材料成型概论第二章材料成型的基础

1、材料成型概论,第二章 材料塑性成型的基础,2.1 材料塑性成型的基础 2.1.1 金属塑性成型的力学基础 2.1.2 金属塑性成型的金属学基础 2.2 金属材料的种类及编号 2.2.1 钢铁材料的种类及编号 2.2.2 铝 铝合金及铜 铜合金 2.2.3 钛及钛合金,金属塑性成型的过程： 是在某种变形力学条件和热力学条件下进行的. 即在某种应力状态与变形状态及一定的变形温度、变形速度及变形程度范围内进行的。 随着这些条件的不同，金属的塑性、变形抗力、成型时的力能消耗和组织性能均不同,2.1 材料塑性成型的基础,2.1.1.1 外力、内力和应力 1.外力: 作用力、反作用力、摩擦力 在压力加工过

2、程中,作用在金属表面上的力。 作用力： 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。 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,2.1.1 金属塑性成型的力学基础,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。方向垂直于工具的工作表面，作用在金属工件上。 摩擦力： 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。 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）；同时，也有促使变形过程建立并使之稳定的作用（轧制咬入,2.1.1.1 外力、内力和应力,在变形体内原子被迫偏离平衡位置，则该

3、物体便出现了内力和应力。 2.内力: 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,2.1.1.1 外力、内力和应力,内力产生的原因: 1）平衡外力； 2）由于工件的整体性，各部分的不均匀变形、不均匀加热和冷却、不均匀相变等必将互相限制，因此物体内部出现了自相平衡的内力。 如加热不均; 轧制变形不均等,2.1.1.1 外力、内力和应力,产生的实质：原子偏离平衡位置，原子间距改变的结果,2.1.1.1 外力、内力和应力,2.1.1.1 外力、内力和应力,3.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

4、无限小的面积上内力总和与 该面积比值的极限: 平均应力等于在某一个面积上的内力P和该面积F的比值。即 : = PF 国际单位：1MPa = 1MNm2 = 1Nmm2,2.1.1.1 外力、内力和应力,3.应力 : 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F的法线正应力: 和作用于截面F切线方向的切应力,2.1.1.1 外力、内力和应力,3.应力 : 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，而没有切线应力作用： （ ） (1 ,2 ,3 ) 叫 主应力 拉应力为正，压应力为负 按代数顺序,9种主应力状态图示,定性反映所需单位变形力的大小

5、和工件破坏前可能 产生的塑性变形程度, 即塑性大小,主应力状态图示,主应力状态图示,应力结论,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。 应力图示中，压应力比重越大，材料塑性越高。 三向均匀压缩可以迫使金属内部组织致密，使滑移面紧密结合，可以焊合裂纹，提高塑性。 拉应力的数量愈多，则其塑性愈差，因为它使缺陷扩大，使滑移面分离,1.变形 : 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形,2.1.1.2 变形、应变和主应变,弹性变形特征：拉伸: = E，E-杨氏模数； 剪切：= G，G-切变模数

6、 塑性变形特征：应力与应变的关系偏离虎克定律 变形区：金属在外力作用下正在发生塑性变形的区域。 刚端：变形区以外的区域,2.1.1.2 变形、应变和主应变,绝对主应变,相对主应变,真实相对主应变,2.应变:物体变形前后变形程度的大小,3.主应变:和主轴方向一致的变形叫主应变,伸长:箭头向外; 缩短:箭头向里 根据变形前、后体积不变的条件， HBLhbl 或 hbl / HBL = 1 两边取对数，即得ln(h/H)+ln(b/B)+ln(l/L)=0 或1+2+3= 0,主应变图示： 是用来表示3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体示意图形,3.主应变,第一类变形图示 一向缩

7、短,二向伸长如有宽展轧制； 第二类变形图示 一向缩短,一向伸长如无宽展轧制； 第三类变形图示 二向缩短,一向伸长如挤压轧制。 与金属的塑性密切相关，反映 金属的塑性好坏,3.主应变,物体在外力作用下产生应力和 变形.以单向拉伸为例说明 塑性变形过程与特点. 金属变形分为弹性、塑性变形、 破裂三个阶段。 当 弹性变形阶段； 当S以后，塑性阶段是非线性关系； 当应力达到b之后，不均匀塑性变形, 然后断裂,2.1.1.3 应力与变形的关系,时,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-呈线性关系。这说明了塑性变形时，弹性变形依然存在。 弹塑性共存与加载、

8、卸载过程不同的-关系是塑性变形的两个基本特征。 塑性变形改变了材料的力学 和物化性能,2.1.1.3 应力与变形的关系,2.1.1.4 塑性变形条件,1.Trescu屈服条件: 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。 又称简单塑性条件,2.1.1.4 塑性变形条件,2.Mises屈服条件: 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， 金属就由弹性变形进入塑性变形。 又称精确塑性条件。 对于板带轧制，简化为：13 = 1.15SK K：平面变形抗力,2.1.2.1 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成的多晶体，它们是由大小、形

9、状和取向各不相同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,单晶体塑性变形 单晶体受力后，外力P在任何晶面上都可分解为正应力和切应力，如图所示。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形,2.1.2.1 金属的塑性变形机构,a. 外应力在晶面上的分解； b. 在切应力作用下的变形； c. 铝单晶的拉伸变形照片,滑移（sliding） ：最重要的变形方式 晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。滑移面 滑移方向 孪生（twinning）： 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,单晶

10、体塑性变形,滑移变形的特点 1.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临界切应力. 2.滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。 3.滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 4.滑移的同时伴随着晶体的转动,单晶体塑性变形,多晶体由许多微小的单个晶粒杂乱组合 而成。 组织结构特点： 1.各晶粒的形状和大小不同，成分和力学 性能不均； 2.各相邻晶粒的取向一般是不一样的； 3.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 杂质,多晶体塑性变形,晶粒的转动和移动,塑性变形特点： 1.增强变形与应力的不均匀分布； 2.提高变形抗力；塑性降低；

11、3.晶粒出现方向性； 4.除晶粒内部变形外，在晶界上 也发生变形,多晶体塑性变形,加工硬化 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，则有： .变形抗力（Sb 硬度） .塑性（伸长率压缩率 ） .同时使电阻升高、抗腐蚀性和导热性,加工过程中的硬化,金属的回复和再结晶 .回复 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子恢复到稳定位置。 .再结晶 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,加工过程中的软化,金属的冷变形和热变形,

12、热变形 将金属加热到金属相图固相线以下再结晶温度以上的高温，施加作用力使之塑性变形达到预期的形状和尺寸的塑性加工方法,钢的再结晶温度一般在 (0.350.4)TM 450600,1)变形抗力小，能耗少 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降低；使加工时金属抵抗能力减弱而降低了能量的消耗。 2)塑性升高 变形温度升高后，完全再结晶使加工硬化消除3)性能均匀性较差 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比低处的大一些。 4)表面质量、尺寸精度较差 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

13、成氧化物(如氧化铁皮等)，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；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,金属的冷变形和热变形,只有加工硬化作用而无回复与再结晶现象的变形过程叫冷变形。加工温度低于材料的再结晶回复温度的塑性加工方法。 冷变形特点如下： 冷变形后的产品尺寸精度高，表面光洁，可以生产极细的丝、极薄的箔和细薄的管； 材料经冷变形变形后呈现加工硬化，变形抗力增高，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,采用不同的变形程度可以控制金属材料的加工硬化量，来得到不同性能的产品； 利用加

14、工硬化可以得到强度极高的琴钢丝，弹性极高的磷青铜弹簧片等,温变形,将金属加热到再结晶温度以下而高于回复温度的加工方法。 对于变形抗力过大且塑性较低、冷变形非常困难的金属与合金，例如高速钢、某些奥氏体不锈钢、难熔金属及其合金等，采用温变形可以显著降低变形力，提高塑性，获得表面质量、尺寸精度与性能都近于冷加工的优良产品,钢的回复温度一 般在(0.250.3 )TM,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。 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的 多晶体塑性变形的主要机制:位错的运动 金属和合金的塑性取决于： 一是：自然属性 二是：塑性加工过程外界条件,2.1.2.2

15、金属的塑性,变化,外摩擦的影响； 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） 变形物体内残余应力的影响； 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； 降低金属的塑性； 后果 降低产品质量； 工具寿命降低,塑性变形的不均匀性原因与后果,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,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； 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； 第

16、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,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。 柔软性反映材料抵抗变形的能力。 塑性与柔软性的对立统一 铝-塑性好，变形抗力小； 不锈钢-塑性好，但变形抗力高； 白口铸铁-塑性差，变形抗力高； 结论：塑性与柔软性不是同一概念,塑性与柔软性,1(断前)伸长率 ： 式中，l0为原始 标距，l1为断后标距。 2(断面)压缩率 ： 式中，F0为原始 横截面积，F1为断后最小横截面积。 3 冲击韧性：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫冲击韧性,冲击吸收功（单位为J），用Ak表示（单位：MJ/m2 或J/cm2

17、,塑性指标,1.成分与组织对金属塑性影响 (1)化学成分对塑性的影响 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。 金属纯度塑性，如纯度为99.96铝，延伸率为45%,纯度为98铝，延伸率为30%左右。 如纯铁的塑性大于钢,变形抗力也较小。 纯金属 合金,2.1.2.3 影响金属塑性的因素,2)金属组织结构对塑性的影响 单相组织塑性多相组织塑性（变形不均匀） 晶粒越细小均匀，塑性越高。 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,2.1.2.3 影响金属塑性的因素,一般

18、来说，随温度，金属塑性。但当温度升至低塑性区时，使金属塑性降低,2.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. 当变形速度不大时，随着变形 速度，变形抗力 塑性； (变形的加工硬化及滑移面的封闭) 当变形速度较大时， 随着变形速度金属的塑性。 (变形能转变为热能，温度升高 软化,3.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 热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，变形程度与变形温度-速度条件是相互联系着的,4.变形程度对金属塑性影响,应力状态和变形状态对金属塑

19、性有很大的影响。 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。 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。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,两向压缩一向延伸主变形状态的金属塑性最好，一向压缩一向延伸次之，一向压缩两向延伸状态最坏。 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露面缩小，从而降低了对塑性的危害作用。 反之一向压缩两向延伸状态的金属由于物体内的缺陷暴露面增大，从而增加了对塑

20、性的危害作用,5.变形力学条件对金属塑性影响,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，变形抗力越大；适合于塑性较低的金属的压力加工； 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的压力加工,5.变形力学条件对金属塑性影响,体积，塑性，但降低到一定程度后，体积再增大，对塑性无影响。 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，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

21、裂纹，使金属塑性下降,6.尺寸因素对金属塑性影响,1)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； (2)采用合适的变形温度速度制度； (3)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； (4)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,1.热变形时组织性能的变化 热变形 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，因而热变形一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件,2.1.2.5 金属塑性变形后组

22、织性能的变化,0.90.95) TM 三向压应力状态,1)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。 铸锭(钢） 7.65g/cm3，轧坯 7.85g/cm3。 2)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。 3)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。 4)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 浇注后得到的锭坯晶粒较粗大，将其加热到一定温度，进行压力加工，会使其晶粒细化，从而改善其机械性能,热变形时金属组织性能变化,最终的晶粒大小由终轧温度和变形量决定,1) 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，导致钢材各向异性；产生加工硬化，需退火后再加工。 2) 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,冷变形时金属组织变化,3) 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织称为“变形织构,冷变形时金属组织变化,晶体