材料成型技术基础

1、2.7塑性成形材料学基础金属的塑性金属多晶体塑性变形的主要机制 影响金属塑性的因素一、 金属的塑性塑性的基本概念塑性指标及其测量方法2.7.1塑性的基本概念什么是塑性？塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力 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。为什么要研究金属的塑性? 探索塑性变化规律 寻求改善塑性途径 选择合理加工方法 确定最佳工艺制度提高产品质量2.7.2塑性指标及其测量方法塑性指标的测量方法塑性指标塑性指标 概念:金属在破坏前产生的最大 变形程度，即极限变形量。表示方法：断面收缩率/延伸率/冲击韧性/最大压缩率/扭转角

2、（或扭转数）/弯曲次数F。巴Fq塑性指标的测量方法拉伸试验法：Lh5 1QQ%L0式中：LQ 拉伸试样原始标距长度；Lh 拉伸试样破断后标距间的长度；FQ拉伸试样原始断面积；Fh拉伸试样破断处的断面积100%裂纹时的高度压缩试验法：简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定:Ho Hh 100%Ho式中：压下率；H0 试样原始高度；Hh 试样压缩后，在侧表面出现第一条扭转试验法：对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪 切变形(Y )。nR3OLo式中：R试样工作段的半径；L0 试样工作段的长度； n 试样破坏前的总转数。轧制模拟试验法：在平辊间轧制楔形试件，用偏心轧

3、辊轧制矩形试样，找出试样上产生第一 条可见裂纹时的临界压下量作为轧制过程的塑性指标。金属变形的全过程弹性变形均匀塑性变形不均匀塑性变形断裂各阶段变形的特点弹塑性共存定律弹塑性共存定律的意义弹塑性共存定律的概念：在塑性变形过程中有弹性变形同时存在的现象。 意义：1. 对于工具2. 对于工件2.7.3影响金属塑性的因素1影响塑性的内部因素2影响金属塑性的外部因素3提高金属塑性的主要途径1影响塑性的内部因素1 化学成分(1) 杂质(2) 合金元素对塑性的影响2. 组织结构包括组元的晶格、晶粒的取向、晶界的特征等。2影响金属塑性的外部因素1. 变形温度金属的塑性可能因为温度的升高明而得到改善。2. 变

4、形速度变形速度对塑性的影响比较复杂。当变形速度不大时，随变形速度的提高 塑性是降低的；而当变形速度较大时，塑性随变形速度的提高反而变好。4. 应力状态静水压力对提高金属塑性的良好影响，可由下述原因所造成：（1）体压缩能遏止晶粒边界的相对移动，使晶间变形困难。（2）体压缩能促进由于塑性变形和其它原因而破坏了晶内联系的恢复。（3）体压缩能完全或局部地消除变形物体内数量很小的某些夹杂物甚至液相对 塑性的不良影响。（4）体压缩能完全抵偿或者大大降低由于不均匀变形所引起的拉伸附加应力， 从而减轻了拉应力的不良影响。5. 变形状态6. 尺寸因素7. 周围介质（1）周围介质和气氛能使变形物体表面层溶解并与金

5、属基体形成脆性相，因而 使变形物体呈现脆性状态。（2）周围介质的作用能引起变形物体表面层的腐蚀以及化学成分的改变，使塑 性降低。（3）有些介质（如润滑剂）吸附在变形金属的表面上，可使金属塑性变形能力 增加。3提高金属塑性的主要途径提高塑性的主要途径有以下几个方面：（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一速度制度；（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。2.8金属塑性成形基础1. 金属塑性成形指利用外力使金属材料产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能, 从而获

6、得各种产品的加工方法。2. 主要应用：（1）生产各种金属型材、板材、线材等；（2）生产承受较大负荷的零件，如曲轴、连杆、各种工具等。3. 金属塑性成形特点（1）产品力学性能优于铸件和切削加工件；（2）材料利用率高，生产率高；（3）产品形状不能太复杂；（4）易实现机械化、自动化，模具投资较大。4. 分类：（1）轧制；（2）挤压；（3）拉拔；2.8.2金属的加工硬化、回复和再结晶1. 金属的加工硬化：即金属在低于再结晶温度加工时，由于塑性应变而产生的强度、硬度增加，塑 性、韧性下降的现象。意义：强化金属。纯金属及某些不能通过热处理方法强化的合金，如低碳钢、纯铜、防锈铝、奥氏 体不锈钢、高锰钢等，可

7、通过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提高其强度和硬度。但在冷轧薄钢板、冷拉细钢丝及多道拉深的过程中，也会由于加工硬化造成后道 加工的困难，甚至开裂。故应在工序间穿插热处理工艺来消除加工硬化。2. 回复与再结晶：（1）回复：即将冷成形后的金属加热至一定温度后，使原子恢复到平衡位置，晶内残 余应力大大减小的现象。T 回 =（0.25 0.3 ） T 熔 K生产中常利用回复消除加工硬化后工件的残余内应力。2）再结晶：即塑性变形后金属被拉长的晶粒重新生核、结晶，变为等轴晶粒的现象。T 再=0.4 T 熔 K生产中，再结晶也有广泛的应用。例如：在冷轧、冷挤、冷拉、冷冲的过程中穿插再结晶退火，消除加工硬化，恢

8、复金属材料的良好塑性，以利于后续的冷变形加工。2.8.3金属的冷成形、热成形及温成形1. 冷成形：即坯料在回复温度以下进行的塑性成形过程，变形过程中会出现加工硬化。包括冷冲、冷挤、冷镦、冷轧、冷拔等，T变vT回。优缺点：（1）成形后的金属表面光洁、尺寸精确，具有较高强度和硬度。（2）有加工硬化，变形量不宜过大。2. 热成形：即金属在再结晶温度以上进行的塑性成形过程。包括锻造、热挤压、热轧，T变T再优缺点：（1）产品力学性能高；（2）无加工硬化现象；（允许以较小的功达到较大的变形。）（3）产品尺寸精度有所下降。（考虑原因）3. 温成形：即金属在高于回复温度以上和低于再结晶温度范围内进行的塑性成形

9、过程。包括温挤压、温拉拔、温锻等。T回v T变v T再特点：变形中有加工硬化和回复现象，无再结晶现象。为帮助大家更好地理解和掌握加工硬化、回复、再结晶对金属组织和性能的影 响，下面举例说明：例1:已知铅的熔点为327C,钨的熔点为3380 E。问：铅 在20C、钨在1000C时变形各属哪种变形？为什么？2.8.4锻造比和锻造流线1. 锻造比“ y”：锻造时变形程度的一种表示方法，通常用变形前后的截面比、长 度比或高度比来表示。拔长时：y = A0 （前）/ A （后）=L / L0镦粗时：y = A / A0 = H0 / H一般：随y增大，金属力学性能提高； 结构钢钢锭的y通常为2 4。2.

10、 锻造流线：2 应用：一般应遵循两项原则1）使流线分布与零件的轮廓相符合而不被切断。（2）使零件所受的最大正（拉）应力与流线方向一致，切应力与流线垂直。 例如：1）用棒料经局部镦粗制螺钉；2） “金流线金属锻造”，制吊钩、曲轴、齿轮等。锻造流线的化学稳定性很高，用热处理或其 它方法都不能消除，只能通过重新锻压才能改变 其流线方向和分布状况。2.8.5材料的塑性成形性1. 材料的塑性成形性：指是材料经过塑性变形不产生裂纹和破裂以获得所需形状的加工性能。 包括可锻性和板料冲压性能。可锻性：指材料在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力。 一般：材料塑性越好，变形抗力越小，材料的塑性成形性越好。2.

11、影响因素1）材料本质1 ）化学成分：碳：C固溶于Fe中，形成F、A,塑性增大，变形抗力下降，塑性成形性提 高；C与Fe形成Fe3C,塑性下降，变形抗力增大。杂质元素：硫、磷等杂质元素，一般使钢塑性下降。合金元素：一般降低塑性，提高变形抗力，塑性成形性下降。2）金相组织：单相优于多相；细晶粒优于粗晶粒，热成形组织优于冷成形和铸态组织 。（2）变形条件1）变形温度，一般情况：温度升高，塑性增大，塑性成形性增大，但温度过高，塑性会下降，塑性 成形性也会下降。2）应变速率，指应变相对于时间的变化率。两方面：应变速率增大，塑性下 降；应变速率达一定值后，由于热效应，塑性增大。3）应力状态：指受力物体内一

12、点的各个面上的应力状况。主应力图：变形体内单元体上主应力作用情况的示意图形。应力状态取决于加工方式。压应力个数越多，数值越大，塑性越好。2.9 金属塑性成形基础塑性加工的宏观规律2.9.1塑性流动规律（最小阻力定律）2.9.2影响金属塑性流动和变形的因素2.9.3不均匀变形、附加应力和残余应力2.9.4塑性加工过程的断裂与可加工性2.9.1塑性流动规律（最小阻力定律）最小周边法则：存在接触面摩擦时，物体各质点向周边流动的阻力与质点离周 边的距离成正比，因而必然向周边最短法线流动，周边形状表现为最小的圆形。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

13、短的路。2.9.2 影响金属塑性流动和变形的因素1摩擦的影响：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。2变形区的几何因素的影响：变形区的几何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影响变形和应力分布很重要的因素。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。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。5变形温度的影响：变形物体的温度不均匀

14、，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。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。外端的概念变形体的外端是指在变形过程中某一瞬间不直接承受工具的作用而处于 变形区以外的部分，称为外端或刚端。1均匀变形与不均匀变形均匀变形与不均匀变形的概念均匀变形：变形区某体积内金属各质点的变形状态相同，就称为均匀变形，否则就叫不均匀变形。均匀变形的特点：1. 平面与直线2. 圆与球体3. 相似单元体均匀变形必需满足的条件变形体物理性

15、质均匀且各向同性各点物理状态完全相同（温度、抗力、硬化情况等）各点的绝对变形量和相对变形量相同变形完全没有外端的作用接触表面没外縻擦或縻擦阻力。不均匀变形的典型现象高向单鼓形或双鼓形接触表出现粘着区、滑动区、侧翻区变形体整个体积可分为难变形区、易变形区、自由变形区。2研究变形分布的方法金属塑性加工中，研究变形物体内变形分布（即金属流动）的方法很多。常用的方法有：网格法；硬度法；比较晶粒法。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。基本应力与附加应力的概念基本应力：由外力作用所引

16、起的应力叫基本应力。 表示这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。工作应力图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图。均匀变形时基本应力图与工作应力图相同。 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。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附加应力对塑性变形 产生的不良后果：（1）引起变形体的应力状态发生变化，使应力分布更不均匀。（2）造成物体的破坏。（3）

17、使材料变形抗力提高和塑性降低（4）使产品质量降低。（5）使生产操作复杂化。（6）形成残余应力。4残余应力残余应力的来源残余应力的分类：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）残余应力的来源：不均匀变形相变 热处理 铸造 电镀 机加工等残余应力所引起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减小或消除残余应力的措施热处理方法机械处理法零件彼此碰撞，喷丸法，表面压平，表面拉制，在模子中表面校形或精压研究残余应力的主要方法机械法,化学法,X射线法X射线法在X射线法中可包括有劳埃法和德拜法。在劳

18、埃法中可根据干扰斑点形状的 变化来定性地确定残余应力。图 3-34示出，当无残余应力存在时，各干扰斑点 呈点状分布。有残余应力时，各干扰斑点伸长，呈“星芒”状。用德拜法可以定 量地测出所存在的残余应力。第一种残余应力可根据德拜图上衍射线条位置的变 化来确定。第二种和第三种残余应力可根据衍射线条的宽度变化和强度的变化来 确定。2.9.4 塑性加工过程的断裂与可加工性1塑性加工中的常见裂纹2金属断裂的物理本质3塑性-脆性转变4金属的可加工性1塑性加工中的常见裂纹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

19、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：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

20、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 3 55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

21、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 锻造时的内部裂纹预防措施：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，用图 3-58 （b）所示两种锤头压缩总变形量达 40%寸都未见任何裂纹。因此，最好采 用如下两种锤头，顶角不超过110°的槽形锤头和RW r，包角为100° 110°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

22、心水平附加拉 应力。二、轧制时的断裂1. 轧制时的表面开裂预防措施：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. 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

23、增加l/h值如图3-62所示。随着的增加, 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、挤压和拉拔时的断裂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：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

24、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. 内部裂纹当挤压比（挤压变形程度）较小，或拉拔时 L/dO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。2金属断裂的物理本质一、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，可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类。通常以单向拉伸时的断面收缩率大于5%者为韧性断裂，而小于5%者为脆性断裂。此外，

25、按断裂面相对作用力方向的取向关系， 分正断与剪断两 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。 通常正断沿解理面断裂；剪断沿滑移面断裂。1. 脆性断裂在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，直接由弹性变形状态过渡到断裂， 断裂面和拉伸轴接近正交，断口平齐，如图 3-68a所示。脆性断裂在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。所谓解理面，一般 都是晶面指数比较低的晶面，如体心立方的（100）面。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；二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状，如图 3-69所示。2. 韧性断裂在断裂前

26、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3-68b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如金、 铅和 铝，可以拉缩成一个点才断开，如图3-68C所示；对于一般的韧性金属，断裂则 由试样中心开始，然后沿图3-68d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：1。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，所以韧 性断裂是

27、一种高能量的吸收过程；2。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；3。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；4。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。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寸后，便失稳扩展，直至