第6讲金属塑性变形基础

材料成型基础刘志卫单位：机械工程学院机械制造与自动化教研室手机箱：418884924@安徽理工大学材料成型基础第6讲金属塑性成形基础金属塑性成形金属塑性成形主要内容一、金属塑性变形概念二、影响金属塑性变形的内在因素三、影响金属塑性变形的加工条件四、金属塑性变形对组织和性能的影响五、常用合金的压力加工性能定义：利用固体金属材料所具有的塑性变形规律，在外力作用下通过塑性变形，获得具有一定形状、尺寸、精度和力学性能的零件或毛坯的加工方法。分类：自由锻、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧制等目的：形状；性能；形状＋性能金属塑性成形基础金属塑性成形金属塑性成形基础金属塑性成形种类金属塑性成形在工业中也称为压力加工（1）改善金属的组织、提高力学性能消除缺陷，得到致密组织，提高力学性能（2）材料的利用率高体积重新分配（3）较高的生产率加工螺钉，比用棒料切削工效提高约400倍。（4）毛坯或零件的精度较高可实现少切削或无切削加工。金属塑性成形基础压力加工特点材料：钢和非铁金属可以在冷或热态下压力加工。用途：各类机械中受力复杂的重要零件，如传动轴、机床主轴、重要齿轮、起重机吊钩等，大都采用锻件做毛坯。对于飞机，锻压件制成的零件约占各类零件质量的85%，而汽车、拖拉机、火车等约占60～80%。各类仪器、仪表、电器以及生活用品中的金属制件绝大多数都是冲压件。

轧制、挤压、拉拔主要用于生产型材、棒材、线材、板材及各种管材等。缺点：不能加工脆性材料和形状特别复杂或体积特别大的零件或毛坯。金属塑性成形基础压力加工特点塑性成形性能：衡量工艺性好坏的主要指标。衡量指标：塑性和变形抗力，材料的塑性越好，变形抗力越小，则材料的塑性成形性越好，越适合压力加工。塑性变形基本规律：最小阻力定律、加工硬化和体积不变规律等。金属塑性成形基础金属塑性变形概念（1）最小阻力定律最小阻力定律：在塑性变形过程中，金属各质点将向阻力最小的方向移动。（2）加工硬化及卸载弹性恢复规律（3）塑性变形时的体积不变规律体积不变规律：塑性变形前、后体积保持不变。金属塑性成形基础金属塑性变形概念（2）加工硬化及卸载弹性恢复规律（3）塑性变形时的体积不变规律体积不变规律：塑性变形前、后体积保持不变。金属塑性成形基础金属塑性变形概念塑性变形是在外力的作用下金属内部原子沿一定的晶面和晶向产生了滑移或孪生的结果。滑移是晶体在切应力的作用下，一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分产生滑动。金属塑性成形基础金属塑性变形的实质单晶体的滑移变形过程塑性变形是在外力的作用下金属内部原子沿一定的晶面和晶向产生了滑移或孪生的结果。孪晶在相应的切应力作用下，晶体的一部分对应于一定的晶面（孪晶面）沿一定的方向进行相对转动。原子移动的距离与原子离开孪晶面的距离成正比。金属塑性成形基础金属塑性变形的实质晶体缺陷-位错运动由于位错的存在，使原子处于不稳定状态，在比理论值底许多的切应力作用下，处于高能位的原子很容易产生滑移金属塑性成形基础金属塑性变形的实质晶体缺陷点缺陷：在三维空间的各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，也称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质或固溶原子。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷，如各种位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大，也称二维缺陷，包括晶界、相界等。金属塑性成形基础金属塑性变形的实质多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形是由组成多晶体的许多单个晶粒产生变形的综合效果。金属塑性成形基础金属塑性变形的实质多晶体的塑性变形-晶粒取向

由于多晶体金属晶粒取向不同，导致塑性变形出现不均匀性和强化作用——多晶体塑性变形的特点金属塑性成形基础金属塑性变形的实质多晶体的塑性变形-晶界影响影响规律：金属晶粒越小，晶界体积百分比越大，对位错运动的阻力也越大。细化晶粒——提高金属强度、改善金属材料的塑性金属塑性成形基础金属塑性变形的实质外力作用晶粒内部产生滑移或位错运动晶粒沿着晶界运动屈服准则在一定的变形条件下，当各应力分量之间满足一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则。金属塑性成形基础金属塑性变形的力学基础OABCD弹性卸载弹性加载重新屈服瞬时屈服应力屈服准则在一定的变形条件下，当各应力分量之间满足一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则。C是与材料力学性能参数有关的常数ij是应力张量金属塑性成形基础金属塑性变形的力学基础屈服准则在一定的变形条件下，当各应力分量之间满足一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则。对于各向同性的材料，经实践检验并被普遍接受的屈服准则有两个：Tresca屈服准则和Mises屈服准则金属塑性成形基础金属塑性变形的力学基础屈雷斯加屈服准则如果不知道主应力大小次序时，Tresca屈服准则的普遍表达式为三个等式中，只要其中任何一式得满足，材料就开始进入屈服

金属塑性成形基础金属塑性变形的力学基础屈雷斯加屈服准则如果知道主应力大小次序时，Tresca屈服准则表达式为Tresca屈服准则又称为最大剪应力准则1和3为第一主应力和第三主应力，且1>3C可通过实验确定，与应力状态无关

金属塑性成形基础金属塑性变形的力学基础米塞斯屈服准则Mises注意到Tresca屈服准则未考虑到中间主应力的影响，且在主应力大小次序不明确的情况下难以正确选用，于是从纯数学的观点出发，建议采用如下的屈服准则或C1由材料在变形条件下的性质确定，与应力状态无关

金属塑性成形基础金属塑性变形的力学基础米塞斯屈服准则Mises屈服准则与等效应力的关系C1由材料在变形条件下的性质确定，与应力状态无关

金属塑性成形基础金属塑性变形的力学基础屈雷斯加与米塞斯屈服比较金属塑性成形基础金属塑性变形的力学基础123正六边形正六棱柱面Tresca六边形平面屈雷斯加与米塞斯屈服比较金属塑性成形基础金属塑性变形的力学基础平面123两种屈服准则的不同点：1.屈雷斯加屈服准则未考虑中间应力使用不方便；2.米塞斯屈服准则考虑中间应力使用方便。这些特点对于各向同性理想塑性材料的屈服准则有普遍意义金属塑性成形基础金属塑性变形的力学基础（1）化学成分纯金属的塑性成形性较合金好。低碳钢塑性较好。合金元素会形成合金碳化物，形成硬化相，使钢的塑性变形抗力增大，塑性下降。杂质元素磷会使钢出现冷脆性，硫使钢出现热脆性，降低钢的塑性成形性能。金属塑性成形基础影响金属塑性变形的内在因素（2）金属组织纯金属及单相固溶体的合金塑性成形性能较好；碳化物和多相组织时，塑性成形性能变差；均匀细小等轴晶粒的金属，其塑性成形性能比晶粒粗大的柱状晶粒好；网状二次渗碳体，钢的塑性将大大下降。金属塑性成形基础影响金属塑性变形的内在因素（1）变形温度温度升高，塑性提高，塑性成形性能得到改善。金属塑性成形基础影响金属塑性变形的加工条件温度升高，原子动能增加，原子间的结合力削弱，使塑性提高、变形抗力减小，改善了金属的可锻性（1）变形温度始端温度过高过热：温度过高，晶粒急剧长大，导致金属塑性减小，塑性成形性能下降的现象。过烧：加热温度接近熔点，会使晶界氧化甚至熔化，导致金属的塑性变形能力完全消失的现象，坯料如果过烧将报废。终端温度过低金属加工硬化严重，变形抗力增加，强行锻造，会导致锻件破裂报废。金属塑性成形基础影响金属塑性变形的加工条件应严格控制锻造温度范围（2）变形速度变形速度：单位时间内变形程度的大小。金属塑性成形基础影响金属塑性变形的加工条件一般塑性较差的材料（如高合金钢、高碳钢等）或大型锻件，宜采用较小的变形速度，在压力机而不在锻锤上加工，以防锻裂。

a—临界变形速度1－变形抗力曲线2－塑性变化曲线（3）应力状态实践证明，在三向应力状态下，压应力的数目越多，则其塑性越好；拉应力的数目越多，则其塑性越差。选择塑性成形加工方法时，应考虑应力状态对金属塑性变形的影响。金属塑性成形基础影响金属塑性变形的加工条件（3）应力状态金属塑性成形基础影响金属塑性变形的加工条件思考：圆棒拔长采用哪一种方法更好？（4）其它模具和工具：模膛内应有圆角，以减小金属成形时的流动阻力，避免锻件被撕裂或纤维组织被拉断而出现裂纹。润滑剂：减小金属流动时的摩擦阻力，利于塑性成形加工。金属塑性成形基础影响金属塑性变形的加工条件（1）金属的形变强化（加工硬化）产生原因——各滑移方向的位错互相干涉，相互阻碍影响——金属塑性降低，进一步变形的难度增大，要求压力加工设备的功率增大；应用：

1）可利用加工硬化来强化金属，提高金属强度、硬度和耐磨性；2）在一定程度上提高构件在使用过程中的安全性金属塑性成形基础金属塑性变形对组织和性能的影响（2）金属的组织结构变化

变形前后晶粒形状变化示意图金属塑性成形基础金属塑性变形对组织和性能的影响晶粒沿变形方向伸长，性能趋于各向异性（3）金属塑性变形后的残余应力残余内应力是指外力去除后，残留于金属内部且平衡于金属内部的应力。它主要是金属在外力的作用下，内部变形不均匀造成的，可分为三类：第一类由于金属一部分和另一部分变形不均匀而平衡于它们之间的宏观残余内应力。如拉丝时表面和心部。当宏观残余应力与工作应力方向一致时会降低材料强度。第二类相邻晶粒变形不均匀或晶内不同部位变形不均匀造成的围观残余内应力。第三类由于位错等缺陷的增加所造成的晶格畸变应力。金属塑性成形基础金属塑性变形对组织和性能的影响要消除形变强化、消除残余应力，必须对塑性变形金属加热，因为在室温下，原子活动能量小，不可能自行恢复到未变形前的稳定状态。加热后，原子活动能力增加，就能消除晶格畸变和降低残余应力。随着加热温度的升高，塑性变形金属组织和性能变化可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。金属塑性成形基础加热时金属组织和性能的变化1、回复金属在加热到某一温度时，通过原子的少量扩散而消除晶粒的晶格扭曲，可显著降低金属的内应力，这一过程称为回复。这一温度为回复温度。T回≈（0.25-0.3）T熔经过回复过程后，金属的显微组织没有发生明显的变化，金属的强度和塑性变化不大。金属塑性成形基础加热时金属组织和性能的变化2、再结晶温度继续升高，金属原子扩散能力加强，达到一定温度时，以某些碎晶或杂质为晶核重新结晶，形成新的等轴晶粒T再≈0.4T熔再结晶只改变了晶粒形状，晶格类型不变，不是相变再结晶后的金属，强度、硬度显著下降，塑性和韧性显著提高，内应力完全消除。金属塑性成形基础加热时金属组织和性能的变化3、晶粒长大温度继续升高，或延长保温时间，则再结晶后的晶粒又会长大而形成粗大的晶粒。从而导致金属的强度、硬度和塑性下降。所以要正确选择再结晶温度和加热时间的长短金属塑性成形基础加热时金属组织和性能的变化金属在塑性变形时根据加热温度可分为热成形、冷成形及温成形。

1、冷成形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。2、热成形金属在再结晶温度以上进行的塑性成形过程，变形过程中既有加工硬化又有再结晶，如硬化被再结晶完全消除，可获得综合力学性能良好的再结晶组织。3、温成形金属在高于回复温度和底于再结晶温度范围内进行的塑性成形过程，变形过程中有加工硬化和回复现象，但无再结晶，硬化只能得到部分消除。金属塑性成形基础冷成形、热成形、温成形温成形较之冷成形可以降低变形力，且有利于提高金属塑性较之热成形可降低能耗，且减少加热缺陷适用于强度较高、塑性较差的金属，在生产常用于尺寸较大、材料强度较高的零件或半成品制造。冷塑性变形金属再再结晶温度以下进行的塑性变形热塑性变形金属在再结晶温度以上进行的塑性变形在锻压生产中，进行冷塑性变形又称为冷加工，进行热塑性变形又称为热加工。金属塑性成形基础冷成形、热成形、温成形（1）锻造比变形程度过小，不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的；变形程度过大，出现纤维组织，增加金属的各向异性，极限时将会出现开裂等缺陷。金属塑性成形基础锻造比与锻造流线（1）锻造比锻造时通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示变形程度的大小拔长：Y锻=S0/S（S0、S拔长前后的横截面积）；镦粗：Y锻=H0/H（H0、H镦粗前后坯料的高度）。随着锻造比的增加，金属力学性能显著提高：组织致密，晶粒细化程度高金属塑性成形基础锻造比与锻造流线（1）锻造比Y锻--碳素结构钢2～3；合金结构钢3～4；高合金工具钢5～12。以钢材为坯料时，1.1～1.3。表示变形程度的技术参数：相对弯曲半径(r/t)、拉深系数(m)、翻边系数(k)等。金属塑性