第1章-塑性加工金属学

1、材料成形原理之材料成形原理之-塑性成形原理塑性成形原理塑性成形原理研究的对象：金属塑性成形基本问题塑性： 材料在外力的作用下产生一定的永久变形而不破坏其完整性的能力。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状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需要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； 与机械加工相比，

2、金属的纤维组织不会被切断，因而结构性能得到提高。 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一定的形状和尺寸，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使用的程度。轧制挤压 拉拔 自由锻开式模锻闭式模锻冲裁拉深 塑性成形力学，是塑性理论（或塑性力学）的发展和应用中逐渐形成的： 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、

3、有限元法等相继得到发展。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： 掌握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；掌握应力、应变、应力应变关系和屈服准则等塑性理论基础知识，以便对变形过程进行应力应变分析，并寻找塑性变形物体的应力应变分布规律；掌握塑性成形时的金属流动规律和变形特点， 分析影响金属塑性流动的各种因素，以合理地确定坯料尺寸和成形工序，使工件顺利成形；掌握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提供依据

4、。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，还有第二相）。多晶体：由许多大小、形状和位向都不同的晶粒组成，晶粒之间存在晶界 。变形的不均匀性和各晶粒变形的相互协调性是其变形的主要特点。 晶界：晶粒之间为晶界，晶界表现出许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；晶界容易被腐蚀等。多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶界变形。（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

5、的作用下，晶体的一部分与另一部分沿一定的晶面（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。晶内滑移受到晶界的阻碍，还受到周围难滑移晶粒的阻碍。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coscos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。coscos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

6、临界切应力，不随取向因子的变化而变化 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） 特别低的温度（-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。晶间变形的方式包括晶粒间的

7、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。多晶体变形的不均匀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逐渐转到位向不利的位置而停止滑移，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

8、粒间传播所需要的能量越多，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，变形分布较均匀，塑性较好。 因此，细晶金属不容易产生裂纹，发生裂纹后也不容易扩展，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原因。合金具有纯金属不可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 两相或多相合金单相固溶体合金的塑性变形与多晶体纯金属相似，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

9、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。多相合金（两相合金）中的第二相可以是纯金属、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第二相的数量、形状、大小和分布的形态。但从变形的机理来说，仍然是滑移和孪生l第二相以连续网状分布在基体晶粒的边界上 随着第二相数量的增加，合金的强度和塑性皆下降。l第二相以弥散质点（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：第二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）面积显著增多并使周围晶格发生显著畸变，

10、从而使滑移阻力增加。另一方面，第二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（一）对组织结构的影响 l晶粒内部出现滑移带和孪生带；l晶粒的形状发生变化：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；出现纤维组织！l晶粒的位向发生改变：晶粒在变形的同时，也发生转动，从而使得各晶粒的取向逐渐趋于一致（择优取向），从而形成变形织构；出现变形织构！变形后变形前变形前后的晶粒形状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塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力学性能。随着变形程度的增加，金属

11、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：在常温状态下，金属的流动应力随变形程度的增加而上升。为了使变形继续下去，就需要增加变形外力或变形功。这种现象称为加工硬化。产生原因：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强，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）；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。热塑性变形 ： 金

12、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。 热塑性变形时金属的软化过程比较复杂，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。 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能力，变形后的金属自发地向低自由能状态转变。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

13、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化，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，改变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互相结合，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，亚晶缓慢长大。 高温回复发生时（T0.5Tm），发生位错攀移，亚晶合

14、并和多边形化现象。 冷变形金属加热到一定温度后，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改变或改组，使其在性能上也发生很大变化，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除，物理性能得到恢复等。 但是，再结晶并不是一个简单地使金属的组织恢复到变形前的状态的过程，可以通过控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控制金属组织和性能。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点及应用 回 复 再 结 晶 晶 粒 长 大 发生温度 较低温度

15、 较高温度 更高温度转变机制原子活动能量小，空位移动使晶格扭曲恢复。位错短程移动，适当集中形成规则排列原子扩散能力大，新晶粒在严重畸变组织中形核和生长，直至畸变晶粒完全消失，但无晶格类型转变新生晶粒中大晶粒吞并小晶粒，晶界位移组织变化金相显微镜下观察组织无变化。宏观内应力和微观内应力有较大下降形成新的等轴晶粒，有时还产生再结晶织构，位错密度大大下降晶粒明显长大性能变化强度、硬度略有下降，塑性略有上升，电阻率明显下降(因电阻率对点缺陷敏感,回复阶段点缺陷明显减少)强度、硬度明显下降，加工硬化基本消除。塑性上升使性能恶化，塑性明显下降 应用说明去应力退火工艺，一般只有回复转变再结晶退火可消除加工硬

16、化效果，消除组织各向异性应在工艺处理过程中防止产生 各种晶体结构的完整晶体都可以看成是由许多结构相同的原子面按一定规则堆垛而成。层错:晶体的正常堆垛顺序发生差错，就会出现堆垛层 错，简称层错。层错能:晶体内出现层错后，破坏了晶体的周期性和对称性。由于堆垛层错引起的晶体内能增加，称为晶体的层错能。其大小与晶体结构没有必然的联系。 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容易进行，位错容易在滑移面间转移，使异号位错互相抵消，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

17、以动态回复是层错能高的金属（如铝、铁、低碳钢等）热变形过程中唯一的软化机制。 在热塑性变形过程中发生的，层错能低的金属（如铜、不锈钢等）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。动态再结晶需要一定的驱动力，只有畸变能差积累到一定水平时，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动态再结晶的能力除与金属的层错能高低有关外，还与晶界迁移的难易程度有关。金属越纯，发生动态再结晶的能力越强。溶质原子固溶于金属基体，弥散的第二相粒子，都会严重阻碍晶界的迁移，减缓或遏止动态再结晶过程的进行。l

18、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，可以通过控制变形温度、速率和变形程度来调节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。 在热变形过程中已经形成但尚未长大的动态再结晶晶核，以及长大到中途的再结晶晶粒被遗留下来。变形停止后，当变形温度足够高时，这些晶粒和晶核还会继续长大，引起软化。此种过程称为亚动态再结晶。 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，

19、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候。 高温时原子间距加大，原子的热振动和扩散速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、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容易；滑移系增多，交滑移和位错结点脱锚比低温时容易；滑移系增多，改善了各晶粒之间的变形协调性；同时在热变形状改善了各晶粒之间的变形协调性；同时在热变形状态下，晶界对位错运动的阻碍作用相对减弱，位错态下，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。有可能进入晶界。 热塑性变形时，晶界强度较低，使得晶界滑动变得容易进行。与冷变形相比，晶界滑动的变形量要