材料成型理论基础

材料成型理论基础1第1页，共84页，2023年，2月20日，星期一塑性：金属材料在外力的作用下发生永久变形而不破坏的能力；塑性成形：利用金属的塑性，在外力作用下使金属发生塑性变形，从而获得所需形状和性能的工件的一种加工方法，又称塑性加工或压力加工；应用：金属塑性加工在汽车、拖拉机、船舶、兵器、航空和家用电器等行业都有广泛的应用。如：汽车的大梁和覆盖件是冲压成形的，曲轴、连杆和齿轮的毛坯是锻造成形的。与其他加工方法相比，金属塑性成形有如下优点：第一节概述一、金属塑性成形的特点2第2页，共84页，2023年，2月20日，星期一金属塑性成形优点生产效率高，适用于大批量生产，使用模具生产改善了金属的组织和结构，使组织致密，纤维组织分布合理；材料利用率高：少无切削加工尺寸精度高：精密锻造、精密挤压、精密冲裁零件几乎可直接使用3第3页，共84页，2023年，2月20日，星期一切削加工螺钉局部镦粗加工螺钉4第4页，共84页，2023年，2月20日，星期一二、塑性成形工艺的分类

体积成形板料成形热加工：再结晶温度以上进行的塑性加工冷加工：回复和再结晶温度以下进行的加工介于两者之间的则是温热成形，如温挤压、温锻等。5第5页，共84页，2023年，2月20日，星期一体积成形1.锻造在塑性成形过程中靠体积的转移和重新分配来实现成形。自由锻造开式模锻闭式模锻高径比对镦粗变形的影响6第6页，共84页，2023年，2月20日，星期一2.轧制

金属坯料在两个回转轧辊之间受压产生连续变形而形成各种产品的成形工艺称为轧制。生产板材、管材、型材7第7页，共84页，2023年，2月20日，星期一3.拉拔

金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的成形工艺称为拉拔。生产棒材、线材、管材8第8页，共84页，2023年，2月20日，星期一4.挤压

金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的成形工艺称为挤压。适用于塑性较差的材料的成形9第9页，共84页，2023年，2月20日，星期一板料成形1.分离工序：称为冲压：落料、冲孔、弯曲、拉深等落料和冲孔2.成形工序：拉深和弯曲10第10页，共84页，2023年，2月20日，星期一

由于飞机、发动机和导弹等的结构承载与功能特点，钣金结构件在航空航天领域获得了广泛的应用，如飞机壁板、导弹壳体、导弹舵翼面及发动机叶片等。据统计，塑性加工零件占整架飞机零件总重的40％，加工工时占全机重量的10％，其数量在战斗机中超过1万件，在轰炸机中超过4万件，大型运输机和干线客机中则达6万件之多。随着航空航天技术的发展，先进飞行器对可靠性、效费比及服役性能等提出了更高的要求。一方面，钣金结构件的整体化和复杂化趋势越来越明显，新结构不断涌现；另一方面，新材料的应用也呈增加的趋势，如钛合金、铝合金及铝锂合金等。11第11页，共84页，2023年，2月20日，星期一2006年，我国锻压件产量达340万吨，已经成为世界锻压业的大国，但在主要指标方面与世界先进国家的差距还很明显。在锻件的类别方面，我国的模锻件占65%，自由锻件占35%；而世界上锻压业最先进的国家日本的模锻件占总量的82.6%，自由锻件仅占5.5%;并且日本在模锻件中冷锻件占5.8%，铝锻件占1.9%，远远高于我国的水平。在劳动生产率方面，日本的全员劳动生产率为175吨/人·年，我国最具代表性的汽车锻造公司该指标为50吨/人·年，而行业平均水平仅为17吨/人·年左右。模具的寿命方面，我国热锻模寿命一般在4000～6000件，国外则在10000～15000件的水平，是我国的2.5倍左右。12第12页，共84页，2023年，2月20日，星期一2007年3月，我国宣布启动大飞机工程。据统计，一个常规的飞机项目可直接带动600家企业的发展，间接带动2500余家企业发展。

2008年l0月．与大飞机工程配套的大型模锻液压机项目——苏州昆仑先进制造技术装备有限公司正式落户周市镇。该公司将联合清华大学等机构，整合各方资源．设计制造世界最大的l0万t大型模锻液压机。这一项目标志着昆山市装备制造业发展掀开新的篇章。将改变世界航天航空业大型锻件生产格局此项目将极大提升我国航空关键零部件的制造能力，使我国大型航空锻件的生产水平得到质的提升，并将改变世界航空大型锻件生产格局。13第13页，共84页，2023年，2月20日，星期一薄壁曲面零件的锻造成形工艺附加图1薄壁曲面零件锻造成形模具三维造型(a)成形凹模(b)成形凸模附加图2薄壁曲面零件锻造成形产品（国防科工委基础科研项目“武器零件毛坯精化技术”）每片零件与机械加工件相比，节约材料60%以上，并省掉了大量的机械加工工序。(1)下料→(2)喷丸→

(3)锻造成形→

(4)润滑→(5)切边→(6)整形。14第14页，共84页，2023年，2月20日，星期一

航空、航天、能源工业采用的锻件材料大多是高强度的合金钢和各种特殊合金。在航空、航天发动机和燃气轮机中大量用了钛合金和高温合金，在新型歼击机上钛合金用量增到40%。这些材料的大量应用对提高发动机的推重比，提高飞机的飞行速度和战斗特性都起到了特别重要的作用。然而，钛合金和高温合金都是价格昂贵的金属材料，又是属难加工的类型。在发动机中锻件的金属利用率只有10－20%，飞机结构件中甚至低于10%，造成大量金属的浪费，使毛坯价格很高。这些特殊合金的机械加工性能也特别差，机加工费用也特别高，使成品零件的价格极其昂贵。热模/等温精密锻造技术15第15页，共84页，2023年，2月20日，星期一TC17整体叶盘TA19机匣TC4支架附加图3大型锻件（投影面积大于0.3m2）热模/等温精密锻造技术成形产品16第16页，共84页，2023年，2月20日，星期一汽车覆盖件的制作采用传统冲压成形需要大型冲压设备生产线和成套模具，不仅投资巨大，而且模具制造周期长，不利于车型的更新换代。由吉林大学教授李明哲博士创造的世界上第1台商用板材无模多点成形压力机10min可以“克隆”出人的脸，当然成形汽车覆盖件就更不在话下了。附加图4为我国自行研制多点成形工业机。板料无模多点成形附加图4我国自行研制多点成形工业机的人脸模拟成形17第17页，共84页，2023年，2月20日，星期一SPF／DB技术在航空航天领域应用的典型实例18第18页，共84页，2023年，2月20日，星期一第二节金属在冷态下的塑性变形一、金属的晶体结构和组织

多数金属材料是由两种或两种以上金属组成的合金。通过合金化使得金属的力学性能在很大程度上和很大范围内发生改变。塑性成形的金属绝大部分是多晶体。多晶体由许多结晶方向和不同的晶粒组成，晶粒之间存在晶界。每个晶粒的大小、形态、结构和成分不同、内部的结晶学取向不同，相邻晶粒彼此的位向不同，称为亚晶结构。晶界表现出许多与晶粒内部不同的性质，如:室温是晶界的强度和硬度高于晶内，而高温时则相反；晶界中原子的扩散速度比晶内快得多；晶界的熔点低于晶内；晶界容易被腐蚀等。19第19页，共84页，2023年，2月20日，星期一正由于晶界和晶内有这些不同的性质，在研究晶体的塑性变形时，要分别研究晶粒内部的变形和晶界的变形。图12－2多晶体示意图20第20页，共84页，2023年，2月20日，星期一二、金属冷态下的塑性变形机理（一）晶内变形晶内变形的主要方式是滑移和孪生。其中，以滑移为主。晶体在外力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对移动或切变。这些晶面和晶向称之为滑移面和滑移方向，如图12－3所示。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。一般地，滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生，因为原子密度最大的晶面，原子之间的间距小，原子间的结合力强；晶面之间的距离较大，晶面与晶面之间的结合力较弱，滑移阻力相对较小。图12－3滑移面和滑移方向1．滑移21第21页，共84页，2023年，2月20日，星期一如图12－4所示。F为作用于晶体上的外力，A0为正截面面积，σ是该截面上的正应力，滑移面的法线方向与外力的作用方向成夹角φ

。滑移面面积为A1,滑移方向与外力的作用成夹角

λ

。由于滑移面的面积与正截面的面积关系是A1=A0/cosφ

，则滑移面上的轴向应力为σ1=σcosφ

，它在滑移方向的切应力分量为τ＝σcosφcosλ图12－4滑移面上的切应力分析22第22页，共84页，2023年，2月20日，星期一当拉应力σ值一定时，一个滑移系上的切应力时受角度φ和λ决定的。令µ

＝cosφcosλ，，称为取向因子。可见，滑移系上的切应力分量取决于取向因子µ,µ越大，作用的切应力分量越大。只有在φ＝λ＝45°时，切应力达到其最大值

τ

max＝σ

/2。这意味着滑移系处于最佳取向，其上的切应力分量最有利于优先达到临界值而产生滑移。通常把µ

＝0.5或接近0.5的取向称为软取向，而把

µ

＝0或接近0的取向称为硬取向。取向因子µ

＝0，切应力分量τ

＝0，这时不可以滑移。图12－4滑移面上的切应力分析23第23页，共84页，2023年，2月20日，星期一对多晶体而言，各晶粒的取向不同，只有处于软取向的滑移面才能最先滑移，而处于硬取向的滑移面难以发生滑移。正是由于各晶粒取向不同，晶内滑移不仅受到晶界的阻碍，而且还受到周围难以滑移晶粒的阻碍。对于多晶体的晶内变形，滑移面和滑移方向也存在着向一定方向转动的趋势，以力求保持内部的平衡。但由于受晶界和相邻晶粒的影响，这种转动是复杂的。转动的结果是使原来任意取向的晶粒逐渐趋于一致。24第24页，共84页，2023年，2月20日，星期一孪生变形需要达到一定的临界切应力值方可发生。在常温下其值要比滑移的临界切应力大得多。所以，滑移是优先发生的变形方式。只有在很低的温度下，孪生的临界切应力比滑移的临界切应力低，这时，孪生才有可能发生。在多晶体内，孪生变形是及其次要的一种补充变形方式。2．孪生25第25页，共84页，2023年，2月20日，星期一（二）晶间变形晶间变形的主要方式是晶粒间发生相互滑动和转动。

多晶体中各晶粒的位向不同，受外力作用时，那些位向有利的晶粒中取向因子最大的滑移系上分切应力首先达到临界应力而发生滑移。位错沿滑移面运动到晶界。相邻晶粒的位向不同，滑移系也不同，使得位错难以越过晶界而在晶界附近形成塞积，如图12-5所示。那些在滑移面两端形成的符号相反的位错塞积群会形成很强的应力场，它越过晶界作用到相邻的晶粒上，这个附加应力与外力的应力一起，最终使某些取向因子较小的滑移系的位错源开动起来参与滑移。越来越多的晶粒参与塑性变形，塑性变形越来越大。图12-5多晶体的滑移26第26页，共84页，2023年，2月20日，星期一在外力作用下，沿晶界处可能产生切应力。当此切应力足以克服晶粒间相对滑动的阻力时，晶粒间开始发生相对滑动。由于晶界具有一定的厚度，当晶粒间产生相对滑动时，处于它们中间的晶界必然在相当厚度区域内产生切变形。同时由于各晶粒所处的位向不同，产生相对滑动的难易程度不同，这样，在相邻晶粒之间可能产生一对力偶，从而造成晶粒间的相互转动，如图12－6所示。图12-6晶粒之间的相对转动和滑动27第27页，共84页，2023年，2月20日，星期一多晶体金属塑性变形的特点晶粒间变形的相互协调性变形的不均匀性滑移系因素滑移条件和晶界因素

晶界存在阻碍了位错的运动，因此，多晶体的晶粒越细，单位体积内的晶界越多，滑移在相邻晶粒内的传播所消耗的能量越多，其外在表现为塑性变形的抗力大，金属的强度高。另外，晶粒越细小，金属的塑性越好。因为在一定的体积内，位向有利的晶粒越多，变形能比较均匀地分散在各个晶粒上。细晶粒金属还不容易发生裂纹，发生裂纹后也不容易扩展，因为断裂过程中要吸收更多的能量，即外力要做更大的功，所以细晶粒金属的韧性也较高。细晶的优点28第28页，共84页，2023年，2月20日，星期一三、合金的塑性变形合金的相结构固溶体化合物钢中的F、铜锌合金的α相钢中的Fe3C，铜锌合金中的β相常见的合金组织有单相固溶体合金、两相或多相合金两大类，它们的塑性变形特点不相同。29第29页，共84页，2023年，2月20日，星期一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，变形时同样受到相邻晶粒的影响。但溶质原子溶入后，这种异类原子必然对金属的变形行为产生影响，使合金强度、硬度提高而塑性、韧性下降。这种现象叫做固溶强化，是由溶质原子阻碍金属中的位错运动引起的。（一）单相固溶体合金的塑性变形（二）多相合金的塑性变形大多数合金材料，除基体相外，还有其他相存在，即两相或多相合金。通过合金中的第二相，使合金得到进一步强化。一般工业合金中很多是由固溶体和金属间化合物构成的两相合金。固溶体作为基体相，塑性较好，金属间化合物一般以脆性相存在，硬而脆，难以变形。因此，合金的塑性变形很大程度上取决于第二相的数量、形状、大小和分布的形态。但是从变形机理来说，仍然是滑移和孪生。30第30页，共84页，2023年，2月20日，星期一两相合金根据其第二相粒子的尺寸与分布分为两类。如下图12－8所示。图12-8两相合金的显微组织a)聚合型b)弥散型31第31页，共84页，2023年，2月20日，星期一弥散型两相合金中，第二相质点可以通过对过饱和固溶体的沉淀析出获得，也可以用粉末冶金方法获得。弥散强化的第二相粒子对位错阻碍作用可以通过图12－9来说明。图12-9位错绕过第二相粒子的过程弥散强化32第32页，共84页，2023年，2月20日，星期一四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响1．晶粒形状发生改变拉拔和轧制时，晶粒都会沿着轴向即变形延伸方向拉长。当变形量很大时，就形成纤维状组织，图12-10。当金属中含有夹杂物或第二相质点时，他们会沿变形方向拉成细带状(塑性杂质)或碾成链状(脆性杂质)。（一）对组织结构的影响多晶体金属经冷塑性变形后，在晶粒内部出现滑移带和孪生带，同时晶粒的外形发生变化，晶粒的位向也发生改变。图12-10变形前后的晶粒形状a)变形前b)变形后33第33页，共84页，2023年，2月20日，星期一2．晶粒位向发生改变多晶体塑性变形后晶粒的位向发生改变，形成织构。因为在变形时晶粒产生转动，那些在变形前位向无序的晶粒，在经过很大变形后，取向逐渐趋于一致，形成择优取向的组织，称为变形织构。当然，这只是一种“趋向”性行为，随着变形程度的增加，趋向于这种取向的晶粒就越多，金属的织构特征也就越明显。由于织构的形成，使金属的性能表现出各向异性。一个典型的例子是，深拉延用的钢板是经轧制生产的，沿轧制方向表现出很强的织构性，沿不同的方向表现出不同的伸长率，用这种板材下料的圆形毛坯拉成筒形件后，口部不平齐，在与轧制方向成45°方向上形成明显的“制耳”。34第34页，共84页，2023年，2月20日，星期一图12-11表示拉拔形成的丝织构现象；图12-12表示板材经轧制后形成的板织构现象。图12-11拉拔形成的丝织构a）拉拔前b）拉拔后图12-12轧制形成的板织构a）轧制前b）轧制后35第35页，共84页，2023年，2月20日，星期一（二）对金属性能的影响

塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力学性能。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降。图12-13所示为冷拔45号钢的力学性能指标与变形程度的关系。从图中可以看出，随着变形程度的增加，金属的强度和硬度增加，而塑性指标下降。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，就需要增加变形外力或变形功。这种现象称为加工硬化。一方面，它能提高金属的强度，人们用它来作为强化金属的一种手段；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。对于需多道次加工的金属，需要在中间变形阶段进行退火来消除加工硬化。图12-1345钢的力学性能与变形程度的关系36第36页，共84页，2023年，2月20日，星期一

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。通过轧制、挤压等加工工艺，可以明显提高工件的强度，还能改善金属纤维的分布，有利于提高金属的综合机械性能。对于不能用热处理工艺强化的金属材料，可以通过冷变形强化来提高它的强度。例如，制造发电机护环的高锰奥氏体无磁钢（40Mn18Cr3，40Mn18Cr4，50Mn18Cr4WN等），在加热过程中无相变，无法通过淬火提高其强度，但可以采用冷变形强化的手段，如液压胀形、芯轴扩孔、爆炸变形强化等方法来提高其力学性能。作业37第37页，共84页，2023年，2月20日，星期一第三节金属的热塑性变形一、热塑性变形时金属的软化过程二、热塑性变形机理三、双相合金热塑性变形的特点四、热塑性变形对金属组织和性能的影响

在热塑性变形过程中，回复、再结晶与加工硬化同时发生，加工硬化不断被回复和再结晶所抵消，而使金属处于高塑性、低变形抗力的软化状态。38第38页，共84页，2023年，2月20日，星期一一、热塑性变形时金属的软化过程1.静态回复和再结晶2.动态回复和动态再结晶3.亚动态再结晶4.热塑性变形后的软化过程软化过程与变形温度、应变速度、变形程度和金属本身的性质有关。主要有：39第39页，共84页，2023年，2月20日，星期一1.静态回复和再结晶及晶粒长大1)对性能的影响2)特点及应用40第40页，共84页，2023年，2月20日，星期一2)特点及应用回复再结晶晶粒长大发生温度较低温度较高温度更高温度转变机制原子活动能量小，空位移动使晶格扭曲恢复。位错短程移动，适当集中形成规则排列原子扩散能力大，新晶粒在严重畸变组织中形核和生长，直至畸变晶粒完全消失，但无晶格类型转变新生晶粒中大晶粒吞并小晶粒，晶界位移组织变化金相显微镜下观察组织无变化。宏观内应力和微观内应力有较大下降形成新的等轴晶粒，有时还产生再结晶织构，位错密度大大下降晶粒明显长大性能变化强度、硬度略有下降，塑性略有上升，电阻率明显下降强度、硬度明显下降，加工硬化基本消除。塑性上升使性能恶化，塑性明显下降应用说明去应力退火工艺，一般只有回复转变再结晶退火可消除加工硬化效果，消除组织各向异性应在工艺处理过程中防止产生41第41页，共84页，2023年，2月20日，星期一2.动态回复和动态再结晶动态回复动态再结晶在热加工形变过程中伴随的回复和再结晶过程，称为动态回复和动态再结晶42第42页，共84页，2023年，2月20日，星期一3）组织变化1）动态回复使异号位错相互抵消，结果是位错密度下降，畸变能降低，但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。发生在热塑性变形过程中，对软化金属有重要的作用；通过位错的攀移、交滑移来实现的；纤维组织为沿变形方向拉长的晶粒，其亚结构保持等轴状。动态回复后金属的位错密度高于相应的冷变形后静态回复的密度，而亚晶粒的尺寸要比冷变形后经静态回复的亚晶粒小。4）高温形变热处理当金属高温变形时，只发生动态回复，其组织仍为亚晶状组织，金属中的位错密度还很高，利用此点对金属进行高温变形热处理，以获得变形强化和热处理强化的双重效果，获得比单独进行热处理和单独进行变形强化更好的综合力学性能。43第43页，共84页，2023年，2月20日，星期一2)动态再结晶塑性变形过程中，层错能低的金属在变形量很大时才可能发生动态再结晶；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迁移，减缓或遏制动态再结晶的进行；降低变形温度、提高变形速度和变形程度，会使动态再结晶后的晶粒变细。44第44页，共84页，2023年，2月20日，星期一实验用Q345C钢的动态再结晶模型图45第45页，共84页，2023年，2月20日，星期一3.亚动态再结晶在金属热塑性变形过程中，除了发生动态回复和动态再结晶，静态回复和静态再结晶外，还发生亚动态再结晶，——在热变形的间歇或变形之后，利用金属的高温余热进行的再结晶；如图为热轧和热挤压时的动态回复、动态再结晶过程和静态回复、静态再结晶过程：46第46页，共84页，2023年，2月20日，星期一A）高层错能金属热轧变形程度较小时（50％）发生动态回复，脱离变形区后发生静态回复；B）低层错能金属热轧变形程度较小时（50％）发生动态回复和静态回复，同时发生静态再结晶，使晶粒细化；47第47页，共84页，2023年，2月20日，星期一C）高层错能金属热挤压变形程度很大时（99％）发生动态回复，脱离变形区后发生静态回复和静态再结晶；D）低层错能金属热挤压变形程度很大时（99％）发生动态再结晶，离开变形区后发生亚动态再结晶；48第48页，共84页，2023年，2月20日，星期一4.热塑性变形后的软化过程金属在热变形后仍然处于高温状态，一般会发生如下三种软化过程：1）静态回复金属热变形时，除发生动态再结晶外，会形成亚晶组织，处于热力学不稳定状态，如变形程度不大，在变形停止后，会发生静态回复；2）静态再结晶如变形程度较大，并且温度仍处于再结晶温度以上，会发生静态再结晶；3）亚动态再结晶在热变形过程中，已经形成、但尚未长大的动态再结晶晶核，以及虽已长大但中途被遗留下来的再结晶晶粒，当变形终止后而温度又足够高时，这些晶粒会继续长大。进行迅速，不需要形核时间。4）特点上述三种软化过程均与热变形时的变形温度、变形速度、变形程度、材料成分和层错能高低有关。控制金属变形后的冷却速度，就是抑制静态软化过程，可有目的的控制金属的力学性能49第49页，共84页，2023年，2月20日，星期一二、热塑性变形机理1.晶内滑移2.晶内孪生3.晶界滑移4.扩散蠕变金属热塑性变形机理主要有以下几种：晶内滑移是主要的方式；孪生多发生在高温高速变形时；晶界滑移和扩散蠕变只发生在高温变形时50第50页，共84页，2023年，2月20日，星期一三、双相合金热塑性变形的特点1.弥散型双相合金2.聚合型双相合金第二相粒子不仅对基体相产生影响，还会影响再结晶。对形核的影响：粒子附近产生位错塞积，有利于形核；粒子直径和间距较小而弥散分布时不利于形象对晶粒长大的影响：粒子对晶界的钉扎作用，阻碍晶粒长大。变形大的相，容易在相界和相内形核，晶粒较小；变形小的相，晶核只在相界旁产生，晶粒较大；并且金属质点流动不均匀，产生较大内应力，降低了合金的塑性。51第51页，共84页，2023年，2月20日，星期一四、热塑性变形对金属组织和性能的影响金属热塑性变形对组织和性能的影响主要表现在以下几点：改善晶粒组织锻合内部缺陷形成纤维状组织改善碳化物和夹杂物分布改善偏析52第52页，共84页，2023年，2月20日，星期一1.改善晶粒组织1）晶粒越细越均匀，金属的强度、塑性和韧性指标越高；2）对于铸态金属，粗大的树枝状晶粒可通过塑性变形和再结晶变成等轴细晶组织，对于经轧制、锻造或挤压的钢坯和型材，在以后的热加工中通过塑性变形和再结晶，其晶粒组织可以得到改善；3）晶粒大小取决于塑性变形时的动态回复和动态再结晶，以及随后发生的静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶等的软化过程，这些与金属的性质、变形温度、应变速率、变形程度和变形后的冷却速度有关。4）以固溶或弥散微粒出现的合金元素，都有利于提高再结晶形核率和降低晶界的迁移速度，因而能使再结晶晶粒细化。如：碳钢中加入Nb可使晶粒细化。53第53页，共84页，2023年，2月20日，星期一2.锻合内部缺陷铸态金属中的疏松、空隙和微裂纹等内部缺陷被压实，从而提高了金属的致密度。内部缺陷的锻合效果，与变形温度、变形程度、应力状态及缺陷表面的纯洁度等因素有关。54第54页，共84页，2023年，2月20日，星期一3.形成纤维状组织在热塑性变形过程中，随着变形程度的增加，钢锭内部粗大的树枝状晶逐渐沿主变形方向伸长，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应变方向一致。其中脆性夹杂物（如氧化物、氮化物等）被破碎呈链状分布；而塑性夹杂物（如硫化物和多数硅酸盐等）则被拉长呈条带状、线状或薄片状。在热变形过程中，由于再结晶的结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而流线却很稳定的保留直至室温。纤维组织的形成使金属的机械性能呈各向异性，沿流线方向比沿垂直于流线方向具有较高的机械性能，其中以塑性、韧性指标最为显著。纤维状组织如图12-20所示；对性能的影响如图12-2155第55页，共84页，2023年，2月20日，星期一纤维状组织56第56页，共84页，2023年，2月20日，星期一纤维组织对性能的影响57第57页，共84页，2023年，2月20日，星期一4.改善碳化物和夹杂物分布

对于高速钢、高铬钢、钢碳工具钢等，其内部含有大量的碳化物。这些碳化物有的呈粗大的鱼骨状，有的呈网状包围在晶粒周围。通过锻造或轧制，可使这些碳化物被打碎、并均匀分布，从而改善了它们对金属基体的消弱作用，并使由这类钢锻制的工件在以后的热处理时硬度分布均匀，提高了工件的使用性能和寿命。58第58页，共84页，2023年，2月20日，星期一5.改善偏析在热变形中，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。59第59页，共84页，2023年，2月20日，星期一第四节对塑性和变形抗力的影响一、塑性指标和变形抗力二、影响塑性的因素三、影响变形抗力的因素60第60页，共84页，2023年，2月20日，星期一一、塑性指标和变形抗力

塑性指标变形抗力

变形抗力与塑性的差别61第61页，共84页，2023年，2月20日，星期一1.塑性指标断面收缩率延伸率冲击韧性最大压缩率扭转角（或扭转数）弯曲次数概念：金属在破坏前产生的最大变形程度，即极限变形量。表示方法：62第62页，共84页，2023年，2月20日，星期一塑性指标的测量方法拉伸试验法压缩试验法扭转试验法塑性图63第63页，共84页，2023年，2月20日，星期一拉伸试验法式中：L0——拉伸试样原始标距长度；

Lk——拉伸试样破断后标距间的长度；

A0——拉伸试样原始断面积；

Ak——拉伸试样破断处的断面积断面收缩率延伸率64第64页，共84页，2023年，2月20日，星期一压缩试验法

简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定：

式中：c

——压下率；

H0——试样原始高度；

Hk——试样压缩后，在侧表面出现第一条裂纹时的高度65第65页，共84页，2023年，2月20日，星期一扭转试验法

对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形（γ

）。式中：R——试样工作段的半径；

L0——试样工作段的长度；

n——试样破坏前的总转数。

66第66页，共84页，2023年，2月20日，星期一塑性图概念：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。拟定金属塑性加工工艺规范，如选择变形温度、变形速度、变形程度等的重要依据温度硬度δψσb67第67页，共84页，2023年，2月20日，星期一2.变形抗力概念：金属在发生塑性变形时，产生的抵抗变形的力；一般用接触面上平均单位面积变形力表示，以p表示。变形抗力的大小，决定于材料的真实应力，同时取决于塑性加工时的应力状态、接触摩擦状态和变形体的尺寸等因素。通常以单向拉伸或压缩状态下和一定的变形条件下的真实应力（流动应力）表示。实际的变形抗力与真实流动应力不同，与加工方法和加工条件密切相关。68第68页，共84页，2023年，2月20日，星期一3.变形抗力与塑性的差别塑性反映金属对变形的适应能力，塑性好表示金属可以承担的塑性变形量大；变形抗力反映金属抵抗变形的能力，即金属变形的难易程度；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：塑性与变形抗力不是同一概念69第69页，共84页，2023年，2月20日，星期一二、影响塑性的因素

化学成分和合金成分对塑性的影响

组织状态对塑性的影响

变形温度对塑性的影响

应变速率对塑性的影响

应力状态对塑性的影响总结70第70页，共84页，2023年，2月20日，星期一1.化学成分和合金成分对塑性的影响C及合金元素Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等合金元素影响；N、H、O、S、P等有害元素的影响。71第71页，共84页，2023年，2月20日，星期一C：对碳钢性能影响最大，含量越高，塑性越差，变形抗力越大。P：有害杂质，在钢中有很大的溶解度，易溶于铁素体，使钢的塑性降低，在低温时更为严重，称为冷脆性；S：有害杂质，主要与Fe形成FeS，并与Fe形成易熔共晶体Fe-FeS，熔点985℃左右。硫化物及其共晶体，通常分布在晶界上，在钢的锻造温度范围内（800～1220℃）会发生变形开裂，即热“热脆”现象。加入元素Mn可降低S的有害作用;72第72页，共84页，2023年，2月20日，星期一N：有害杂质，主要以Fe4N形式存在。N在α-Fe中的溶解度在高温和低温时相差很大，当含N量高的钢由高温快冷至低温时，α-Fe被过饱和，随后以Fe4N形式析出，使钢的塑性、韧性大大下降，这种现象称为“时效脆性”。如在300℃左右加工，会出现所谓的“蓝脆”现象。H：有害杂质；钢中溶解H，会使钢的塑性、韧性下降，造成所谓“氢脆”；当H含量较高时，经锻造、轧制后快冷时，从固溶体中析出的H原子来不及向钢坯表面扩散逸出，而聚集在显微缺陷处，形成微裂微，即所谓“白点”73第73页，共84页，2023年，2月20日，星期一O：O在钢中的溶解度很小，主要以Fe3O4、Al2O3和SiO2等夹杂物出现，降低钢的塑性；Fe3O4还与FeS形成易熔共晶体，分布于晶界处，造成钢的热脆性。Mn：显著