塑性成型原理第二節(jié)冷金屬成形

塑性成型原理第二節(jié)冷金屬成形第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月典型拉伸試樣拉伸實驗機2.1.1應力-應變曲線第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬拉伸時應力-應變曲線（低碳鋼）典型工程應力-應變曲線掌握以下含義：OA階段及A點OA’階段及A’點BC階段及B點D點E點

第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性模量和剛度的聯(lián)系與區(qū)別？對于某種材料的樣品剛度和模量的關系：

K=EA：

彈性模量是物質組份性質（微觀）,剛度是結構屬性（宏觀）；剛度本質也從側面放映了彈模的大小.但影響剛度的因素不光是彈性模量,還有構件的幾何尺寸等因素。什么是彈性模量？影響因素？第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月楊氏模量？ThomasYong（托馬斯·楊）1773-1829楊氏雙縫實驗楊氏模量視覺和顏色醫(yī)學語言埃及象形文字象形文字音樂美術騎馬雜技走鋼絲保險經(jīng)濟這是一個將科學和藝術并列研究、對生活充滿熱望的天才，我們幾乎可以這樣說：他生命中的每一天都沒有虛度。百度百科第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月楊氏模量？ThomasYong（托馬斯·楊）1773-1829“盡管我仰慕牛頓的大名，但是我并不因此而認為他是萬無一失的。我遺憾地看到，他也會弄錯，而他的權威有時甚至可能阻礙科學的進步?！边@是一個將科學和藝術并列研究、對生活充滿熱望的天才，我們幾乎可以這樣說：他生命中的每一天都沒有虛度。百度百科第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性變形是可逆的，物體在變形過程中所貯存起來的能量在卸載過程中將全部釋放出來，物體的變形可完全恢復到原始狀態(tài)．這就是說，如已知應力值，則相應的應變可唯一地確定。材料在彈塑性階段時，除了應變不可恢復性之外，應力和應變不再有一一對應的關系，即應變的大小和加載的過程有關。線性彈性力學只講討論應力應變關系服從OA直線段變化規(guī)律的問題；塑性力學則討論材料在屈服后破壞前的彈塑性階段的力學問題。

第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月脆性材料拉伸時應力-應變曲線（鎂合金）典型應力-應變曲線第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月鎂合金典型材料的斷口形貌鈦合金第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月斷口形貌與塑性關系準解理斷裂-脆性材料韌窩斷裂-塑性材料第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2單晶體的塑性變形金屬一般是由許多位向不同的晶粒組成，晶粒之間存在晶界，因此發(fā)生變形包括晶內(nèi)變形和晶間變形。晶內(nèi)變形晶內(nèi)變形包括滑移與孿生兩種

單晶體變形

第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月單晶試棒拉伸實驗1滑移所謂滑移是指晶體（此處可理解為單晶體或構成多晶體中的一個晶粒）在力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于晶體的另一部分發(fā)生相對移動或切變。這些晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向?；频慕Y果使大量原子逐步地從一個穩(wěn)定位置移到另一個穩(wěn)定位置，產(chǎn)生宏觀的塑性變形。

a-拉伸前；b-拉伸后第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月滑移要點：(1)滑移沿晶體內(nèi)原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。一種滑移面和一個滑移方向構成一個“滑移系”。晶體結構滑移面滑移方向滑移系數(shù)目面心立方{111}*4<110>*312體心立方{110}*6<111>12{112}*1212{123}*2424密排立方{0001}<11-20>3{10-10}3{10-11}6三種晶體結構金屬的滑移系第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)

滑移只能在切應力作用下發(fā)生滑移系的存在說明金屬晶體產(chǎn)生滑移的可能，要使滑移發(fā)生需要有一定大小作用力。第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)滑移時晶體的一部分相對于另一部分沿滑移方向位移的距離為原子間距的整倍數(shù)，滑移結果會在晶體表面造成臺階，在其表面出現(xiàn)滑移痕跡（滑移帶、滑移線）。

圖1單晶試棒拉伸實驗a-拉伸前b-拉伸后圖2滑移線和滑移帶d-100S-1000原子間距第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月為什么說面心立方比體心立方晶體變形更容易？面心立方致密度比體心立方大；塑性變形時晶體中固有滑移系并不同時開動，只有滑移系上的分切應力達到臨界值才會滑移。塑性變形除了與滑移系多少有關，還與雜質對變形的影響、加工硬化，屈服強度大小等相關；體心立方晶體塑性變形主要由螺位錯的運動決定（面心立方晶體由刃位錯決定），在相同情況下，螺位錯運動速度比刃位錯慢很多，有文獻報道至少慢了25倍以上。第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體剛性滑移示意圖20世紀20年代弗蘭克爾金屬理論剪切強度:103MPa到104MPa金屬實際剪切強度:0.5MPa到10MPa？第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體中通過位錯運動而造成滑移的示意圖G.L.TaylorM.PloanyiE.Orowan位錯（dislocation)30年代提出50年代證實滑移的本質：位錯的運動和不斷增殖第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月DISLOCATIONSDURINGCOLDWORKDislocationsentanglewithoneanotherduringcoldwork.Dislocationmotionbecomesmoredifficult.AdaptedfromFig.4.6,Callister6e.(Fig.4.6iscourtesyofM.R.Plichta,MichiganTechnologicalUniversity.)第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月孿生孿生是晶體在切應力作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面（稱為孿生面）和一定的晶向（稱為孿生方向）發(fā)生均勻切變。孿生變形后，晶體的變形部分與未變形部分構成了鏡面對稱關系，鏡面兩側晶體的相對位向發(fā)生了改變。這種在變形過程中產(chǎn)生的孿生變形部分稱為“形變孿晶”，以區(qū)別于由退火過程中產(chǎn)生的孿晶。與滑移過程相似，孿生也是通過位錯運動來實現(xiàn)的，每層晶面與它相鄰晶面沿孿生方向移動小于一個原子間距的距離。第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月滑移和孿生的異同點？

相同點：

1.都是由位錯運動實現(xiàn)的；

2.在切應力作用下.

區(qū)別：

1.滑移方向移動距離是原子整數(shù)倍，孿生是原子的相對切變距離小于孿生方向上一個原子間距；

2.滑移時晶體位向不變，而孿晶位向發(fā)生變化，與未變形部分形成鏡面對稱;3.所需臨界切應力－孿生比滑移大得多.第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬晶體究竟以何種方式進行塑性變形，取決于哪種方式變形所需的切應力為低。在常溫下，大多數(shù)體心立方金屬滑移的臨界切應力小于孿生的臨界切應力，所以滑移是優(yōu)先的變形方式，只在很低的溫度下，由于孿生的臨界切應力低于滑移的臨界切應力，這時孿生才能發(fā)生。對于面心立方金屬，孿生的臨界切應力遠比滑移的大，因此一般不發(fā)生孿生變形，但在極低溫度（4－78K）或高速沖擊載荷下，也不排除這種變形方式。再者，當金屬滑移變形劇烈進行并受到阻礙時，往往在高度應力集中處會誘發(fā)孿生變形。孿生變形后由于變形部分位向改變，可能變得有利于滑移，于是晶體又開始滑移，二者交替他進行。至于密排六方金屬，由于滑移系少，滑移變形難以進行，所以這類金屬主要靠孿生方式變形。第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月鎂合金鎂合金AZ31板材組織焊縫組織孿生變形變形組織第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3多晶體的塑性變形金屬一般是由許多位向不同的晶粒組成，晶粒之間存在晶界，因此發(fā)生變形包括晶內(nèi)變形和晶間變形。多晶體的滑移由于多晶體中每個晶粒所處的位向不同，決定了金屬的塑性變形將會在不同晶粒中逐批發(fā)生，是個不均勻塑性變形過程。第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月晶間變形晶間變形主要是晶粒之間的相對滑移和轉動。由于晶粒所處的位向不同，其變形情況和難易程度也不同。在冷態(tài)變形條件下，多晶體的塑性變形主要是晶內(nèi)變形，晶間變形只起次要作用，而且需要有其他變形機制相協(xié)調。這是由于晶界強度高于晶內(nèi)，其變形比晶內(nèi)變形的困難。還由于晶粒在生成過程中，各晶粒相互接觸形成犬牙交錯狀態(tài)，造成對晶界滑移的機械阻礙作用，如果發(fā)生晶界變形，容易引起晶界結構的破壞和裂紋的產(chǎn)生，因此晶間變形量只能是很小的。綜上所述，多晶體塑性變形的特點，一是各晶粒變形的不同時性；二是各晶粒變形的相互協(xié)調性；三是晶粒與晶粒之間和晶粒內(nèi)部與晶界附近區(qū)域之間變形的不均勻性。第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.4塑性變形對金屬組織性能的影響(1)

晶粒沿變形方向拉長，性能趨于各向異性金屬經(jīng)冷加工變形后，其晶粒形狀也將發(fā)生變化，變化趨勢大體與金屬宏觀變形一致，若變形程度很大，則晶粒呈現(xiàn)為一片如纖維狀的條紋，稱為纖維組織，纖維組織使金屬在性能上具有了方向性，對金屬變形后的質量有明顯影響，金屬在縱向（平行于纖維方向）強度、韌性遠大于橫向（垂直于纖維方向）。第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月純鐵200倍純鋁200倍第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月純鐵變形量0%純鐵變形量20%純鐵變形量20%純鐵變形量68%第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)

位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化

概念：隨著變形的發(fā)生，晶體內(nèi)的位錯不斷增殖、相互纏結，晶體內(nèi)產(chǎn)生亞結構，使位錯難以越過這些障礙而被限制在一定范圍內(nèi)運動，要使金屬繼續(xù)產(chǎn)生變形，就必須不斷增加外力以克服位錯之間的交互作用力，從而導致金屬的塑性變形抗力迅速增大，即金屬的強度、硬度增加，而塑性、韌性降低，產(chǎn)生所謂“加工硬化”現(xiàn)象。

意義：加工硬化是是強化金屬的重要途徑，例如，自行車鏈條；也有不利的一面，如冷軋材料時，由于加工硬化現(xiàn)象，會增加后序冷軋工藝的動力消耗。需要在冷變形過程中增加中間處理，增加了金屬制品的生產(chǎn)成本,延長了生產(chǎn)周期。

影響：塑性變形除了影響金屬的機械性能外，還會使金屬的物理性能及化學性能發(fā)生變化，如電阻增加，抗腐蝕性降低。第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)生加工硬化時應力-應變經(jīng)驗關系式：σ=Κεnn為加工硬化指數(shù)，0.1-0.5，反應加工硬化的強弱第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月隨著變形程度的增加，力學性能變化純金屬及某些不能通過熱處理方法強化的合金，如低碳鋼、純銅、防銹鋁、奧氏體不銹鋼、高錳鋼等，可通過冷拔、冷軋、冷擠壓等工藝來提高其強度和硬度。但在冷軋薄鋼板、冷拉細鋼絲及多道拉深的過程中，也會由于加工硬化造成后道加工的困難,

甚至開裂。故應在工序間穿插熱處理工藝來消除加工硬化。第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月位錯密度與材料強度的關系退火態(tài)金屬：104-107根/厘米冷加工：1012-1013根/厘米位錯密度：通常以通過單位面積上的位錯線的根數(shù)來衡量，稱為位錯密度。

第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月通過大量的實驗和理論研究證明，發(fā)現(xiàn)金屬的強度與其中位錯位錯密度之間的關系如下圖所示。從圖中看到，密度之間的關系金屬的位錯密度在某一數(shù)值左右（通常為106~108cm-2）時，強度最低，相當于金屬的退火狀態(tài)，在此基礎上增加位錯密度或降低位錯密度都是提高金屬強度的有效途徑。利用加工硬化等方法增加值錯密度這一途徑早已應后于工業(yè)中順利用降低位錯密度這一更為有效的途徑則不過是近二十年來才受到高度重視。目前還不能制得大尺寸低位錯密度的金屬，而只能制出一些極細的金屬須或細絲，將其編織成較大尺寸的材料或混到某些材料中制成復合材料。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，若一旦制得較大尺寸的低位借密度金屬，則金屬強度的大幅度提高，肯定是大有前途的。第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)織構現(xiàn)象的產(chǎn)生

伴隨著金屬發(fā)生塑性變形，內(nèi)部晶粒的晶格位向也將會沿變形的方向發(fā)生轉動。當變形量很大時（70-90%），多晶體中原為任意取向的各晶粒，會逐漸調整其取向而彼此趨于一致。這種由于變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織稱為織構，也稱變形織構?？棙嫴皇敲枋鼍Я５男螤?，而是描述多晶體中晶粒取向的特征。

實際上，變形金屬的晶粒取向只能是趨向于這種取向，一般是隨著變形程度的增加，趨向于這種取向的晶粒就越多，織構構特征就越明顯?？棙嫷男纬蓪饘俨牧系募庸すに囉泻艽蟮挠绊?。金屬中變形織構的形成，會使各種性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性，甚至退火也難以消除

第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月晶粒取向

具有擇優(yōu)取向的晶體組織變形織構第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月形變織構的兩種主要形式絲織構（拔絲）拉拔時各晶粒中的某一方向都趨于平行拉拔方向。用平行于拉拔軸的晶向指數(shù)[uvw]表示。第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月形變織構的兩種主要形式板織構（軋制）板材軋制時各晶粒中的某一指數(shù)晶面均趨于平行軋制面，各晶粒中的某指數(shù)晶向都趨于平行軋制方向。用該晶面指數(shù)(hkl)和晶向指數(shù)[uvw]來表示板織構。第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月“制耳”現(xiàn)象深沖件上的制耳第39頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月形變織構的利與弊？1.例如制造汽車外殼的深沖薄鋼板，存在一般織構將使其變形不均勻,產(chǎn)生皺紋,甚至發(fā)生破裂；但具