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材料成形技術基礎（塑性成形部分）機械工程學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,目標任務和主要內(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

——應力場

成形力、功大小是正確選取設備和設計模具依據(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)金屬變形特點和流動規(guī)律

—位移場、應變場、速度場

研究金屬變形特點和流動規(guī)律是合理選擇原始毛坯、設計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動共同產(chǎn)生。對于要得到零件，采取什么工藝，形狀信息分幾個階段輸入，對應模具結(jié)構(gòu)和形狀參數(shù)怎樣確定、設備系統(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課程目標和任務

研究和探討金屬在各種塑性加工中可遵照基礎理論和規(guī)律；科學、重點地說明這些基礎和規(guī)律，為合理制訂塑性成形工藝規(guī)范，選擇設備，設計模具以及后續(xù)課程學習奠定理論基礎。9/684.1.3課程主要內(nèi)容

1）金屬塑性變形物理基礎

從微觀上研究金屬冷、熱塑性變形機理；研究冷熱塑性變形對材料組織和性能影響；10/682）塑性變形力學基礎金屬變形體內(nèi)應力場、應變場；求解塑性成形問題基本方程；應力-應變關系—增量與全量理論；塑性變形力學條件—屈服準則；真實應力-應變曲線—本構(gòu)關系；力學問題求解舉例—主應力法。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，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；錘上模鍛與壓力機上模鍛區(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)則周期性重復排列固體。而非晶體則不具備這一特點，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結(jié)點上。晶格：描述晶體內(nèi)原子排列形式空間格子，簡稱晶格。晶胞：晶體中能反應晶格特征最基本幾何單元。晶格常數(shù)(點陣常數(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。單晶體因為不一樣晶面和晶向上原子排列不一樣，使原子密度和原子間結(jié)協(xié)力強弱不一樣，因而在不一樣方向上其機械、物理和化學性能不一樣，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。因為多晶體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實際金屬晶體中，原子以晶格結(jié)點為中心不停地作熱振動，原子規(guī)則排列因為種種原因受到干擾和破壞，存在一系列缺點。按其幾何形態(tài)分三種：1、點缺點：包含空位、間隙原子和置換原子等。空位和間隙原子遷移運動，是晶體中發(fā)生原子擴散一個主要方式。2、線缺點：各種類型位錯是晶體線缺點，也就是位錯是晶體中在長度范圍內(nèi)存在微觀缺點。3、面缺點:晶體內(nèi)表面缺點主要有(1)堆垛層錯;(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。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、滑移系通常每一個晶格有幾個可能產(chǎn)生滑移晶面，即同時存在幾個滑移系；而每一個滑移面，又同時存在幾個滑移方向。一個滑移面和其上一個滑移方向，組成一個滑移系。21/68三、臨界剪應力單晶體滑移時應力分析單晶體在外力作用下開始滑移時，必須是滑移面上沿滑移方向剪應力到達一定值時。試驗研究證實，不一樣取向單晶體，其臨界剪應力是完全相同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。當單晶體滑移系處于有利位向時，易于產(chǎn)生滑移，稱為軟取向。當單晶體滑移系處于不利位向時，難于進行滑移，稱為硬取向23/68四、滑移實質(zhì)晶體滑移是在剪應力作用下經(jīng)過滑移面上位錯運動進行?；泼嫔显邮侵鹨灰苿?，而不是整個原子層同時移動。位錯最基本形式有刃型位錯和螺旋位錯

24/68刃型位錯運動造成晶體滑移變形示意25/68螺型位錯運動造成晶體滑移變形示意26/68晶體轉(zhuǎn)動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方式叫雙晶，又叫孿晶。單晶體在剪應力作用下，晶體一部分對應一定晶面（雙晶面），沿一定方向，進行相對移動。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)生孿晶臨界剪應力要比發(fā)生滑移臨界剪應力大得多。只有在滑移難以進行條件下，晶體才能發(fā)生孿晶變形。孿晶也造成晶格畸變

30/68位錯理論一、柏矢矢量和位錯環(huán)二、位錯攀移三、位錯交割四、位錯源和位錯增殖五、交滑移六、位錯塞積七、位錯密度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、再結(jié)晶溫度以下一個成形方法，通常在變形過程中會出現(xiàn)位錯密度上升、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，也發(fā)生變形硬化。34/683)加工硬化(workhardeningorstrainhardening)—應變硬化

金屬在低于再結(jié)晶溫度時，因為塑性應變而產(chǎn)生塑性降低、強度和硬度增加現(xiàn)象。

反應在物理化學性能上改變是：導電性、導熱性、抗腐蝕性勻降低。

35/684）靜態(tài)回復也稱回復當加熱溫度不高時，晶體內(nèi)只有間隙原子和空位運動。這時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，其機械性能幾乎無改變，物理化學性能則大部分恢復。伴隨溫度升高，原子含有了較大活動能力，位錯開始運動。實質(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)應力大大下降，強度稍有下降，塑性稍有提升。36/68回復在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應用，即低溫退火。比如冷變形零件因為存在內(nèi)應力，以后工作時輕易因工作應力與內(nèi)應力迭加而斷裂。又如精密零件因為內(nèi)應力長久作用易引發(fā)尺寸不穩(wěn)定。再如導電材料冷變形后，取得了必要強度，但電阻率顯著增大，也可采取低溫退火，恢復其導電性又保持其強度。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，因為原子取得了更大活動能力，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、保溫時間、變形程度、原始晶粒度、金屬化學成份。38/686）動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶(dynamicrecoveryanddynamic

re-crystallization)

熱塑性成形中發(fā)生回復與再結(jié)晶。

7）擴散蠕變(diffusioncreep)

在應力場作用下，由空位定向移動引發(fā)變形。39/684.2.2塑性變形機理1）冷塑性變形機理

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，因為晶界強度高于晶內(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。因為滑移所需臨界切應力小于孿生所需臨界切應力，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和轉(zhuǎn)動。和單晶體一樣，多晶體中各個晶粒在滑移時滑動面也要發(fā)生轉(zhuǎn)動，這便是引發(fā)相鄰晶粒相互轉(zhuǎn)動原因。43/68粗晶粒板料在沖壓變形后，因為晶粒發(fā)生了轉(zhuǎn)動，沖壓件表面顯示了凹凸不平（細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，實質(zhì)上是位錯移動和增殖過程。因為在這個過程中位錯交互作用，位錯反應和相互交割加劇，產(chǎn)生固定割階、位錯纏結(jié)等障礙，使位錯難以越過這些障礙。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，多晶體主要是晶內(nèi)滑移變形;實質(zhì)上是位錯移動和增殖過程;因為位錯交互作用,塑性變形時產(chǎn)生了加工硬化。

46/682）熱塑性變形機理

變形機理主要有：晶內(nèi)滑移與孿生、晶界滑移和擴散蠕變。高溫時原子間距加大，熱振動和擴散速度增加，位錯滑移、攀移、交滑移及結(jié)點脫錨比低溫輕易；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)；晶界對位錯運動妨礙作用減弱。但其主要機理依然是晶內(nèi)滑移。

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熱塑性變形時，因為晶界強度降低，使得晶界滑動易于進行；

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

48/68熱塑性變形主要機理依然是晶內(nèi)滑移；因為晶界滑動和擴散蠕變作用增加，再加之變形時會產(chǎn)生動態(tài)回復和再結(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，原等軸晶粒沿變形方向伸長。變形程度大時，晶粒展現(xiàn)為一片如纖維狀條紋，稱為纖維組織。當有夾雜或第二相質(zhì)點時，則它們會沿變形方向拉長成細帶狀或粉碎成鏈狀。

51/68（3）變形織構(gòu)

多晶體塑性變形時伴伴隨晶粒轉(zhuǎn)動，當變形量很大時，多晶體中原為任意取向各個晶粒，會逐步調(diào)整其取向而彼此趨于一致，這種因為塑性變形而使晶粒含有擇優(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晶粒某一晶向趨于與最大主應變方向平行。因為形成了變形織構(gòu)，使金屬和合金機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)，采取適當冷軋和退火工藝，能夠取得高導磁性(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運動而進行。經(jīng)大變形后，位錯密度可從退火狀態(tài)106～107cm-2增加到1011～1012cm-2。位錯運動及交互作用結(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，

其機械性能：金屬強度、硬度增加，而塑性、韌性降低；

其物理化學性能：導電性、導熱性、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）改進晶粒組織，細化晶粒

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）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。

59/68（2）鍛合內(nèi)部缺點

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

足夠大三向壓應力，能實現(xiàn)微觀缺點鍛合。

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，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。因為再結(jié)晶結(jié)果，被拉長晶粒變成細小等軸晶，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。