第一章金属塑性成形的物理基础

1、合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作第十二章 金属塑性成形的物理基础合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一节 概 述第二节 金属在冷态下的塑性变形第三节 金属的热塑性变形第四节 对塑性和变形抗力的影响第五节 金属的超塑性合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一节 绪 论塑性： 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

2、种加工方法，又称为塑性加工。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1、航空航天航空航天领域合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2、武器装备武器装备领域合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理3、交通运输交通运输领域合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理4、建筑建筑领域合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成

3、形基本原理材料成形基本原理5、家用电器家用电器领域合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理主要内容一、金属塑性成形的特点二、塑性成形工艺的分类三、塑性变形成形理论的发展概况四、本课程的任务 本课程参考资料合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、金属塑性成形的特点1、生产效率高，适用于大批量生产、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冲硅钢片的高速冲床的速度可达2000次次/min; 锻造一根汽车发动机曲轴只需要锻造一根汽车发动机曲轴只需要40s；

4、M12l螺栓的冷锻螺栓的冷锻 210件件/ min。2、改善了金属的组织和结构和性能、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；得致密，夹杂物被击碎； 与机械加工相比，金属的纤维组织不会被切断，因而结构性能得到与机械加工相比，金属的纤维组织不会被切断，因而结构性能得到提高。提高。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理机械加工机械加工塑性加工塑性加工合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家

5、级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 3、 材料利用率高材料利用率高 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，和尺寸，无切削，只有少量的工艺废料，因此材料利用率高， 一般可达一般可达75%85%，最高可达，最高可达98%以上。以上。 4、尺寸精度高、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械加工就可以使用的程度。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基

6、本原理材料成形基本原理二、塑性成形工艺的分类二、塑性成形工艺的分类 体积成形体积成形 （热加工）（热加工） 板料成形板料成形 （冷加工）（冷加工） 锻造锻造轧制轧制自由锻造自由锻造拉拔拉拔挤压挤压 模模锻锻成形工序成形工序 分离工序分离工序 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理轧制轧制挤压挤压 拉拔拉拔 自由锻自由锻开式模锻开式模锻冲裁冲裁拉深拉深闭式模锻闭式模锻合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划

7、教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理卧式挤压机卧式挤压机合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作

8、普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、塑性变形成形理论的发展概况 塑性成形力学，是在塑性理论（或塑性力学）的发展和应用中逐渐形成塑性成形力学，是在塑性理论（或塑性力学）的发展和应用中逐渐形成的：的： 1864年法国工程师年法国工程师H.Tresca首次提出最大切应力屈服准则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；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；萨克斯和齐

9、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。再后来，滑移线法、上限法、有限元法等相继得到发展。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理四、本课程的任务（一）增量理论增量理论 ：1 1、Levy-MisesLevy-Mises（米塞斯）增量理论（米塞斯）增量理论 2 2、Prandtl-ReussPrandtl-Reuss（罗伊斯）理论（罗伊斯）理论合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理本课程的任务（二）合肥工业大学材料科学与工程学院制

10、作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理本课程的任务（三）合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理本课程参考资料1、俞汉清陈金德编俞汉清陈金德编 金属塑性成形原理金属塑性成形原理 机工社出版机工社出版2、万胜狄主编金属塑性成形原理、万胜狄主编金属塑性成形原理 机工社出版机工社出版3、汪大年主编金属塑性成形原理、汪大年主编金属塑性成形原理 机工社出版机工社出版合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第二节金属在冷态下的塑性变形一、金属的晶体结构

11、和组织一、金属的晶体结构和组织二、二、金属冷态下的塑性变形机理金属冷态下的塑性变形机理三、三、合金的塑性变形合金的塑性变形四、四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影响合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、金属的晶体结构和组织一、金属的晶体结构和组织 晶界：晶粒之间为晶界，晶界：晶粒之间为晶界，晶界表现出许多与晶粒内部不同的晶界表现出许多与晶粒内部不同的性质；如：性质；如：室温时晶界的强度和硬度高于晶内，高温时则相反；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；

12、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。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多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶界变形合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合金：由两种或两种以上的金属构成，按组织特征分为单相合金：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）。（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，晶粒多晶

13、体：由许多大小、形状和位向都不同的晶粒组成，晶粒之间存在晶界之间存在晶界 。变形的不均匀性和各晶粒变形的相互协。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。调性是其变形的主要特点。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、金属冷态下的塑性变形机理 晶内变形的主要方式为滑移和孪生，其中滑移是主要的晶内变形的主要方式为滑移和孪生，其中滑移是主要的 （一）晶内变形（一）晶内变形 1滑移滑移 动画演示动画演示滑移：在切应力的作用下，晶体的一部分与另一部分沿一定的晶面（滑滑移：在切应力的作用下，晶体的一部分与另一部分沿一定的

14、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。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。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。形增加，还会发生多系滑移，

15、滑移面还会发生扭转、弯曲等。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图12-3滑移方向与滑滑移方向与滑移面移面图12-4滑移面上的切应力分析coscos其中：其中： 为横为横截面上的拉应截面上的拉应力，力， 称为取称为取向因子向因子 = =45时，时， 最大，切应力最大，切应力最大，滑移系最大，滑移系处于最佳取向。处于最佳取向。coscos软取向：软取向： =0.5或接近于或接近于0.5的取向的取向硬取向：硬取向： =0或接近于或接近于0的取向的取向 多晶体只有处于软取向的滑移面最先多晶体只有处于软取向的滑移面最先滑移滑移 注：单

16、晶体的临界切应力，不随取向因子的变化而变化注：单晶体的临界切应力，不随取向因子的变化而变化合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2孪生孪生 动画演示动画演示孪生变形：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晶面为分界面成镜面对称的位向关系孪生变形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。先发生的变形方式。发生孪生变形的发生孪生变形的条件

17、条件主要与主要与晶体结构晶体结构、变形温度变形温度和和变形速度变形速度有关：密排有关：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。下易发生孪生变形。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理如如 密排立方（锌、镁）密排立方（锌、镁） 常温、慢速拉伸常温、慢速拉伸 体心立方（体心立方（ 铁）铁） 室温、冲击载荷室温、冲击载荷 或或 低温、不太大的变形速率低温、不太大的变形速率 面心立方（纯铜）面心立方（纯铜） 特别低的温度（特别低的温度（-

18、230）注：孪生变形引起的变形量是较小的，因此，晶体的塑性变注：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。形主要依靠滑移变形。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（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晶间变形的方式包括晶粒间的相互滑动和转动。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。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，造多晶体变形的不

19、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。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。而发生滑移。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理多晶体的滑移晶粒之间的相对滑动和转动合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（三）晶界变形 低温时，晶界处原子排列极不规则，并聚

20、集着较多的低温时，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，杂质原子，使滑移受到阻碍，变形阻力较大变形阻力较大。 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界处晶粒的结构是不连续的，因此，晶界处各晶粒相互制约约晶界变形困难晶界变形困难。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 多晶体金属的多晶体金属的晶粒越细晶粒越细，单位体积内的晶界面积越大，滑单位体积内的晶界面积越大，滑移在相近的晶粒间传播所需要的能量越多，塑

21、性变形抗力大，移在相近的晶粒间传播所需要的能量越多，塑性变形抗力大，强度较高强度较高； 而且而且单位体积内位向有利的晶粒单位体积内位向有利的晶粒也越也越多多，变形分布较均变形分布较均匀，塑性较好匀，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。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。因。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、合金的塑性变形 合

22、金具有纯金属不可比拟的力学性能和特殊的物理、化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。学性能。合金的相结构有两大类：合金的相结构有两大类： 固溶体（如钢中的铁素体）固溶体（如钢中的铁素体） 化合物（钢中的化合物（钢中的FeFe3 3C C） 常见的合金组织有两大类：常见的合金组织有两大类： 单相固溶体合金单相固溶体合金 两相或多相合金两相或多相合金合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（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似，也是滑移和孪生，单相固溶体合金的塑性变形与多晶体纯金属相

23、似，也是滑移和孪生，变形时同样受到相邻晶粒的影响。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叫做固溶强化。（溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行 ）是由溶质原子阻碍金属中的位错运动引起的。是由溶质原子阻碍金属中的位错运动引起的。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（二）多相合金的塑性变形

24、多相合金（两相合金）中的第二相可以是纯金属、固多相合金（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。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、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，仍然是滑移和孪生滑移和孪生第二相以连续网状分布在基体晶粒的边界上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。随着第二相数量的增加，合金的强度和塑性皆下降。第二相以弥散质点（颗粒）分布

25、在基体晶粒内部第二相以弥散质点（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。合金的强度显著提高而对塑性和韧性的影响较小。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理弥散强化：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。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，从而使滑移阻力增加。著畸变，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，

26、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。弥散分布越好，强化的效果越好。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理两相合金的显微组织两相合金的显微组织合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理四、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（一）对组织结构的影响 晶粒内部出现滑移带和孪生带；晶粒内部出现滑移带和孪生带；晶粒的形晶粒的形状状发生变化：发生变化：随变形程度的增加，等轴晶沿变形随变形程度的增加，等轴晶沿变形方向逐步伸

27、长，当变形量很大时，晶粒组织成纤维状；方向逐步伸长，当变形量很大时，晶粒组织成纤维状；晶粒的位向发生改变：晶粒的位向发生改变：晶粒在变形的同时，也发生转动，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。形成变形织构。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理变形后变形后变形前变形前合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理拉拔形成的丝结构拉拔形成的丝结构拉拔后拉拔后轧制形成的板织

28、构轧制形成的板织构轧制前轧制前轧制后轧制后拉拔前拉拔前合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（二）对金属性能的影响塑性变形改变了金属内部塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变的组织结构，因而改变了金属的力学性能。了金属的力学性能。随着变形程度的增加，金随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降。而塑性和韧性相应下降。即产生了加工硬化即产生了加工硬化合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 加工硬化：在常温状态下，金属的流动应力

29、随变形程加工硬化：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。这种现象称为外力或变形功。这种现象称为加工硬化加工硬化。 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强，大量形成缠结、不动位错等障碍，形之间交互作用增强，大量形成缠结、不动位错等障碍，形成高密度的成高密度的“位错林位错林”，使其余位错运动阻力增大，于是，使其余位错运动阻力增大，于是塑性变形抗力提高。塑性变形抗力提高。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十

30、一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理加工硬化的两面性：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（形变强化）；还可以改善一些冷加工工艺性能，使塑性变形能够较均匀地分布于整个工件；变形能够较均匀地分布于整个工件；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。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注：加工硬化既是金属塑性变形的特征，也是强化

31、金属的重要手段。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第三节金属的热塑性变形热塑性变形热塑性变形 ： 金属在再结晶温度以上的变形，称为热塑性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。属处于高塑性、低变形抗力的状态。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料

32、成形基本原理主要内容一、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二、二、热塑性变形机理热塑性变形机理三、三、双相合金热塑性变形的特点双相合金热塑性变形的特点四、四、热塑性变形对金属组织和性能的影响热塑性变形对金属组织和性能的影响合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、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复杂，它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、动态性质有关，主要有静态

33、回复、静态再结晶、动态回复、动态再结晶和亚动态再结晶等。回复、动态再结晶和亚动态再结晶等。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1、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，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。这的扩散能力，变形后的金属自发地

34、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。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，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。再结晶则是在较高的温度下或较晚的阶段发生的转变。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理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

35、内，原子只在晶内作短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。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（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。合，使点缺陷的浓度下降。 中温回复（中温回复（0.30.5）Tm时，位错团内部位错重新组合和调整、位错时，位错团内部位错重新组合和调整、位错运动和异号位错互毁，导致位错团厚度变薄，位错网络清晰，晶界位错密度运动和异号位错互毁，导致位错团厚度变薄，位错网络清晰，晶

36、界位错密度下降，亚晶缓慢长大。下降，亚晶缓慢长大。 高温回复发生时（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），发生位错攀移，亚晶合并和多边形化现象。象。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理静态再结晶静态再结晶 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。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

37、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。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。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普

38、通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图12-16回复和再回复和再结晶对金属组织和性结晶对金属组织和性能的变化能的变化合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 回回 复复 再再 结结 晶晶晶晶 粒粒 长长 大大发生温度发生温度较低温度较低温度较高温度较高温度更高温度更高温度转变机制转变机制原子活动能量小，空位原子活动能量小，空位移动使晶格扭曲恢复。移动使晶格扭曲恢复。位错短程移动，适当集位错短程移动，适当集中形成规则排列中形成规则排列原子扩散能力大，新晶粒在原子扩散能力大，新晶粒在严重畸变组织中形核和生

39、长，严重畸变组织中形核和生长，直至畸变晶粒完全消失，但直至畸变晶粒完全消失，但无晶格类型转变无晶格类型转变新生晶粒中大晶新生晶粒中大晶粒吞并小晶粒，粒吞并小晶粒，晶界位移晶界位移组织变化组织变化金相显微镜下观察组织金相显微镜下观察组织无变化。宏观内应力和无变化。宏观内应力和微观内应力有较大下降微观内应力有较大下降形成新的等轴晶粒，有时还形成新的等轴晶粒，有时还产生再结晶织构，位错密度产生再结晶织构，位错密度大大下降大大下降晶粒明显长大晶粒明显长大性能变化性能变化强度、硬度略有下降，强度、硬度略有下降，塑性略有上升，电阻率塑性略有上升，电阻率明显下降明显下降强度、硬度明显下降，加工强度、硬度明显

40、下降，加工硬化基本消除。塑性上升硬化基本消除。塑性上升使性能恶化，塑使性能恶化，塑性明显下降性明显下降应用说明应用说明去应力退火工艺，一般去应力退火工艺，一般只有回复转变只有回复转变再结晶退火可消除加工硬化再结晶退火可消除加工硬化效果，消除组织各向异性效果，消除组织各向异性应在工艺处理过应在工艺处理过程中防止产生程中防止产生合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理动态回复 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。用。 动态回复主要是通过位错的攀移、交滑移来实

41、现的。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。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。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。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理动态再结晶 在热塑

42、性变形过程中发生的，层错能低的金属在变形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，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，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。晶所需的临界变形程度时，动态再结晶才会发生。合肥工业大学材料科学与

43、工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理动态再结晶的能力除与金属的层错能高低有关外，还与晶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。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。迁移，减缓或遏止动态再结晶过程的进行。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理动态

44、再结晶动态再结晶的晶粒度大小与变形程度、应变速率和变形温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，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。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。节晶粒组织的粗细和它的力学机械性能。在在动态再结晶动态再结晶的过程中，由变形引起的硬化过程和由再结的过程中，由变形引起的硬化过程和由再结晶引起

45、的软化过程相互平衡时，真实应力趋于稳定。晶引起的软化过程相互平衡时，真实应力趋于稳定。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、热塑性变形机理金属热塑性变形机理主要有以下几种：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。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；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；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。晶界滑移和扩散蠕变只发生在高温变形的时。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通

46、高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理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，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，改善了各晶粒之间的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；同时在热变形状态下，晶界对位错运动的阻变形协调性；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，位错有可能进入晶界。碍作用相对减弱，位错有可能进入晶界。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一

47、五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2. 晶界滑移 热塑性变形时，晶界强度较低，使得晶界滑动变得容热塑性变形时，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大得多。易进行。与冷变形相比，晶界滑动的变形量要大得多。 此外，改变变形条件，如降低应变速率和减小晶粒尺寸，此外，改变变形条件，如降低应变速率和减小晶粒尺寸，都有利于增大晶界滑动量。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，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，晶界滑动相对于晶扩大晶界变形。但是，在常规条件下，晶界滑动相

48、对于晶内滑移变形量还是比较小的。内滑移变形量还是比较小的。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理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。扩散蠕变是在应力场作用下，由空位的定向移动引起的。 在一定温度下，晶体中总存在一定数量的空位。显然，空位旁在一定温度下，晶体中总存在一定数量的空位。显然，空位旁边的原子容易跳入空位，相应地在原子占据的结点上出现新的空位，边的原子容易跳入空位，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，受拉应力相当于空位朝原子迁移的相反方向迁移。

49、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收。被平行于拉应力的晶界所吸收。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、双相合金热塑性变形的特点 1、弥散型双相合金、弥散型双相合金 第二相粒子对基体相变形和再结晶行为产生影响，从而第二相粒子对基体相变形和再结晶行为产生影响，从而对热塑性变形产生

50、影响。对热塑性变形产生影响。一方面，位错在第二相附近产生塞积，密度加大，分布一方面，位错在第二相附近产生塞积，密度加大，分布不均，有利于再结晶形核。但如果不均，有利于再结晶形核。但如果另一方面，当弥散状的第二相粒子直径和间距较小，位另一方面，当弥散状的第二相粒子直径和间距较小，位错的分布较为均匀，在热变形中不易重新排列和形成大角度错的分布较为均匀，在热变形中不易重新排列和形成大角度晶界，因而不利于再结晶形核。晶界，因而不利于再结晶形核。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理弥散的第二相粒子对晶界还具有钉扎作用，降低了晶弥散的第二相

51、粒子对晶界还具有钉扎作用，降低了晶界的可动性，限制了高温状态下晶粒的长大，限制了动态再界的可动性，限制了高温状态下晶粒的长大，限制了动态再结晶、静态再结晶和聚合再结晶的晶粒长大。碳钢中含有的结晶、静态再结晶和聚合再结晶的晶粒长大。碳钢中含有的第二相粒子如第二相粒子如MnS、Al2O3、TiN、W、V、Zr等，都具等，都具有这种机械阻碍作用。有这种机械阻碍作用。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理聚合型双相合金热变形的再结晶行为与各相的性能和体积百分比有关。热变形的再结晶行为与各相的性能和体积百分比有关。再结晶形核地点发生在位错数

52、量多且分布密集的区域。再结晶形核地点发生在位错数量多且分布密集的区域。变形小的相，再结晶的晶核只能在相界旁形成；变形小的相，再结晶的晶核只能在相界旁形成；变形大的那一相，既可以在相界旁形成，也可以在相内完变形大的那一相，既可以在相界旁形成，也可以在相内完成。成。由此造成的后果是热变形时，金属质点流动不均匀，产生由此造成的后果是热变形时，金属质点流动不均匀，产生较大的内应力，也降低了合金的塑性变形能力。较大的内应力，也降低了合金的塑性变形能力。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第二相粒子，在较高的变形温度和较低的应变速率下，发第

53、二相粒子，在较高的变形温度和较低的应变速率下，发生粗化。在亚共析钢和共析钢中还能发生第二相球化。生粗化。在亚共析钢和共析钢中还能发生第二相球化。在较大的变形条件下，还可将第二相打碎，改变其分布，在较大的变形条件下，还可将第二相打碎，改变其分布，使第二相呈带状、线状或链状。使第二相呈带状、线状或链状。例如，低碳钢在两相区热锻时，会形成铁素体带状组织。例如，低碳钢在两相区热锻时，会形成铁素体带状组织。当第二相为低熔点纯金属相或共晶体分布于晶界时，第二相当第二相为低熔点纯金属相或共晶体分布于晶界时，第二相会发生局部熔化，形成热脆现象，在热锻、热轧时沿晶界开会发生局部熔化，形成热脆现象，在热锻、热轧时

54、沿晶界开裂，产生缺陷。裂，产生缺陷。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理四、热塑性变形对金属组织和性能的影响1、改善晶粒组织、改善晶粒组织 经热塑性变形可获得均匀细小的再结晶组织，从而获得经热塑性变形可获得均匀细小的再结晶组织，从而获得较好的综合机械性能。较好的综合机械性能。2、锻合内部缺陷、锻合内部缺陷 铸态金属中的缺陷如疏松、空隙和微裂纹等，经过锻铸态金属中的缺陷如疏松、空隙和微裂纹等，经过锻造后被压实，致密度得到提高。造后被压实，致密度得到提高。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形

55、基本原理材料成形基本原理钢锭锻造过程中纤维组织形成示意图3、形成纤维状组织、形成纤维状组织合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理4、改善碳化物和夹杂物分布、改善碳化物和夹杂物分布 可以使碳化物和夹杂物被击碎，并均匀分布在基体中，可以使碳化物和夹杂物被击碎，并均匀分布在基体中，削弱了对基体的破坏作用。削弱了对基体的破坏作用。 5、改善偏析、改善偏析 在热塑性变形中，通过枝晶破碎和扩散，可使铸态金在热塑性变形中，通过枝晶破碎和扩散，可使铸态金属的偏析略有改善，铸件的力学性能得到提高。属的偏析略有改善，铸件的力学性能得到提高。合肥工业大

56、学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第四节 影响塑性和变形抗力的因素一、塑性、塑性指标和塑性图一、塑性、塑性指标和塑性图二、影响塑性的因素二、影响塑性的因素三、影响变形抗力的因素三、影响变形抗力的因素合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、塑性、塑性指标和塑性图一、塑性、塑性指标和塑性图塑性：金属在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的塑性：金属在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。能力。1 1、塑性反映了材料产生塑性变形的能力；、塑性反映了材料产生塑性变形的能

57、力；2 2、塑性不是固定不变的，同一种材料，在不同的变形条件、塑性不是固定不变的，同一种材料，在不同的变形条件下，会表现出不同的塑性。下，会表现出不同的塑性。3 3、影响金属塑性的因素主要有两方面：、影响金属塑性的因素主要有两方面： 1 1）内因：金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等；）内因：金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等； 2 2）外因：变形时外部条件，如变形温度和受力状况等。）外因：变形时外部条件，如变形温度和受力状况等。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理塑性指标：塑性指标： 为衡量金属塑性的高低而确定的数量

58、上的指标，一般以金为衡量金属塑性的高低而确定的数量上的指标，一般以金属材料开始发生破坏时的塑性变形量来表示属材料开始发生破坏时的塑性变形量来表示。常用的塑性指标：常用的塑性指标： 1 1、拉伸试验伸长率、拉伸试验伸长率( () ) %10000LLLk2 2、断面收缩率、断面收缩率（）（）%10000AAAk为试样的原始标准间距和试样断裂后标距间长度；为试样的原始横截面积和试样断裂处的最小横截面积。用断面收缩率作为塑性指标更合理合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理塑性指标还可以用镦粗实验和扭转试验测定。塑性指标还可以用镦粗实验和

59、扭转试验测定。 镦粗试验（试样的高度为直径的镦粗试验（试样的高度为直径的1.51.5倍）中，以出倍）中，以出现第一条裂纹时的变形程度为塑性指标：现第一条裂纹时的变形程度为塑性指标：0H%10000HHHkc注：只有相同的指标才能相互比较注：只有相同的指标才能相互比较kH试样原始高度和表面出现第一条裂纹试样原始高度和表面出现第一条裂纹时的高度时的高度 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理镦粗试验原始样出现裂纹后的试样合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理塑性图：塑性图

60、： 在不同的变形速度下，在不同的变形速度下，以不同温度下的各种塑以不同温度下的各种塑性指标（性指标（ 、 、 、 、a ak k等）为纵坐标、以温度等）为纵坐标、以温度为横坐标绘制成的函数为横坐标绘制成的函数曲线。曲线。碳钢塑性图合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、影响塑性的因素二、影响塑性的因素 内部因素：内部因素：化学成分化学成分 组织结构组织结构外部因素：外部因素：变形温度变形温度 应变速度应变速度 应力状态应力状态合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（