第1章-塑性加工金屬學

1、材料成形原理之材料成形原理之-塑性成形原理塑性成形原理塑性成形原理研究的對象：金屬塑性成形基本問題塑性： 材料在外力的作用下產生一定的永久變形而不破壞其完整性的能力。塑性成形： 材料成形的基本方法之一，它是利用材料的塑性，在外力作用下獲得所需尺寸和形狀的工件的一種加工方法，又稱為塑性加工。一、金屬塑性成形的特點 生產效率高，適用于大批量生產 沖硅鋼片的高速沖床的速度可達2000次/min; 鍛造一根汽車發(fā)動機曲軸只需要40s； M12l螺栓的冷鍛 210件/ min。改善了金屬的組織和結構和性能 鋼錠內部的組織缺陷，如疏松、晶粒粗大，經塑性變形后，組織變得致密，夾雜物被擊碎； 與機械加工相比，

2、金屬的纖維組織不會被切斷，因而結構性能得到提高。 材料利用率高 金屬塑性成形主要靠金屬的體積轉移來獲得一定的形狀和尺寸，無切削，只有少量的工藝廢料，因此材料利用率高， 一般可達75%85%，最高可達98%以上。 尺寸精度高 精密鍛造、精密擠壓、精密沖裁零件，可以達到不需機械加工就可以使用的程度。軋制擠壓 拉拔 自由鍛開式模鍛閉式模鍛沖裁拉深 塑性成形力學，是塑性理論（或塑性力學）的發(fā)展和應用中逐漸形成的： 1864年法國工程師H.Tresca首次提出最大切應力屈服準則 1925年德國卡爾曼用初等應力法建立了軋制時的應力分布規(guī)律； 薩克斯和齊別爾提出了切塊法即主應力法；再后來，滑移線法、上限法、

3、有限元法等相繼得到發(fā)展。目的： 科學系統(tǒng)地闡明金屬塑性成形的基礎和規(guī)律，為合理制訂塑性成形工藝奠定理論基礎。任務： 掌握塑性成形時的金屬學基礎，以便使工件在成形時獲得最佳的塑性狀態(tài)，最高的變形效率和優(yōu)質的性能；掌握應力、應變、應力應變關系和屈服準則等塑性理論基礎知識，以便對變形過程進行應力應變分析，并尋找塑性變形物體的應力應變分布規(guī)律；掌握塑性成形時的金屬流動規(guī)律和變形特點， 分析影響金屬塑性流動的各種因素，以合理地確定坯料尺寸和成形工序，使工件順利成形；掌握塑性成形力學問題的各種解法及其在具體工藝中的應用，以便確定變形體中的應力應變分布規(guī)律和所需的變形力和功，為選擇成形設備和設計模具提供依據(jù)

4、。一、金屬的晶體結構和組織 合金：由兩種或兩種以上的金屬構成，按組織特征分為單相合金（以基體金屬為基的單相固溶體組織）和多相合金（除基體外，還有第二相）。多晶體：由許多大小、形狀和位向都不同的晶粒組成，晶粒之間存在晶界 。變形的不均勻性和各晶粒變形的相互協(xié)調性是其變形的主要特點。 晶界：晶粒之間為晶界，晶界表現(xiàn)出許多與晶粒內部不同的性質；如： 室溫時晶界的強度和硬度高于晶內，高溫時則相反； 晶界中原子的擴散速度比晶內原子快得多； 晶界的熔點低于晶內；晶界容易被腐蝕等。多晶體的塑性變形包括晶內變形和晶界變形。（一）晶內變形 晶內變形的主要方式為滑移和孿生，其中滑移是主要的 1滑移 滑移：在切應力

5、的作用下，晶體的一部分與另一部分沿一定的晶面（滑移面：原子密度最大或比較大的晶面）和晶向（滑移方向：原子密度最大的密排方向）產生相對滑動。一個滑移面和該面上的一個滑移方向構成滑移系?；频慕Y果使大量的原子逐步發(fā)生遷移，從而產生宏觀的塑性變形。晶內滑移受到晶界的阻礙，還受到周圍難滑移晶粒的阻礙。而且，隨變形增加，還會發(fā)生多系滑移，滑移面還會發(fā)生扭轉、彎曲等。圖13-3滑移方向與滑移面圖13-4滑移面上的切應力分析coscos其中：為橫截面上的拉應力，稱為取向因子=45時，最大，切應力最大，滑移系處于最佳取向。coscos軟取向：=0.5或接近于0.5的取向硬取向：=0或接近于0的取向注：單晶體的

6、臨界切應力，不隨取向因子的變化而變化 2孿生孿生變形：在切應力的作用下，晶體的變形部分與未變形部分形成以孿晶面為分界面成鏡面對稱的位向關系孿生變形所需的切應力大于滑移變形時所需的切應力。所以，滑移是優(yōu)先發(fā)生的變形方式。發(fā)生孿生變形的條件主要與晶體結構、變形溫度和變形速度有關：密排立方和體心立方的金屬易發(fā)生孿生變形，一般在沖擊載荷和較低溫度下易發(fā)生孿生變形。 如 密排立方（鋅、鎂） 常溫、慢速拉伸 體心立方（鐵） 室溫、沖擊載荷 或 低溫、不太大的變形速率 面心立方（純銅） 特別低的溫度（-230）注：孿生變形引起的變形量是較小的，因此，晶體的塑性變形主要依靠滑移變形。晶間變形的方式包括晶粒間的

7、相互滑動和轉動。在外力的作用下，當沿晶界處的切應力足以克服晶粒相互滑動的阻力時，晶粒間發(fā)生相互滑動。多晶體變形的不均勻性使得在相鄰的晶粒間產生了力偶，造成晶粒間的相互轉動。晶粒相對轉動的結果可使已發(fā)生滑移的晶粒逐漸轉到位向不利的位置而停止滑移，而使另外一些晶粒轉至有利的位向而發(fā)生滑移。 多晶體的滑移晶粒之間的相對滑動和轉動（三）晶界變形低溫時，晶界處原子排列極不規(guī)則，并聚集著較多的雜質原子，使滑移受到阻礙，變形阻力較大。其次，由一個晶粒到另一個晶粒的位向有突變，即晶界處晶粒的結構是不連續(xù)的，因此，晶界處各晶粒相互制約晶界變形困難。 多晶體金屬的晶粒越細，單位體積內的晶界面積越大，滑移在相近的晶

8、粒間傳播所需要的能量越多，塑性變形抗力大，強度較高； 而且單位體積內位向有利的晶粒也越多，變形分布較均勻，塑性較好。 因此，細晶金屬不容易產生裂紋，發(fā)生裂紋后也不容易擴展，因此細晶金屬的韌性也較好。 這就是可以通過細化晶粒來提高金屬材料綜合性能的原因。合金具有純金屬不可比擬的力學性能和特殊的物理、化學性能。合金的相結構有兩大類： 固溶體（如鋼中的鐵素體） 化合物（鋼中的Fe3C）。 常見的合金組織有兩大類： 單相固溶體合金 兩相或多相合金單相固溶體合金的塑性變形與多晶體純金屬相似，也是滑移和孿生，變形時同樣受到相鄰晶粒的影響。但溶質原子溶入后，使其塑性變形抗力增大，合金強度、硬度提高而塑性、韌

9、性下降，并有較大的加工硬化率。這種現(xiàn)象叫做固溶強化。是由溶質原子阻礙金屬中的位錯運動引起的。多相合金（兩相合金）中的第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，起強化作用的主要是硬而脆的化合物。合金的塑性變形在很大程度上取決于第二相的數(shù)量、形狀、大小和分布的形態(tài)。但從變形的機理來說，仍然是滑移和孿生l第二相以連續(xù)網狀分布在基體晶粒的邊界上 隨著第二相數(shù)量的增加，合金的強度和塑性皆下降。l第二相以彌散質點（顆粒）分布在基體晶粒內部 合金的強度顯著提高而對塑性和韌性的影響較小。彌散強化：第二相以細小質點的形式存在而使合金顯著強化的現(xiàn)象稱彌散強化。一方面，相界（即晶界）面積顯著增多并使周圍晶格發(fā)生顯著畸變，

10、從而使滑移阻力增加。另一方面，第二相質點阻礙位錯的運動。因此，粒子越細，彌散分布越好，強化的效果越好。兩相合金的顯微組織聚合型彌散型（一）對組織結構的影響 l晶粒內部出現(xiàn)滑移帶和孿生帶；l晶粒的形狀發(fā)生變化：隨變形程度的增加，等軸晶沿變形方向逐步伸長，當變形量很大時，晶粒組織成纖維狀；出現(xiàn)纖維組織！l晶粒的位向發(fā)生改變：晶粒在變形的同時，也發(fā)生轉動，從而使得各晶粒的取向逐漸趨于一致（擇優(yōu)取向），從而形成變形織構；出現(xiàn)變形織構！變形后變形前變形前后的晶粒形狀拉拔形成的絲結構拉拔后軋制形成的板織構軋制前軋制后拉拔前塑性變形改變了金屬內部的組織結構，因而改變了金屬的力學性能。隨著變形程度的增加，金屬

11、的強度、硬度增加，而塑性和韌性相應下降。即產生了加工硬化。 加工硬化：在常溫狀態(tài)下，金屬的流動應力隨變形程度的增加而上升。為了使變形繼續(xù)下去，就需要增加變形外力或變形功。這種現(xiàn)象稱為加工硬化。產生原因：主要是由于塑性變形引起位錯密度增大，導致位錯之間交互作用增強，大量形成纏結、不動位錯等障礙，形成高密度的“位錯林”，使其余位錯運動阻力增大，于是塑性變形抗力提高。 加工硬化的兩面性：一方面，它能提高金屬的強度，可作為強化金屬的一種手段（形變強化）；另一方面，它又增加了變形的困難，提高了變形抗力，甚至降低了金屬的塑性。 注：加工硬化既是金屬塑性變形的特征，也是強化金屬的重要手段。熱塑性變形 ： 金

12、屬在再結晶溫度以上的變形，稱為熱塑性變形。 熱塑性變形過程中，回復、再結晶和加工硬化同時發(fā)生，加工硬化不斷被回復和再結晶等軟化過程所抵消，金屬處于高塑性、低變形抗力的狀態(tài)。 熱塑性變形時金屬的軟化過程比較復雜，它與變形溫度、應變速率、變形程度和金屬本身的性質有關，主要有靜態(tài)回復、靜態(tài)再結晶、動態(tài)回復、動態(tài)再結晶和亞動態(tài)再結晶等。 從熱力學角度來看，變形引起加工硬化，晶體缺陷增多，金屬畸變內能增加，原子處于不穩(wěn)定的高自由能狀態(tài)，具有向低自由能狀態(tài)轉變的趨勢。當加熱升溫時，原子具有相當?shù)臄U散能力，變形后的金屬自發(fā)地向低自由能狀態(tài)轉變。這一轉變過程稱為回復和再結晶，這一過程伴隨有晶粒長大。 回復往往

13、是在較低的溫度下或較早的階段發(fā)生的過程，再結晶則是在較高的溫度下或較晚的階段發(fā)生的轉變。1靜態(tài)回復 在回復階段，金屬的強度、硬度有所下降，塑性、韌性有所提高；但顯微組織沒有發(fā)生明顯的變化，因為在回復溫度范圍內，原子只在晶內作短程擴散，使點缺陷和位錯發(fā)生運動，改變了數(shù)量和狀態(tài)的分布。 低溫回復（0.10.3）Tm時，回復的主要機理是點缺陷運動和互相結合，使點缺陷的濃度下降。(Tm為熔點) 中溫回復（0.30.5）Tm時，位錯發(fā)團內部位錯重新組合和調整、位錯運動和異號位錯互毀，導致位錯發(fā)團厚度變薄，位錯網絡清晰，晶界位錯密度下降，亞晶緩慢長大。 高溫回復發(fā)生時（T0.5Tm），發(fā)生位錯攀移，亞晶合

14、并和多邊形化現(xiàn)象。 冷變形金屬加熱到一定溫度后，會發(fā)生再結晶現(xiàn)象，用新的無畸變的等軸晶，取代金屬的冷變形組織。 與回復不同，再結晶使金屬的顯微組織徹底改變或改組，使其在性能上也發(fā)生很大變化，如強度、硬度顯著降低，塑性大大提高，加工硬化和內應力完全消除，物理性能得到恢復等。 但是，再結晶并不是一個簡單地使金屬的組織恢復到變形前的狀態(tài)的過程，可以通過控制變形和再結晶條件，調整再結晶晶粒的大小和再結晶的體積數(shù)，用這種方式和手段來改善和控制金屬組織和性能。圖13-15回復和再結晶對金屬組織和性能的變化表13-1 回復、再結晶和晶粒長大的特點及應用 各種晶體結構的完整晶體都可以看成是由許多結構相同的原子

15、面按一定規(guī)則堆垛而成。層錯:晶體的正常堆垛順序發(fā)生差錯，就會出現(xiàn)堆垛層 錯，簡稱層錯。層錯能:晶體內出現(xiàn)層錯后，破壞了晶體的周期性和對稱性。由于堆垛層錯引起的晶體內能增加，稱為晶體的層錯能。其大小與晶體結構沒有必然的聯(lián)系。 動態(tài)回復發(fā)生在熱塑性變形過程中，它對軟化金屬起著重要的作用。 動態(tài)回復主要是通過位錯的攀移、交滑移來實現(xiàn)的。 層錯能高，變形位錯的交滑移和攀移比較容易進行，位錯容易在滑移面間轉移，使異號位錯互相抵消，其結果是位錯密度下降，畸變能降低，達不到動態(tài)再結晶所需的能量水平。 所以動態(tài)回復是層錯能高的金屬（如鋁、鐵、低碳鋼等）熱變形過程中唯一的軟化機制。 在熱塑性變形過程中發(fā)生的，層

16、錯能低的金屬（如銅、不銹鋼等）在變形量很大時才可能發(fā)生動態(tài)再結晶。因為層錯能低時，不易進行位錯的交滑移和攀移。動態(tài)再結晶需要一定的驅動力，只有畸變能差積累到一定水平時，動態(tài)再結晶才能啟動，否則只能發(fā)生動態(tài)回復。只有當變形程度遠高于靜態(tài)再結晶所需的臨界變形程度時，動態(tài)再結晶才會發(fā)生。 l動態(tài)再結晶的能力除與金屬的層錯能高低有關外，還與晶界遷移的難易程度有關。金屬越純，發(fā)生動態(tài)再結晶的能力越強。溶質原子固溶于金屬基體，彌散的第二相粒子，都會嚴重阻礙晶界的遷移，減緩或遏止動態(tài)再結晶過程的進行。l動態(tài)再結晶的晶粒度大小與變形程度、應變速率和變形溫度有關，一般是降低變形溫度、提高應變速率和變形程度，會使

17、動態(tài)再結晶后的晶粒變細，而細小的晶粒組織具有更高的變形抗力。因此，可以通過控制變形溫度、速率和變形程度來調節(jié)晶粒組織的粗細和它的力學機械性能。l在動態(tài)再結晶的過程中，由變形引起的硬化過程和由再結晶引起的軟化過程相互平衡時，真實應力趨于穩(wěn)定。 在熱變形過程中已經形成但尚未長大的動態(tài)再結晶晶核，以及長大到中途的再結晶晶粒被遺留下來。變形停止后，當變形溫度足夠高時，這些晶粒和晶核還會繼續(xù)長大，引起軟化。此種過程稱為亞動態(tài)再結晶。 金屬熱塑性變形機理主要有以下幾種： 晶內滑移，晶內孿生，晶界滑移，擴散蠕變。 其中，晶內滑移是最主要的行為方式； 孿生多發(fā)生在高溫高速變形； 晶界滑移和擴散蠕變只發(fā)生在高溫

18、變形的時候。 高溫時原子間距加大，原子的熱振動和擴散速高溫時原子間距加大，原子的熱振動和擴散速度加快，位錯的活動變得活躍起來，滑移、攀移、度加快，位錯的活動變得活躍起來，滑移、攀移、交滑移和位錯結點脫錨比低溫時容易；滑移系增多，交滑移和位錯結點脫錨比低溫時容易；滑移系增多，改善了各晶粒之間的變形協(xié)調性；同時在熱變形狀改善了各晶粒之間的變形協(xié)調性；同時在熱變形狀態(tài)下，晶界對位錯運動的阻礙作用相對減弱，位錯態(tài)下，晶界對位錯運動的阻礙作用相對減弱，位錯有可能進入晶界。有可能進入晶界。 熱塑性變形時，晶界強度較低，使得晶界滑動變得容易進行。與冷變形相比，晶界滑動的變形量要大得多。 此外，改變變形條件，如降低應變速率和減小晶粒尺寸，都有利于增