材料成型原理第13章

1、2022年6月12日星期日材料成形力學(xué)原理材料成形力學(xué)原理研究的對象：金屬塑性成形應(yīng)力-應(yīng)變曲線碳鋼標準試件 塑性： 材料在外力的作用下產(chǎn)生一定的永久變形而不破壞其完整性的能力。 試件在彈性極限范圍內(nèi)的變形將完全恢復(fù)到原來的形狀。eeP 試件變形達到其彈性極限后，如果繼續(xù)加載，將發(fā)生不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。eePPePP 對超過彈性極限載荷的金屬金屬試件卸載，卸載曲線近似于彈性曲線。eePP 試件完全卸載后，殘留部分不可恢復(fù)的變形P,即塑性變形。ep塑性變形變形方式變形方式彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形可逆性可逆性可逆可逆不可逆不可逆 - - 關(guān)系關(guān)系線性線性非線性非線性與加載路徑的關(guān)

2、系與加載路徑的關(guān)系無關(guān)無關(guān)有關(guān)有關(guān)對組織和性能的影響對組織和性能的影響無影響無影響影響大影響大變形機理變形機理原子間距的變化原子間距的變化位錯運動為主位錯運動為主彈塑性共存彈塑性共存 整體變形中包含彈性變形和塑性變形；整體變形中包含彈性變形和塑性變形；塑性變形的發(fā)生必先經(jīng)歷彈性變形。塑性變形的發(fā)生必先經(jīng)歷彈性變形。金屬冷變形時可以產(chǎn)生加工硬化（強度、硬度增加，塑金屬冷變形時可以產(chǎn)生加工硬化（強度、硬度增加，塑性降低）。性降低）。金屬塑性變形時，可以使晶粒得到細化（冷變形使晶粒金屬塑性變形時，可以使晶粒得到細化（冷變形使晶粒破碎，熱變形使晶粒動態(tài)再結(jié)晶）。破碎，熱變形使晶粒動態(tài)再結(jié)晶）。塑性變形

3、可以使位錯密度增加。塑性變形可以使位錯密度增加。金屬塑性變形時，可以產(chǎn)生變形織構(gòu)。金屬塑性變形時，可以產(chǎn)生變形織構(gòu)。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(chǎn)效率高，適用于大批量生產(chǎn) 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。改善了金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能 鋼錠內(nèi)部的組織缺陷，如疏松、晶粒粗大，經(jīng)塑性變形后，組織變得致密，夾雜物被擊碎； 與機械加工相比，金屬的纖維組織不會被切斷，因而結(jié)構(gòu)性能得到提高。 同

4、時，由于金屬塑性變形后性能提高，在相同服役條件下，零件的截面可以減小。 材料利用率高 金屬塑性成形主要靠金屬的體積轉(zhuǎn)移金屬的體積轉(zhuǎn)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。 體積成形 （熱加工） 板料成形 （冷加工） 鍛造軋制自由鍛造拉拔擠壓 模鍛成形工序 分離工序 落料 沖孔 拉深 彎曲 軋制軋制擠壓擠壓 拉拔拉拔 自由鍛自由鍛開式模鍛開式模鍛沖裁沖裁拉深拉深閉式模鍛閉式模鍛 塑性成形力學(xué)，是塑性理論（或塑性力學(xué)）的發(fā)展和應(yīng)用中逐漸形成

5、的： 1864年法國工程師H.Tresca首次提出最大切應(yīng)力屈服準則； 1925年德國卡爾曼用初等應(yīng)力法建立了軋制時的應(yīng)力分布規(guī)律； 薩克斯和齊別爾提出了切塊法即主應(yīng)力法；再后來，滑移線法、上限法、有限元法等相繼得到發(fā)展。目的： 科學(xué)系統(tǒng)地闡明金屬塑性成形的基礎(chǔ)和規(guī)律，為合理制訂塑性成形工藝奠定理論基礎(chǔ)。任務(wù)： 掌握塑性成形時的金屬學(xué)基礎(chǔ)，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(zhì)的性能；掌握應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和屈服準則等塑性理論基礎(chǔ)知識，以便對變形過程進行應(yīng)力應(yīng)變分析，并尋找塑性變形物體的應(yīng)力應(yīng)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

6、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(xué)問題的各種解法及其在具體工藝中的應(yīng)用，以便確定變形體中的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律和所需的變形力和功，為選擇成形設(shè)備和設(shè)計模具提供依據(jù)。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織 合金：由兩種或兩種以上的金屬構(gòu)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）。Cu-20%Ni的銅合金鑄態(tài)組織Cu -20%Ni的合金均勻化退火組織A356鋁合金半固態(tài)組織 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(diào)性是其變形的主要特點。 晶界：晶粒之間為晶界，晶

7、界表現(xiàn)出許多與晶粒內(nèi)部不同的性質(zhì)；如： 室溫時晶界的強度和硬度高于晶內(nèi)，高溫時則相反； 晶界中原子的擴散速度比晶內(nèi)原子快得多； 晶界的熔點低于晶內(nèi)；晶界容易被腐蝕等。多晶體的塑性變形包括晶內(nèi)變形和晶界變形。（一）晶內(nèi)變形 晶內(nèi)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(yīng)力的作用下，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(chǎn)生相對滑動。一個滑移面和該面上的一個滑移方向構(gòu)成滑移系。滑移的結(jié)果使大量的原子逐步發(fā)生遷移，從而產(chǎn)生宏觀的塑性變形。晶內(nèi)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

8、形增加，還會發(fā)生多系滑移，滑移面還會發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲等。圖13-3滑移方向與滑移面coscos其中：為橫截面上的拉應(yīng)力，稱為取向因子。=45時，最大，切應(yīng)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cos/01AA 0AFcos11AF 2孿生 孿生變形：在切應(yīng)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(guān)系。 在常溫下，大多數(shù)體心立方金屬滑移的臨界切應(yīng)力小于孿生的臨界切應(yīng)力。所以，滑移是優(yōu)先發(fā)生的變形方式。對于面心立方金屬，孿生的臨界切應(yīng)力遠比滑移的大，因此一般不發(fā)生孿生變形。至于密排六方金屬，由于滑移系

9、少，滑移變形難以進行，所以主要靠孿生方式變形。 下列情況易發(fā)生孿生變形： 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相互滑動和轉(zhuǎn)動。 在外力的作用下，當(dāng)沿晶界處的切應(yīng)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(chǎn)生了力偶，造成晶粒間的相互轉(zhuǎn)動。 晶粒相對轉(zhuǎn)動的結(jié)果可使已發(fā)生滑移的晶粒逐漸轉(zhuǎn)到位向不利的位置而停止滑移，而使另外一些晶粒轉(zhuǎn)至有利的位向而發(fā)生滑移

10、。 多晶體的滑移晶粒之間的相對滑動和轉(zhuǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(nèi)的晶界面積越大，滑移在相近的晶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(nèi)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(chǎn)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

11、學(xué)性能和特殊的物理、化學(xué)性能。合金的相結(jié)構(gòu)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(zhì)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、韌性下降，并有較大的加工硬化率。這種現(xiàn)象叫做固溶強化。這是由溶質(zhì)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

12、理來說，仍然是滑移和孿生。 （1）第二相粒子的尺寸與基體相晶粒尺寸屬于同一數(shù)量級，稱為聚合型兩相合金（如-兩相黃銅合金，碳鋼中的鐵素體和粗大滲碳體）。此類合金只有當(dāng)?shù)诙酁檩^強相時，合金才能得到強化。當(dāng)?shù)诙嘁赃B續(xù)網(wǎng)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。 （2）第二相粒子十分細小，并彌散地分布在基體晶粒內(nèi)，稱為彌散型兩相合金（如鋼中細小的滲碳體微粒分布在鐵素體基體上）。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(zhì)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，從而使滑移阻力增

13、加。 另一方面，第二相質(zhì)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。（一）對組織結(jié)構(gòu)的影響 l晶粒內(nèi)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(dāng)變形量很大時，晶粒組織成纖維狀；l晶粒的位向發(fā)生改變：晶粒在變形的同時，也發(fā)生轉(zhuǎn)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(gòu)。 塑性變形改變了金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，因而改變了金屬的力學(xué)性能。 隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度增加，而塑性和韌性相應(yīng)下降。即產(chǎn)生了加工硬化。 加工硬化：在常溫狀態(tài)下，金屬的流動應(yīng)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

14、形外力或變形功。這種現(xiàn)象稱為加工硬化。 這主要是由于塑性變形引起位錯密度增大，導(dǎo)致位錯之間交互作用增強，大量形成纏結(jié)、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）；還可以改善一些冷加工工藝性能，使塑性變形能夠較均勻地分布于整個工件； 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 ： 金屬在再結(jié)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(fù)、再結(jié)晶和加工硬化同時

15、發(fā)生，加工硬化不斷被回復(fù)和再結(jié)晶等軟化過程所抵消，金屬處于高塑性、低變形抗力的軟化狀態(tài)，從而使變形能夠繼續(xù)下去。 熱塑性變形時金屬的軟化過程比較復(fù)雜，它與變形溫度、應(yīng)變速率、變形程度以及金屬本身的性質(zhì)等因素密切相關(guān)。按其性質(zhì)可分為：動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶等。 動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶是在熱塑性變形過程中發(fā)生的；靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶則是在熱變形的間隙期間或熱變形后，利用金屬的高溫余熱進行的。 從熱力學(xué)角度來看，變形引起加工硬化，晶體缺陷增多，金屬畸變內(nèi)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(zhuǎn)變的趨勢。這時，只要動力學(xué)條件允許，例如加熱

16、升溫，使原子具有相當(dāng)?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(zhuǎn)變。這一轉(zhuǎn)變過程稱為回復(fù)和再結(jié)晶，這一過程伴隨有晶粒長大。 回復(fù)往往是在較低的溫度下或較早的階段發(fā)生的過程，再結(jié)晶則是在較高的溫度下或較晚的階段發(fā)生的轉(zhuǎn)變。 1靜態(tài)回復(fù) 在回復(fù)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(fù)溫度范圍內(nèi)，原子只在晶內(nèi)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(fù)（0.10.3）Tm時，回復(fù)的主要機理是點缺陷運動和互相結(jié)合，使點缺陷的濃度下降。 中溫回復(fù)（0.30.5）Tm時，位錯發(fā)團內(nèi)部位錯重新組合和調(diào)整、位錯運動和異號位錯互毀，

17、導(dǎo)致位錯發(fā)團厚度變薄，位錯網(wǎng)絡(luò)清晰，晶界位錯密度下降，亞晶緩慢長大。 高溫回復(fù)發(fā)生時（T0.5Tm），發(fā)生位錯攀移，亞晶合并和多邊形化現(xiàn)象。 冷變形金屬加熱到一定溫度后，會發(fā)生再結(jié)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(fù)不同，再結(jié)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(nèi)應(yīng)力完全消除，物理性能得到恢復(fù)等。 但是，再結(jié)晶并不是一個簡單地使金屬的組織恢復(fù)到變形前的狀態(tài)的過程，可以通過控制變形和再結(jié)晶條件，調(diào)整再結(jié)晶晶粒的大小和再結(jié)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。表13-1 回復(fù)、再結(jié)晶和

18、晶粒長大的特點及應(yīng)用 回 復(fù) 再 結(jié) 晶晶 粒 長 大 發(fā)生溫度較低溫度較高溫度更高溫度轉(zhuǎn)變機制原子活動能量小，空位移動使晶格扭曲恢復(fù)。位錯短程移動，適當(dāng)集中形成規(guī)則排列原子擴散能力大，新晶粒在嚴重畸變組織中形核和生長，直至畸變晶粒完全消失，但無晶格類型轉(zhuǎn)變新生晶粒中大晶粒吞并小晶粒，晶界位移組織變化金相顯微鏡下觀察組織無變化。宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力有較大下降形成新的等軸晶粒，有時還產(chǎn)生再結(jié)晶織構(gòu)，位錯密度大大下降晶粒明顯長大性能變化強度、硬度略有下降，塑性略有上升，電阻率明顯下降強度、硬度明顯下降，加工硬化基本消除。塑性上升使性能惡化，塑性明顯下降 應(yīng)用說明去應(yīng)力退火工藝，一般只有回復(fù)轉(zhuǎn)變再

19、結(jié)晶退火可消除加工硬化效果，消除組織各向異性應(yīng)在工藝處理過程中防止產(chǎn)生 動態(tài)回復(fù)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(fù)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(zhuǎn)移，使異號位錯互相抵消，其結(jié)果是位錯密度下降，畸變能降低，達不到動態(tài)再結(jié)晶所需的能量水平。 所以動態(tài)回復(fù)是層錯能高的金屬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，層錯能低的金屬在變形量很大時才可能發(fā)生動態(tài)再結(jié)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(jié)晶需要一定的驅(qū)動力，只有畸變能差積累到一定水平時，動態(tài)再結(jié)晶才能啟動，否則

20、只能發(fā)生動態(tài)回復(fù)。只有當(dāng)變形程度遠高于靜態(tài)再結(jié)晶所需的臨界變形程度時，動態(tài)再結(jié)晶才會發(fā)生。 l動態(tài)再結(jié)晶的能力除與金屬的層錯能高低有關(guān)外，還與晶界遷移的難易程度有關(guān)。金屬越純，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的能力越強。溶質(zhì)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(jié)晶過程的進行。l動態(tài)再結(jié)晶的晶粒度大小與變形程度、應(yīng)變速率和變形溫度有關(guān)，一般是降低變形溫度、提高應(yīng)變速率和變形程度，會使動態(tài)再結(jié)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(diào)節(jié)晶粒組織的粗細和它的力學(xué)機械性能。l在動態(tài)再結(jié)晶的過程中，由變形引起的硬化過程和由再

21、結(jié)晶引起的軟化過程相互平衡時，真實應(yīng)力趨于穩(wěn)定。 金屬熱塑性變形機理主要有以下幾種： 晶內(nèi)滑移，晶內(nèi)孿生，晶界滑移，擴散蠕變。 其中，晶內(nèi)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)生在高溫變形時。 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、交滑移和位錯結(jié)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(diào)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(yīng)變速率和

22、減小晶粒尺寸，都有利于增大晶界滑動量。 三向壓應(yīng)力狀態(tài)有利于修復(fù)高溫晶界滑動所產(chǎn)生的裂縫，擴大晶界變形。但是，在常規(guī)條件下，晶界滑動相對于晶內(nèi)滑移變形量還是比較小的。 擴散蠕變是在應(yīng)力場作用下，由空位的定向移動引起的。 在一定溫度下，晶體中總存在一定數(shù)量的空位。顯然，空位旁邊的原子容易跳入空位，相應(yīng)地在原子占據(jù)的結(jié)點上出現(xiàn)新的空位，相當(dāng)于空位朝原子遷移的相反方向遷移。在應(yīng)力場作用下，受拉應(yīng)力的晶界的空位濃度高于其它部位的晶界，由于各部位空位的化學(xué)勢能差，而引起空位的定向轉(zhuǎn)移，即空位從垂直于拉應(yīng)力的晶界析出，而被平行于拉應(yīng)力的晶界所吸收。1、改善晶粒組織 經(jīng)熱塑性變形可獲得均勻細小的再結(jié)晶組織，從而獲得較好的綜合機械性能。2、鍛合內(nèi)部缺陷 鑄態(tài)金屬中的缺陷如疏松、空隙和微裂紋等，經(jīng)過鍛造后被壓實，致密度得到提高。3、形成纖維狀組織 鋼錠在熱鍛過程中，隨著變形程度的增加，內(nèi)部粗大的樹狀枝晶沿主變形方向伸長，晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向也逐漸趨于與主變形方向一致，脆性夾雜物被破