塑性成形理論基礎(chǔ)1

1、金屬塑性成形理論基礎(chǔ)郭 成 教授1 主要參考文獻(xiàn)1 邢建東，陳金德 主編. 材料成形技術(shù)基礎(chǔ)（第2版），機(jī)械工業(yè)出版社，2007.62余漢清，陳金德 編. 金屬塑性成形原理，機(jī)械工業(yè)出版社，1999.103汪大年主編.金屬塑性成形原理，機(jī)械工業(yè)出版社，1986.112 企業(yè)工程師提出的問題(1)不同頭型的冷鐓力計(jì)算方法和公式。(2)冷鐓時(shí)金屬變形的規(guī)律和遵循準(zhǔn)則。(3)模具外徑、鎢鋼外徑、與產(chǎn)品外徑在設(shè)計(jì)中如何匹配才能保證模具達(dá)到最好壽命。(4)金屬材料塑性變形(5)冷擠壓原理(6)冷鐓件設(shè)計(jì)（工位）(7)冷鍛模結(jié)構(gòu)類型（多工位連續(xù)模）(8)冷擠壓的摩擦系數(shù)知識(shí)3 塑性成形是利用金屬的塑性，在

2、外力作用下使金屬發(fā)生塑性變形，從而獲得所需要形狀和性能工件的一種加工方法；因此，又稱為塑性加工或壓力加工。41. 塑性成形的物理冶金學(xué)基礎(chǔ)51.1 塑性變形機(jī)理1）冷塑性變形機(jī)理 多晶體的塑性變形包括晶內(nèi)變形和晶界變形（晶間變形）兩種。在冷態(tài)條件下，由于晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)，多晶體的塑性變形主要是晶內(nèi)變形，晶間變形只起次要作用，而且需要有其它變形機(jī)制相協(xié)調(diào)。6 晶內(nèi)變形方式有滑移和孿生。由于滑移所需臨界切應(yīng)力小于孿生所需臨界切應(yīng)力，故多晶體塑性變形的主要方式是滑移變形，孿生變形是次要的，一般僅起調(diào)節(jié)作用。對(duì)于密排六方金屬，孿生變形起著重要作用。 7圖1-1 晶體滑移時(shí)的應(yīng)力分析8 晶體的滑移過程，

3、實(shí)質(zhì)上是位錯(cuò)的移動(dòng)和增殖的過程。由于在這個(gè)過程中位錯(cuò)的交互作用，位錯(cuò)反應(yīng)和相互交割加劇，產(chǎn)生固定割階、位錯(cuò)纏結(jié)等障礙，使位錯(cuò)難以越過這些障礙。要使金屬繼續(xù)變形，就需要不斷增加外力，便產(chǎn)生了加工硬化。 9圖1-2 刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成晶體滑移變形的示意10圖1-3 螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成晶體滑移變形的示意11圖1-4 面心立方晶體孿生變形示意12 冷塑性變形時(shí)，多晶體主要是晶內(nèi)滑移變形;實(shí)質(zhì)上是位錯(cuò)的移動(dòng)和增殖的過程;由于位錯(cuò)的交互作用,塑性變形時(shí) 產(chǎn)生了加工硬化。 132）熱塑性變形機(jī)理 變形機(jī)理主要有：晶內(nèi)滑移與孿生、晶界滑移和擴(kuò)散蠕變。高溫時(shí)原子間距加大，熱振動(dòng)和擴(kuò)散速度增加，位錯(cuò)滑移、攀移、交滑移

4、及節(jié)點(diǎn)脫錨比低溫容易；滑移系增多，滑移靈便性提高，各晶粒之間變形更加協(xié)調(diào)；晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙作用減弱。因此，其主要機(jī)理仍然是晶內(nèi)滑移。 14 熱塑性變形時(shí)，由于晶界強(qiáng)度降低，使得晶界滑動(dòng)易于進(jìn)行；溫度越高，原子動(dòng)能和擴(kuò)散能力就越大，擴(kuò)散蠕變既直接為塑性變形作貢獻(xiàn)，也對(duì)晶界滑移其調(diào)節(jié)作用。 15 熱塑性變形的主要機(jī)理仍然是晶內(nèi)滑移；由于晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散蠕變作用的增加，再加之變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶。因此，熱態(tài)下金屬塑性變形能力比冷態(tài)下高，變形抗力較低。 16圖1-5 動(dòng)、靜回復(fù)和再結(jié)晶示意17圖1-6 擴(kuò)散蠕變示意a）空位和原子的移動(dòng)方向 b）晶內(nèi)擴(kuò)散 c）晶界擴(kuò)散181.2 塑性變形對(duì)組織與

5、性能的影響a、冷塑性變形對(duì)組織和性能的影響 1）對(duì)金屬組織的影響（1）在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶和孿生帶等組織（2）形成了纖維組織 19 冷加工變形后，金屬晶粒形狀發(fā)生了變化，變化趨勢(shì)大體與金屬宏觀變形一致。軋制變形時(shí)，原等軸晶粒沿變形方向伸長。變形程度大時(shí)，晶粒呈現(xiàn)為一片如纖維狀的條紋，稱為纖維組織。當(dāng)有夾雜或第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，則它們會(huì)沿變形方向拉長成細(xì)帶狀或粉碎成鏈狀。 20（3）變形織構(gòu) 多晶體塑性變形時(shí)伴隨著晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量很大時(shí)，多晶體中原為任意取向的各個(gè)晶粒，會(huì)逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致，這種由于塑性變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織，稱為“變形織構(gòu)”。 21圖1-7 絲織構(gòu)示意圖a）拉拔

6、前 b）拉拔后22圖1-8 板織構(gòu)示意a) 軋制前 b）軋制后23（4）晶粒內(nèi)產(chǎn)生胞狀亞結(jié)構(gòu) 塑性變形主要是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。大變形后，位錯(cuò)密度可從退火狀態(tài)106107cm-2增加到10111012cm-2。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及交互作用結(jié)果，其分布是不均勻的。它們先是紛亂地糾纏成群，形成“位錯(cuò)纏結(jié)”。變形量增大，就形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。 242）對(duì)金屬性能的影響 隨著變形程度的增加，金屬強(qiáng)度、硬度增加，而塑性、韌性降低。 金屬的性能將顯示各向異性。 25圖1-9 45號(hào)鋼力學(xué)性能與變形程度的關(guān)系曲線26圖1-10 因板織構(gòu)所造成的“制耳”a) 無制耳 b) 有制耳27b、熱塑性變形對(duì)組織和性能的影響1）對(duì)組織的

7、影響（1）改善晶粒組織，細(xì)化晶粒 鑄態(tài)金屬，粗大樹枝狀晶塑性變形及再結(jié)晶而變成等軸（細(xì)）晶粒組織；對(duì)于經(jīng)軋制、鍛造或擠壓的鋼坯或型材，在熱加工中通過塑性變形與再結(jié)晶，其晶粒組織一般也可得到改善。 28（2）鍛合內(nèi)部缺陷 鑄態(tài)金屬中疏松、空隙和微裂紋等缺陷被壓實(shí)，提高金屬致密度。鍛合經(jīng)歷兩個(gè)階段：缺陷區(qū)發(fā)生塑性變形，空隙兩壁閉合；在壓應(yīng)力作用下，加上高溫，使金屬焊合。沒有足夠大的變形，不能實(shí)現(xiàn)空隙閉合，很難達(dá)到宏觀缺陷焊合。足夠大三向壓應(yīng)力，能實(shí)現(xiàn)微觀缺陷鍛合。 29（3）形成纖維組織 熱變形過程中，變形程度增加，鋼錠內(nèi)粗大樹枝晶沿變形方向伸長，與此同時(shí)，晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物走向也逐漸與

8、主變形方向一致，形成流線。由于再結(jié)晶的結(jié)果，被拉長的晶粒變成細(xì)小的等軸晶，而流線卻很穩(wěn)定地保留下來直至室溫。30圖1-11 鋼錠鍛造過程中纖維組織形成的示意31（4）破碎改善碳化物和非金屬夾雜在鋼中分布 高速鋼、高鉻鋼、高碳工具鋼等，其內(nèi)部含有大量的碳化物。通過鍛造或軋制，可使這些碳化物被打碎、并均勻分布，從而改善了它們對(duì)金屬基體的削弱作用。 322）對(duì)性能的影響 細(xì)化晶粒、鍛合內(nèi)部缺陷、破碎并改善碳化物和非金屬夾雜在鋼中分布可提高材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。 纖維組織形成，使金屬力學(xué)性能呈各向異性，沿流線方向比垂直流線方向具有較高的力學(xué)性能，其中尤以塑性、韌性指標(biāo)最為顯著。 331.3 變

9、形條件對(duì)金屬塑性的影響1）變形溫度對(duì)金屬塑性的影響 其總的趨勢(shì)是：隨著溫度的升高，塑性增加，但是這種增加并非簡(jiǎn)單的線性上升；在加熱過程的某些溫度區(qū)間，往往由于相變或晶粒邊界狀態(tài)的變化而出現(xiàn)脆性區(qū)，使金屬的塑性降低。 34圖1-12 碳鋼的塑性隨溫度的變化曲線35 溫度升高使金屬塑性增加的原因，歸納起來有以下幾個(gè)方面：（1）發(fā)生回復(fù)或再結(jié)晶 回復(fù)使金屬得到一定程度的軟化，再結(jié)晶則完全消除了加工硬化的效應(yīng)，因而使金屬的塑性提高。36（2）原子動(dòng)能增加 原子動(dòng)能增加使位錯(cuò)活動(dòng)性提高、滑移系增多，從而改善了晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性。例如，面心立方的鋁，在室溫時(shí)的滑移面為（111），當(dāng)溫度升高到400時(shí)，除

10、了（111）面外，（100）面也參與滑移，在450550溫度范圍內(nèi)，鋁的塑性最好。 37（3）金屬的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 可由多相組織轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘟M織，也可由對(duì)塑性不利晶格轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)塑性有利的晶格。例，碳鋼在9501250溫度范圍內(nèi)處于單相奧氏體組織，塑性最好。又如，鈦在室溫時(shí)呈密排六方晶格，溫度高于882時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格（-Ti），因而塑性有明顯增加。 38（4）擴(kuò)散蠕變機(jī)理起作用 它不僅對(duì)塑性變形直接作貢獻(xiàn)，還對(duì)變形起協(xié)調(diào)作用，因此使金屬塑性增加。特別是高溫低速條件下細(xì)晶組織金屬的塑性變形，其發(fā)揮的作用就更大. 39（5）晶間滑移作用增強(qiáng) 隨溫度升高，晶界切變抗力顯著降低，晶間滑移易于進(jìn)行；

11、高溫?cái)U(kuò)散作用加強(qiáng)及時(shí)消除了晶間滑移所引起的微裂紋，使晶間滑移量增大；此外，晶間滑移的結(jié)果，能松弛相鄰晶粒間由于不均勻變形所引起的應(yīng)力集中, 促使金屬在高溫下塑性的增加。 402）應(yīng)變速率對(duì)金屬塑性的影響 單位時(shí)間的應(yīng)變稱為應(yīng)變速率。成形設(shè)備的工作速度差別很大，水壓機(jī)約為1l0cm/s，機(jī)械壓力機(jī)約為30l00cm/s，鍛錘約為500900cm/s。設(shè)備工作速度不同，工件應(yīng)變速率必然也不同。為制訂變形時(shí)溫度速度規(guī)范，需了解應(yīng)變速率對(duì)塑性行為的影響。 41 應(yīng)變速率增加，既有使塑性降低的一面，又有使塑性增加的一面，綜合作用的結(jié)果，最終決定了金屬塑性的變化；總的說來，熱變形時(shí)對(duì)塑性的影響較冷變形時(shí)大

12、。隨著變形溫度不同，應(yīng)變速率對(duì)塑性影響的各機(jī)理所起的作用不同。在分析應(yīng)變速率影響時(shí)，不應(yīng)脫離變形溫度因素，而應(yīng)將溫度、速率聯(lián)系起來考慮。 42 對(duì)塑性影響的一些基本結(jié)論如下。（1）一般趨勢(shì)為：較低應(yīng)變速率下提高應(yīng)變速率，溫度效應(yīng)所引起的塑性增加小于其它機(jī)理所引起的塑性降低，最終塑性降低；應(yīng)變速率較大，溫度效應(yīng)增大，塑性不再隨應(yīng)變速率增加而降低；應(yīng)變速率更大，溫度效應(yīng)顯著，對(duì)塑性有利影響超過其它機(jī)理對(duì)塑性不利影響，使得塑性回升。43圖1-13 應(yīng)變速率對(duì)塑性的影響44（2）對(duì)于具有脆性轉(zhuǎn)變的金屬，如果應(yīng)變速率增加，由于溫度效應(yīng)作用加強(qiáng)而使金屬由塑性區(qū)進(jìn)入脆性區(qū)，則金屬的塑性降低；反之，如果溫度效

13、應(yīng)的作用恰好使金屬由脆性區(qū)進(jìn)入塑性區(qū)，則對(duì)提高金屬塑性有利。 45（3）從工藝角度來看，提高應(yīng)變速率會(huì)在以下幾個(gè)方面起有利作用：第一，降低摩擦系數(shù)，從而降低金屬的流動(dòng)阻力，改善金屬的充填性及變形的不均勻性。 46第二，減少熱量損失，從而減少毛坯溫度下降和分布不均勻性。這對(duì)工件形狀復(fù)雜（如具有薄壁、高肋等）且鍛造溫度范圍又窄的場(chǎng)合有利。第三，出現(xiàn)所謂“慣性流動(dòng)效應(yīng)”，從而改善金屬的充填性。 47（4）在極高的應(yīng)變速率（爆炸成形壓力波的速度約為1 2007000m/s，電液成形約為6 000ms，電磁成形約為3 0006000m/s）下，材料的塑性變形能力大為提高。 48 壓應(yīng)力個(gè)數(shù)越多、數(shù)值越大

14、，則靜水壓力就越大，材料的塑性越好；反之，拉應(yīng)力個(gè)數(shù)越多、數(shù)值越大，靜水壓力小，材料的塑性也越差。 3）應(yīng)力狀態(tài)對(duì)金屬塑性的影響 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性的影響，實(shí)際上是通過靜水壓力0起作用的。491.5 塑性變形的特點(diǎn)1)各晶粒變形的不同時(shí)性 變形不是在所有晶粒內(nèi)同時(shí)發(fā)生，而是首先在那些位向有利、滑移系上剪應(yīng)力分量?jī)?yōu)先達(dá)到臨界值的晶粒內(nèi)進(jìn)行。開始變形晶粒中的位錯(cuò)無法移出晶粒，在接近晶界的區(qū)域塞積，位錯(cuò)塞積群產(chǎn)生很強(qiáng)的應(yīng)力場(chǎng)，越過晶界作用到相鄰晶粒上，使其得到附加的應(yīng)力。最終使位向不利相鄰晶粒某些取向因子小的滑移系位錯(cuò)源也開動(dòng)起來，從而發(fā)生相應(yīng)的滑移。502)各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性 多晶體中每個(gè)晶粒都處于其它晶粒包圍之中，它們的變形不是孤立和任意的，而是需要相互協(xié)調(diào)配合，否則無法保持晶粒之間的連續(xù)性。故此，要求每個(gè)晶粒進(jìn)行多系滑移，每個(gè)晶粒至少要求有五個(gè)獨(dú)立的滑移系啟動(dòng)。 513)變形的不均勻性 軟位向晶粒先發(fā)生滑移變形，硬位向晶粒繼之，最終表現(xiàn)出各晶粒變形量不同。由于存在晶界，其變形不如晶