1、 材料成形金屬學(xué)材料成形金屬學(xué)Physical metallurgy緒緒 論論 Temperature ()Absorbed energy (J)0100200300-200 -150 -100 -50050Requirement材料成形材料成形體積不變的成形體積不變的成形體積改變的成形體積改變的成形軋軋制制擠擠壓壓鑄鑄造造焊焊接接涂涂鍍鍍旋旋壓壓連續(xù)成形連續(xù)成形零件成形零件成形體積增加體積增加體積減少體積減少鍛鍛造造沖沖壓壓拉拉拔拔機(jī)機(jī)加加切切割割冶金類冶金類機(jī)械類機(jī)械類機(jī)械類機(jī)械類 本課程的目的和任務(wù)本課程的目的和任務(wù)了解材料塑性變形的物理本質(zhì)、變形機(jī)制物理本質(zhì)、變形機(jī)制和和基本基本規(guī)律規(guī)

2、律；掌握分析材料塑性變形中組織性能變化組織性能變化和缺陷缺陷的基本方法；為材料組織性能控制組織性能控制的研究打下良好的基礎(chǔ)。 Physical MetallurgypProcessing (compositions) microstructuresproperties (mechanical/physical/chemical)成形（合金成分）成形（合金成分）-組織組織-性能性能Properties塑性變形塑性變形形狀/尺寸改變組織/性能控制ProcessingMicrostructurePerformance Microstructure = Performance 材料結(jié)構(gòu)的三個(gè)層次材料結(jié)

3、構(gòu)的三個(gè)層次 宏觀宏觀 細(xì)觀細(xì)觀 微觀微觀mm mm nm肉眼、放大鏡肉眼、放大鏡 顯微鏡顯微鏡 電子顯微鏡、電子顯微鏡、X X射線衍射射線衍射 鑄錠 Al 鑄錠 未加細(xì)化劑未加細(xì)化劑 加細(xì)化劑加細(xì)化劑 黃銅黃銅Brass (孿晶孿晶twins) TiAl金屬間化合物金屬間化合物 intermetallicsHigh resolution Transmission Electron Microscope (HRTEM)pJuan Villegas, Ph.D. thesis (UConn MSE)advancing twin001110Nickel alloy 性能控制性能控制p強(qiáng)韌性能強(qiáng)韌性

4、能p沖壓性能沖壓性能p電磁性能電磁性能p熱強(qiáng)性能熱強(qiáng)性能020406080%變形程度36032028024020016012080407006005004003002001000220180160140120延 伸率 %沖 擊韌度/J cm-2HB強(qiáng)度極 限/MPa強(qiáng)度極 限布氏硬度延 伸率 %沖 擊韌度 (a) crystalline 晶體晶體 regular, repeating, and denser 規(guī)則、重復(fù)、致密(b) noncrystalline 非晶非晶 more loosely packed and random 松散、無(wú)序(a)body centered cubic 體心立

5、方體心立方(b) face centered cubic 面心立方面心立方(c)hexagonal close packed 密排六方密排六方晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)線缺陷線缺陷-位錯(cuò)位錯(cuò)位錯(cuò)理論基礎(chǔ)（位錯(cuò)理論基礎(chǔ)（1）grain boundaries面缺陷面缺陷p位錯(cuò)的彈性理論： 應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變能、相互作用力p位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)p實(shí)際晶體中的位錯(cuò)p位錯(cuò)的來(lái)源及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)p位錯(cuò)理論的應(yīng)用p彈性變形彈性變形： 材料尺寸只發(fā)生暫時(shí)性改變。材料尺寸只發(fā)生暫時(shí)性改變。 具有可逆性。具有可逆性。 金屬?gòu)椥宰冃蔚谋举|(zhì)：金屬原子自平衡位置產(chǎn)生可金屬?gòu)椥宰冃蔚谋举|(zhì)：金屬原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移。逆位移。Plastic Stra

6、in 塑性應(yīng)變塑性變形塑性變形： 應(yīng)力超過(guò)彈性極限，材料發(fā)生的應(yīng)力超過(guò)彈性極限，材料發(fā)生的不可逆的永久變形。不可逆的永久變形。 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系偏離虎克定律。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系偏離虎克定律。 先發(fā)生彈性變形，后發(fā)生塑性變先發(fā)生彈性變形，后發(fā)生塑性變形。形。 形狀和尺寸的不可逆變化是通過(guò)形狀和尺寸的不可逆變化是通過(guò)原子的定向位移實(shí)現(xiàn)的。原子的定向位移實(shí)現(xiàn)的。 塑性變形的主要機(jī)制塑性變形的主要機(jī)制:位錯(cuò)的運(yùn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)動(dòng). 塑性變形機(jī)制（塑性變形機(jī)制（2） 工業(yè)純鐵壓縮變形工業(yè)純鐵壓縮變形滑移線滑移線 孿生孿生 TwinningTwins can be produced when a shear fo

7、rce acts along twin planes 高溫變形機(jī)理高溫變形機(jī)理擴(kuò)散蠕變 diffusion creep位錯(cuò)蠕變 dislocation creep晶界滑動(dòng) grain boundary sliding晶界遷移 grain boundary migration變形機(jī)理圖Deformation map p波浪p邊裂 p中心裂紋p鱷裂 擠壓制品的周期裂紋金屬塑性變形的宏觀規(guī)律（金屬塑性變形的宏觀規(guī)律（3） 變形抗力變形抗力/ 塑性塑性 （4 / 5） 工程應(yīng)力工程應(yīng)變材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能 斷裂斷裂 fracture （6）韌性斷裂 ductile 脆性斷裂 brittle斷口

8、形貌斷口形貌 Fracture surface AlLi合金 冷軋/退火（TEM） 變形變形/回復(fù)回復(fù)/再結(jié)晶（再結(jié)晶（7） 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 dynamic recrystalization Ti3Al合金壓縮變形過(guò)程中的組織演變 強(qiáng)化機(jī)制強(qiáng)化機(jī)制p固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化p細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化 綜合利用綜合利用p析出強(qiáng)化析出強(qiáng)化p應(yīng)變強(qiáng)化應(yīng)變強(qiáng)化組織性能控制（組織性能控制（8） 控制軋制控制冷卻 Thermo Mechanical Controlled Processing,TMCPControlled Rolling(CR)Accelerated Cooling (AcC) 高性能鋼 TMCP

9、強(qiáng)韌性能Reheating temperature Mechanical properties of the steel (coiling temperature 550-600C)No. RT/ FRT/ s/MPab/MPa 5(%)s/b1110078040550030.60.812120078050458924.20.86(a)(b)20m Microstructures of the experimental steel (FRT=780C)(a) sample 1(1100C); (b) sample 2 (1200C) 2m 0.5m 1m 2m 1m 0.5m (d)位錯(cuò)及析出

10、物位錯(cuò)及析出物;(e)貝氏體形貌貝氏體形貌;(f)鐵素體晶粒鐵素體晶粒(a)亞晶亞晶;(b)鐵素體再結(jié)晶晶粒鐵素體再結(jié)晶晶粒;(c)位錯(cuò)及析出物位錯(cuò)及析出物 帶鋼的TEM照片 鐵素體：鐵素體：DIFT/DRXfast cooling強(qiáng)化機(jī)制強(qiáng)化機(jī)制：細(xì)晶、固溶、細(xì)晶、固溶、析出、亞晶析出、亞晶 沖壓性能沖壓性能 冷軋深沖板冷軋深沖板汽車板汽車板：超深沖冷軋板、超深沖冷軋板、IF鋼電鍍鋅鋼板、鋼電鍍鋅鋼板、IF鋼深沖電鍍鋅鋼鋼深沖電鍍鋅鋼板、烘烤硬化鋼、汽車摩擦片用鋼。板、烘烤硬化鋼、汽車摩擦片用鋼。家電用鋼家電用鋼：家電用電鍍鋅、耐指紋板、熱鍍鋅板、彩涂板、彩家電用電鍍鋅、耐指紋板、熱鍍鋅板、

11、彩涂板、彩電框架用鋼、冰箱內(nèi)板、側(cè)板和面板。電框架用鋼、冰箱內(nèi)板、側(cè)板和面板。疲勞疲勞/蠕變?nèi)渥?持久性能持久性能Space ShuttleF-2240Ti合金合金HighThrustWeight=Higher Acceleration熱強(qiáng)性能熱強(qiáng)性能 材料科學(xué)的四要素材料科學(xué)的四要素制備合成/加工工藝 成分/組織結(jié)構(gòu) 材料固有性能 材料的使用性能 成分/組織結(jié)構(gòu)制備合成與加工工藝 材料的固有性能 材料的服役性能或使用性能 材料科學(xué)的五要素新說(shuō)材料科學(xué)的五要素新說(shuō)成分/組織結(jié)構(gòu)材料的使用性能制備合成/加工工藝材料固有性能環(huán)境 在原來(lái)四要素的基礎(chǔ)上，加入了環(huán)境環(huán)境要素，強(qiáng)調(diào)必須考慮和，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。 本課程內(nèi)容本課程內(nèi)容p位錯(cuò)理論基礎(chǔ)位錯(cuò)理論基礎(chǔ)p塑性變形機(jī)制塑性變形機(jī)制p材料塑性變形的宏觀規(guī)律材料塑性變形的宏觀規(guī)律p材料的變形抗力與塑性材料的變形抗力與塑性p材料的斷裂材料的斷裂p變形、回復(fù)與再結(jié)晶變形、回復(fù)與再結(jié)晶p材料的組織性能控制材料的組織性能控制p先修課程：先修課程：金屬學(xué)及熱處理金屬學(xué)及熱處理、材料成形力學(xué)材料成形力學(xué)p與同期與同期/后續(xù)課程的聯(lián)系：材料組織性能控制后續(xù)課程的聯(lián)系：材料組織性能控制綜合實(shí)驗(yàn)/ 材料成形工藝學(xué)材料成形工藝學(xué)/控制軋制控制冷卻控制軋制控制冷卻