第一節(jié) 金屬塑性變形

第一節(jié)金屬塑性變形第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四概述一、壓力加工的實質(zhì)：金屬材料在外力作用下，發(fā)生塑性變形，獲得所要求的形狀、尺寸、機械性能的原材料毛坯或零件的加工方法。塑性加工的適用材料：各類鋼大多數(shù)非鐵金屬及其合金

金屬變形過程：金屬材料在外力作用下發(fā)生彈性變形當外力超過一定值后產(chǎn)生塑性變形外力繼續(xù)加大，發(fā)生斷裂我國自行研制的萬噸級水壓機第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四二、壓力加工的主要生產(chǎn)方式：

1.軋制；2.擠壓；3.拉拔；4.鍛造；5.板料沖壓.第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四軋三、塑性成形特點：1.能改善金屬的組織，力學(xué)性能高；2.可提高材料利用率；3.加工精度較高，生產(chǎn)率較高。兩不加工：脆性材料復(fù)雜形狀

第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四軋制、擠壓、拉拔——金屬型材、板材、鋼材、線材等；自由鍛、模鍛——承受重載的機械零件，如機器主軸、重要齒輪、連桿、炮管、槍管等；板料沖壓——汽車制造、電器、儀表及日用品。應(yīng)用：第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)金屬塑性變形一、金屬塑性變形金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形的實質(zhì)是晶體內(nèi)部的原子產(chǎn)生滑移。滑移：就是晶體的一部分相對與另一部分沿一定晶面發(fā)生相對的位移；產(chǎn)生的變形稱為滑移變形。正應(yīng)力σ：僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長，當超過原子間結(jié)合力時，使將晶體拉斷；切應(yīng)力τ：使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過滑移抗力時引起滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生相對滑動。第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四1.單晶體金屬的塑性變形單晶體的塑性變形主要通過滑移進行。

（a）未變形（b）彈性變形（c）彈塑性變形（d）塑性變形圖：單晶體滑移變形示意圖

滑移面整體剛性滑移滑移變形具有以下特點：1）切應(yīng)力引起滑移；2）滑移面在密排面滑移方向沿著密排面方向進行，滑移距離為原子間距的整數(shù)倍。第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四原因：晶體內(nèi)部的各種缺陷（特別是位錯）的運動更容易產(chǎn)生滑移，而且位錯運動所需切應(yīng)力遠遠小于剛性的整體滑移所需的切應(yīng)力。當位錯運動到晶體表面時，晶體就產(chǎn)生了塑性變形。

實際晶體內(nèi)部存在大量缺陷?；仆ㄟ^位錯在滑移面上的運動來實現(xiàn)?；频臋C理未變形位錯運動

塑性變形第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四晶界：滑移過程中，位錯的運動在晶界處受到較大的阻力，難以發(fā)生變形；晶粒位向：晶粒位向不同，各晶粒的滑移系不能同時開動，受到周圍晶粒的阻礙。晶粒大?。壕ЯＴ郊?，相同體積內(nèi)晶粒越多，塑性變形就越困難。單晶體多晶體2.

多晶體金屬的塑性變形(1)晶粒取向的影響(2)晶界的影響(3)晶粒大小的影響1）變形特點：第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四2.

多晶體金屬的塑性變形2）變形過程：其塑性變形可以看成是由組成多晶體的許多單個晶粒產(chǎn)生變形(稱為晶內(nèi)變形)的綜合效果。同時，晶粒之間也有滑動和轉(zhuǎn)動(稱為晶間變形)。每個晶粒內(nèi)部都存在許多滑移面，因此整塊金屬的變形量可以比較大。低溫時，多晶體的晶間變形不可過大，否則將引起金屬的破壞。第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四二、塑性變形對金屬組織及性能的影響1.對組織結(jié)構(gòu)的影響1）引起晶粒變形，晶粒沿最大變形方向伸長；2）晶格與晶粒發(fā)生扭曲，產(chǎn)生晶格畸變與內(nèi)應(yīng)力；3）造成晶粒破碎，產(chǎn)生碎晶。第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四形成纖維組織結(jié)果：使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。表現(xiàn)：定義：金屬在變形過程中，晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)在鋼料中的定向分布狀態(tài)稱為鋼料鍛造時的纖維組織（流線）。a縱向（平行纖維方向），塑韌性、強度提高

b橫向（垂直纖維方向），抗剪強度提高特點：纖維組織很穩(wěn)定，熱處理、再鍛均不能消除，只能改變分布。第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四鋼錠熱變形后的組織變化第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四2.對性能的影響1）產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象結(jié)果：金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降。原因：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↓舉例：高強度鋼絲是將含碳量為1.0%的高碳鋼處理成細片狀珠光體，然后冷拔變形90%以上，抗拉強度可高達3000MPa。第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四加工硬化的應(yīng)用及不利影響：

1）應(yīng)用：主要是強化金屬材料（1）提高材料強度、耐磨性；例：自行車鏈條片16Mn鋼原：δ厚=3.5mmσb=520MPa150HBS；五次冷軋后：δ厚=1.2mm（65%）σb=1200MPa275HBS

（2）↑構(gòu)件使用安全系數(shù)（如鋼絲繩）（3）有利于金屬進行均勻的變形。

2）不利影響：材料塑韌性降低，對進一步塑性變形帶來困難。第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四3、回復(fù)與再結(jié)晶圖：冷變形金屬在加熱時組織和性能的變化示意圖

金屬材料在冷變形以后，組織處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，但室溫下難以進行。加熱使原子擴散能力增加，隨溫度的升高，冷變形后的金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。

第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四1）

回復(fù)

T回=(0.25-0.3)T熔定義：隨著溫度的上升，原子熱運動加劇，晶格扭曲被消除，內(nèi)應(yīng)力明顯下降的現(xiàn)象。

作用：a）晶格扭曲消除b）內(nèi)應(yīng)力明顯下降回復(fù)只能部分消除加工硬化圖：冷變形金屬在加熱時組織和性能的變化示意圖

第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四2）

再結(jié)晶定義：溫度上升到金屬熔化溫度的0.4-0.5倍時，金屬原子獲得更多的熱能，開始以某些碎晶或雜質(zhì)為核心，生長成新的晶粒，加工硬化完全被消除，塑性上升。圖：冷變形金屬在加熱時組織和性能的變化示意圖

第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四冷變形金屬剛剛結(jié)束再結(jié)晶時的晶粒是比較細小、均勻的等軸晶粒，如果再結(jié)晶后不控制其加熱溫度或時間，繼續(xù)升溫或保溫，晶粒之間便會相互吞并而長大。3）晶粒長大(b)金屬回復(fù)后的組織(c)再結(jié)晶組織(a)塑性變形后的組織圖：金屬的回復(fù)和再結(jié)晶示意圖第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四三、冷變形與熱變形1）、定義：金屬在再結(jié)晶溫度以上的變形稱為熱變形，再結(jié)晶溫度以下的變形稱為冷變形。例：鎢（熔點為3380℃）在800℃變形為冷加工，而鉛（熔點為327℃）在室溫變形就可稱為熱加工。第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶同時發(fā)生；加工硬化隨時被消除，使變形抗力下降，塑性升高。2）、熱變形的特點：1)可消除鑄錠中的氣孔、縮松等缺陷；2)可使鑄態(tài)晶粒細化，力學(xué)性能提高；3)形成熱變形纖維組織（流線）。3）、熱變形后的組織與性能：

熱軋時組織變化

第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四冷加工與熱加工組織的變化熱變形加工在變形的同時伴隨著動態(tài)再結(jié)晶，變形停止后在冷到室溫過程中繼續(xù)有再結(jié)晶發(fā)生。所以熱變形加工基本沒有加工硬化現(xiàn)象。第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四4）、鍛造比(Y鍛

)鍛造時變形程度大小常以鍛造比Y鍛表示：對拔長：Y鍛=F0（原截面）/F（拔長后截面）對鐓粗：Y鍛=H0（鐓前高度）/H（鐓后高度）結(jié)構(gòu)鋼鋼錠的鍛造比一般為2～4；各類鋼坯和軋材的鍛造比一般為1.1～

1.3。零件設(shè)計和制造中充分利用鍛造流線：1）零件最大拉應(yīng)力方向應(yīng)與鍛造流線平行;2）零件最大剪切應(yīng)力方向應(yīng)與鍛造流線垂直;3）零件外形輪廓應(yīng)與鍛造流向的分布相符合而不被切斷。第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四(a)齒根處的切應(yīng)力平行于流線方向。力學(xué)性能最差，壽命最短；(b)齒1的根部切應(yīng)力與流線方向垂直，力學(xué)性能好，齒2情況正好相反，力學(xué)性能差；(c)流線呈徑向放射狀，各齒的切應(yīng)力方向均與流線近似垂直，強度與壽命較高；(d)流線完整且與齒廓一致，未被切斷，性能最好，壽命最長。第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四三、金屬的可鍛性（塑性成形性）——金屬可鍛性是衡量材料在經(jīng)受壓力加工時獲得優(yōu)質(zhì)制品難易程度的工藝性能。1、衡量金屬可鍛性的指標兩個內(nèi)因與外因

1）塑性：金屬的塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞其完整性的能力；用斷面收縮率ψ、伸長率δ表示；

2）變形抗力:變形過程中，金屬抵抗外力作用能力的大小。原因：優(yōu)良的塑性使產(chǎn)品獲得準確的外形而不破裂；變形抗力越小，變形消耗的能量也越少，鍛壓越省力。第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四1）金屬本質(zhì)對可鍛性的影響兩方面：純金屬和固溶體具有良好的可鍛性，碳化物可鍛性差；細晶粒組織可鍛性優(yōu)于粗晶粒，但變形抗力大。（1）化學(xué)成分：一般情況下，純金屬的可鍛性優(yōu)于合金；碳鋼隨含碳量增加，可鍛性降低；合金鋼中合金元素含量越多，可鍛性下降；鋼中P、S含量超過一定值可鍛性降低。（2）組織結(jié)構(gòu)：2、影響金屬可鍛性的因素：金屬本質(zhì)和加工條件第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四（1）變形溫度：變形條件：變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)力狀態(tài)碳鋼的鍛造溫度范圍2）加工條件的影響（變形條件）溫度↑：塑性↑，可鍛性↑；溫度↑↑：產(chǎn)生“過熱”，可鍛性↓；溫度↑↑↑：接近熔化，出現(xiàn)“過燒”失去塑性，σb↓；溫度↓↓：可鍛性↓，∵加工硬化產(chǎn)生，開裂，塑性差。第三十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四圖：變形速度對塑性及變形抗力的影響示意圖a）變形速度<a時，隨V增大，回復(fù)和再結(jié)晶來不及消除加工硬化，可鍛性下降；b）變形速度>a后，由于塑性變形的熱效應(yīng)使材料溫度升高，回復(fù)和再結(jié)晶充分，可鍛性提高。但難實現(xiàn)。（2）變形速度(雙重影響)指金屬材料在單位時間內(nèi)的變形程度。