1、第五章第五章 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础第一节第一节 金属的塑性变形机理及特点金属的塑性变形机理及特点一、概述一、概述金属的塑性 材料在外力的作用下产生一定的永久变形而不破坏其完整性的能力。金属塑性加工 利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，也称为压力加工。塑性加工包括：轧制、 挤压、拉拔、锻造、冲压等方法。 轧制轧制 轧制轧制 挤压挤压 拉拔拉拔 锻造锻造 冲压冲压轧制挤压 拉拔 自由锻开式模锻闭式模锻冲裁拉深金属塑性成形的特点 生产效率高，适用于大批量生产生产效率高，适用于大批量生产 冲硅钢片的高速冲床的速
2、度可达2000次/min; 锻造一根汽车发动机曲轴只需要40s； M12螺栓的冷锻 210件/ min。改善了金属的组织和结构和性能 钢锭内部的组织缺陷，如疏松、晶粒粗大，经塑性变形后，组织变得致密，夹杂物被击碎； 与机械加工相比，金属的纤维组织不会被切断，因而结构性能得到提高。 同时，由于金属塑性变形后性能提高，在相同服役条件下，零件的截面可以减小。 材料利用率高 金属塑性成形主要靠金属的体积转移体积转移来获得一定的形状和尺寸，无切削，只有少量的工艺废料，因此材料利用率高， 一般可达75%85%，最高可达98%以上。 尺寸精度高 精密锻造、精密挤压、精密冲裁零件，可以达到不需机械加工就可以使
3、用的程度。塑性成形工艺的分类 体积成形 板料成形锻造轧制自由锻造拉拔挤压 模锻成形工序 分离工序 本章的任务本章的任务目的目的： 科学系统地阐明金属塑性成形的基础和规律，科学系统地阐明金属塑性成形的基础和规律，为合理制订塑性成形工艺奠定理论基础为合理制订塑性成形工艺奠定理论基础。任务任务： 掌握塑性成形时的金属学基础，以便使工掌握塑性成形时的金属学基础，以便使工件在成形时获得最佳的塑性状态，最高的变形效件在成形时获得最佳的塑性状态，最高的变形效率和优质的性能；率和优质的性能；金属的晶体结构和组织金属的晶体结构和组织 合金合金：由两种或两种以上的金属构成，按组织特征分为单相合金（以基体金属为基的
4、单相固溶体组织）和多相合金（除基体外，还有第二相）。 多晶体多晶体：由许多大小、形状和位向都不同的晶粒组成，晶粒之间存在晶界 。变形的不均匀性和各晶粒变形的相互协调性是其变形的主要特点。 晶界：晶界：晶粒之间为晶界，晶界表现出许多与晶粒内部不同的性质；如：l 室温时晶界的强度和硬度高于晶内，高温时则相反；l 晶界中原子的扩散速度比晶内原子快得多；l 晶界的熔点低于晶内；晶界容易被腐蚀等。晶粒晶粒晶界晶界合金的相结构合金的相结构1、固溶体、固溶体 solid solution 概念：溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均概念：溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体。如；匀固体。如；糖水糖水 水
5、水溶剂，糖溶剂，糖溶质溶质。合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体。这种组元叫做溶剂，其它组元叫做溶质；特点特点：具有溶剂的晶体结构 分类分类： 按按溶质溶质原子在原子在溶剂溶剂中分布情况不同，中分布情况不同， 分分 置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体两类两类置换固溶体置换固溶体溶质原子替换晶格上的原子溶质原子替换晶格上的原子间隙固溶体间隙固溶体溶质原子溶入晶格原子间隙溶质原子溶入晶格原子间隙a)置换置换固溶体固溶体 b间隙间隙固溶体固溶体特征特征：晶格类型不变，化学成分有限，性能发生变化：晶格类型不变，化学成分有
6、限，性能发生变化 特征：特征：（1）晶格仍保持原晶格（溶剂）晶格仍保持原晶格（溶剂）。（2）化学成分在一定范围内可改变。）化学成分在一定范围内可改变。（3）性能随化学成分改变而逐渐变化。）性能随化学成分改变而逐渐变化。性能：性能：造成晶格畸变，强度、硬度上升。这种现象造成晶格畸变，强度、硬度上升。这种现象称称固溶强化固溶强化。若若溶质原子质量分数（含量）适当，其力学性能高溶质原子质量分数（含量）适当，其力学性能高。铁碳合金中的固溶体：铁碳合金中的固溶体： 铁素体铁素体F F(单相组织单相组织) 它是碳在-Fe中的间隙固溶体，最大溶碳量仅0.0218%(在727时实现的),在室温下一般为0.00
7、8%以下。 性能特点性能特点：强度、硬度低，塑性、韧性好 -Fe C铁素体铁素体F溶溶入入奥氏体奥氏体A A(单相组织单相组织) ： 它是碳在-Fe中的间隙固溶体，最大溶解度为2.11%(在1148 时实现的)。如图所示； 性能特点性能特点：强度、硬度不高，但塑性优良； （塑性变形一般加热到奥氏体状态）-Fe C奥氏体奥氏体A溶溶入入 特征特征（1）具有一定的化学成分。（）具有一定的化学成分。（2）与任一组元成分不同。（与任一组元成分不同。（3）熔）熔点高脆性大硬度高。点高脆性大硬度高。 性能性能、HB ，、ak ，脆性大脆性大铁碳合金中的化合物： 渗碳体渗碳体(单相组织单相组织) ：它是铁与
8、碳形成的金属化合物，含碳量为6.69%,一般用Fe3C表示,它的晶体结构较复杂；渗碳体渗碳体的性能的性能：硬度很高，但其塑性极差，几乎为0。在室温平衡状态下，铁碳合金中的碳基本上是以Fe3C的形式存在。2、金属化合物、金属化合物 compound 概念：概念：合金元素之间发生相互作用而生成的一种合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属特性的新相。如具有金属特性的新相。如 Fe与与CFe3C3、机械混合物、机械混合物由结晶过程所形成的两相混合物；铁碳合金中的机械混合物：珠光体珠光体P： F+ Fe3C莱氏体莱氏体Ld：A+ Fe3C 低温莱氏体低温莱氏体Ld： P+ Fe3C铁素体铁素体F-
9、Fe C溶溶入入渗碳体渗碳体Fe3C珠光体珠光体P混混合合奥氏体奥氏体A-Fe C溶溶入入渗碳体渗碳体Fe3C莱氏体莱氏体Ld混混合合珠光体珠光体铁素体铁素体奥氏体奥氏体外力外力内部应力内部应力原子位移原子位移变形变形高位能不高位能不稳定位置稳定位置低位能的低位能的平衡位置平衡位置返回倾向金属塑性变形时，形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移来实现的，因此塑性变形时所施加的力和能，应足以克服壁垒，使大量的原子群能多次地、定向地由一个平衡位置移动到另一个平衡位置，由此产生宏观塑性变形。弹性变形弹性变形：外力停止后，变形：外力停止后，变形 随之消失随之消失塑性变形塑性变形：外力停止后，变形：外
10、力停止后，变形不消失不消失 冷塑性变形主要是以冷塑性变形主要是以“滑移滑移”的方式进行。原子相对的方式进行。原子相对移动距离超过了晶格中的原子间距，使原子失去恢复到原移动距离超过了晶格中的原子间距，使原子失去恢复到原始状态的能力。始状态的能力。二、金属塑性变形的机理二、金属塑性变形的机理晶内变形的主要方式为滑移和孪生，其中滑移是主要的.单晶体塑性变形机理：滑移单晶体塑性变形机理：滑移 滑移： 晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对的滑动。1 滑移滑移纯锌单晶体滑移变形示意图滑移面上应力分解示意图滑移面上应力分解示意图（a）在正应力作用下的变形）在正应力作用下的变形（b）在切应力作
11、用下的变形）在切应力作用下的变形单晶体试样拉伸变形示意图单晶体试样拉伸变形示意图依靠晶体整体滑移的塑性变形模型依靠晶体整体滑移的塑性变形模型 实际金属单晶体滑移所需的实际金属单晶体滑移所需的力仅是理想晶体的百分之一到力仅是理想晶体的百分之一到千分之一，为什么？千分之一，为什么？滑移的位错机制滑移的位错机制位错运动使塑性变形容易位错运动使塑性变形容易理想晶体理想晶体含有位错的晶体含有位错的晶体位错位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的 错排现象。位错虽然移动了一位错虽然移动了一个原子间距个原子间距，但位，但位错中心附近的少数错中心附近的少数原子只作远小于一原子只作远小于一个原子间距的弹性
12、个原子间距的弹性偏移，而其他区域偏移，而其他区域的原子仍处于正常的原子仍处于正常位置，位置，所以这样的所以这样的位错运动只需一个位错运动只需一个很小的切应力即可很小的切应力即可实现，故，实测的实现，故，实测的K K 远小于理论的远小于理论的K K 。Q Q PP 滑移的结果滑移的结果使大量的原子逐步发生迁移，从而产生宏观的塑性变形。 晶内滑移晶内滑移受到晶界的阻碍，还受到周围难滑移晶粒的阻碍。而且，随变形增加，还会发生多系滑移，滑移面还会发生扭转、弯曲等。 2 2孪生孪生 孪生变形：在切应力的作用下，晶体的变形部分与未变形部分形成以孪晶面为分界面成镜面对称的位向关系. 孪生变形所需的切应力大于
13、滑移变形时所需的切应力。所以，滑移是优先发生的变形方式。 发生孪生变形的条件主要与晶体结构、变形温度和变形速度有关： FCC金属一般不发生孪生，少数金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，在极低温度下发生，BCC金属仅在室温或受冲击时金属仅在室温或受冲击时发生。发生。HCP金属较容易发生孪生金属较容易发生孪生 。 如 密排立方（锌、镁） 常温、慢速拉伸体心立方（铁） 室温、冲击载荷 或 低温、不太大的变形速率 面心立方（纯铜） 极低温度（-230），高速冲击载荷 孪生变形引起的变形量是较小的，因此，晶体的塑性变形主要依靠滑移变形。 孪生本身对塑性变形的贡献不大，但形成的孪晶改变了晶体位向，使
14、新滑移系开动，间接对塑性变形做贡献.多晶体金属的塑性变形与单晶体的本质是多晶体金属的塑性变形与单晶体的本质是一致的，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移、一致的，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移、孪生等方式进行；孪生等方式进行；但多晶体与单晶体相比有两点不同：但多晶体与单晶体相比有两点不同：相相邻的晶粒位向不同；邻的晶粒位向不同；各晶粒之间存在晶各晶粒之间存在晶界；界；多晶体塑性变形多晶体塑性变形三、塑性变形特点三、塑性变形特点（1 1）各晶粒变形的不同时性各晶粒变形的不同时性 塑性变形首先在位向有利的晶粒内发生塑性变形首先在位向有利的晶粒内发生, ,位位错源开动错源开动, ,但其中的位错却无法移出此晶粒
15、但其中的位错却无法移出此晶粒, ,而是而是在晶界处塞积。位错塞积产生的应力场越过晶界在晶界处塞积。位错塞积产生的应力场越过晶界作用到相邻晶粒上作用到相邻晶粒上, ,使其得到附加应力。随外加应使其得到附加应力。随外加应力的增大力的增大, ,最终使相邻位向不利的晶粒中滑移系的最终使相邻位向不利的晶粒中滑移系的剪应力分量达到临界值而开动起来剪应力分量达到临界值而开动起来, ,同时也使原来同时也使原来的位错塞积得到释放的位错塞积得到释放, ,位错运动移出晶粒。如此持位错运动移出晶粒。如此持续运作续运作, ,使更多晶粒参与变形。使更多晶粒参与变形。（2 2）各晶粒变形的相互协调性）各晶粒变形的相互协调性
16、 晶粒的变形需要相互协调配合，如此才能保持晶粒的变形需要相互协调配合，如此才能保持 晶粒之间的连续性，即变形不是孤立和任意的。晶粒之间的连续性，即变形不是孤立和任意的。 （3 3）变形的不均匀性变形的不均匀性 软位向的晶粒先变形，硬位向的晶粒后变形，软位向的晶粒先变形，硬位向的晶粒后变形，其结果必然是各晶粒变形量的差异，这是由多晶其结果必然是各晶粒变形量的差异，这是由多晶体的结构特点所决定的。体的结构特点所决定的。变形不均匀变形不均匀多晶体的滑移 多晶体多晶体的塑性变形可以看成是由组成多晶体的塑性变形可以看成是由组成多晶体的许多单个晶粒产生变形（称为晶内变形）的综的许多单个晶粒产生变形（称为晶
17、内变形）的综合效果。晶粒之间也有晶间变形。合效果。晶粒之间也有晶间变形。多晶体冷塑性变形机制 对晶间变形起协调作用 晶间变形晶粒相对移动晶粒相对转动多晶体冷塑性变形滑移孪生晶内变形主 要 变形晶间变形 晶间变形的方式包括晶粒间的相互移动和转动。 晶粒之间的相对滑动和转动晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的阻碍作用 （1 1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。 （2 2）晶界对变形的影响）晶界对变形的影响: :滑移、孪生多终止于晶界滑移、孪生多终止于晶界, ,极少穿极少穿过。过。 （3 3）晶粒大小与性能的关系）晶粒大小与性能的关系 a a 晶
18、粒越细，强度越高晶粒越细，强度越高( (细晶强化细晶强化) ) 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制）（有尺寸限制） 晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中 导致的开裂机会减少，可承受更大的变导致的开裂机会减少，可承受更大的变 形量，表现出形量，表现出高塑性高塑性。b b 晶粒越细，塑韧性提高晶粒越细，塑韧性提高 细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易 萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂 过程中可吸收较多能量过程中可吸收较多能量, ,
19、表现出表现出高韧性高韧性。 细晶强化细晶强化通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高的现象。韧性提高，硬度提高的现象。强化原理强化原理 晶界原子排列较不规则晶界原子排列较不规则缺陷多缺陷多滑移阻力大。晶粒越细滑移阻力大。晶粒越细 小，则界越多，变形抗力越大，则强度越大。小，则界越多，变形抗力越大，则强度越大。 晶粒越细小，而且单位体积内位向有利的晶粒也越多，晶粒越细小，而且单位体积内位向有利的晶粒也越多，变形分布较均匀，塑性较好变形分布较均匀，塑性较好。 由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂
20、时需要 消耗较大的功。因而韧性也较好。消耗较大的功。因而韧性也较好。（一）（一） 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 1 1 固溶体的结构固溶体的结构 2 2 固溶强化固溶强化 （1 1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。度提高而塑性、韧性下降的现象。 晶格畸变，阻碍位错运动；晶格畸变，阻碍位错运动； （2 2）强化机制）强化机制 柯氏气团强化。柯氏气团强化。 四、合金的塑性变形四、合金的塑性变形（3 3）屈服和应变时效）屈服和应变时效 现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。现象：上下屈服点、屈服延伸（吕
21、德斯带扩展）。 原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。 屈服效应屈服效应吕德斯带吕德斯带 （4 4）固溶强化的影响因素）固溶强化的影响因素 溶质原子含量越多，强化效果越好；溶质原子含量越多，强化效果越好； 溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好； 溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好；溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好； 间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。 （二）多相合金的塑性变形（二）多相合金的塑性变形存在第二相存在第二相聚合型两相合金（第二相粒子与
22、基体晶粒尺寸属于同一数量级）聚合型两相合金（第二相粒子与基体晶粒尺寸属于同一数量级）滑移首先在较软的相中发生。滑移首先在较软的相中发生。弥散型两相合金（第二相粒子细小弥散的分布在基体中）弥散型两相合金（第二相粒子细小弥散的分布在基体中）弥散强化：阻碍位错的运动，产生强化效果相互作用时位错线弯弥散强化：阻碍位错的运动，产生强化效果相互作用时位错线弯曲，最后绕过粒子继续运动，留下位错环，形成强化。曲，最后绕过粒子继续运动，留下位错环，形成强化。第二节第二节 金属塑性加工中组织和性能的变化规律金属塑性加工中组织和性能的变化规律一一 冷塑性变形时金属组织和性能的变化冷塑性变形时金属组织和性能的变化1
23、1 对组织结构的影响对组织结构的影响2 2 性能的变化性能的变化1 对组织结构的影响对组织结构的影响 晶粒拉长晶粒拉长; ; (1) (1) 形成纤维组织形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布。杂质呈细带状或链状分布。 变形后变形前变形前后的晶粒形状变形前后的晶粒形状工业纯铁不同变变形度的显微组织工业纯铁不同变变形度的显微组织变形变形10% 100变形变形40% 100变形变形80%纤维组织纤维组织100 (2) (2) 形成形变织构形成形变织构形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。取向的组织。 丝织构：丝织构：某一晶向趋于
24、与拔丝方向平行。（拉拔时形成）某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）常见类型常见类型 板织构板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平 行于主变形方向。（轧制时形成）行于主变形方向。（轧制时形成） 力学性能：弊：制耳力学性能：弊：制耳。（3 3）对性能的影响）对性能的影响 (各向异性各向异性) 物理性能：硅钢片物理性能：硅钢片织构可减少铁损。织构可减少铁损。 由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。拉拔形成的丝结构拉拔后轧制形成的板织构轧制前轧制后拉拔前晶粒位向改变晶粒位向改变（3 3
25、） 晶粒内产生亚亚结构晶粒内产生亚亚结构 变形量变形量 位错缠结位错缠结 位错胞（大量位错缠位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。）结在胞壁，胞内位错密度低。） （1 1）产生加工硬化：）产生加工硬化： 加工硬化：塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，这一现象就是加工硬化，或冷变形强化。如图所示；示；2 2 性能的变化性能的变化 塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力学性能。机理机理：塑性变形塑性变形位错移动位错移动位错大量增殖位错大量增殖相互作用相互作用运动阻力运动阻力加大加大变形抗力变形抗力强度强度、硬度、硬度、塑性、韧性、塑性、韧
26、性。加工硬化对性能的影响加工硬化对性能的影响 对力学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化） 强化金属的重要途径；强化金属的重要途径； 利利 提高材料使用安全性；提高材料使用安全性； 利弊利弊 材料加工成型的保证。材料加工成型的保证。 弊弊 变形阻力提高，动力消耗增大；变形阻力提高，动力消耗增大； 脆断危险性提高。脆断危险性提高。 对物理、化学性能的影响对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快；结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。化学活性提高，腐蚀加快。回复与再结晶回复与再结晶 从热力学
27、角度来看，变形引起加工硬化，晶体缺陷增从热力学角度来看，变形引起加工硬化，晶体缺陷增多，金属畸变内能增加，原子处于不稳定的高自由能状态，多，金属畸变内能增加，原子处于不稳定的高自由能状态，具有向低自由能状态转变的趋势。当加热升温时，原子具具有向低自由能状态转变的趋势。当加热升温时，原子具有相当的扩散能力，变形后的金属自发地向低自由能状态有相当的扩散能力，变形后的金属自发地向低自由能状态转变。这一转变过程称为回复和再结晶，这一过程伴随有转变。这一转变过程称为回复和再结晶，这一过程伴随有晶粒长大。晶粒长大。 回复往往是在较低的温度下或较早的阶段发生的过回复往往是在较低的温度下或较早的阶段发生的过程
28、，再结晶则是在较高的温度下或较晚的阶段发生的转变。程，再结晶则是在较高的温度下或较晚的阶段发生的转变。图13-15回复和再结晶对金属组织和性能的变化 回复回复：在加热温度较低时，金属中的一些点缺陷的迁移：在加热温度较低时，金属中的一些点缺陷的迁移而引起的某些晶内的变化而引起的某些晶内的变化 。 可见，回复时，强度、硬度、塑性等变化不大（力学可见，回复时，强度、硬度、塑性等变化不大（力学性能变化不大），而会使内应力以及一些物理性能得到改性能变化不大），而会使内应力以及一些物理性能得到改善。善。回复退火回复退火：这种只消除内应力，而保留强化效果的工艺叫：这种只消除内应力，而保留强化效果的工艺叫做做
29、低温去应力退火（将工件加热到较低温度低温去应力退火（将工件加热到较低温度250250300300、保温、缓冷的工艺）。保温、缓冷的工艺）。 再结晶：当金属被加热到较高温度时，在变形的晶粒内部再结晶：当金属被加热到较高温度时，在变形的晶粒内部开始出现新的开始出现新的小晶粒小晶粒新晶粒不断出现并长大新晶粒不断出现并长大这个过程这个过程一直进行到塑性变形后的纤维状晶粒完全改组为新的一直进行到塑性变形后的纤维状晶粒完全改组为新的等轴等轴晶粒晶粒为止。为止。 注意：新的晶粒重新生核和成长的过程，但晶格的型式并不发生变化，注意：新的晶粒重新生核和成长的过程，但晶格的型式并不发生变化，仍与旧晶粒的晶格型式相
30、同，所以称为再结晶。仍与旧晶粒的晶格型式相同，所以称为再结晶。 T再 =0.4T熔 再结晶退火再结晶退火：将冷变形的金属加热到再结晶温度以上，使：将冷变形的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶的处理过程，称为再结晶退火其发生再结晶的处理过程，称为再结晶退火二、热塑性变形时金属组织和性能的变化二、热塑性变形时金属组织和性能的变化热塑性变形 ： 金属在再结晶温度以上的变形，称为热塑性变形。 热塑性变形过程中，回复、再结晶和加工硬化同时发生，加工硬化不断被回复和再结晶等软化过程所抵消，金属处于高塑性、低变形抗力的状态。1 1、改善晶粒组织、改善晶粒组织 经热塑性变形可获得均匀细小的再结晶组织，从
31、而获得较好的综合机经热塑性变形可获得均匀细小的再结晶组织，从而获得较好的综合机械性能。械性能。2 2、锻合内部缺陷、锻合内部缺陷 铸态金属中的缺陷如疏松、空隙和微裂纹等，经过锻造后被压实，致铸态金属中的缺陷如疏松、空隙和微裂纹等，经过锻造后被压实，致密度得到提高。密度得到提高。3 3、形成纤维状组织、形成纤维状组织 钢锭在热锻过程中，随着变形程度的增加，内部粗大的树状枝晶沿主钢锭在热锻过程中，随着变形程度的增加，内部粗大的树状枝晶沿主变形方向伸长，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也逐渐趋于与变形方向伸长，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也逐渐趋于与主变形方向一致，脆性夹杂物被破碎呈链状分布
32、。主变形方向一致，脆性夹杂物被破碎呈链状分布。钢锭锻造过程中纤维组织形成示意图4 4、改善碳化物和夹杂物分布、改善碳化物和夹杂物分布 可以使碳化物和夹杂物被击碎，并均匀分布在基体可以使碳化物和夹杂物被击碎，并均匀分布在基体中，削弱了对基体的破坏作用。中，削弱了对基体的破坏作用。5 5、改善偏析、改善偏析 在热塑性变形中，通过枝晶破碎和扩散，可使铸态在热塑性变形中，通过枝晶破碎和扩散，可使铸态金属的偏析略有改善，铸件的力学性能得到提高。金属的偏析略有改善，铸件的力学性能得到提高。第三节第三节 金属在塑性加工中的塑性行为金属在塑性加工中的塑性行为一、金属的塑性和塑性指标1 1 塑性的基本概念塑性的
33、基本概念金属在破坏前产生的最大变形程度，即极限变形量。注：塑性和柔性（变形抗力）是两个不同的概念 塑性 反映材料塑性变形的能力 变形抗力 反映塑性变形的难易程度 塑性好不一定变形抗力低，反之亦然。变形抗力：变形抗力： 金属在发生塑性变形时，产生抵抗变形的能力，称为变形抗力，一般用接触面上平均单位面积变形力表示变形抗力大小变形抗力大小 取决于材料在一定变形条件下的真实应力，还取决于塑性加工时的应力状态、接触摩擦状态和变形体的尺寸因素等。注：只有在单向应力状态下，材料的变形抗力才等于材料在该变形条件下的真实应力。塑性与柔软性（变形抗力）的对立统一铅-塑性好，变形抗力小不锈钢-塑性好，但变形抗力高白
34、口铸铁-塑性差，变形抗力高结论：塑性与柔软性不是同一概念2塑性指标及测量方法拉伸试验法压缩试验法扭转试验法冲击试验法L0LKd0拉断拉断前前试样试样拉拉断断后后试样试样试样按试样按GB639786制取，制取，分长试样分长试样L0=10d0短短试样试样 L0=5d0说明说明：bkse拉伸力拉伸力 F O伸长量伸长量 LFsFbFe低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线FF0AFbb %10000LLLk0AFss镦粗试验法 简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定： 00100%hHHH式中：式中： 压下率；压下率； H0试样原始高度；试样原始高度； Hh试样压缩后，在侧表面出现第一条试
35、样压缩后，在侧表面出现第一条 裂纹时的裂纹时的 高度高度扭转试验法 对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形（ ） 。 030nRL式中：式中：R试样工作段的半径；试样工作段的半径； L0试样工作段的长度；试样工作段的长度； n试样破坏前的总转数。试样破坏前的总转数。 冲击试验法 在冲击力作用下使试样破坏所消耗的功，获得的冲击韧度aK即为塑性指标。 可锻性可锻性：是综合衡量材料在压力加工时获：是综合衡量材料在压力加工时获得优质零件工艺性能的一项（定性）指标。得优质零件工艺性能的一项（定性）指标。塑性越好，变形抗力越小塑性越好，变形抗力越小金属的可锻性金属的可锻性好；好；
36、变形抗力变形抗力：在压力加工过程中变形金属作：在压力加工过程中变形金属作用于施压工具表面单位面积上的压力。用于施压工具表面单位面积上的压力。锻造比：金属的变形程度通常用锻造比来表示。金属的变形程度通常用锻造比来表示。FFOY拔 = FO /FY镦 = HO / H二、对塑性的影响因素 内部因素：化学成分 组织结构外部因素：变形温度 应变速度 应力、应变状态（一）化学成分和合金成分对金属塑性的影响一般纯金属的塑性比合金好，而且合金元素的种类、含一般纯金属的塑性比合金好，而且合金元素的种类、含量越多，可锻性越差。金属的塑性随其纯度的提高而增量越多，可锻性越差。金属的塑性随其纯度的提高而增加加，如纯
37、铝99.96伸长率为45，98伸长率为30 产生脆化现象，使冷热变形都非常困难。如碳钢中产生脆化现象，使冷热变形都非常困难。如碳钢中： P冷脆 S、O热脆 N时效脆性 H氢脆 杂质的存在状态、分布情况和形状不同，对塑性的影杂质的存在状态、分布情况和形状不同，对塑性的影响也不同响也不同；如： Pb、S、Sn等 不溶于金属 降低金属塑性 溶于金属 塑性变化不大单质或化合物 晶界处l 杂质元素之间相互作用对金属的塑性产生影响； 硫 +Fe FeS（熔点1190 ），热脆 +Mn MnS （熔点1600 ），塑性提高。 l 合金元素特性、数量、元素之间的相互作用及分布等对金属的塑性产生影响。 碳碳：形
38、成单相固溶体铁素体和奥氏体有较好的塑 性； 形成脆性过剩相渗碳体塑性降低。 铬、钨、钼、钛、钒：形成硬而脆的碳化物塑性下降。 钛、钒：形成高度弥散的碳化物细小颗粒对塑性影响不大。 注：对冷加工用钢而言，含碳量应尽量低。 下面以碳钢为例，分析碳及杂质元素（P、 S、 N、 H、 o）对塑性的影响1、碳碳对碳钢性能的影响最大 1）碳能固溶于铁，形成铁素体和奥氏体，它们具有良好的塑性。 2）当铁中的碳含量超过其溶碳能力时，多余的碳便以渗碳体Fe3C形式出现，它具有很高的硬度，而塑性几乎为零。 含碳量越高，渗碳体的数量越多，金属的塑性也越差。 2、磷 钢中有害杂质钢中有害杂质，在钢中有很大的溶解度，易
39、溶于铁素体，使钢的塑性降低，在低温时更为严重，这种现象称为冷脆性冷脆性。3、硫 钢中有害物质有害物质，主要与铁形成FeS，与其它元素形成硫化物。 硫化物及其共晶体（ Fe-FeS ），通常分布于晶界上，在钢的锻造温度范围内会发生变形开裂，即“热脆热脆”现象。 在钢中加入适量锰，生成MnS，硫化锰及其共晶体的熔点高于钢的锻、轧温度，不会产生热脆性，从而消除硫的危害。4、氧 在钢中溶解度很小，主要以氧化物的形式出现，降低钢的塑性。与其它夹杂物形成共晶体，分布于晶界处，造成钢的热脆性。5、氮 在钢中主要以氮化物Fe4N形式存在。当含量较小时，对钢的塑性影响较小；当含量增加时，钢的塑性下降。 当含氮量
40、较高的钢从高温快冷至低温时，铁被过饱和，随后以Fe4N形式析出，使钢的塑性、韧性大大下降，这种现象称为时效脆性。6、氢 钢中溶氢，会使钢的塑性、韧性下降，造成所谓“氢脆” （白点） 。7、其它元素：主要是降低钢的塑性，提高变形抗力合金元素对铁素体伸长率和韧性的影响（二）组织状态对金属塑性的影响 晶粒度的影响 晶粒度越小，越均匀，塑性越高。 相组成的影响 单相组织塑性好；多相组织塑性差。（锻造加工加热到奥氏体区） 铸造组织的影响 铸造组织具有粗大的柱状晶粒，具有偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，因而塑性较差。（三）变形温度对金属塑性的影响 对大多数金属而言，总的趋势是随着温度升高，塑性增加对大多数金
41、属而言，总的趋势是随着温度升高，塑性增加。 1）发生回复与再结晶，消除了加工硬化； 2）原子动能增加，位错活动加剧，出现新的滑移系，改善晶粒之间变形的协调性。 3）晶间滑移作用增强：晶界切变抗力降低；晶界滑移引起的微裂纹被消除。 4）金属的组织、结构的变化：多相单相；晶格的结构改变，如钛：室温hcpbcc ， 在加热的某些温度区间，由于相态或晶界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。蓝脆区：中温（200-400）区，由于氧化物、氮化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出；热脆区：高温（800-950）区，珠光体转变为奥氏体，使得铁素体和奥氏体共存，另外，晶界处可能析出FeS-FeO低熔点的共晶体
42、； 高温脆区：加热温度超过1250后，由于过热、过烧，晶粒粗大，晶界出现氧化物和低熔物质的局部熔化89碳钢的塑性随温度的变化曲线蓝脆区蓝脆区热脆区热脆区高温脆区高温脆区低温脆区低温脆区 就大部分金属来言，其总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的线性上升。 随着温度增加随着温度增加塑性增加而变形抗力下降塑性增加而变形抗力下降可锻性越好可锻性越好； 但加热温度过高（超过一定值后），晶粒急剧长大，而金属机械性能反而下隆，这种现象称“过热”； 当加热温度进一步提高到接近熔点时，晶界开始被氧化，失去塑性，金属稍锻即裂，变成废料，这种现象称为“过烧”； 加热温度过低塑性下降、变形抗力
43、增加可锻性变差易开裂； 故应在合适的锻造温度范围内锻造（8001200 ）。变形温度对可锻性的影响 始锻温度锻压时金属允许加热到的最高温度称为始锻温度 （1200 左右 ）； 终锻温度锻压中，当温度逐渐降低到一定程度后，其可锻性变差，必须停止锻造，此时温度称为终锻温度（800 左右 ）； 虽然亚共析钢在此温度为二相区（F+A)，但仍有较好的塑性； 对过共析钢，则为了击碎渗碳体的网状组织(Fe3C)，改善钢的性能，在此温度仍可锻击。锻造温度范围（四）应变速率对塑性的影响 温度效应 （1）变形温度：低温下显著 （2）应变速率：越快温度效应越大 （3）变形程度：越大温度效应越大 一方面，随变形速率的
44、增大，金属的塑性降低：没有足够的时间进行回复或再结晶，软化过程进行得不充分。 另一方面，随着变形速率的增加，在一定程度上使金属的温度升高，温度效应显著，从而提高金属的塑性。但对于有脆性转变的金属，则应变速率的增加可能引起塑性的下降。变形速率对塑性的影响结论 正作用 (V变 WK); 塑性变形能量 转变成热能 温度 变形抗力 ，塑性 可锻性； 反作用 (V变 WK); 回复及再结晶来不及克服加工硬化现象 变形抗力 ，塑性 可锻性。 变形速度F、Fvvva:Fvva小小于于大大于于变形抗力96碳钢的塑性随温度的变化曲线蓝脆区蓝脆区热脆区热脆区高温脆区高温脆区低温脆区低温脆区 就大部分金属来言，其总
45、的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的线性上升。 l提高应变速率可以降低摩擦系数，从而降低金属的流动阻力、改善金属的充填性。l提高应变速率可以减少热成形时的热量损失，减少毛坯温度下降和温度分布的不均匀性，这对于具有薄壁、高筋等形状复杂的工件成形是有利的。（五）变形力学条件状态对塑性的影响 主应力图： 自变形体中某点取一立方微单元体，用箭头表示作用在该单元体主应力，称为主应力图，主应力图只表示出应力的个数和方向，并不表示应力的大小。拉拔和挤压时不同的应力状态和变形抗力静水压力对提高金属塑性的良好影响 卡尔曼试验仪器的工作部分 l 应力状态不同对塑性的影响也不同： 主应力图中压
46、应力个数越多，数值越大，则金属的塑性越高； 拉应力个数越多，数值越大，则金属的塑性就越低。 这是由于拉应力促进晶间变形，加速晶界破坏，而压应力阻止或减小晶间变形； 另外，三向压应力有利于抑制或消除晶体中由于塑性变形而引起的各种微观破坏，而拉应力则相反，它使各种破坏发展，扩大。 应力状态对可锻性的影响应力状态对可锻性的影响压应力数目越多（三个方向的压应力）塑性 可锻性；但同时变形抗力 可锻性；压应力数目越少（二个方向的压应力，一个方向的拉应力） 塑性 可锻性；但同时变形抗力 可锻性；因此，对塑性好的材料，应利用拉应力使其变形抗力 以减小变形能量消耗省力拉拔；而对塑性差的金属，则应利用三向压应力
47、塑性 以免开裂 挤压。型毡拔长圆断面毛坯加反压力挤压 包套挤压精密冲裁轴向加压剪切应变状态的影响 第三节 金属在塑性加工中的塑性行为一、金属的塑性和塑性指标二、对塑性的影响因素三 提高金属塑性的途径提高塑性的主要途径有以下几个方面：(1) 提高材料的成分和组织的均匀性；(2)采用合适的变形温度速度制度；(3)选用三向压应力较强的变形方式；(4)减小变形的不均匀性；(5)避免加热和加工时周围介质的不良影响。 第四节 金属的超塑性金属超塑性： 是指在一些特定条件下，如一定的化学成分、特定的显微组织、特定的变形温度和应变速率等，金属会表现出异乎寻常的高塑性状态，即所谓超常的塑性变形行为，具有均匀变形
48、能力，其伸长率可以达到百分之几百、甚至几千，这就是金属的超塑性。第五节 金属塑性成形中的外摩擦1. 改变应力状态，增大变形抗力 例如单向压缩时，若工具与坯料无摩擦存在，则坯料受单向应力状态；若存在摩擦时，则变成三向应力状态，且使端面压应力增加才能屈服，因而变形抗力增加。2. 引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力 在挤压杆件时，由于挤压筒壁摩擦力的影响，使坯料边缘处的流动比中间慢，造成边缘受拉伸而中间受压缩的附加应力。3. 降低模具寿命 摩擦必然带来磨损，同时摩擦热引起模具软化，以及变形抗力增加使模具工作应力增加，都会降低模具寿命。在多数情况下是有害的，具体表现如下：一 塑性成形中的摩擦的影响
49、 但是在塑性成形中也常常应用摩擦的有益作用。 例如，模锻中利用飞边槽桥部的摩擦力来保证模膛充满，滚锻和轧制时依靠足够的摩擦使坯料被咬入轧辊。二、塑性成形中的摩擦分类及机理（一）塑性成形中的摩擦分类 根据塑性成形中坯料与工具表面之间的润滑状态的不同，摩擦可分为三类，即干摩擦、边界摩擦和流体摩擦，由此还可以派生出混合型摩擦。1、干摩擦 通常所说的干摩擦是指不加任何润滑剂的摩擦。 2、 边界摩擦 接触表面之间存在很薄的润滑膜，凸凹不平的坯料表面凸起部分被压平，润滑剂被压入凹坑中，被封存在里面，如图18-8b。大多数塑性成形的摩擦属于边界摩擦。 3、流体摩擦 两表面的微观凸凹部分不直接接触，完全被润滑
50、剂隔开的润滑叫流体润滑，该状态下的摩擦叫流体摩擦，如图18-8c。 流体摩擦与干摩擦和边界摩擦有着本质的区别，其摩擦特征与所加润滑剂的性质和相对速度有关，而与接触表面的状态无关。 图图18-818-8 摩擦分类示意图摩擦分类示意图a) 干摩擦干摩擦b) 边界边界摩擦摩擦c) 流体摩擦流体摩擦塑性成形过程中的摩擦是非常复杂的，目前关于摩擦机理（即摩擦产生的原因）有三种学说。图18-9 接触表面凹凸不平机械咬合机理示意图（二）摩擦机理1、表面凹凸学说 摩擦是由接触面上凹凸形状引起的。经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同程度的微观凸峰和凹坑，当微观粗糙的两表面接触时，一个表面的凸峰可能会陷入
