第1章塑性加工金属学优秀PPT.ppt

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1、第一章第一章 金属塑性成形的物理基础金属塑性成形的物理基础 材料成形力学原理探讨的对象：金属塑性成形基本问题第一节 绪 论塑性：材料在外力的作用下产生确定的永久变形而不破坏其完整性的实力。塑性成形：材料成形的基本方法之一，它是利用材料的塑性，在外力作用下获得所需尺寸和形态的工件的一种加工方法，又称为塑性加工。一、金属塑性成形的特点 生产效率高，适用于大批量生产 冲硅钢片的高速冲床的速度可达2000次/min;锻造一根汽车发动机曲轴只须要40s；M12l螺栓的冷锻 210件/min。改善了金属的组织和结构和性能 钢锭内部的组织缺陷，如疏松、晶粒粗大，经塑性变形后，组织变得致密，夹杂物被击碎；与机

2、械加工相比，金属的纤维组织不会被切断，因而结构性能得到提高。同时，由于金属塑性变形后性能提高，在相同服役条件下，零件的截面可以减小。材料利用率高 金属塑性成形主要靠金属的体积转移来获得确定的形态和尺寸，无切削，只有少量的工艺废料，因此材料利用率高，一般可达75%85%，最高可达98%以上。尺寸精度高 精密锻造、精密挤压、精密冲裁零件，可以达到不需机械加工就可以运用的程度。二、塑性成形工艺的分类 体积成形 （热加工）板料成形 （冷加工）锻造轧制自由锻造拉拔挤压 模锻成形工序 分别工序 轧制挤压 拉拔 自由锻开式模锻闭式模锻冲裁拉深三、塑性变形成形理论的发展概况 塑性成形力学，是塑性理论（或塑性力

3、学）的发展和应用中渐渐形成的：1864年法国工程师H.Tresca首次提出最大切应力屈服准则 1925年德国卡尔曼用初等应力法建立了轧制时的应力分布规律；萨克斯和齐别尔提出了切块法即主应力法；再后来，滑移线法、上限法、有限元法等相继得到发展。四、本课程的任务目的：科学系统地阐明金属塑性成形的基础和规律，为合理制订塑性成形工艺奠定理论基础。任务：驾驭塑性成形时的金属学基础，以便使工件在成形时获得最佳的塑性状态，最高的变形效率和优质的性能；驾驭应力、应变、应力应变关系和屈服准则等塑性理论基础学问，以便对变形过程进行应力应变分析，并找寻塑性变形物体的应力应变分布规律；驾驭塑性成形时的金属流淌规律和变

4、形特点，分析影响金属塑性流淌的各种因素，以合理地确定坯料尺寸和成形工序，使工件顺当成形；驾驭塑性成形力学问题的各种解法及其在具体工艺中的应用，以便确定变形体中的应力应变分布规律和所需的变形力和功，为选择成形设备和设计模具供应依据。其次节金属在冷态下的塑性变形 一、金属的晶体结构和组织 合金：由两种或两种以上的金属构成，按组织特征分为单相合金（以基体金属为基的单相固溶体组织）和多相合金（除基体外，还有其次相）。多晶体：由很多大小、形态和位向都不同的晶粒组成，晶粒之间存在晶界。变形的不匀整性和各晶粒变形的相互协调性是其变形的主要特点。此节一、二、三部分不讲此节一、二、三部分不讲,材料科学基础已讲过

5、材料科学基础已讲过!晶界：晶粒之间为晶界，晶界表现出很多与晶粒内部不同的性质；如：室温时晶界的强度和硬度高于晶内，高温时则相反；晶界中原子的扩散速度比晶内原子快得多；晶界的熔点低于晶内；晶界简洁被腐蚀等。多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶界变形。二、金属冷态下的塑性变形机理（一）晶内变形 晶内变形的主要方式为滑移和孪生，其中滑移是主要的 1滑移 滑移：在切应力的作用下，晶体的一部分与另一部分沿确定的晶面（滑移面：原子密度最大或比较大的晶面）和晶向（滑移方向：原子密度最大的密排方向）产生相对滑动。一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成滑移系。滑移的结果使大量的原子逐步发生迁移，从而产生宏观的塑性变形

6、。晶内滑移受到晶界的阻碍，还受到四周难滑移晶粒的阻碍。而且，随变形增加，还会发生多系滑移，滑移面还会发生扭转、弯曲等。图13-3滑移方向与滑移面图13-4滑移面上的切应力分析其中：为横截面上的拉应力，称为取向因子=45时，最大，切应力最大，滑移系处于最佳取向。软取向：=0.5或接近于0.5的取向硬取向：=0或接近于0的取向注：单晶体的临界切应力，不随取向因子的变更而变更 2孪生孪生变形：在切应力的作用下，晶体的变形部分与未变形部分形成以孪晶面为分界面成镜面对称的位向关系孪生变形所需的切应力大于滑移变形时所需的切应力。所以，滑移是优先发生的变形方式。发生孪生变形的条件主要与晶体结构、变形温度和变

7、形速度有关：密排立方和体心立方的金属易发生孪生变形，一般在冲击载荷和较低温度下易发生孪生变形。如 密排立方（锌、镁）常温、慢速拉伸 体心立方（铁）室温、冲击载荷 或 低温、不太大的变形速率 面心立方（纯铜）特殊低的温度（-230）注：孪生变形引起的变形量是较小的，因此，晶体的塑性变形主要依靠滑移变形。（二）晶间变形（二）晶间变形 晶间变形的方式包括晶粒间的相互滑动和转动。在外力的作用下，当沿晶界处的切应力足以克服晶粒相互滑动的阻力时，晶粒间发生相互滑动。多晶体变形的不匀整性使得在相邻的晶粒间产生了力偶，造成晶粒间的相互转动。晶粒相对转动的结果可使已发生滑移的晶粒渐渐转到位向不利的位置而停止滑移

8、，而使另外一些晶粒转至有利的位向而发生滑移。多晶体的滑移晶粒之间的相对滑动和转动（三）晶界变形低温时，晶界处原子排列极不规则，并聚集着较多的杂质原子，使滑移受到阻碍，变形阻力较大。其次，由一个晶粒到另一个晶粒的位向有突变，即晶界处晶粒的结构是不连续的，因此，晶界处各晶粒相互制约晶界变形困难。多晶体金属的晶粒越细，单位体积内的晶界面积越大，滑移在相近的晶粒间传播所须要的能量越多，塑性变形抗力大，强度较高；而且单位体积内位向有利的晶粒也越多，变形分布较匀整，塑性较好。因此，细晶金属不简洁产生裂纹，发生裂纹后也不简洁扩展，因此细晶金属的韧性也较好。这就是可以通过细化晶粒来提高金属材料综合性能的缘由。

9、三、合金的塑性变形 合金具有纯金属不行比拟的力学性能和特殊的物理、化学性能。合金的相结构有两大类：固溶体（如钢中的铁素体）化合物（钢中的Fe3C）。常见的合金组织有两大类：单相固溶体合金 两相或多相合金（一）单相固溶体合金的塑性变形（一）单相固溶体合金的塑性变形 单相固溶体合金的塑性变形与多晶体纯金属相像，也是滑移和孪生，变形时同样受到相邻晶粒的影响。但溶质原子溶入后，使其塑性变形抗力增大，合金强度、硬度提高而塑性、韧性下降，并有较大的加工硬化率。这种现象叫做固溶强化。是由溶质原子阻碍金属中的位错运动引起的。（二）多相合金的塑性变形（二）多相合金的塑性变形 多相合金（两相合金）中的其次相可以是

10、纯金属、固溶体或化合物，起强化作用的主要是硬而脆的化合物。合金的塑性变形在很大程度上取决于其次相的数量、形态、大小和分布的形态。但从变形的机理来说，仍旧是滑移和孪生其次相以连续网状分布在基体晶粒的边界上 随着其次相数量的增加，合金的强度和塑性皆下降。其次相以弥散质点（颗粒）分布在基体晶粒内部 合金的强度显著提高而对塑性和韧性的影响较小。弥散强化：其次相以细小质点的形式存在而使合金显著强化的现象称弥散强化。一方面，相界（即晶界）面积显著增多并使四周晶格发生显著畸变，从而使滑移阻力增加。另一方面，其次相质点阻碍位错的运动。因此，粒子越细，弥散分布越好，强化的效果越好。两相合金的显微组织聚合型弥散型

11、四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响（一）对组织结构的影响 晶粒内部出现滑移带和孪生带；晶粒的形态发生变更：随变形程度的增加，等轴晶沿变形方向逐步伸长，当变形量很大时，晶粒组织成纤维状；晶粒的位向发生变更：晶粒在变形的同时，也发生转动，从而使得各晶粒的取向渐渐趋于一样（择优取向），从而形成变形织构。此部分讲此部分讲!变形后变形前变形前后的晶粒形态拉拔形成的丝结构拉拔后轧制形成的板织构轧制前轧制后拉拔前（二）对金属性能的影响（二）对金属性能的影响 塑性变形变更了金属内部的组织结构，因而变更了金属的力学性能。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降。即产生了加工硬化。加工硬化

12、：在常温状态下，金属的流淌应力随变形程度的增加而上升。为了使变形接着下去，就须要增加变形外力或变形功。这种现象称为加工硬化。这主要是由于塑性变形引起位错密度增大，导致位错之间交互作用增加，大量形成缠结、不动位错等障碍，形成高密度的“位错林”，使其余位错运动阻力增大，于是塑性变形抗力提高。加工硬化的两面性：一方面，它能提高金属的强度，可作为强化金属的一种手段（形变强化）；还可以改善一些冷加工工艺性能，使塑性变形能够较匀整地分布于整个工件；另一方面，它又增加了变形的困难，提高了变形抗力，甚至降低了金属的塑性。注：加工硬化既是金属塑性变形的特征，也是强化金属的重要手段。第三节金属的热塑性变形 热塑性

13、变形：金属在再结晶温度以上的变形，称为热塑性变形。热塑性变形过程中，回复、再结晶和加工硬化同时发生，加工硬化不断被回复和再结晶等软化过程所抵消，金属处于高塑性、低变形抗力的状态。一、热塑性变形时金属的软化过程 热塑性变形时金属的软化过程比较困难，它与变形温度、应变速率、变形程度和金属本身的性质有关，主要有静态回复、静态再结晶、动态回复、动态再结晶和亚动态再结晶等。1、回复和再结晶、回复和再结晶 从热力学角度来看，变形引起加工硬化，晶体缺陷增多，金属畸变内能增加，原子处于不稳定的高自由能状态，具有向低自由能状态转变的趋势。当加热升温时，原子具有相当的扩散实力，变形后的金属自发地向低自由能状态转变

14、。这一转变过程称为回复和再结晶，这一过程伴随有晶粒长大。回复往往是在较低的温度下或较早的阶段发生的过程，再结晶则是在较高的温度下或较晚的阶段发生的转变。1静态回复 在回复阶段，金属的强度、硬度有所下降，塑性、韧性有所提高；但显微组织没有发生明显的变更，因为在回复温度范围内，原子只在晶内作短程扩散，使点缺陷和位错发生运动，变更了数量和状态的分布。低温回复（0.10.3）Tm时，回复的主要机理是点缺陷运动和相互结合，使点缺陷的浓度下降。(Tm为熔点)中温回复（0.30.5）Tm时，位错发团内部位错重新组合和调整、位错运动和异号位错互毁，导致位错发团厚度变薄，位错网络清晰，晶界位错密度下降，亚晶缓慢

15、长大。高温回复发生时（T0.5Tm），发生位错攀移，亚晶合并和多边形化现象。静态再结晶 冷变形金属加热到确定温度后，会发生再结晶现象，用新的无畸变的等轴晶，取代金属的冷变形组织。与回复不同，再结晶使金属的显微组织彻底变更或改组，使其在性能上也发生很大变更，如强度、硬度显著降低，塑性大大提高，加工硬化和内应力完全消退，物理性能得到复原等。但是，再结晶并不是一个简洁地使金属的组织复原到变形前的状态的过程，可以通过限制变形和再结晶条件，调整再结晶晶粒的大小和再结晶的体积数，用这种方式和手段来改善和限制金属组织和性能。图13-15回复和再结晶对金属组织和性能的变化表13-1 回复、再结晶和晶粒长大的特

16、点及应用动态回复 动态回复发生在热塑性变形过程中，它对软化金属起着重要的作用。动态回复主要是通过位错的攀移、交滑移来实现的。层错能高，变形位错的交滑移和攀移比较简洁进行，位错简洁在滑移面间转移，使异号位错相互抵消，其结果是位错密度下降，畸变能降低，达不到动态再结晶所需的能量水平。所以动态回复是层错能高的金属热变形过程中唯一的软化机制。动态再结晶 在热塑性变形过程中发生的，层错能低的金属在变形量很大时才可能发生动态再结晶。因为层错能低时，不易进行位错的交滑移和攀移。动态再结晶须要确定的驱动力，只有畸变能差积累到确定水平常，动态再结晶才能启动，否则只能发生动态回复。只有当变形程度远高于静态再结晶所

17、需的临界变形程度时，动态再结晶才会发生。l动态再结晶的实力除与金属的层错能凹凸有关外，还与晶界迁移的难易程度有关。金属越纯，发生动态再结晶的实力越强。溶质原子固溶于金属基体，弥散的其次相粒子，都会严峻阻碍晶界的迁移，减缓或遏止动态再结晶过程的进行。l动态再结晶的晶粒度大小与变形程度、应变速率和变形温度有关，一般是降低变形温度、提高应变速率和变形程度，会使动态再结晶后的晶粒变细，而细小的晶粒组织具有更高的变形抗力。因此，可以通过限制变形温度、速率和变形程度来调整晶粒组织的粗细和它的力学机械性能。l在动态再结晶的过程中，由变形引起的硬化过程和由再结晶引起的软化过程相互平衡时，真实应力趋于稳定。二、

18、热塑性变形机理 金属热塑性变形机理主要有以下几种：晶内滑移，晶内孪生，晶界滑移，扩散蠕变。其中，晶内滑移是最主要的行为方式；孪生多发生在高温高速变形；晶界滑移和扩散蠕变只发生在高温变形的时。此部分不讲此部分不讲!1.晶内滑移 高温时原子间距加大，原子的热振动和扩散速度加快，位错的活动变得活跃起来，滑移、攀移、交滑移和位错结点脱锚比低温时简洁；滑移系增多，改善了各晶粒之间的变形协调性；同时在热变形态态下，晶界对位错运动的阻碍作用相对减弱，位错有可能进入晶界。2.晶界滑移 热塑性变形时，晶界强度较低，使得晶界滑动变得简洁进行。与冷变形相比，晶界滑动的变形量要大得多。此外，变更变形条件，如降低应变速

19、率和减小晶粒尺寸，都有利于增大晶界滑动量。三向压应力状态有利于修复高温晶界滑动所产生的裂缝，扩大晶界变形。但是，在常规条件下，晶界滑动相对于晶内滑移变形量还是比较小的。3.扩散蠕变 扩散蠕变是在应力场作用下，由空位的定向移动引起的。在确定温度下，晶体中总存在确定数量的空位。明显，空位旁边的原子简洁跳入空位，相应地在原子占据的结点上出现新的空位，相当于空位朝原子迁移的相反方向迁移。在应力场作用下，受拉应力的晶界的空位浓度高于其它部位的晶界，由于各部位空位的化学势能差，而引起空位的定向转移，即空位从垂直于拉应力的晶界析出，而被平行于拉应力的晶界所吸取。三、热塑性变形对金属组织和性能的影响 1、改善

20、晶粒组织 经热塑性变形可获得匀整细小的再结晶组织，从而获得较好的综合机械性能。2、压合内部缺陷 铸态金属中的缺陷如疏松、空隙和微裂纹等，经过热塑性变形后被压实，致密度得到提高。3、形成纤维状组织 随着变形程度的增加，内部粗大的树状枝晶沿主变形方向伸长，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也渐渐趋于与主变形方向一样，呈现纤维状。此部分讲此部分讲!钢锭锻造过程中纤维组织形成示意图精品课件精品课件！精品课件精品课件！4、改善碳化物和夹杂物分布 可以使碳化物和夹杂物被击碎，并匀整分布在基体中，减弱了对基体的破坏作用。5、改善偏析 在热塑性变形中，通过枝晶裂开和扩散，可使铸态金属的偏析略有改善，铸件的力学性能得到提高。