1金屬物理基礎課件

第五章

金屬塑性變形的物理基礎第五章金屬塑性變形的物理基礎1第一節(jié)

金屬的塑性變形機理及特點一、概述金屬的塑性材料在外力的作用下產生一定的永久變形而不破壞其完整性的能力。金屬塑性加工

利用金屬在外力作用下所產生的塑性變形，來獲得具有一定形狀、尺寸和機械性能的原材料、毛坯或零件的生產方法，也稱為壓力加工。第一節(jié)金屬的塑性變形機理及特點一、概述金屬的塑性2塑性加工包括：軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓等方法。軋制軋制擠壓拉拔鍛造

沖壓塑性加工包括：軋制軋制擠壓拉拔鍛造沖壓3軋制擠壓拉拔自由鍛開式模鍛閉式模鍛沖裁拉深軋制擠壓拉拔4金屬塑性成形的特點

生產效率高，適用于大批量生產

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；

M12螺栓的冷鍛210件/min。改善了金屬的組織和結構和性能

鋼錠內部的組織缺陷，如疏松、晶粒粗大，經塑性變形后，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，因而結構性能得到提高。金屬塑性成形的特點生產效率高，適用于大批量生產5同時，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。同時，由于金屬塑性變形后性能提高，在相同服役條件下，6塑性成形工藝的分類

體積成形板料成形鍛造軋制自由鍛造拉拔擠壓

模鍛成形工序

分離工序

塑性成形工藝的分類體積成形板料成形鍛造軋制自由鍛造拉拔擠壓7本章的任務目的：

科學系統地闡明金屬塑性成形的基礎和規(guī)律，為合理制訂塑性成形工藝奠定理論基礎。任務：掌握塑性成形時的金屬學基礎，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)質的性能；本章的任務目的：8金屬的晶體結構和組織

合金：由兩種或兩種以上的金屬構成，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）。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調性是其變形的主要特點。金屬的晶體結構和組織9晶界：晶粒之間為晶界，晶界表現出許多與晶粒內部不同的性質；如：室溫時晶界的強度和硬度高于晶內，高溫時則相反；晶界中原子的擴散速度比晶內原子快得多；晶界的熔點低于晶內；晶界容易被腐蝕等。晶粒晶界晶界：晶粒之間為晶界，晶界表現出許多與晶粒內部不同的性質；如101金屬物理基礎課件11合金的相結構1、固溶體

solidsolution◆概念：溶質原子溶入溶劑晶格中所形成的一種均勻固體。如；糖水

水—溶劑，糖—溶質。合金的組元之間以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶體結構與組成合金的某一組元的相同，這種相就稱為固溶體。這種組元叫做溶劑，其它組元叫做溶質；特點：具有溶劑的晶體結構合金的相結構1、固溶體solidsolution◆12◆分類：按溶質原子在溶劑中分布情況不同，分置換固溶體和間隙固溶體兩類①置換固溶體——溶質原子替換晶格上的原子②間隙固溶體——溶質原子溶入晶格原子間隙a)置換固溶體b間隙固溶體特征：晶格類型不變，化學成分有限，性能發(fā)生變化◆分類：按溶質原子在溶劑中分布情況不同，分置換固溶體13◆特征：（1）晶格仍保持原晶格（溶劑）。（2）化學成分在一定范圍內可改變。（3）性能隨化學成分改變而逐漸變化。◆性能：造成晶格畸變，強度、硬度上升。這種現象稱固溶強化。若溶質原子質量分數（含量）適當，其力學性能高?！籼卣鳎海?）晶格仍保持原晶格（溶劑）。（2）化學成分在一14鐵碳合金中的固溶體：

①鐵素體F(單相組織)

它是碳在α-Fe中的間隙固溶體，最大溶碳量僅0.0218%(在727℃時實現的),在室溫下一般為0.008%以下。性能特點：強度、硬度低，塑性、韌性好

α-FeC鐵素體F溶入鐵碳合金中的固溶體：α-FeC鐵素體F溶15②奧氏體A(單相組織)

：

它是碳在γ-Fe中的間隙固溶體，最大溶解度為2.11%(在1148℃時實現的)。如圖所示；性能特點：強度、硬度不高，但塑性優(yōu)良；（塑性變形一般加熱到奧氏體狀態(tài)）γ-FeC奧氏體A溶入②奧氏體A(單相組織)：γ-FeC奧氏體A溶16◆特征（1）具有一定的化學成分。（2）與任一組元成分不同。（3）熔點高脆性大硬度高?！粜阅堞摇B↗↗，δ、ak↘↘，脆性大鐵碳合金中的化合物：滲碳體(單相組織)

：它是鐵與碳形成的金屬化合物，含碳量為6.69%,一般用Fe3C表示,它的晶體結構較復雜；滲碳體的性能：硬度很高，但其塑性極差，幾乎為0。在室溫平衡狀態(tài)下，鐵碳合金中的碳基本上是以Fe3C的形式存在。2、金屬化合物compound◆概念：合金元素之間發(fā)生相互作用而生成的一種具有金屬特性的新相。如Fe與C→Fe3C◆特征（1）具有一定的化學成分。（2）與任一組元成分不同。173、機械混合物由結晶過程所形成的兩相混合物；鐵碳合金中的機械混合物：①珠光體P：F+

Fe3C②萊氏體Ld：A+Fe3C

低溫萊氏體Ld’：P+

Fe3C鐵素體Fα-Fe

C溶入滲碳體Fe3C珠光體P混合奧氏體Aγ-Fe

C溶入滲碳體Fe3C萊氏體Ld混合3、機械混合物鐵素體Fα-FeC溶滲碳體珠光體P混奧氏體A18珠光體鐵素體奧氏體珠光體鐵素體奧氏體19外力內部應力原子位移變形高位能不穩(wěn)定位置低位能的平衡位置返回傾向金屬塑性變形時，形狀和尺寸的不可逆變化是通過原子的定向位移來實現的，因此塑性變形時所施加的力和能，應足以克服壁壘，使大量的原子群能多次地、定向地由一個平衡位置移動到另一個平衡位置，由此產生宏觀塑性變形。彈性變形：外力停止后，變形隨之消失塑性變形：外力停止后，變形不消失外力內部應力原子位移變形高位能不穩(wěn)定位置低位能的平衡位置返回20ττττ冷塑性變形主要是以“滑移”的方式進行。原子相對移動距離超過了晶格中的原子間距，使原子失去恢復到原始狀態(tài)的能力。二、金屬塑性變形的機理晶內變形的主要方式為滑移和孿生，其中滑移是主要的.單晶體塑性變形機理：滑移ττττ冷塑性變形主要是以“滑移”的方式進行。原子相21滑移：晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對于另一部分作相對的滑動。1滑移純鋅單晶體滑移變形示意圖滑移：晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對于另一部分作22滑移面上應力分解示意圖（a）在正應力作用下的變形（b）在切應力作用下的變形單晶體試樣拉伸變形示意圖滑移面上應力分解示意圖（a）在正應力作用下的變形（b）在切應23依靠晶體整體滑移的塑性變形模型

實際金屬單晶體滑移所需的力僅是理想晶體的百分之一到千分之一，為什么？滑移的位錯機制依靠晶體整體滑移的塑性變形模型實際金屬單晶體滑移所需的力僅24位錯運動使塑性變形容易理想晶體含有位錯的晶體位錯：晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現象。位錯運動使塑性變形容易理想晶體含有位錯的晶體位錯：晶體中某處251金屬物理基礎課件26位錯雖然移動了一個原子間距，但位錯中心附近的少數原子只作遠小于一個原子間距的彈性偏移，而其他區(qū)域的原子仍處于正常位置，所以這樣的位錯運動只需一個很小的切應力即可實現，故，實測的τK

遠小于理論的τK

。Q

Q’

PP’位錯雖然移動了一個原子間距，但位錯中心附近的少數原子只作遠小27

滑移的結果使大量的原子逐步發(fā)生遷移，從而產生宏觀的塑性變形。

晶內滑移受到晶界的阻礙，還受到周圍難滑移晶粒的阻礙。而且，隨變形增加，還會發(fā)生多系滑移，滑移面還會發(fā)生扭轉、彎曲等?；频慕Y果使大量的原子逐步發(fā)生遷移，從而產生宏觀28

2．孿生

孿生變形：在切應力的作用下，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系.

2．孿生291金屬物理基礎課件30孿生變形所需的切應力大于滑移變形時所需的切應力。所以，滑移是優(yōu)先發(fā)生的變形方式。發(fā)生孿生變形的條件主要與晶體結構、變形溫度和變形速度有關：FCC金屬一般不發(fā)生孿生，少數在極低溫度下發(fā)生，BCC金屬僅在室溫或受沖擊時發(fā)生。HCP金屬較容易發(fā)生孿生。

孿生變形所需的切應力大于滑移變形時所需的切應力。所31

如密排立方（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）——極低溫度（-230℃），高速沖擊載荷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。孿生本身對塑性變形的貢獻不大，但形成的孿晶改變了晶體位向，使新滑移系開動，間接對塑性變形做貢獻.如孿生本身對塑性變形的貢獻不大，但形成的孿晶改變32多晶體金屬的塑性變形與單晶體的本質是一致的，即每個晶粒的塑性變形仍以滑移、孿生等方式進行；但多晶體與單晶體相比有兩點不同：①相鄰的晶粒位向不同；②各晶粒之間存在晶界；多晶體塑性變形多晶體塑性變形33三、塑性變形特點（1）各晶粒變形的不同時性

塑性變形首先在位向有利的晶粒內發(fā)生,位錯源開動,但其中的位錯卻無法移出此晶粒,而是在晶界處塞積。位錯塞積產生的應力場越過晶界作用到相鄰晶粒上,使其得到附加應力。隨外加應力的增大,最終使相鄰位向不利的晶粒中滑移系的剪應力分量達到臨界值而開動起來,同時也使原來的位錯塞積得到釋放,位錯運動移出晶粒。如此持續(xù)運作,使更多晶粒參與變形。三、塑性變形特點（1）各晶粒變形的不同時性34（2）各晶粒變形的相互協調性

晶粒的變形需要相互協調配合，如此才能保持晶粒之間的連續(xù)性，即變形不是孤立和任意的。

（3）變形的不均勻性

軟位向的晶粒先變形，硬位向的晶粒后變形，其結果必然是各晶粒變形量的差異，這是由多晶體的結構特點所決定的。（2）各晶粒變形的相互協調性

晶粒的變形需要相互協調35變形不均勻

多晶體的滑移變形不均勻多晶體的滑移36

多晶體的塑性變形可以看成是由組成多晶體的許多單個晶粒產生變形（稱為晶內變形）的綜合效果。晶粒之間也有晶間變形。1金屬物理基礎課件37多晶體冷塑性變形機制對晶間變形起協調作用

晶間變形晶粒相對移動晶粒相對轉動多晶體冷塑性變形滑移孿生晶內變形主要變形多晶體冷塑性變形機制對晶間變形起協調作用晶間變形晶粒相對38晶間變形

晶間變形的方式包括晶粒間的相互移動和轉動。

晶粒之間的相對滑動和轉動晶間變形晶間變形的方式包括晶粒間的相互移動和轉39晶界對變形的阻礙作用（1）晶界的特點：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。（2）晶界對變形的影響:滑移、孿生多終止于晶界,極少穿過。（3）晶粒大小與性能的關系

a晶粒越細，強度越高(細晶強化)原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。（有尺寸限制）

晶界對變形的阻礙作用

40

晶粒越多，變形均勻性提高由應力集中

導致的開裂機會減少，可承受更大的變

形量，表現出高塑性。b晶粒越細，塑韌性提高

細晶粒材料中，應力集中小，裂紋不易

萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂

過程中可吸收較多能量,表現出高韌性。

41細晶強化通過晶粒細化使強度提高、塑性提高、韌性提高，硬度提高的現象。強化原理※晶界原子排列較不規(guī)則→缺陷多→滑移阻力大。晶粒越細小，則界越多，變形抗力越大，則強度越大?！ЯＴ郊毿?，而且單位體積內位向有利的晶粒也越多，變形分布較均勻，塑性較好?！捎诰ЯＴ郊毿。瑥姸仍礁?，塑性越好，所以斷裂時需要消耗較大的功。因而韌性也較好。細晶強化通過晶粒細化使強度提高、塑性提高、韌性提高，硬度提高42（一）

固溶體的塑性變形

1固溶體的結構

2固溶強化

（1）固溶強化：固溶體材料隨溶質含量提高其強度、硬度提高而塑性、韌性下降的現象。

晶格畸變，阻礙位錯運動；

（2）強化機制

柯氏氣團強化。

四、合金的塑性變形（一）固溶體的塑性變形

四、合金的塑性變形43（3）屈服和應變時效

現象：上下屈服點、屈服延伸（呂德斯帶擴展）。原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。

屈服效應呂德斯帶（3）屈服和應變時效

屈服效應呂德斯帶44

（4）固溶強化的影響因素溶質原子含量越多，強化效果越好；溶劑與溶質原子半徑差越大，強化效果越好；溶劑與溶質原子價電子數差越大，強化效果越好；間隙式溶質原子的強化效果高于置換式溶質原子。

45（二）多相合金的塑性變形存在第二相聚合型兩相合金（第二相粒子與基體晶粒尺寸屬于同一數量級）滑移首先在較軟的相中發(fā)生。彌散型兩相合金（第二相粒子細小彌散的分布在基體中）彌散強化：阻礙位錯的運動，產生強化效果相互作用時位錯線彎曲，最后繞過粒子繼續(xù)運動，留下位錯環(huán)，形成強化。（二）多相合金的塑性變形存在第二相46第二節(jié)金屬塑性加工中組織和性能的變化規(guī)律一冷塑性變形時金屬組織和性能的變化1對組織結構的影響2性能的變化第二節(jié)金屬塑性加工中組織和性能的變化規(guī)律一冷塑性變形時金471對組織結構的影響

晶粒拉長;(1)形成纖維組織

雜質呈細帶狀或鏈狀分布。

1對組織結構的影響

48變形后變形前變形前后的晶粒形狀變形后變形前變形前后的晶粒形狀49工業(yè)純鐵不同變變形度的顯微組織變形10%100×變形40%100×變形80%纖維組織100×

工業(yè)純鐵不同變變形度的顯微組織變形10%100×變形50(2)形成形變織構①形變織構：多晶體材料由塑性變形導致的各晶粒呈擇優(yōu)取向的組織。

絲織構：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時形成）常見類型

板織構：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向。（軋制時形成）

力學性能：弊：制耳。（3）對性能的影響(各向異性)

物理性能：硅鋼片<100>織構可減少鐵損。

※

由于纖維組織和形變織構的產生，使金屬性能產生各向異性。(2)形成形變織構

※由于纖維組織和形變織構的產生，使51拉拔形成的絲結構拉拔后軋制形成的板織構軋制前軋制后拉拔前晶粒位向改變拉拔形成的絲結構拉拔后軋制形成的板織構軋制前軋制后拉拔前晶粒521金屬物理基礎課件53（3）晶粒內產生亞亞結構

變形量

位錯纏結

位錯胞（大量位錯纏結在胞壁，胞內位錯密度低。）（3）晶粒內產生亞亞結構54

（1）產生加工硬化：加工硬化：塑性變形過程中，隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度增加，而塑性、韌性下降，這一現象就是加工硬化，或冷變形強化。如圖所示；2性能的變化塑性變形改變了金屬內部的組織結構，因而改變了金屬的力學性能。2性能的變化55機理：塑性變形→位錯移動→位錯大量增殖→相互作用→運動阻力加大→變形抗力↑→強度↑、硬度↑、塑性、韌性↓。機理：56加工硬化對性能的影響

對力學性能的影響（加工硬化）

強化金屬的重要途徑；

利

提高材料使用安全性；利弊

材料加工成型的保證。

弊

變形阻力提高，動力消耗增大；

脆斷危險性提高。

對物理、化學性能的影響導電率、導磁率下降，比重、熱導率下降；

結構缺陷增多，擴散加快；

化學活性提高，腐蝕加快。加工硬化對性能的影響

對物理、化學性能的影響57回復與再結晶

從熱力學角度來看，變形引起加工硬化，晶體缺陷增多，金屬畸變內能增加，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)轉變的趨勢。當加熱升溫時，原子具有相當的擴散能力，變形后的金屬自發(fā)地向低自由能狀態(tài)轉變。這一轉變過程稱為回復和再結晶，這一過程伴隨有晶粒長大?；貜屯窃谳^低的溫度下或較早的階段發(fā)生的過程，再結晶則是在較高的溫度下或較晚的階段發(fā)生的轉變?；貜团c再結晶58圖13-15回復和再結晶對金屬組織和性能的變化圖13-15回復和再結晶對金屬組織和性能的變化59回復：在加熱溫度較低時，金屬中的一些點缺陷的遷移而引起的某些晶內的變化。

可見，回復時，強度、硬度、塑性等變化不大（力學性能變化不大），而會使內應力以及一些物理性能得到改善?；貜屯嘶穑哼@種只消除內應力，而保留強化效果的工藝叫做低溫去應力退火（將工件加熱到較低溫度250～300℃、保溫、緩冷的工藝）。1金屬物理基礎課件60再結晶：當金屬被加熱到較高溫度時，在變形的晶粒內部開始出現新的小晶?！戮Я２粩喑霈F并長大→這個過程一直進行到塑性變形后的纖維狀晶粒完全改組為新的等軸晶粒為止。

注意：新的晶粒重新生核和成長的過程，但晶格的型式并不發(fā)生變化，仍與舊晶粒的晶格型式相同，所以稱為再結晶。

T再=0.4T熔再結晶退火：將冷變形的金屬加熱到再結晶溫度以上，使其發(fā)生再結晶的處理過程，稱為再結晶退火再結晶：當金屬被加熱到較高溫度時，在變形的晶粒內部開始出現新61二、熱塑性變形時金屬組織和性能的變化熱塑性變形：金屬在再結晶溫度以上的變形，稱為熱塑性變形。熱塑性變形過程中，回復、再結晶和加工硬化同時發(fā)生，加工硬化不斷被回復和再結晶等軟化過程所抵消，金屬處于高塑性、低變形抗力的狀態(tài)。二、熱塑性變形時金屬組織和性能的變化熱塑性變形：621、改善晶粒組織經熱塑性變形可獲得均勻細小的再結晶組織，從而獲得較好的綜合機械性能。2、鍛合內部缺陷鑄態(tài)金屬中的缺陷如疏松、空隙和微裂紋等，經過鍛造后被壓實，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，內部粗大的樹狀枝晶沿主變形方向伸長，晶間富集的雜質和非金屬夾雜物的走向也逐漸趨于與主變形方向一致，脆性夾雜物被破碎呈鏈狀分布。1、改善晶粒組織63鋼錠鍛造過程中纖維組織形成示意圖鋼錠鍛造過程中纖維組織形成示意圖641金屬物理基礎課件654、改善碳化物和夾雜物分布可以使碳化物和夾雜物被擊碎，并均勻分布在基體中，削弱了對基體的破壞作用。5、改善偏析在熱塑性變形中，通過枝晶破碎和擴散，可使鑄態(tài)金屬的偏析略有改善，鑄件的力學性能得到提高。4、改善碳化物和夾雜物分布66第三節(jié)

金屬在塑性加工中的塑性行為一、金屬的塑性和塑性指標1塑性的基本概念金屬在破壞前產生的最大變形程度，即極限變形量。第三節(jié)金屬在塑性加工中的塑性行為一、金屬的塑性和塑性指標67注：塑性和柔性（變形抗力）是兩個不同的概念

塑性——反映材料塑性變形的能力變形抗力——反映塑性變形的難易程度

塑性好不一定變形抗力低，反之亦然。注：塑性和柔性（變形抗力）是兩個不同的概念68變形抗力：

金屬在發(fā)生塑性變形時，產生抵抗變形的能力，稱為變形抗力，一般用接觸面上平均單位面積變形力表示變形抗力大小

取決于材料在一定變形條件下的真實應力，還取決于塑性加工時的應力狀態(tài)、接觸摩擦狀態(tài)和變形體的尺寸因素等。注：只有在單向應力狀態(tài)下，材料的變形抗力才等于材料在該變形條件下的真實應力。變形抗力：69塑性與柔軟性（變形抗力）的對立統一鉛---------------塑性好，變形抗力小不銹鋼--------塑性好，但變形抗力高白口鑄鐵----塑性差，變形抗力高結論：塑性與柔軟性不是同一概念塑性與柔軟性（變形抗力）的對立統一鉛------------702塑性指標及測量方法拉伸試驗法壓縮試驗法扭轉試驗法沖擊試驗法2塑性指標及測量方法拉伸試驗法71L0LKd0拉斷前試樣拉斷后試樣試樣按GB6397—86制取，分長試樣L0=10d0短試樣L0=5d0說明：bkse拉伸力

FO伸長量

△LFsFbFe低碳鋼的力—伸長曲線FFL0LKd0拉斷前試樣拉斷后試樣試樣按GB6397—86制取72鐓粗試驗法

簡單加載條件下，壓縮試驗法測定的塑性指標用下式確定：

式中：

——壓下率；

H0——試樣原始高度；

Hh——試樣壓縮后，在側表面出現第一條裂紋時的高度鐓粗試驗法簡單加載條件下，壓縮試驗法測定的塑性指標用下73扭轉試驗法

對于一定試樣，所得總轉數越高，塑性越好，可將扭轉數換作為剪切變形（γ

）。

式中：R——試樣工作段的半徑；

L0——試樣工作段的長度；

n——試樣破壞前的總轉數。

扭轉試驗法對于一定試樣，所得總轉數越高，塑性越好，可將74沖擊試驗法

在沖擊力作用下使試樣破壞所消耗的功，獲得的沖擊韌度aK即為塑性指標。

沖擊試驗法在沖擊力作用下使試樣破壞所消耗75可鍛性：是綜合衡量材料在壓力加工時獲得優(yōu)質零件工藝性能的一項（定性）指標。塑性越好，變形抗力越小→金屬的可鍛性好；變形抗力：在壓力加工過程中變形金屬作用于施壓工具表面單位面積上的壓力?？慑懶裕菏蔷C合衡量材料在壓力加工時獲得優(yōu)質零件工藝性能的一項76鍛造比：金屬的變形程度通常用鍛造比來表示。FFOY拔=FO

/FY鐓=HO/HFFOY拔=FO/FY鐓=HO/H77二、對塑性的影響因素

內部因素：化學成分組織結構外部因素：變形溫度應變速度應力、應變狀態(tài)二、對塑性的影響因素內部因素：化學成分78（一）化學成分和合金成分對金屬塑性的影響一般純金屬的塑性比合金好，而且合金元素的種類、含量越多，可鍛性越差。金屬的塑性隨其純度的提高而增加，如純鋁99.96％伸長率為45％，98％伸長率為30％

產生脆化現象，使冷熱變形都非常困難。如碳鋼中：P——冷脆S、O——熱脆N——時效脆性H——氫脆雜質的存在狀態(tài)、分布情況和形狀不同，對塑性的影響也不同；如：Pb、S、Sn等不溶于金屬—————降低金屬塑性溶于金屬—————塑性變化不大單質或化合物晶界處（一）化學成分和合金成分對金屬塑性的影響單質或化合物79雜質元素之間相互作用對金屬的塑性產生影響；硫+Fe——FeS（熔點1190℃），熱脆+Mn——MnS（熔點1600℃），塑性提高。

合金元素特性、數量、元素之間的相互作用及分布等對金屬的塑性產生影響。

碳：形成單相固溶體——鐵素體和奧氏體——有較好的塑性；形成脆性過剩相——滲碳體——塑性降低。鉻、鎢、鉬、鈦、釩：形成硬而脆的碳化物——塑性下降。鈦、釩：形成高度彌散的碳化物細小顆?！獙λ苄杂绊懖淮?。注：對冷加工用鋼而言，含碳量應盡量低。雜質元素之間相互作用對金屬的塑性產生影響；80

下面以碳鋼為例，分析碳及雜質元素（P、S、N、H、o）對塑性的影響1、碳碳對碳鋼性能的影響最大1）碳能固溶于鐵，形成鐵素體和奧氏體，它們具有良好的塑性。2）當鐵中的碳含量超過其溶碳能力時，多余的碳便以滲碳體Fe3C形式出現，它具有很高的硬度，而塑性幾乎為零。含碳量越高，滲碳體的數量越多，金屬的塑性也越差。

下面以碳鋼為例，分析碳及雜質元素（P、S、N、812、磷鋼中有害雜質，在鋼中有很大的溶解度，易溶于鐵素體，使鋼的塑性降低，在低溫時更為嚴重，這種現象稱為冷脆性。3、硫鋼中有害物質，主要與鐵形成FeS，與其它元素形成硫化物。硫化物及其共晶體（Fe-FeS），通常分布于晶界上，在鋼的鍛造溫度范圍內會發(fā)生變形開裂，即“熱脆”現象。在鋼中加入適量錳，生成MnS，硫化錳及其共晶體的熔點高于鋼的鍛、軋溫度，不會產生熱脆性，從而消除硫的危害。2、磷鋼中有害雜質，在鋼中有很大的溶解度，易溶于鐵素體824、氧在鋼中溶解度很小，主要以氧化物的形式出現，降低鋼的塑性。與其它夾雜物形成共晶體，分布于晶界處，造成鋼的熱脆性。5、氮在鋼中主要以氮化物Fe4N形式存在。當含量較小時，對鋼的塑性影響較??；當含量增加時，鋼的塑性下降。當含氮量較高的鋼從高溫快冷至低溫時，α鐵被過飽和，隨后以Fe4N形式析出，使鋼的塑性、韌性大大下降，這種現象稱為時效脆性。6、氫鋼中溶氫，會使鋼的塑性、韌性下降，造成所謂“氫脆”（白點）。4、氧在鋼中溶解度很小，主要以氧化物的形式出現，降低鋼的837、其它元素：主要是降低鋼的塑性，提高變形抗力合金元素對鐵素體伸長率和韌性的影響7、其它元素：主要是降低鋼的塑性，提高變形抗力合金元素對鐵素84（二）組織狀態(tài)對金屬塑性的影響晶粒度的影響

晶粒度越小，越均勻，塑性越高。相組成的影響

單相組織塑性好；多相組織塑性差。（鍛造加工加熱到奧氏體區(qū)）鑄造組織的影響鑄造組織具有粗大的柱狀晶粒，具有偏析、夾雜、氣泡、疏松等缺陷，因而塑性較差。（二）組織狀態(tài)對金屬塑性的影響851金屬物理基礎課件86（三）變形溫度對金屬塑性的影響

對大多數金屬而言，總的趨勢是隨著溫度升高，塑性增加。

1）發(fā)生回復與再結晶，消除了加工硬化；2）原子動能增加，位錯活動加劇，出現新的滑移系，改善晶粒之間變形的協調性。3）晶間滑移作用增強：晶界切變抗力降低；晶界滑移引起的微裂紋被消除。4）金屬的組織、結構的變化：多相——單相；晶格的結構改變，如鈦：室溫hcp——bcc，（三）變形溫度對金屬塑性的影響對大多數金屬而言，總的趨勢是87在加熱的某些溫度區(qū)間，由于相態(tài)或晶界狀態(tài)的變化而出現脆性區(qū)，使金屬的塑性降低。藍脆區(qū)：中溫（200-400℃）區(qū)，由于氧化物、氮化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出；熱脆區(qū)：高溫（800-950℃）區(qū)，珠光體轉變?yōu)閵W氏體，使得鐵素體和奧氏體共存，另外，晶界處可能析出FeS-FeO低熔點的共晶體；高溫脆區(qū)：加熱溫度超過1250℃后，由于過熱、過燒，晶粒粗大，晶界出現氧化物和低熔物質的局部熔化在加熱的某些溫度區(qū)間，由于相態(tài)或晶界狀態(tài)的變化而出現脆性區(qū)，88碳鋼的塑性隨溫度的變化曲線藍脆區(qū)熱脆區(qū)高溫脆區(qū)低溫脆區(qū)

就大部分金屬來言，其總的趨勢是：隨著溫度的升高，塑性增加，但是這種增加并非簡單的線性上升。

89碳鋼的塑性隨溫度的變化曲線藍脆區(qū)熱脆區(qū)高溫脆區(qū)低溫脆區(qū)隨著溫度增加塑性增加而變形抗力下降可鍛性越好；但加熱溫度過高（超過一定值后），晶粒急劇長大，而金屬機械性能反而下隆，這種現象稱“過熱”；當加熱溫度進一步提高到接近熔點時，晶界開始被氧化，失去塑性，金屬稍鍛即裂，變成廢料，這種現象稱為“過燒”；加熱溫度過低塑性下降、變形抗力增加可鍛性變差易開裂；故應在合適的鍛造溫度范圍內鍛造（800～1200℃）。變形溫度對可鍛性的影響隨著溫度增加塑性增加而變形抗力下降可鍛性越好；變形溫度對90始鍛溫度——鍛壓時金屬允許加熱到的最高溫度稱為始鍛溫度（1200℃左右）；終鍛溫度——鍛壓中，當溫度逐漸降低到一定程度后，其可鍛性變差，必須停止鍛造，此時溫度稱為終鍛溫度（800℃左右）；雖然亞共析鋼在此溫度為二相區(qū)（F+A)，但仍有較好的塑性；對過共析鋼，則為了擊碎滲碳體的網狀組織(Fe3CⅡ)，改善鋼的性能，在此溫度仍可鍛擊。鍛造溫度范圍始鍛溫度——鍛壓時金屬允許加熱到的最高溫度稱為始鍛溫度（191（四）應變速率對塑性的影響

溫度效應

（1）變形溫度：低溫下顯著（2）應變速率：越快溫度效應越大（3）變形程度：越大溫度效應越大（四）應變速率對塑性的影響溫度效應92一方面，隨變形速率的增大，金屬的塑性降低：沒有足夠的時間進行回復或再結晶，軟化過程進行得不充分。另一方面，隨著變形速率的增加，在一定程度上使金屬的溫度升高，溫度效應顯著，從而提高金屬的塑性。但對于有脆性轉變的金屬，則應變速率的增加可能引起塑性的下降。一方面，隨變形速率的增大，金屬的塑性降低：沒有足夠的時間進行93變形速率對塑性的影響結論正作用(V變

>WK);塑性變形能量↑

轉變成熱能↑

溫度↑

變形抗力↓，塑性↑

可鍛性↑；反作用(V變

<WK);回復及再結晶來不及克服加工硬化現象變形抗力↑，塑性↓

可鍛性↓。變形速率對塑性的影響結論正作用(V變>WK);94

δ變形速度F、δ小于大于變形抗力δ變形速度F、δ小于大于變形抗力95碳鋼的塑性隨溫度的變化曲線藍脆區(qū)熱脆區(qū)高溫脆區(qū)低溫脆區(qū)

就大部分金屬來言，其總的趨勢是：隨著溫度的升高，塑性增加，但是這種增加并非簡單的線性上升。

96碳鋼的塑性隨溫度的變化曲線藍脆區(qū)熱脆區(qū)高溫脆區(qū)低溫脆區(qū)提高應變速率可以降低摩擦系數，從而降低金屬的流動阻力、改善金屬的充填性。提高應變速率可以減少熱成形時的熱量損失，減少毛坯溫度下降和溫度分布的不均勻性，這對于具有薄壁、高筋等形狀復雜的工件成形是有利的。提高應變速率可以降低摩擦系數，從而降低金屬的流動阻力、改善金97（五）變形力學條件狀態(tài)對塑性的影響

主應力圖：

自變形體中某點取一立方微單元體，用箭頭表示作用在該單元體主應力，稱為主應力圖，主應力圖只表示出應力的個數和方向，并不表示應力的大小。（五）變形力學條件狀態(tài)對塑性的影響主應力圖：981金屬物理基礎課件99拉拔和擠壓時不同的應力狀態(tài)和變形抗力拉拔和擠壓時不同的應力狀態(tài)100靜水壓力對提高金屬塑性的良好影響

卡爾曼試驗儀器的工作部分

靜水壓力對提高金屬塑性的良好影響卡爾曼試驗儀器的工作部分101應力狀態(tài)不同對塑性的影響也不同：主應力圖中壓應力個數越多，數值越大，則金屬的塑性越高；拉應力個數越多，數值越大，則金屬的塑性就越低。這是由于拉應力促進晶間變形，加速晶界破壞，而壓應力阻止或減小晶間變形；另外，三向壓應力有利于抑制或消除晶體中由于塑性變形而引起的各種微觀破壞，而拉應力則相反，它使各種破壞發(fā)展，擴大。

應力狀態(tài)不同對塑性的影響也不同：102應力狀態(tài)對可鍛性的影響壓應力數目越多（三個方向的壓應力）塑性↑

可鍛性↑；但同時變形抗力↑可鍛性↓；壓應力數目越少（二個方向的壓應力，一個方向的拉應力）塑性↓

可鍛性↓；但同時變形抗力↓可鍛性↑；因此，對塑性好的材料，應利用拉應力使其變形抗力↓以減小變形能量消耗省力拉拔；而對塑性差的金屬，則應利用三向壓應力↑塑性以免開裂擠壓。應力狀態(tài)對可鍛性的影響壓應力數目越多（三個方向的壓應力）塑103型氈拔長圓斷面毛坯加反壓力擠壓

包套擠壓精密沖裁軸向加壓剪切型氈拔長圓斷面毛坯加反壓力擠壓包套擠壓精密沖裁軸向加壓剪切104應變狀態(tài)的影響

應變狀態(tài)的影響105第三節(jié)

金屬在塑性加工中的塑性行為一、金屬的塑性和塑性指標二、對塑性的影響因素第三節(jié)金屬在塑性加工中的塑性行為106三提高金屬塑性的途徑提高塑性的主要途徑有以下幾個方面：(1)提高材料的成分和組織的均勻性；(2)采用合適的變形溫度—速度制度；(3)選用三向壓應力較強的變形方式；(4)減小變形的不均勻性；(5)避免加熱和加工時周圍介質的不良影響。

三提高金屬塑性的途徑提高塑性的主要途徑有以下幾個方面：107第四節(jié)金屬的超塑性金屬超塑性：是指在一些特定條件下，如一定的化學成分、特定的顯微組織、特定的變形溫度和應變速率等，金屬會表現出異乎尋常的高塑性狀態(tài)，即所謂超常的塑性變形行為，具有均勻變形能力，其伸長率可以達到百分之幾百、甚至幾千，這就是金屬的超塑性。第四節(jié)金屬的超塑性金屬超塑性：1081金屬物理基礎課件109第五節(jié)金屬塑性成形中的外摩擦第五節(jié)金屬塑性成形中的外摩擦1101.

改變應力狀態(tài)，增大變形抗力例如單向壓縮時，若工具與坯料無摩擦存在，則坯料受單向應力狀態(tài)；若存在摩擦時，則變成三向應力狀態(tài)，且使端面壓應力增加才能屈服，因而變形抗力增加。2.

引起不均勻變形，產生附加應力和殘余應力在擠壓桿件時，由于擠壓筒壁摩擦力的影響，使坯料邊緣處的流動比中間慢，造成邊緣受拉伸而中間受壓縮的附加應力。3.

降低模具壽命摩擦必然帶來磨損，同時摩擦熱引起模具軟化，以及變形抗力增加使模具工作應力增加，都會降低模具壽命。在多數情況下是有害的，具體表現如下：一塑性成形中的摩擦的影響1.

改變應力狀態(tài)，增大變形抗力在多數情況下是有害的，111但是在塑性成形中也常常應用摩擦的有益作用。例如，模鍛中利用飛邊槽橋部的摩擦力來保證模膛充滿，滾鍛和軋制時依靠足夠的摩擦使坯料被咬入軋輥。但是在塑性成形中也常常應用摩擦的有益作用。112二、塑性成形中的摩擦分類及機理（一）塑性成形中的摩擦分類

根據塑性成形中坯料與工具表面之間的潤滑狀態(tài)的不同，摩擦可分為三類，即干摩擦、邊界摩擦和流體摩擦，由此還可以派生出混合型摩擦。1、干摩擦通常所說的干摩擦是指不加任何潤滑劑的摩擦。2、邊界摩擦接觸表面之間存在很薄的潤滑膜，凸凹不平的坯料表面凸起部分被壓平，潤滑劑被壓入凹坑中，被封存在里面，如圖18-8b。大多數塑性成形的摩擦屬于邊界摩擦。

3、流體摩擦兩表面的微觀凸凹部分不直接接觸，完全被潤滑劑隔開的潤滑叫流體潤滑，該狀態(tài)下的摩擦叫流體摩擦，如圖18-8c。流體摩擦與干摩擦和邊界摩擦有著本質的區(qū)別，其摩擦特征與所加潤滑劑的性質和相對速度有關，而與接觸表面的狀態(tài)無關。二、塑性成形中的摩擦分類及機理（一）塑性成形中的摩擦分類113圖18-8

摩擦分類示意圖a)干摩擦b)邊界摩擦c)流體摩擦圖18-8摩擦分類示意圖a)干摩擦b)邊界摩擦c)114塑性成形過程中的摩擦是非常復雜的，目前關于摩擦機理（即摩擦產生的原因）有三種學說。圖18-9

接觸表面凹凸不平機械咬合機理示意圖（二）摩擦機理塑性成形過程中的摩擦是非常復雜的，目前關于摩擦機理（即摩擦產1151、表面凹凸學說摩擦是由接觸面上凹凸形狀引起的。經過機械加工的表面并非絕對平坦光滑，都有不同程度的微觀凸峰和凹坑，當微觀粗糙的兩表面接觸時，一個表面的凸峰可能會陷入另一表面的凹坑，產生機械咬合，

1、表面凹凸學說摩擦是由接觸面上凹凸形狀引起的。經過1162

分子吸附學說摩擦是接觸面上分子相互吸引的結果。

兩接觸面越光滑，實際接觸面積就越大，分子吸引力就越強，則摩擦力就越大。該學說解釋了凸凹學說無法解釋的表面越光滑，摩擦力不降低反而提高的現象。3.

粘附理論摩擦是接觸面上粘接或焊合的結果。兩表面接觸時，若接觸面上某些接觸點處壓力很大，以致發(fā)生粘接或焊合，當兩表面有相對運動時，需切斷粘接或焊合點而產生相對滑動?，F代摩擦學理論認為：摩擦力不僅包含有剪切接觸面上機械咬合所產生的阻力，而且包含有表面分子吸附作用的吸引力及切斷粘接點所產生的阻力。對于流體摩擦，摩擦力主要表現在潤滑劑層之間的流動阻力。2

分子吸附學說摩擦是接觸面上分子相互吸引的117三、塑性成形時摩擦力的計算

1.

庫倫摩擦條件

不考慮接觸表面的粘合現象，認為單位面積上的摩擦力與接觸面上的正應力成正比，即實際上摩擦切應力不能隨的增大而無限地增大，當時接觸面將產生塑性流動。此時的極限值為材料真實應力應變曲線上的屈服應力。根據Mises屈服準則，故由式（18-1）可確定摩擦系數的極限值為。式（18-1）適合正壓力不太大、變形量較小的的冷成形工序。

（18-1）三、塑性成形時摩擦力的計算1.

庫倫摩擦條件1182.

最大摩擦力條件

當接觸表面沒有相對滑動，完全處于粘合狀態(tài)時，摩擦的應力等于坯料塑性流動時的最大切應力，即（18-2）式中，為坯料的流動應力，即屈服應力。根據Mises屈服準則，在軸對稱的情況下，在平面變形條件下，式（18-2）適合于熱變形3.

摩擦力不變條件

認為接觸面上的摩擦力不變，是一個常數，即（18-3）式中，稱為摩擦因子，上式與式（18-2）相比，當

時，兩條件一致。式（18-3）適合于摩擦系數低于最大值的三向應力顯著的塑性成形過程，如擠壓、變形量大的鐓粗、模鍛等。2.

最大摩擦力條件當接觸表面沒有相對滑動，1191.

金屬的種類和化學成分

材料的硬度、強度越高，摩擦系數就越小。2.

工具表面狀態(tài)

工具表面越光滑，摩擦系數就越小。若接觸表面都非常光滑，分子吸附作用增強，反而會引起摩擦系數的增加，但這種情況，在塑性成形中并不常見。3.變形溫度變形溫度對摩擦系數的影響很復雜。因為變形溫度變化時，材料的強度、硬度及接觸面上氧化膜的性能都會發(fā)生變化。一般認為，開始時摩擦系數隨溫度升高而增加，達到最大值后又隨溫度升高而降低。4.變形速度許多實驗結果表明，摩擦系數隨變形速度增加而有所下降。5.接觸面上的單位壓力單位壓力較小時，表面分子吸附作用不明顯，摩擦系數保持不變，與正壓力無關。四、影響摩擦系數的主要因素1.

金屬的種類和化學成分材料的硬度、強度越高，摩120摩擦影響的實質：由于摩擦力的作用，在一定程度上改變了金屬的流動特性并使應力分布受到影響。

由于摩擦的復雜多變性，目前還難以定量化描述各種因素對摩擦系數的影響，只能采用實驗的方法推算某特定環(huán)境工況的摩擦系數。常用夾鉗軋制法、圓環(huán)鐓粗法，下面介紹圓環(huán)鐓粗法。

五、塑性成形的摩擦系數的測定方法摩擦影響的實質：由于摩擦力的作用，在一定程度上改變了金屬的流1211金屬物理基礎課件122由于摩擦的復雜多變性，目前還難以定量化描述各種因素對摩擦系數的影響，只能采用實驗的方法推算某特定環(huán)境工況的摩擦系數。常用夾鉗軋制法、圓環(huán)鐓粗法，下面介紹圓環(huán)鐓粗法。

五、塑性成形的摩擦系數的測定方法a)變形前c)摩擦系數大于臨界值b)摩擦系數很小或無摩擦由于摩擦的復雜多變性，目前還難以定量化描述各種因素123圖3-15圓環(huán)鐓粗的金屬流動

a)變形前b)摩擦系數很小或為零c)有摩擦

摩擦系數很小或為零時對金屬流動的影像動態(tài)圖摩擦系數大于某臨界值時對金屬流動的影像動態(tài)圖圖3-15圓環(huán)鐓粗的金屬流動摩擦系數很小或為零時對金屬流124圓環(huán)鐓粗法測定摩擦系數的標定曲線根據實驗研究和塑性理論的分析，可將不同摩擦系數下的圓環(huán)壓縮量與內外徑變化關系繪制成曲線，稱為摩擦系數標定曲線，

圓環(huán)鐓粗法測定摩擦系數的標定曲線根據實驗研究和塑性理論的分析125（一）塑性成形對潤滑劑的要求1）

應有良好的耐壓性能，在高壓下能吸附在接觸表面上，保持良好的潤滑狀態(tài)。2）

應有良好的耐熱性能，在高溫下不分解，不失效。3）

兼有冷卻模具作用，降低模具溫度，避免熱失效。4）

應無腐蝕作用，不應腐蝕金屬坯料和模具。5）

應對人體無毒，不污染環(huán)境。6）應使用、清理方便，來源豐富，價格便宜。

六、塑性成形中的潤滑

潤滑是減小摩擦對塑性成形過程不良影響的最有效的措施。

潤滑的目的是降低接觸面上的摩擦力，提高模具壽命（減小磨損，冷卻模具）；便于脫模和獲得光潔的制品；減小金屬不均勻變形，提高金屬充滿模膛的能力。為實現上述目的，必須采用合適的潤滑方式和潤滑劑。（一）塑性成形對潤滑劑的要求六、塑性成形中的潤滑126用于塑性成形的潤滑劑有液體潤滑劑和固體潤滑劑兩大類。（二）塑性成形常用潤滑劑1、液體潤滑劑包括動物油、植物油、礦物油和乳化液等

（2）軟（熔）化固體潤滑劑，在工作溫度超過其軟（熔）化點時就會變軟或熔化，但不會燃燒，不會逸出有害的氣體。主要有玻璃、琺瑯、天然礦物及無機鹽等。此外，皂類和蠟類等有機鹽和硬脂酸鈉，硬脂酸鋅及一般肥皂也常用來作潤滑劑。固體潤滑劑可以用粉末，但多數制成糊狀或懸浮液。

2、

固體潤滑劑

在常溫下呈固態(tài)。（1）

干性固體潤滑劑，在變形過程中不改變自身的聚集狀態(tài)，如石墨、二硫化鉬等。用于塑性成形的潤滑劑有液體潤滑劑和固體潤滑劑兩大類。（二）塑1271.

流體潤滑法

坯料與工具之間不直接接觸，中間形成足夠的潤滑膜。在線材拉拔、擠壓、軋制時，當模具結構與工藝參數合適，能夠產生流體潤滑。2.

表面磷化—皂化處理

當壓力很高時，即使加入添加劑，潤滑劑還是會遭到破壞或被擠掉，而失去潤滑作用。因此，須將坯料表面進行磷化處理，即在坯料表面用化學方法制成一層磷酸鹽或草酸鹽膜，這種磷化膜是由細小片狀的無機鹽結晶組成的，呈多孔狀態(tài)，對潤滑劑有吸附作用。膜厚一般約為10～20μm，與金屬結合力強且有塑性，可與金屬坯料一起變形。磷化后進行潤滑處理，常用硬脂酸鈉、肥皂等，故稱為皂化。3.表面鍍軟金屬對于變形抗力大的金屬坯料，一般的潤滑劑易擠出，這時可在金屬表面電鍍一薄層軟金屬，如銅或鋅，它與金屬結合好、變形抗力小、延伸性好，在變形過程中可將坯料與工具隔開，起潤滑作用，但成本較高。

（四）塑性成形的潤滑方法1.

流體潤滑法坯料與工具之間不直接接觸，中128第六章

金屬塑性成形力學一、角標符號和求和約定

角標符號:成組的符號和數組可以用一個帶下角標的符號表示，這種符號叫角標符號。如可用xi即（x1，x2，x3）表示一點的坐標；如應力分量xx，xy，xz，，可簡記為ij（i,j=x,y,z）等。一般地，如果一個坐標系有m個角標，每個角標取n個值，則該角標符號代表著nm個元素，例如ij（i,j=x,y,z）（m=2，n=3）就包含有9個元素。第六章金屬塑性成形力學129

克氏符號：ij稱為克羅內克（Kronecker）符號，ij定義為

導數記號：導數記為f,j，表示f(xi)對xj的導數，逗號后邊的下標表示對相應坐標的求導克氏符號：ij稱為克羅內克（Kronecker）符號，130求和約定：在一項中，沒有重復出現的角標叫自由標，表示該項的個數。在一項中，同一角標出現二次，則對該角標自1到n的所有元素求和，這種角標在求和之后不再出現，稱之為啞標，這一運算稱之為求和約定。求和約定：131二、張量的基本概念張量：由若干個當坐標系改變時滿足轉換關系的分量組成的集合，稱為張量，需要用空間坐標系中的三個矢量，即9個分量才能完整地表示。它的重要特征是在不同的坐標系中分量之間可以用一定的線性關系來換算。描述張量分量的個數用階表示。在三維空間中，其張量分量的個數為3n，如應力、應變是二階張量，有32=9個分量。二、張量的基本概念132其中，lki，llj為新坐標系的坐標軸關于原坐標系的方向余弦。表示點應力狀態(tài)的九個應力分量構成二階張量，稱為應力張量。不同坐標系中的應力分量之間的轉換關系其中，lki，llj為新坐標系的坐標軸關于原坐標系的方向余弦133三、張量的基本性質張量不變量：二階張量存在三個獨立的不變量。張量可以疊加和分解：幾個同階張量各對應的分量之和或差定義為另一個同階張量。張量可分為對稱張量、非對稱張量、反對稱張量任意非對稱張量可以分解為一個對稱張量和一個反對稱張量。二階對稱張量存在三個主軸和三個主值以主軸為坐標軸，兩個下角標不同的分量均為零，只留下兩個下角標相同的三個分量，叫作主值。三、張量的基本性質134第五章

金屬塑性變形的物理基礎第五章金屬塑性變形的物理基礎135第一節(jié)

金屬的塑性變形機理及特點一、概述金屬的塑性材料在外力的作用下產生一定的永久變形而不破壞其完整性的能力。金屬塑性加工

利用金屬在外力作用下所產生的塑性變形，來獲得具有一定形狀、尺寸和機械性能的原材料、毛坯或零件的生產方法，也稱為壓力加工。第一節(jié)金屬的塑性變形機理及特點一、概述金屬的塑性136塑性加工包括：軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓等方法。軋制軋制擠壓拉拔鍛造

沖壓塑性加工包括：軋制軋制擠壓拉拔鍛造沖壓137軋制擠壓拉拔自由鍛開式模鍛閉式模鍛沖裁拉深軋制擠壓拉拔138金屬塑性成形的特點

生產效率高，適用于大批量生產

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；

M12螺栓的冷鍛210件/min。改善了金屬的組織和結構和性能

鋼錠內部的組織缺陷，如疏松、晶粒粗大，經塑性變形后，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，因而結構性能得到提高。金屬塑性成形的特點生產效率高，適用于大批量生產139同時，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。同時，由于金屬塑性變形后性能提高，在相同服役條件下，140塑性成形工藝的分類

體積成形板料成形鍛造軋制自由鍛造拉拔擠壓

模鍛成形工序

分離工序

塑性成形工藝的分類體積成形板料成形鍛造軋制自由鍛造拉拔擠壓141本章的任務目的：

科學系統地闡明金屬塑性成形的基礎和規(guī)律，為合理制訂塑性成形工藝奠定理論基礎。任務：掌握塑性成形時的金屬學基礎，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)質的性能；本章的任務目的：142金屬的晶體結構和組織

合金：由兩種或兩種以上的金屬構成，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）。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調性是其變形的主要特點。金屬的晶體結構和組織143晶界：晶粒之間為晶界，晶界表現出許多與晶粒內部不同的性質；如：室溫時晶界的強度和硬度高于晶內，高溫時則相反；晶界中原子的擴散速度比晶內原子快得多；晶界的熔點低于晶內；晶界容易被腐蝕等。晶粒晶界晶界：晶粒之間為晶界，晶界表現出許多與晶粒內部不同的性質；如1441金屬物理基礎課件145合金的相結構1、固溶體

solidsolution◆概念：溶質原子溶入溶劑晶格中所形成的一種均勻固體。如；糖水

水—溶劑，糖—溶質。合金的組元之間以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶體結構與組成合金的某一組元的相同，這種相就稱為固溶體。這種組元叫做溶劑，其它組元叫做溶質；特點：具有溶劑的晶體結構合金的相結構1、固溶體solidsolution◆146◆分類：按溶質原子在溶劑中分布情況不同，分置換固溶體和間隙固溶體兩類①置換固溶體——溶質原子替換晶格上的原子②間隙固溶體——溶質原子溶入晶格原子間隙a)置換固溶體b間隙固溶體特征：晶格類型不變，化學成分有限，性能發(fā)生變化◆分類：按溶質原子在溶劑中分布情況不同，分置換固溶體147◆特征：（1）晶格仍保持原晶格（溶劑）。（2）化學成分在一定范圍內可改變。（3）性能隨化學成分改變而逐漸變化。◆性能：造成晶格畸變，強度、硬度上升。這種現象稱固溶強化。若溶質原子質量分數（含量）適當，其力學性能高。◆特征：（1）晶格仍保持原晶格（溶劑）。（2）化學成分在一148鐵碳合金中的固溶體：

①鐵素體F(單相組織)

它是碳在α-Fe中的間隙固溶體，最大溶碳量僅0.0218%(在727℃時實現的),在室溫下一般為0.008%以下。性能特點：強度、硬度低，塑性、韌性好

α-FeC鐵素體F溶入鐵碳合金中的固溶體：α-FeC鐵素體F溶149②奧氏體A(單相組織)

：

它是碳在γ-Fe中的間隙固溶體，最大溶解度為2.11%(在1148℃時實現的)。如圖所示；性能特點：強度、硬度不高，但塑性優(yōu)良；（塑性變形一般加熱到奧氏體狀態(tài)）γ-FeC奧氏體A溶入②奧氏體A(單相組織)：γ-FeC奧氏體A溶150◆特征（1）具有一定的化學成分。（2）與任一組元成分不同。（3）熔點高脆性大硬度高。◆性能σ、HB↗↗，δ、ak↘↘，脆性大鐵碳合金中的化合物：滲碳體(單相組織)

：它是鐵與碳形成的金屬化合物，含碳量為6.69%,一般用Fe3C表示,它的晶體結構較復雜；滲碳體的性能：硬度很高，但其塑性極差，幾乎為0。在室溫平衡狀態(tài)下，鐵碳合金中的碳基本上是以Fe3C的形式存在。2、金屬化合物compound◆概念：合金元素之間發(fā)生相互作用而生成的一種具有金屬特性的新相。如Fe與C→Fe3C◆特征（1）具有一定的化學成分。（2）與任一組元成分不同。1513、機械混合物由結晶過程所形成的兩相混合物；鐵碳合金中的機械混合物：①珠光體P：F+

Fe3C②萊氏體Ld：A+Fe3C

低溫萊氏體Ld’：P+

Fe3C鐵素體Fα-Fe

C溶入滲碳體Fe3C珠光體P混合奧氏體Aγ-Fe

C溶入滲碳體Fe3C萊氏體Ld混合3、機械混合物鐵素體Fα-FeC溶滲碳體珠光體P混奧氏體A152珠光體鐵素體奧氏體珠光體鐵素體奧氏體153外力內部應力原子位移變形高位能不穩(wěn)定位置低位能的平衡位置返回傾向金屬塑性變形時，形狀和尺寸的不可逆變化是通過原子的定向位移來實現的，因此塑性變形時所施加的力和能，應足以克服壁壘，使大量的原子群能多次地、定向地由一個平衡位置移動到另一個平衡位置，由此產生宏觀塑性變形。彈性變形：外力停止后，變形隨之消失塑性變形：外力停止后，變形不消失外力內部應力原子位移變形高位能不穩(wěn)定位置低位能的平衡位置返回154ττττ冷塑性變形主要是以“滑移”的方式進行。原子相對移動距離超過了晶格中的原子間距，使原子失去恢復到原始狀態(tài)的能力。二、金屬塑性變形的機理晶內變形的主要方式為滑移和孿生，其中滑移是主要的.單晶體塑性變形機理：滑移ττττ冷塑性變形主要是以“滑移”的方式進行。原子相155滑移：晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對于另一部分作相對的滑動。1滑移純鋅單晶體滑移變形示意圖滑移：晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對于另一部分作156滑移面上應力分解示意圖（a）在正應力作用下的變形（b）在切應力作用下的變形單晶體試樣拉伸變形示意圖滑移面上應力分解示意圖（a）在正應力作用下的變形（b）在切應157依靠晶體整體滑移的塑性變形模型

實際金屬單晶體滑移所需的力僅是理想晶體的百分之一到千分之一，為什么？滑移的位錯機制依靠晶體整體滑移的塑性變形模型實際金屬單晶體滑移所需的力僅158位錯運動使塑性變形容易理想晶體含有位錯的晶體位錯：晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現象。位錯運動使塑性變形容易理想晶體含有位錯的晶體位錯：晶體中某處1591金屬物理基礎課件160位錯雖然移動了一個原子間距，但位錯中心附近的少數原子只作遠小于一個原子間距的彈性偏移，而其他區(qū)域的原子仍處于正常位置，所以這樣的位錯運動只需一個很小的切應力即可實現，故，實測的τK

遠小于理論的τK

。Q

Q’

PP’位錯雖然移動了一個原子間距，但位錯中心附近的少數原子只作遠小161

滑移的結果使大量的原子逐步發(fā)生遷移，從而產生宏觀的塑性變形。

晶內滑移受到晶界的阻礙，還受到周圍難滑移晶粒的阻礙。而且，隨變形增加，還會發(fā)生多系滑移，滑移面還會發(fā)生扭轉、彎曲等。滑移的結果使大量的原子逐步發(fā)生遷移，從而產生宏觀162

2．孿生

孿生變形：在切應力的作用下，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系.

2．孿生1631金屬物理基礎課件164孿生變形所需的切應力大于滑移變形時所需的切應力。所以，滑移是優(yōu)先發(fā)生的變形方式。發(fā)生孿生變形的條件主要與晶體結構、變形溫度和變形速度有關：FCC金屬一般不發(fā)生孿生，少數在極低溫度下發(fā)生，BCC金屬僅在室溫或受沖擊時發(fā)生。HCP金屬較容易發(fā)生孿生。

孿生變形所需的切應力大于滑移變形時所需的切應力。所165

如密排立方（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）——極低溫度（-230℃），高速沖擊載荷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。孿生本身對塑性變形的貢獻不大，但形成的孿晶改變了晶體位向，使新滑移系開動，間接對塑性變形做貢獻.如孿生本身對塑性變形的貢獻不大，但形成的孿晶改變166多晶體金屬的塑性變形與單晶體的本質是一致的，即每個晶粒的塑性變形仍以滑移、孿生等方式進行；但多晶體與單晶體相比有兩點不同：①相鄰的晶粒位向不同；②各晶粒之間存在晶界；多晶體塑性變形多晶體塑性變形167三、塑性變形特點（1）各晶粒變形的不同時性

塑性變形首先在位向有利的晶粒內發(fā)生,位錯源開動,但其中的位錯卻無法移出此晶粒,而是在晶界處塞積。位錯塞積產生的應力場越過晶界作用到相鄰晶粒上,使其得到附加應力。隨外加應力的增大,最終使相鄰位向不利的晶粒中滑移系的剪應力分量達到臨界值而開動起來,同時也使原來的位錯塞積得到釋放,位錯運動移出晶粒。如此持續(xù)運作,使更多晶粒參與變形。三、塑性變形特點（1）各晶粒變形的不同時性168（2）各晶粒變形的相互協調性

晶粒的變形需要相互協調配合，如此才能保持晶粒之間的連續(xù)性，即變形不是孤立和任意的。

（3）變形的不均勻性

軟位向的晶粒先變形，硬位向的晶粒后變形，其結果必然是各晶粒變形量的差異，這是由多晶體的結構特點所決定的。（2）各晶粒變形的相互協調性

晶粒的變形需要相互協調169變形不均勻

多晶體的滑移變形不均勻多晶體的滑移170

多晶體的塑性變形可以看成是由組成多晶體的許多單個晶粒產生變形（稱為晶內變形）的綜合效果。晶粒之間也有晶間變形。1金屬物理基礎課件171多晶體冷塑性變形機制對晶間變形起協調作用

晶間變形晶粒相對移動晶粒相對轉動多晶體冷塑性變形滑移孿生晶內變形主要變形多晶體冷塑性變形機制對晶間變形起協調作用晶間變形晶粒相對172晶間變形

晶間變形的方式包括晶粒間的相互移動和轉動。

晶粒之間的相對滑動和轉動晶間變形晶間變形的方式包括晶粒間的相互移動和轉173晶界對變形的阻礙作用（1）晶界的特點：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。（2）晶界對變形的影響:滑移、孿生多終止于晶界,極少穿過。（3）晶粒大小與性能的關系

a晶粒越細，強度越高(細晶強化)原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。（有尺寸限制）

晶界對變形的阻礙作用

174

晶粒越多，變形均勻性提高由應力集中