先进成形与智能技术 课件 3.1 塑性变形基础

先进成形与智能技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造金属塑性加工金属塑性加工指固态金属在外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造金属塑性加工基本方法外力为静压力；轧制、挤压和拉拔主要用于生产型材、板材、线材、带材等轧制：使金属坯料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，改变其性能，获得所要求的截面形状的加工方法。挤压：将金属坯料置于挤压筒中加压，使其从挤压模的模孔中挤出，横截面积减小，获得所需制品的加工方法。拉拔：坯料在牵引力作用下通过拉拔模的模孔拉出，产生塑性变形，得到截面细小、长度增加的制品的加工方法，拉拔一般是在冷态下进行。轧制挤压拉拔6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造自由锻：用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间，使坯料受冲击力作用而变形，获得所需形状锻件的加工方法。模锻：利用模具使金属坯料在模膛内受冲击力或压力作用，产生塑性变形而获得锻件的加工方法。板料冲压：用冲模使板料经分离或成形得到制件的加工方法。自由锻、模锻和板料冲压总称锻压，外力为冲击力，主要用于生产毛坯或零件。金属塑性加工基本方法6.1塑性变形基础自由锻模锻板料冲压战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造金属塑性加工特点(2)节约金属材料如热轧钻头、齿轮、齿圈及冷轧丝杠时节省了切削加工设备和材料的消耗。(1)改善金属组织、提高力学性能锻压的同时可消除铸造缺陷，均匀成分，从而提高锻件的力学性能。(3)较高的生产率如在生产六角螺钉时采用模锻成形就比切削加工效率约高50倍。(4)锻压主要生产承受重载荷零件的毛坯，如机器中主轴、齿轮等。锻件的结构工艺性要求高，难以锻造形状复杂的毛坯和零件。锻件的尺寸精度低，对于高精度要求的零件，还需经过切削加工来满足要求。6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造外力金属产生内应力内应力迫使原子离开平衡位置，导致原子内能升高。而处于高位能的原子，时刻有回到平衡位置的倾向。弹性变形外力停止作用，原子回到其原始位置，变形消失。塑性变形当外力超过该金属的屈服强度，外力消失，而变形并不消失。室温下，单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生进行的。实验表明晶体只有在切应力的作用下才会发生塑性变形。6.1塑性变形基础金属材料通常情况下都是由无数小晶粒构成的多晶体战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1、滑移实验表明对滑移真正有贡献的是在滑移面上沿滑移方向上的分切应力，只有当这个分切应力达到某一临界值后，滑移过程才能开始进行，这时的分切应力就称为临界分切应力。

晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动叫滑移。发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。单晶体金属塑性变形6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。滑移系示意图单晶体金属塑性变形易变形难变形面心立方晶格体心立方晶格密排六方晶格三种典型金属晶格的滑移系6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造滑移面整体刚性滑移单晶体在切应力作用下的滑移变形示意图ττ单晶体金属塑性变形（a）未变形（b）弹性变形（c）弹塑性变形（d）塑性变形6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造单晶体金属塑性变形（a）未变形（b）（c）位错运动（d）塑性变形位错运动引起塑性变形示意图位错中心附近极少量原子微量移动刃型位错6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2、孪生单晶体金属塑性变形孪晶组织孪生使晶体位向发生改变，原处于不利取向的滑移系转变为新的有利取向，进一步滑移。孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造

多晶体的塑性变形是单个晶粒内滑移与孪生和晶粒间滑移与转动的综合作用的结果。多晶体多晶体晶粒逐批滑移示意图金属晶粒越细小，晶界越多，强度和塑性越好。多晶体金属塑性变形晶界晶粒6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造冷加工对金属组织的影响(1)晶粒拉长，晶界变得模糊不清。(2)晶粒转动，当变形达到一定程度，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，这种现象称织构。(3)晶粒与晶格的扭曲，出现残余内应力。(4)位错密度增加，晶粒破碎为亚晶粒。6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。RmHBδψ对力学性能的影响（加工硬化）延展性材料脆性材料应变硬化应变硬化6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造式中：——以热力学温度表示的金属回复温度，K；

——以热力学温度表示的金属熔化温度，K。原子仅能作短距离扩散，使空位和间隙原子合并，空位与位错发生交互作用而消失，使晶格畸变减轻，残余应力显著下降随着加热的温度不同，金属组织大致分为三个阶段变化：回复、再结晶与晶粒长大。

(1)回复加工硬化后的金属，在加热到一定温度后，原子获得热能，使原子得以恢复正常排列消除了晶格扭曲，加工硬化得到部分消除，其显微组织无可见变化。这一过程称为“回复”，这时的温度称为回复温度，即：6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造在晶界处，晶格畸变严重而处于高能量状态，最容易形核的地方。再结晶形成的等轴晶粒的晶格类型与原来变形了的晶粒的晶格类型完全一致，再结晶过程中没有发生相变。对没有发生塑性变形的金属进行加热，是不会发生再结晶现象的。

(2)再结晶当加热温度继续升高时，原子的扩散能力增大，金属内通过形核和长大过程，使晶粒的外形开始发生变化，从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒，从而消除了残余应力和加工硬化现象，金属的组织和性能尽可能复原到加工前的状态。这个过程称为再结晶，这时的温度称为最低再结晶温度，即：式中：——以热力学温度表示的金属回复温度，K；6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造

(2)晶粒长大塑性变形的金属经再结晶后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒，但如继续升高温度或延长保温时间，则再结晶后形成的新晶粒又会逐渐长大。晶粒长大是一个自发过程，可使晶界减少，实质上是一个晶粒的边界向另一个晶粒中迁移，把另一个晶粒中晶格的位向逐步改变成为与这个晶粒相同的位向。于是，另一个晶粒便逐步被这个晶粒“吞并”而合成一个大晶粒。

（a）（b）（c）晶粒长大示意图6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造当金属在高温下受力变形时，加工硬化和再结晶过程同时存在。由于变形中的加工硬化随时都被再结晶过程所消除，所以变形后没有加工硬化现象。加工硬化的金属在在加热时组织和性能变化示意图6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造热加工：热锻、热轧、热挤压、热拔冷加工：冷镦、冷轧、冷挤压、冷冲、切削热加工：在再结晶温度以上的塑性变形加工。加工硬化、回复、再结晶。冷加工：在再结晶温度以下的塑性变形加工。发生加工硬化。金属塑性变形加工方法热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形温度处于金属的再结晶温度以上还是以下来划分的。热加工冷加工6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1、晶粒细化、提高致密度2、带状组织：杂质呈细带状或链状分布3、纤维组织纤维组织当铸锭在产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布杂质形状都发生了变形，它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。被拉长的呈纤维状的晶粒组织称为纤维组织。热加工影响6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造纵向（平行于纤维方向）：塑、韧性增加；横向（垂直于纤维方向）：韧、塑性降低，

但抗剪切能力显著增强。纤维组织合理分布原则：

零件最大拉应力方向应与纤维方向平行；

零件最大剪切应力方向应与纤维方向垂直；

零件外形轮廓应与纤维的分布相符合而不被切断。各向异性：变形后6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造螺钉的纤维组织比较（a）用棒料直接切削成螺钉；（b）用局部镦粗方法制成的螺钉毛坯。曲轴的纤维组织比较（a）切削加工制成的曲轴；（b）用锻造方法制成的曲轴毛坯。6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造在实际生产中，热加工与冷加工相比也有不足之处①热加工需要加热，不如冷加工简单易行。②热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易于控制。③热加工制品不如冷加工制品尺寸精确，表面粗糙度值大。④对于薄或细的加工制品，由于降温快，尺寸精度差，不宜采用热加工。6.1塑性变形基础战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造(1)喷丸强化

由于金属材料塑性变形后强度提高，同时产生残余应力，因此在齿轮、弹簧等零件生产过程中采用喷丸处理，即用高速气流把细小的铁砂或陶瓷细粒喷射到零件表面，零件表面强度、硬度提高，同时产生较大的残余压应力，可提高疲劳强度。

(2)滚压或辗压滚压或辗压形变加工一般是零件完成基本加工工序后，借助于适当的工具，通过在工件表面施加一定的压力，使加工后的工件表面产生不同程度的压应力，用来提高工件强度的工艺方法。工程上常