
金属经多次加热和保温后，热应力的产生主要由于局部应力集中。
热应力与材料的组织结构和加热方式有关，在热变形后回火时，在材料各部分形成新的取向，从而降低新的应力集中。
在热变形区中要求两相具有良好的分散性，以保证金属在塑性变形过程中，避免晶格畸变和晶粒长大。
两相良好分散性的条件是：(1)母相和第二相之间在常温下为液态，由于加热时两相之间发生固态变形，故应形成晶间固溶体;(2)第二相比较细小，易于聚集，而且粒子越小越好。
对于二元合金体系，必须注意第二相中碳化物和合金元素浓度的均匀性。
此外，对合金元素对合金的热稳定性有重要影响。
金属的二次变形倾向主要是通过合金化进行控制的，对于二元合金系统，合金元素能起固溶强化的作用，所以二元合金只有均匀化退火，才能使二次变形量减少到最小限度。
钛合金热变形
钛合金热变形
钛合金是一类特殊的金属合金，具有轻质、高强度、耐腐蚀等优异性能。
在高温条件下，钛合金可能发生热变形，这是由于高温下金属晶格结构的改变和原子热运动的增强导致的。
热蠕变（Creep）：在高温和应力作用下，钛合金可能会发生热蠕变。
这是一种渐进性的塑性变形，主要是由于晶格内部的原子滑移导致的。
热蠕变的发生速率与应力、温度和合金的化学成分等因素密切相关。
高温氧化：高温下，钛合金容易与氧气发生反应，形成氧化物。
这种氧化可能导致表面的脆化和剥落，进而影响合金的性能。
晶粒长大：在高温条件下，钛合金的晶粒可能会发生长大。
这种现象可能导致材料的塑性降低和抗拉强度下降。
为了减缓钛合金的热变形，可以采取以下措施：
合金设计：通过调整合金的成分，可以改变其晶格结构和相变温度，从而提高其高温稳定性。
表面涂层：对钛合金进行表面涂层，可以提高其耐高温氧化的
能力，减缓氧化对合金性能的影响。
热处理：通过合适的热处理工艺，可以调整合金的晶粒结构，改善其高温性能。
总的来说，了解钛合金的热变形特性对于在高温环境下使用这类材料的工程应用至关重要。
合理的材料选择、设计和工艺控制可以最大程度地减缓钛合金的热变形，保障其在高温环境下的可靠性和稳定性。
金属塑性成形原理金属塑性变形的物理基础PPT课件
• 较强相体积分数高于70%，该相变为基体相
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弥散型两相合金的塑性变形
当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相
中时，将产生显著的硬化现象
•
沉淀强化（时效强化）：第二相微粒是通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化
•
相协调。
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二、塑性成形的特点
❖
❖
❖
受晶界和晶粒位向的影响较大
多晶体塑性变形的抗力比单晶体高；
多晶体内晶粒越细，晶界总面积就越大，金属强度越高，塑性越好。
多晶体变形不均匀性
晶粒受位向和晶界的约束，变形先后不一致，导致变形不均匀。
由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间存在不同的内应力，变形结束后不会
交滑移
• 对于螺型位错，所有包含位错线的晶面都可能成为滑移面。
• 交滑移：螺形位错的柏氏矢量具有一定的灵活性，当滑移受阻是，可离开原滑移
面而沿另一晶面继续移动
• 双交滑移：发生交滑移的位错，滑移再次受阻，而转到与第一次的滑移面平行的
的晶面继续滑移
• 刃型位错不可能产生交滑移
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位错塞积
原子能量随位置的变化为一余弦函数。
❖ 通过计算晶体的临界剪切应力，并与实际的临界
剪切应力进行比较，人们发现，理论计算的剪切
强度比实验所得到的剪切强度要高一千倍以论
为了解释这种理论值和实际值的差别，1934年泰
勒（）、奥罗万（E.Orowan）、和波兰伊
（M.Polanyi）几乎在同一时间内，分别提出了位
当退火状态的低碳钢试样拉伸到超过屈服点发生少量塑性变形
金属材料塑性变形机制与特点ppt课件
也有。
❖ 这种屈服景象还有时效效应。假设在屈服一定的塑性 变形处卸载。随后立刻再拉伸，那么屈服景象不出现。 假设卸载后在室温停留较长时间，或在较高温度留一定 时间后，再拉伸，那么曲线上屈服景象又重新出现，且 新的屈服平台高于卸载时的曲线——应变时效。
docin/sundae_meng
❖ 低碳钢的屈服与时效景象可由cottrell提出的 气团概念来解释。
3.1.1 金属晶体塑性变形的机制
定义 fcc: {111} <110>; bcc: {110} {112}
滑移
{123} <111>
滑移系 hcp: {0001} 1120
定义 孪生 hcp 滑移系少，故常以孪生方式进展
fcc 低温下，高速变形条件下进展 bcc 孪生变形量是很有限的，它的作用改动晶体取
❖ 当SK一定时:
2D
0.2 W
❖ 而W随断裂时其应力SK添加而显著增大。
❖ 许多实验结果阐明,由于资料塑性缺乏而 引起的早期断裂往往和SK较低有关。
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3.4 应力形状对塑性变形的影响
❖ 3.4.1加载方式和应力形状软性系数 ❖ 3.4.2金属静拉伸力学性能——改动
docin/sundae_meng
❖
在双对数坐标上,这一关系表现为不断
线,它的斜率等于n,
nd dlln n ssd d sd d sn•s
❖
ds
❖ 在S/ε一样的条件下,n↑→ ↑d , S-ε曲线
越陡,对n值较小的资料,当S/ε较大时,也可
以有较高的形变强化速率 ds/d
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向，以便启动新的滑移系统，或使难于滑移的取向 改动为易于滑移的取向。
金属的塑性变形机制
压力加工原理 应力与变形 金属的塑性变形机制压力加工中的摩擦与润滑金属加工中各种方法的应力与变形特点金属的塑性与变形抗力 塑性变形对金属组织性能的影响压力加工原理 绪论 自然界金属一般是以氧化物、硫化物、盐类等形式存在 很少以纯金属形式存在 贵金属等 须以冶金、电化学等方式提取出来 加以利用。
提取出来的金属须通过各种方式 加工需要的形状 称为成型。
金属成型方法一般分3类减少质量的方法 机加工、电解腐蚀、冲裁剪切等。
增加质量的方法 焊接铆接、电镀沉积等。
质量不变的方法 锻造、轧制、挤压、拉拔等压力加工原理 绪论 由于金属铸锭组织粗大且不均匀 强度、塑性差 常需要通过压力加工改善内部组织、改变形状 以利后续应用。
金属压力加工就是利用金属的塑性 通过外力克服金属对变形的抵抗 使其产生塑性变形 从而得到各种形状、尺寸和组织性能的产品。
压力加工的过程就是金属产生塑性变形的过程 也可称作塑性加工。
压力加工原理 绪论 金属压力加工的分类 按照加工时 工件受力和变形方式锻造、轧制、挤压、拉伸等按照加工时 工件温度特征热加工 工件在完全再结晶温度以上进行加工 控制温度、变形、冷却 冷加工 工件在回复和再结晶温度以下进行加工 须配合热处理温加工 介于冷、热加工之间的压力加工过程 降低变形抗力、改善塑性 工件在外力作用下 大量金属原子从一个平衡位置转移到另一个平衡位置 宏观上就产生了变形 弹性变形、塑性变形 工件受力分析 外力 加工过程中作用在金属表面的力。
工具对工件施加变形力和约束反力、工件与工具的摩擦力内力 变形中为了平衡外力的作用 在金属内部产生的与外力相平衡的力应力 单位面积上的内力称应力 内力的分类第一种内力 由于受力 金属原子间距发生改变产生的 与外力平衡。
哪个方向有外力 金属内部哪个方向就有第一种内力产生第二种内力 当金属变形不均匀时 金属内部产生的自相平衡的力 变形不均匀、受热不均匀等 应力 四种 基本应力、内应力基本应力 随外力产生而产生 外力去除 基本应力消失第一、二、三种内应力 金属中、晶粒群间、晶粒或相间、晶粒内部由于变形不均匀而产生 残余应力 变形结束后 金属内部仍然残留的应力 三种 对应内应力 后果及预防措施 应力状态、变形状态描述在变形区域内取一个微小的正六面体 建立直角坐标系作用在这个正六面体上的力进行分解 分解为主应力和切应力 作图 当只存在主应力时 称主应力图 共有九种 分三类线应力状态 拉、压 平面应力状态 两向压、两向拉、一拉一压体应力状态 三向压、三向拉、一压两拉、一拉两压 变形区与外端的概念 变形区 在外力作用下正在发生塑性变形的区域称变形区外端 变形区前后 与变形区紧密相连的区域 有的尚未变形 有的已经变形完毕这部分统称外端 也称刚端金属在变形过程中是连续变形的整体 研究变形规律和现象时应注意变形区、外端之间的相互作用工具工具外端外端变形区 金属变形过程与断裂 金属变形过程静力拉伸试验的应力-应变曲线可以看出 金属变形中同时存在弹性变形和塑性变形金属的断裂一般过程 微裂纹的产生、扩展、聚合→裂纹产生、扩展→断裂随变形条件的不同 温度、变形速度、材料状态等 金属的断裂大体上可分为两类脆性断裂 宏观上变形很小就发生断裂 端口平齐 一般有晶体光泽。
第五篇(微观变形)
5. 4. 3
细晶超塑性
1．变形力学特征
K m
m d ln d ln
m——应变速率敏感性系数
m是表达超塑性特征的一个极其重要的指标，对于普通金属，
m=0.02-0.2；而对于超塑性材料，1 > m > 0.3
轧制模拟试验法
在平辊间轧制楔形试件， 用偏心轧辊轧制矩形试样， 找出试样上产生第一条可见 裂纹时的临界压下量作为轧 制过程的塑性指标。
5. 1. 3 塑性状态图及其应用
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
确定MB5合金加工工艺规程的原 则和方法
5. 2. 4
温度，℃
理论剪切应力
变形机构图
温度，℃
-位错滑移
-位错蠕变
理论剪切应力 位错滑移 位错蠕变
扩散蠕变
蠕变 扩散流变 （Nabarro蠕变） 弹性区
Nabarro
蠕变
图5-9 变形机制图（a）纯银和（b）锗给出不同 变形机制起控制作用的应力-温度区间，两种材料的晶粒尺寸都是 32μm 以10-8/s的应变速率来确定弹性边界
5. 2. 2
多晶体的塑性变形机构
1．晶粒的转动与移动
图5-7 晶粒的转动
2．溶解——沉积机构
该机构的实质是一相晶体的原子迅速而飞 跃式的转移到另一相的晶体中去。 保证两相有较大的相互溶解度外，还必须 具备下列条件 : （1）随着温度的变化或原有相晶体表面大 小及曲率的变化，伴随有最大的溶解度改 变。 ( 2）变形时，应具备足够高的温度条件。