第一講金屬塑性成形的物理基礎(chǔ)省公開課金獎(jiǎng)全國賽課一等獎(jiǎng)微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

材料成形技術(shù)基礎(chǔ)（塑性成形部分）機(jī)械工程學(xué)院模具與塑性加工研究所王立忠副教授1/68第4章塑性成形理論基礎(chǔ)2/68

塑性成形是利用金屬塑性，在外力作用下使金屬發(fā)生塑性變形，從而取得所需要形狀和性能產(chǎn)品一個(gè)加工方法；所以，又稱為塑性加工或壓力加工。3/68

4.1基本問題,目標(biāo)任務(wù)和主要內(nèi)容

4/684.1.1塑性成形基本問題

1)材料塑性及其影響原因

研究塑性變形機(jī)理;

研究變形條件對材料塑性影響;研究塑性變形后材料組織和性能改變。5/682)成形力、變形抗力及其影響原因

——應(yīng)力場

成形力、功大小是正確選取設(shè)備和設(shè)計(jì)模具依據(jù)；對成形力影響原因分析可減小成形力，節(jié)約能耗；應(yīng)力場確定對分析工件內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和空洞愈合是必不可少。6/683)金屬變形特點(diǎn)和流動(dòng)規(guī)律

—位移場、應(yīng)變場、速度場

研究金屬變形特點(diǎn)和流動(dòng)規(guī)律是合理選擇原始毛坯、設(shè)計(jì)中間毛坯及模具模膛形狀依據(jù)；分析和控制工件內(nèi)部性能，內(nèi)在質(zhì)量和最終形狀依據(jù)。這是塑性成形又一基本問題。7/684)塑性成形各種成形工藝及其模具

塑性成形需要輸入形狀信息，這些信息由模具及模具與加工材料相對運(yùn)動(dòng)共同產(chǎn)生。對于要得到零件，采取什么工藝，形狀信息分幾個(gè)階段輸入，對應(yīng)模具結(jié)構(gòu)和形狀參數(shù)怎樣確定、設(shè)備系統(tǒng)怎樣選擇和控制等都是十分主要。這也是塑性成形要研究基本問題。8/684.1.2課程目標(biāo)和任務(wù)

研究和探討金屬在各種塑性加工中可遵照基礎(chǔ)理論和規(guī)律；科學(xué)、重點(diǎn)地說明這些基礎(chǔ)和規(guī)律，為合理制訂塑性成形工藝規(guī)范，選擇設(shè)備，設(shè)計(jì)模具以及后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。9/684.1.3課程主要內(nèi)容

1）金屬塑性變形物理基礎(chǔ)

從微觀上研究金屬冷、熱塑性變形機(jī)理；研究冷熱塑性變形對材料組織和性能影響；10/682）塑性變形力學(xué)基礎(chǔ)金屬變形體內(nèi)應(yīng)力場、應(yīng)變場；求解塑性成形問題基本方程；應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系—增量與全量理論；塑性變形力學(xué)條件—屈服準(zhǔn)則；真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線—本構(gòu)關(guān)系；力學(xué)問題求解舉例—主應(yīng)力法。11/683）基本工藝方法及經(jīng)典模具結(jié)構(gòu)

板料成形工藝分類；沖裁、彎曲、拉深、脹形、翻邊變形特點(diǎn)，主要工藝參數(shù)，生產(chǎn)中常見主要質(zhì)量問題；經(jīng)典沖壓模具結(jié)構(gòu)。體積成形工藝分類；鑄造與擠壓工藝特點(diǎn)；錘上模鍛與壓力機(jī)上模鍛區(qū)分；經(jīng)典錘上模鍛模具結(jié)構(gòu)。12/684.2塑性成形物理基礎(chǔ)13/684.2.1金屬晶體結(jié)構(gòu)自然界一切固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）聚集狀態(tài)可分為兩大類：晶體和非晶體。晶體：是原子在三維空間作有規(guī)則周期性重復(fù)排列固體。而非晶體則不具備這一特點(diǎn)，這是二者根本區(qū)分。自然界全部固體金屬和合金都是晶體。14/68晶體內(nèi)原子在空間規(guī)則排列，成為空間點(diǎn)陣。為了描述晶體內(nèi)原子排列情況，通慣用直線將各原子中心連接起來，組成一空間格子，即假想處于平衡狀態(tài)各原子都位于該空間格子各個(gè)結(jié)點(diǎn)上。晶格：描述晶體內(nèi)原子排列形式空間格子，簡稱晶格。晶胞：晶體中能反應(yīng)晶格特征最基本幾何單元。晶格常數(shù)(點(diǎn)陣常數(shù)):晶胞各邊尺寸,即原子間距.各種晶體主要差異,就在于晶格形式和晶格常數(shù)不一樣.15/68實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)

單晶體：位向相同一群同類型晶胞聚合在一起，組成單晶體。單晶體因?yàn)椴灰粯泳婧途蛏显优帕胁灰粯?，使原子密度和原子間結(jié)協(xié)力強(qiáng)弱不一樣，因而在不一樣方向上其機(jī)械、物理和化學(xué)性能不一樣，稱為晶體各向異性。16/68多晶體：工業(yè)用金屬是由許多尺寸很小，位向不一樣小單晶體組成。這些小單晶體稱為晶粒。晶界：多晶體中各晶粒之間過渡區(qū)，稱為晶界。因?yàn)槎嗑w是由許多位向不一樣晶粒組成，晶粒本身各向異性被相互抵消，因而多晶體普通不顯示方向性。17/68實(shí)際金屬晶體中，原子以晶格結(jié)點(diǎn)為中心不停地作熱振動(dòng)，原子規(guī)則排列因?yàn)榉N種原因受到干擾和破壞，存在一系列缺點(diǎn)。按其幾何形態(tài)分三種：1、點(diǎn)缺點(diǎn)：包含空位、間隙原子和置換原子等?？瘴缓烷g隙原子遷移運(yùn)動(dòng)，是晶體中發(fā)生原子擴(kuò)散一個(gè)主要方式。2、線缺點(diǎn)：各種類型位錯(cuò)是晶體線缺點(diǎn)，也就是位錯(cuò)是晶體中在長度范圍內(nèi)存在微觀缺點(diǎn)。3、面缺點(diǎn):晶體內(nèi)表面缺點(diǎn)主要有(1)堆垛層錯(cuò);(2)晶界、亞晶界;.

18/684.2.2單晶體塑性變形

單晶體塑性變形主要有:滑移和雙晶（孿晶）兩種方式。一滑移、滑移面和滑移方向滑移：在剪應(yīng)力作用下，晶體一部分相對于另一部分，沿著一定晶面和晶向產(chǎn)生移動(dòng)。產(chǎn)生滑移晶面和晶向，分別稱為滑移面和滑移方向。19/68普通情況下，滑移并非沿任意晶面和晶向發(fā)生，而是沿該晶體中原子排列最緊密晶面和晶向發(fā)生?；泼媸疽鈭D20/68二、滑移系通常每一個(gè)晶格有幾個(gè)可能產(chǎn)生滑移晶面，即同時(shí)存在幾個(gè)滑移系；而每一個(gè)滑移面，又同時(shí)存在幾個(gè)滑移方向。一個(gè)滑移面和其上一個(gè)滑移方向，組成一個(gè)滑移系。21/68三、臨界剪應(yīng)力單晶體滑移時(shí)應(yīng)力分析單晶體在外力作用下開始滑移時(shí)，必須是滑移面上沿滑移方向剪應(yīng)力到達(dá)一定值時(shí)。試驗(yàn)研究證實(shí)，不一樣取向單晶體，其臨界剪應(yīng)力是完全相同22/68單晶體屈服極限不是定值，它是晶體位向函數(shù)，這是和多晶體不一樣之處。當(dāng)單晶體滑移系處于有利位向時(shí)，易于產(chǎn)生滑移，稱為軟取向。當(dāng)單晶體滑移系處于不利位向時(shí)，難于進(jìn)行滑移，稱為硬取向23/68四、滑移實(shí)質(zhì)晶體滑移是在剪應(yīng)力作用下經(jīng)過滑移面上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行?；泼嫔显邮侵鹨灰苿?dòng)，而不是整個(gè)原子層同時(shí)移動(dòng)。位錯(cuò)最基本形式有刃型位錯(cuò)和螺旋位錯(cuò)

24/68刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成晶體滑移變形示意25/68螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成晶體滑移變形示意26/68晶體轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移面彎曲鋅單晶體拉伸變形和壓縮變形情況27/68五、雙晶（孿晶）單晶體塑性變形另一個(gè)方式叫雙晶，又叫孿晶。單晶體在剪應(yīng)力作用下，晶體一部分對應(yīng)一定晶面（雙晶面），沿一定方向，進(jìn)行相對移動(dòng)。結(jié)果使晶體變形部分與未變形部分以雙晶面為對稱面相互對稱。28/68面心立方晶體孿生變形示意29/68發(fā)生孿晶臨界剪應(yīng)力要比發(fā)生滑移臨界剪應(yīng)力大得多。只有在滑移難以進(jìn)行條件下，晶體才能發(fā)生孿晶變形。孿晶也造成晶格畸變

30/68位錯(cuò)理論一、柏矢矢量和位錯(cuò)環(huán)二、位錯(cuò)攀移三、位錯(cuò)交割四、位錯(cuò)源和位錯(cuò)增殖五、交滑移六、位錯(cuò)塞積七、位錯(cuò)密度31/684.2.2多晶體塑性變形32/68基本概念1)冷成形(coldworking)—冷塑性成形、冷變形

金屬在回復(fù)、再結(jié)晶溫度以下一個(gè)成形方法，通常在變形過程中會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)密度上升、發(fā)生加工硬化現(xiàn)象。

33/682)熱成形(hotworking)—熱塑性成形、熱變形金屬在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行成形方法，通常變形過程材料軟化占優(yōu)勢。溫變形：若在靜態(tài)再結(jié)晶溫度以下變形，則既發(fā)生回復(fù)，也發(fā)生變形硬化。34/683)加工硬化(workhardeningorstrainhardening)—應(yīng)變硬化

金屬在低于再結(jié)晶溫度時(shí)，因?yàn)樗苄詰?yīng)變而產(chǎn)生塑性降低、強(qiáng)度和硬度增加現(xiàn)象。

反應(yīng)在物理化學(xué)性能上改變是：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、抗腐蝕性勻降低。

35/684）靜態(tài)回復(fù)也稱回復(fù)當(dāng)加熱溫度不高時(shí)，晶體內(nèi)只有間隙原子和空位運(yùn)動(dòng)。這時(shí)變形金屬晶粒外形無顯著改變，仍呈纖維狀，只消除了晶格畸變，其機(jī)械性能幾乎無改變，物理化學(xué)性能則大部分恢復(fù)。伴隨溫度升高，原子含有了較大活動(dòng)能力，位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng)。實(shí)質(zhì)上是原子從高能態(tài)混亂排列向低能態(tài)規(guī)則排列轉(zhuǎn)變過程，結(jié)果是晶體內(nèi)應(yīng)力大大下降，強(qiáng)度稍有下降，塑性稍有提升。36/68回復(fù)在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，即低溫退火。比如冷變形零件因?yàn)榇嬖趦?nèi)應(yīng)力，以后工作時(shí)輕易因工作應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力迭加而斷裂。又如精密零件因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力長久作用易引發(fā)尺寸不穩(wěn)定。再如導(dǎo)電材料冷變形后，取得了必要強(qiáng)度，但電阻率顯著增大，也可采取低溫退火，恢復(fù)其導(dǎo)電性又保持其強(qiáng)度。37/685）靜態(tài)再結(jié)晶也稱再結(jié)晶變形金屬加熱到較高溫度時(shí)，因?yàn)樵尤〉昧烁蠡顒?dòng)能力，首先在變形晶粒晶界或滑移帶、巒晶帶等變形猛烈地域產(chǎn)生晶核，即為一些原子規(guī)則排列小晶塊，然后晶核逐步長大，成為含有正常晶格新晶粒，新晶粒長大到彼此邊界相遇，過程結(jié)束，這一生核、長大過程稱為再結(jié)晶。影響再結(jié)晶過程原因主要有：加熱溫度、保溫時(shí)間、變形程度、原始晶粒度、金屬化學(xué)成份。38/686）動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(dynamicrecoveryanddynamic

re-crystallization)

熱塑性成形中發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶。

7）擴(kuò)散蠕變(diffusioncreep)

在應(yīng)力場作用下，由空位定向移動(dòng)引發(fā)變形。39/684.2.2塑性變形機(jī)理1）冷塑性變形機(jī)理

多晶體塑性變形包含晶內(nèi)變形和晶界變形（晶間變形）兩種。在冷態(tài)條件下，因?yàn)榫Ы鐝?qiáng)度高于晶內(nèi)，多晶體塑性變形主要是晶內(nèi)變形，晶間變形只起次要作用。40/68

晶內(nèi)變形方式有滑移和孿生。因?yàn)榛扑枧R界切應(yīng)力小于孿生所需臨界切應(yīng)力，故多晶體塑性變形主要方式是滑移變形，孿生變形是次要，普通僅起調(diào)整作用。對于密排六方金屬，孿生變形起著主要作用。

41/68多晶體晶內(nèi)變形雖和單晶體一樣是滑移和孿生。但多晶體包含大量晶粒,這些晶粒彼此位向不一樣,在外力作用下,并非處于相同塑性變形條件下.如圖,在壓力作用下,晶粒a和b處于和作用力約成45°有利位向,而晶粒c則處于和作用力約成90°不利位向,所以塑性變形首先在處于有利位向a、b晶粒上開始。42/68晶間變形主要方式是相鄰晶粒相互滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。和單晶體一樣，多晶體中各個(gè)晶粒在滑移時(shí)滑動(dòng)面也要發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這便是引發(fā)相鄰晶粒相互轉(zhuǎn)動(dòng)原因。43/68粗晶粒板料在沖壓變形后，因?yàn)榫Я０l(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，沖壓件表面顯示了凹凸不平（細(xì)晶粒板料不易看出來），即所謂“拮皮”現(xiàn)象。44/68晶體滑移過程，實(shí)質(zhì)上是位錯(cuò)移動(dòng)和增殖過程。因?yàn)樵谶@個(gè)過程中位錯(cuò)交互作用，位錯(cuò)反應(yīng)和相互交割加劇，產(chǎn)生固定割階、位錯(cuò)纏結(jié)等障礙，使位錯(cuò)難以越過這些障礙。要使金屬繼續(xù)變形，就需要不停增加外力，便產(chǎn)生了加工硬化。

45/68冷塑性變形時(shí)，多晶體主要是晶內(nèi)滑移變形;實(shí)質(zhì)上是位錯(cuò)移動(dòng)和增殖過程;因?yàn)槲诲e(cuò)交互作用,塑性變形時(shí)產(chǎn)生了加工硬化。

46/682）熱塑性變形機(jī)理

變形機(jī)理主要有：晶內(nèi)滑移與孿生、晶界滑移和擴(kuò)散蠕變。高溫時(shí)原子間距加大，熱振動(dòng)和擴(kuò)散速度增加，位錯(cuò)滑移、攀移、交滑移及結(jié)點(diǎn)脫錨比低溫輕易；滑移系增多，滑移靈便性提升，各晶粒之間變形愈加協(xié)調(diào)；晶界對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)妨礙作用減弱。但其主要機(jī)理依然是晶內(nèi)滑移。

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熱塑性變形時(shí)，因?yàn)榫Ы鐝?qiáng)度降低，使得晶界滑動(dòng)易于進(jìn)行；

溫度越高，原子動(dòng)能和擴(kuò)散能力就越大，擴(kuò)散蠕變既直接為塑性變形作貢獻(xiàn)，也對晶界滑移其調(diào)整作用。

48/68熱塑性變形主要機(jī)理依然是晶內(nèi)滑移；因?yàn)榫Ы缁瑒?dòng)和擴(kuò)散蠕變作用增加，再加之變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶。所以，熱態(tài)下金屬塑性變形能力比冷態(tài)下高，變形抗力較低。

49/684.2.3塑性變形對組織與性能影響

a、冷塑性變形對組織和性能影響

1）對金屬組織影響

（1）在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶和孿生帶等組織

（2）形成了纖維組織

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冷加工變形后，金屬晶粒形狀發(fā)生了改變，改變趨勢大致與金屬宏觀變形一致。軋制變形時(shí)，原等軸晶粒沿變形方向伸長。變形程度大時(shí)，晶粒展現(xiàn)為一片如纖維狀條紋，稱為纖維組織。當(dāng)有夾雜或第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，則它們會(huì)沿變形方向拉長成細(xì)帶狀或粉碎成鏈狀。

51/68（3）變形織構(gòu)

多晶體塑性變形時(shí)伴伴隨晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量很大時(shí)，多晶體中原為任意取向各個(gè)晶粒，會(huì)逐步調(diào)整其取向而彼此趨于一致，這種因?yàn)樗苄宰冃味咕Я：袚駜?yōu)取向組織，稱為“變形織構(gòu)”。

52/68<100>絲織構(gòu)示意圖a）拉拔前b）拉拔后其特征是各個(gè)晶粒某一晶向趨于與最大主應(yīng)變方向平行。因?yàn)樾纬闪俗冃慰棙?gòu)，使金屬和合金機(jī)械性能和物理性能顯著地出現(xiàn)各向異性。53/68<110>板織構(gòu)示意a)軋制前b）軋制后其特征是各個(gè)晶粒某一晶向趨于與軋制方向平行，而某一晶面趨于與軋制方向平行54/68深沖用銅板，在90%軋制變形及800℃退火后，得到再結(jié)晶織構(gòu)，此時(shí)順軋向及垂直軋向延伸率均為40%，而與軋向成45°<110>方向，延伸率為75%，使沖出工件厚薄不均，出現(xiàn)“制耳”因板織構(gòu)所造成“制耳”a)無制耳b)有制耳55/68有些場所，織構(gòu)存在是有利。如電器上使用硅鋼片，要求沿其磁化<100>方向形成織構(gòu)，采取適當(dāng)冷軋和退火工藝，能夠取得高導(dǎo)磁性(100)[001]織構(gòu)硅鋼片。56/68（4）晶粒內(nèi)產(chǎn)生胞狀亞結(jié)構(gòu)

塑性變形主要是借位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行。經(jīng)大變形后，位錯(cuò)密度可從退火狀態(tài)106～107cm-2增加到1011～1012cm-2。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及交互作用結(jié)果，其分布是不均勻。它們先是比較紛亂地糾纏成群，形成“位錯(cuò)纏結(jié)”。假如變形量增大，就形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。

57/682）對金屬性能影響

伴隨變形程度增加，

其機(jī)械性能：金屬強(qiáng)度、硬度增加，而塑性、韌性降低；

其物理化學(xué)性能：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、抗腐蝕性均降低。

58/68b、熱塑性變形對組織和性能影響

1）對組織影響

（1）改進(jìn)晶粒組織，細(xì)化晶粒

對于鑄態(tài)金屬，粗大樹枝狀晶經(jīng)塑性變形及再結(jié)晶而變成等軸（細(xì)）晶粒組織；對于經(jīng)軋制、鑄造或擠壓鋼坯或型材，在以后熱加工中經(jīng)過塑性變形與再結(jié)晶，其晶粒組織普通也可得到改進(jìn)。

59/68（2）鍛合內(nèi)部缺點(diǎn)

鑄態(tài)金屬中疏松、空隙和微裂紋等缺點(diǎn)被壓實(shí)，提升金屬致密度。宏觀缺點(diǎn)鍛合經(jīng)歷兩個(gè)階段：缺點(diǎn)區(qū)發(fā)生塑性變形，使空隙兩壁閉合；在壓應(yīng)力作用下，加上高溫，使金屬焊合成一體。沒有足夠大變形，不能實(shí)現(xiàn)空隙閉合，極難到達(dá)宏觀缺點(diǎn)焊合。

足夠大三向壓應(yīng)力，能實(shí)現(xiàn)微觀缺點(diǎn)鍛合。

60/68（3）形成纖維組織

在熱變形過程中，隨變形程度增加，鋼錠內(nèi)粗大樹枝晶沿主變形方向伸長，與此同時(shí)，晶間富集雜質(zhì)和非金屬夾雜物走向也逐步與主變形方向一致，形成流線。因?yàn)樵俳Y(jié)晶結(jié)果，被拉長晶粒變成細(xì)小等軸晶，而流線卻很穩(wěn)定地保留下來直至室溫。61/68鋼錠鑄造過程中纖維組織形成示意62/68（4）破碎改進(jìn)碳化物和非金屬夾雜在鋼中分布

高速鋼、高鉻鋼、高碳工具鋼等，其內(nèi)部含有大量碳化物。