金属塑性加工技术3-材料学基础课件

第三篇塑性变形材料学基础

金属塑性加工原理

PrincipleofPlasticDeformation

inMetalsProcessing第5章金属的塑性§5.1金属的塑性§5.2金属多晶体塑性变形的主要机制§5.3影响金属塑性的因素§5.4金属的超塑性5.1.1塑性的基本概念5.1.2塑性指标及其测量方法5.1.3塑性状态图及其应用

§5.1金属的塑性塑性与柔软性的对立统一铅---------------塑性好，变形抗力小不锈钢--------塑性好，但变形抗力高白口铸铁----塑性差，变形抗力高结论：塑性与柔软性不是同一概念为什么要研究金属的塑性？探索塑性变化规律寻求改善塑性途径选择合理加工方法确定最佳工艺制度提高产品质量5.1.2塑性指标及其测量方法塑性指标的测量方法塑性指标

塑性指标的测量方法拉伸试验法压缩试验法扭转试验法轧制模拟试验法冲击韧性弯曲试验拉伸试验法式中：L0——拉伸试样原始标距长度；Lh——拉伸试样破断后标距间的长度；F0——拉伸试样原始断面积；Fh——拉伸试样破断处的断面积

断面收缩率ψ=(F0-Fh)/F0×100%延伸率δ=(Lh-L0)/L0×100%压缩试验法简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定：

ε=(H0-Hh)/H0×100%式中：

—压下率；H0—试样原始高度；Hh—试样压缩后，在侧表面出现第一条裂纹时的高度轧制模拟试验法在平辊间轧制楔形试件，用偏心轧辊轧制矩形试样，找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压下量作为轧制过程的塑性指标。

5.1.3塑性状态图及其应用表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形，简称塑性图。应用：合理选择加工方法,制定冷热变形工艺确定MB5镁合金热加工工艺步骤根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据相图确定合金的相组成根据塑性图确定变形温度范围铝含量对镁合金力学性能的影响随Al含量增加，相增多，延伸率下降，硬度和强度提高

根据塑性图确定热变形温度范围MB5合金的塑性图αk

—冲击韧性,εm—慢力作用下的最大压缩率εC—冲击力作用下的最大压缩率,φ—断面收缩率,α0

—弯曲角度慢速：轧制、挤压φ和εm在350-400℃较快速：锤锻εC确定在400-450℃快速：锻造和冲压αk确定250℃以下从塑性图上获取的信息慢速加工，温度为350~400℃时,φ值和εM都有最大值，不论轧制或挤压，都可在此温度范围内以较慢的速度加工。

锻锤下加工，在350℃左右有突变，变形温度应选择在400~450℃。

工件形状比较复杂，变形时易发生应力集中，应根据αK曲线来判定。从图中可知，在相变点270℃附近突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在250℃以下进行为佳。5.2.1多晶体变形的特点1．变形不均匀

多晶体塑性变形的竹节现象

粗晶铝晶粒各处变形不均2．晶界的作用及晶粒大小的影响冷变形情况下：晶界强度高于晶内强度晶粒越细、强度硬度越高、变形越均匀，应力集中小，塑性好与单晶体相比，多晶体受晶界和晶体取向差别的影响，各晶粒变形先后、大小不同，同一晶粒内变形也不均匀，易产生残余应力2．溶解——沉积机构该机构的实质是一相晶体的原子迅速而飞跃式的转移到另一相的晶体中去。保证两相有较大的相互溶解度外，还必须具备下列条件:(1)随着温度的变化或原有相晶体表面大小及曲率的变化，伴随有最大的固溶度改变。(2)变形时，应具备足够高的温度条件。

3．非晶机构非晶机构是指在一定的变形温度和速度条件下，多晶体中的原子非同步的连续的在应力场和热激活的作用下，发生定向迁移的过程。大量原子定向迁移引起宏观塑性变形取决于温度、应力和应变速度在温度高至0.5T熔，在较低的应力作用下都会发生，温度越高，晶粒越小，扩散越快（高温需要粗晶）弥散分布型多相合金切割机制绕过机制弥散强化的效果与第二相的尺寸、间距有关5.2.4变形机构图揭示在某一应力-温度范围内对应变速率起控制作用的变形机理5.2.4变形机构图揭示在某一应力-温度范围内对应变速率起控制作用的变形机理a.1mmb.10微米应变速率线5.2.4变形机构图揭示在某一应力-温度范围内对应变速率起控制作用的变形机理1400K50Fe-50Ni应力-应变关系方程（本构方程）σe=Aεenεeme-bTn----加工与硬化指数m---应变速率敏感性系数A---材料常数T---绝对温度b---温度影响系数，与变形机制的激活能Q有关如：ε=Aσne-Q/RT·§5.3影响金属塑性的因素

5.3.1影响塑性的内部因素5.3.2影响金属塑性的外部因素5.3.3提高金属塑性的主要途径5.3.1影响塑性的内部因素

1．化学成分（1）杂质（2）合金元素对塑性的影响2．组织结构5.3.2影响塑性的外部因素

变形温度变形速度变形程度应力状态变形状态尺寸因素周围介质一、变形温度对塑性的影响随温度升高，塑性提高：出现新的变形机制，如晶界滑移、非晶机构、沉淀溶解出现回复、再结晶出现新的滑移系但并非直线上升，随相态和晶界的变化，可能出现三个脆性区三个脆性区低温脆性区：晶界析出物脆化中温脆性区：过饱和固溶体晶界析出脆化高温脆性区：与周围介质反应脆化、过热或过烧碳钢有四个脆性区几种铝合金及铜合金的塑性图几种铝合金及铜合金的塑性图二、变形速度对塑性的影响加工硬化速度大于软化速度，热效应使温度升高到热脆区或者相反三、变形程度对塑性的影响热变形：再结晶速度大于应变速度时，变形程度的影响不大冷变形：无再结晶作用，变形程度增加，塑性降低对于难变形金属，多次分散小变形可提高塑性(一次大变形所产生的变形热可能是局部温度升高过热而产生裂纹)静水压力对提高金属塑性的良好影响

四、应力状态对塑性的影响最大变形与静水压力的关系曲线三向压应力最好，两压一拉次之，一压两拉更次，三向拉最差1、大理石2、砂石抑制晶粒边界的相对移动；修复变形裂纹和组织缺陷；消除杂质和液相的不利影响；抵消附加拉应力图5-24主变形图对金属中缺陷形状的影响a）未变形的情况；（b）经两向压缩—向延伸变形后的情况；（c）经—向压缩两向延伸后的情况五、变形状态对塑性的影响两向压缩一向延伸最好：如挤压、拉拔、旋锻一向压缩一向拉伸次之：如轧板一向压缩两向延伸最差：如镦粗变形物体体积对力学性能的影响1—塑性；2—变形抗力；3—临界体积点六、尺寸因素对塑性的影响加工件体积增大，塑性降低组织缺陷表面因素七、周围介质对塑性的影响吸附、扩散形成脆性相--------塑性降低表面腐蚀、改变化学成分-----塑性降低细化滑移束，使变形均匀-----塑性增加5.3.3提高金属塑性的主要途径提高塑性的主要途径有以下几个方面：(1)控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；(2)采用合适的变形温度—速度制度；(3)选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；(4)避免加热和加工时周围介质的不良影响。

§5.4超塑性5.4.1超塑性的概念：大延伸、无缩颈、小应力、易变形5.4.2超塑性的分类细晶超塑性、动态超塑性5.4.3细晶超塑性的特征变形力学特征、组织特征5.4.4超塑性的机理扩散蠕变机理、晶界滑动、动态再结晶第6章

塑性加工过程的组织性能

变化和温度----速度条件§6.1塑性加工中金属的组织与性能§6.2金属塑性变形的温度——速度效应§6.3形变热处理

§6.1塑性加工中金属的组织与性能6.1.1冷变形6.1.2热变形6.1.3塑性变形对固态相变的影响

6.1.1冷变形1．冷变形的概念2．冷变形时金属显微组织的变化3．冷变形时金属性能的变化6.1.2热变形1．热变形的概念2．热变形对金属组织性能的影响3．热变形过程中的回复与再结晶6.1.3塑性变形对固态相变的影响1．应力与变形的作用2．温度和变形速度的作用§6.2金属塑性变形的温度——速度效应6.2.1变形温度6.2.2变形速度6.2.3变形中的热效应及温度效应6.2.4热力学条件之间的相互关系

6.2.1变形温度

塑性变形时金属所具有的实际温度，称为变形温度，它与加热温度是有区别的。变形温度既取决于金属变形前的加热温度，又与变形中能量转化而使金属温度提高的温度有关，同时又与变形金属同周围介质进行热交换所损失的温度有关。6.2.2变形速度变形速度为单位时间内变形程度的变化或单位时间内的相对位移体积，即：式中——变形速度；——变形程度；

V——变形物体的体积6.2.3变形中的热效应及温度效应所谓“热效应”是指变形过程中金属的发热现象，热效应可用发热率来表示：

式中——发热率；AT——转化为热的那部分能量；A——使物体产生塑性变形时的能量。塑性变形过程中因金属发热而促使金属的变形温度升高的效果，称为温度效应，用表示：式中T1——变形前金属所具有的温度；

T2——变形后因热效应的作用金属实际具有的温度。一、影响温度效应的因素变形温度温度越高，小变形速度速度越大，大变形程度变形量大，大周围导热情况二、热效应的效果改变变形抗力改变变形型式冷变形变成热变形引起相态变化改变塑性状态三、热效应的应用减少中间退火在低温下进行高速变形提高塑性、降低抗力控制孔型、辊型四、热效应的不利影响使工具温升，降低工具寿命，造成粘结工具使变形速度受限制，影响生产率使变形金属进入脆性区6.2.4热力学条件之间的相互关系1．变形温度和变形速度恒定时，变形程度与变形抗力的关系:2．变形程度和变形速度恒定时，变形抗力与单相状态条件下的变形温度的关系为：3．变形程度和变形温度恒定时，变形抗力与变形速度的关系为：综合可写成

式中A、a、b、c、α、β、γ——取决于变形条件和变形材料的常数，由实验确定；——平均变形程度；——平均变形速度；T——变形温度，K。

§6.3形变热处理6.3.1低温形变热处理6.2.3高温形变热处理6.2.3预形变热处理利用晶格缺陷对相转变组织的强烈影响，有效地综合利用形变强化和相变强化，将压力加工与热处理操作相结合，使成形工艺同获得最终性能统一起来的一种工艺方法轧钢的控轧-控冷工艺挤压铝型材的挤压-风冷工艺温度时间时效型合金形变热处理工艺图（a）低温形变热处理；（b）高温形变热处理（c）综合形变热处理；（d）预形变热处理t6767132413254676713245424高温形变热处理工艺1—淬火加热与保温；2—压力加工；3—冷至变形温度；4—快冷；5—重新淬火加热短时保温；6—淬火加热温度范围；7—塑性区

1塑性加工中的常见裂纹2金属断裂的物理本质3塑性-脆性转变4金属的可加工性§6.4塑性加工过程的断裂与可加工性1.锻造时的断裂2.轧制时的断裂3.挤压、拉拔时的断裂一、塑性加工中的常见裂纹1.断裂的基本类型2.断裂的过程及物理本质

二、金属断裂的物理本质脆性断裂与韧性断裂脆性断裂：断面收缩小于5%韧性断裂：断面收缩率大于5%正断与切断正断：断裂面与正应力方向垂直，常为解理面断裂切断：断裂面沿最大切应力方向，常沿滑移面断裂1.断裂的基本类型(1)脆性断裂单晶：解理面断裂多晶：穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂出现光亮解理面沿晶断裂颗粒状断口（2）韧性断裂单晶：滑移面断裂多晶：出现缩颈，断口很小或形成杯锥状断口塑性变形与断裂过程同时发生裂纹生核与裂纹扩展两个阶段2.断裂的过程及物理本质力学角度：有利位向晶粒首先变形，塑性变形连续性受阻时，出现裂纹核协调整体性变形的发展。裂纹的出现和扩展实质上是协调变形的一种方式位错理论的观点：变形是位错在滑移面上运动和增值的过程；位错塞积成为高应力区，产生高应变能破坏原子结合键而产生裂纹核。断裂的过程是位错塞积和消失的过程(1)裂纹形核机理材料内部原有的缺陷：气孔、夹杂、晶界弱面、相弱面变形过程中形成：位错塞积、位错反应、位错墙侧移、位错销毁位错塞积理论塞积阻力τ=nτ0n=Dπτ0L/GbD=(1-γ)；L塞积群长度；τ0为外加有效切应力位错运动在界面受阻，当塞积应力大于界面结合力时，形成裂纹核位错反应理论相交滑移面上位错反应发生同号位错聚合，形成微裂纹位错墙侧移理论刃型位错垂直排列形成位错墙，引起滑移面弯曲而产生裂纹位错销毁理论平行滑移面相距很近(小于10个原子间距)，异号刃型位错合并而销毁，形成孔隙(2)裂纹扩展微裂纹产生≠材料断裂裂纹造成的应力集中可通过塑性变形松弛、