銅及銅合金物理冶金基礎(chǔ)-塑性加工原理

銅及銅合金物理冶金基礎(chǔ)銅的基本特點(diǎn)、應(yīng)用及分類1主要內(nèi)容紫銅的組織與性能4銅合金設(shè)計(jì)的基本原理2典型白銅與青銅的組織與性能6黃銅的組織與性能5金屬塑性加工原理7典型銅合金相圖3緒論07.1塑性流動(dòng)規(guī)律（最小阻力定律）

7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)7.5塑性加工過(guò)程的斷裂與可加工性7.6“三度五圖”及應(yīng)用

7金屬塑性加工原理7.1塑性流動(dòng)規(guī)律（最小阻力定律）

最小阻力定律

變形過(guò)程中，物體各質(zhì)點(diǎn)將向著阻力最小的方向移動(dòng)。即做最少的功，走最短的路。

如右圖，在模鍛中增加飛邊阻力，或修磨圓角r?？蓽p少金屬流向A腔的阻力，使金屬填充得更好。圖7-1

存在接觸面摩擦?xí)r，物體各質(zhì)點(diǎn)向周邊流動(dòng)的阻力與質(zhì)點(diǎn)離周邊的距離成正比，因而必然向周邊最短法線流動(dòng)，周邊形狀表現(xiàn)為最小的圓形。

7.1塑性流動(dòng)規(guī)律（最小阻力定律）

最小周邊法則μ=0，理想情況角等分線上，向X、y方向的距離相等。

角等分線劃分區(qū)域，箭頭當(dāng)下為質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)的最短法線方向。μ≠0yx阻力最小方向：斷面輪廓線作的最短法向方向移動(dòng)。六邊形橢圓圓形μ=0，理想情況圖7-2圖7-3任何斷面，只要塑性足夠，經(jīng)鍛造后最終趨向于圓形。7.1塑性流動(dòng)規(guī)律（最小阻力定律）例1：方坯在平錘間壓縮時(shí)如圖7-4所示。隨著鐓粗的進(jìn)行，方截面逐漸變?yōu)閳A截面。正方形斷面變形模式圖7-47.1塑性流動(dòng)規(guī)律（最小阻力定律）例2：矩形截面坯料在平砧拔長(zhǎng)時(shí)，當(dāng)送進(jìn)量l大于坯料寬度a時(shí)(圖7-5a)，金屬多沿橫向流動(dòng)，坯料寬度增加的多。當(dāng)l<a時(shí)，金屬多沿軸向流動(dòng)(圖7-5b)，坯料軸向伸長(zhǎng)的多。因此，生產(chǎn)操作時(shí)，為提高拔長(zhǎng)的效率，應(yīng)適當(dāng)減少送給量l(但也不宜太小)；若要使坯料展寬時(shí)，送進(jìn)量應(yīng)大些。拔長(zhǎng)坯料的變形模式拔長(zhǎng)坯料的變形模式圖7-57.1塑性流動(dòng)規(guī)律（最小阻力定律）

根據(jù)體積不變條件和最小阻力定律，可大體確定出塑性成形時(shí)的金屬流動(dòng)規(guī)律。有時(shí)還可用來(lái)選擇坯料的斷面和尺寸、加工工具的形狀和尺寸等。例3：在壓下量、輥徑相同的條件下，坯料寬度不同的軋制情況是不同的。從左圖中看出，在圖7-6(a)、(b)兩種情況下，三角形區(qū)是完全相同的，即這兩種情況下向?qū)挾确较蛏狭鲃?dòng)的質(zhì)點(diǎn)數(shù)目是一樣的。但與整個(gè)接觸面上所有質(zhì)點(diǎn)相比，第一種情況向?qū)捪蛄鲃?dòng)質(zhì)點(diǎn)所占比例比第二種大，故窄板寬展比寬板的寬展率大。圖7-6不同寬度坯料軋制時(shí)寬展情況7.1塑性流動(dòng)規(guī)律（最小阻力定律）例4：在壓下量相同而軋輥直徑不同的條件下，當(dāng)軋制寬度相同的軋件時(shí)，則可預(yù)計(jì)大輥軋制時(shí)的寬展大，如圖7-7。精軋時(shí)，為了控制寬展，一般多采用工作輥較小的多輥軋機(jī)軋制。圖7-7軋輥直徑不同時(shí)軋件變形區(qū)縱橫方向阻力圖7.1塑性流動(dòng)規(guī)律（最小阻力定律）7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)7.5塑性加工過(guò)程的斷裂與可加工性7.6“三度五圖”及應(yīng)用

7金屬塑性加工原理（1）摩擦的影響（2）變形區(qū)的幾何因素的影響（3）工具的形狀和坯料形狀的影響（4）外端的影響（5）變形溫度的影響（6）金屬性質(zhì)不均的影響7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素

摩擦的影響

實(shí)質(zhì)：由于摩擦力的作用，在一定程度上改變了金屬的流動(dòng)特性并使應(yīng)力分布受到影響。

7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素

圓柱體鐓粗時(shí)，由于接觸面上有摩擦存在，在接觸表面附近金屬流動(dòng)困難，圓柱形坯料轉(zhuǎn)變成鼓形(左圖)。在此情況下，可將變形金屬整個(gè)體積大致分為三個(gè)區(qū)：

I區(qū)表示由外摩擦影響產(chǎn)生的難變形區(qū)；

Ⅱ區(qū)表示與作用力成45°角的最有利方位的易變形區(qū)；

Ⅲ區(qū)表示變形程度居中間的自由變形區(qū)。圖7-87.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素

外摩擦不僅影響變形，而且使接觸面上的應(yīng)力(或單位壓力)分布不均勻。沿試樣邊緣的應(yīng)力等于金屬的屈服極限，從邊緣到中心部分，應(yīng)力逐漸升高。此情形可從帶孔的玻璃錘頭鍛粗塑料的實(shí)驗(yàn)看出(左圖）。另外，沿物體高度方向由接觸面至變形體的中部，應(yīng)力的分布是逐漸減小的，這是因外摩擦的影響逐漸減弱所致。圖7-9用塑料鐓粗時(shí)單位壓力分布圖7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素圖7-10圓環(huán)鐓粗的金屬流動(dòng)(a)變形前(b)摩擦系數(shù)很小或?yàn)榱?C)有摩擦

環(huán)形件墩粗時(shí)，由于摩擦的作用，還會(huì)局部改變金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)方向，如右圖。當(dāng)接觸面上的摩擦系數(shù)很小或無(wú)摩擦?xí)r，圓環(huán)上每一質(zhì)點(diǎn)均沿徑向作輻射狀向外流動(dòng)(圖b)，變形后內(nèi)外徑均增大;

當(dāng)接觸面的摩擦系數(shù)增加至某臨界值時(shí)，靠近內(nèi)徑處的金屬質(zhì)點(diǎn)向外流動(dòng)阻力大于向內(nèi)流動(dòng)阻力，從而改變了流動(dòng)方向。這時(shí)在圓環(huán)中出現(xiàn)一個(gè)半徑為Rn的分流面，該面以內(nèi)的金屬向中心流動(dòng)，該面以外的金屬向外流動(dòng)，變形后的圓環(huán)內(nèi)徑縮小，外徑增大(圖c)，而且分流面半徑Rn隨著摩擦系數(shù)的增加而加大。

變形區(qū)的幾何因素的影響

變形區(qū)的幾何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影響變形和應(yīng)力分布很重要的因素。7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素

右圖為表示變形區(qū)幾何因素作用的近似模型。當(dāng)在平行的平錘間塑壓圓柱體時(shí)，首先在主錐（等腰直角三角形）附近產(chǎn)生塑性變形，因?yàn)?5°剪應(yīng)力最大，最易滑移。隨著變形的繼續(xù)，在主錐內(nèi)外都可能產(chǎn)生滑移，主要由上下兩錐間距離h2決定。圖7-117.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素單鼓形變形難以深入，雙鼓形接觸面出現(xiàn)滑動(dòng)，單鼓形接觸面可能全滑動(dòng)變形越來(lái)越深入，但是變形抗力也越來(lái)越大！圖7-12h2為各種數(shù)值時(shí)的情況

工具的形狀和坯料形狀的影響

工具（或坯料）形狀是影響金屬塑性流動(dòng)方向的重要因素。工具與金屬形狀的差異，是造成金屬沿各個(gè)方向流動(dòng)的阻力有差異，因而金屬向各個(gè)方向的流動(dòng)（即變形量）也有相應(yīng)差別。

7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素例1：在圓形砧或V型砧中撥長(zhǎng)圓斷面坯料時(shí)，工具的側(cè)面壓力使金屬沿橫向流動(dòng)受到很大的阻礙，被壓下的金屬大量沿軸向流動(dòng)，這就使拔長(zhǎng)效率大大提高。圖c即相反。圖7-13型跕中拔長(zhǎng)方形斷面軋件進(jìn)人橢圈(或圓形)孔型的軋制，其寬向上所承受的壓下量不一致，致使沿軋件寬向上延伸的分布也不均勻，易造成軋件的歪扭和扭結(jié)。

外端的影響

外端（未變形的金屬）對(duì)變形區(qū)金屬的影響主要是阻礙變形區(qū)金屬流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生或加劇附加的應(yīng)力和應(yīng)變。

變形體的外端是指在變形過(guò)程中某一瞬間不直接承受工具的作用而處于變形區(qū)以外的部分，稱為外端或剛端。7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素圖7-147.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素圖7-15圖7-16

變形溫度的影響

變形物體的溫度不均勻，會(huì)造成金屬各部分變形和流動(dòng)的差異。變形首先發(fā)生在那些變形抗力最小的部分。一般，在同一變形物體中高溫部分的變形抗力低，低溫部分的變形抗力。7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素例：軋件在加熱爐中加熱時(shí)由于下面加熱不足，軋件上面溫度高于下面溫度，這樣，在軋制時(shí)鋼坯的上層壓下率大，產(chǎn)生的延伸就大，下圖層壓下率小，延伸也就小。結(jié)果軋出軋件向下彎曲。

金屬性質(zhì)不均的影響

變形金屬中的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、夾雜物、相的形態(tài)等分布不均會(huì)造成金屬各部分的變形和流動(dòng)的差異。7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素例2：軋制鋁鋼雙層金屬時(shí)，由于鋁的變形抗力低于鋼，在軋制時(shí)鋁比鋼產(chǎn)生更大的延伸。所以軋出后，軋件向鋼的一面彎曲，如圖7-17。圖7-177.1塑性流動(dòng)規(guī)律（最小阻力定律）7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)7.5塑性加工過(guò)程的斷裂與可加工性7.6“三度五圖”及應(yīng)用

7金屬塑性加工原理（1）均勻變形與不均勻變形（2）研究變形分布的方法（3）基本應(yīng)力與附加應(yīng)力（4）殘余應(yīng)力7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力

均勻變形與不均勻變形

若變形區(qū)內(nèi)金屬各質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)相同，即它們相應(yīng)的各個(gè)軸向上變形的發(fā)生情況、發(fā)展方向及應(yīng)變量的大小都相同，這個(gè)體積的變形可視為均勻的。不均勻變形實(shí)質(zhì)上是由金屬質(zhì)點(diǎn)不均勻流動(dòng)引起的。因此，凡是影響金屬塑性流動(dòng)的因素，都會(huì)對(duì)不均勻變形產(chǎn)生影響。影響金屬塑性流動(dòng)的因素有摩擦、變形區(qū)的幾何因素、工具和坯料的形狀、材料外端、變形溫度、金屬本身的性質(zhì)不均勻等，因此，諸上因素都影響金屬的不均勻變形。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力均勻變形：變形區(qū)某體積內(nèi)金屬各質(zhì)點(diǎn)的變形狀態(tài)相同，就稱為均勻變形，否則就叫不均勻變形。均勻變形的特點(diǎn)：平面與直線；圓與球體；相似單元體7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力均勻變形必需滿足的條件變形體物理性質(zhì)均勻且各向同性；各點(diǎn)物理狀態(tài)完全相同（溫度、抗力、硬化情況等）；各點(diǎn)的絕對(duì)變形量和相對(duì)變形量相同；變形完全沒(méi)有外端的作用；接觸表面沒(méi)外縻擦或縻擦阻力。高向單鼓形或雙鼓形；接觸表面出現(xiàn)粘著區(qū)、滑動(dòng)區(qū)、側(cè)翻區(qū)；變形體整個(gè)體積可分為難變形區(qū)、易變形區(qū)、自由變形區(qū)。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力不均勻變形的典型現(xiàn)象

研究變形分布的方法

金屬塑性加工中，研究變形物體內(nèi)變形分布（即金屬流動(dòng)）的方法很多。常用的方法有：網(wǎng)格法；硬度法；比較晶粒法。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力變形后進(jìn)行退火，根據(jù)退火后晶粒的大小來(lái)判斷各部位變形的大小。變形越大，再結(jié)晶后晶粒越小。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力圖7-18各種不同變形程度下鐓粗圓柱體的不均勻變形網(wǎng)格法：觀察變形前后各網(wǎng)格所限定的區(qū)域金屬幾何形狀的變化。圖7-19冷鐓粗鋁合金后垂直斷面上硬度（HR）的變化硬度法：硬度與變形程度呈正比。

基本應(yīng)力與附加應(yīng)力

金屬變形時(shí)體內(nèi)變形分布不均勻，不但使物體外形歪扭和內(nèi)部組織不均勻，而且還使變形體內(nèi)應(yīng)力分布不均勻。此時(shí)，除基本應(yīng)力外還產(chǎn)生附加應(yīng)力。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力基本應(yīng)力：由外力作用所引起的應(yīng)力。表示這種應(yīng)力分布的圖形叫基本應(yīng)力圖。附加應(yīng)力：在物體中，由于各部分的變形不均勻受到物體的整體性限制而引起的相互平衡的應(yīng)力。工作應(yīng)力圖是處于應(yīng)力狀態(tài)的物體在變形時(shí)用各種方法測(cè)出來(lái)的應(yīng)力圖。均勻變形時(shí)基本應(yīng)力圖與工作應(yīng)力圖相同。而變形不均勻時(shí)，工作應(yīng)力等于基本應(yīng)力與附加應(yīng)力的代數(shù)和。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力

如左圖所示，坯料邊緣部分a的變形程度小，而中間部分b的變形程度大。若a,b部分不是同一整體時(shí)，則中間部分將比邊緣部分發(fā)生更大的縱向伸長(zhǎng)，如圖中點(diǎn)劃線所示。軋件實(shí)際上是一個(gè)整體，雖然各部分的變形量不同，但縱向延伸趨于相等。于是中間產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，邊部產(chǎn)生附加拉應(yīng)力。圖7-20第一類附加應(yīng)力（宏觀附加應(yīng)力）存在于物體的局部之間第二類附加應(yīng)力（微觀附加應(yīng)力）存在于物體內(nèi)的晶粒之間第三類附加應(yīng)力（微觀附加應(yīng)力）存在于滑移面或滑移帶之間7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力附加應(yīng)力的種類圖7-21相鄰晶粒的變形（1）引起變形體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，使應(yīng)力分布更不均勻；7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力附加應(yīng)力對(duì)塑性變形的不良后果圖7-227.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力（2）造成物體的破壞由上圖可知，當(dāng)坯料表面所受的拉應(yīng)力分量超過(guò)了金屬允許斷裂強(qiáng)度時(shí)，制品表面就會(huì)出現(xiàn)裂紋，實(shí)際生產(chǎn)中常發(fā)現(xiàn)擠壓、旋鍛制品表面出現(xiàn)周期性裂紋等缺陷就是第一類附加應(yīng)力的作用。（3）使產(chǎn)品質(zhì)量降低當(dāng)變形體某方向上各處的變形量差別太大，而物體的整體性不能起限制作用時(shí)，所出現(xiàn)的附加應(yīng)力不能自相平衡而導(dǎo)致變形體外形的歪扭。如薄板(或帶)軋制、薄壁型材擠壓時(shí)出現(xiàn)的鐮刀彎、波浪形等，均由此原因所致。另一方面，變形不均勻的材料，退火后組織也不均勻，而使性能不均勻。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力

當(dāng)變形不均勻分布時(shí)，變形體內(nèi)部將產(chǎn)生附加應(yīng)力，故變形所消耗的能量增加，從而使變形抗力升高(圖7-23)。另外，由于內(nèi)部存在不均勻分布的內(nèi)應(yīng)力，物體處于受力的不穩(wěn)定狀態(tài)，其塑性變形能力顯然比無(wú)應(yīng)力的穩(wěn)定狀態(tài)低，在變形中較早達(dá)到金屬的斷裂強(qiáng)度(圖7-24)而發(fā)生破裂，因而使塑性顯著降低。

（4）使材料變形抗力提高和塑性降低圖7-23圖7-247.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力（5）使生產(chǎn)操作復(fù)雜化由于變形與應(yīng)力分布的不均勻，加工工具各部分受力不同致使工具的磨損與發(fā)熱等不均勻，工具的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)工作變得復(fù)雜化，如孔型軋制時(shí)孔型磨損不均勻。（6）形成殘余應(yīng)力由于附加應(yīng)力是物體內(nèi)自相平衡的內(nèi)力，并不與外力發(fā)生直接關(guān)系，所以當(dāng)外力去除，變形終止后，仍繼續(xù)保留在變形體內(nèi)部，即成為殘余應(yīng)力。附加應(yīng)力的方向和大小，即是殘余應(yīng)力的方向和大小。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力為了克服或減輕變形及應(yīng)力不均的有害影響，可采用如下措施:（1）正確選定變形的溫度—速度制度合適的變形溫度應(yīng)保證在單相區(qū)內(nèi)完成塑性變形并盡可能使金屬在加熱及塑性變形過(guò)程中整個(gè)體積內(nèi)溫度均勻，在加工中應(yīng)保證變形溫度不低于一定范圍。（2）盡量減小接觸面上外摩擦的有害影響提高和保持工具表面的光潔度，采用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑。在鐓粗低塑性材料時(shí)，為減少和消除難變形區(qū)，使變形不均勻性減少，可將鍛坯端面預(yù)先做成凹錐形，并采用相應(yīng)的錐形錘頭壓縮來(lái)減少外摩擦的影響。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力（3）合理設(shè)計(jì)加工工具形狀為了保證變形與應(yīng)力分布的均勻性，須正確選擇與設(shè)計(jì)鍛模、軋輥孔型及其他工具，盡量使其形狀與坯料斷面很好配合。例如：熱軋板材時(shí)，考慮軋輥中部溫度升高使其膨脹，它將軋輥設(shè)計(jì)成凹形，以保證沿軋件寬向上壓下均勻；冷軋時(shí)，考慮軋輥中部產(chǎn)生彈性彎由與壓扁較大，故應(yīng)將軋輥設(shè)計(jì)成凸形。（4）盡可能保證變形金屬的成分及組織均勻。首先從提高熔煉與澆鑄質(zhì)量方面著手；其次，對(duì)已澆鑄的坯料采用高溫均勻化退火等。

以上僅就減輕變形及應(yīng)力不均勻分布的基本措施進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明，至于有關(guān)的具體措施要根據(jù)具體金屬及加工條件而定。

殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力的來(lái)源變形條件對(duì)殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力所引起的后果減小或消除殘余應(yīng)力的措施殘余應(yīng)力的測(cè)定7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力的來(lái)源殘余應(yīng)力的分類：第一類殘余應(yīng)力（宏觀應(yīng)力）第二類殘余應(yīng)力（顯微應(yīng)力）第三類殘余應(yīng)力（超顯微應(yīng)力）殘余應(yīng)力的來(lái)源：不均勻變形、相變、熱處理、鑄造、電鍍、機(jī)加工等。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力

附加應(yīng)力在塑性變形中由于軟化而被部分釋放，保留下來(lái)的就成為殘余應(yīng)力。

變形條件對(duì)殘余應(yīng)力的影響變形溫度的影響溫度的變化可能引起相變，從而引起第二附加應(yīng)力的產(chǎn)生，導(dǎo)致殘余應(yīng)力增大；一般情況下，變形溫度升高，附加應(yīng)力及形成的殘余應(yīng)力降低；變形過(guò)程中溫度越不均勻，殘余應(yīng)力越大。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力與附加應(yīng)力一樣，也同樣受到變形條件的影響，其中主要是變形溫度、變形速度、變形程度、接觸摩擦、工具和變形物體形狀等等。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力變形程度的影響圖7-25

殘余應(yīng)力所引起的后果

引起物體尺寸和形狀的變化。當(dāng)在變形物體內(nèi)存在殘余應(yīng)力時(shí)，則物體將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形或晶格畸變。若此殘余應(yīng)力因某種原因消失或其平衡遭到破壞，此相應(yīng)的變形也將發(fā)生變化，引起物體尺寸和形狀改變。使零件的使用壽命縮短。當(dāng)具有殘余應(yīng)力的物體受載荷時(shí)，殘余應(yīng)力影響工作應(yīng)力的大小，并使其分布不均勻，當(dāng)工作應(yīng)力其達(dá)到斷裂強(qiáng)度時(shí)，材料斷裂。降低了金屬的塑性加工性能。殘余應(yīng)力的存在可加強(qiáng)物體內(nèi)的應(yīng)力和變形的不均勻分布，使金屬變形抗力升高，塑性降低。降低金屬的耐蝕性及沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度.7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力

減小或消除殘余應(yīng)力的措施減小不均勻變形（根本?。崽幚矸椒ǎㄍ嘶鸹蚧鼗穑C(jī)械處理法（對(duì)于不允許退火的制品）零件彼此碰撞噴丸法表面壓平表面拉制在模子中表面校形或精壓7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力圖7-267.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力實(shí)線表示拉制銅棒的殘余應(yīng)力，虛線表示銅棒在輾平后的殘余應(yīng)力

可見(jiàn)，表面變形可使原來(lái)的殘余應(yīng)力幾乎減小一倍，甚至可使表面拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力。表面變形程度越大、殘余應(yīng)力減小得越多，但此變形程度不應(yīng)超過(guò)某一限度。圖7-27

殘余應(yīng)力的測(cè)定：7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力機(jī)械法；化學(xué)法；X光法。1）機(jī)械法

具體測(cè)量方法是：截取一段長(zhǎng)度為其直徑三倍的棒材(或管材)，在其中心鉆一通孔，如右圖所示。然后用膛桿或鉆頭從內(nèi)部逐次去除一薄層金屬，每次去除約5%的斷面積，去除后測(cè)量試樣長(zhǎng)度的延伸率λ和直徑的延伸率θ，并計(jì)算出下列數(shù)值:△1=λ+rθ,△2=θ+rλ。棒材中心鉆孔測(cè)殘余應(yīng)力變形與鉆孔橫斷面積關(guān)系7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力

然后，繪制△1、△2與鉆孔剖面積F的關(guān)系曲線，如右圖。并用作圖法求出此曲線上任一點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)，式中r為泊松比。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力

按D.Sachs根據(jù)一般彈性力學(xué)理論所求得的下述計(jì)算公式，逐步求出每去除一微小面積dF后的殘余應(yīng)力大小。2）化學(xué)法7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力

此方法是將試樣浸人到適當(dāng)?shù)娜芤褐?，測(cè)量出自開(kāi)始侵蝕到發(fā)現(xiàn)裂紋的經(jīng)過(guò)時(shí)間，按此經(jīng)過(guò)的時(shí)間來(lái)判斷殘余應(yīng)力的大小。

化學(xué)方法對(duì)于測(cè)定金屬絲、薄條等類型的工件內(nèi)的殘余應(yīng)力是十分合適的。同時(shí)定性地來(lái)比較在不同的壓力加工制度和熱處理制度中所出現(xiàn)的殘余應(yīng)力的大小也是很有用的。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力

在判斷應(yīng)力的形式時(shí)，若出現(xiàn)橫向裂紋，則可認(rèn)為是縱向應(yīng)力作用的結(jié)果，若出現(xiàn)縱向裂紋，可認(rèn)為是橫向應(yīng)力作用的結(jié)果。在實(shí)際中準(zhǔn)確地確定裂紋出現(xiàn)的時(shí)間比較難，但可以定下地比較。3）X射線法

在X射線法中可包括有勞埃法和德拜法。在勞埃法中可根據(jù)干擾斑點(diǎn)形狀的變化來(lái)定性地確定殘余應(yīng)力。如左圖示出，當(dāng)無(wú)殘余應(yīng)力存在時(shí)，各干擾斑點(diǎn)呈點(diǎn)狀分布。有殘余應(yīng)力時(shí)，各干擾斑點(diǎn)伸長(zhǎng)，呈“星芒”狀。7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力

用德拜法可以定量地測(cè)出所存在的殘余應(yīng)力。第一種殘余應(yīng)力可根據(jù)德拜圖上衍射線條位置的變化來(lái)確定。第二種和第三種殘余應(yīng)力可根據(jù)衍射線條的寬度變化和強(qiáng)度的變化來(lái)確定。

7.1塑性流動(dòng)規(guī)律（最小阻力定律）7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)7.5塑性加工過(guò)程的斷裂與可加工性7.6“三度五圖”及應(yīng)用

7金屬塑性加工原理7.4.0金屬塑性加工諸方法的變形力學(xué)圖7.4.1金屬在平錘間鐓粗時(shí)的應(yīng)力及變形特點(diǎn)7.4.2平輥軋制時(shí)金屬的應(yīng)力及變形特點(diǎn)7.4.3棒材擠壓時(shí)的應(yīng)力及變形特點(diǎn)7.4.4棒材拉伸時(shí)的應(yīng)力及變形特點(diǎn)

7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)

變形體內(nèi)一點(diǎn)的主應(yīng)力圖和主應(yīng)變圖結(jié)合構(gòu)成變形力學(xué)圖。它可形象反應(yīng)該點(diǎn)主應(yīng)力、主應(yīng)變有無(wú)和方向。1）擠壓7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)2）軋制7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)平輥軋制型輥軋制7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)3）拉拔7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)4）鍛造7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)7.4.1金屬在平錘間鐓粗時(shí)的應(yīng)力及變形特點(diǎn)鐓粗時(shí)組合件的變形特點(diǎn)

將試件在平錘間進(jìn)行鐓粗至一定的變形程度，從外形上來(lái)看，試件出現(xiàn)鼓形和側(cè)面翻平現(xiàn)象。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)基本應(yīng)力的分布特點(diǎn)沿x軸在接觸表面上的分布是從邊緣向中心由零開(kāi)始逐漸增大，因?yàn)樵浇咏行?，摩擦力的阻礙作用越顯著；沿y軸的分布規(guī)律同沿x軸的分布；沿z軸在側(cè)表面上為零，在試件內(nèi)部，從接觸表面向?qū)ΨQ層逐漸減小。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)7.4.2平輥軋制時(shí)金屬的應(yīng)力及變形特點(diǎn)一．基本應(yīng)力特點(diǎn)圖7-287.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)二．變形區(qū)內(nèi)金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)特點(diǎn)

1．金屬質(zhì)點(diǎn)縱向流動(dòng)特點(diǎn)前滑：在變形區(qū)內(nèi)，金屬質(zhì)點(diǎn)的向前流動(dòng)速度大于軋輥表面線速度的現(xiàn)象叫前滑。變形區(qū)內(nèi)金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)具有前滑現(xiàn)象的區(qū)域叫前滑區(qū)。后滑：在變形區(qū)內(nèi)，金屬質(zhì)點(diǎn)的向前流動(dòng)速度小于軋輥表面線速度的現(xiàn)象叫后滑。在變形區(qū)內(nèi)金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)具有后滑現(xiàn)象的區(qū)域叫后滑區(qū)。中性面：在變形區(qū)內(nèi)，金屬質(zhì)點(diǎn)向前流動(dòng)速度與軋輥表面線速度一致的截面叫中性面。中性面實(shí)際是前滑與后滑的臨界面。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)1）當(dāng)>0.5~1.0時(shí)，如圖3-41所示。這時(shí)接觸弧較長(zhǎng)而軋件高度小，故變形能深入整個(gè)斷面高度。在后滑區(qū)內(nèi)，軋件任意斷面的平均速度都小于軋輥的水平運(yùn)動(dòng)速度，但是由于接觸表面上的摩擦力總是力圖把較高的速度傳給軋件表面層及其附近部位，而對(duì)中心部位的影響則相對(duì)小些，這樣就使得后滑區(qū)內(nèi)各斷面上金屬質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度表面層大于中心層而呈曲線6所示形狀，并且外摩擦越大，這種不均勻性越明顯。圖7-29所示。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)圖7-297.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)2）當(dāng)L/H平<0.5~1.0時(shí)，如圖7-30所示。

這時(shí)軋件高度大而變形區(qū)長(zhǎng)度相對(duì)變小，故變形難以深入整個(gè)斷面高度。在后滑區(qū)各斷面上，外層金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)速度由接觸表面向中心層逐漸減小，中心層附近沒(méi)有產(chǎn)生變形剛保持一個(gè)固定的速度不變，其分布如曲線3所示。在前滑區(qū)，情況恰好相反，各斷面速度是由表層向里逐漸增大，但在中心層沒(méi)有產(chǎn)生變形，所以速度仍保持不變。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)圖7-307.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)2、寬展及寬度上的縱向流動(dòng)軋制時(shí)，沿軋件寬向尺寸的變化量稱為寬展。寬展常用絕對(duì)值表示，△B=b-B，其中B是軋件軋前的寬度，b是軋件軋后的寬度。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)

軋制時(shí)，影響寬展量大小的三點(diǎn)因素：1）外摩擦：摩擦系數(shù)增加，寬展增加；摩擦系數(shù)減少。寬展也隨之減少。因?yàn)槟Σ料禂?shù)增加阻礙延伸變形，使橫向?qū)捳乖黾印?）變形區(qū)的尺寸：影響寬展的尺寸主要是L/B值，凡是使L/B值增大的因素，都使寬展增加。3）剛端：軋件變形區(qū)外部的剛端，限制了寬展的發(fā)展而增加縱向延伸，并且使軋件寬向及高向上的延伸變得更均勻些，正是由于軋件邊緣部位的這種拉應(yīng)力的作用，限制了金屬質(zhì)點(diǎn)的橫向流動(dòng)，減少了寬展。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)圖7-317.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)3．平輥軋制時(shí)，第一類附加應(yīng)力的分布特點(diǎn)

因?yàn)槠捷佨堉茣r(shí)變形區(qū)內(nèi)金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)速度在高向上的分布如圖7-29所示，那么必然會(huì)產(chǎn)生圖7-32所示的附加應(yīng)力。在后滑區(qū)，表面層金屬質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度大于中心層，故中心層給表面層以附加壓應(yīng)力，而表面層給中心層以附加拉應(yīng)力。在前滑區(qū)，軋件表面層的質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)速度小于中心層，所以中心層對(duì)表面層產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，而表面層對(duì)中心層產(chǎn)生附加壓應(yīng)力。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)圖7-327.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)7.4.3棒材擠壓時(shí)的應(yīng)力及變形特點(diǎn)一、棒材擠壓時(shí)的基本應(yīng)力狀態(tài)從應(yīng)力與變形的角度來(lái)說(shuō)，可以把擠壓過(guò)程分成填充和擠壓兩個(gè)基本階段.7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)圖7-34圖7-35二、棒材擠壓時(shí)的金屬流動(dòng)規(guī)律

塑性變形區(qū)內(nèi)，應(yīng)力狀態(tài)有壓縮應(yīng)力狀態(tài)和延伸應(yīng)力狀態(tài)之分:Ⅰ區(qū)---稱為延伸變形區(qū)，Ⅱ區(qū)---稱為壓縮變形區(qū)。Ⅱ區(qū)的金屬首先是軸向壓縮，徑向延伸，當(dāng)它們流入Ⅰ區(qū)后再轉(zhuǎn)為軸向延伸徑向壓縮，Ⅲ區(qū)---內(nèi)，雖然z和T差值很小，但是由于切應(yīng)力很大，也將進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，只是以剪變形為主，稱之為切變區(qū)。Ⅳ區(qū)---是未變形區(qū)，隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行，其范圍不斷縮小。Ⅴ區(qū)---是“死區(qū)”，其形成原因與墩粗時(shí)難變形區(qū)形成原因一致。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)圖7-36三、棒材擠壓時(shí)的附加應(yīng)力

按擠壓時(shí)金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)的分區(qū)情況進(jìn)行分析，可清楚地看出：在塑性變形區(qū)和變形終了的外端部分，由于中間金屬流動(dòng)的快，表面層金屬流動(dòng)的慢，所以變形不均勻的結(jié)果引起中間對(duì)表面層作用以軸向附加拉應(yīng)力，而表面層對(duì)中間部分作用軸向附加壓應(yīng)力。在棒材端面附近則產(chǎn)生了徑向附加拉應(yīng)力（圖7-37）。在未變形區(qū)的橫截面上，由于外表層已進(jìn)入了塑性變形狀態(tài)，其金屬的流動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中間部位，所以表面層對(duì)中間部位產(chǎn)生了軸向附加拉應(yīng)力，而中間部位對(duì)表面層施加一個(gè)軸向附加壓應(yīng)力（圖7-38）。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)圖7-37圖7-387.4.4棒材拉伸時(shí)金屬的流動(dòng)規(guī)律一、棒材拉伸時(shí)的基本應(yīng)力狀態(tài)在變形區(qū)內(nèi)從入口端到出口端應(yīng)力逐漸增大，從入口端到出口端必然是逐漸減小。同理也可分析出的變化趨勢(shì)。沿徑向上，基本應(yīng)力的變化情況是，軸向拉應(yīng)力由邊緣部分向中間部分逐漸增加，并且中心層的拉伸應(yīng)力達(dá)到最大值。徑向壓應(yīng)力和周向壓應(yīng)力它們由邊緣部分向中心層是逐漸減小的。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)圖7-39二、棒材拉伸時(shí)金屬流動(dòng)規(guī)律中心層的金屬產(chǎn)生了軸向上的延伸，徑向上的壓縮。周邊層的格子除了受到軸向的拉長(zhǎng)、徑向和周向的壓縮外，還發(fā)生了剪變形。棒材的中心層金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)速度比周邊層快。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)圖7-40三.棒材拉拔時(shí)的附加應(yīng)力

由于拉拔時(shí)金屬在變形區(qū)內(nèi)中心層和周邊部分流動(dòng)速度的不一致，必然會(huì)引起附加應(yīng)力。中心層的金屬在變形區(qū)內(nèi)流動(dòng)的快，而周邊層流動(dòng)的速度慢，其結(jié)果形成了中心層對(duì)周邊部分作用以軸向附加拉應(yīng)力，周邊部分對(duì)中心層作用以軸向附加壓應(yīng)力。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)圖7-41棒材拉拔產(chǎn)生附加應(yīng)力的不利影響

表面層承受的軸向附加拉應(yīng)力，是棒材拉伸時(shí)產(chǎn)生橫向周期裂紋的根源，周向承受的附加拉應(yīng)力則是產(chǎn)生縱向裂紋的主要原因。對(duì)于某些塑性較低的合金來(lái)說(shuō)，拉伸后形成的殘余應(yīng)力如果不能及時(shí)消除，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后棒材就會(huì)產(chǎn)生裂紋。7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)7.1塑性流動(dòng)規(guī)律（最小阻力定律）7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)7.5塑性加工過(guò)程的斷裂與可加工性7.6“三度五圖”及應(yīng)用

7金屬塑性加工原理7.5塑性加工過(guò)程的斷裂與可加工性

7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)7.5.3塑性-脆性轉(zhuǎn)變7.5.4金屬的可加工性一、鍛造時(shí)的斷裂1．鍛造時(shí)的表面開(kāi)裂自由鐓粗塑性較低的金屬餅材時(shí)，由于錘頭端面對(duì)鐓粗件表面摩擦力的影響，形成單鼓形，使其側(cè)面周向承受拉應(yīng)力。當(dāng)鍛造溫度過(guò)高時(shí)，由于晶間結(jié)合力大大減弱，常出現(xiàn)晶間斷裂，且裂紋方向與周向拉應(yīng)力垂直（圖7-42（1）a）。當(dāng)鍛造溫度較低時(shí)，晶間強(qiáng)度常高于晶內(nèi)強(qiáng)度，便出現(xiàn)穿晶斷裂。由于剪應(yīng)力引起的其裂紋方向常與最大主應(yīng)力成45°角（圖7-42（1）b）。7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋圖7-42預(yù)防措施：

為了防止鐓粗時(shí)的這種斷裂，必須盡量減少鼓形所引起的周向拉應(yīng)力。可采用如下措施：（1）減少工件與工具間的接觸摩擦；提高接觸表面的光潔度，采用適當(dāng)高效能的潤(rùn)滑劑，（2）采用凹形模：鍛造時(shí)，由于模壁對(duì)工件的橫向壓縮，使周向拉應(yīng)力減少。7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋（3）采用軟墊：如圖7-43，因?yàn)檐泬|的變形抗力較小，在壓縮開(kāi)始階段，軟墊先變形，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的徑向流動(dòng)，結(jié)果工件側(cè)面成凹形如圖7-43（a）。隨著軟墊的繼續(xù)壓縮變薄，其單位變形抗力增加。這時(shí)工件便開(kāi)始顯著地被壓縮，于是工件側(cè)表面的凹形逐漸消失變得平直見(jiàn)圖7-43（b），繼續(xù)壓縮時(shí)才出現(xiàn)鼓形如圖7-43（c），這樣與未加軟墊的鐓粗工件相比，其鼓形凸度就相應(yīng)減少了，因而也就相應(yīng)地減少了工件側(cè)面的周向拉應(yīng)力。7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋圖7-43（4）采用活動(dòng)套環(huán)和包套：如圖7-44所示，選用塑性好抗力較低的材料做外套，由于外套和坯料一起加熱后鐓粗，外套對(duì)坯料的流動(dòng)起著限制作用，從而增加了三向壓應(yīng)力狀態(tài)，防止了裂紋的產(chǎn)生。鐓粗低塑性的高合金鋼時(shí)，用普通鋼做外套，套的外徑可取D=(2-3)d，d是坯料原始直徑。用活動(dòng)套鐓粗時(shí)，低塑性毛坯經(jīng)一定的小變形后就能與套環(huán)接觸，然后取走墊鐵，繼續(xù)鐓粗，套環(huán)材料除塑性好外，要其變形抗力比鍛坯稍大些，使其對(duì)流動(dòng)起限制作用，以增強(qiáng)三向壓應(yīng)力，防止裂紋的產(chǎn)生。7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋圖7-442．鍛造時(shí)的內(nèi)部裂紋7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋圖7-457.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋圖7-46預(yù)防措施：

為了防止鍛壓圓坯時(shí)內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，可采用槽形和弧形錘頭，從而減少坯料中心處的水平拉應(yīng)力，或把原來(lái)的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用圖7-47（b）所示兩種錘頭壓縮總變形量達(dá)40%時(shí)都未見(jiàn)任何裂紋。因此，最好采用如下兩種錘頭，頂角不超過(guò)110°的槽形錘頭和R≤r，包角為100°~110°的弧形錘頭。以增加工具對(duì)坯料作用的水平壓應(yīng)力，從而減少坯料中心水平附加拉應(yīng)力。7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋圖7-47二、軋制時(shí)的斷裂1．軋制時(shí)的表面開(kāi)裂7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋圖7-48圖7-49預(yù)防措施：

為避免上述斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，首先是要有適宜的良好輥型和坯料尺寸形狀，其次是制定合理的軋制工藝規(guī)程（壓下量控制、張力調(diào)整、潤(rùn)滑適宜等等）。7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋2．軋制時(shí)內(nèi)部裂紋

在平輥間軋制厚坯料時(shí)，因壓下量小而產(chǎn)生表面變形。中心層基本沒(méi)有變形，因而中心層牽制表面層，給予表面層以壓應(yīng)力，表面層則給中心層以拉應(yīng)力（圖7-50b）。當(dāng)此不均勻變形與拉應(yīng)力積累到一定程度時(shí)，就會(huì)引起心部產(chǎn)生裂紋，而使應(yīng)力得到松弛，當(dāng)變形繼續(xù)進(jìn)行此應(yīng)力又積累到一定程序又會(huì)產(chǎn)生心部裂紋，如此繼續(xù)，便在心部產(chǎn)生了周期性裂紋（圖7-50）。7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋圖7-50

為避免此種斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，可增加l/h值如圖7-51所示。隨著的增加，變形逐漸向內(nèi)部深入，當(dāng)l/h到一定值后，軋件中間部分便由原來(lái)的縱向拉應(yīng)力變?yōu)榭v向壓應(yīng)力。7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋圖7-51三、擠壓和拉拔時(shí)的斷裂1．表面裂紋擠壓時(shí)，在擠壓件的表面常出現(xiàn)如圖7-52a所示的裂紋，嚴(yán)重時(shí)裂紋變成竹節(jié)狀。由于擠壓筒和凹?？着c坯料之間接觸摩擦力的阻滯作用，使擠壓件表面層的流動(dòng)速度低于中心部分，于是在表面層受附加拉應(yīng)力，中心部分受附加壓應(yīng)力。7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋圖7-527.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋圖7-53圖7-54預(yù)防措施：

無(wú)論擠壓與拉拔，減少摩擦阻力，會(huì)使金屬流動(dòng)不均勻性減輕，從而可以防止這樣裂紋的產(chǎn)生。防止裂紋的有效方法是加強(qiáng)潤(rùn)滑，例如鋁合金熱擠壓采用油-石墨潤(rùn)滑劑，鋼熱擠時(shí)采用玻璃作潤(rùn)滑劑。因?yàn)橛绊懩Σ亮Φ囊蛩爻四Σ料禂?shù)以外，還有垂直壓力和接觸面積的影響。對(duì)擠壓和拉拔來(lái)說(shuō)還可以采用反向擠壓、反張力拉伸、輥式模拉伸等方法來(lái)減少有害摩擦，防止斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋2．內(nèi)部裂紋

當(dāng)擠壓比（擠壓變形程度）較小，或拉拔時(shí)L/d0較小時(shí)，由于產(chǎn)生表面變形而深入不到棒材的心部，結(jié)果導(dǎo)致中心層產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，此拉應(yīng)力與縱向基本應(yīng)力相疊加，若軸心層的工作拉應(yīng)力大于材料的斷裂應(yīng)力時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)如圖7-55所示的內(nèi)部裂紋。7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋圖7-557.5塑性加工過(guò)程的斷裂與可加工性

7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)

7.5.3塑性-脆性轉(zhuǎn)變7.5.4金屬的可加工性7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)一、斷裂的基本類型根據(jù)斷裂前金屬是否呈現(xiàn)有明顯的塑性變形，可將斷裂分為韌性斷裂與脆性斷裂兩大類。通常以單向拉伸時(shí)的斷面收縮率大于5%者為韌性斷裂，而小于5%者為脆性斷裂。此外，按斷裂面相對(duì)作用力方向的取向關(guān)系，分正斷與剪斷兩種形式，垂直于最大正應(yīng)力的斷裂稱正斷，沿最大切應(yīng)力方向發(fā)生的斷裂為剪斷。通常正斷沿解理面斷裂；剪斷沿滑移面斷裂。1．脆性斷裂

在斷面外觀上沒(méi)有明顯的塑性變形跡象，直接由彈性變形狀態(tài)過(guò)渡到斷裂，斷裂面和拉伸軸接近正交，斷口平齊，如圖7-56a所示。脆性斷裂在單晶體試樣中常表現(xiàn)為沿解理面的解理斷裂。所謂解理面，一般都是晶面指數(shù)比較低的晶面，如體心立方的（100）面。在多晶體試樣中則可能出現(xiàn)兩種情況：一是裂紋沿解理面橫穿晶粒的穿晶斷裂，斷口可以看到解理亮面；二是裂紋沿晶界的晶間斷裂，斷口呈顆粒狀，如圖7-57所示。7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)圖7-567.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)圖7-577.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)純鎢沿晶斷口的微觀形態(tài)7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)電子束熔煉鎢的解理斷裂7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)電子束熔煉鎢解理面上的河流花樣解理階2．韌性斷裂

在斷裂前金屬經(jīng)受了較大的塑性變形，其斷口呈纖維狀，灰暗無(wú)光。韌性斷裂主要是穿晶斷裂，如果晶界處有夾雜物或沉淀物聚集，則也會(huì)發(fā)生晶間斷裂。韌性斷裂也有不同的表現(xiàn)形式：一種是切變斷裂，例如密排六方金屬單晶體沿基面作大量滑移后就會(huì)發(fā)生這種形式的斷裂，其斷裂面就是滑移面；另一種是試樣在塑性變形后出現(xiàn)縮頸，一些塑性非常好的材料如金、鉛和鋁，可以拉縮成一個(gè)點(diǎn)才斷開(kāi)；對(duì)于一般的韌性金屬，斷裂則由試樣中心開(kāi)始，最后形成杯錐狀斷口。7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)韌性斷裂有如下幾個(gè)特點(diǎn)：1.韌性斷裂前已發(fā)生了較大的塑性變形，斷裂時(shí)要消耗相當(dāng)多的能量，所以韌性斷裂是一種高能量的吸收過(guò)程；2.在小裂紋不斷擴(kuò)大和聚合過(guò)程中，又有新裂紋不斷產(chǎn)生，所以韌性斷裂通常表現(xiàn)為多斷裂源；3.韌性斷裂的裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力大于裂紋形核的臨界應(yīng)力，所以韌性斷裂是個(gè)緩慢的撕裂過(guò)程；4.隨著變形的不斷進(jìn)行裂紋不斷生成、擴(kuò)展和集聚，變形一旦停止，裂紋的擴(kuò)展也將隨著停止。7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)電子束熔煉鉬在1100℃拉伸斷口的微觀形態(tài)，斷口呈韌窩結(jié)構(gòu)。韌窩內(nèi)有第二相，內(nèi)壁有波紋狀滑移痕跡，表明韌窩是先在第二相與集體界面成核，然后通過(guò)塑性變形長(zhǎng)大。7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)經(jīng)高溫時(shí)效后QAl10-4-4鋁青銅的斷口形貌二、斷裂過(guò)程與物理本質(zhì)

金屬的塑性變形過(guò)程和斷裂過(guò)程是同時(shí)發(fā)生的，而斷裂過(guò)程通常又可以分為裂紋生核和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段。從力學(xué)角度看，金屬多晶體在外力的作用下發(fā)生塑性變形的初始階段并不是在所有晶粒內(nèi)同時(shí)發(fā)生，而首先在位向有利的晶粒（即外力對(duì)其滑移系統(tǒng)具有最大切應(yīng)力的晶粒）中以滑移或?qū)\晶方式發(fā)生塑性變形。從位錯(cuò)理論的觀點(diǎn)來(lái)看：金屬的塑性變形實(shí)質(zhì)上是位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)和不斷增殖的過(guò)程。7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)金屬斷裂的基本過(guò)程一、微裂紋的萌生機(jī)理金屬發(fā)生斷裂，先要形成微裂紋。這些微裂紋主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是材料內(nèi)部原有的，如實(shí)際金屬材料內(nèi)部的氣孔、夾雜、微裂紋等缺陷；二是在塑性變形過(guò)程中，由于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和塞積等原因而使裂紋形核。隨著變形的發(fā)展導(dǎo)致裂紋不斷長(zhǎng)大，當(dāng)裂紋長(zhǎng)大到一定尺寸后，便失穩(wěn)擴(kuò)展，直至最終斷裂。7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)裂紋形核理論1．位錯(cuò)塞積理論2．位錯(cuò)反應(yīng)理論3．位錯(cuò)墻側(cè)移理論4．位錯(cuò)消毀理論7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)1．位錯(cuò)塞積理論

位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，遇到了障礙（如晶界、相界面等）而被塞積，在位錯(cuò)塞積群前端就會(huì)引起應(yīng)力集中（圖7-58），若外加切應(yīng)力為，塞積位錯(cuò)個(gè)數(shù)為n，此處應(yīng)力集中為，則。這就說(shuō)明此處的應(yīng)力集中比外加切應(yīng)力大n倍，塞積位錯(cuò)越多，應(yīng)力集中程度越大。當(dāng)此應(yīng)力大于界面結(jié)合力或脆性第二相或夾雜物本身的結(jié)合力時(shí)，就會(huì)在界面或脆性相中形成裂紋核。7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)圖7-582．位錯(cuò)反應(yīng)理論

圖7-59表示在相交的滑移面上，由于位錯(cuò)反應(yīng)發(fā)生了同號(hào)位錯(cuò)的聚合，便形成了微裂紋。在體心立方中，兩位錯(cuò)相遇反應(yīng)的結(jié)果，可在解理面上形成不易滑移的[001]刃型位錯(cuò)，刃型位錯(cuò)的合并即是體心立方的解理面（001）面上形成解理裂紋。7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)圖7-593．位錯(cuò)墻側(cè)移理論

由于刃型位錯(cuò)的垂直排列構(gòu)成了位錯(cuò)墻，同時(shí)引起滑移面的彎折而使裂口形核（圖7-60），裂口面將是和滑移面重合。密排六方金屬沿滑移面斷裂的原因正是這一理論。7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)圖7-604．位錯(cuò)消毀理論

在外力作用下位錯(cuò)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，若兩個(gè)相距為h<10個(gè)原子間距的平行滑移面上，存在有異號(hào)刃型位錯(cuò)，當(dāng)它們相互接近后，就會(huì)彼此合并而消毀，便在中心處形成孔隙，隨著滑移的進(jìn)行，孔隙逐漸擴(kuò)大，形成長(zhǎng)條形空洞（圖7-61）。7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)圖7-61二、裂紋的擴(kuò)展

金屬材料在塑性變形過(guò)程中形成微裂紋（或空洞），并不意味著材料即將斷裂，從微裂紋形成到導(dǎo)致金屬的最終斷裂是一個(gè)擴(kuò)展過(guò)程，這個(gè)過(guò)程與材料的性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)等外部條件密切相關(guān)。7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)7.5塑性加工過(guò)程的斷裂與可加工性

7.5.1塑性加工中的常見(jiàn)裂紋7.5.2金屬斷裂的物理本質(zhì)7.5.3塑性-脆性轉(zhuǎn)變7.5.4金屬的可加工性7.5.3塑性-脆性轉(zhuǎn)變

塑性與脆性并非金屬固定不變的特性，像金屬鎢，雖在室溫下呈現(xiàn)脆性，但在較高的溫度下卻具有塑性。在拉伸時(shí)為脆性的金屬，在高靜水壓力下卻呈現(xiàn)塑性。在室溫下拉伸為塑性的金屬，在出現(xiàn)缺口、低溫、高變形速度時(shí)卻可能變得很脆。所以，金屬是韌性斷裂還是脆性斷裂，取決于各種內(nèi)在因素和外在條件。

一般的金屬與合金（面心立方者除外）有塑性-脆性轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。如果改變?cè)囼?yàn)溫度，就可以發(fā)現(xiàn)存在有一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度Tc，在Tc以上，斷裂是韌性的，在Tc以下，斷裂就是脆性的。圖7-62a表示了不同金屬斷面收縮率隨溫度變化的情況，在轉(zhuǎn)變溫度處斷面收縮率突然下降。如果溫度保持不變，而將其他參數(shù)改變，例如改變晶粒度、屈服強(qiáng)度、變形速度、應(yīng)力狀態(tài)（用不同深度的缺口來(lái)影響應(yīng)力狀態(tài)，缺口越深、轉(zhuǎn)變溫度越高、造成所謂缺口脆性）等，如圖7-62b所示，同樣也可以出現(xiàn)塑性-脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。7.5.3塑性-脆性轉(zhuǎn)變7.5.3塑性-脆性轉(zhuǎn)變圖7-62

金屬的可加工性是不同加工方法進(jìn)行塑性加工時(shí)，工件出現(xiàn)第一條可見(jiàn)裂紋前所達(dá)到的最大變形量，如可鍛性、可軋性、可擠壓性、可拉拔性等。它是制定各種塑性加工工藝規(guī)程和保證產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。7.5.4金屬的可加工性思考1．比較一下鐓粗，軋制、擠壓和拉伸時(shí)，金屬在變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力和變形規(guī)律。2．影響金屬塑性流動(dòng)與變形的主要因素有哪些？3．簡(jiǎn)述研究變形分布的基本方法及原理。4．變形不均勻產(chǎn)生的原因和后果是什么？5．減少不均勻變形的主要措施有哪些？6．簡(jiǎn)述塑性加工工件殘余應(yīng)力的來(lái)源及減少或消除措施。7．簡(jiǎn)述研究殘余應(yīng)力的方法及原理。8．鍛造、軋制、擠壓和拉拔加工中斷裂的主要形式有哪些？產(chǎn)生原因如何？9．簡(jiǎn)述金屬裂紋形成與長(zhǎng)大的機(jī)理。7.1塑性流動(dòng)規(guī)律（最小阻力定律）7.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素7.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力7.4金屬塑性加工諸方法的應(yīng)力與變形特點(diǎn)7.5塑性加工過(guò)程的斷裂與可加工性7.6“三度五圖”及應(yīng)用

7金屬塑性加工原理三度：變形溫度、變形速度、變形程度，三度構(gòu)成了金屬塑性加工時(shí)的熱力學(xué)條件。五圖：相圖、兩類再結(jié)晶全圖、變形力學(xué)圖、變形抗力圖、塑性圖。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用

變形溫度

塑性變形時(shí)金屬所具有的實(shí)際溫度，稱為變形溫度，它與加熱溫度是有區(qū)別的。變形溫度既取決于金屬變形前的加熱溫度，又與變形中能量轉(zhuǎn)化而使金屬溫度提高的溫度有關(guān)，同時(shí)又與變形金屬同周圍介質(zhì)進(jìn)行熱交換所損失的溫度有關(guān)。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用7.6.1金屬塑性加工過(guò)程中的熱力學(xué)條件（變形溫度、變形速度、變形程度）

在塑性變形過(guò)程中，變形溫度對(duì)金屬的塑性與變形抗力有重要影響。一般而言，其總體的趨勢(shì)是：隨著溫度升高，塑性增加，變形抗力降低。但在某些特定的條件下，溫度的升高也將可使塑性降低和變形抗力增加。由于金屬和合金的種類繁多，溫度變化引起的物理-化學(xué)狀態(tài)變化各不相同，須綜合各種因素來(lái)確定。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用圖7-76溫度對(duì)塑性影響的典型曲線變形溫度對(duì)塑性的影響

金屬的塑性可能因?yàn)闇囟鹊纳叨玫礁纳?。但是塑性并不是隨著溫度的升高而直線上升的，因?yàn)橄鄳B(tài)和晶粒邊界隨溫度的波動(dòng)而產(chǎn)生的變化也對(duì)塑性有顯著的影響。在一般情況下，溫度由絕對(duì)零度上升到熔點(diǎn)時(shí)，可能出現(xiàn)三個(gè)脆性區(qū)：低溫脆性區(qū)、中溫脆性區(qū)和高溫脆性區(qū)。中溫脆性區(qū)高溫脆性區(qū)低溫脆性區(qū)7.6“三度五圖”及其應(yīng)用

低溫脆性區(qū)主要指具有六方晶格的金屬在低溫時(shí)易產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象。如鎂合金冷加工性能就不好。鎂是六方晶格，在低溫時(shí)只有一個(gè)滑移面。低溫脆性區(qū)的出現(xiàn)是由于沿晶粒邊界的某些組織組成物隨溫度的降低而脆化了。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用

中溫脆性區(qū)的出現(xiàn)是由于在一定溫度-速度條件下，塑性變形可使脆性相從過(guò)飽和固溶體中沉淀出來(lái)，引起脆化；晶間物質(zhì)中個(gè)別的低熔點(diǎn)組成物因軟化而強(qiáng)度顯著降低，削弱了晶粒之間的聯(lián)系，導(dǎo)致熱脆；在一定溫度與應(yīng)力狀態(tài)下，產(chǎn)生固溶體的分解，此時(shí)可能出現(xiàn)新的脆性相。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用

高溫脆性區(qū)則可能是由于在高溫下周圍氣氛和介質(zhì)的影響結(jié)果引起脆化、過(guò)熱或過(guò)燒，如鎳在含硫的氣氛中加熱、鐵的吸氫。晶粒長(zhǎng)大過(guò)快，或因晶間物質(zhì)熔化等，也顯著降低塑性。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用

上述三個(gè)典型的脆性區(qū)，是指一般而言，對(duì)于具體的金屬與合金，可能只有一個(gè)或兩個(gè)脆性區(qū)，但是碳鋼的脆性區(qū)有四個(gè)，塑性較好的區(qū)域有三個(gè)，如下圖所示。碳鋼的塑性溫度變化圈7.6“三度五圖”及其應(yīng)用7.6“三度五圖”及其應(yīng)用擠壓溫度的確定

銅及銅合金在擠壓溫度下應(yīng)具備低的變形抗力和良好的塑性。合理的擠壓溫度范圍，應(yīng)該根據(jù)金屬與合金的塑性圖、再結(jié)晶圖、相圖為依據(jù)，并考慮實(shí)際生產(chǎn)情況確定。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用1）加熱溫度一般是合金熔點(diǎn)絕對(duì)溫度的0.75-0.9倍，可以根據(jù)金屬與合金的熔點(diǎn)和該成分合金在相圖上固相點(diǎn)溫度，確定擠壓溫度范圍的上限。

擠壓溫度范圍的下限，應(yīng)該考慮高溫的良好塑性，還應(yīng)該使金屬與合金的變形抗力不太高。一般擠壓濕度的下限要比金屬的再結(jié)晶溫度高100℃以上，使擠壓終了溫度在金屬的再結(jié)晶溫度以上。參考塑性圖和變形抗力圖參考相圖7.6“三度五圖”及其應(yīng)用2）在高溫時(shí)存在相變的合金，最好選擇在單相區(qū)進(jìn)行熱擠壓，以免因?yàn)樾纬尚碌慕M織而使合金出現(xiàn)熱脆性，給擠壓操作帶來(lái)困難；

3）擠壓金屬應(yīng)盡量考慮在高溫塑性區(qū)范圍內(nèi)的溫度條件下進(jìn)行熱擠壓，以免產(chǎn)生制品的橫向裂紋；

4）考慮擠壓變形的熱效應(yīng)，盡量采用溫度下限擠壓；

5）考慮金屬與合金的工藝性能和力學(xué)性能。在不同的溫度下進(jìn)行擠壓，可以獲得不同擠壓制品的力學(xué)性能，在選擇擠壓溫度時(shí)，應(yīng)考慮擠壓制品的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用變形速度

這個(gè)變形速度要和金屬的流動(dòng)速度及工具的運(yùn)動(dòng)速度區(qū)分開(kāi)來(lái)。金屬流動(dòng)速度=工具運(yùn)動(dòng)速度×λ

變形速度為單位時(shí)間內(nèi)變形程度的變化或單位時(shí)間內(nèi)的相對(duì)位移體積。變形程度對(duì)時(shí)間的變形率單位時(shí)間內(nèi)的變形率一般用最大主變形方向的變形速度來(lái)表示各種過(guò)程的變形速度。工具瞬時(shí)移動(dòng)速度工件瞬時(shí)厚度7.6“三度五圖”及其應(yīng)用與工具運(yùn)動(dòng)速度方向是不同的，不能混淆V拉-拉伸機(jī)運(yùn)動(dòng)速度V軋-軋輥運(yùn)動(dòng)速度（圓周速度）V擠－擠壓桿運(yùn)動(dòng)速度7.6“三度五圖”及其應(yīng)用塑性變形速度，1/秒ⅠⅡ

變形速度對(duì)塑性和變形抗力的影響比較復(fù)雜。當(dāng)變形速度不大時(shí)，隨變形速度的提高塑性是降低的；而當(dāng)變形速度較大時(shí)，塑性隨變形速度的提高反而變好。變形速度對(duì)變形抗力的作用正好與此相反。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用

變形程度對(duì)塑性的影響，是同加工硬化及加工過(guò)程中伴隨著塑性變形的發(fā)展而產(chǎn)生的裂紋傾向聯(lián)系在一起的。在熱變形過(guò)程中，變形程度與變形溫度-速度條件是相互聯(lián)系著的，當(dāng)加工硬化與裂紋胚芽的修復(fù)速度大于發(fā)生速度時(shí)，可以說(shuō)變形程度對(duì)塑性影響不大。對(duì)于冷變形而言，由于沒(méi)有上述的修復(fù)過(guò)程，一般都是隨著變形程度的增加而降低塑性。

變形程度7.6“三度五圖”及其應(yīng)用絕對(duì)變形量:△h,△B,△l工件尺寸凈改變量相對(duì)變形用全量應(yīng)變求應(yīng)變未考慮加載路徑加載歷史不確切，對(duì)計(jì)算力、能沒(méi)意義現(xiàn)場(chǎng)常用對(duì)數(shù)變形量各微小變形階段相對(duì)變形量之和（真實(shí)變形）誤差大，把比較的基準(zhǔn)尺寸看出固定不變?nèi)N變形程度表示方法7.6“三度五圖”及其應(yīng)用慣用法：斷面收縮率（拉伸），鍛造延伸系數(shù)延伸率拉伸擠壓比，擠壓系數(shù)λ>8一般20-40

寬展系數(shù)壓下率（相對(duì)壓下量）軋制，鍛造7.6“三度五圖”及其應(yīng)用1．變形溫度和變形速度恒定時(shí)，變形程度與變形抗力的關(guān)系:

2．變形程度和變形速度恒定時(shí)，變形抗力與單相狀態(tài)條件下變形溫度的關(guān)系為：3．變形程度和變形溫度恒定時(shí)，變形抗力與變形速度的關(guān)系為：綜合上述三式可寫(xiě)成式中A、a、b、c、α、β、γ——取決于變形條件和變形材料的常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定；—平均變形程度；—平均變形速度；T—變形溫度，K。三個(gè)熱力學(xué)條件之間的相互關(guān)系7.6“三度五圖”及其應(yīng)用7.6.2熱力學(xué)條件與金屬塑性變形過(guò)程能量狀態(tài)變化的關(guān)系7.6“三度五圖”及其應(yīng)用1）金屬塑性變形過(guò)程中內(nèi)部能量的變化宏觀塑性變形后發(fā)熱外力所做的功克服工件與工具之間的接觸摩擦引起彈塑性變形所需的塑性變形功為平衡外力而釋放的位能彈性變形消耗的能量3-4%變形潛能（由不均勻變形而產(chǎn)生的自相平衡的附加勢(shì)能）10-15%塑性變形消耗（發(fā)熱）80-85%7.6“三度五圖”及其應(yīng)用2）熱效應(yīng)和溫度效應(yīng)熱效應(yīng)——塑性變形過(guò)程中發(fā)熱的現(xiàn)象溫度效應(yīng)——塑性變形過(guò)程中因發(fā)熱而引起的溫度變化塑性變形中發(fā)熱是不可避免的，隨變形條件不同：散失——等溫過(guò)程保留——絕熱過(guò)程極端情況實(shí)際上：大部分散失，小部分保留，使溫度升高（由變形熱和摩擦熱兩部分造成，后者將造成不利影響）。Eg：利用熱效應(yīng)——冷軋鋼及有色金屬帶材，通過(guò)提高變形速率，使產(chǎn)生熱效應(yīng)，提高塑性，降低抗力，使軋制過(guò)程變得容易。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用特別注意：加工中要特別重視由熱效應(yīng)引起的溫度效應(yīng)。軋、擠——水冷熱變形溫度——即塑性最好溫度錠加熱溫度+熱效應(yīng)溫度過(guò)熱而進(jìn)入脆性區(qū)，導(dǎo)致無(wú)法加工溫度升高使晶界熔化，脆性相析出，低熔點(diǎn)共晶體熔化。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用7.6.3熱力學(xué)條件對(duì)金屬能量變化的影響金屬的能量不僅隨成分、組織結(jié)構(gòu)而變化，而且隨變形條件的變化而發(fā)生較大的變化。變形溫度的影響：硬化與軟化的作用變形潛能：加工類型：冷、溫、熱T回復(fù)再結(jié)晶降低殘余應(yīng)力，使合金軟化，降低變形潛能7.6“三度五圖”及其應(yīng)用變形程度的影響：變形程度增加——加工硬化程度增加，使變形潛能增加變形程度增加——再結(jié)晶溫度降低，有利于軟化，也使?jié)撃芙档妥冃纬潭仍黾印獰嵝?yīng)越明顯，產(chǎn)生溫度效應(yīng)，導(dǎo)致軟化，降低潛能變形速率的影響：兼具有變形溫度和變形程度兩者的作用，塑性變形中有硬化和軟化的交互作用，因此其影響效果較復(fù)雜。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用綜上，熱力學(xué)條件在塑性加工中有重要意義，既關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，也關(guān)系到變形過(guò)程能否實(shí)現(xiàn)，及實(shí)現(xiàn)的難易程度。因此，“三度”是制定工藝規(guī)程的基礎(chǔ)，也是制定工藝的重要參數(shù)。五圖：相圖、兩類再結(jié)晶全圖、變形力學(xué)圖、變形抗力圖、塑性圖。通過(guò)查資料獲取五圖，根據(jù)五圖制定工藝（確定“三度”），進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及研發(fā)工作。概念：合金相圖是用圖的形式表明一個(gè)合金系的成分、溫度和相態(tài)之間的關(guān)系。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用相圖1）提供合金系任一組成的合金在各溫度下所存在的相態(tài)、相成分和各個(gè)相的含量，溫度變化時(shí)發(fā)生的相轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度等信息。由于合金組成相的本質(zhì)及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)與合金的力學(xué)性能及物理性能密切相關(guān)，所以由相圖可辨析合金成分與這些性能的關(guān)系。應(yīng)用：（2）為制訂合金的熔鑄、熱加工和熱處理工藝，研究某合金元素的作用和存在狀態(tài)，研究合金的性能與組織的關(guān)系提供理論依據(jù)。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用7.6“三度五圖”及其應(yīng)用強(qiáng)度、硬度電導(dǎo)率溫度B%根據(jù)相圖判斷合金的性能相圖與合金硬度、強(qiáng)度與導(dǎo)電性之間的關(guān)系7.6“三度五圖”及其應(yīng)用相圖與合金鑄造性能之間的關(guān)系流動(dòng)性縮孔性質(zhì)7.6“三度五圖”及其應(yīng)用圖7-64

變形體內(nèi)一點(diǎn)的主應(yīng)力圖與主應(yīng)變圖結(jié)合構(gòu)成變形力學(xué)圖。它形象地反映了該點(diǎn)主應(yīng)力、主應(yīng)變有無(wú)和方向。主應(yīng)力圖有9種可能，塑性變形主應(yīng)變有3種可能，二者組合，則有27種可能的變形力學(xué)圖。但單拉、單壓應(yīng)力狀態(tài)只可能分別對(duì)應(yīng)一種變形圖，所以實(shí)際變形力學(xué)圖應(yīng)該只有23種組合方式。

變形力學(xué)圖7.6“三度五圖”及其應(yīng)用7.6“三度五圖”及其應(yīng)用圖7-65

再結(jié)晶全圖

第一類再結(jié)晶全圖是描述晶粒大小與變形程度和退火溫度之間的關(guān)系圖像（主要針對(duì)冷變形）；第二類再結(jié)晶全圖是描述晶粒大小與與變形溫度（主要是加工終了溫度）和變形程度之間的關(guān)系的圖像（主要針對(duì)熱變形）。

根據(jù)再結(jié)晶全圖即可確定為了獲得均勻的組織與一定的晶粒尺寸晶粒時(shí)，所需要施加的變形程度、保持的加工終了溫度或退火溫度，是制定金屬冷熱變形和退火工藝規(guī)程的重要參考依據(jù)。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用變形程度/%純鋁的第一類再結(jié)晶全圖7.6“三度五圖”及其應(yīng)用7.6“三度五圖”及其應(yīng)用圖7-66圖7-67圖7-66圖7-67

變形抗力圖

變形抗力是指材料在一定溫度、速度和變形程度下，保持原有狀態(tài)而抵抗塑性變形的能力。通常由該材料在不同“三度”條件下，單向壓縮或拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力的大小來(lái)度量。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用

在實(shí)際條件下，金屬塑性加工過(guò)程多數(shù)是在兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行，這時(shí)其實(shí)際變形抗力式為：

P=σt+q式中P——實(shí)際變形抗力（工作應(yīng)力）

σt——變形條件下材料的真實(shí)應(yīng)力（流變應(yīng)力）

q——由影響變形力學(xué)圖的外部因素（工具與變形體表面狀態(tài)及形狀）所引起的抗力值7.6“三度五圖”及其應(yīng)用變形抗力圖是描述變形抗力與變形程度之間的關(guān)系圖像。1）塑性的基本概念什么是塑性？塑性是金屬在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞其完整性的能力。塑性與柔軟性的區(qū)別是什么？塑性反映材料產(chǎn)生永久變形的能力。柔軟性反映材料抵抗變形的能力。

塑性圖7.6“三度五圖”及其應(yīng)用塑性與柔軟性的對(duì)立統(tǒng)一不銹鋼------塑性好，但變形抗力高白口鑄鐵----塑性差，變形抗力高鉛----------塑性好，變形抗力小

結(jié)論：塑性與柔軟性不是同一概念7.6“三度五圖”及其應(yīng)用

為什么要研究金屬的塑性？探索塑性變化規(guī)律尋求改善塑性途徑選擇合理加工方法確定最佳工藝制度提高產(chǎn)品質(zhì)量7.6“三度五圖”及其應(yīng)用概念：金屬在破壞前產(chǎn)生的最大變形程度，即極限變形量。表示方法：斷面收縮率延伸率沖擊韌性最大壓縮率扭轉(zhuǎn)角（或扭轉(zhuǎn)數(shù)）彎曲次數(shù)2）塑性指標(biāo)7.6“三度五圖”及其應(yīng)用3）塑性指標(biāo)的測(cè)量方法拉伸試驗(yàn)法壓縮試驗(yàn)法扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法軋制模擬試驗(yàn)法7.6“三度五圖”及其應(yīng)用拉伸試驗(yàn)法式中：L0——拉伸試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；

Lh——拉伸試樣破斷后標(biāo)距間的長(zhǎng)度；

F0——拉伸試樣原始斷面積；

Fh——拉伸試樣破斷處的斷面積7.6“三度五圖”及其應(yīng)用壓縮試驗(yàn)法

簡(jiǎn)單加載條件下，壓縮試驗(yàn)法測(cè)定的塑性指標(biāo)用下式確定：式中：

——壓下率；

H0——試樣原始高度；

Hh——試樣壓縮后，在側(cè)表面出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)的高度

簡(jiǎn)單加載條件下，壓縮試驗(yàn)法測(cè)定的塑性指標(biāo)用下式確定：7.6“三度五圖”及其應(yīng)用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法

對(duì)于一定試樣，所得總轉(zhuǎn)數(shù)越高，塑性越好，可將扭轉(zhuǎn)數(shù)換作為剪切變形（γ

）。式中：R——試樣工作段的半徑；

L0——試樣工作段的長(zhǎng)度；

n——試樣破壞前的總轉(zhuǎn)數(shù)。

7.6“三度五圖”及其應(yīng)用軋制模擬試驗(yàn)法

在平輥間軋制楔形試件，用偏心軋輥軋制矩形試樣，找出試樣上產(chǎn)生第一條可見(jiàn)裂紋時(shí)的臨界壓下量作為軋制過(guò)程的塑性指標(biāo)。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用4）影響塑性的因素化學(xué)成分組織結(jié)構(gòu)變形溫度變形速度變形程度應(yīng)力狀態(tài)7.6“三度五圖”及其應(yīng)用5）塑性（狀態(tài)）圖及應(yīng)用概念：表示金屬塑性指標(biāo)與變形溫度及加載方式的關(guān)系曲線圖形，簡(jiǎn)稱塑性圖。應(yīng)用：合理選擇加工方法制定冷熱變形工藝7.6“三度五圖”及其應(yīng)用7.6“三度五圖”及其應(yīng)用圖7-687.6“三度五圖”及其應(yīng)用圖7-69紫圖7-707.6“三度五圖”及其應(yīng)用圖7-71圖7-727.6“三度五圖”及其應(yīng)用圖7-73圖7-74以下以H80黃銅為例，說(shuō)明塑性圖的應(yīng)用。根據(jù)產(chǎn)品確定加工方式（慢速、快速等）；根據(jù)相圖確定合金的相組成；根據(jù)相圖和再結(jié)晶全圖初步確定熱變形范圍；根據(jù)塑性圖和變形抗力圖進(jìn)一步確定熱變形溫度范圍。確定H80黃銅加工工藝規(guī)程的原則和方法7.6“三度五圖”及其應(yīng)用

根據(jù)產(chǎn)品的性能要求確定成分根據(jù)產(chǎn)品的力學(xué)性能要求確定H80主要成分為：Zn：19～21%，余量為Cu。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用圖7-75根據(jù)成分及相圖獲知合金的相組成

左圖虛線所示的為所設(shè)計(jì)的合金在相圖中的相的變化，由圖可見(jiàn)：T＞1000℃，為液相；T＜970℃，為單相組織；970℃＜T＜1000℃，為液相和相。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用根據(jù)相圖及再結(jié)晶全圖初步確定熱加工溫度范圍：（1）溫度的上限，大致取該合金熔點(diǎn)絕對(duì)溫度（Tm）的0.95倍，即應(yīng)比液相線低50℃左右。（2）溫度的下限，是要求保證在變形的過(guò)程中再結(jié)晶能充分迅速地進(jìn)行，并且整個(gè)變形過(guò)程是在單相系統(tǒng)內(nèi)完成。7.6“三度五圖”及其應(yīng)用根據(jù)塑性圖進(jìn)一步確定熱變形溫度范圍。H80的塑性圖7.6“三度五圖”及其應(yīng)用由于鑄態(tài)銅合金組織偏離平衡態(tài)，因此其性能有如下特征：1）若枝晶偏析使組織中出現(xiàn)非平衡脆性相，則合金塑性降低明顯，特別是枝晶網(wǎng)胞間生成連續(xù)的粗大脆性化合物網(wǎng)狀殼層時(shí)，合金塑性將急劇下降。補(bǔ)充內(nèi)容——鑄態(tài)銅合金的性能特征2）枝晶芯部與網(wǎng)胞間化學(xué)成分不同，可形成濃差微電池，降低材料的電化學(xué)腐蝕抗力。當(dāng)出現(xiàn)非平衡第二相時(shí)一般亦降低杭蝕性。3）鑄錠加工變形時(shí)，具有不同化學(xué)成分的各顯微區(qū)域拉長(zhǎng)并形成帶狀組織，導(dǎo)致材料各向異性以及增加晶間斷裂的傾向(如層狀斷口)。4）固相線溫度下移，使工藝過(guò)程的一些參數(shù)難以掌握，如熱變形前的加熱溫度不能超過(guò)因非平衡凝固固相線下移導(dǎo)致的最低固相點(diǎn)溫度，以免造成過(guò)燒現(xiàn)象。補(bǔ)充內(nèi)容——鑄態(tài)銅合金的性能特征

對(duì)于加工材而言，鑄錠塑性是至關(guān)重要的。為了保證鑄錠來(lái)回良好的變形塑性，除防止鑄錠中的一些缺陷外，顯然不希望鑄錠組織處于非平衡凝固狀態(tài)。解決辦法均勻化退火，又叫擴(kuò)散退火消除枝晶偏析，使非平衡相溶解，消除脆性相的不利影響，提高塑性

金屬冷變形所消耗的變形功除大部分以熱的形式放散外，小部分（約占變形功的2%~10%)以儲(chǔ)能的形式留在金屬內(nèi)部。儲(chǔ)能的結(jié)構(gòu)形成是晶格畸變和各種晶體缺陷。如點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、亞晶界、層錯(cuò)等。冷變形后金屬加熱伴隨著冷變形儲(chǔ)能的釋放，發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程。補(bǔ)充內(nèi)容——冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶補(bǔ)充內(nèi)容——冷變形金屬的回復(fù)

回復(fù)是冷變形金屬在低于再結(jié)晶溫度加熱時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。

由下圖知，在回復(fù)階段，冷變形所產(chǎn)生的硬化可相當(dāng)完全的保留(曲線1）、部分保留(曲線2)以及幾乎完全消失(曲線3)。

若回復(fù)時(shí)只發(fā)生點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)而位錯(cuò)密度變化不大，則加工硬化將基本保留;

若回復(fù)時(shí)發(fā)生了亞晶形成及粗化這一類過(guò)程，由于位錯(cuò)密度大為降低，故加工硬化可很大程度上消除。強(qiáng)度性能與加熱時(shí)間的關(guān)系

銅合金屬于低堆垛層錯(cuò)能金屬，故回