铜及铜合金物理冶金基础-塑性加工原理

铜及铜合金物理冶金基础铜的基本特点、应用及分类1主要内容紫铜的组织与性能4铜合金设计的基本原理2典型白铜与青铜的组织与性能6黄铜的组织与性能5金属塑性加工原理7典型铜合金相图3绪论07.1塑性流动规律（最小阻力定律）

7.2影响金属塑性流动和变形的因素7.3不均匀变形、附加应力和残余应力7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点7.5塑性加工过程的断裂与可加工性7.6“三度五图”及应用

7金属塑性加工原理7.1塑性流动规律（最小阻力定律）

最小阻力定律

变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的方向移动。即做最少的功，走最短的路。

如右图，在模锻中增加飞边阻力，或修磨圆角r。可减少金属流向A腔的阻力，使金属填充得更好。图7-1

存在接触面摩擦时，物体各质点向周边流动的阻力与质点离周边的距离成正比，因而必然向周边最短法线流动，周边形状表现为最小的圆形。

7.1塑性流动规律（最小阻力定律）

最小周边法则μ=0，理想情况角等分线上，向X、y方向的距离相等。

角等分线划分区域，箭头当下为质点移动的最短法线方向。μ≠0yx阻力最小方向：断面轮廓线作的最短法向方向移动。六边形椭圆圆形μ=0，理想情况图7-2图7-3任何断面，只要塑性足够，经锻造后最终趋向于圆形。7.1塑性流动规律（最小阻力定律）例1：方坯在平锤间压缩时如图7-4所示。随着镦粗的进行，方截面逐渐变为圆截面。正方形断面变形模式图7-47.1塑性流动规律（最小阻力定律）例2：矩形截面坯料在平砧拔长时，当送进量l大于坯料宽度a时(图7-5a)，金属多沿横向流动，坯料宽度增加的多。当l<a时，金属多沿轴向流动(图7-5b)，坯料轴向伸长的多。因此，生产操作时，为提高拔长的效率，应适当减少送给量l(但也不宜太小)；若要使坯料展宽时，送进量应大些。拔长坯料的变形模式拔长坯料的变形模式图7-57.1塑性流动规律（最小阻力定律）

根据体积不变条件和最小阻力定律，可大体确定出塑性成形时的金属流动规律。有时还可用来选择坯料的断面和尺寸、加工工具的形状和尺寸等。例3：在压下量、辊径相同的条件下，坯料宽度不同的轧制情况是不同的。从左图中看出，在图7-6(a)、(b)两种情况下，三角形区是完全相同的，即这两种情况下向宽度方向上流动的质点数目是一样的。但与整个接触面上所有质点相比，第一种情况向宽向流动质点所占比例比第二种大，故窄板宽展比宽板的宽展率大。图7-6不同宽度坯料轧制时宽展情况7.1塑性流动规律（最小阻力定律）例4：在压下量相同而轧辊直径不同的条件下，当轧制宽度相同的轧件时，则可预计大辊轧制时的宽展大，如图7-7。精轧时，为了控制宽展，一般多采用工作辊较小的多辊轧机轧制。图7-7轧辊直径不同时轧件变形区纵横方向阻力图7.1塑性流动规律（最小阻力定律）7.2影响金属塑性流动和变形的因素7.3不均匀变形、附加应力和残余应力7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点7.5塑性加工过程的断裂与可加工性7.6“三度五图”及应用

7金属塑性加工原理（1）摩擦的影响（2）变形区的几何因素的影响（3）工具的形状和坯料形状的影响（4）外端的影响（5）变形温度的影响（6）金属性质不均的影响7.2影响金属塑性流动和变形的因素

摩擦的影响

实质：由于摩擦力的作用，在一定程度上改变了金属的流动特性并使应力分布受到影响。

7.2影响金属塑性流动和变形的因素

圆柱体镦粗时，由于接触面上有摩擦存在，在接触表面附近金属流动困难，圆柱形坯料转变成鼓形(左图)。在此情况下，可将变形金属整个体积大致分为三个区：

I区表示由外摩擦影响产生的难变形区；

Ⅱ区表示与作用力成45°角的最有利方位的易变形区；

Ⅲ区表示变形程度居中间的自由变形区。图7-87.2影响金属塑性流动和变形的因素

外摩擦不仅影响变形，而且使接触面上的应力(或单位压力)分布不均匀。沿试样边缘的应力等于金属的屈服极限，从边缘到中心部分，应力逐渐升高。此情形可从带孔的玻璃锤头锻粗塑料的实验看出(左图）。另外，沿物体高度方向由接触面至变形体的中部，应力的分布是逐渐减小的，这是因外摩擦的影响逐渐减弱所致。图7-9用塑料镦粗时单位压力分布图7.2影响金属塑性流动和变形的因素图7-10圆环镦粗的金属流动(a)变形前(b)摩擦系数很小或为零(C)有摩擦

环形件墩粗时，由于摩擦的作用，还会局部改变金属质点的流动方向，如右图。当接触面上的摩擦系数很小或无摩擦时，圆环上每一质点均沿径向作辐射状向外流动(图b)，变形后内外径均增大;

当接触面的摩擦系数增加至某临界值时，靠近内径处的金属质点向外流动阻力大于向内流动阻力，从而改变了流动方向。这时在圆环中出现一个半径为Rn的分流面，该面以内的金属向中心流动，该面以外的金属向外流动，变形后的圆环内径缩小，外径增大(图c)，而且分流面半径Rn随着摩擦系数的增加而加大。

变形区的几何因素的影响

变形区的几何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影响变形和应力分布很重要的因素。7.2影响金属塑性流动和变形的因素

右图为表示变形区几何因素作用的近似模型。当在平行的平锤间塑压圆柱体时，首先在主锥（等腰直角三角形）附近产生塑性变形，因为45°剪应力最大，最易滑移。随着变形的继续，在主锥内外都可能产生滑移，主要由上下两锥间距离h2决定。图7-117.2影响金属塑性流动和变形的因素单鼓形变形难以深入，双鼓形接触面出现滑动，单鼓形接触面可能全滑动变形越来越深入，但是变形抗力也越来越大！图7-12h2为各种数值时的情况

工具的形状和坯料形状的影响

工具（或坯料）形状是影响金属塑性流动方向的重要因素。工具与金属形状的差异，是造成金属沿各个方向流动的阻力有差异，因而金属向各个方向的流动（即变形量）也有相应差别。

7.2影响金属塑性流动和变形的因素例1：在圆形砧或V型砧中拨长圆断面坯料时，工具的侧面压力使金属沿横向流动受到很大的阻碍，被压下的金属大量沿轴向流动，这就使拔长效率大大提高。图c即相反。图7-13型跕中拔长方形断面轧件进人椭圈(或圆形)孔型的轧制，其宽向上所承受的压下量不一致，致使沿轧件宽向上延伸的分布也不均匀，易造成轧件的歪扭和扭结。

外端的影响

外端（未变形的金属）对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动，进而产生或加剧附加的应力和应变。

变形体的外端是指在变形过程中某一瞬间不直接承受工具的作用而处于变形区以外的部分，称为外端或刚端。7.2影响金属塑性流动和变形的因素7.2影响金属塑性流动和变形的因素图7-147.2影响金属塑性流动和变形的因素图7-15图7-16

变形温度的影响

变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形和流动的差异。变形首先发生在那些变形抗力最小的部分。一般，在同一变形物体中高温部分的变形抗力低，低温部分的变形抗力。7.2影响金属塑性流动和变形的因素例：轧件在加热炉中加热时由于下面加热不足，轧件上面温度高于下面温度，这样，在轧制时钢坯的上层压下率大，产生的延伸就大，下图层压下率小，延伸也就小。结果轧出轧件向下弯曲。

金属性质不均的影响

变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异。7.2影响金属塑性流动和变形的因素例2：轧制铝钢双层金属时，由于铝的变形抗力低于钢，在轧制时铝比钢产生更大的延伸。所以轧出后，轧件向钢的一面弯曲，如图7-17。图7-177.1塑性流动规律（最小阻力定律）7.2影响金属塑性流动和变形的因素7.3不均匀变形、附加应力和残余应力7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点7.5塑性加工过程的断裂与可加工性7.6“三度五图”及应用

7金属塑性加工原理（1）均匀变形与不均匀变形（2）研究变形分布的方法（3）基本应力与附加应力（4）残余应力7.3不均匀变形、附加应力和残余应力

均匀变形与不均匀变形

若变形区内金属各质点的应变状态相同，即它们相应的各个轴向上变形的发生情况、发展方向及应变量的大小都相同，这个体积的变形可视为均匀的。不均匀变形实质上是由金属质点不均匀流动引起的。因此，凡是影响金属塑性流动的因素，都会对不均匀变形产生影响。影响金属塑性流动的因素有摩擦、变形区的几何因素、工具和坯料的形状、材料外端、变形温度、金属本身的性质不均匀等，因此，诸上因素都影响金属的不均匀变形。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力均匀变形：变形区某体积内金属各质点的变形状态相同，就称为均匀变形，否则就叫不均匀变形。均匀变形的特点：平面与直线；圆与球体；相似单元体7.3不均匀变形、附加应力和残余应力均匀变形必需满足的条件变形体物理性质均匀且各向同性；各点物理状态完全相同（温度、抗力、硬化情况等）；各点的绝对变形量和相对变形量相同；变形完全没有外端的作用；接触表面没外縻擦或縻擦阻力。高向单鼓形或双鼓形；接触表面出现粘着区、滑动区、侧翻区；变形体整个体积可分为难变形区、易变形区、自由变形区。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力不均匀变形的典型现象

研究变形分布的方法

金属塑性加工中，研究变形物体内变形分布（即金属流动）的方法很多。常用的方法有：网格法；硬度法；比较晶粒法。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力变形后进行退火，根据退火后晶粒的大小来判断各部位变形的大小。变形越大，再结晶后晶粒越小。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力图7-18各种不同变形程度下镦粗圆柱体的不均匀变形网格法：观察变形前后各网格所限定的区域金属几何形状的变化。图7-19冷镦粗铝合金后垂直断面上硬度（HR）的变化硬度法：硬度与变形程度呈正比。

基本应力与附加应力

金属变形时体内变形分布不均匀，不但使物体外形歪扭和内部组织不均匀，而且还使变形体内应力分布不均匀。此时，除基本应力外还产生附加应力。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力基本应力：由外力作用所引起的应力。表示这种应力分布的图形叫基本应力图。附加应力：在物体中，由于各部分的变形不均匀受到物体的整体性限制而引起的相互平衡的应力。工作应力图是处于应力状态的物体在变形时用各种方法测出来的应力图。均匀变形时基本应力图与工作应力图相同。而变形不均匀时，工作应力等于基本应力与附加应力的代数和。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力

如左图所示，坯料边缘部分a的变形程度小，而中间部分b的变形程度大。若a,b部分不是同一整体时，则中间部分将比边缘部分发生更大的纵向伸长，如图中点划线所示。轧件实际上是一个整体，虽然各部分的变形量不同，但纵向延伸趋于相等。于是中间产生附加压应力，边部产生附加拉应力。图7-20第一类附加应力（宏观附加应力）存在于物体的局部之间第二类附加应力（微观附加应力）存在于物体内的晶粒之间第三类附加应力（微观附加应力）存在于滑移面或滑移带之间7.3不均匀变形、附加应力和残余应力附加应力的种类图7-21相邻晶粒的变形（1）引起变形体的应力状态发生变化，使应力分布更不均匀；7.3不均匀变形、附加应力和残余应力附加应力对塑性变形的不良后果图7-227.3不均匀变形、附加应力和残余应力（2）造成物体的破坏由上图可知，当坯料表面所受的拉应力分量超过了金属允许断裂强度时，制品表面就会出现裂纹，实际生产中常发现挤压、旋锻制品表面出现周期性裂纹等缺陷就是第一类附加应力的作用。（3）使产品质量降低当变形体某方向上各处的变形量差别太大，而物体的整体性不能起限制作用时，所出现的附加应力不能自相平衡而导致变形体外形的歪扭。如薄板(或带)轧制、薄壁型材挤压时出现的镰刀弯、波浪形等，均由此原因所致。另一方面，变形不均匀的材料，退火后组织也不均匀，而使性能不均匀。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力

当变形不均匀分布时，变形体内部将产生附加应力，故变形所消耗的能量增加，从而使变形抗力升高(图7-23)。另外，由于内部存在不均匀分布的内应力，物体处于受力的不稳定状态，其塑性变形能力显然比无应力的稳定状态低，在变形中较早达到金属的断裂强度(图7-24)而发生破裂，因而使塑性显著降低。

（4）使材料变形抗力提高和塑性降低图7-23图7-247.3不均匀变形、附加应力和残余应力（5）使生产操作复杂化由于变形与应力分布的不均匀，加工工具各部分受力不同致使工具的磨损与发热等不均匀，工具的设计、制造、使用和维护工作变得复杂化，如孔型轧制时孔型磨损不均匀。（6）形成残余应力由于附加应力是物体内自相平衡的内力，并不与外力发生直接关系，所以当外力去除，变形终止后，仍继续保留在变形体内部，即成为残余应力。附加应力的方向和大小，即是残余应力的方向和大小。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力为了克服或减轻变形及应力不均的有害影响，可采用如下措施:（1）正确选定变形的温度—速度制度合适的变形温度应保证在单相区内完成塑性变形并尽可能使金属在加热及塑性变形过程中整个体积内温度均匀，在加工中应保证变形温度不低于一定范围。（2）尽量减小接触面上外摩擦的有害影响提高和保持工具表面的光洁度，采用适当的润滑剂。在镦粗低塑性材料时，为减少和消除难变形区，使变形不均匀性减少，可将锻坯端面预先做成凹锥形，并采用相应的锥形锤头压缩来减少外摩擦的影响。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力（3）合理设计加工工具形状为了保证变形与应力分布的均匀性，须正确选择与设计锻模、轧辊孔型及其他工具，尽量使其形状与坯料断面很好配合。例如：热轧板材时，考虑轧辊中部温度升高使其膨胀，它将轧辊设计成凹形，以保证沿轧件宽向上压下均匀；冷轧时，考虑轧辊中部产生弹性弯由与压扁较大，故应将轧辊设计成凸形。（4）尽可能保证变形金属的成分及组织均匀。首先从提高熔炼与浇铸质量方面着手；其次，对已浇铸的坯料采用高温均匀化退火等。

以上仅就减轻变形及应力不均匀分布的基本措施进行了简要说明，至于有关的具体措施要根据具体金属及加工条件而定。

残余应力

残余应力的来源变形条件对残余应力的影响残余应力所引起的后果减小或消除残余应力的措施残余应力的测定7.3不均匀变形、附加应力和残余应力

残余应力的来源残余应力的分类：第一类残余应力（宏观应力）第二类残余应力（显微应力）第三类残余应力（超显微应力）残余应力的来源：不均匀变形、相变、热处理、铸造、电镀、机加工等。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力

附加应力在塑性变形中由于软化而被部分释放，保留下来的就成为残余应力。

变形条件对残余应力的影响变形温度的影响温度的变化可能引起相变，从而引起第二附加应力的产生，导致残余应力增大；一般情况下，变形温度升高，附加应力及形成的残余应力降低；变形过程中温度越不均匀，残余应力越大。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力

残余应力与附加应力一样，也同样受到变形条件的影响，其中主要是变形温度、变形速度、变形程度、接触摩擦、工具和变形物体形状等等。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力变形程度的影响图7-25

残余应力所引起的后果

引起物体尺寸和形状的变化。当在变形物体内存在残余应力时，则物体将会产生相应的弹性变形或晶格畸变。若此残余应力因某种原因消失或其平衡遭到破坏，此相应的变形也将发生变化，引起物体尺寸和形状改变。使零件的使用寿命缩短。当具有残余应力的物体受载荷时，残余应力影响工作应力的大小，并使其分布不均匀，当工作应力其达到断裂强度时，材料断裂。降低了金属的塑性加工性能。残余应力的存在可加强物体内的应力和变形的不均匀分布，使金属变形抗力升高，塑性降低。降低金属的耐蚀性及冲击韧性和疲劳强度.7.3不均匀变形、附加应力和残余应力

减小或消除残余应力的措施减小不均匀变形（根本！）热处理方法（退火或回火）机械处理法（对于不允许退火的制品）零件彼此碰撞喷丸法表面压平表面拉制在模子中表面校形或精压7.3不均匀变形、附加应力和残余应力7.3不均匀变形、附加应力和残余应力图7-267.3不均匀变形、附加应力和残余应力实线表示拉制铜棒的残余应力，虚线表示铜棒在辗平后的残余应力

可见，表面变形可使原来的残余应力几乎减小一倍，甚至可使表面拉应力变成压应力。表面变形程度越大、残余应力减小得越多，但此变形程度不应超过某一限度。图7-27

残余应力的测定：7.3不均匀变形、附加应力和残余应力机械法；化学法；X光法。1）机械法

具体测量方法是：截取一段长度为其直径三倍的棒材(或管材)，在其中心钻一通孔，如右图所示。然后用膛杆或钻头从内部逐次去除一薄层金属，每次去除约5%的断面积，去除后测量试样长度的延伸率λ和直径的延伸率θ，并计算出下列数值:△1=λ+rθ,△2=θ+rλ。棒材中心钻孔测残余应力变形与钻孔横断面积关系7.3不均匀变形、附加应力和残余应力

然后，绘制△1、△2与钻孔剖面积F的关系曲线，如右图。并用作图法求出此曲线上任一点的导数，式中r为泊松比。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力

按D.Sachs根据一般弹性力学理论所求得的下述计算公式，逐步求出每去除一微小面积dF后的残余应力大小。2）化学法7.3不均匀变形、附加应力和残余应力

此方法是将试样浸人到适当的溶液中，测量出自开始侵蚀到发现裂纹的经过时间，按此经过的时间来判断残余应力的大小。

化学方法对于测定金属丝、薄条等类型的工件内的残余应力是十分合适的。同时定性地来比较在不同的压力加工制度和热处理制度中所出现的残余应力的大小也是很有用的。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力

在判断应力的形式时，若出现横向裂纹，则可认为是纵向应力作用的结果，若出现纵向裂纹，可认为是横向应力作用的结果。在实际中准确地确定裂纹出现的时间比较难，但可以定下地比较。3）X射线法

在X射线法中可包括有劳埃法和德拜法。在劳埃法中可根据干扰斑点形状的变化来定性地确定残余应力。如左图示出，当无残余应力存在时，各干扰斑点呈点状分布。有残余应力时，各干扰斑点伸长，呈“星芒”状。7.3不均匀变形、附加应力和残余应力7.3不均匀变形、附加应力和残余应力

用德拜法可以定量地测出所存在的残余应力。第一种残余应力可根据德拜图上衍射线条位置的变化来确定。第二种和第三种残余应力可根据衍射线条的宽度变化和强度的变化来确定。

7.1塑性流动规律（最小阻力定律）7.2影响金属塑性流动和变形的因素7.3不均匀变形、附加应力和残余应力7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点7.5塑性加工过程的断裂与可加工性7.6“三度五图”及应用

7金属塑性加工原理7.4.0金属塑性加工诸方法的变形力学图7.4.1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点7.4.2平辊轧制时金属的应力及变形特点7.4.3棒材挤压时的应力及变形特点7.4.4棒材拉伸时的应力及变形特点

7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点

变形体内一点的主应力图和主应变图结合构成变形力学图。它可形象反应该点主应力、主应变有无和方向。1）挤压7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点2）轧制7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点平辊轧制型辊轧制7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点3）拉拔7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点4）锻造7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点7.4.1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点镦粗时组合件的变形特点

将试件在平锤间进行镦粗至一定的变形程度，从外形上来看，试件出现鼓形和侧面翻平现象。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点基本应力的分布特点沿x轴在接触表面上的分布是从边缘向中心由零开始逐渐增大，因为越接近中心，摩擦力的阻碍作用越显著；沿y轴的分布规律同沿x轴的分布；沿z轴在侧表面上为零，在试件内部，从接触表面向对称层逐渐减小。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点7.4.2平辊轧制时金属的应力及变形特点一．基本应力特点图7-287.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点二．变形区内金属质点流动特点

1．金属质点纵向流动特点前滑：在变形区内，金属质点的向前流动速度大于轧辊表面线速度的现象叫前滑。变形区内金属质点流动具有前滑现象的区域叫前滑区。后滑：在变形区内，金属质点的向前流动速度小于轧辊表面线速度的现象叫后滑。在变形区内金属质点流动具有后滑现象的区域叫后滑区。中性面：在变形区内，金属质点向前流动速度与轧辊表面线速度一致的截面叫中性面。中性面实际是前滑与后滑的临界面。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点1）当>0.5~1.0时，如图3-41所示。这时接触弧较长而轧件高度小，故变形能深入整个断面高度。在后滑区内，轧件任意断面的平均速度都小于轧辊的水平运动速度，但是由于接触表面上的摩擦力总是力图把较高的速度传给轧件表面层及其附近部位，而对中心部位的影响则相对小些，这样就使得后滑区内各断面上金属质点的运动速度表面层大于中心层而呈曲线6所示形状，并且外摩擦越大，这种不均匀性越明显。图7-29所示。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点图7-297.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点2）当L/H平<0.5~1.0时，如图7-30所示。

这时轧件高度大而变形区长度相对变小，故变形难以深入整个断面高度。在后滑区各断面上，外层金属质点的流动速度由接触表面向中心层逐渐减小，中心层附近没有产生变形刚保持一个固定的速度不变，其分布如曲线3所示。在前滑区，情况恰好相反，各断面速度是由表层向里逐渐增大，但在中心层没有产生变形，所以速度仍保持不变。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点图7-307.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点2、宽展及宽度上的纵向流动轧制时，沿轧件宽向尺寸的变化量称为宽展。宽展常用绝对值表示，△B=b-B，其中B是轧件轧前的宽度，b是轧件轧后的宽度。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点

轧制时，影响宽展量大小的三点因素：1）外摩擦：摩擦系数增加，宽展增加；摩擦系数减少。宽展也随之减少。因为摩擦系数增加阻碍延伸变形，使横向宽展增加。2）变形区的尺寸：影响宽展的尺寸主要是L/B值，凡是使L/B值增大的因素，都使宽展增加。3）刚端：轧件变形区外部的刚端，限制了宽展的发展而增加纵向延伸，并且使轧件宽向及高向上的延伸变得更均匀些，正是由于轧件边缘部位的这种拉应力的作用，限制了金属质点的横向流动，减少了宽展。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点图7-317.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点3．平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点

因为平辊轧制时变形区内金属质点的流动速度在高向上的分布如图7-29所示，那么必然会产生图7-32所示的附加应力。在后滑区，表面层金属质点的运动速度大于中心层，故中心层给表面层以附加压应力，而表面层给中心层以附加拉应力。在前滑区，轧件表面层的质点流动速度小于中心层，所以中心层对表面层产生附加拉应力，而表面层对中心层产生附加压应力。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点图7-327.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点7.4.3棒材挤压时的应力及变形特点一、棒材挤压时的基本应力状态从应力与变形的角度来说，可以把挤压过程分成填充和挤压两个基本阶段.7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点图7-34图7-35二、棒材挤压时的金属流动规律

塑性变形区内，应力状态有压缩应力状态和延伸应力状态之分:Ⅰ区---称为延伸变形区，Ⅱ区---称为压缩变形区。Ⅱ区的金属首先是轴向压缩，径向延伸，当它们流入Ⅰ区后再转为轴向延伸径向压缩，Ⅲ区---内，虽然z和T差值很小，但是由于切应力很大，也将进入塑性变形状态，只是以剪变形为主，称之为切变区。Ⅳ区---是未变形区，随着挤压过程的进行，其范围不断缩小。Ⅴ区---是“死区”，其形成原因与墩粗时难变形区形成原因一致。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点图7-36三、棒材挤压时的附加应力

按挤压时金属质点流动的分区情况进行分析，可清楚地看出：在塑性变形区和变形终了的外端部分，由于中间金属流动的快，表面层金属流动的慢，所以变形不均匀的结果引起中间对表面层作用以轴向附加拉应力，而表面层对中间部分作用轴向附加压应力。在棒材端面附近则产生了径向附加拉应力（图7-37）。在未变形区的横截面上，由于外表层已进入了塑性变形状态，其金属的流动速度远远大于中间部位，所以表面层对中间部位产生了轴向附加拉应力，而中间部位对表面层施加一个轴向附加压应力（图7-38）。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点图7-37图7-387.4.4棒材拉伸时金属的流动规律一、棒材拉伸时的基本应力状态在变形区内从入口端到出口端应力逐渐增大，从入口端到出口端必然是逐渐减小。同理也可分析出的变化趋势。沿径向上，基本应力的变化情况是，轴向拉应力由边缘部分向中间部分逐渐增加，并且中心层的拉伸应力达到最大值。径向压应力和周向压应力它们由边缘部分向中心层是逐渐减小的。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点图7-39二、棒材拉伸时金属流动规律中心层的金属产生了轴向上的延伸，径向上的压缩。周边层的格子除了受到轴向的拉长、径向和周向的压缩外，还发生了剪变形。棒材的中心层金属质点流动速度比周边层快。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点图7-40三.棒材拉拔时的附加应力

由于拉拔时金属在变形区内中心层和周边部分流动速度的不一致，必然会引起附加应力。中心层的金属在变形区内流动的快，而周边层流动的速度慢，其结果形成了中心层对周边部分作用以轴向附加拉应力，周边部分对中心层作用以轴向附加压应力。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点图7-41棒材拉拔产生附加应力的不利影响

表面层承受的轴向附加拉应力，是棒材拉伸时产生横向周期裂纹的根源，周向承受的附加拉应力则是产生纵向裂纹的主要原因。对于某些塑性较低的合金来说，拉伸后形成的残余应力如果不能及时消除，经过一定时间后棒材就会产生裂纹。7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点7.1塑性流动规律（最小阻力定律）7.2影响金属塑性流动和变形的因素7.3不均匀变形、附加应力和残余应力7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点7.5塑性加工过程的断裂与可加工性7.6“三度五图”及应用

7金属塑性加工原理7.5塑性加工过程的断裂与可加工性

7.5.1塑性加工中的常见裂纹7.5.2金属断裂的物理本质7.5.3塑性-脆性转变7.5.4金属的可加工性一、锻造时的断裂1．锻造时的表面开裂自由镦粗塑性较低的金属饼材时，由于锤头端面对镦粗件表面摩擦力的影响，形成单鼓形，使其侧面周向承受拉应力。当锻造温度过高时，由于晶间结合力大大减弱，常出现晶间断裂，且裂纹方向与周向拉应力垂直（图7-42（1）a）。当锻造温度较低时，晶间强度常高于晶内强度，便出现穿晶断裂。由于剪应力引起的其裂纹方向常与最大主应力成45°角（图7-42（1）b）。7.5.1塑性加工中的常见裂纹7.5.1塑性加工中的常见裂纹图7-42预防措施：

为了防止镦粗时的这种断裂，必须尽量减少鼓形所引起的周向拉应力。可采用如下措施：（1）减少工件与工具间的接触摩擦；提高接触表面的光洁度，采用适当高效能的润滑剂，（2）采用凹形模：锻造时，由于模壁对工件的横向压缩，使周向拉应力减少。7.5.1塑性加工中的常见裂纹（3）采用软垫：如图7-43，因为软垫的变形抗力较小，在压缩开始阶段，软垫先变形，产生了强烈的径向流动，结果工件侧面成凹形如图7-43（a）。随着软垫的继续压缩变薄，其单位变形抗力增加。这时工件便开始显著地被压缩，于是工件侧表面的凹形逐渐消失变得平直见图7-43（b），继续压缩时才出现鼓形如图7-43（c），这样与未加软垫的镦粗工件相比，其鼓形凸度就相应减少了，因而也就相应地减少了工件侧面的周向拉应力。7.5.1塑性加工中的常见裂纹7.5.1塑性加工中的常见裂纹图7-43（4）采用活动套环和包套：如图7-44所示，选用塑性好抗力较低的材料做外套，由于外套和坯料一起加热后镦粗，外套对坯料的流动起着限制作用，从而增加了三向压应力状态，防止了裂纹的产生。镦粗低塑性的高合金钢时，用普通钢做外套，套的外径可取D=(2-3)d，d是坯料原始直径。用活动套镦粗时，低塑性毛坯经一定的小变形后就能与套环接触，然后取走垫铁，继续镦粗，套环材料除塑性好外，要其变形抗力比锻坯稍大些，使其对流动起限制作用，以增强三向压应力，防止裂纹的产生。7.5.1塑性加工中的常见裂纹7.5.1塑性加工中的常见裂纹图7-442．锻造时的内部裂纹7.5.1塑性加工中的常见裂纹图7-457.5.1塑性加工中的常见裂纹图7-46预防措施：

为了防止锻压圆坯时内部裂纹的产生，可采用槽形和弧形锤头，从而减少坯料中心处的水平拉应力，或把原来的拉应力变为压应力。实验结果表明，用图7-47（b）所示两种锤头压缩总变形量达40%时都未见任何裂纹。因此，最好采用如下两种锤头，顶角不超过110°的槽形锤头和R≤r，包角为100°~110°的弧形锤头。以增加工具对坯料作用的水平压应力，从而减少坯料中心水平附加拉应力。7.5.1塑性加工中的常见裂纹7.5.1塑性加工中的常见裂纹图7-47二、轧制时的断裂1．轧制时的表面开裂7.5.1塑性加工中的常见裂纹图7-48图7-49预防措施：

为避免上述断裂现象的发生，首先是要有适宜的良好辊型和坯料尺寸形状，其次是制定合理的轧制工艺规程（压下量控制、张力调整、润滑适宜等等）。7.5.1塑性加工中的常见裂纹2．轧制时内部裂纹

在平辊间轧制厚坯料时，因压下量小而产生表面变形。中心层基本没有变形，因而中心层牵制表面层，给予表面层以压应力，表面层则给中心层以拉应力（图7-50b）。当此不均匀变形与拉应力积累到一定程度时，就会引起心部产生裂纹，而使应力得到松弛，当变形继续进行此应力又积累到一定程序又会产生心部裂纹，如此继续，便在心部产生了周期性裂纹（图7-50）。7.5.1塑性加工中的常见裂纹7.5.1塑性加工中的常见裂纹图7-50

为避免此种断裂现象的发生，可增加l/h值如图7-51所示。随着的增加，变形逐渐向内部深入，当l/h到一定值后，轧件中间部分便由原来的纵向拉应力变为纵向压应力。7.5.1塑性加工中的常见裂纹图7-51三、挤压和拉拔时的断裂1．表面裂纹挤压时，在挤压件的表面常出现如图7-52a所示的裂纹，严重时裂纹变成竹节状。由于挤压筒和凹模孔与坯料之间接触摩擦力的阻滞作用，使挤压件表面层的流动速度低于中心部分，于是在表面层受附加拉应力，中心部分受附加压应力。7.5.1塑性加工中的常见裂纹7.5.1塑性加工中的常见裂纹图7-527.5.1塑性加工中的常见裂纹图7-53图7-54预防措施：

无论挤压与拉拔，减少摩擦阻力，会使金属流动不均匀性减轻，从而可以防止这样裂纹的产生。防止裂纹的有效方法是加强润滑，例如铝合金热挤压采用油-石墨润滑剂，钢热挤时采用玻璃作润滑剂。因为影响摩擦力的因素除了摩擦系数以外，还有垂直压力和接触面积的影响。对挤压和拉拔来说还可以采用反向挤压、反张力拉伸、辊式模拉伸等方法来减少有害摩擦，防止断裂现象的发生。7.5.1塑性加工中的常见裂纹2．内部裂纹

当挤压比（挤压变形程度）较小，或拉拔时L/d0较小时，由于产生表面变形而深入不到棒材的心部，结果导致中心层产生附加拉应力，此拉应力与纵向基本应力相叠加，若轴心层的工作拉应力大于材料的断裂应力时，便会出现如图7-55所示的内部裂纹。7.5.1塑性加工中的常见裂纹7.5.1塑性加工中的常见裂纹图7-557.5塑性加工过程的断裂与可加工性

7.5.1塑性加工中的常见裂纹7.5.2金属断裂的物理本质

7.5.3塑性-脆性转变7.5.4金属的可加工性7.5.2金属断裂的物理本质一、断裂的基本类型根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类。通常以单向拉伸时的断面收缩率大于5%者为韧性断裂，而小于5%者为脆性断裂。此外，按断裂面相对作用力方向的取向关系，分正断与剪断两种形式，垂直于最大正应力的断裂称正断，沿最大切应力方向发生的断裂为剪断。通常正断沿解理面断裂；剪断沿滑移面断裂。1．脆性断裂

在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，直接由弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴接近正交，断口平齐，如图7-56a所示。脆性断裂在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。所谓解理面，一般都是晶面指数比较低的晶面，如体心立方的（100）面。在多晶体试样中则可能出现两种情况：一是裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口可以看到解理亮面；二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状，如图7-57所示。7.5.2金属断裂的物理本质7.5.2金属断裂的物理本质图7-567.5.2金属断裂的物理本质图7-577.5.2金属断裂的物理本质纯钨沿晶断口的微观形态7.5.2金属断裂的物理本质电子束熔炼钨的解理断裂7.5.2金属断裂的物理本质电子束熔炼钨解理面上的河流花样解理阶2．韧性断裂

在断裂前金属经受了较大的塑性变形，其断口呈纤维状，灰暗无光。韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界处有夹杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断裂。韧性断裂也有不同的表现形式：一种是切变断裂，例如密排六方金属单晶体沿基面作大量滑移后就会发生这种形式的断裂，其断裂面就是滑移面；另一种是试样在塑性变形后出现缩颈，一些塑性非常好的材料如金、铅和铝，可以拉缩成一个点才断开；对于一般的韧性金属，断裂则由试样中心开始，最后形成杯锥状断口。7.5.2金属断裂的物理本质韧性断裂有如下几个特点：1.韧性断裂前已发生了较大的塑性变形，断裂时要消耗相当多的能量，所以韧性断裂是一种高能量的吸收过程；2.在小裂纹不断扩大和聚合过程中，又有新裂纹不断产生，所以韧性断裂通常表现为多断裂源；3.韧性断裂的裂纹扩展的临界应力大于裂纹形核的临界应力，所以韧性断裂是个缓慢的撕裂过程；4.随着变形的不断进行裂纹不断生成、扩展和集聚，变形一旦停止，裂纹的扩展也将随着停止。7.5.2金属断裂的物理本质7.5.2金属断裂的物理本质电子束熔炼钼在1100℃拉伸断口的微观形态，断口呈韧窝结构。韧窝内有第二相，内壁有波纹状滑移痕迹，表明韧窝是先在第二相与集体界面成核，然后通过塑性变形长大。7.5.2金属断裂的物理本质经高温时效后QAl10-4-4铝青铜的断口形貌二、断裂过程与物理本质

金属的塑性变形过程和断裂过程是同时发生的，而断裂过程通常又可以分为裂纹生核和裂纹扩展两个阶段。从力学角度看，金属多晶体在外力的作用下发生塑性变形的初始阶段并不是在所有晶粒内同时发生，而首先在位向有利的晶粒（即外力对其滑移系统具有最大切应力的晶粒）中以滑移或孪晶方式发生塑性变形。从位错理论的观点来看：金属的塑性变形实质上是位错在滑移面上运动和不断增殖的过程。7.5.2金属断裂的物理本质金属断裂的基本过程一、微裂纹的萌生机理金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要来自两个方面：一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷；二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞积等原因而使裂纹形核。随着变形的发展导致裂纹不断长大，当裂纹长大到一定尺寸后，便失稳扩展，直至最终断裂。7.5.2金属断裂的物理本质裂纹形核理论1．位错塞积理论2．位错反应理论3．位错墙侧移理论4．位错消毁理论7.5.2金属断裂的物理本质1．位错塞积理论

位错在运动过程中，遇到了障碍（如晶界、相界面等）而被塞积，在位错塞积群前端就会引起应力集中（图7-58），若外加切应力为，塞积位错个数为n，此处应力集中为，则。这就说明此处的应力集中比外加切应力大n倍，塞积位错越多，应力集中程度越大。当此应力大于界面结合力或脆性第二相或夹杂物本身的结合力时，就会在界面或脆性相中形成裂纹核。7.5.2金属断裂的物理本质图7-582．位错反应理论

图7-59表示在相交的滑移面上，由于位错反应发生了同号位错的聚合，便形成了微裂纹。在体心立方中，两位错相遇反应的结果，可在解理面上形成不易滑移的[001]刃型位错，刃型位错的合并即是体心立方的解理面（001）面上形成解理裂纹。7.5.2金属断裂的物理本质图7-593．位错墙侧移理论

由于刃型位错的垂直排列构成了位错墙，同时引起滑移面的弯折而使裂口形核（图7-60），裂口面将是和滑移面重合。密排六方金属沿滑移面断裂的原因正是这一理论。7.5.2金属断裂的物理本质图7-604．位错消毁理论

在外力作用下位错发生相对运动，若两个相距为h<10个原子间距的平行滑移面上，存在有异号刃型位错，当它们相互接近后，就会彼此合并而消毁，便在中心处形成孔隙，随着滑移的进行，孔隙逐渐扩大，形成长条形空洞（图7-61）。7.5.2金属断裂的物理本质图7-61二、裂纹的扩展

金属材料在塑性变形过程中形成微裂纹（或空洞），并不意味着材料即将断裂，从微裂纹形成到导致金属的最终断裂是一个扩展过程，这个过程与材料的性质、应力状态等外部条件密切相关。7.5.2金属断裂的物理本质7.5塑性加工过程的断裂与可加工性

7.5.1塑性加工中的常见裂纹7.5.2金属断裂的物理本质7.5.3塑性-脆性转变7.5.4金属的可加工性7.5.3塑性-脆性转变

塑性与脆性并非金属固定不变的特性，像金属钨，虽在室温下呈现脆性，但在较高的温度下却具有塑性。在拉伸时为脆性的金属，在高静水压力下却呈现塑性。在室温下拉伸为塑性的金属，在出现缺口、低温、高变形速度时却可能变得很脆。所以，金属是韧性断裂还是脆性断裂，取决于各种内在因素和外在条件。

一般的金属与合金（面心立方者除外）有塑性-脆性转变的现象。如果改变试验温度，就可以发现存在有一个转变温度Tc，在Tc以上，断裂是韧性的，在Tc以下，断裂就是脆性的。图7-62a表示了不同金属断面收缩率随温度变化的情况，在转变温度处断面收缩率突然下降。如果温度保持不变，而将其他参数改变，例如改变晶粒度、屈服强度、变形速度、应力状态（用不同深度的缺口来影响应力状态，缺口越深、转变温度越高、造成所谓缺口脆性）等，如图7-62b所示，同样也可以出现塑性-脆性转变现象。7.5.3塑性-脆性转变7.5.3塑性-脆性转变图7-62

金属的可加工性是不同加工方法进行塑性加工时，工件出现第一条可见裂纹前所达到的最大变形量，如可锻性、可轧性、可挤压性、可拉拔性等。它是制定各种塑性加工工艺规程和保证产品质量的一个重要参数。7.5.4金属的可加工性思考1．比较一下镦粗，轧制、挤压和拉伸时，金属在变形区内的应力和变形规律。2．影响金属塑性流动与变形的主要因素有哪些？3．简述研究变形分布的基本方法及原理。4．变形不均匀产生的原因和后果是什么？5．减少不均匀变形的主要措施有哪些？6．简述塑性加工工件残余应力的来源及减少或消除措施。7．简述研究残余应力的方法及原理。8．锻造、轧制、挤压和拉拔加工中断裂的主要形式有哪些？产生原因如何？9．简述金属裂纹形成与长大的机理。7.1塑性流动规律（最小阻力定律）7.2影响金属塑性流动和变形的因素7.3不均匀变形、附加应力和残余应力7.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点7.5塑性加工过程的断裂与可加工性7.6“三度五图”及应用

7金属塑性加工原理三度：变形温度、变形速度、变形程度，三度构成了金属塑性加工时的热力学条件。五图：相图、两类再结晶全图、变形力学图、变形抗力图、塑性图。7.6“三度五图”及其应用

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。7.6“三度五图”及其应用7.6.1金属塑性加工过程中的热力学条件（变形温度、变形速度、变形程度）

在塑性变形过程中，变形温度对金属的塑性与变形抗力有重要影响。一般而言，其总体的趋势是：随着温度升高，塑性增加，变形抗力降低。但在某些特定的条件下，温度的升高也将可使塑性降低和变形抗力增加。由于金属和合金的种类繁多，温度变化引起的物理-化学状态变化各不相同，须综合各种因素来确定。7.6“三度五图”及其应用图7-76温度对塑性影响的典型曲线变形温度对塑性的影响

金属的塑性可能因为温度的升高而得到改善。但是塑性并不是随着温度的升高而直线上升的，因为相态和晶粒边界随温度的波动而产生的变化也对塑性有显著的影响。在一般情况下，温度由绝对零度上升到熔点时，可能出现三个脆性区：低温脆性区、中温脆性区和高温脆性区。中温脆性区高温脆性区低温脆性区7.6“三度五图”及其应用

低温脆性区主要指具有六方晶格的金属在低温时易产生脆性断裂的现象。如镁合金冷加工性能就不好。镁是六方晶格，在低温时只有一个滑移面。低温脆性区的出现是由于沿晶粒边界的某些组织组成物随温度的降低而脆化了。7.6“三度五图”及其应用

中温脆性区的出现是由于在一定温度-速度条件下，塑性变形可使脆性相从过饱和固溶体中沉淀出来，引起脆化；晶间物质中个别的低熔点组成物因软化而强度显著降低，削弱了晶粒之间的联系，导致热脆；在一定温度与应力状态下，产生固溶体的分解，此时可能出现新的脆性相。7.6“三度五图”及其应用

高温脆性区则可能是由于在高温下周围气氛和介质的影响结果引起脆化、过热或过烧，如镍在含硫的气氛中加热、铁的吸氢。晶粒长大过快，或因晶间物质熔化等，也显著降低塑性。7.6“三度五图”及其应用

上述三个典型的脆性区，是指一般而言，对于具体的金属与合金，可能只有一个或两个脆性区，但是碳钢的脆性区有四个，塑性较好的区域有三个，如下图所示。碳钢的塑性温度变化圈7.6“三度五图”及其应用7.6“三度五图”及其应用挤压温度的确定

铜及铜合金在挤压温度下应具备低的变形抗力和良好的塑性。合理的挤压温度范围，应该根据金属与合金的塑性图、再结晶图、相图为依据，并考虑实际生产情况确定。7.6“三度五图”及其应用1）加热温度一般是合金熔点绝对温度的0.75-0.9倍，可以根据金属与合金的熔点和该成分合金在相图上固相点温度，确定挤压温度范围的上限。

挤压温度范围的下限，应该考虑高温的良好塑性，还应该使金属与合金的变形抗力不太高。一般挤压湿度的下限要比金属的再结晶温度高100℃以上，使挤压终了温度在金属的再结晶温度以上。参考塑性图和变形抗力图参考相图7.6“三度五图”及其应用2）在高温时存在相变的合金，最好选择在单相区进行热挤压，以免因为形成新的组织而使合金出现热脆性，给挤压操作带来困难；

3）挤压金属应尽量考虑在高温塑性区范围内的温度条件下进行热挤压，以免产生制品的横向裂纹；

4）考虑挤压变形的热效应，尽量采用温度下限挤压；

5）考虑金属与合金的工艺性能和力学性能。在不同的温度下进行挤压，可以获得不同挤压制品的力学性能，在选择挤压温度时，应考虑挤压制品的力学性能符合标准要求。7.6“三度五图”及其应用变形速度

这个变形速度要和金属的流动速度及工具的运动速度区分开来。金属流动速度=工具运动速度×λ

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。变形程度对时间的变形率单位时间内的变形率一般用最大主变形方向的变形速度来表示各种过程的变形速度。工具瞬时移动速度工件瞬时厚度7.6“三度五图”及其应用与工具运动速度方向是不同的，不能混淆V拉-拉伸机运动速度V轧-轧辊运动速度（圆周速度）V挤－挤压杆运动速度7.6“三度五图”及其应用塑性变形速度，1/秒ⅠⅡ

变形速度对塑性和变形抗力的影响比较复杂。当变形速度不大时，随变形速度的提高塑性是降低的；而当变形速度较大时，塑性随变形速度的提高反而变好。变形速度对变形抗力的作用正好与此相反。7.6“三度五图”及其应用

变形程度对塑性的影响，是同加工硬化及加工过程中伴随着塑性变形的发展而产生的裂纹倾向联系在一起的。在热变形过程中，变形程度与变形温度-速度条件是相互联系着的，当加工硬化与裂纹胚芽的修复速度大于发生速度时，可以说变形程度对塑性影响不大。对于冷变形而言，由于没有上述的修复过程，一般都是随着变形程度的增加而降低塑性。

变形程度7.6“三度五图”及其应用绝对变形量:△h,△B,△l工件尺寸净改变量相对变形用全量应变求应变未考虑加载路径加载历史不确切，对计算力、能没意义现场常用对数变形量各微小变形阶段相对变形量之和（真实变形）误差大，把比较的基准尺寸看出固定不变三种变形程度表示方法7.6“三度五图”及其应用惯用法：断面收缩率（拉伸），锻造延伸系数延伸率拉伸挤压比，挤压系数λ>8一般20-40

宽展系数压下率（相对压下量）轧制，锻造7.6“三度五图”及其应用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：综合上述三式可写成式中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。三个热力学条件之间的相互关系7.6“三度五图”及其应用7.6.2热力学条件与金属塑性变形过程能量状态变化的关系7.6“三度五图”及其应用1）金属塑性变形过程中内部能量的变化宏观塑性变形后发热外力所做的功克服工件与工具之间的接触摩擦引起弹塑性变形所需的塑性变形功为平衡外力而释放的位能弹性变形消耗的能量3-4%变形潜能（由不均匀变形而产生的自相平衡的附加势能）10-15%塑性变形消耗（发热）80-85%7.6“三度五图”及其应用2）热效应和温度效应热效应——塑性变形过程中发热的现象温度效应——塑性变形过程中因发热而引起的温度变化塑性变形中发热是不可避免的，随变形条件不同：散失——等温过程保留——绝热过程极端情况实际上：大部分散失，小部分保留，使温度升高（由变形热和摩擦热两部分造成，后者将造成不利影响）。Eg：利用热效应——冷轧钢及有色金属带材，通过提高变形速率，使产生热效应，提高塑性，降低抗力，使轧制过程变得容易。7.6“三度五图”及其应用特别注意：加工中要特别重视由热效应引起的温度效应。轧、挤——水冷热变形温度——即塑性最好温度锭加热温度+热效应温度过热而进入脆性区，导致无法加工温度升高使晶界熔化，脆性相析出，低熔点共晶体熔化。7.6“三度五图”及其应用7.6.3热力学条件对金属能量变化的影响金属的能量不仅随成分、组织结构而变化，而且随变形条件的变化而发生较大的变化。变形温度的影响：硬化与软化的作用变形潜能：加工类型：冷、温、热T回复再结晶降低残余应力，使合金软化，降低变形潜能7.6“三度五图”及其应用变形程度的影响：变形程度增加——加工硬化程度增加，使变形潜能增加变形程度增加——再结晶温度降低，有利于软化，也使潜能降低变形程度增加——热效应越明显，产生温度效应，导致软化，降低潜能变形速率的影响：兼具有变形温度和变形程度两者的作用，塑性变形中有硬化和软化的交互作用，因此其影响效果较复杂。7.6“三度五图”及其应用综上，热力学条件在塑性加工中有重要意义，既关系到产品的质量，也关系到变形过程能否实现，及实现的难易程度。因此，“三度”是制定工艺规程的基础，也是制定工艺的重要参数。五图：相图、两类再结晶全图、变形力学图、变形抗力图、塑性图。通过查资料获取五图，根据五图制定工艺（确定“三度”），进而进行相关的设计、生产及研发工作。概念：合金相图是用图的形式表明一个合金系的成分、温度和相态之间的关系。7.6“三度五图”及其应用相图1）提供合金系任一组成的合金在各温度下所存在的相态、相成分和各个相的含量，温度变化时发生的相转变，转变温度等信息。由于合金组成相的本质及其质量分数与合金的力学性能及物理性能密切相关，所以由相图可辨析合金成分与这些性能的关系。应用：（2）为制订合金的熔铸、热加工和热处理工艺，研究某合金元素的作用和存在状态，研究合金的性能与组织的关系提供理论依据。7.6“三度五图”及其应用7.6“三度五图”及其应用强度、硬度电导率温度B%根据相图判断合金的性能相图与合金硬度、强度与导电性之间的关系7.6“三度五图”及其应用相图与合金铸造性能之间的关系流动性缩孔性质7.6“三度五图”及其应用图7-64

变形体内一点的主应力图与主应变图结合构成变形力学图。它形象地反映了该点主应力、主应变有无和方向。主应力图有9种可能，塑性变形主应变有3种可能，二者组合，则有27种可能的变形力学图。但单拉、单压应力状态只可能分别对应一种变形图，所以实际变形力学图应该只有23种组合方式。

变形力学图7.6“三度五图”及其应用7.6“三度五图”及其应用图7-65

再结晶全图

第一类再结晶全图是描述晶粒大小与变形程度和退火温度之间的关系图像（主要针对冷变形）；第二类再结晶全图是描述晶粒大小与与变形温度（主要是加工终了温度）和变形程度之间的关系的图像（主要针对热变形）。

根据再结晶全图即可确定为了获得均匀的组织与一定的晶粒尺寸晶粒时，所需要施加的变形程度、保持的加工终了温度或退火温度，是制定金属冷热变形和退火工艺规程的重要参考依据。7.6“三度五图”及其应用变形程度/%纯铝的第一类再结晶全图7.6“三度五图”及其应用7.6“三度五图”及其应用图7-66图7-67图7-66图7-67

变形抗力图

变形抗力是指材料在一定温度、速度和变形程度下，保持原有状态而抵抗塑性变形的能力。通常由该材料在不同“三度”条件下，单向压缩或拉伸时的屈服应力的大小来度量。7.6“三度五图”及其应用

在实际条件下，金属塑性加工过程多数是在两向或三向应力状态下进行，这时其实际变形抗力式为：

P=σt+q式中P——实际变形抗力（工作应力）

σt——变形条件下材料的真实应力（流变应力）

q——由影响变形力学图的外部因素（工具与变形体表面状态及形状）所引起的抗力值7.6“三度五图”及其应用变形抗力图是描述变形抗力与变形程度之间的关系图像。1）塑性的基本概念什么是塑性？塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性与柔软性的区别是什么？塑性反映材料产生永久变形的能力。柔软性反映材料抵抗变形的能力。

塑性图7.6“三度五图”及其应用塑性与柔软性的对立统一不锈钢------塑性好，但变形抗力高白口铸铁----塑性差，变形抗力高铅----------塑性好，变形抗力小

结论：塑性与柔软性不是同一概念7.6“三度五图”及其应用

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7.6“三度五图”及其应用概念：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：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2）塑性指标7.6“三度五图”及其应用3）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7.6“三度五图”及其应用拉伸试验法式中：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7.6“三度五图”及其应用压缩试验法

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：

——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

简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定：7.6“三度五图”及其应用扭转试验法

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。

7.6“三度五图”及其应用轧制模拟试验法

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。7.6“三度五图”及其应用4）影响塑性的因素化学成分组织结构变形温度变形速度变形程度应力状态7.6“三度五图”及其应用5）塑性（状态）图及应用概念：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。应用：合理选择加工方法制定冷热变形工艺7.6“三度五图”及其应用7.6“三度五图”及其应用图7-687.6“三度五图”及其应用图7-69紫图7-707.6“三度五图”及其应用图7-71图7-727.6“三度五图”及其应用图7-73图7-74以下以H80黄铜为例，说明塑性图的应用。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；根据相图和再结晶全图初步确定热变形范围；根据塑性图和变形抗力图进一步确定热变形温度范围。确定H80黄铜加工工艺规程的原则和方法7.6“三度五图”及其应用

根据产品的性能要求确定成分根据产品的力学性能要求确定H80主要成分为：Zn：19～21%，余量为Cu。7.6“三度五图”及其应用图7-75根据成分及相图获知合金的相组成

左图虚线所示的为所设计的合金在相图中的相的变化，由图可见：T＞1000℃，为液相；T＜970℃，为单相组织；970℃＜T＜1000℃，为液相和相。7.6“三度五图”及其应用根据相图及再结晶全图初步确定热加工温度范围：（1）温度的上限，大致取该合金熔点绝对温度（Tm）的0.95倍，即应比液相线低50℃左右。（2）温度的下限，是要求保证在变形的过程中再结晶能充分迅速地进行，并且整个变形过程是在单相系统内完成。7.6“三度五图”及其应用根据塑性图进一步确定热变形温度范围。H80的塑性图7.6“三度五图”及其应用由于铸态铜合金组织偏离平衡态，因此其性能有如下特征：1）若枝晶偏析使组织中出现非平衡脆性相，则合金塑性降低明显，特别是枝晶网胞间生成连续的粗大脆性化合物网状壳层时，合金塑性将急剧下降。补充内容——铸态铜合金的性能特征2）枝晶芯部与网胞间化学成分不同，可形成浓差微电池，降低材料的电化学腐蚀抗力。当出现非平衡第二相时一般亦降低杭蚀性。3）铸锭加工变形时，具有不同化学成分的各显微区域拉长并形成带状组织，导致材料各向异性以及增加晶间断裂的倾向(如层状断口)。4）固相线温度下移，使工艺过程的一些参数难以掌握，如热变形前的加热温度不能超过因非平衡凝固固相线下移导致的最低固相点温度，以免造成过烧现象。补充内容——铸态铜合金的性能特征

对于加工材而言，铸锭塑性是至关重要的。为了保证铸锭来回良好的变形塑性，除防止铸锭中的一些缺陷外，显然不希望铸锭组织处于非平衡凝固状态。解决办法均匀化退火，又叫扩散退火消除枝晶偏析，使非平衡相溶解，消除脆性相的不利影响，提高塑性

金属冷变形所消耗的变形功除大部分以热的形式放散外，小部分（约占变形功的2%~10%)以储能的形式留在金属内部。储能的结构形成是晶格畸变和各种晶体缺陷。如点缺陷、位错、亚晶界、层错等。冷变形后金属加热伴随着冷变形储能的释放，发生回复与再结晶过程。补充内容——冷变形金属的回复与再结晶补充内容——冷变形金属的回复

回复是冷变形金属在低于再结晶温度加热时发生的现象。

由下图知，在回复阶段，冷变形所产生的硬化可相当完全的保留(曲线1）、部分保留(曲线2)以及几乎完全消失(曲线3)。

若回复时只发生点缺陷运动而位错密度变化不大，则加工硬化将基本保留;

若回复时发生了亚晶形成及粗化这一类过程，由于位错密度大为降低，故加工硬化可很大程度上消除。强度性能与加热时间的关系

铜合金属于低堆垛层错能金属，故回