金属塑性加工的宏观规律.ppt

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1、金属塑性加工原理Principle of Plastic Deformation in Metals Processing第二篇 金属塑性加工的流动 与变形规律第3章 金属塑性加工的宏观规律 3.1 塑性流动规律（最小阻力定律）3.2 影响金属塑性流动和变形的因素3.3 不均匀变形、附加应力和残余应力 3.4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点3.5 塑性加工过程的断裂与可加工性 塑性流动规律（最小阻力定律）概念：最小阻力定律最小周边法则实际应用分析最小阻力定律 变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的方向移动。即做最少的功，走最短的路。与塑性变形应力应变增量理论中的应变增量与应与塑性变形应力应

2、变增量理论中的应变增量与应与塑性变形应力应变增量理论中的应变增量与应与塑性变形应力应变增量理论中的应变增量与应力偏量成正比的关系是一致的。力偏量成正比的关系是一致的。力偏量成正比的关系是一致的。力偏量成正比的关系是一致的。图3-1 开式模锻的金属流动修磨圆角，减小阻力修磨圆角，减小阻力增加飞边阻力增加飞边阻力 在塑性加工中，既可用最小阻力定律定性地分析各种工序的在塑性加工中，既可用最小阻力定律定性地分析各种工序的在塑性加工中，既可用最小阻力定律定性地分析各种工序的在塑性加工中，既可用最小阻力定律定性地分析各种工序的金属流动，又可以通过调整某个方向的流动阻力，来改变金属在金属流动，又可以通过调整

3、某个方向的流动阻力，来改变金属在金属流动，又可以通过调整某个方向的流动阻力，来改变金属在金属流动，又可以通过调整某个方向的流动阻力，来改变金属在某些方向的流动量，使得成形合理。某些方向的流动量，使得成形合理。某些方向的流动量，使得成形合理。某些方向的流动量，使得成形合理。接触面上质点向周边流动的阻力与质点离周边的距离成正比质点向距离最短的周边移动分成四个区流动的结果是变成椭圆形图图3-2 3-2 最小周边法则最小周边法则 当接触表面存在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦粗的流动模型：当接触表面存在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦粗的流动模型：当接触表面存在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦粗的流动模型：当接触表面存

4、在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦粗的流动模型：流动分界线流动分界线流动分界线流动分界线 对于其他任意断面，金属质对于其他任意断面，金属质对于其他任意断面，金属质对于其他任意断面，金属质点的流动方向也遵守最小阻力定点的流动方向也遵守最小阻力定点的流动方向也遵守最小阻力定点的流动方向也遵守最小阻力定律（最小周边法则），方坯在平律（最小周边法则），方坯在平律（最小周边法则），方坯在平律（最小周边法则），方坯在平锤间压缩时如图。锤间压缩时如图。锤间压缩时如图。锤间压缩时如图。随着镦粗的进行，方形截面随着镦粗的进行，方形截面随着镦粗的进行，方形截面随着镦粗的进行，方形截面逐步变为园截面。逐步变为园截面。逐步

5、变为园截面。逐步变为园截面。宽展多于延伸，拔长效率低延伸多于宽展，拔长效率高(俯视图)图图3-4 拔长坯料的变形模式拔长坯料的变形模式 矩形截面坯料在矩形截面坯料在矩形截面坯料在矩形截面坯料在平砧拔长平砧拔长平砧拔长平砧拔长时，当送进量时，当送进量时，当送进量时，当送进量 l l 大于坯料宽度大于坯料宽度大于坯料宽度大于坯料宽度 a a 时，金属多沿时，金属多沿时，金属多沿时，金属多沿横向流动：横向流动：横向流动：横向流动：图3-5 不同宽度坯料轧制时 宽展情况 图3-6 轨辊直径不同时轧件变形区 纵横方向阻力图 （DD，B2B2）图图 环形毛坯的变形趋向环形毛坯的变形趋向a)变形前的工具与毛

6、坯变形前的工具与毛坯 b)拉深拉深 c)翻边翻边 d)胀形胀形3.2 影响金属塑性流动和变形的因素 3.2.1 摩擦的影响 3.2.2 变形区的几何因素的影响3.2.3 工具的形状和坯料形状的影响 3.2.4 外端的影响3.2.5 变形温度的影响 3.2.6 金属性质不均的影响 3.2.1 摩擦的影响 摩擦影响的实质摩擦影响的实质：由于摩擦力的作用，在一定程度上改变了金属的流动特性并使应力分布受到影响。图3-7 圆柱体镦粗时摩擦力 对变形及应力分布影响 图3-9 圆环镦粗的金属流动 a)变形前 b)摩擦系数很小或为零 c)有摩擦 3.2.2 变形区的几何因素的影响 变形区的几何因子（如H/D、

7、H/L、H/B等）是影响变形和应力分布很重要的因素。图3-10 钢球压缩时的流线 图3-11 受塑压时物体内部质点 滑移变形的近似模型 图3-12 h2 为各种数值时的情况 3.2.3 工具的形状和坯料形状的影响 工具（或坯料）形状是影响金属塑性流动方向的重要因素。工具与金属形状的差异，是造成金属沿各个方向流动的阻力有差异，因而金属向各个方向的流动（即变形量）也有相应差别。图3-13 型钻中拔长 图3-14 沿孔型宽度上延伸分布图 a)圆型砧 b)V型砧 c)凸型砧 3.2.4 外端的影响 外端（未变形的金属）对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动，进而产生或加剧附加的应力和应变。图3-1

8、5 拔长时外端的影响（a）（b）图3-16 开式冲孔时的“拉缩”图3-17 弯曲变形对外端的影响 3.2.5 变形温度的影响 变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形和流动的差异。变形首先发生在那些变形抗力最小的部分。一般，在同一变形物体中高温部分的变形抗力低，低温部分的变形抗力 高。图3-18 铝钢双金属轧制时由不 均匀变形产生的弯曲现象1铝；2钢 3.2.6 金属性质不均的影响 变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异。3.3 不均匀变形、附加应力和残余应力 3.3.1 均匀变形与不均匀变形 3.3.2 研究变形分布的方法 3.3.3

9、基本应力与附加应力 3.3.4 残余应力 3.3.1 均匀变形与不均匀变形 若变形区内金属各质点的应变状态相同，即它们相应的各个轴向上变形的发生情况，发展方向及应变量的大小都相同，这个体积的变形可视为均匀的。不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。因此，凡是影响金属塑性流动的因素，都会对不均匀变形产生影响。均匀变形是相对的，不均匀变形是绝对的。不均匀变形随处可见，如“鼓形”、“舌头”、“鱼尾”、“镰刀弯”、“波浪”等。3.3.1 均匀变形与不均匀变形图2.13 不同温度以0.01s-1的应变速率压缩后试样的形貌(a)340；(b)380；(c)420；(d)4403.3.2 研究变形分

10、布的方法 网格法：观察变形前后网格尺寸的变化。硬度法：冷变形金属的硬度随变形程度而提高。比较晶粒度法：再结晶晶粒尺寸与变形程度的关系。有限元模拟：网格变化、等效应变分布等。研究变形分布的方法很多，常见的有：楔形板轧制不同部位金相组织楔形板轧制不同部位金相组织图2.19 高向应变为60%时试样不同部位的的金相组织压缩试样压缩试样（b）（c）（b）（a）（c）（a）图图3.5 经一道次普通轧制与异步轧制应变场经一道次普通轧制与异步轧制应变场(a)、(b)普通轧制道次变形量普通轧制道次变形量5%(c)、(d)异步轧制道次变形量异步轧制道次变形量5%图3.6 不同变形量下一道次异步轧制温度场(a)、(

11、b)异步轧制道次变形量10%(c)、(d)异步轧制道次变形量20%(e)、(f)异步轧制道次变形量40%图3.7 不同变形量一道次异步轧制应力场(a)、(b)异步轧制道次变形量10%(c)、(d)异步轧制道次变形量20%(e)、(f)异步轧制道次变形量40%3.3.3 基本应力与附加应力 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均匀。此时，除基本应力外还产生附加应力。3.3.3 基本应力与附加应力基本应力与附加应力的概念基本应力与附加应力的概念基本应力与附加应力的概念基本应力与附加应力的概念 基本应力：由外力作用所引起的应力叫基本应力。表示这

12、种应力分布的图形叫基本应力图。附加应力：在物体中，由于各部分的变形不均匀受到物体的整体性限制而引起的相互平衡的应力。工作应力：是处于应力状态的物体在变形时用各种方法测出来的应力。均匀变形时基本应力与工作应力相同。而变形不均匀时，工作应力等于基本应力与附加应力的代数和。3.3.3 基本应力与附加应力附加应力的种类附加应力的种类附加应力的种类附加应力的种类第一类附加应力（宏观附加应力）存在于物体的局部之间第二类附加应力（微观附加应力）存在于物体内的晶粒之间第三类附加应力（微观附加应力）存在于滑移面或滑移带之间图3-22 相邻晶粒的变形3.3.3 基本应力与附加应力附加应力对塑性变形产生的不良后果：

13、附加应力对塑性变形产生的不良后果：附加应力对塑性变形产生的不良后果：附加应力对塑性变形产生的不良后果：引起变形体的应力状态发生变化，使应力分布更不均匀。造成物体的破坏。使材料变形抗力提高和塑性降低 使产品质量降低。使生产操作复杂化。形成残余应力。图2.3 喷射沉积7075/SiCp复合材料高温压缩断裂的宏观照片d)c)b)a)3.3.3 基本应力与附加应力 制订合理的温度速度制度。尽量减小接触面上外摩擦的不利影响。合理设计加工工具形状。尽量使变形金属的成分和组织均匀。减小不均匀变形或附加应力的措施：减小不均匀变形或附加应力的措施：减小不均匀变形或附加应力的措施：减小不均匀变形或附加应力的措施：

14、3.3.4 残余应力残余应力的概念、来源与分类残余应力的概念、来源与分类残余应力的概念、来源与分类残余应力的概念、来源与分类残余应力的来源：不均匀变形相变 热处理 铸造 电镀 机加工等残余应力的分类：第一类残余应力（宏观应力）第二类残余应力（显微应力）第三类残余应力（超显微应力）3.3.4 残余应力变形条件对残余应力的影响变形条件对残余应力的影响变形条件对残余应力的影响变形条件对残余应力的影响 变形温度的影响l 一般而言随温度升高残余应力减小（终轧温度）。l 高温时应考虑温度不均。变形速度的影响l 室温时，残余应力随速度增加而减小。l 高温时，残余应力随速度增加而增大。变形程度的影响l 第一类

15、：2025%时最大，5265%时最小。l 第二、三类：随变形程度的增大而增大。变形程度对残余应力的影响3.3.4 残余应力残余应力的后果残余应力的后果残余应力的后果残余应力的后果引起物体尺寸和形状的变化使零件的使用寿命缩短降低了金属的塑性加工性能降低金属的耐蚀性及冲击韧性和疲劳强度3.3.4 残余应力减小或消除残余应力的措施减小或消除残余应力的措施减小或消除残余应力的措施减小或消除残余应力的措施 减小不均匀变形 热处理方法：退火、回火 机械处理法：表面小变形l 零件彼此碰撞l 喷丸法、木椎敲击法l 表面压平（主要用于板材）l 表面拉制（主要用于棒材）l 在模子中表面校形或精压3.3.4 残余应

16、力3.3.4 残余应力研究残余应力的主要方法研究残余应力的主要方法研究残余应力的主要方法研究残余应力的主要方法 机械法 化学法 X射线法 3.4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点 3.4.1 金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点 3.4.2 平辊轧制时金属的应力及变形特点 3.4.3 棒材挤压时的应力及变形特点 3.4.4 棒材拉伸时的应力及变形特点 3.4.1 金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点1镦粗时组合件的变形特点 3.4.1 金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点2基本应力的分布特点 3.4.1 金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点3第一类附加应力的分布特点 3.4.2 平辊轧制时金属的应力

17、及变形特点一、基本应力特点 二、变形区内金属质点流动特点 1.金属质点纵向流动特点 前滑区后滑区中性面二、变形区内金属质点流动特点 1、金属质点纵向流动特点 l前滑：在变形区内，金属质点的向前流动速度大于轧辊表面线速度的现象叫前滑。变形区内金属质点流动具有前滑现象的区域叫前滑区。l后滑：在变形区内，金属质点的向前流动速度小于轧辊表面线速度的现象叫后滑。在变形区内金属质点流动具有后滑现象的区域叫后滑区。l中性面：在变形区内，金属质点向前流动速度与轧辊表面线速度一致的截面叫中性面。中性面实际是前滑与后滑的临界面。1 1）当当 L/HL/H平平时时，如如图图3-413-41所所示示。这这时时接接触触

18、弧弧较较长长而而轧轧件件高高度度小小，故故变变形形能能深深入入整整个个断断面面高高度度。在在后后滑滑区区内内，轧轧件件任任意意断断面面的的平平均均速速度度都都小小于于轧轧辊辊的的水水平平运运动动速速度度，但但是是由由于于接接触触表表面面上上的的摩摩擦擦力力总总是是力力图图把把较较高高的的速速度度传传给给轧轧件件表表面面层层及及其其附附近近部部位位，而而对对中中心心部部位位的的影影响响则则相相对对小小些些，这这样样就就使使得得后后滑滑区区内内各各断断面面上上金金属属质质点点的的运运动动速速度度表表面面层层大大于于中中心心层层而而呈呈曲曲线线6 6所所示示形形状状，并并且且外外摩摩擦越大，这种不均

19、匀性越明显。擦越大，这种不均匀性越明显。二、变形区内金属质点流动特点 二、变形区内金属质点流动特点 金金金金属属属属质质质质点点点点沿沿沿沿高高高高向向向向水水水水平平平平运运运运动动动动速速速速度度度度呈呈呈呈不不不不均均均均匀匀匀匀分分分分布布布布，主主主主要要要要原原原原因因因因是是是是受受受受摩摩摩摩擦力的影响。擦力的影响。擦力的影响。擦力的影响。在在在在后后后后滑滑滑滑区区区区，金金金金属属属属塑塑塑塑性性性性流动指向入口处；流动指向入口处；流动指向入口处；流动指向入口处；在在在在前前前前滑滑滑滑区区区区，金金金金属属属属塑塑塑塑性性性性流动指向出口处。流动指向出口处。流动指向出口处

20、。流动指向出口处。摩摩摩摩擦擦擦擦力力力力总总总总是是是是阻阻阻阻碍碍碍碍金金金金属属属属质点的塑性流动。质点的塑性流动。质点的塑性流动。质点的塑性流动。质点运动速度质点运动速度质点运动速度质点运动速度=机械运机械运机械运机械运动速度动速度动速度动速度+塑性流动速度塑性流动速度塑性流动速度塑性流动速度2 2）当当L/HL/H平平 0.0.51.51.0 0时时，轧轧件件高高度度大大而而变变形形区区长长度度相相对对变变小小，故故变变形形难难以以深深入入整整个个断断面面高高度度。在在后后滑滑区区各各断断面面上上，外外层层金金属属质质点点的的流流动动速速度度由由接接触触表表面面向向中中心心层层逐逐渐

21、渐减减小小，中中心心层层附附近近没没有有产产生生变变形形刚刚保保持持一一个个固固定定的的速速度度不不变变，其其分分布布如如曲曲线线3 3所所示示。在在前前滑滑区区，情情况况恰恰好好相相反反，各各断断面面速速度度是是由由表表层层向向里里逐逐渐渐增增大大，但但在在中中心心层层没没有有产产生生变变形形，所以速度仍保持不变。所以速度仍保持不变。二、变形区内金属质点流动特点 二、变形区内金属质点流动特点 中心层不发生塑性流动。中心层不发生塑性流动。中心层不发生塑性流动。中心层不发生塑性流动。表层塑性流动速度较小。表层塑性流动速度较小。表层塑性流动速度较小。表层塑性流动速度较小。次表层塑性流动速度大。次表

22、层塑性流动速度大。次表层塑性流动速度大。次表层塑性流动速度大。质点运动速度质点运动速度质点运动速度质点运动速度=机械运机械运机械运机械运动速度动速度动速度动速度+塑性流动速度塑性流动速度塑性流动速度塑性流动速度各区塑性流动方向不同。各区塑性流动方向不同。各区塑性流动方向不同。各区塑性流动方向不同。二、变形区内金属质点流动特点 2、宽展及宽度上的纵向流动 轧制时，沿轧件宽向尺寸的变化量称为宽展。在边缘部位存在宽展三角区。由于边缘部位金属发生横向流动，使其纵向流动速度较慢。二、变形区内金属质点流动特点 轧制时，影响宽展量大小的三点因素：外摩擦：摩擦系数增加，宽展增加；摩擦系数减少。宽展也随之减少。

23、因为摩擦系数增加阻碍延伸变形，使横向宽展增加。变形区的尺寸：影响宽展的尺寸主要是L/B值，凡是使L/B值增大的因素，都使宽展增加。刚端：轧件变形区外部的刚端，限制了宽展的发展而增加纵向延伸，并且使轧件宽向及高向上的延伸变得更均匀些，正是由于轧件边缘部位的这种拉应力的作用，限制了金属质点的横向流动，减少了宽展。二、变形区内金属质点流动特点 3、附加应力分布特点 表层塑性流动速度较小表层塑性流动速度较小表层塑性流动速度较小表层塑性流动速度较小表层和中心层的塑性表层和中心层的塑性表层和中心层的塑性表层和中心层的塑性流动速度较小，因此流动速度较小，因此流动速度较小，因此流动速度较小，因此受到附加拉应力

24、。受到附加拉应力。受到附加拉应力。受到附加拉应力。表层金属受附加拉应力表层金属受附加拉应力表层金属受附加拉应力表层金属受附加拉应力轧件表面产生横向裂纹轧件表面产生横向裂纹轧件表面产生横向裂纹轧件表面产生横向裂纹陶粒包覆示意图陶粒包覆示意图:1-喷射沉积坯料喷射沉积坯料;2-压力传递介质压力传递介质;3-钢模钢模;4-钢压头钢压头 3.4.3 棒材挤压时的应力及变形特点一、棒材挤压时的基本应力状态3.4.3 棒材挤压时的应力及变形特点二、棒材挤压时的金属流动规律 3.4.3 棒材挤压时的应力及变形特点三、棒材挤压时的附加应力 l 按挤压时金属质点流动的分区情况进行分析，可清楚地看出：在塑性变形区

25、和变形终了的外端部分，由于中间金属流动的快，表面层金属流动的慢，所以变形不均匀的结果引起中间对表面层作用以轴向附加拉应力，而表面层对中间部分作用轴向附加压应力。在棒材端面附近则产生了径向附加拉应力。l 在未变形区的横截面上，由于外表层已进入了塑性变形状态，其金属的流动速度远远大于中间部位，所以表面层对中间部位产生了轴向附加拉应力，而中间部位对表面层施加一个轴向附加压应力。3.4.3 棒材挤压时的应力及变形特点(a)(f)(c)(d)(b)(e)3.5 塑性加工过程的断裂与可加工性 3.5.1 塑性加工中的常见裂纹3.5.2 金属断裂的物理本质 3.5.3 塑性-脆性转变3.5.4 金属的可加工

26、性 一、锻造时的断裂一、锻造时的断裂一、锻造时的断裂一、锻造时的断裂 1锻造时的表面开裂 自由镦粗塑性较低的金属饼材时，由于锤头端面对镦粗件表面摩擦力的影响，形成单鼓形，使其侧面周向承受拉应力。当锻造温度过高时，由于晶间结合力大大减弱，常出现晶间断裂，且裂纹方向与周向拉应力垂直（图3-53（1）a）。当锻造温度较低时，晶间强度常高于晶内强度，便出现穿晶断裂。由于剪应力引起的其裂纹方向常与最大主应力成45角（图3-53（1）b）。预防措施：预防措施：预防措施：预防措施：为了防止镦粗时的这种断裂，必须尽量减少鼓形所引起的周向拉应力。可采用如下措施：（1）减少工件与工具间的接触摩擦；提高接触表面的光

27、洁度，采用适当高效能的润滑剂，（2）采用凹形模：锻造时，由于模壁对工件的横向压缩，使周向拉应力减少。（3）采用软垫：如图3-54，因为软垫的变形抗力较小，在压缩开始阶段，软垫先变形，产生了强烈的径向流动，结果工件侧面成凹形如图3-54（a）。随着软垫的继续压缩变薄，其单位变形抗力增加。这时工件便开始显著地被压缩，于是工件侧表面的凹形逐渐消失变得平直见图3-54（b），继续压缩时才出现鼓形如图3-54（c），这样与未加软垫的镦粗工件相比，其鼓形凸度就相应减少了，因而也就相应地减少了工件侧面的周向拉应力。（4）采用活动套环和包套：如图355所示，选用塑性好抗力较低的材料做外套，由于外套和坯料一起加

28、热后镦粗，外套对坯料的流动起着限制作用，从而增加了三向压应力状态，防止了裂纹的产生。镦粗低塑性的高合金钢时，用普通钢做外套，套的外径可取D=(2-3)d，d是坯料原始直径。用活动套镦粗时，低塑性毛坯经一定的小变形后就能与套环接触，然后取走垫铁，继续镦粗，套环材料除塑性好外，要其变形抗力比锻坯稍大些，使其对流动起限制作用，以增强三向压应力，防止裂纹的产生。2 2 2 2锻造时的内部裂纹锻造时的内部裂纹锻造时的内部裂纹锻造时的内部裂纹 预防措施预防措施预防措施预防措施：为了防止锻压圆坯时内部裂纹的产生，可采用槽形和弧形锤头，从而减少坯料中心处的水平拉应力，或把原来的拉应力变为压应力。实验结果表明，

29、用图3-58（b）所示两种锤头压缩总变形量达40%时都未见任何裂纹。因此，最好采用如下两种锤头，顶角不超过110的槽形锤头和Rr，包角为100110的弧形锤头。以增加工具对坯料作用的水平压应力，从而减少坯料中心水平附加拉应力。二、轧制时的断裂二、轧制时的断裂二、轧制时的断裂二、轧制时的断裂 1轧制时的表面开裂 预防措施：预防措施：预防措施：预防措施：为避免上述断裂现象的发生，首先是要有适宜的良好辊型和坯料尺寸形状，其次是制定合理的轧制工艺规程（压下量控制、张力调整、润滑适宜等等）。2 2 2 2轧制时内部裂纹轧制时内部裂纹轧制时内部裂纹轧制时内部裂纹 在平辊间轧制厚坯料时，因压下量小而产生表面

30、变形。中心层基本没有变形，因而中心层牵制表面层，给予表面层以压应力，表面层则给中心层以拉应力（图3-61 b）。当此不均匀变形与拉应力积累到一定程度时，就会引起心部产生裂纹，而使应力得到松弛，当变形继续进行此应力又积累到一定程序又会产生心部裂纹，如此继续，便在心部产生了周期性裂纹（图3-61）。为避免此种断裂现象的发生，可增加l/h值如图3-62所示。变形逐渐向内部深入，当l/h到一定值后，轧件中间部分便由原来的纵向拉应力变为纵向压应力。三、挤压时的断裂三、挤压时的断裂三、挤压时的断裂三、挤压时的断裂 1表面裂纹 挤压时，在挤压件的表面常出现如图3-64a所示的裂纹，严重时裂纹变成竹节状。由于

31、挤压筒和凹模孔与坯料之间接触摩擦力的阻滞作用，使挤压件表面层的流动速度低于中心部分，于是在表面层受附加拉应力，中心部分受附加压应力。预防措施：预防措施：预防措施：预防措施：无论挤压与拉拔，减少摩擦阻力，会使金属流动不均匀性减轻，从而可以防止这样裂纹的产生。防止裂纹的有效方法是加强润滑，例如铝合金热挤压采用油-石墨润滑剂，钢热挤时采用玻璃作润滑剂。因为影响摩擦力的因素除了摩擦系数以外，还有垂直压力和接触面积的影响。对挤压和拉拔来说还可以采用反向挤压、反张力拉伸、辊式模拉伸等方法来减少有害摩擦，防止断裂现象的发生。2 2 2 2内部裂纹内部裂纹内部裂纹内部裂纹 当挤压比（挤压变形程度）较小，或拉拔

32、时L/d0较小时，由于产生表面变形而深入不到棒材的心部，结果导致中心层产生附加拉应力，此拉应力与纵向基本应力相叠加，若轴心层的工作拉应力大于材料的断裂应力时，便会出现如图3-67所示的内部裂纹。3.5.2 3.5.2 3.5.2 3.5.2 金属断裂的物理本质金属断裂的物理本质金属断裂的物理本质金属断裂的物理本质一、断裂的基本类型一、断裂的基本类型 根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将断裂分为断裂分为韧性断裂韧性断裂与与脆性断裂脆性断裂两大类。通常以单向拉伸两大类。通常以单向拉伸时的断面收缩率大于时的断面收缩率大于5%5%者为韧性断裂，而小于

33、者为韧性断裂，而小于5%5%者为脆者为脆性断裂。此外，按断裂面相对作用力方向的取向关系，性断裂。此外，按断裂面相对作用力方向的取向关系，分分正断正断与与剪断剪断两种形式，垂直于最大正应力的断裂称正两种形式，垂直于最大正应力的断裂称正断，沿最大切应力方向发生的断裂为剪断。通常正断沿断，沿最大切应力方向发生的断裂为剪断。通常正断沿解理面断裂；剪断沿滑移面断裂。解理面断裂；剪断沿滑移面断裂。1 1 1 1脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂 在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，直接由弹在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，直接由弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴接近性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴

34、接近正交正交，断，断口平齐，如图口平齐，如图3-68a3-68a所示。所示。脆性断裂在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理脆性断裂在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。所谓断裂。所谓解理面解理面，一般都是晶面指数比较低的晶面，一般都是晶面指数比较低的晶面，如体心立方的（如体心立方的（100100）面。）面。在多晶体试样中则可能出现两种情况：一是裂纹沿在多晶体试样中则可能出现两种情况：一是裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口可以看到解理亮面；解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口可以看到解理亮面；二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状，如图二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状，如图3-693-69所

35、示。所示。2 2 2 2韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂 在断裂前金属经受了较大的塑性变形，其断口呈纤在断裂前金属经受了较大的塑性变形，其断口呈纤维状，灰暗无光。韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界维状，灰暗无光。韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界处有夹杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断裂。韧性处有夹杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断裂。韧性断裂也有不同的表现形式：一种是切变断裂，例如密排断裂也有不同的表现形式：一种是切变断裂，例如密排六方金属单晶体沿基面作大量滑移后就会发生这种形式六方金属单晶体沿基面作大量滑移后就会发生这种形式的断裂，其断裂面就是滑移面，如图的断裂，其断裂面就是滑移面，如图3-6

36、8b3-68b所示；另一种所示；另一种是试样在塑性变形后出现缩颈，一些塑性非常好的材料是试样在塑性变形后出现缩颈，一些塑性非常好的材料如金、铅和铝，可以拉缩成一个点才断开，如图如金、铅和铝，可以拉缩成一个点才断开，如图3-68c3-68c所所示；对于一般的韧性金属，断裂则由试样中心开始，然示；对于一般的韧性金属，断裂则由试样中心开始，然后沿图后沿图3-68d3-68d所示的虚线断开，形成杯锥状断口。所示的虚线断开，形成杯锥状断口。韧性断裂有如下几个特点：韧性断裂有如下几个特点：1 1。韧性断裂前已发生了较大的塑性变形，断裂时要消耗。韧性断裂前已发生了较大的塑性变形，断裂时要消耗相当多的能量，所

37、以韧性断裂是一种高能量的吸收过程；相当多的能量，所以韧性断裂是一种高能量的吸收过程；2 2。在小裂纹不断扩大和聚合过程中，又有新裂纹不断产。在小裂纹不断扩大和聚合过程中，又有新裂纹不断产生，所以韧性断裂通常表现为多断裂源；生，所以韧性断裂通常表现为多断裂源；3 3。韧性断裂的裂纹扩展的临界应力大于裂纹形核的临界。韧性断裂的裂纹扩展的临界应力大于裂纹形核的临界应力，所以韧性断裂是个缓慢的撕裂过程；应力，所以韧性断裂是个缓慢的撕裂过程；4 4。随着变形的不断进行裂纹不断生成、扩展和集聚，变。随着变形的不断进行裂纹不断生成、扩展和集聚，变形一旦停止，裂纹的扩展也将随着停止。形一旦停止，裂纹的扩展也将

38、随着停止。二、断裂过程与物理本质二、断裂过程与物理本质二、断裂过程与物理本质二、断裂过程与物理本质 金属的塑性变形过程和断裂过程是同时发生的，而金属的塑性变形过程和断裂过程是同时发生的，而断裂过程通常又可以分为裂纹生核和裂纹扩展两个阶段。断裂过程通常又可以分为裂纹生核和裂纹扩展两个阶段。从力学角度看，金属多晶体在外力的作用下发生塑从力学角度看，金属多晶体在外力的作用下发生塑性变形的初始阶段并不是在所有晶粒内同时发生，而首性变形的初始阶段并不是在所有晶粒内同时发生，而首先在位向有利的晶粒（即外力对其滑移系统具有最大切先在位向有利的晶粒（即外力对其滑移系统具有最大切应力的晶粒）中以滑移或孪晶方式发

39、生塑性变形。应力的晶粒）中以滑移或孪晶方式发生塑性变形。从位错理论的观点来看：金属的塑性变形实质上是从位错理论的观点来看：金属的塑性变形实质上是位错在滑移面上运动和不断增殖的过程。位错在滑移面上运动和不断增殖的过程。金属断裂的基本过程金属断裂的基本过程金属断裂的基本过程金属断裂的基本过程 一、微裂纹的萌生机理一、微裂纹的萌生机理 金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要来自两个方面：一是材料内部原有的，如实际金属材料来自两个方面：一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷；二是在塑性变形过内部的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷；二是

40、在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞积等原因而使裂纹形核。随程中，由于位错的运动和塞积等原因而使裂纹形核。随着变形的发展导致裂纹不断长大，当裂纹长大到一定尺着变形的发展导致裂纹不断长大，当裂纹长大到一定尺寸后，便失稳扩展，直至最终断裂。寸后，便失稳扩展，直至最终断裂。裂纹形核理论裂纹形核理论裂纹形核理论裂纹形核理论 1 1位错塞积理论位错塞积理论 2 2位错反应理论位错反应理论 3 3位错墙侧移理论位错墙侧移理论 4 4位错消毁理论位错消毁理论 1 1 1 1位错塞积理论位错塞积理论位错塞积理论位错塞积理论 位错在运动过程中，遇到了障碍（如晶界、相界面等）而位错在运动过程中，遇到了障碍（如晶界

41、、相界面等）而被塞积，在位错塞积群前端就会引起应力集中（图被塞积，在位错塞积群前端就会引起应力集中（图3-703-70），若），若外加切应力为，塞积位错个数为外加切应力为，塞积位错个数为n n，此处应力集中为，则。这就，此处应力集中为，则。这就说明此处的应力集中比外加切应力大说明此处的应力集中比外加切应力大n n倍，塞积位错越多，应力倍，塞积位错越多，应力集中程度越大。当此应力大于界面结合力或脆性第二相或夹杂集中程度越大。当此应力大于界面结合力或脆性第二相或夹杂物本身的结合力时，就会在界面或脆性相中形成裂纹核物本身的结合力时，就会在界面或脆性相中形成裂纹核 。2 2 2 2位错反应理论位错反应

42、理论位错反应理论位错反应理论 图图3-713-71表示在相交的滑移面上，由于位错反应发生了同表示在相交的滑移面上，由于位错反应发生了同号位错的聚合，便形成了微裂纹。在体心立方中，两位错相号位错的聚合，便形成了微裂纹。在体心立方中，两位错相遇反应的结果，可在解理面上形成不易滑移的遇反应的结果，可在解理面上形成不易滑移的001001刃型位错，刃型位错，刃型位错的合并即是体心立方的解理面（刃型位错的合并即是体心立方的解理面（001001）面上形成解）面上形成解理裂纹。理裂纹。3 3 3 3位错墙侧移理论位错墙侧移理论位错墙侧移理论位错墙侧移理论 由于刃型位错的垂直排列构成了位错墙，同时引起滑移由于刃

43、型位错的垂直排列构成了位错墙，同时引起滑移面的弯折而使裂口形核（图面的弯折而使裂口形核（图3-723-72），裂口面将是和滑移面重），裂口面将是和滑移面重合。密排六方金属沿滑移面断裂的原因正是这一理论。合。密排六方金属沿滑移面断裂的原因正是这一理论。4 4 4 4位错消毁理论位错消毁理论位错消毁理论位错消毁理论 在外力作用下位错发生相对运动，若两个相距为在外力作用下位错发生相对运动，若两个相距为h10h10个个原子间距的平行滑移面上，存在有异号刃型位错，当它们相原子间距的平行滑移面上，存在有异号刃型位错，当它们相互接近后，就会彼此合并而消毁，便在中心处形成孔隙，随互接近后，就会彼此合并而消毁，

44、便在中心处形成孔隙，随着滑移的进行，孔隙逐渐扩大，形成长条形空洞（图着滑移的进行，孔隙逐渐扩大，形成长条形空洞（图3-733-73）。）。二、裂纹的扩展二、裂纹的扩展二、裂纹的扩展二、裂纹的扩展 金属材料在塑性变形过程中形成微裂纹（或空洞），金属材料在塑性变形过程中形成微裂纹（或空洞），并不意味着材料即将断裂，从微裂纹形成到导致金属的并不意味着材料即将断裂，从微裂纹形成到导致金属的最终断裂是一个扩展过程，这个过程与材料的性质、应最终断裂是一个扩展过程，这个过程与材料的性质、应力状态等外部条件密切相关。力状态等外部条件密切相关。GriffithGriffithGriffithGriffith公式

45、的局限性公式的局限性公式的局限性公式的局限性1 1。GriffithGriffith只适用于脆性材料只适用于脆性材料2 2。对于韧性材料必需修正（。对于韧性材料必需修正（OrowanOrowan修正理论）修正理论）将表面能改为有效表面能（表面能加塑性变形功）将表面能改为有效表面能（表面能加塑性变形功）3.5.3 3.5.3 3.5.3 3.5.3 塑性塑性塑性塑性-脆性转变脆性转变脆性转变脆性转变 塑性与脆性并非金属固定不变的特性，像金属钨，塑性与脆性并非金属固定不变的特性，像金属钨，虽在室温下呈现脆性，但在较高的温度下却具有塑性。虽在室温下呈现脆性，但在较高的温度下却具有塑性。在拉伸时为脆性

46、的金属，在高静水压力下却呈现塑性。在拉伸时为脆性的金属，在高静水压力下却呈现塑性。在室温下拉伸为塑性的金属，在出现缺口、低温、高变在室温下拉伸为塑性的金属，在出现缺口、低温、高变形速度时却可能变得很脆。所以，金属是韧性断裂还是形速度时却可能变得很脆。所以，金属是韧性断裂还是脆性断裂，取决于各种内在因素和外在条件。脆性断裂，取决于各种内在因素和外在条件。一般的金属与合金（面心立方者除外）有塑性一般的金属与合金（面心立方者除外）有塑性-脆性脆性转变的现象。如果改变试验温度，就可以发现存在有转变的现象。如果改变试验温度，就可以发现存在有一个转变温度一个转变温度TcTc，在，在TcTc以上，断裂是韧性

47、的，在以上，断裂是韧性的，在TcTc以以下，断裂就是脆性的。下，断裂就是脆性的。图图3-74a3-74a表示了不同金属断面收缩率随温度变化的表示了不同金属断面收缩率随温度变化的情况，在转变温度处断面收缩率突然下降。如果温度情况，在转变温度处断面收缩率突然下降。如果温度保持不变，而将其他参数改变，例如改变晶粒度、屈保持不变，而将其他参数改变，例如改变晶粒度、屈服强度、变形速度、应力状态（用不同深度的缺口来服强度、变形速度、应力状态（用不同深度的缺口来影响应力状态，缺口越深、转变温度越高、造成所谓影响应力状态，缺口越深、转变温度越高、造成所谓缺口脆性）等，如图缺口脆性）等，如图3-74b3-74b所示，同样也可以出现塑性所示，同样也可以出现塑性-脆性转变现象。脆性转变现象。3.5.4 3.5.4 3.5.4 3.5.4 金属的可加工性金属的可加工性金属的可加工性金属的可加工性 金属的可加工性是不同加工方法进行塑性加工时，金属的可加工性是不同加工方法进行塑性加工时，工件出现第一条可见裂纹前所达到的最大变形量，如工件出现第一条可见裂纹前所达到的最大变形量，如可锻性、可轧性、可挤压性、可拉拔性等。它是制定可锻性、可轧性、可挤压性、可拉拔性等。它是制定各种塑性加工工艺规程和保证产品质量的一个重要参各种塑性加工工艺规程和保证产品质量的一个重要参数。数。