第二章第二节_金属压力加工的金属学基础

1、金属压力加工概论金属压力加工概论第二节第二节 金属压力加工的金属压力加工的金属学基础金属学基础内容内容提要：提要：一一、金属的塑性变形机理、金属的塑性变形机理二、加工过程中的硬化和软化二、加工过程中的硬化和软化三、金属塑性变形的类别三、金属塑性变形的类别四、热变形对四、热变形对金属组织和性能金属组织和性能的影响的影响五、金属的塑性五、金属的塑性六、塑性变形的不均匀性六、塑性变形的不均匀性金属压力加工概论金属压力加工概论一、金属的塑性变形机理一、金属的塑性变形机理 1单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 2多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形金属压力加工概论金属压力加工概论 变形的基本形式变形的基本形式

2、 弹性变形、塑性变形。弹性变形、塑性变形。 弹性变形：弹性变形：当使物体发生变形的因素去掉后，当使物体发生变形的因素去掉后，变形立即消失，这种变形叫弹性变形。变形立即消失，这种变形叫弹性变形。 塑性变形：塑性变形：当使物体发生变形的因素去掉，变当使物体发生变形的因素去掉，变形仍然保留下来，这种变形叫塑性变形。形仍然保留下来，这种变形叫塑性变形。金属压力加工概论金属压力加工概论 1 1单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 对单晶体而言：对单晶体而言： 正应力使晶格发生弹性变形或断裂正应力使晶格发生弹性变形或断裂 切应力使晶格发生弹性歪扭或塑性变形切应力使晶格发生弹性歪扭或塑性变形塑性变形的实质塑性变

3、形的实质 原原子移动到新的稳定位置子移动到新的稳定位置金属压力加工概论金属压力加工概论 (1) 滑移滑移 滑移：滑移：在切应力作用下，在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶体的一部分沿着一定晶面晶面(原子密排晶面原子密排晶面)和和这个晶面上的一定晶向这个晶面上的一定晶向(原子密排晶向原子密排晶向)相对另相对另一部分发生相对移动的一部分发生相对移动的现象。现象。单晶体塑性变形（即晶内变形）的单晶体塑性变形（即晶内变形）的机制：机制：滑移滑移和和孪生孪生，而滑移是晶内变形的主要方式。，而滑移是晶内变形的主要方式。金属压力加工概论金属压力加工概论金属压力加工概论金属压力加工概论 滑移系，如滑移系，如

4、FCC和和BCC的滑移系为的滑移系为12个，个，HCP为为3个，个， 滑移系数目滑移系数目，材料塑性，材料塑性；滑移方向；滑移方向，材料塑性，材料塑性。金属压力加工概论金属压力加工概论 滑移的实现滑移的实现 位错在切应力作用下沿滑移面的运动。位错在切应力作用下沿滑移面的运动。 滑移并非是晶体两部滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的分沿滑移面作整体的滑动！滑动！金属压力加工概论金属压力加工概论 作用在滑移面上，沿滑作用在滑移面上，沿滑移方向的分切应力：移方向的分切应力： =coscos 发生屈服时：发生屈服时： k=scoscos k：临界剪应力临界剪应力金属压力加工概论金属压力加工概论 （2）

5、孪生）孪生 孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生相对切变的现象。方向）发生相对切变的现象。 孪生的结果使孪生面孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对两侧的晶体呈镜面对称。称。 发生孪生的部分（切发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带变部分）称为孪生带或孪晶。或孪晶。金属压力加工概论金属压力加工概论 单晶体塑性变形是以单晶体塑性变形是以滑移滑移和和孪生孪生两种形式通过两种形式通过位错位错运动来进行的。运动来进行的。金属压力加工概论金属压力加工概论2 2、多晶体的塑性变

6、形、多晶体的塑性变形 多晶体由许多不同位向、不同大小的晶粒组成，多晶体由许多不同位向、不同大小的晶粒组成，晶粒之间存在晶界，变形复杂。晶粒之间存在晶界，变形复杂。金属压力加工概论金属压力加工概论金属压力加工概论金属压力加工概论 2、晶粒间位向差阻碍滑移、晶粒间位向差阻碍滑移进行；进行； 3、晶界阻碍位错运动。、晶界阻碍位错运动。 多晶体的塑性变形过程：多晶体的塑性变形过程： 1、不均匀的塑性变形过程；、不均匀的塑性变形过程； A取向取向 B取向取向 C取向依次发生变形。取向依次发生变形。金属压力加工概论金属压力加工概论多晶体塑性变形的特点：多晶体塑性变形的特点： 变形的不同时性变形的不同时性

7、； 变形的协调性变形的协调性 ； 变形的不均匀性变形的不均匀性 。 变形更困难。（因晶界和晶粒取向的影响）变形更困难。（因晶界和晶粒取向的影响）金属压力加工概论金属压力加工概论 影响多晶体塑性变形的因素：影响多晶体塑性变形的因素： 晶体的组织结构晶体的组织结构 晶界的影响晶界的影响 晶粒位向的影响晶粒位向的影响 晶粒大小的影响。晶粒大小的影响。 霍尔霍尔佩奇公式：佩奇公式： 0、k与晶体类型有关的与晶体类型有关的常数。常数。2/10dks多晶体的室温强多晶体的室温强度随着晶粒的细度随着晶粒的细化而提高！化而提高！金属压力加工概论金属压力加工概论二、二、加工过程中的硬化和软化加工过程中的硬化和软

8、化 1、加工硬化、加工硬化 定义：金属发生塑性定义：金属发生塑性变形时，随冷变形程变形时，随冷变形程度的增大，其强度和度的增大，其强度和硬度显著提高，塑性硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现和韧性明显下降的现象。象。如：冷轧薄钢板、冷拔钢丝等。如：冷轧薄钢板、冷拔钢丝等。金属压力加工概论金属压力加工概论 产生加工硬化的原因：产生加工硬化的原因： 几何硬化几何硬化 物理硬化物理硬化 多晶体中晶粒转动产多晶体中晶粒转动产生的几何硬化生的几何硬化 多晶体中，由于组织多晶体中，由于组织不均匀和附加应力及残不均匀和附加应力及残余应力等产生的硬化。余应力等产生的硬化。 影响加工硬化的因素：影响加工硬化的因

9、素： 金属本身的性质；金属本身的性质； 变形程度的大小；变形程度的大小； 变形速度的高低。变形速度的高低。金属压力加工概论金属压力加工概论 加工硬化的利弊：加工硬化的利弊： 是一种重要的强化手段。是一种重要的强化手段。 能保证金属某些工艺性能，并使之得以加工能保证金属某些工艺性能，并使之得以加工成形。如：金属丝的拉拔、筒形零件的拉深等。成形。如：金属丝的拉拔、筒形零件的拉深等。 可保证金属零件和构件的工作安全性。可保证金属零件和构件的工作安全性。 加工硬化降低塑性，这对于大变形量的变形加工硬化降低塑性，这对于大变形量的变形加工无疑会带来麻烦。加工无疑会带来麻烦。 如多道次变形及中间退如多道次变

10、形及中间退火。火。金属压力加工概论金属压力加工概论2、加工硬化组织和结构的变化、加工硬化组织和结构的变化 (1) 形成纤维组织；形成纤维组织； 晶粒及夹杂物等沿延伸方向伸长及分布，使变晶粒及夹杂物等沿延伸方向伸长及分布，使变形金属的性能产生各向异性。形金属的性能产生各向异性。 (2) 形成亚结构；形成亚结构； 由于位错运动、增殖和交互作用，位错密度增加，产由于位错运动、增殖和交互作用，位错密度增加，产生位错缠结，使晶粒碎化成更小的亚晶粒。生位错缠结，使晶粒碎化成更小的亚晶粒。 (3) 形成变形织构。形成变形织构。金属压力加工概论金属压力加工概论工业纯铁不同变形度工业纯铁不同变形度的显微组织的显

11、微组织金属压力加工概论金属压力加工概论金属压力加工概论金属压力加工概论金属压力加工概论金属压力加工概论 变形织构使金属呈现明显的各向异性。变形织构使金属呈现明显的各向异性。金属压力加工概论金属压力加工概论 变形织构对材料的性能和加工工艺都有很大影响。变形织构对材料的性能和加工工艺都有很大影响。 变压器铁芯的硅钢片，变压器铁芯的硅钢片，沿沿100方向最易方向最易磁化，采用这种织构磁化，采用这种织构的板材，铁损减小。的板材，铁损减小。金属压力加工概论金属压力加工概论3、加工软化过程、加工软化过程 金属的回复和再结晶过程就是软化过程。金属的回复和再结晶过程就是软化过程。冷变形金属在加热过程中的冷变形

12、金属在加热过程中的变化，经历三个阶段：变化，经历三个阶段：回复、回复、再结晶、再结晶、晶粒长大。晶粒长大。金属压力加工概论金属压力加工概论 （1） 回复回复 定义：将冷变形后的金属加热至较低温度后，原定义：将冷变形后的金属加热至较低温度后，原子恢复到平衡位置，使晶格畸变逐渐降低，残余子恢复到平衡位置，使晶格畸变逐渐降低，残余应力逐渐减小的过程。应力逐渐减小的过程。 性能变化：强度、硬度、塑性和韧性基本不变，性能变化：强度、硬度、塑性和韧性基本不变，只是内应力减小，电阻率降低，加工硬化现象得只是内应力减小，电阻率降低，加工硬化现象得到部分消除。到部分消除。 组织变化：晶粒形状、大小基本不变。组织

13、变化：晶粒形状、大小基本不变。 金属压力加工概论金属压力加工概论 应用应用去应力退火。消除残余应力，保去应力退火。消除残余应力，保留加工硬化效果。留加工硬化效果。 例如，用冷拉钢丝卷制的弹簧，在卷成之后要进行一例如，用冷拉钢丝卷制的弹簧，在卷成之后要进行一次次250300低温加热，以消除内应力使其定型。低温加热，以消除内应力使其定型。 纯金属：纯金属：T回回=（0.25.3）T熔熔 （温度单位：（温度单位：K） 金属压力加工概论金属压力加工概论（2） 再结晶再结晶 定义：冷变形后金属在较高温度加热时，变形、定义：冷变形后金属在较高温度加热时，变形、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成等轴晶粒破碎的

14、晶粒通过重新生核、长大变成等轴晶粒的过程称为再结晶的过程称为再结晶 。变化变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加工硬化现象被消除。工硬化现象被消除。金属压力加工概论金属压力加工概论应用应用再结晶退火再结晶退火消除加工硬化现象，恢复金属消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性，以利于后面的变形加工。的塑性和韧性，以利于后面的变形加工。 再结晶温度再结晶温度T再再 ：开始产生再结晶现象的最低温度：开始产生再结晶现象的最低温度 。 纯金属：纯金属：T再再 =0.4 T熔熔（温度

15、单位：（温度单位：K ）金属压力加工概论金属压力加工概论金属压力加工概论金属压力加工概论 影响再结晶退火后晶粒度的主要因素是影响再结晶退火后晶粒度的主要因素是加热温加热温度度和和预变形度预变形度。 金属压力加工概论金属压力加工概论 （3）晶粒长大）晶粒长大 加热温度加热温度 T 过高或过高或 加热时间加热时间 t 过长过长 晶界迁移、晶粒合并长大，使晶粒变粗。晶界迁移、晶粒合并长大，使晶粒变粗。 这时金属的强度下降，塑性、韧性降低。这时金属的强度下降，塑性、韧性降低。金属压力加工概论金属压力加工概论变形变形80% 变形变形80% 400退火退火8小时小时变形变形80% 600退火退火8小时小时

16、工业纯铁冷变形及再结晶工业纯铁冷变形及再结晶退火退火 显微照片显微照片 100金属压力加工概论金属压力加工概论 a.黄铜变形量达黄铜变形量达38后的组织后的组织 b.580保温保温3s c. 580保温保温4s d.580保温保温8s e.580保温保温15min f.700保温保温10min金属压力加工概论金属压力加工概论三、金属塑性变形的类别三、金属塑性变形的类别 1冷变形冷变形 金属压力加工过程中，只有加工硬化作用而无回复金属压力加工过程中，只有加工硬化作用而无回复与再结晶现象的变形过程，叫做冷变形。与再结晶现象的变形过程，叫做冷变形。 冷变形在低于冷变形在低于T再再(0.3Tr)的条件

17、下发生。的条件下发生。 2热变形热变形 在在T再再以上，且再结晶的速度大于加工硬化速度的变以上，且再结晶的速度大于加工硬化速度的变形过程，即在变形过程中，由于完全再结晶的结果而形过程，即在变形过程中，由于完全再结晶的结果而全部消除加工硬化现象的变形过程称为热变形。全部消除加工硬化现象的变形过程称为热变形。 热变形通常发生在热变形通常发生在(0.90.95) Tr的温度范围内。的温度范围内。金属压力加工概论金属压力加工概论 3不完全冷变形不完全冷变形 在金属压力加工过程中只具有加工硬化及回复现象，在金属压力加工过程中只具有加工硬化及回复现象，而无再结晶现象的变形称为不完全冷变形。而无再结晶现象的

18、变形称为不完全冷变形。 不完全冷变形通常发生在不完全冷变形通常发生在(0.30.4) Tr的温度范围内。的温度范围内。 4不完全热变形不完全热变形 金属在变形过程中，除有加工硬化外，同时尚有回金属在变形过程中，除有加工硬化外，同时尚有回复与部分的再结晶的变形过程，叫做不完全热变形。复与部分的再结晶的变形过程，叫做不完全热变形。 不完全热变形发生在不完全热变形发生在(0.5 0.7) Tr的温度范围内。的温度范围内。金属压力加工概论金属压力加工概论 例如，铅、锡等低熔点金属的再结晶温例如，铅、锡等低熔点金属的再结晶温度低于室温，它们在室温下的变形已属度低于室温，它们在室温下的变形已属于热加工；于

19、热加工； 钨的再结晶温度为钨的再结晶温度为12101210，即便在，即便在10001000拉制钨丝仍属于冷加工；拉制钨丝仍属于冷加工； 铁的再结晶温度为铁的再结晶温度为450450，那么，对铁在，那么，对铁在450450以下的变形加工都属于冷加工。以下的变形加工都属于冷加工。 金属压力加工概论金属压力加工概论 冷变形的优点：冷变形的优点： 能够获得较高的尺寸精度和表面质量；能够获得较高的尺寸精度和表面质量； 加工硬化提高了零件的强度和硬度；加工硬化提高了零件的强度和硬度； 在变形中，容易控制晶粒的流动趋势，在变形中，容易控制晶粒的流动趋势，使零件获得预期的性能；使零件获得预期的性能； 不需要加

20、热设备，节约成本，同时提不需要加热设备，节约成本，同时提高了生产效率。高了生产效率。金属压力加工概论金属压力加工概论 冷变形的缺点：冷变形的缺点： 需要较大的变形力；需要较大的变形力； 较低的韧性和加工硬化限制了零件的变形程度；较低的韧性和加工硬化限制了零件的变形程度； 产生残余应力。产生残余应力。 残余应力：指去除外力后残留于且平衡于金属内部的残余应力：指去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力。它主要是金属内部不均匀变形引起的。应力。它主要是金属内部不均匀变形引起的。 残余应力的危害：残余应力的危害： 降低工件的承载能力。降低工件的承载能力。 使工件尺寸及形状发生变化。使工件尺寸及形状发生变

21、化。 降低工件的耐腐蚀性。降低工件的耐腐蚀性。金属压力加工概论金属压力加工概论 热变形过程中，位错热变形过程中，位错增殖导致的加工硬化增殖导致的加工硬化能被变形过程发生的能被变形过程发生的软化过程即动态软化软化过程即动态软化过程所抵消。过程所抵消。 热加工的动态软化过热加工的动态软化过程，包括程，包括动态回复动态回复和和动态再结晶动态再结晶。金属压力加工概论金属压力加工概论 热变形的优点：热变形的优点： 变形抗力低。变形抗力低。 塑性升高，产生断裂的倾向性减少。塑性升高，产生断裂的倾向性减少。 不易产生织构。不易产生织构。 生产周期短。生产周期短。在生产过程中，不需要像冷加在生产过程中，不需要

22、像冷加工那样的中间退火，从而使整个生产工序简化工那样的中间退火，从而使整个生产工序简化而提高了生产率。而提高了生产率。 组织与性能基本满足要求。组织与性能基本满足要求。金属压力加工概论金属压力加工概论四、热加工对金属组织和性能的影响四、热加工对金属组织和性能的影响 (1) 改善铸锭和坯料的组织与性能改善铸锭和坯料的组织与性能使金属锭中的气孔焊合、压实分散缩孔，使材料的致密度增加；使金属锭中的气孔焊合、压实分散缩孔，使材料的致密度增加；由于在温度与压力的作用下扩散速度增快，因而偏析可部分地消由于在温度与压力的作用下扩散速度增快，因而偏析可部分地消除，成分比较均匀；除，成分比较均匀；经过热变形后，

23、一般都会使金属晶粒细化。经过热变形后，一般都会使金属晶粒细化。 金属压力加工概论金属压力加工概论 引起性能各向异性。引起性能各向异性。 控制热加工工艺使流线与零件承控制热加工工艺使流线与零件承受的主要应力方向一致，使其分布受的主要应力方向一致，使其分布合理合理 。与冷变形纤维组与冷变形纤维组织有何不同？织有何不同？金属压力加工概论金属压力加工概论 (3) 形成带状组织形成带状组织 带状组织：金属材料带状组织：金属材料中两种组织组分呈条中两种组织组分呈条带状沿热变形方向大带状沿热变形方向大致平行交替平行排列致平行交替平行排列的组织。的组织。 如珠光体如珠光体-铁素体带状组织、铁素体带状组织、碳化

24、物带等。碳化物带等。 带状组织也引起性能各向异性。带状组织也引起性能各向异性。金属压力加工概论金属压力加工概论五、金属的塑性五、金属的塑性 塑性：是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其塑性：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。完整性的能力。 影响塑性的因素：影响塑性的因素： 金属的成分和组织结构金属的成分和组织结构 变形温度变形温度 变形速度变形速度 变形力学条件（包括应力状态和变形状态）变形力学条件（包括应力状态和变形状态） 变形程度变形程度 其它因素（如变形金属体积大小、周围介质等。）其它因素（如变形金属体积大小、周围介质等。）金属压力加工概论金属压力加工概论 提高金属塑性的基本途径：提高金属塑性的基本途径： (1) 提高材料成分和组织的均匀性提高材料成分和组织的均匀性 (2) 合理选择变形温度和应变速率合理选择变形温度和应变速率 (3) 选用三向压应力较强的变形过程选用三向压应力较强的变形过程 (4) 减小变形的不均匀性减小变形的不均匀性 不均匀变形会引起附加