第一节 金属塑性变形

第一节金属塑性变形第1页，共33页，2023年，2月20日，星期三概述一、压力加工的实质：金属材料在外力作用下，发生塑性变形，获得所要求的形状、尺寸、机械性能的原材料毛坯或零件的加工方法。塑性加工的适用材料：各类钢大多数非铁金属及其合金

金属变形过程：金属材料在外力作用下发生弹性变形当外力超过一定值后产生塑性变形外力继续加大，发生断裂我国自行研制的万吨级水压机第2页，共33页，2023年，2月20日，星期三二、压力加工的主要生产方式：

1.轧制；2.挤压；3.拉拔；4.锻造；5.板料冲压.第3页，共33页，2023年，2月20日，星期三轧三、塑性成形特点：1.能改善金属的组织，力学性能高；2.可提高材料利用率；3.加工精度较高，生产率较高。两不加工：脆性材料复杂形状

第4页，共33页，2023年，2月20日，星期三轧制、挤压、拉拔——金属型材、板材、钢材、线材等；自由锻、模锻——承受重载的机械零件，如机器主轴、重要齿轮、连杆、炮管、枪管等；板料冲压——汽车制造、电器、仪表及日用品。应用：第5页，共33页，2023年，2月20日，星期三第一节金属塑性变形一、金属塑性变形金属在外力作用下产生塑性变形的实质是晶体内部的原子产生滑移。滑移：就是晶体的一部分相对与另一部分沿一定晶面发生相对的位移；产生的变形称为滑移变形。正应力σ：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将晶体拉断；切应力τ：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。第6页，共33页，2023年，2月20日，星期三1.单晶体金属的塑性变形单晶体的塑性变形主要通过滑移进行。

（a）未变形（b）弹性变形（c）弹塑性变形（d）塑性变形图：单晶体滑移变形示意图

滑移面整体刚性滑移滑移变形具有以下特点：1）切应力引起滑移；2）滑移面在密排面滑移方向沿着密排面方向进行，滑移距离为原子间距的整数倍。第7页，共33页，2023年，2月20日，星期三第8页，共33页，2023年，2月20日，星期三原因：晶体内部的各种缺陷（特别是位错）的运动更容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。当位错运动到晶体表面时，晶体就产生了塑性变形。

实际晶体内部存在大量缺陷。滑移通过位错在滑移面上的运动来实现。滑移的机理未变形位错运动

塑性变形第9页，共33页，2023年，2月20日，星期三晶界：滑移过程中，位错的运动在晶界处受到较大的阻力，难以发生变形；晶粒位向：晶粒位向不同，各晶粒的滑移系不能同时开动，受到周围晶粒的阻碍。晶粒大小：晶粒越细，相同体积内晶粒越多，塑性变形就越困难。单晶体多晶体2.

多晶体金属的塑性变形(1)晶粒取向的影响(2)晶界的影响(3)晶粒大小的影响1）变形特点：第10页，共33页，2023年，2月20日，星期三2.

多晶体金属的塑性变形2）变形过程：其塑性变形可以看成是由组成多晶体的许多单个晶粒产生变形(称为晶内变形)的综合效果。同时，晶粒之间也有滑动和转动(称为晶间变形)。每个晶粒内部都存在许多滑移面，因此整块金属的变形量可以比较大。低温时，多晶体的晶间变形不可过大，否则将引起金属的破坏。第11页，共33页，2023年，2月20日，星期三二、塑性变形对金属组织及性能的影响1.对组织结构的影响1）引起晶粒变形，晶粒沿最大变形方向伸长；2）晶格与晶粒发生扭曲，产生晶格畸变与内应力；3）造成晶粒破碎，产生碎晶。第12页，共33页，2023年，2月20日，星期三形成纤维组织结果：使金属的性能产生各向异性。表现：定义：金属在变形过程中，晶粒形状和沿晶界分布的杂质在钢料中的定向分布状态称为钢料锻造时的纤维组织（流线）。a纵向（平行纤维方向），塑韧性、强度提高

b横向（垂直纤维方向），抗剪强度提高特点：纤维组织很稳定，热处理、再锻均不能消除，只能改变分布。第13页，共33页，2023年，2月20日，星期三钢锭热变形后的组织变化第14页，共33页，2023年，2月20日，星期三2.对性能的影响1）产生加工硬化现象结果：金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。原因：塑性变形→位错移动→位错大量增殖→相互作用→运动阻力加大→变形抗力↑→强度↑、硬度↑、塑性、韧性↓举例：高强度钢丝是将含碳量为1.0%的高碳钢处理成细片状珠光体，然后冷拔变形90%以上，抗拉强度可高达3000MPa。第15页，共33页，2023年，2月20日，星期三加工硬化的应用及不利影响：

1）应用：主要是强化金属材料（1）提高材料强度、耐磨性；例：自行车链条片16Mn钢原：δ厚=3.5mmσb=520MPa150HBS；五次冷轧后：δ厚=1.2mm（65%）σb=1200MPa275HBS

（2）↑构件使用安全系数（如钢丝绳）（3）有利于金属进行均匀的变形。

2）不利影响：材料塑韧性降低，对进一步塑性变形带来困难。第16页，共33页，2023年，2月20日，星期三3、回复与再结晶图：冷变形金属在加热时组织和性能的变化示意图

金属材料在冷变形以后，组织处于不稳定的状态，但室温下难以进行。加热使原子扩散能力增加，随温度的升高，冷变形后的金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。

第17页，共33页，2023年，2月20日，星期三1）

回复

T回=(0.25-0.3)T熔定义：随着温度的上升，原子热运动加剧，晶格扭曲被消除，内应力明显下降的现象。

作用：a）晶格扭曲消除b）内应力明显下降回复只能部分消除加工硬化图：冷变形金属在加热时组织和性能的变化示意图

第18页，共33页，2023年，2月20日，星期三2）

再结晶定义：温度上升到金属熔化温度的0.4-0.5倍时，金属原子获得更多的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心，生长成新的晶粒，加工硬化完全被消除，塑性上升。图：冷变形金属在加热时组织和性能的变化示意图

第19页，共33页，2023年，2月20日，星期三冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小、均匀的等轴晶粒，如果再结晶后不控制其加热温度或时间，继续升温或保温，晶粒之间便会相互吞并而长大。3）晶粒长大(b)金属回复后的组织(c)再结晶组织(a)塑性变形后的组织图：金属的回复和再结晶示意图第20页，共33页，2023年，2月20日，星期三第21页，共33页，2023年，2月20日，星期三三、冷变形与热变形1）、定义：金属在再结晶温度以上的变形称为热变形，再结晶温度以下的变形称为冷变形。例：钨（熔点为3380℃）在800℃变形为冷加工，而铅（熔点为327℃）在室温变形就可称为热加工。第22页，共33页，2023年，2月20日，星期三加工硬化与回复、再结晶同时发生；加工硬化随时被消除，使变形抗力下降，塑性升高。2）、热变形的特点：1)可消除铸锭中的气孔、缩松等缺陷；2)可使铸态晶粒细化，力学性能提高；3)形成热变形纤维组织（流线）。3）、热变形后的组织与性能：

热轧时组织变化

第23页，共33页，2023年，2月20日，星期三冷加工与热加工组织的变化热变形加工在变形的同时伴随着动态再结晶，变形停止后在冷到室温过程中继续有再结晶发生。所以热变形加工基本没有加工硬化现象。第24页，共33页，2023年，2月20日，星期三4）、锻造比(Y锻

)锻造时变形程度大小常以锻造比Y锻表示：对拔长：Y锻=F0（原截面）/F（拔长后截面）对镦粗：Y锻=H0（镦前高度）/H（镦后高度）结构钢钢锭的锻造比一般为2～4；各类钢坯和轧材的锻造比一般为1.1～

1.3。零件设计和制造中充分利用锻造流线：1）零件最大拉应力方向应与锻造流线平行;2）零件最大剪切应力方向应与锻造流线垂直;3）零件外形轮廓应与锻造流向的分布相符合而不被切断。第25页，共33页，2023年，2月20日，星期三(a)齿根处的切应力平行于流线方向。力学性能最差，寿命最短；(b)齿1的根部切应力与流线方向垂直，力学性能好，齿2情况正好相反，力学性能差；(c)流线呈径向放射状，各齿的切应力方向均与流线近似垂直，强度与寿命较高；(d)流线完整且与齿廓一致，未被切断，性能最好，寿命最长。第26页，共33页，2023年，2月20日，星期三第27页，共33页，2023年，2月20日，星期三三、金属的可锻性（塑性成形性）——金属可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。1、衡量金属可锻性的指标两个内因与外因

1）塑性：金属的塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力；用断面收缩率ψ、伸长率δ表示；

2）变形抗力:变形过程中，金属抵抗外力作用能力的大小。原因：优良的塑性使产品获得准确的外形而不破裂；变形抗力越小，变形消耗的能量也越少，锻压越省力。第28页，共33页，2023年，2月20日，星期三1）金属本质对可锻性的影响两方面：纯金属和固溶体具有良好的可锻性，碳化物可锻性差；细晶粒组织可锻性优于粗晶粒，但变形抗力大。（1）化学成分：一般情况下，纯金属的可锻性优于合金；碳钢随含碳量增加，可锻性降低；合金钢中合金元素含量越多，可锻性下降；钢中P、S含量超过一定值可锻性降低。（2）组织结构：2、影响金属可锻性的因素：金属本质和加工条件第29页，共33页，2023年，2月20日，星期三（1）变形温度：变形条件：变形温度、应变速率和应力状态碳钢的锻造温度范围2）加工条件的影响（变形条件）温度↑：塑性↑，可锻性↑；温度↑↑：产生“过热”，可锻性↓；温度↑↑↑：接近熔化，出现“过烧”失去塑性，σb↓；温度↓↓：可锻性↓，∵加工硬化产生，开裂，塑性差。第30页，共33页，2023年，2月20日，星期三图：变形速度对塑性及变形抗力的影响示意图a）变形速度<a时，随V增大，回复和再结晶来不及消除加工硬化，可锻性下降；b）变形速度>a后，由于塑性变形的热效应使材料温度升高，回复和再结晶充分，可锻性提高。但难实现。（2）变形速度(双重影响)指金属材料在单位时间内的变形程度。