第一讲金属塑性成形的物理基础

材料成形技术基础（塑性成形部分）机械工程学院模具与塑性加工研究所王立忠副教授第4章塑性成形理论基础

塑性成形是利用金属的塑性，在外力作用下使金属发生塑性变形，从而获得所需要形状和性能产品的一种加工方法；因此，又称为塑性加工或压力加工。

4.1基本问题,目的任务和主要内容

4.1.1塑性成形的基本问题

1)材料的塑性及其影响因素

研究塑性变形机理;

研究变形条件对材料塑性影响;研究塑性变形后材料组织和性能的变化。2)成形力、变形抗力及其影响因素

——应力场

成形力、功的大小是正确选用设备和设计模具的依据；对成形力影响因素的分析可减小成形力，节约能耗；应力场确定对分析工件内部裂纹产生和空洞愈合是必不可少的。3)金属的变形特点和流动规律

—位移场、应变场、速度场

研究金属的变形特点和流动规律是合理选择原始毛坯、设计中间毛坯及模具模膛形状的依据；分析和控制工件内部性能，内在质量和最终形状的依据。这是塑性成形的又一基本问题。4)塑性成形各种成形工艺及其模具

塑性成形需要输入形状信息，这些信息由模具及模具与加工材料的相对运动共同产生。对于要得到的零件，采用什么工艺，形状信息分几个阶段输入，对应的模具结构和形状参数如何确定、设备系统如何选择和控制等都是十分重要的。这也是塑性成形要研究的基本问题。4.1.2课程的目的和任务

研究和探讨金属在各种塑性加工中可遵循的基础理论和规律；科学、重点地阐明这些基础和规律，为合理制定塑性成形工艺规范，选择设备，设计模具以及后续课程的学习奠定理论基础。4.1.3课程的主要内容

1）金属塑性变形的物理基础

从微观上研究金属冷、热塑性变形机理；研究冷热塑性变形对材料组织和性能的影响；2）塑性变形力学基础金属变形体内的应力场、应变场；求解塑性成形问题的基本方程；应力-应变关系—增量与全量理论；塑性变形的力学条件—屈服准则；真实应力-应变曲线—本构关系；力学问题求解举例—主应力法。3）基本工艺方法及典型模具结构

板料成形工艺分类；冲裁、弯曲、拉深、胀形、翻边变形特点，主要工艺参数，生产中常见的主要质量问题；典型冲压模具结构。体积成形工艺分类；锻造与挤压工艺特点；锤上模锻与压力机上模锻的区别；典型锤上模锻的模具结构。4.2塑性成形的物理基础4.2.1金属的晶体结构自然界一切固态物质按其原子（或分子）的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体。晶体：是原子在三维空间作有规则的周期性重复排列的固体。而非晶体则不具备这一特点，这是两者的根本区别。自然界所有固体金属和合金都是晶体。晶体内原子在空间的规则排列，成为空间点阵。为了描述晶体内原子排列的状况，通常用直线将各原子中心连接起来，构成一空间格子，即假想处于平衡状态的各原子都位于该空间格子的各个结点上。晶格：描述晶体内原子排列形式的空间格子，简称晶格。晶胞：晶体中能反映晶格特征的最基本的几何单元。晶格常数(点阵常数):晶胞的各边尺寸,即原子间距.各种晶体的主要差别,就在于晶格形式和晶格常数的不同.实际金属的晶体结构

单晶体：位向相同的一群同类型晶胞聚合在一起，组成单晶体。单晶体由于不同晶面和晶向上原子排列不同，使原子的密度和原子间的结合力强弱不同，因而在不同方向上其机械、物理和化学性能不同，称为晶体的各向异性。多晶体：工业用金属是由许多尺寸很小，位向不同的小的单晶体组成。这些小单晶体称为晶粒。晶界：多晶体中各晶粒之间的过渡区，称为晶界。由于多晶体是由许多位向不同的晶粒组成，晶粒本身的各向异性被互相抵消，因而多晶体一般不显示方向性。实际金属的晶体中，原子以晶格结点为中心不停地作热振动，原子的规则排列由于种种原因受到干扰和破坏，存在一系列缺陷。按其几何形态分三种：1、点缺陷：包括空位、间隙原子和置换原子等。空位和间隙原子的迁移运动，是晶体中发生原子扩散的一种主要方式。2、线缺陷：各种类型的位错是晶体的线缺陷，也就是位错是晶体中在长度范围内存在的微观缺陷。3、面缺陷:晶体内表面的缺陷主要有(1)堆垛层错;(2)晶界、亚晶界;.

4.2.2单晶体的塑性变形

单晶体的塑性变形主要有:滑移和双晶（孪晶）两种方式。一滑移、滑移面和滑移方向滑移：在剪应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定的晶面和晶向产生移动。产生滑移的晶面和晶向，分别称为滑移面和滑移方向。一般情况下，滑移并非沿任意晶面和晶向发生，而是沿该晶体中原子排列最紧密的晶面和晶向发生。滑移面示意图二、滑移系通常每一种晶格有几个可能产生滑移的晶面，即同时存在几个滑移系；而每一个滑移面，又同时存在几个滑移方向。一个滑移面和其上一个滑移方向，构成一个滑移系。三、临界剪应力单晶体滑移时的应力分析单晶体在外力作用下开始滑移时，必须是滑移面上沿滑移方向的剪应力达到一定值时。实验研究证明，不同取向的单晶体，其临界剪应力是完全相同的单晶体的屈服极限不是定值，它是晶体位向的函数，这是和多晶体的不同之处。当单晶体的滑移系处于有利位向时，易于产生滑移，称为软取向。当单晶体的滑移系处于不利位向时，难于进行滑移，称为硬取向四、滑移的实质晶体的滑移是在剪应力的作用下通过滑移面上的位错运动进行。滑移面上的原子是逐个移动的，而不是整个原子层同时移动的。位错最基本的形式有刃型位错和螺旋位错

刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意晶体的转动和滑移面的弯曲锌单晶体拉伸变形和压缩变形的情况五、双晶（孪晶）单晶体塑性变形的另一种方式叫双晶，又叫孪晶。单晶体在剪应力作用下，晶体一部分对应一定的晶面（双晶面），沿一定的方向，进行相对移动。结果使晶体的变形部分与未变形部分以双晶面为对称面互相对称。面心立方晶体孪生变形示意发生孪晶的临界剪应力要比发生滑移的临界剪应力大得多。只有在滑移难以进行的条件下，晶体才能发生孪晶变形。孪晶也造成晶格畸变

位错理论一、柏矢矢量和位错环二、位错攀移三、位错交割四、位错源和位错增殖五、交滑移六、位错塞积七、位错密度4.2.2多晶体的塑性变形基本概念1)冷成形(coldworking)—冷塑性成形、冷变形

金属在回复、再结晶温度以下的一种成形方法，通常在变形过程中会出现位错密度上升、发生加工硬化的现象。

2)热成形(hotworking)—热塑性成形、热变形金属在再结晶温度以上进行的成形方法，通常变形过程材料软化占优势。温变形：若在静态再结晶温度以下变形，则既发生回复，也发生变形硬化。3)加工硬化(workhardeningorstrainhardening)—应变硬化

金属在低于再结晶温度时，由于塑性应变而产生塑性降低、强度和硬度增加的现象。

反映在物理化学性能上的变化是：导电性、导热性、抗腐蚀性匀降低。

4）静态回复也称回复当加热温度不高时，晶体内只有间隙原子和空位的运动。这时变形金属晶粒的外形无明显变化，仍呈纤维状，只消除了晶格畸变，其机械性能几乎无变化，物理化学性能则大部分恢复。随着温度的升高，原子具有了较大的活动能力，位错开始运动。实质上是原子从高能态的混乱排列向低能态的规则排列转变的过程，结果是晶体的内应力大大下降，强度稍有下降，塑性稍有提高。回复在工业生产中被广泛应用，即低温退火。例如冷变形的零件由于存在内应力，以后工作时容易因工作应力与内应力迭加而断裂。又如精密零件由于内应力的长期作用易引起尺寸的不稳定。再如导电材料冷变形后，获得了必要的强度，但电阻率显著增大，也可采用低温退火，恢复其导电性又保持其强度。5）静态再结晶也称再结晶变形金属加热到较高温度时，由于原子获得了更大的活动能力，首先在变形晶粒的晶界或滑移带、峦晶带等变形剧烈的地区产生晶核，即为一些原子规则排列的小晶块，然后晶核逐渐长大，成为具有正常晶格的新晶粒，新晶粒长大到彼此边界相遇，过程结束，这一生核、长大的过程称为再结晶。影响再结晶过程的因素主要有：加热温度、保温时间、变形程度、原始晶粒度、金属的化学成分。6）动态回复和动态再结晶(dynamicrecoveryanddynamic

re-crystallization)

热塑性成形中发生的回复与再结晶。

7）扩散蠕变(diffusioncreep)

在应力场的作用下，由空位的定向移动引起的变形。4.2.2塑性变形机理1）冷塑性变形机理

多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶界变形（晶间变形）两种。在冷态条件下，由于晶界强度高于晶内，多晶体的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形只起次要作用。

晶内变形方式有滑移和孪生。由于滑移所需临界切应力小于孪生所需临界切应力，故多晶体塑性变形的主要方式是滑移变形，孪生变形是次要的，一般仅起调节作用。对于密排六方金属，孪生变形起着重要作用。

多晶体的晶内变形虽和单晶体一样是滑移和孪生。但多晶体包含大量晶粒,这些晶粒彼此位向不同,在外力作用下,并非处于相同的塑性变形条件下.如图,在压力作用下,晶粒a和b处在和作用力约成45°有利位向,而晶粒c则处在和作用力约成90°的不利位向,所以塑性变形首先在处于有利位向的a、b晶粒上开始。晶间变形的主要方式是相邻晶粒的相互滑动和转动。和单晶体一样，多晶体中各个晶粒在滑移时滑动面也要发生转动，这便是引起相邻晶粒互相转动的原因。粗晶粒的板料在冲压变形后，由于晶粒发生了转动，冲压件表面显示了凹凸不平（细晶粒板料不易看出来），即所谓“拮皮”现象。晶体的滑移过程，实质上是位错的移动和增殖的过程。由于在这个过程中位错的交互作用，位错反应和相互交割加剧，产生固定割阶、位错缠结等障碍，使位错难以越过这些障碍。要使金属继续变形，就需要不断增加外力，便产生了加工硬化。

冷塑性变形时，多晶体主要是晶内滑移变形;实质上是位错的移动和增殖的过程;由于位错的交互作用,塑性变形时产生了加工硬化。

2）热塑性变形机理

变形机理主要有：晶内滑移与孪生、晶界滑移和扩散蠕变。高温时原子间距加大，热振动和扩散速度增加，位错滑移、攀移、交滑移及结点脱锚比低温容易；滑移系增多，滑移灵便性提高，各晶粒之间变形更加协调；晶界对位错运动阻碍作用减弱。但其主要机理仍然是晶内滑移。

热塑性变形时，由于晶界强度降低，使得晶界滑动易于进行；

温度越高，原子动能和扩散能力就越大，扩散蠕变既直接为塑性变形作贡献，也对晶界滑移其调节作用。

热塑性变形的主要机理仍然是晶内滑移；由于晶界滑动和扩散蠕变作用的增加，再加之变形时会产生动态回复和再结晶。因此，热态下金属塑性变形能力比冷态下高，变形抗力较低。

4.2.3塑性变形对组织与性能的影响

a、冷塑性变形对组织和性能的影响

1）对金属组织的影响

（1）在晶粒内部出现滑移带和孪生带等组织

（2）形成了纤维组织

冷加工变形后，金属晶粒形状发生了变化，变化趋势大体与金属宏观变形一致。轧制变形时，原等轴晶粒沿变形方向伸长。变形程度大时，晶粒呈现为一片如纤维状的条纹，称为纤维组织。当有夹杂或第二相质点时，则它们会沿变形方向拉长成细带状或粉碎成链状。

（3）变形织构

多晶体塑性变形时伴随着晶粒的转动，当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒，会逐渐调整其取向而彼此趋于一致，这种由于塑性变形而使晶粒具有择优取向的组织，称为“变形织构”。

<100>丝织构示意图a）拉拔前b）拉拔后其特征是各个晶粒的某一晶向趋于与最大主应变方向平行。由于形成了变形织构，使金属和合金的机械性能和物理性能明显地出现各向异性。<110>板织构示意a)轧制前b）轧制后其特征是各个晶粒的某一晶向趋于与轧制方向平行，而某一晶面趋于与轧制方向平行深冲用的铜板，在90%轧制变形及800℃退火后，得到再结晶织构，此时顺轧向及垂直轧向的延伸率均为40%，而与轧向成45°的<110>方向，延伸率为75%，使冲出的工件厚薄不均，出现“制耳”因板织构所造成的“制耳”a)无制耳b)有制耳有些场合，织构的存在是有利的。如电器上使用的硅钢片，要求沿其磁化的<100>方向形成织构，采取适当的冷轧和退火工艺，可以获得高导磁性的(100)[001]织构的硅钢片。（4）晶粒内产生胞状亚结构

塑性变形主要是借位错的运动而进行的。经大变形后，位错密度可从退火状态的106～107cm-2增加到1011～1012cm-2。位错运动及交互作用结果，其分布是不均匀的。它们先是比较纷乱地纠缠成群，形成“位错缠结”。如果变形量增大，就形成胞状亚结构。

2）对金属性能的影响

随着变形程度的增加，

其机械性能：金属强度、硬度增加，而塑性、韧性降低；

其物理化学性能：导电性、导热性、抗腐蚀性均降低。

b、热塑性变形对组织和性能的影响

1）对组织的影响

（1）改善晶粒组织，细化晶粒

对于铸态金属，粗大的树枝状晶经塑性变形及再结晶而变成等轴（细）晶粒组织；对于经轧制、锻造或挤压的钢坯或型材，在以后的热加工中通过塑性变形与再结晶，其晶粒组织一般也可得到改善。

（2）锻合内部缺陷

铸态金属中疏松、空隙和微裂纹等缺陷被压实，提高金属致密度。宏观缺陷锻合经历两个阶段：缺陷区发生塑性变形，使空隙两壁闭合；在压应力作用下，加上高温，使金属焊合成一体。没有足够大的变形，不能实现空隙闭合，很难达到宏观缺陷焊合。

足够大三向压应力，能实现微观缺陷锻合。

（3）形成纤维组织

在热变形过程中，随变形程度增加，钢锭内粗大树枝晶沿主变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也逐渐与主变形方向一致，形成流线。由于再结晶的结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而流线却很稳定地保留下来直至室温。钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意（4）破碎改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布

高速钢、高铬钢、高碳工具钢等，其内部含有大量的碳化物。通过锻造或轧制