第6講金屬塑性變形基礎(chǔ)

材料成型基礎(chǔ)劉志衛(wèi)單位：機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造與自動(dòng)化教研室手機(jī)箱：418884924@安徽理工大學(xué)材料成型基礎(chǔ)第6講金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性成形金屬塑性成形主要內(nèi)容一、金屬塑性變形概念二、影響金屬塑性變形的內(nèi)在因素三、影響金屬塑性變形的加工條件四、金屬塑性變形對(duì)組織和性能的影響五、常用合金的壓力加工性能定義：利用固體金屬材料所具有的塑性變形規(guī)律，在外力作用下通過(guò)塑性變形，獲得具有一定形狀、尺寸、精度和力學(xué)性能的零件或毛坯的加工方法。分類：自由鍛、模鍛、板料沖壓、擠壓、拉拔、軋制等目的：形狀；性能；形狀＋性能金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性成形金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性成形種類金屬塑性成形在工業(yè)中也稱為壓力加工（1）改善金屬的組織、提高力學(xué)性能消除缺陷，得到致密組織，提高力學(xué)性能（2）材料的利用率高體積重新分配（3）較高的生產(chǎn)率加工螺釘，比用棒料切削工效提高約400倍。（4）毛坯或零件的精度較高可實(shí)現(xiàn)少切削或無(wú)切削加工。金屬塑性成形基礎(chǔ)壓力加工特點(diǎn)材料：鋼和非鐵金屬可以在冷或熱態(tài)下壓力加工。用途：各類機(jī)械中受力復(fù)雜的重要零件，如傳動(dòng)軸、機(jī)床主軸、重要齒輪、起重機(jī)吊鉤等，大都采用鍛件做毛坯。對(duì)于飛機(jī)，鍛壓件制成的零件約占各類零件質(zhì)量的85%，而汽車、拖拉機(jī)、火車等約占60～80%。各類儀器、儀表、電器以及生活用品中的金屬制件絕大多數(shù)都是沖壓件。

軋制、擠壓、拉拔主要用于生產(chǎn)型材、棒材、線材、板材及各種管材等。缺點(diǎn)：不能加工脆性材料和形狀特別復(fù)雜或體積特別大的零件或毛坯。金屬塑性成形基礎(chǔ)壓力加工特點(diǎn)塑性成形性能：衡量工藝性好壞的主要指標(biāo)。衡量指標(biāo)：塑性和變形抗力，材料的塑性越好，變形抗力越小，則材料的塑性成形性越好，越適合壓力加工。塑性變形基本規(guī)律：最小阻力定律、加工硬化和體積不變規(guī)律等。金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形概念（1）最小阻力定律最小阻力定律：在塑性變形過(guò)程中，金屬各質(zhì)點(diǎn)將向阻力最小的方向移動(dòng)。（2）加工硬化及卸載彈性恢復(fù)規(guī)律（3）塑性變形時(shí)的體積不變規(guī)律體積不變規(guī)律：塑性變形前、后體積保持不變。金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形概念（2）加工硬化及卸載彈性恢復(fù)規(guī)律（3）塑性變形時(shí)的體積不變規(guī)律體積不變規(guī)律：塑性變形前、后體積保持不變。金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形概念塑性變形是在外力的作用下金屬內(nèi)部原子沿一定的晶面和晶向產(chǎn)生了滑移或?qū)\生的結(jié)果。滑移是晶體在切應(yīng)力的作用下，一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對(duì)于另一部分產(chǎn)生滑動(dòng)。金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)單晶體的滑移變形過(guò)程塑性變形是在外力的作用下金屬內(nèi)部原子沿一定的晶面和晶向產(chǎn)生了滑移或?qū)\生的結(jié)果。孿晶在相應(yīng)的切應(yīng)力作用下，晶體的一部分對(duì)應(yīng)于一定的晶面（孿晶面）沿一定的方向進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。原子移動(dòng)的距離與原子離開(kāi)孿晶面的距離成正比。金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)晶體缺陷-位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)由于位錯(cuò)的存在，使原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在比理論值底許多的切應(yīng)力作用下，處于高能位的原子很容易產(chǎn)生滑移金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)晶體缺陷點(diǎn)缺陷：在三維空間的各個(gè)方向上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個(gè)或幾個(gè)原子尺度，也稱零維缺陷，包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或固溶原子。線缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很小，另外一個(gè)方向上延伸較長(zhǎng)，也稱為一維缺陷，如各種位錯(cuò)。面缺陷：在一個(gè)方向上尺寸很小，另外兩個(gè)方向上擴(kuò)展很大，也稱二維缺陷，包括晶界、相界等。金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形是由組成多晶體的許多單個(gè)晶粒產(chǎn)生變形的綜合效果。金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)多晶體的塑性變形-晶粒取向

由于多晶體金屬晶粒取向不同，導(dǎo)致塑性變形出現(xiàn)不均勻性和強(qiáng)化作用——多晶體塑性變形的特點(diǎn)金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)多晶體的塑性變形-晶界影響影響規(guī)律：金屬晶粒越小，晶界體積百分比越大，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力也越大。細(xì)化晶粒——提高金屬?gòu)?qiáng)度、改善金屬材料的塑性金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)外力作用晶粒內(nèi)部產(chǎn)生滑移或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)晶粒沿著晶界運(yùn)動(dòng)屈服準(zhǔn)則在一定的變形條件下，當(dāng)各應(yīng)力分量之間滿足一定關(guān)系時(shí)，質(zhì)點(diǎn)才開(kāi)始進(jìn)入塑性狀態(tài)，這種關(guān)系稱為屈服準(zhǔn)則。金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)OABCD彈性卸載彈性加載重新屈服瞬時(shí)屈服應(yīng)力屈服準(zhǔn)則在一定的變形條件下，當(dāng)各應(yīng)力分量之間滿足一定關(guān)系時(shí)，質(zhì)點(diǎn)才開(kāi)始進(jìn)入塑性狀態(tài)，這種關(guān)系稱為屈服準(zhǔn)則。C是與材料力學(xué)性能參數(shù)有關(guān)的常數(shù)ij是應(yīng)力張量金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)屈服準(zhǔn)則在一定的變形條件下，當(dāng)各應(yīng)力分量之間滿足一定關(guān)系時(shí)，質(zhì)點(diǎn)才開(kāi)始進(jìn)入塑性狀態(tài)，這種關(guān)系稱為屈服準(zhǔn)則。對(duì)于各向同性的材料，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)并被普遍接受的屈服準(zhǔn)則有兩個(gè)：Tresca屈服準(zhǔn)則和Mises屈服準(zhǔn)則金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)屈雷斯加屈服準(zhǔn)則如果不知道主應(yīng)力大小次序時(shí)，Tresca屈服準(zhǔn)則的普遍表達(dá)式為三個(gè)等式中，只要其中任何一式得滿足，材料就開(kāi)始進(jìn)入屈服

金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)屈雷斯加屈服準(zhǔn)則如果知道主應(yīng)力大小次序時(shí)，Tresca屈服準(zhǔn)則表達(dá)式為T(mén)resca屈服準(zhǔn)則又稱為最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則1和3為第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，且1>3C可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)

金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)米塞斯屈服準(zhǔn)則Mises注意到Tresca屈服準(zhǔn)則未考慮到中間主應(yīng)力的影響，且在主應(yīng)力大小次序不明確的情況下難以正確選用，于是從純數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，建議采用如下的屈服準(zhǔn)則或C1由材料在變形條件下的性質(zhì)確定，與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)

金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)米塞斯屈服準(zhǔn)則Mises屈服準(zhǔn)則與等效應(yīng)力的關(guān)系C1由材料在變形條件下的性質(zhì)確定，與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)

金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)屈雷斯加與米塞斯屈服比較金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)123正六邊形正六棱柱面Tresca六邊形平面屈雷斯加與米塞斯屈服比較金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)平面123兩種屈服準(zhǔn)則的不同點(diǎn)：1.屈雷斯加屈服準(zhǔn)則未考慮中間應(yīng)力使用不方便；2.米塞斯屈服準(zhǔn)則考慮中間應(yīng)力使用方便。這些特點(diǎn)對(duì)于各向同性理想塑性材料的屈服準(zhǔn)則有普遍意義金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)（1）化學(xué)成分純金屬的塑性成形性較合金好。低碳鋼塑性較好。合金元素會(huì)形成合金碳化物，形成硬化相，使鋼的塑性變形抗力增大，塑性下降。雜質(zhì)元素磷會(huì)使鋼出現(xiàn)冷脆性，硫使鋼出現(xiàn)熱脆性，降低鋼的塑性成形性能。金屬塑性成形基礎(chǔ)影響金屬塑性變形的內(nèi)在因素（2）金屬組織純金屬及單相固溶體的合金塑性成形性能較好；碳化物和多相組織時(shí)，塑性成形性能變差；均勻細(xì)小等軸晶粒的金屬，其塑性成形性能比晶粒粗大的柱狀晶粒好；網(wǎng)狀二次滲碳體，鋼的塑性將大大下降。金屬塑性成形基礎(chǔ)影響金屬塑性變形的內(nèi)在因素（1）變形溫度溫度升高，塑性提高，塑性成形性能得到改善。金屬塑性成形基礎(chǔ)影響金屬塑性變形的加工條件溫度升高，原子動(dòng)能增加，原子間的結(jié)合力削弱，使塑性提高、變形抗力減小，改善了金屬的可鍛性（1）變形溫度始端溫度過(guò)高過(guò)熱：溫度過(guò)高，晶粒急劇長(zhǎng)大，導(dǎo)致金屬塑性減小，塑性成形性能下降的現(xiàn)象。過(guò)燒：加熱溫度接近熔點(diǎn)，會(huì)使晶界氧化甚至熔化，導(dǎo)致金屬的塑性變形能力完全消失的現(xiàn)象，坯料如果過(guò)燒將報(bào)廢。終端溫度過(guò)低金屬加工硬化嚴(yán)重，變形抗力增加，強(qiáng)行鍛造，會(huì)導(dǎo)致鍛件破裂報(bào)廢。金屬塑性成形基礎(chǔ)影響金屬塑性變形的加工條件應(yīng)嚴(yán)格控制鍛造溫度范圍（2）變形速度變形速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)變形程度的大小。金屬塑性成形基礎(chǔ)影響金屬塑性變形的加工條件一般塑性較差的材料（如高合金鋼、高碳鋼等）或大型鍛件，宜采用較小的變形速度，在壓力機(jī)而不在鍛錘上加工，以防鍛裂。

a—臨界變形速度1－變形抗力曲線2－塑性變化曲線（3）應(yīng)力狀態(tài)實(shí)踐證明，在三向應(yīng)力狀態(tài)下，壓應(yīng)力的數(shù)目越多，則其塑性越好；拉應(yīng)力的數(shù)目越多，則其塑性越差。選擇塑性成形加工方法時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)力狀態(tài)對(duì)金屬塑性變形的影響。金屬塑性成形基礎(chǔ)影響金屬塑性變形的加工條件（3）應(yīng)力狀態(tài)金屬塑性成形基礎(chǔ)影響金屬塑性變形的加工條件思考：圓棒拔長(zhǎng)采用哪一種方法更好？（4）其它模具和工具：模膛內(nèi)應(yīng)有圓角，以減小金屬成形時(shí)的流動(dòng)阻力，避免鍛件被撕裂或纖維組織被拉斷而出現(xiàn)裂紋。潤(rùn)滑劑：減小金屬流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，利于塑性成形加工。金屬塑性成形基礎(chǔ)影響金屬塑性變形的加工條件（1）金屬的形變強(qiáng)化（加工硬化）產(chǎn)生原因——各滑移方向的位錯(cuò)互相干涉，相互阻礙影響——金屬塑性降低，進(jìn)一步變形的難度增大，要求壓力加工設(shè)備的功率增大；應(yīng)用：

1）可利用加工硬化來(lái)強(qiáng)化金屬，提高金屬?gòu)?qiáng)度、硬度和耐磨性；2）在一定程度上提高構(gòu)件在使用過(guò)程中的安全性金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形對(duì)組織和性能的影響（2）金屬的組織結(jié)構(gòu)變化

變形前后晶粒形狀變化示意圖金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形對(duì)組織和性能的影響晶粒沿變形方向伸長(zhǎng)，性能趨于各向異性（3）金屬塑性變形后的殘余應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力是指外力去除后，殘留于金屬內(nèi)部且平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。它主要是金屬在外力的作用下，內(nèi)部變形不均勻造成的，可分為三類：第一類由于金屬一部分和另一部分變形不均勻而平衡于它們之間的宏觀殘余內(nèi)應(yīng)力。如拉絲時(shí)表面和心部。當(dāng)宏觀殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力方向一致時(shí)會(huì)降低材料強(qiáng)度。第二類相鄰晶粒變形不均勻或晶內(nèi)不同部位變形不均勻造成的圍觀殘余內(nèi)應(yīng)力。第三類由于位錯(cuò)等缺陷的增加所造成的晶格畸變應(yīng)力。金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性變形對(duì)組織和性能的影響要消除形變強(qiáng)化、消除殘余應(yīng)力，必須對(duì)塑性變形金屬加熱，因?yàn)樵谑覝叵?，原子活?dòng)能量小，不可能自行恢復(fù)到未變形前的穩(wěn)定狀態(tài)。加熱后，原子活動(dòng)能力增加，就能消除晶格畸變和降低殘余應(yīng)力。隨著加熱溫度的升高，塑性變形金屬組織和性能變化可分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段。金屬塑性成形基礎(chǔ)加熱時(shí)金屬組織和性能的變化1、回復(fù)金屬在加熱到某一溫度時(shí)，通過(guò)原子的少量擴(kuò)散而消除晶粒的晶格扭曲，可顯著降低金屬的內(nèi)應(yīng)力，這一過(guò)程稱為回復(fù)。這一溫度為回復(fù)溫度。T回≈（0.25-0.3）T熔經(jīng)過(guò)回復(fù)過(guò)程后，金屬的顯微組織沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，金屬的強(qiáng)度和塑性變化不大。金屬塑性成形基礎(chǔ)加熱時(shí)金屬組織和性能的變化2、再結(jié)晶溫度繼續(xù)升高，金屬原子擴(kuò)散能力加強(qiáng)，達(dá)到一定溫度時(shí)，以某些碎晶或雜質(zhì)為晶核重新結(jié)晶，形成新的等軸晶粒T再≈0.4T熔再結(jié)晶只改變了晶粒形狀，晶格類型不變，不是相變?cè)俳Y(jié)晶后的金屬，強(qiáng)度、硬度顯著下降，塑性和韌性顯著提高，內(nèi)應(yīng)力完全消除。金屬塑性成形基礎(chǔ)加熱時(shí)金屬組織和性能的變化3、晶粒長(zhǎng)大溫度繼續(xù)升高，或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，則再結(jié)晶后的晶粒又會(huì)長(zhǎng)大而形成粗大的晶粒。從而導(dǎo)致金屬的強(qiáng)度、硬度和塑性下降。所以要正確選擇再結(jié)晶溫度和加熱時(shí)間的長(zhǎng)短金屬塑性成形基礎(chǔ)加熱時(shí)金屬組織和性能的變化金屬在塑性變形時(shí)根據(jù)加熱溫度可分為熱成形、冷成形及溫成形。

1、冷成形坯料在回復(fù)溫度以下進(jìn)行的塑性成形過(guò)程，變形過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)加工硬化。2、熱成形金屬在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性成形過(guò)程，變形過(guò)程中既有加工硬化又有再結(jié)晶，如硬化被再結(jié)晶完全消除，可獲得綜合力學(xué)性能良好的再結(jié)晶組織。3、溫成形金屬在高于回復(fù)溫度和底于再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的塑性成形過(guò)程，變形過(guò)程中有加工硬化和回復(fù)現(xiàn)象，但無(wú)再結(jié)晶，硬化只能得到部分消除。金屬塑性成形基礎(chǔ)冷成形、熱成形、溫成形溫成形較之冷成形可以降低變形力，且有利于提高金屬塑性較之熱成形可降低能耗，且減少加熱缺陷適用于強(qiáng)度較高、塑性較差的金屬，在生產(chǎn)常用于尺寸較大、材料強(qiáng)度較高的零件或半成品制造。冷塑性變形金屬再再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形熱塑性變形金屬在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形在鍛壓生產(chǎn)中，進(jìn)行冷塑性變形又稱為冷加工，進(jìn)行熱塑性變形又稱為熱加工。金屬塑性成形基礎(chǔ)冷成形、熱成形、溫成形（1）鍛造比變形程度過(guò)小，不能起到細(xì)化晶粒提高金屬力學(xué)性能的目的；變形程度過(guò)大，出現(xiàn)纖維組織，增加金屬的各向異性，極限時(shí)將會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂等缺陷。金屬塑性成形基礎(chǔ)鍛造比與鍛造流線（1）鍛造比鍛造時(shí)通常用變形前后的截面比、長(zhǎng)度比或高度比來(lái)表示變形程度的大小拔長(zhǎng)：Y鍛=S0/S（S0、S拔長(zhǎng)前后的橫截面積）；鐓粗：Y鍛=H0/H（H0、H鐓粗前后坯料的高度）。隨著鍛造比的增加，金屬力學(xué)性能顯著提高：組織致密，晶粒細(xì)化程度高金屬塑性成形基礎(chǔ)鍛造比與鍛造流線（1）鍛造比Y鍛--碳素結(jié)構(gòu)鋼2～3；合金結(jié)構(gòu)鋼3～4；高合金工具鋼5～12。以鋼材為坯料時(shí)，1.1～1.3。表示變形程度的技術(shù)參數(shù)：相對(duì)彎曲半徑(r/t)、拉深系數(shù)(m)、翻邊系數(shù)(k)等。金屬塑性