课件塑性加工原理绪论王2011简

材料塑性成形原理

PrincipleofPlasticDeformation

inMaterialProcessing王桂兰

TEL:87557394

绪论

金属塑性加工的用途、目的与定义塑性加工的方式及其分类、特点几个基本概念（弹性、塑性变形的力学特征）塑性加工技术与理论基础的关系塑性加工技术的发展趋势本课程主要内容及与其它课程的关系教学计划与参考书塑性加工的用途产品轻量高强化，高附加值用于结构件与外饰件，系国民经济支柱产业塑性加工的用途金属塑性加工的方式金属塑性加工的方式金属压力加工金属压力加工金属压力加工金属压力加工汽车制造汽车制造波音777组装塑性加工的定义

材料在外力作用下，利用其塑性而产生塑性变形，成为满足一定形状和组织性能要求的产品的加工方法称为塑性成形，也称压力加工。金属塑性成形的分类

塑性成形的种类有很多,分类方法可按以下四方面进行分类：（1）按工件的受力与变形方式（2）

按工件的加工温度热成形——在充分进行再结晶的温度以上所完成的加工．如热轧、热锻、热挤压等；冷成形——在不产生回复和再结晶的温度以下进行的加工，如冷轧、冷冲压、冷挤压、冷锻等：温成形——在介于冷、热成形之间的温度下进行的加工，如温锻、温挤压等。（3）能量场种类：激光无模成型、爆炸成型、液压/吹塑胀形（4）材料热力学状态：连铸连轧、半固态成型、喷射成型。。。体积成形

①锻造通过金属体积的转移和分配来进行塑性成形

自由锻：锻件精度低，生产率不高，适于单件、小批量生产或大型锻件生产金属塑性加工的方式模锻（开式模锻、闭式模锻)：锻件外形和尺寸精度高，生产率高，适于大批量生产开式模锻闭式模锻金属塑性加工的方式体积成形

②轧制：使金属锭料或坯料通过两个旋转轧辊间的直线或异型的特定空间来获得一定截面形状的材料，使大截面材料变成了小截面材料，可生产型材、板材等。绪论金属塑性加工的方式体积成形

③拉拔：将中等截面坯料拉过有一定形状的模孔来获得小截面材料，可生产棒材、管材和线材。金属塑性加工的方式体积成形

④挤压：将在筒体中的大截面坯料或锭料一端加压，使金属从模孔中挤出，从而获得符合模孔截面形状的小截面材料。在挤压成形过程中，材料受到较大的三向压应力作用，适于生产低塑性材料的型材和管材。金属塑性加工的方式板料成形分离工序(落料、冲孔）成形工序（弯曲、拉深）冲裁拉深金属塑性加工的方式金属塑性成形的特点(1)可改善金属的组织与性能;(2)几乎无切屑,材料利用率高;(3)尺寸精度高,不少成形方法已达到少或无切削的要求;(4)生产效率高，适于大批量生产。弹性(elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性塑性(plasticity)：在外力作用下使材料发生稳定、持久变形而不破坏其完整性的能力，不可逆性基本概念可逆性：弹性变形—可逆；塑性变形—不可逆

-

关系：弹性变形—线性；塑性变形—非线性与加载路径的关系：弹性—无关；塑性—有关对组织和性能的影响：弹性变形—无影响；塑性变形—影响大（加工硬化、晶粒细化、位错密度增加、形成织构等）变形机理：弹性变形—原子间距的变化；塑性变形—位错运动为主弹塑性共存：整体变形中包含弹性变形和塑性变形；塑性变形的发生必先经历弹性变形；在材料加工过程中，工件的塑性变形与工模具的弹性变形共存。

弹性、塑性变形的力学特征

主应力法滑移线法上限法有限元法金属塑性成形问题的求解方法

主应力法（初等解析法）从塑性变形体的应力边界条件出发，建立简化的平衡方程和屈服条件，并联立求解，得出边界上的正应力和变形的力能参数，不考虑变形体内的应变状态。金属塑性成形问题的求解方法

滑移线法假设材料为刚塑性体，在平面变形状态下，塑性变形区内任一点存在两族正交的滑移线族，结合边界条件可解出滑移线场和速度场，从而求出塑性变形区内的应力状态和瞬时流动状态，计算出力能参数。金属塑性成形问题的求解方法

上限法

从变形体的速度边界条件出发，对塑性变形区取较大的单元，根据极值原理，求出塑性变形能为极小值时满足变形连续条件和体积不变条件时的动可容速度场，计算出力能参数，不考虑塑性变形区的应力状态是否满足平衡方程。金属塑性成形问题的求解方法

有限元法将连续体离散为有限个单元的组合体，单元之间用节点连接，在每个单元内假设近似函数即插值函数来分片表示系统的求解场函数，插值函数由节点值确定，单元之间的作用由节点传递，建立物理方程，对全部单元的组合体进行数值计算，可求出变形体内的应变、应力等场变量以及力能参数。金属塑性成形问题的求解方法材料成形问题的复杂性非线性□几何非线性□物理非线性□状态非线性多物理场耦合□变形□热传导模具和工艺的复杂性□复杂几何形状□多工序材料组织性能变化□相变、再结晶□织构□损伤汽车覆盖件冲压成形过程模拟板料液压成形过程模拟弯管成形过程模拟五金级进模零件成形过程模拟金属锻造成形过程模拟金属拉拔成形过程模拟……..材料成形计算机模拟应用与其它学科的区别

与其它材料力学、结构力学的区别：弹塑性力学的研究对象是整体（而不是分离体）变形体内部的应力、应变分布规律（而不是危险端面）。

与金属学的区别：将宏观变形力学条件/行为与微观组织性能联系起来塑性成形技术需解决的基本问题设备参数选择——力能形状尺寸精度控制——运动与变形学成形性、组织性能控制——物理化学

为学习后续的工艺课程作理论准备，也为合理制订塑性成形工艺规范及选择设备、设计模具奠定理论基础。

塑性加工发展趋势极大、极小优质——近无缺陷、终极性能；绿色——短流程、省能化；精密——近无余量成形；智能化——设计和制造信息数字化本领域的主要研究课题

1)如何提高产品外形尺寸精度；2)降低力、能消耗以及掌握力能参数计算方法；3)如何改善产品的组织性能和表面质量；4）如何建立工艺参数数学模型，以适应汁算机控制，使工艺过程最佳化：5)如何改善难变形钢与合金的塑性；6)如何采用新工艺和新技术，以扩大钢材品种和加工成形效率。本课程的基本任务

1)阐明金属塑性变形的物理基础，即从微观上研究塑性变形的机理以及变形条件对塑性和变形抗力的影响，以便使工件在成形时获得最佳的塑性状态、最高的变形效率和优质的性能。2)阐明金属塑性变形的力学基础，即掌握金属塑性变形体内的应力场、应变场、应力一应变之间关系、塑性变形时的力学条件等塑性理论基础知识。在此基础上，分析研究塑性成形力学问题的各种解法及其在具体工艺中的应用．从而科学地确定变形体内的应力、应变分布规律及所需的变形力和变形功，为选择成形设备吨位和设计模具提供依据，并为降低变形力指明方向。3)阐述金属塑性成形时的流动规律和变形特点，以便确定合理的坯料尺寸和成形工艺，使工件顺利成形。本课程的基本要求1．熟悉和掌握塑性加工过程中金属变形的微观与宏观的基本规律，以及各种基本变形力学方程，能推导典型塑性加工问题的应力与应变计算公式。2．掌握金属在塑性加工过程中组织性能的变化及金属的塑性、变形抗力、断裂等与加工条件的关系。能按照要求或给定公式进行变形程度、应变速度、工件尺寸与变形力能参数等计算。3．根据所学知识，从金属的应力应变状态、材料流动、产品质量、能耗等方面，分析工艺与模具设计的合理性。

第一章绪论第二章金属塑性变形的物理本质第三章金属塑性变形的力学基础第四章金属塑性成形中的摩擦第五章塑性加工中的流动与变形规律第六章主应力法及其应用主要参考资料【1】李尧：金属塑性成形原理【2】陈森灿：金属塑性加工原理

【3】彭大署：金属塑性成形原理【4】俞汉清，陈金德：金属塑性成形原理【5】赵志业等：金属塑性加工原理及轧制理论第二章金属塑性变形的物理本质金属塑性加工原理

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inMetalsProcessing§2.1金属塑性变形的主要机制§2.2塑性加工中金属的组织与性能§2.3金属的塑性§2.4金属的超塑性§2.5塑性变形的温度——速度效应§2.6金属的变形抗力第二章金属塑性变形的物理本质§2.1金属塑性变形的主要机制2.1.1晶内塑性变形机构2.1.2晶间塑性变形机构2.1.3多晶体变形的特点2.1.4合金的塑性变形2.1.5变形机构图

2.1.1

晶内的塑性变形机构滑移面与滑移方向孪生

滑移与宏观塑性变形的关系

取向因子、硬取向、软取向2.1.2晶间的塑性变形机构

1．晶粒的转动与移动

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及曲率的变化，伴随有最大的溶解度改变。

(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，在应力场和热激活的作用下，多晶体中的原子非同步、连续地发生定向迁移的过程。

2.1.3多晶体变形的特点1．晶粒内变形的不同时性与晶粒间变形的相互协调性

（a）变形前（b）变形后

图2-5多晶体塑性变形的不均匀性

2．晶界的作用及晶粒大小的影响

多晶体塑性变形的竹节现象

晶界的作用在2mm内的延伸率，%晶粒5晶粒4晶粒3晶粒2晶粒1位置，mm

图5-6多晶铝的几个晶粒各处的应变量。垂直虚线是晶界，线上的数字为总变形量晶粒大小的影响常温下，晶粒越细小，塑性变形抗力越大；变形分布越均匀，塑性就越好。2.1.4合金的塑性变形

1．单相固溶体合金的变形

“柯氏气团”与吕德斯带

2．多相合金的变形

聚合型，其强度和塑性取决于硬脆相的形态与相对分布

沉淀强化/弥散强化型，位错的钉扎作用2.1.5

变形机构图

理论剪切应力-位错蠕变扩散蠕变Nabarro蠕变理论剪切应力位错蠕变扩散流变温度，℃温度，℃-位错滑移蠕变位错滑移（Nabarro蠕变）弹性区

变形机制图（a）纯银和（b）锗给出不同变形机制起控制作用的应力-温度区间，两种材料的晶粒尺寸皆为32μm以10-8/s的应变速率来确定弹性边界拉伸应力拉伸应力位错蠕变位错蠕变§2.2塑性加工中金属的

组织与性能2.2.1冷变形2.2.2热变形2.2.3塑性变形对固态相变的影响

2.2.1冷变形1．冷变形的概念2．冷变形时金属显微组织变化3．冷变形时金属性能变化

2.2.2热变形1)热变形的概念

动态回复，动态再结晶，静态回复，静态再结晶亚动态再结晶2)热变形过程中的回复与再结晶3)热变形对金属组织性能的影响

1）改善晶粒组织2）锻合内部缺陷

3）破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布4）形成纤维组织5）改善偏析3．热变形对金属组织性能的影响

动态再结晶图及其应用§2.3金属的塑性2.3.1塑性的基本概念2.3.2塑性指标及其测量方法2.3.3影响塑性的因素2.3.1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保证产品质量2.3.2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

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。

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。

§2.3.3影响金属塑性的因素

1)影响塑性的内部因素2)影响金属塑性的外部因素3)提高金属塑性的主要途径4)塑性状态图及其应用

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

影响金属塑性的外部因素

1)变形温度塑性指标温度，°K

图5-14温度对塑性影响的典型曲线温度，℃图5-15碳钢的塑性随温度变化图塑性纯铝无氧铜图5-16几种铝合金及铜合金的塑性图

2)变形速度

塑性变形速度，1/秒ⅠⅡ图5-18变形速度对塑性的影响表5-1铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度合金号挤压系数挤压速度（毫米/秒）金属温度℃L411150158~195LD211~16150294~315LY1111~16150340~350LY1131653083)变形程度

4)应力状态

σ1-σ2大气压σ1-σ2大气压

图5-20脆性材料的各向压缩曲线（a）大理石；（b）红砂石；—轴向压力；—侧向压力5)变形状态

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

6．尺寸因素力学性能12体积图5-25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

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。

塑性状态图及其应用概念：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确定MB5合金加工工艺规程

的原则和方法

MB5属变形镁合金，主要成分为：

Al5.5~7.0%Mn0.15~0.5%Zn0.5~1.5%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热变形温度范围根据相图确定合金的相组成温度℃

图5-2Mg-Al二元系状态图从二元相图上获取的信息

T＞530℃，合金为液相

T＜270℃，合金为＋两相组织270℃＜T＜530℃，合金为单一的

相铝含量对镁合金力学性能的影响δ%σb，公斤/毫米2HB公斤/毫米2图5-3镁合金中铝含量对合金机械性能的影响

根据塑性图确定热变形温度范围试验温度，℃MB5合金的塑性图αk

—冲击韧性；εM

—慢力作用下的最大压缩率；α0

—弯曲角度εC

—冲击力作用下的最大压缩率；φ

—断面收缩率。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εc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αK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。2.5超塑性2.5.1超塑性成形的基本特点

1）拉伸试验延伸率可达百分之几百，甚至百分之几千。2）拉伸试验时，试样均匀变形，在宏观上不出现缩颈现象。3）拉伸试验时，流动应力很低。4）成形过程中基本上没有加工硬化现象，所以超塑性合金的流动性和填充性好，容易成形。2.5.2超塑性的分类1．恒温超塑性或第一类超塑性。根据材料的组织形态特点也称之为细晶超塑性。2．相变超塑性或第二类超塑性，又称为动态超塑性或变态超塑性3．其它超塑性或第三类超塑性。微细晶粒超塑性具有三个条件：①材料具有等轴稳定的细晶组织(通常要求晶粒尺寸在0.5-5

m之间)。—般而言．晶粒越细，越有利于出现超塑性。②成形温度T

0.5Tm(Tm为材料熔点的热力学温度)且大多低于普通热锻温度，并要求温度恒定。③应变速率在10-4-10-2s-1的区间内。

1）微细晶粒超塑性(恒温超塑性或

第—类超塑性)

这类超塑性并不要求材料具有超细晶粒，而是在一定的温度和负荷条件下，经过多次循环相变或同素异构转变获得的。相变超塑性的第一个必要条件是材料具备固态结构转变能力，如某些金属和合金；第二个必要条件是应力作用和在相变温度区内循环加热和冷却，诱发反复的结构变化而产生超塑性。

2）相变超塑性(变态超塑性、转变超塑性或第二类超塑性)

非超塑性材料在一定条件下，会出现短时间的细而稳定的等轴晶粒组织，并能显示出超塑性。在消除应力退火过程中，在应力作用下可以得到超塑性。球墨铸铁和灰铸铁经特殊处理也可以得到超塑性。

3）其他超塑性(短暂超塑性或

第三类超塑性)

2.4.3细晶超塑性细晶超塑性有许多重要特征，归纳起来有以下几个方面：1．变形力学特征2．金属组织特征

金属试样超塑性拉伸试验时，在载荷达到最大值以后，随着应变量的增加。载荷缓慢下降。在拉伸过程中，金属的流动非常稳定，几乎看不到缩颈现象。流动应力与真实应变之间的关系与理想弹塑性体的相类似。流动应力与应变速率之间的关系具有牛顿粘性体的特征，即流动应力随应变速率的增加而上升。从力学特性上讲，超塑性最主要的特性就是材料流动应力对应变速率的敏感性。

微细晶粒超塑性的力学特性

描述这种特性最简单也最常用的是著名的贝可芬(Backofen)方程

式中，

为超塑性流动应力；为应变速率；m为流动应力的应变速率敏感性指数，称为m值；K为与材料成分、结构和试验温度等有关的常数。贝可芬(Backofen)方程

应变速率敏感性指数m值是表征超塑性的一个重要指标。其物理意义：在m值大的情况下，随着应变速率增大，流动应力迅速增大。因此，如果试样某处出现缩颈的趋势，此处的应变速率就增大，使此处继续变形所需的流动应力随之剧增，于是变形只能在其余部分继续进行。如果再出现缩颈趋势，同样由于缩颈部位应变速率增加而局部强化，使缩颈传播到其他部位，从而可获得巨大的宏观均匀变形。

m值反映金属和合金拉伸时抗缩颈的能力，因而是评定金属和合金是否能呈现超塑性的重要指标。对于普通金属和合金，m=0.02-0.2；对于超塑性材料，一般m=0.3-0.8，某些情况下接近1。

右图（a）为在对数坐标中Mg-A1共晶合金的流动应力与应变速率之间的关系曲线，呈S形。曲线可分为I区，II区和III区。在I区内，流动应力随应变速率变化很大，超塑性发生在此应变速率敏感区。将式两边取对数后求导可得m=d(1g

)/d(1g)，因此，m值是1g

-1g曲线上各点的斜率。图7(b)就是根据Mg-A1共晶合金的S曲线求得的m-1g关系曲线。从图可以看出，在区域II内m

0.3，所以这区域是超塑性变形区。

1.溶解—沉淀理论根据这种理论，超塑性主要发生在两相合金中。当合金中一相在另一相中的极限溶解度随温度变化时，由于在变形过程中可能产生局部温度波动，使一些相界上发生溶解过程，而在另一些相界上发生沉淀过程。这种特定的物质迁移扩散过程引起晶粒相互移动，在合适的高温下，变形速度小则产生超塑性。该理论对于大量晶间滑移、晶粒转动及单相合金的超塑性现象还无法解释。

2.5.4超塑性变形机理

帕烈斯涅哥夫等认为，“溶解—沉淀”理论并不能解释超塑性，因为有些合金中两相的极限溶解度并不随温度变化，而且在恒温变形过程中不可能有很大的局部温度波动。通过对Zn-A1等合金超塑性的研究，提出超塑性与合金的特殊组织状态--亚稳态组织有关。认为金属超塑性变形是组织从亚稳态转变到稳态的过程，把亚稳态相看作一种物质的新态，具有无定型的准液态粘性流动特性，变形时产生“准液态的扩散塑性”。这一理论可以解释共晶和共析合金的超塑性、冷加工后再结晶或有序到无序转变引起的超塑性。但不能解释晶间滑移、单相合金及一些无需淬火的材料超塑性。

2.亚稳态理论

N-H（Nabarro-Herring）型扩散蠕变理论认为，在拉应力作用下，空位的化学势能产生局部的变化，垂直拉伸轴的晶界处于高位能状态，平行拉伸轴的晶界处于低位能状态。因此，在拉伸应力作用下，必然会引起空位从高位能区向低位能区移动

3．扩散蠕变机制

空位的这种移动，引起原子向相反方向的移动，其结果是，使晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直拉伸轴方向缩短。在应力作用下，原子通过晶格按箭头方向扩散，晶粒发生变形。变形速率与应力的关系可由下式表示

（7.2）式中，a为晶粒形状常数(a=5-15)；V为原子体积；DL为晶格内扩散系数；k为波耳兹曼常数；T为温度；d为晶粒尺寸。

这种机理的特征是：1)流动应力和应变速率呈线性变化，即m等于1。2)应变速率与晶粒尺寸的平方成反比。3)变形过程的激活能是自扩散的。

4)变形中晶粒拉长。此理论可以解释一些材料的蠕变变形，但不能充分解释超塑性变形，如在蠕变变形中，m值可为1，并且晶粒沿外力方向拉长；而在超塑性变形中，m值一般不大于0.8，变形后晶粒仍保持等轴状。

Ashby和Verral模型由四个六方晶粒所组成(图7.3)。这组晶粒在垂直方向拉伸应力作用下，通过晶界三角点处原子的扩散和晶界的滑动，使这组晶粒由初始状态(图7.3(a))演变成中间状态(图7.3(b))。

4．扩散流动机制--Ashby-Verral模型

Ball和Hutchison提出以位错运动调节晶界滑移的超塑性流变模型(图7.4)。假定两群晶粒在沿晶界滑移过程中，遇到障碍晶粒，使滑移被迫停止，同时在障碍晶粒内引起内应力以及位错的产生和运动。其结果是，位错塞积在接触的晶界上，当障碍晶粒内应力达到一定程度时，塞积前端和位借沿晶界攀移而消失，使内应力得到松弛，晶界滑移恢复。

5.位错蠕变机制

超塑性变形机理的小结超塑性变形主要是一种晶界行为，是多种机制综合作用的结果。如果根据S曲线(P73)来讨论问题，那么在最佳应变速率范围(II区)内，变形以晶界滑移为主；随着应变速率降低到I区，扩散蠕变机制的作用增大；当应变速率增加到III区时，位错蠕变机制的作用增大[79]。

1.微细晶粒超塑性成形1)开式模锻与普通开式模锻比较，模具结构基本相同，但需要增加与模具为—体的加热和保温装置。同时，由于应变速率要求在较低范围内，不能采用锤和热模锻压力机，只能用液压机。在成形方面，具有充模好、变形力低、组织性能好、变形道次少、弹复小的特点。用于铝、镁、钛合金的叶片、翼板等薄腹板带肋件或类似形状复杂零件的模锻。

2.5.5超塑性成形的应用

2)闭式模锻与上述开式模锻比较，在模具结构上主要区别是闭式模锻模不设飞边槽。因而，锻造时，模腔内的压力也就是静水压力，远高于开式模锻。这样，模腔更容易充满，而且，锻件无飞边，可基本上作到无屑加工，成形件的精度也更高。这种模锻的脱模稍困难一些，它可用于难成形材料形状复杂零件的成形，如钛合金涡轮盘锻造。3)反挤压超塑性反挤压的成形精度高，表面质量好。主要用于成形筒体、壳体件与锌基合金和合金钢的模具型腔。与冷挤压相比，可大幅度降低成形载荷。

4)气压成形金属在常温状态下的液压胀形，由于受材料塑性的限制，较难用于成形复杂的壳体零件。超塑性胀形工艺用气体作为加压介质，利用超塑性材料低的流动应力和高达百分之数百的伸长率及良好的复制性，可以成形钛合金、铝合金、锌合金的形状复杂的壳体零件，已应用于航空航天器制造业、机电工业、工艺美术品加工业等许多领域。这种工艺通常只需要一个凹模或凸模，与普通冲压成形相比可以减少成形工序和工装套数。

5)气压胀形／扩散连接复合工艺

(SPF／DB)

实验证明，金属材料在超塑性状态下具有良好的扩散连接性能。这一性能与超塑性气压胀形结合就形成了超塑性气压胀形/扩散连接复合工艺，即SPF/DB。这种工艺的用途是成形夹层结构件，主要用于钛合金和铝合金的飞机与航天器结构件成形。实际上，这是迄今为止超塑性成形应用最成功的方面之一。

§2.5金属塑性变形的温度——速度效应2.5.1塑性变形热力学条件变形程度，变形温度与变形速度2.5.2变形中的热效应及温度效应2.6.1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。

2.5.1变形速度

变形速度为单位时间内变形程度的变化即：

式中——变形速度；

——变形程度。要考虑加工硬化和温度效应两方面的作用（秒-1）

塑性变形速度，1/秒ⅠⅡ图5-18变形速度对塑性的影响2.5.2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。1）影响温度效应的因素2）变形温度效应的的后果有利作用不利作用2.6金属的变形抗力1）应力-应变曲线2）影响变形抗力的因素化学成份的影响组织结构的影响晶粒大小结构变化单组织和多组织应力状态的影响变形程度的影响变形温度的影响变形速度的影响加载路径的影响变形抗力---金属抵抗变形之力变形力---塑性加工时使金属发生塑性变形的外力变形抗力和塑性是两个不同的概念，塑性反映材料变形的能力，变形抗力则反映材料变形的难易程度。变形抗力的大小，不仅决定于材料的真实应力(流动应力)．而且也决定于塑性加工时的应力状态、接触摩擦以及变形体的尺寸等因素。只有在单向拉伸(或压缩)时，变形抗力等于材料在该变形温度、变形速度、变形程度下的真实应力。因此,离开具体的加工方法所决定的应力状态、接触摩擦等因素就无法评论金属和合金的变形抗力。2.6金属的变形抗力2.6.1真实应力-应变曲线一、工程应力-应变曲线1.拉伸图和工程应力-应变曲线拉伸图(工程应力-应变曲线)条件应力(名义应力)σ=P/F0条件应变(工程应变,相对伸长)ε=△l/l0p点—比例极限点e点—弹性极限点σs—屈服极限σb—强度极限2.拉伸和压缩试验曲线的比较

对于一般金属材料，拉伸和压缩试验曲线在小弹塑性变形阶段基本重合，但在大塑性变形时将有显著差别。一般应变量ε不超过10％时，可认为两者一致。对于一般金属材料，在变形不大的情况下，用单向拉伸试验代替压缩试验进行强度设计是偏于安全的，但对于拉伸与压缩曲线有明显区别的材料(如铸铁、混凝土等)，则需要另作专门的研究。低碳钢拉伸和压缩试验曲线的比较3.包申格效应(Bauschingereffect)

因反向加载引起屈服应力降低的现象.在一般塑性理论中都不考虑这一效应，它会给处理塑性理论问题带来很大的因难。但当在生产中遇到材料经受变向加载时，应充分注意。包申格效应可用缓慢退火消除.包申格效应二拉伸真实应力-应变曲线(硬化曲线)按应变表示方法的不同，可分为三种形式:

真实应力s和相对伸长ε组成的曲线，真实应力s和断面收缩率φ组成的曲线，真实应力s和对数应变є

组成的曲线。1.真实应力和真实应变真实应力(流动应力):s=P/F,P—载荷,F—试样瞬时横截面积真实应力不同于条件应力,是某一瞬时试样的真正应力.

相对伸长ε和断面收缩率φ

都是条件应变.真实应变:真实相对伸长(对数应变,自然应变)є和真实断面收缩率φє

出现颈缩之前,拉伸试样处于均匀拉伸变形阶段,各种应变之间的关系如下:

F0l0=Fl

Є=ln(l/l0)=ln(F0/F)=-φ

Є=ln(l/l0)=ln(1+ε)

ε=φ/(1-φ)2.真实应力－应变曲线的作法把条件应力－相对伸长曲线（σ-ε曲线）上的条件应力σ换算成真实应力s，便可作出真实应力－相对伸长曲线（s-ε曲线）.S=P/F=P(1+ε)/F0=σ(1+ε)以σ-ε曲线为基础，还可以作出s-φ曲线s-ε曲线与s-φ曲线，这两种真实应力－条件应变曲线，只适用于均匀拉伸阶段，即试样颈缩以前的阶段．

由于对数应变反映试样的真实变形程度，普遍采用对数应变表示的真实应力－应变曲线（s-є曲线)

σ-ε曲线(b)s-є曲线真实应力－应变曲线三压缩真实应力－应变曲线

拉伸试验时最大应变量受到颈缩的限制，压缩试验可以获得大应变量下的真实应力－应变曲线(a)圆柱形试样（b)压缩试验利用下式求真实应力－应变曲线：Є＝ln(H0/H)S=P/F=P/(F0eє)式中：є,s—压缩时对数应变，真实应力H0,H—试样原始高度和压缩后高度F0,F---试样原始截面积和压缩后截面积P—压缩时载荷四变形体的模型（应力－应变曲线的简化形式）（１）理想弹塑性体模型理想弹塑性模型该模型没有考虑材料的强化，0A是弹性阶段，AB则是塑性阶段

=E

当

s

=

s=E

s

当

>

s

OA服从Hooke定律，AB段为平行于

轴的直线，缺点：1)只包括了两个参数E及

s，因而它不能准确地表示应力应变曲线。2)分析表达式在

=

s点开始变化，因而在计算中将引进某些困难。（2)弹塑性线性强化模型弹塑性线性强化模型考虑了材料的强化性质，解析表达式：

=E

当

s

=

s+E1(

-

s)当

>

sE及El是线段OA及AB的斜率，同理想弹塑性材料一样，解析表达式在

=

s点也有变化，因此也不方便的。(3)幂强化模型幂强化模型解析表达式：

=A

n

A—与材料有关的常数n—强化系数，介于0与1之间当n=0时，代表理想塑性体的“模型”，当n=1时，则为理想弹性体的模型。

该模型避免了上述两种模型的表达式在

=s时的变化，曲线是连续的．但该模型中只有A与n两个参数，故也不能准确地表示材料的性质．然而由于公式简单，也经常被使用．(4)理想刚塑性体模型应力达到σs前，变形等于零，即没有弹性变形阶段(5)刚塑性线性强化模型具有线性强化的刚塑性体模型(a)理想刚塑性体模型(b)刚塑性线性强化模型2.6.2变形抗力的影响因素

1)化学成分的影响（以碳钢为例）碳--碳对性能的影响最大，碳能固溶到铁里，形成铁素体和奥氏体，它们均具有良好的塑性和低的强度．但当含碳量超过了铁的溶解能力时，多余的碳与铁形成化合物