第一讲金属塑性成形的物理基础省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

材料成形技术基础（塑性成形部分）机械工程学院模具与塑性加工研究所王立忠副教授1/68第4章塑性成形理论基础2/68

塑性成形是利用金属塑性，在外力作用下使金属发生塑性变形，从而取得所需要形状和性能产品一个加工方法；所以，又称为塑性加工或压力加工。3/68

4.1基本问题,目标任务和主要内容

4/684.1.1塑性成形基本问题

1)材料塑性及其影响原因

研究塑性变形机理;

研究变形条件对材料塑性影响;研究塑性变形后材料组织和性能改变。5/682)成形力、变形抗力及其影响原因

——应力场

成形力、功大小是正确选取设备和设计模具依据；对成形力影响原因分析可减小成形力，节约能耗；应力场确定对分析工件内部裂纹产生和空洞愈合是必不可少。6/683)金属变形特点和流动规律

—位移场、应变场、速度场

研究金属变形特点和流动规律是合理选择原始毛坯、设计中间毛坯及模具模膛形状依据；分析和控制工件内部性能，内在质量和最终形状依据。这是塑性成形又一基本问题。7/684)塑性成形各种成形工艺及其模具

塑性成形需要输入形状信息，这些信息由模具及模具与加工材料相对运动共同产生。对于要得到零件，采取什么工艺，形状信息分几个阶段输入，对应模具结构和形状参数怎样确定、设备系统怎样选择和控制等都是十分主要。这也是塑性成形要研究基本问题。8/684.1.2课程目标和任务

研究和探讨金属在各种塑性加工中可遵照基础理论和规律；科学、重点地说明这些基础和规律，为合理制订塑性成形工艺规范，选择设备，设计模具以及后续课程学习奠定理论基础。9/684.1.3课程主要内容

1）金属塑性变形物理基础

从微观上研究金属冷、热塑性变形机理；研究冷热塑性变形对材料组织和性能影响；10/682）塑性变形力学基础金属变形体内应力场、应变场；求解塑性成形问题基本方程；应力-应变关系—增量与全量理论；塑性变形力学条件—屈服准则；真实应力-应变曲线—本构关系；力学问题求解举例—主应力法。11/683）基本工艺方法及经典模具结构

板料成形工艺分类；冲裁、弯曲、拉深、胀形、翻边变形特点，主要工艺参数，生产中常见主要质量问题；经典冲压模具结构。体积成形工艺分类；铸造与挤压工艺特点；锤上模锻与压力机上模锻区分；经典锤上模锻模具结构。12/684.2塑性成形物理基础13/684.2.1金属晶体结构自然界一切固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体。晶体：是原子在三维空间作有规则周期性重复排列固体。而非晶体则不具备这一特点，这是二者根本区分。自然界全部固体金属和合金都是晶体。14/68晶体内原子在空间规则排列，成为空间点阵。为了描述晶体内原子排列情况，通惯用直线将各原子中心连接起来，组成一空间格子，即假想处于平衡状态各原子都位于该空间格子各个结点上。晶格：描述晶体内原子排列形式空间格子，简称晶格。晶胞：晶体中能反应晶格特征最基本几何单元。晶格常数(点阵常数):晶胞各边尺寸,即原子间距.各种晶体主要差异,就在于晶格形式和晶格常数不一样.15/68实际金属晶体结构

单晶体：位向相同一群同类型晶胞聚合在一起，组成单晶体。单晶体因为不一样晶面和晶向上原子排列不一样，使原子密度和原子间结协力强弱不一样，因而在不一样方向上其机械、物理和化学性能不一样，称为晶体各向异性。16/68多晶体：工业用金属是由许多尺寸很小，位向不一样小单晶体组成。这些小单晶体称为晶粒。晶界：多晶体中各晶粒之间过渡区，称为晶界。因为多晶体是由许多位向不一样晶粒组成，晶粒本身各向异性被相互抵消，因而多晶体普通不显示方向性。17/68实际金属晶体中，原子以晶格结点为中心不停地作热振动，原子规则排列因为种种原因受到干扰和破坏，存在一系列缺点。按其几何形态分三种：1、点缺点：包含空位、间隙原子和置换原子等。空位和间隙原子迁移运动，是晶体中发生原子扩散一个主要方式。2、线缺点：各种类型位错是晶体线缺点，也就是位错是晶体中在长度范围内存在微观缺点。3、面缺点:晶体内表面缺点主要有(1)堆垛层错;(2)晶界、亚晶界;.

18/684.2.2单晶体塑性变形

单晶体塑性变形主要有:滑移和双晶（孪晶）两种方式。一滑移、滑移面和滑移方向滑移：在剪应力作用下，晶体一部分相对于另一部分，沿着一定晶面和晶向产生移动。产生滑移晶面和晶向，分别称为滑移面和滑移方向。19/68普通情况下，滑移并非沿任意晶面和晶向发生，而是沿该晶体中原子排列最紧密晶面和晶向发生。滑移面示意图20/68二、滑移系通常每一个晶格有几个可能产生滑移晶面，即同时存在几个滑移系；而每一个滑移面，又同时存在几个滑移方向。一个滑移面和其上一个滑移方向，组成一个滑移系。21/68三、临界剪应力单晶体滑移时应力分析单晶体在外力作用下开始滑移时，必须是滑移面上沿滑移方向剪应力到达一定值时。试验研究证实，不一样取向单晶体，其临界剪应力是完全相同22/68单晶体屈服极限不是定值，它是晶体位向函数，这是和多晶体不一样之处。当单晶体滑移系处于有利位向时，易于产生滑移，称为软取向。当单晶体滑移系处于不利位向时，难于进行滑移，称为硬取向23/68四、滑移实质晶体滑移是在剪应力作用下经过滑移面上位错运动进行。滑移面上原子是逐一移动，而不是整个原子层同时移动。位错最基本形式有刃型位错和螺旋位错

24/68刃型位错运动造成晶体滑移变形示意25/68螺型位错运动造成晶体滑移变形示意26/68晶体转动和滑移面弯曲锌单晶体拉伸变形和压缩变形情况27/68五、双晶（孪晶）单晶体塑性变形另一个方式叫双晶，又叫孪晶。单晶体在剪应力作用下，晶体一部分对应一定晶面（双晶面），沿一定方向，进行相对移动。结果使晶体变形部分与未变形部分以双晶面为对称面相互对称。28/68面心立方晶体孪生变形示意29/68发生孪晶临界剪应力要比发生滑移临界剪应力大得多。只有在滑移难以进行条件下，晶体才能发生孪晶变形。孪晶也造成晶格畸变

30/68位错理论一、柏矢矢量和位错环二、位错攀移三、位错交割四、位错源和位错增殖五、交滑移六、位错塞积七、位错密度31/684.2.2多晶体塑性变形32/68基本概念1)冷成形(coldworking)—冷塑性成形、冷变形

金属在回复、再结晶温度以下一个成形方法，通常在变形过程中会出现位错密度上升、发生加工硬化现象。

33/682)热成形(hotworking)—热塑性成形、热变形金属在再结晶温度以上进行成形方法，通常变形过程材料软化占优势。温变形：若在静态再结晶温度以下变形，则既发生回复，也发生变形硬化。34/683)加工硬化(workhardeningorstrainhardening)—应变硬化

金属在低于再结晶温度时，因为塑性应变而产生塑性降低、强度和硬度增加现象。

反应在物理化学性能上改变是：导电性、导热性、抗腐蚀性匀降低。

35/684）静态回复也称回复当加热温度不高时，晶体内只有间隙原子和空位运动。这时变形金属晶粒外形无显著改变，仍呈纤维状，只消除了晶格畸变，其机械性能几乎无改变，物理化学性能则大部分恢复。伴随温度升高，原子含有了较大活动能力，位错开始运动。实质上是原子从高能态混乱排列向低能态规则排列转变过程，结果是晶体内应力大大下降，强度稍有下降，塑性稍有提升。36/68回复在工业生产中被广泛应用，即低温退火。比如冷变形零件因为存在内应力，以后工作时轻易因工作应力与内应力迭加而断裂。又如精密零件因为内应力长久作用易引发尺寸不稳定。再如导电材料冷变形后，取得了必要强度，但电阻率显著增大，也可采取低温退火，恢复其导电性又保持其强度。37/685）静态再结晶也称再结晶变形金属加热到较高温度时，因为原子取得了更大活动能力，首先在变形晶粒晶界或滑移带、峦晶带等变形猛烈地域产生晶核，即为一些原子规则排列小晶块，然后晶核逐步长大，成为含有正常晶格新晶粒，新晶粒长大到彼此边界相遇，过程结束，这一生核、长大过程称为再结晶。影响再结晶过程原因主要有：加热温度、保温时间、变形程度、原始晶粒度、金属化学成份。38/686）动态回复和动态再结晶(dynamicrecoveryanddynamic

re-crystallization)

热塑性成形中发生回复与再结晶。

7）扩散蠕变(diffusioncreep)

在应力场作用下，由空位定向移动引发变形。39/684.2.2塑性变形机理1）冷塑性变形机理

多晶体塑性变形包含晶内变形和晶界变形（晶间变形）两种。在冷态条件下，因为晶界强度高于晶内，多晶体塑性变形主要是晶内变形，晶间变形只起次要作用。40/68

晶内变形方式有滑移和孪生。因为滑移所需临界切应力小于孪生所需临界切应力，故多晶体塑性变形主要方式是滑移变形，孪生变形是次要，普通仅起调整作用。对于密排六方金属，孪生变形起着主要作用。

41/68多晶体晶内变形虽和单晶体一样是滑移和孪生。但多晶体包含大量晶粒,这些晶粒彼此位向不一样,在外力作用下,并非处于相同塑性变形条件下.如图,在压力作用下,晶粒a和b处于和作用力约成45°有利位向,而晶粒c则处于和作用力约成90°不利位向,所以塑性变形首先在处于有利位向a、b晶粒上开始。42/68晶间变形主要方式是相邻晶粒相互滑动和转动。和单晶体一样，多晶体中各个晶粒在滑移时滑动面也要发生转动，这便是引发相邻晶粒相互转动原因。43/68粗晶粒板料在冲压变形后，因为晶粒发生了转动，冲压件表面显示了凹凸不平（细晶粒板料不易看出来），即所谓“拮皮”现象。44/68晶体滑移过程，实质上是位错移动和增殖过程。因为在这个过程中位错交互作用，位错反应和相互交割加剧，产生固定割阶、位错缠结等障碍，使位错难以越过这些障碍。要使金属继续变形，就需要不停增加外力，便产生了加工硬化。

45/68冷塑性变形时，多晶体主要是晶内滑移变形;实质上是位错移动和增殖过程;因为位错交互作用,塑性变形时产生了加工硬化。

46/682）热塑性变形机理

变形机理主要有：晶内滑移与孪生、晶界滑移和扩散蠕变。高温时原子间距加大，热振动和扩散速度增加，位错滑移、攀移、交滑移及结点脱锚比低温轻易；滑移系增多，滑移灵便性提升，各晶粒之间变形愈加协调；晶界对位错运动妨碍作用减弱。但其主要机理依然是晶内滑移。

47/68

热塑性变形时，因为晶界强度降低，使得晶界滑动易于进行；

温度越高，原子动能和扩散能力就越大，扩散蠕变既直接为塑性变形作贡献，也对晶界滑移其调整作用。

48/68热塑性变形主要机理依然是晶内滑移；因为晶界滑动和扩散蠕变作用增加，再加之变形时会产生动态回复和再结晶。所以，热态下金属塑性变形能力比冷态下高，变形抗力较低。

49/684.2.3塑性变形对组织与性能影响

a、冷塑性变形对组织和性能影响

1）对金属组织影响

（1）在晶粒内部出现滑移带和孪生带等组织

（2）形成了纤维组织

50/68

冷加工变形后，金属晶粒形状发生了改变，改变趋势大致与金属宏观变形一致。轧制变形时，原等轴晶粒沿变形方向伸长。变形程度大时，晶粒展现为一片如纤维状条纹，称为纤维组织。当有夹杂或第二相质点时，则它们会沿变形方向拉长成细带状或粉碎成链状。

51/68（3）变形织构

多晶体塑性变形时伴伴随晶粒转动，当变形量很大时，多晶体中原为任意取向各个晶粒，会逐步调整其取向而彼此趋于一致，这种因为塑性变形而使晶粒含有择优取向组织，称为“变形织构”。

52/68<100>丝织构示意图a）拉拔前b）拉拔后其特征是各个晶粒某一晶向趋于与最大主应变方向平行。因为形成了变形织构，使金属和合金机械性能和物理性能显著地出现各向异性。53/68<110>板织构示意a)轧制前b）轧制后其特征是各个晶粒某一晶向趋于与轧制方向平行，而某一晶面趋于与轧制方向平行54/68深冲用铜板，在90%轧制变形及800℃退火后，得到再结晶织构，此时顺轧向及垂直轧向延伸率均为40%，而与轧向成45°<110>方向，延伸率为75%，使冲出工件厚薄不均，出现“制耳”因板织构所造成“制耳”a)无制耳b)有制耳55/68有些场所，织构存在是有利。如电器上使用硅钢片，要求沿其磁化<100>方向形成织构，采取适当冷轧和退火工艺，能够取得高导磁性(100)[001]织构硅钢片。56/68（4）晶粒内产生胞状亚结构

塑性变形主要是借位错运动而进行。经大变形后，位错密度可从退火状态106～107cm-2增加到1011～1012cm-2。位错运动及交互作用结果，其分布是不均匀。它们先是比较纷乱地纠缠成群，形成“位错缠结”。假如变形量增大，就形成胞状亚结构。

57/682）对金属性能影响

伴随变形程度增加，

其机械性能：金属强度、硬度增加，而塑性、韧性降低；

其物理化学性能：导电性、导热性、抗腐蚀性均降低。

58/68b、热塑性变形对组织和性能影响

1）对组织影响

（1）改进晶粒组织，细化晶粒

对于铸态金属，粗大树枝状晶经塑性变形及再结晶而变成等轴（细）晶粒组织；对于经轧制、铸造或挤压钢坯或型材，在以后热加工中经过塑性变形与再结晶，其晶粒组织普通也可得到改进。

59/68（2）锻合内部缺点

铸态金属中疏松、空隙和微裂纹等缺点被压实，提升金属致密度。宏观缺点锻合经历两个阶段：缺点区发生塑性变形，使空隙两壁闭合；在压应力作用下，加上高温，使金属焊合成一体。没有足够大变形，不能实现空隙闭合，极难到达宏观缺点焊合。

足够大三向压应力，能实现微观缺点锻合。

60/68（3）形成纤维组织

在热变形过程中，随变形程度增加，钢锭内粗大树枝晶沿主变形方向伸长，与此同时，晶间富集杂质和非金属夹杂物走向也逐步与主变形方向一致，形成流线。因为再结晶结果，被拉长晶粒变成细小等轴晶，而流线却很稳定地保留下来直至室温。61/68钢锭铸造过程中纤维组织形成示意62/68（4）破碎改进碳化物和非金属夹杂在钢中分布

高速钢、高铬钢、高碳工具钢等，其内部含有大量碳化物。