金屬塑性加工技術(shù)3-材料學(xué)基礎(chǔ)課件

第三篇塑性變形材料學(xué)基礎(chǔ)

金屬塑性加工原理

PrincipleofPlasticDeformation

inMetalsProcessing第5章金屬的塑性§5.1金屬的塑性§5.2金屬多晶體塑性變形的主要機(jī)制§5.3影響金屬塑性的因素§5.4金屬的超塑性5.1.1塑性的基本概念5.1.2塑性指標(biāo)及其測(cè)量方法5.1.3塑性狀態(tài)圖及其應(yīng)用

§5.1金屬的塑性塑性與柔軟性的對(duì)立統(tǒng)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(jié)論：塑性與柔軟性不是同一概念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5.1.2塑性指標(biāo)及其測(cè)量方法塑性指標(biāo)的測(cè)量方法塑性指標(biāo)

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)法沖擊韌性彎曲試驗(yàn)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

斷面收縮率ψ=(F0-Fh)/F0×100%延伸率δ=(Lh-L0)/L0×100%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：

ε=(H0-Hh)/H0×100%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)生第一條可見裂紋時(shí)的臨界壓下量作為軋制過程的塑性指標(biāo)。

5.1.3塑性狀態(tài)圖及其應(yīng)用表示金屬塑性指標(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,制定冷熱變形工藝確定MB5鎂合金熱加工工藝步驟根據(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)塑性圖確定變形溫度范圍鋁含量對(duì)鎂合金力學(xué)性能的影響隨Al含量增加，相增多，延伸率下降，硬度和強(qiáng)度提高

根據(jù)塑性圖確定熱變形溫度范圍MB5合金的塑性圖αk

—沖擊韌性,εm—慢力作用下的最大壓縮率εC—沖擊力作用下的最大壓縮率,φ—斷面收縮率,α0

—彎曲角度慢速：軋制、擠壓φ和εm在350-400℃較快速：錘鍛εC確定在400-450℃快速：鍛造和沖壓αk確定250℃以下從塑性圖上獲取的信息慢速加工，溫度為350~400℃時(shí),φ值和εM都有最大值，不論軋制或擠壓，都可在此溫度范圍內(nèi)以較慢的速度加工。

鍛錘下加工，在350℃左右有突變，變形溫度應(yīng)選擇在400~450℃。

工件形狀比較復(fù)雜，變形時(shí)易發(fā)生應(yīng)力集中，應(yīng)根據(jù)αK曲線來判定。從圖中可知，在相變點(diǎn)270℃附近突然降低，因此，鍛造或沖壓時(shí)的工作溫度應(yīng)在250℃以下進(jìn)行為佳。5.2.1多晶體變形的特點(diǎn)1．變形不均勻

多晶體塑性變形的竹節(jié)現(xiàn)象

粗晶鋁晶粒各處變形不均2．晶界的作用及晶粒大小的影響冷變形情況下：晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)強(qiáng)度晶粒越細(xì)、強(qiáng)度硬度越高、變形越均勻，應(yīng)力集中小，塑性好與單晶體相比，多晶體受晶界和晶體取向差別的影響，各晶粒變形先后、大小不同，同一晶粒內(nèi)變形也不均勻，易產(chǎn)生殘余應(yīng)力2．溶解——沉積機(jī)構(gòu)該機(jī)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是一相晶體的原子迅速而飛躍式的轉(zhuǎn)移到另一相的晶體中去。保證兩相有較大的相互溶解度外，還必須具備下列條件:(1)隨著溫度的變化或原有相晶體表面大小及曲率的變化，伴隨有最大的固溶度改變。(2)變形時(shí)，應(yīng)具備足夠高的溫度條件。

3．非晶機(jī)構(gòu)非晶機(jī)構(gòu)是指在一定的變形溫度和速度條件下，多晶體中的原子非同步的連續(xù)的在應(yīng)力場(chǎng)和熱激活的作用下，發(fā)生定向遷移的過程。大量原子定向遷移引起宏觀塑性變形取決于溫度、應(yīng)力和應(yīng)變速度在溫度高至0.5T熔，在較低的應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生，溫度越高，晶粒越小，擴(kuò)散越快（高溫需要粗晶）彌散分布型多相合金切割機(jī)制繞過機(jī)制彌散強(qiáng)化的效果與第二相的尺寸、間距有關(guān)5.2.4變形機(jī)構(gòu)圖揭示在某一應(yīng)力-溫度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)變速率起控制作用的變形機(jī)理5.2.4變形機(jī)構(gòu)圖揭示在某一應(yīng)力-溫度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)變速率起控制作用的變形機(jī)理a.1mmb.10微米應(yīng)變速率線5.2.4變形機(jī)構(gòu)圖揭示在某一應(yīng)力-溫度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)變速率起控制作用的變形機(jī)理1400K50Fe-50Ni應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方程（本構(gòu)方程）σe=Aεenεeme-bTn----加工與硬化指數(shù)m---應(yīng)變速率敏感性系數(shù)A---材料常數(shù)T---絕對(duì)溫度b---溫度影響系數(shù)，與變形機(jī)制的激活能Q有關(guān)如：ε=Aσne-Q/RT?§5.3影響金屬塑性的因素

5.3.1影響塑性的內(nèi)部因素5.3.2影響金屬塑性的外部因素5.3.3提高金屬塑性的主要途徑5.3.1影響塑性的內(nèi)部因素

1．化學(xué)成分（1）雜質(zhì)（2）合金元素對(duì)塑性的影響2．組織結(jié)構(gòu)5.3.2影響塑性的外部因素

變形溫度變形速度變形程度應(yīng)力狀態(tài)變形狀態(tài)尺寸因素周圍介質(zhì)一、變形溫度對(duì)塑性的影響隨溫度升高，塑性提高：出現(xiàn)新的變形機(jī)制，如晶界滑移、非晶機(jī)構(gòu)、沉淀溶解出現(xiàn)回復(fù)、再結(jié)晶出現(xiàn)新的滑移系但并非直線上升，隨相態(tài)和晶界的變化，可能出現(xiàn)三個(gè)脆性區(qū)三個(gè)脆性區(qū)低溫脆性區(qū)：晶界析出物脆化中溫脆性區(qū)：過飽和固溶體晶界析出脆化高溫脆性區(qū)：與周圍介質(zhì)反應(yīng)脆化、過熱或過燒碳鋼有四個(gè)脆性區(qū)幾種鋁合金及銅合金的塑性圖幾種鋁合金及銅合金的塑性圖二、變形速度對(duì)塑性的影響加工硬化速度大于軟化速度，熱效應(yīng)使溫度升高到熱脆區(qū)或者相反三、變形程度對(duì)塑性的影響熱變形：再結(jié)晶速度大于應(yīng)變速度時(shí)，變形程度的影響不大冷變形：無再結(jié)晶作用，變形程度增加，塑性降低對(duì)于難變形金屬，多次分散小變形可提高塑性(一次大變形所產(chǎn)生的變形熱可能是局部溫度升高過熱而產(chǎn)生裂紋)靜水壓力對(duì)提高金屬塑性的良好影響

四、應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性的影響最大變形與靜水壓力的關(guān)系曲線三向壓應(yīng)力最好，兩壓一拉次之，一壓兩拉更次，三向拉最差1、大理石2、砂石抑制晶粒邊界的相對(duì)移動(dòng)；修復(fù)變形裂紋和組織缺陷；消除雜質(zhì)和液相的不利影響；抵消附加拉應(yīng)力圖5-24主變形圖對(duì)金屬中缺陷形狀的影響a）未變形的情況；（b）經(jīng)兩向壓縮—向延伸變形后的情況；（c）經(jīng)—向壓縮兩向延伸后的情況五、變形狀態(tài)對(duì)塑性的影響兩向壓縮一向延伸最好：如擠壓、拉拔、旋鍛一向壓縮一向拉伸次之：如軋板一向壓縮兩向延伸最差：如鐓粗變形物體體積對(duì)力學(xué)性能的影響1—塑性；2—變形抗力；3—臨界體積點(diǎn)六、尺寸因素對(duì)塑性的影響加工件體積增大，塑性降低組織缺陷表面因素七、周圍介質(zhì)對(duì)塑性的影響吸附、擴(kuò)散形成脆性相--------塑性降低表面腐蝕、改變化學(xué)成分-----塑性降低細(xì)化滑移束，使變形均勻-----塑性增加5.3.3提高金屬塑性的主要途徑提高塑性的主要途徑有以下幾個(gè)方面：(1)控制化學(xué)成分、改善組織結(jié)構(gòu)，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(yīng)力較強(qiáng)的變形過程，減小變形的不均勻性，盡量造成均勻的變形狀態(tài)；(4)避免加熱和加工時(shí)周圍介質(zhì)的不良影響。

§5.4超塑性5.4.1超塑性的概念：大延伸、無縮頸、小應(yīng)力、易變形5.4.2超塑性的分類細(xì)晶超塑性、動(dòng)態(tài)超塑性5.4.3細(xì)晶超塑性的特征變形力學(xué)特征、組織特征5.4.4超塑性的機(jī)理擴(kuò)散蠕變機(jī)理、晶界滑動(dòng)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶第6章

塑性加工過程的組織性能

變化和溫度----速度條件§6.1塑性加工中金屬的組織與性能§6.2金屬塑性變形的溫度——速度效應(yīng)§6.3形變熱處理

§6.1塑性加工中金屬的組織與性能6.1.1冷變形6.1.2熱變形6.1.3塑性變形對(duì)固態(tài)相變的影響

6.1.1冷變形1．冷變形的概念2．冷變形時(shí)金屬顯微組織的變化3．冷變形時(shí)金屬性能的變化6.1.2熱變形1．熱變形的概念2．熱變形對(duì)金屬組織性能的影響3．熱變形過程中的回復(fù)與再結(jié)晶6.1.3塑性變形對(duì)固態(tài)相變的影響1．應(yīng)力與變形的作用2．溫度和變形速度的作用§6.2金屬塑性變形的溫度——速度效應(yīng)6.2.1變形溫度6.2.2變形速度6.2.3變形中的熱效應(yīng)及溫度效應(yīng)6.2.4熱力學(xué)條件之間的相互關(guān)系

6.2.1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)。6.2.2變形速度變形速度為單位時(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，即：式中——變形速度；——變形程度；

V——變形物體的體積6.2.3變形中的熱效應(yīng)及溫度效應(yīng)所謂“熱效應(yīng)”是指變形過程中金屬的發(fā)熱現(xiàn)象，熱效應(yīng)可用發(fā)熱率來表示：

式中——發(fā)熱率；AT——轉(zhuǎn)化為熱的那部分能量；A——使物體產(chǎn)生塑性變形時(shí)的能量。塑性變形過程中因金屬發(fā)熱而促使金屬的變形溫度升高的效果，稱為溫度效應(yīng)，用表示：式中T1——變形前金屬所具有的溫度；

T2——變形后因熱效應(yīng)的作用金屬實(shí)際具有的溫度。一、影響溫度效應(yīng)的因素變形溫度溫度越高，小變形速度速度越大，大變形程度變形量大，大周圍導(dǎo)熱情況二、熱效應(yīng)的效果改變變形抗力改變變形型式冷變形變成熱變形引起相態(tài)變化改變塑性狀態(tài)三、熱效應(yīng)的應(yīng)用減少中間退火在低溫下進(jìn)行高速變形提高塑性、降低抗力控制孔型、輥型四、熱效應(yīng)的不利影響使工具溫升，降低工具壽命，造成粘結(jié)工具使變形速度受限制，影響生產(chǎn)率使變形金屬進(jìn)入脆性區(qū)6.2.4熱力學(xué)條件之間的相互關(guān)系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)條件下的變形溫度的關(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：綜合可寫成

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。

§6.3形變熱處理6.3.1低溫形變熱處理6.2.3高溫形變熱處理6.2.3預(yù)形變熱處理利用晶格缺陷對(duì)相轉(zhuǎn)變組織的強(qiáng)烈影響，有效地綜合利用形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化，將壓力加工與熱處理操作相結(jié)合，使成形工藝同獲得最終性能統(tǒng)一起來的一種工藝方法軋鋼的控軋-控冷工藝擠壓鋁型材的擠壓-風(fēng)冷工藝溫度時(shí)間時(shí)效型合金形變熱處理工藝圖（a）低溫形變熱處理；（b）高溫形變熱處理（c）綜合形變熱處理；（d）預(yù)形變熱處理t6767132413254676713245424高溫形變熱處理工藝1—淬火加熱與保溫；2—壓力加工；3—冷至變形溫度；4—快冷；5—重新淬火加熱短時(shí)保溫；6—淬火加熱溫度范圍；7—塑性區(qū)

1塑性加工中的常見裂紋2金屬斷裂的物理本質(zhì)3塑性-脆性轉(zhuǎn)變4金屬的可加工性§6.4塑性加工過程的斷裂與可加工性1.鍛造時(shí)的斷裂2.軋制時(shí)的斷裂3.擠壓、拉拔時(shí)的斷裂一、塑性加工中的常見裂紋1.斷裂的基本類型2.斷裂的過程及物理本質(zhì)

二、金屬斷裂的物理本質(zhì)脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂：斷面收縮小于5%韌性斷裂：斷面收縮率大于5%正斷與切斷正斷：斷裂面與正應(yīng)力方向垂直，常為解理面斷裂切斷：斷裂面沿最大切應(yīng)力方向，常沿滑移面斷裂1.斷裂的基本類型(1)脆性斷裂單晶：解理面斷裂多晶：穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂出現(xiàn)光亮解理面沿晶斷裂顆粒狀斷口（2）韌性斷裂單晶：滑移面斷裂多晶：出現(xiàn)縮頸，斷口很小或形成杯錐狀斷口塑性變形與斷裂過程同時(shí)發(fā)生裂紋生核與裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段2.斷裂的過程及物理本質(zhì)力學(xué)角度：有利位向晶粒首先變形，塑性變形連續(xù)性受阻時(shí)，出現(xiàn)裂紋核協(xié)調(diào)整體性變形的發(fā)展。裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)展實(shí)質(zhì)上是協(xié)調(diào)變形的一種方式位錯(cuò)理論的觀點(diǎn)：變形是位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)和增值的過程；位錯(cuò)塞積成為高應(yīng)力區(qū)，產(chǎn)生高應(yīng)變能破壞原子結(jié)合鍵而產(chǎn)生裂紋核。斷裂的過程是位錯(cuò)塞積和消失的過程(1)裂紋形核機(jī)理材料內(nèi)部原有的缺陷：氣孔、夾雜、晶界弱面、相弱面變形過程中形成：位錯(cuò)塞積、位錯(cuò)反應(yīng)、位錯(cuò)墻側(cè)移、位錯(cuò)銷毀位錯(cuò)塞積理論塞積阻力τ=nτ0n=Dπτ0L/GbD=(1-γ)；L塞積群長(zhǎng)度；τ0為外加有效切應(yīng)力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在界面受阻，當(dāng)塞積應(yīng)力大于界面結(jié)合力時(shí)，形成裂紋核位錯(cuò)反應(yīng)理論相交滑移面上位錯(cuò)反應(yīng)發(fā)生同號(hào)位錯(cuò)聚合，形成微裂紋位錯(cuò)墻側(cè)移理論刃型位錯(cuò)垂直排列形成位錯(cuò)墻，引起滑移面彎曲而產(chǎn)生裂紋位錯(cuò)銷毀理論平行滑移面相距很近(小于10個(gè)原子間距)，異號(hào)刃型位錯(cuò)合并而銷毀，形成孔隙(2)裂紋擴(kuò)展微裂紋產(chǎn)生≠材料斷裂裂紋造成的應(yīng)力集中可通過塑性變形松弛、