材料成型概论第二章材料成型的基础.ppt

材料成型概论材料成型概论q第一章第一章 材料成型材料成型概述概述q第二章第二章 材料塑性成型的基础材料塑性成型的基础q第三章第三章 轧制成型轧制成型q第四章第四章 挤压成型挤压成型q第五章第五章 拉拔成型拉拔成型q第六章第六章 锻造成型锻造成型q第七章第七章 冲压成型冲压成型q第八章第八章 陶瓷成型陶瓷成型 第第二章二章 材料塑性成型的基础材料塑性成型的基础 2.1 材料塑性成型的基础材料塑性成型的基础 金属塑性成型的力学基础金属塑性成型的力学基础 金属塑性成型的金属学基础金属塑性成型的金属学基础 2.2 金属材料的种类金属材料的种类及编号及编号 钢铁材料的种类及编号钢铁材料的种类及编号 铝铝 铝合金及铜铝合金及铜 铜合金铜合金 2.2.3 钛及钛合金钛及钛合金 金属塑性成型的过程：金属塑性成型的过程：q是在某种变形力学条件和热力学条件下进行的是在某种变形力学条件和热力学条件下进行的.q即在某种应力状态与变形状态及一定的即在某种应力状态与变形状态及一定的变形温度变形温度、变形速度变形速度及及变形程度变形程度范围内进行的。范围内进行的。q随着这些条件的不同，金属的随着这些条件的不同，金属的塑性塑性、变形抗力变形抗力、成、成型时的型时的力能消耗力能消耗和和组织性能组织性能均不同。均不同。2.1 材料塑性成型的基础材料塑性成型的基础2.1.1.1 外力、内力和应力外力、内力和应力1.1.外力外力:作用力、反作用力、摩擦力作用力、反作用力、摩擦力在压力加工过程中在压力加工过程中,作用在金属表面上的力。作用在金属表面上的力。n作用力作用力：是使金属产生塑性变形的主动力。是使金属产生塑性变形的主动力。是各种机械动作产生，迫使金属变形的力。是各种机械动作产生，迫使金属变形的力。如锻造、轧制、拉拔等过程如锻造、轧制、拉拔等过程 特点：外部作用，方向与接触工作面垂直。特点：外部作用，方向与接触工作面垂直。2.1.1 金属塑性成型的力学基础金属塑性成型的力学基础n反作用力反作用力：工具阻碍金属工件在某个方向上运动而产生的力。工具阻碍金属工件在某个方向上运动而产生的力。方向垂直于工具的工作表面，作用在金属工件上。方向垂直于工具的工作表面，作用在金属工件上。n摩擦力摩擦力：n阻碍相对接触的工件与工具间相对运动趋势时的力，方向阻碍相对接触的工件与工具间相对运动趋势时的力，方向沿工具与工件接触面的切线方向。沿工具与工件接触面的切线方向。n摩擦力一方面有着阻碍变形金属质点流动的作用，使金属摩擦力一方面有着阻碍变形金属质点流动的作用，使金属变形不均匀（锻造）变形不均匀（锻造）；同时，也有促使变形过程建立并使同时，也有促使变形过程建立并使之稳定的作用（轧制咬入）之稳定的作用（轧制咬入）。2.1.1.1 外力、内力和应力外力、内力和应力 在变形体内原子被迫偏离平衡位置，则该物体便在变形体内原子被迫偏离平衡位置，则该物体便出现了内力和应力。出现了内力和应力。2.2.内力内力:是材料内部所受的力。是材料内部所受的力。材料在外力的作用下，其内部就会产生相应的作材料在外力的作用下，其内部就会产生相应的作用力以抵抗变形，并在整体上与外力达到平衡。这用力以抵抗变形，并在整体上与外力达到平衡。这种作用力称为内力。种作用力称为内力。2.1.1.1 外力、内力和应力外力、内力和应力q内力产生的原因内力产生的原因:1）平衡外力；）平衡外力；2）由于工件的整体性，各部分的）由于工件的整体性，各部分的不均匀变形不均匀变形、不不均匀加热和冷却均匀加热和冷却、不均匀相变不均匀相变等必将互相限制，因等必将互相限制，因此物体内部出现了自相平衡的内力。此物体内部出现了自相平衡的内力。如加热不均如加热不均;轧制变形不均等。轧制变形不均等。2.1.1.1 外力、内力和应力外力、内力和应力产生的实质：原子偏离平衡位置，原子间距改变的产生的实质：原子偏离平衡位置，原子间距改变的结果。结果。2.1.1.1 外力、内力和应力外力、内力和应力 2.1.1.1 外力、内力和应力外力、内力和应力3.3.应力应力 :分布在单位面积上的内力称为应力。分布在单位面积上的内力称为应力。在数值上等于一个无限小的面积上内力总和与在数值上等于一个无限小的面积上内力总和与 该面积比值的极限该面积比值的极限:平均应力平均应力等于在某一个面积上的内力等于在某一个面积上的内力P和该面积和该面积F的比值。即的比值。即:=PF 国际单位：国际单位：1MPa=1MNm2 =1Nmm2 2.1.1.1 外力、内力和应力外力、内力和应力3.3.应力应力 :通常，作用于物体任意截面上的应力往往与该截通常，作用于物体任意截面上的应力往往与该截面成任意角度，可以分解为垂直于截面面成任意角度，可以分解为垂直于截面F的法线的法线正应力正应力:和作用于截面和作用于截面F切线方向的切应力切线方向的切应力:2.1.1.1 外力、内力和应力外力、内力和应力3.3.应力应力 :取适当的坐标轴，使之按此轴方向所取适当的坐标轴，使之按此轴方向所截取的截面上只有法线应力作用，而没有切线应截取的截面上只有法线应力作用，而没有切线应力作用：力作用：（）(1,2,3)叫叫 主应力主应力 拉应力为正，压应力为负拉应力为正，压应力为负 按代数顺序：按代数顺序：9种主应力状态图示种主应力状态图示定性反映所需定性反映所需单位变形力的大小单位变形力的大小和工件破坏前可能和工件破坏前可能产生的产生的塑性变形程度塑性变形程度,即塑性大小即塑性大小。主应力状态图示主应力状态图示 主应力状态图示主应力状态图示 应力应力结论结论n拉应力易导致材料破坏，压应力有利于减少或抑拉应力易导致材料破坏，压应力有利于减少或抑制破坏的发生和发展。制破坏的发生和发展。n应力图示中，压应力比重越大，材料塑性越高。应力图示中，压应力比重越大，材料塑性越高。n三向均匀压缩可以迫使金属内部组织致密，三向均匀压缩可以迫使金属内部组织致密，使滑使滑移面紧密结合，移面紧密结合，可以焊合裂纹，提高塑性。可以焊合裂纹，提高塑性。拉应力的数量愈多，则其塑性愈差，因为它使缺拉应力的数量愈多，则其塑性愈差，因为它使缺陷扩大，陷扩大，使滑移面分离使滑移面分离。1.1.变形变形 :材料在外力的作用下将发生材料在外力的作用下将发生形状形状和和尺寸尺寸变化，变化，称为变形。称为变形。q外力去除后能够恢复的变形称为外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。弹性变形。q外力去除后不能恢复的变形称为外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。塑性变形。2.1.1.2 变形、应变和主应变变形、应变和主应变弹性变形特征：弹性变形特征：拉伸拉伸:=E:=E，E-E-杨氏模数；杨氏模数；剪切：剪切：=G=G，G-G-切变模数切变模数塑性变形特征：塑性变形特征：应力与应变的关系偏离虎克定律应力与应变的关系偏离虎克定律n变形区：金属在外力作用下正在发生塑性变形的变形区：金属在外力作用下正在发生塑性变形的区域。区域。n刚端：变形区以外的区域。刚端：变形区以外的区域。2.1.1.2 变形、应变和主应变变形、应变和主应变绝对主应变绝对主应变相对主应变相对主应变真实相对主应变真实相对主应变2.2.应变应变:物体变形前后变形程度的大小物体变形前后变形程度的大小3.3.主应变主应变:和主轴方向一致的变形叫主应变和主轴方向一致的变形叫主应变 伸长伸长:箭头向外箭头向外;缩短缩短:箭头向里箭头向里根据变形前、后体积不变的条件，根据变形前、后体积不变的条件，HBLhbl 或或 hbl/HBL=1=1两边取对数，即得两边取对数，即得ln(h/H)+ln(b/B)+ln(l/L)=0ln(h/H)+ln(b/B)+ln(l/L)=0或或1+2+3=0n主应变图示：主应变图示：是用来表示是用来表示3 3个主应变的存在个主应变的存在及其正负，而不注明其具体数值的简明立方及其正负，而不注明其具体数值的简明立方体示意图形。体示意图形。3.3.主应变主应变n第一类变形图示第一类变形图示 一向缩短一向缩短,二向伸长如二向伸长如有有宽展轧制宽展轧制；n第二类变形图示第二类变形图示 一向缩短一向缩短,一向伸长如一向伸长如无无宽展轧制宽展轧制；n第三类变形图示第三类变形图示 二向缩短二向缩短,一向伸长如一向伸长如挤压轧制挤压轧制。n与金属的塑性密切相关，反映与金属的塑性密切相关，反映 金属的塑性好坏。金属的塑性好坏。3.3.主应变主应变物体在外力作用下产生应力和物体在外力作用下产生应力和变形变形.以单向拉伸为例说明以单向拉伸为例说明塑性变形过程与特点塑性变形过程与特点.金属变形分为金属变形分为弹性弹性、塑性变形塑性变形、破裂破裂三个阶段。三个阶段。当当 弹性变形阶段；弹性变形阶段；当当S S以后，塑性阶段是非线性关系；以后，塑性阶段是非线性关系；当应力达到当应力达到b b之后，不均匀塑性变形之后，不均匀塑性变形,然后断裂。然后断裂。2.1.1.3 应力与变形的关系应力与变形的关系 时，n若在均匀塑性变形阶段出现卸载现象，一部分变形若在均匀塑性变形阶段出现卸载现象，一部分变形得以恢复，另一部分则成为永久变形。卸载阶段得以恢复，另一部分则成为永久变形。卸载阶段-呈线性关系。这说明了塑性变形时，弹性变呈线性关系。这说明了塑性变形时，弹性变形依然存在。形依然存在。n弹塑性共存弹塑性共存与与加载、卸载过程不同的加载、卸载过程不同的-关系关系是是塑性变形的两个基本特征。塑性变形的两个基本特征。n塑性变形改变了材料的力学塑性变形改变了材料的力学 和物化性能。和物化性能。2.1.1.3 应力与变形的关系应力与变形的关系 2.1.1.4 塑性变形条件塑性变形条件1.1.TrescuTrescu屈服条件屈服条件:最大切应力理论。最大切应力理论。金属的塑性变形是由切应力达到某一值时引起的。金属的塑性变形是由切应力达到某一值时引起的。又称简单塑性条件。又称简单塑性条件。2.1.1.4 塑性变形条件塑性变形条件2.2.MisesMises屈服条件屈服条件:形变能定值理论。形变能定值理论。当变形金属内的变形剪切能达到一个临界值时，当变形金属内的变形剪切能达到一个临界值时，金属就由弹性变形进入塑性变形。金属就由弹性变形进入塑性变形。又称精确塑性条件。又称精确塑性条件。对于板带轧制，简化为：对于板带轧制，简化为：1 13 3 =1.15S SK KK K：平面变形抗力。平面变形抗力。2.1.2.1 金属的塑性变形机构金属的塑性变形机构 工业用的金属及合金材料都是由无数个单晶体构工业用的金属及合金材料都是由无数个单晶体构成的多晶体，它们是由成的多晶体，它们是由大小大小、形状形状和和取向取向各不相同各不相同的许多晶粒通过晶界联结而成为一体的。的许多晶粒通过晶界联结而成为一体的。2.1.2 金属塑性成型的金属学基础金属塑性成型的金属学基础n单晶体塑性变形单晶体塑性变形 单晶体受力后，外力单晶体受力后，外力P P在在任何晶面上都可分解为正任何晶面上都可分解为正应力应力 和切应力和切应力，如图所，如图所示。正应力示。正应力 只能引起弹只能引起弹性变形及解理断裂。性变形及解理断裂。只有只有在切应力在切应力 的作用下金属的作用下金属晶体才能产生塑性变形。晶体才能产生塑性变形。金属的塑性变形机构金属的塑性变形机构 a.外应力在晶面上的分解外应力在晶面上的分解；b.在切应力在切应力 作用下的变形；作用下的变形；c.铝单晶的拉伸变形照片铝单晶的拉伸变形照片.n滑移滑移（sliding）：最重要的变形方式最重要的变形方式 晶体的一部分沿一定的晶体的一部分沿一定的晶面晶面和和晶向晶向相对于另一部相对于另一部分发生滑动位移的现象。分发生滑动位移的现象。滑移面滑移面 滑移方向滑移方向n孪生（孪生（twinning）：孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。另一部分所发生的切变。单晶体塑性变形单晶体塑性变形n滑移变形的特点滑移变形的特点1.1.滑移只能在切应力的作用下发生。滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称产生滑移的最小切应力称临界切应力临界切应力.2.2.滑移常沿晶体中滑移常沿晶体中原子密度原子密度最大的晶面和晶向发生。最大的晶面和晶向发生。3.3.滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍整数倍.4.4.滑移的同时伴随着晶体的转动滑移的同时伴随着晶体的转动.单晶体塑性变形单晶体塑性变形多晶体由许多微小的单个晶粒杂乱组合多晶体由许多微小的单个晶粒杂乱组合而成。而成。n组织结构组织结构特点特点：1.1.各晶粒的形状和各晶粒的形状和大小不同大小不同，成分和力学，成分和力学性能不均性能不均；2.2.各相邻晶粒的取向一般是不一样的；各相邻晶粒的取向一般是不一样的；3.3.多晶粒中存在大量的晶界，晶界的结构多晶粒中存在大量的晶界，晶界的结构和性质与晶粒本身不同，晶界上聚集着和性质与晶粒本身不同，晶界上聚集着杂质。杂质。多晶体塑性变形多晶体塑性变形晶粒的转动和移动晶粒的转动和移动n塑性变形特点塑性变形特点：1.1.增强变形与应力的不均匀分布；增强变形与应力的不均匀分布；2.2.提高变形抗力；塑性降低；提高变形抗力；塑性降低；3.3.晶粒出现方向性；晶粒出现方向性；4.4.除晶粒内部变形外，在晶界上除晶粒内部变形外，在晶界上也发生变形。也发生变形。多晶体塑性变形多晶体塑性变形加工硬化加工硬化 多晶体塑性变形将导致金属的力学、物理和化学多晶体塑性变形将导致金属的力学、物理和化学性能的改变。随着变形程度性能的改变。随着变形程度，则有：则有：.变形抗力变形抗力（S Sb b 硬度）硬度）.塑性塑性（伸长率伸长率 压缩率压缩率）.同时使电阻升高、抗腐蚀性和导热性同时使电阻升高、抗腐蚀性和导热性 加工过程中的硬化加工过程中的硬化金属的回复和再结晶金属的回复和再结晶.回复回复 依靠对变形金属的加热，而使其原子运动的动能依靠对变形金属的加热，而使其原子运动的动能增加，借以增加其热振动，使偏离稳定位置的原增加，借以增加其热振动，使偏离稳定位置的原子恢复到稳定位置。子恢复到稳定位置。.再结晶再结晶 经冷变形后的金属加热到再结晶温度时，在原来经冷变形后的金属加热到再结晶温度时，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒而性能的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒而性能也发生明显变化，并恢复到完全软化状态，这个也发生明显变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称之为再结晶。过程称之为再结晶。加工过程中的软化加工过程中的软化金属的冷变形和热变形金属的冷变形和热变形 热变形热变形将将金金属属加加热热到到金金属属相相图图固固相相线线以以下下再再结结晶晶温温度度以以上上的的高高温温，施施加加作作用用力力使使之之塑塑性性变变形形达达到到预预期期的的形状和尺寸的塑性加工方法。形状和尺寸的塑性加工方法。钢的再结晶温度一般在钢的再结晶温度一般在(0.350.4)TM 450600n1)1)变形抗力小，能耗少变形抗力小，能耗少 在高温时，原子的运动及热振动在高温时，原子的运动及热振动增强，加速了扩散过程和溶解过程，使金属的临界切应力增强，加速了扩散过程和溶解过程，使金属的临界切应力降低；使加工时金属抵抗能力减弱而降低了能量的消耗。降低；使加工时金属抵抗能力减弱而降低了能量的消耗。n2)2)塑性升高塑性升高 变形温度升高后，完全再结晶使加工硬化消除变形温度升高后，完全再结晶使加工硬化消除3)3)性能均匀性较差性能均匀性较差 热加工结束由于冷却等原因，使产品热加工结束由于冷却等原因，使产品各处的温度难于保持均匀一致，温度偏高处的晶粒尺寸要各处的温度难于保持均匀一致，温度偏高处的晶粒尺寸要比低处的大一些。比低处的大一些。n4)4)表面质量、尺寸精度较差表面质量、尺寸精度较差 产品的表面光洁度与尺寸精产品的表面光洁度与尺寸精确度较差，这是因为在加热时，金属的表面要生成氧化物确度较差，这是因为在加热时，金属的表面要生成氧化物(如氧化铁皮等如氧化铁皮等)，在加工时，这些氧化物不易清除干净，在加工时，这些氧化物不易清除干净，造成加工表面的质量缺陷，且尺寸的精度不如冷加工好；造成加工表面的质量缺陷，且尺寸的精度不如冷加工好；另外在冷却时的收缩，也能使表面质量和尺寸精度降低另外在冷却时的收缩，也能使表面质量和尺寸精度降低.热变形特点热变形特点金属的冷变形和热变形金属的冷变形和热变形 只只有有加加工工硬硬化化作作用用而而无无回回复复与与再再结结晶晶现现象象的的变变形形过过程程叫叫冷冷变变形形。加加工工温温度度低低于于材材料料的的再再结结晶晶回回复复温度的塑性加工方法。温度的塑性加工方法。冷变形特点如下：冷变形特点如下：冷冷变变形形后后的的产产品品尺尺寸寸精精度度高高，表表面面光光洁洁，可可以以生生产极细的丝、极薄的箔和细薄的管；产极细的丝、极薄的箔和细薄的管；材材料料经经冷冷变变形形变变形形后后呈呈现现加加工工硬硬化化，变变形形抗抗力力增增高，塑性下降，加工过程中需退火，增加能耗；高，塑性下降，加工过程中需退火，增加能耗；（0.250.3）TM 金属的冷变形和热变形金属的冷变形和热变形 采采用用不不同同的的变变形形程程度度可可以以控控制制金金属属材材料料的的加加工工硬硬化量，来得到不同性能的产品；化量，来得到不同性能的产品；利利用用加加工工硬硬化化可可以以得得到到强强度度极极高高的的琴琴钢钢丝丝，弹弹性性极高的磷青铜弹簧片等。极高的磷青铜弹簧片等。温变形温变形 将将金金属属加加热热到到再再结结晶晶温温度度以以下下而而高高于于回回复复温温度度的的加工方法。加工方法。对对于于变变形形抗抗力力过过大大且且塑塑性性较较低低、冷冷变变形形非非常常困困难难的的金金属属与与合合金金，例例如如高高速速钢钢、某某些些奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢、难难熔熔金金属属及及其其合合金金等等，采采用用温温变变形形可可以以显显著著降降低低变变形形力力，提提高高塑塑性性，获获得得表表面面质质量量、尺尺寸寸精精度度与与性能都近于冷加工的优良产品。性能都近于冷加工的优良产品。钢的回复温度一钢的回复温度一般在般在(0.250.3)TM n塑性变形塑性变形 ：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的现的 多晶体塑性变形的主要机制多晶体塑性变形的主要机制:位错的运动位错的运动 金属和合金的塑性取决于：金属和合金的塑性取决于：一是：自然属性一是：自然属性 二是：塑性加工过程外界条件二是：塑性加工过程外界条件 2.1.2.2 金属的塑性金属的塑性变化变化n外摩擦的影响外摩擦的影响；n变形物体形状、性质和温度的影响；变形物体形状、性质和温度的影响；（成分、相结构、杂质、晶粒取向、加工硬化等）（成分、相结构、杂质、晶粒取向、加工硬化等）n变形物体内残余应力的影响；变形物体内残余应力的影响；n加工工具形状的影响。（如凸、凹轧辊轧制中厚板）加工工具形状的影响。（如凸、凹轧辊轧制中厚板）变形抗力升高；变形抗力升高；降低金属的塑性；降低金属的塑性；后果后果 降低产品质量；降低产品质量；工具寿命降低。工具寿命降低。塑性变形的不均匀性塑性变形的不均匀性原因原因与与后果后果附加应力与基本应力附加应力与基本应力金属变形时体内变形分布不均匀，不但使物体外形歪金属变形时体内变形分布不均匀，不但使物体外形歪扭和内部组织不均匀，而且还使变形体内应力分布不扭和内部组织不均匀，而且还使变形体内应力分布不均匀。此时，除基本应力外还产生附加应力均匀。此时，除基本应力外还产生附加应力。第一种附加应力：在变形物体内，几个大部分区域之间由第一种附加应力：在变形物体内，几个大部分区域之间由于不均匀变形所引起的应力；于不均匀变形所引起的应力；第二种附加应力：在变形物体内，两个或者几个晶粒之间第二种附加应力：在变形物体内，两个或者几个晶粒之间引起的相互平衡的附加应力；引起的相互平衡的附加应力；第三种附加应力：在一个晶粒内各部分间，由于晶格不均第三种附加应力：在一个晶粒内各部分间，由于晶格不均匀歪扭，引起相互平衡的附加应力。匀歪扭，引起相互平衡的附加应力。n塑性与柔软性的区别是什么？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。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。柔软性反映材料抵抗变形的能力。n塑性与柔软性的对立统一塑性与柔软性的对立统一 铝铝-塑性好，变形抗力小；塑性好，变形抗力小；不锈钢不锈钢-塑性好，但变形抗力高；塑性好，但变形抗力高；白口铸铁白口铸铁-塑性差，变形抗力高；塑性差，变形抗力高；结论结论：塑性与柔软性不是同一概念。：塑性与柔软性不是同一概念。塑性与柔软性塑性与柔软性1(断前断前)伸长率伸长率 ：式中，式中，l0 0为原始为原始 标距，标距，l1 1为断后标距。为断后标距。2(断面断面)压缩率压缩率：式中，式中，F0 0为原始为原始 横截横截面积，面积，F1 1为断后最小横截面积。为断后最小横截面积。3 冲击韧性冲击韧性：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫冲击韧性冲击韧性,冲击吸收功（单位为冲击吸收功（单位为J J），用），用AkAk表示（单表示（单位：位：MJ/mMJ/m2 2 或或J/cmJ/cm2 2）.塑性指标塑性指标 1.1.成分与组织成分与组织对金属塑性影响对金属塑性影响 (1)(1)化学成分对塑性的影响化学成分对塑性的影响n纯金属及呈固溶体状的合金塑性好，呈化合物或机纯金属及呈固溶体状的合金塑性好，呈化合物或机械混合物状态的合金塑性最差。械混合物状态的合金塑性最差。n金属纯度金属纯度塑性塑性，如纯度为，如纯度为99.9699.96铝，延伸率铝，延伸率为为45%,45%,纯度为纯度为9898铝，延伸率为铝，延伸率为30%30%左右。左右。n如纯铁的塑性大于钢如纯铁的塑性大于钢,变形抗力也较小。变形抗力也较小。n纯金属纯金属 合金合金 2.1.2.3 影响金属塑性的因素影响金属塑性的因素 (2)(2)金属组织结构金属组织结构对塑性的影响对塑性的影响n单相组织塑性单相组织塑性 多相组织塑性多相组织塑性（变形不均匀）（变形不均匀）n晶粒越细小均匀，塑性越高。晶粒越细小均匀，塑性越高。n是细晶粒快速结晶形成的，使金属成分分布均匀，是细晶粒快速结晶形成的，使金属成分分布均匀，晶粒细，杂质相对浓度偏差小。晶粒细，杂质相对浓度偏差小。n晶粒细小，晶界面积大，强度高，变形集中于晶内，晶粒细小，晶界面积大，强度高，变形集中于晶内，所以表现出较高的塑性。所以表现出较高的塑性。2.1.2.3 影响金属塑性的因素影响金属塑性的因素 一般来说，随温度一般来说，随温度，金属塑性，金属塑性。但当温度升。但当温度升至低塑性区时，使金属塑性降低。至低塑性区时，使金属塑性降低。2.温度对金属塑性影响温度对金属塑性影响指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量.当变形速度不大时，随着变形当变形速度不大时，随着变形 速度速度，变形抗力，变形抗力 塑性塑性；(变形的加工硬化及滑移面的封闭变形的加工硬化及滑移面的封闭)n当变形速度较大时，当变形速度较大时，随着变形速度随着变形速度金属的塑性金属的塑性。(变形能转变为热能，温度升高变形能转变为热能，温度升高 软化软化)3.变形速度对金属塑性影响变形速度对金属塑性影响 变形程度对塑性的影响，是通过变形金属内部组变形程度对塑性的影响，是通过变形金属内部组织结构的变化而起作用。织结构的变化而起作用。冷变形时变形程度越大加工硬化越严重，塑性冷变形时变形程度越大加工硬化越严重，塑性 热热变形时变形程度越大，晶粒细化且分散均匀，塑性变形时变形程度越大，晶粒细化且分散均匀，塑性 在变形过程中，在变形过程中，变形程度变形程度与与变形温度变形温度-速度条件速度条件是是相互联系着的。相互联系着的。4.变形程度对金属塑性影响变形程度对金属塑性影响 应力状态和变形状态应力状态和变形状态对金属塑性有很大的影响。对金属塑性有很大的影响。n拉应力易导致材料破坏，压应力有利于减少或抑制破拉应力易导致材料破坏，压应力有利于减少或抑制破坏的发生和发展。坏的发生和发展。n应力图示中，压应力比重越大，材料塑性越高。应力图示中，压应力比重越大，材料塑性越高。三向压应力的金属塑性最好，两压一拉次之，两拉一三向压应力的金属塑性最好，两压一拉次之，两拉一压更次，三向拉应力状态最坏。压更次，三向拉应力状态最坏。三向压应力妨碍了晶间变形的产生，减少了晶间破坏的可能性。三向压应力妨碍了晶间变形的产生，减少了晶间破坏的可能性。在三向拉应力状态下，增加了晶间破坏的可能性而使塑性降低。在三向拉应力状态下，增加了晶间破坏的可能性而使塑性降低。5.变形力学条件对金属塑性影响变形力学条件对金属塑性影响n两向压缩一向延伸两向压缩一向延伸主变形状态主变形状态主变形状态主变形状态的金属塑性最好，一向的金属塑性最好，一向压缩一向延伸次之，一向压缩两向延伸状态最坏。压缩一向延伸次之，一向压缩两向延伸状态最坏。两向压缩一向延伸主变形状态的金属由于物体内的两向压缩一向延伸主变形状态的金属由于物体内的缺陷暴缺陷暴露面缩小露面缩小，从而，从而降低了降低了对塑性的危害作用。对塑性的危害作用。反之一向压缩两向延伸状态的金属由于物体内的反之一向压缩两向延伸状态的金属由于物体内的缺陷暴露缺陷暴露面增大面增大，从而，从而增加了增加了对塑性的危害作用。对塑性的危害作用。5.变形力学条件对金属塑性影响变形力学条件对金属塑性影响n 金属在挤压、模锻时三向受压，表现出较高的金属在挤压、模锻时三向受压，表现出较高的塑性和较大的变形抗力，且三向压应力相差越小，塑性和较大的变形抗力，且三向压应力相差越小，变形抗力越大；适合于塑性较低的金属的压力加工；变形抗力越大；适合于塑性较低的金属的压力加工；n 金属在拉拔时两向受压，一向受拉，表现出较金属在拉拔时两向受压，一向受拉，表现出较低的塑性和较小的变形抗力；适合于塑性高的金属低的塑性和较小的变形抗力；适合于塑性高的金属的压力加工；的压力加工；5.变形力学条件对金属塑性影响变形力学条件对金属塑性影响n体积体积，塑性塑性，但降低到一定程度后，体积再增，但降低到一定程度后，体积再增大，对塑性无影响。大，对塑性无影响。n实际金属，单位体积中存在着很多宏观或微观的组实际金属，单位体积中存在着很多宏观或微观的组织缺陷，体积越大，包含着的缺陷越多，当进行塑织缺陷，体积越大，包含着的缺陷越多，当进行塑性变形时，由于变形是不均匀的，在组织缺陷中容性变形时，由于变形是不均匀的，在组织缺陷中容易产生应力集中，这些应力集中点就是产生裂纹源易产生应力集中，这些应力集中点就是产生裂纹源，当变形程度达到一定值后，这些裂纹源处的微裂，当变形程度达到一定值后，这些裂纹源处的微裂纹就扩展成宏观裂纹，使金属塑性下降。纹就扩展成宏观裂纹，使金属塑性下降。6.尺寸因素对金属塑性影响尺寸因素对金属塑性影响(1)(1)控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；和组织的均匀性；(2)(2)采用合适的变形温度采用合适的变形温度速度制度；速度制度；(3)(3)选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；均匀性，尽量造成均匀的变形状态；(4)(4)避免加热和加工时周围介质的不良影响。避免加热和加工时周围介质的不良影响。2.1.2.4 提高金属塑性的主要途径提高金属塑性的主要途径1.1.热变形时组织性能的变化热变形时组织性能的变化n热变形热变形 热变形可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗热变形可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密、成分大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。均匀、晶粒细化，力学性能提高。热变形能量消耗小，但钢材表面易氧化，因而热热变形能量消耗小，但钢材表面易氧化，因而热变形一般用于变形一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加截面尺寸大、变形量大、在室温下加截面尺寸大、变形量大、在室温下加截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难工困难工困难工困难的工件。的工件。2.1.2.5 金属塑性变形后组织性能的变化金属塑性变形后组织性能的变化 (0.90.95)TM 三向压应力状态三向压应力状态n1)1)使金属组织致密；使金属组织致密；再结晶可愈合裂纹、空洞，铸造缺陷得到压密或焊合。再结晶可愈合裂纹、空洞，铸造缺陷得到压密或焊合。铸锭铸锭(钢）钢）7.65g7.65g/cm/cm3 3，轧坯，轧坯 7.85g7.85g/cm/cm3 3。n2)2)使晶粒细化；使晶粒细化；柱状晶、粗大等轴晶经轧制后变为细小的等轴晶粒。柱状晶、粗大等轴晶经轧制后变为细小的等轴晶粒。3)3)使夹杂物，第二相破碎；使夹杂物，第二相破碎；使之弥散、均匀地分布在基体金属中，提高金属的强韧性。使之弥散、均匀地分布在基体金属中，提高金属的强韧性。n4)4)形成纤维状组织或带状组织。形成纤维状组织或带状组织。金属内所含有的杂质、气孔、疏松等缺陷，在变形过程中金属内所含有的杂质、气孔、疏松等缺陷，在变形过程中沿最大变形方向被拉长，形成纤维组织或带状结构。沿最大变形方向被拉长，形成纤维组织或带状结构。热变形时金属组织性能变化热变形时金属组织性能变化n热变形时金属组织性能变化热变形时金属组织性能变化 浇注后得到的浇注后得到的锭锭坯晶粒较粗大，将其加热到一定坯晶粒较粗大，将其加热到一定温度，进行压力加工，会使其晶粒细化，从而改善温度，进行压力加工，会使其晶粒细化，从而改善其机械性能。其机械性能。热变形时金属组织性能变化热变形时金属组织性能变化轧前粗轧前粗大晶粒大晶粒变成细变成细长晶粒长晶粒细晶粒细晶粒出现出现新晶粒新晶粒长大长大形成新形成新晶粒晶粒 最终的晶粒大小由最终的晶粒大小由终轧温度和变形量终轧温度和变形量决定。决定。n1)晶粒被拉长；晶粒被拉长；冷轧时，钢中晶粒沿轧制方向伸长，形成纤维状组织，导冷轧时，钢中晶粒沿轧制方向伸长，形成纤维状组织，导致钢材各向异性；产生致钢材各向异性；产生加工硬化加工硬化，需退火后再加工。，需退火后再加工。n2)形成亚结构；形成亚结构；亚结构指的是冷变形后，金属的各个晶粒被分割成许多单亚结构指的是冷变形后，金属的各个晶粒被分割成许多单个的小区域。亚结构对晶粒的滑移起着严重的阻碍作用，个的小区域。亚结构对晶粒的滑移起着严重的阻碍作用，提高金属的变形抗力。提高金属的变形抗力。冷变形时金属冷变形时金属组织组织变化变化n3)变形织构；变形织构；在塑性变形中，达到一定的变形程度后，晶体中各晶粒发在塑性变形中，达到一定的变形程度后，晶体中各晶粒发生了转动，使原来紊乱的位向出现了有序化，具有严格的生了转动，使原来紊乱的位向出现了有序化，具有严格的位向性。这个过程称为择优取向。具有择优取向的晶粒组位向性。这个过程称为择优取向。具有择优取向的晶粒组织称为织称为“变形织构变形织构”。冷变形时金属冷变形时金属组织组织变化变化晶体紊乱的组织晶体紊乱的组织晶体的有序排列晶体的有序排列n4)晶内和晶界的破裂；晶内和晶界的破裂；由于在冷变形过程中没有软化过程的愈合作用，由于在冷变形过程中没有软化过程的愈合作用，造成了晶粒内部和晶粒间界出现了一些显微裂纹、造成了晶粒内部和晶粒间界出现了一些显微裂纹、空洞等缺陷，这些缺陷是造成金属破裂的根源。空洞等缺陷，这些缺陷是造成金属破裂的根源。冷变形时金属冷变形时金属组织组织变化变化n1)1)机械性能的变化；机械性能的变化；加工硬化加工硬化n强度硬度强度硬度；（形成亚结构（形成亚结构)n塑性韧性塑性韧性；(晶内和晶间受到破坏，产生空洞等）晶内和晶间受到破坏，产生空洞等）n各向异性。（材料不同方向，不同性能）各向异性。（材料不同方向，不同性能）顺纤维顺纤维方向的机械性能优于垂直纤维方向。方向的机械性能优于垂直纤维方向。在实践中，各向异性会产生严重后果。如冷轧钢板，如产在实践中，各向异性会产生严重后果。如冷轧钢板，如产生了织构，再进一步加工，很容易破裂。生了织构，再进一步加工，很容易破裂。冷变形时金属冷变形时金属性能性能变化变化n2)2)物理物理-化学性能的变化；化学性能的变化；n密度密度：冷变形的金属内部，由于晶内和晶界出现：冷变形的金属内部，由于晶内和晶界出现了显微裂纹、空洞等缺陷，因此使金属的密度变小了显微裂纹、空洞等缺陷，因此使金属的密度变小，变形程度越大，密度变小越显著。，变形程度越大，密度变小越显著。n电阻电阻，导电性，导电性，导热性，导热性。（晶间和晶内的破。（晶间和晶内的破坏）坏）n引起金属磁性变化。引起金属磁性变化。n耐蚀性耐蚀性。冷变形时金属冷变形时金属性能性能变化变化1.1.塑性变形的特征塑性变形的特征n考虑弹性变形量（考虑弹性变形量（弹塑性共存弹塑性共存）；n应力与应变的关系偏离虎克定律（应力与应变的关系偏离虎克定律（加载、卸载过程加载、卸载过程不同的不同的-关系关系）；n塑形变形过程中，外力改变了原子间距，且破坏了塑形变形过程中，外力改变了原子间距，且破坏了原子间联系，建立了新联系。原子间联系，建立了新联系。n塑形变形能改变材料的力学性能和物理化学性质。塑形变形能改变材料的力学性能和物理化学性质。2.1.2.6 塑性变形的特征和基本定律塑性变形的特征和基本定律2.2.塑性变形的基本定律塑性变形的基本定律n弹塑性共存定律弹塑性共存定律n体积不变定律（忽略氧化废料损失）体积不变定律（忽略氧化废料损失）HBL=hbl，=或或 ln（1/）+ln+ln=0上式说明，在一定压下量下将会得到一定的延伸量和宽展量上式说明，在一定压下量下将会得到一定的延伸量和宽展量n最小阻力定律最小阻力定律 物体在变形过程中各质点总是向着阻力最小的方向流物体在变形过程中各质点总是向着阻力最小的方向流动。动。2.1.2.6 塑性变形的特征和基本定律塑性变形的特征和基本定律复复 习习 题题1.1.阐述弹性变形与塑性变形的特点及其区别。阐述弹性变形与塑性变形的特点及其区别。2.2.影响金属塑性的因素有哪些？影响金属塑性的因素有哪些？3.3.影响金属不均匀塑性变形的主要因素有那些？影响金属不均匀塑性变形的主要因素有那些？4.4.冷、热变形对金属组织、性能产生哪些影响？冷、热变形对金属组织、性能产生哪些影响？5.5.若三向都是拉应力，且若三向都是拉应力，且 能否产生塑性变能否产生塑性变形？形？