先進(jìn)成形與智能技術(shù) 課件 3.1 塑性變形基礎(chǔ)

先進(jìn)成形與智能技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造金屬塑性加工金屬塑性加工指固態(tài)金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的毛坯或零件的生產(chǎn)方法。6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造金屬塑性加工基本方法外力為靜壓力；軋制、擠壓和拉拔主要用于生產(chǎn)型材、板材、線材、帶材等軋制：使金屬坯料在旋轉(zhuǎn)軋輥的壓力作用下，產(chǎn)生連續(xù)塑性變形，改變其性能，獲得所要求的截面形狀的加工方法。擠壓：將金屬坯料置于擠壓筒中加壓，使其從擠壓模的?？字袛D出，橫截面積減小，獲得所需制品的加工方法。拉拔：坯料在牽引力作用下通過拉拔模的?？桌?，產(chǎn)生塑性變形，得到截面細(xì)小、長度增加的制品的加工方法，拉拔一般是在冷態(tài)下進(jìn)行。軋制擠壓拉拔6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造自由鍛：用簡(jiǎn)單的通用性工具，或在鍛造設(shè)備的上、下砧間，使坯料受沖擊力作用而變形，獲得所需形狀鍛件的加工方法。模鍛：利用模具使金屬坯料在模膛內(nèi)受沖擊力或壓力作用，產(chǎn)生塑性變形而獲得鍛件的加工方法。板料沖壓：用沖模使板料經(jīng)分離或成形得到制件的加工方法。自由鍛、模鍛和板料沖壓總稱鍛壓，外力為沖擊力，主要用于生產(chǎn)毛坯或零件。金屬塑性加工基本方法6.1塑性變形基礎(chǔ)自由鍛模鍛板料沖壓戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造金屬塑性加工特點(diǎn)(2)節(jié)約金屬材料如熱軋鉆頭、齒輪、齒圈及冷軋絲杠時(shí)節(jié)省了切削加工設(shè)備和材料的消耗。(1)改善金屬組織、提高力學(xué)性能鍛壓的同時(shí)可消除鑄造缺陷，均勻成分，從而提高鍛件的力學(xué)性能。(3)較高的生產(chǎn)率如在生產(chǎn)六角螺釘時(shí)采用模鍛成形就比切削加工效率約高50倍。(4)鍛壓主要生產(chǎn)承受重載荷零件的毛坯，如機(jī)器中主軸、齒輪等。鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性要求高，難以鍛造形狀復(fù)雜的毛坯和零件。鍛件的尺寸精度低，對(duì)于高精度要求的零件，還需經(jīng)過切削加工來滿足要求。6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造外力金屬產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力迫使原子離開平衡位置，導(dǎo)致原子內(nèi)能升高。而處于高位能的原子，時(shí)刻有回到平衡位置的傾向。彈性變形外力停止作用，原子回到其原始位置，變形消失。塑性變形當(dāng)外力超過該金屬的屈服強(qiáng)度，外力消失，而變形并不消失。室溫下，單晶體的塑性變形主要是通過滑移和孿生進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)表明晶體只有在切應(yīng)力的作用下才會(huì)發(fā)生塑性變形。6.1塑性變形基礎(chǔ)金屬材料通常情況下都是由無數(shù)小晶粒構(gòu)成的多晶體戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1、滑移實(shí)驗(yàn)表明對(duì)滑移真正有貢獻(xiàn)的是在滑移面上沿滑移方向上的分切應(yīng)力，只有當(dāng)這個(gè)分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值后，滑移過程才能開始進(jìn)行，這時(shí)的分切應(yīng)力就稱為臨界分切應(yīng)力。

晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)叫滑移。發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。單晶體金屬塑性變形6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系?；葡凳疽鈭D單晶體金屬塑性變形易變形難變形面心立方晶格體心立方晶格密排六方晶格三種典型金屬晶格的滑移系6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造滑移面整體剛性滑移單晶體在切應(yīng)力作用下的滑移變形示意圖ττ單晶體金屬塑性變形（a）未變形（b）彈性變形（c）彈塑性變形（d）塑性變形6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造單晶體金屬塑性變形（a）未變形（b）（c）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（d）塑性變形位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起塑性變形示意圖位錯(cuò)中心附近極少量原子微量移動(dòng)刃型位錯(cuò)6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2、孿生單晶體金屬塑性變形孿晶組織孿生使晶體位向發(fā)生改變，原處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠?，進(jìn)一步滑移。孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面。孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱。6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造

多晶體的塑性變形是單個(gè)晶粒內(nèi)滑移與孿生和晶粒間滑移與轉(zhuǎn)動(dòng)的綜合作用的結(jié)果。多晶體多晶體晶粒逐批滑移示意圖金屬晶粒越細(xì)小，晶界越多，強(qiáng)度和塑性越好。多晶體金屬塑性變形晶界晶粒6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造冷加工對(duì)金屬組織的影響(1)晶粒拉長，晶界變得模糊不清。(2)晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形達(dá)到一定程度，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)。(3)晶粒與晶格的扭曲，出現(xiàn)殘余內(nèi)應(yīng)力。(4)位錯(cuò)密度增加，晶粒破碎為亞晶粒。6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造加工硬化（形變強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化）：隨變形量的增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。RmHBδψ對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）延展性材料脆性材料應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造式中：——以熱力學(xué)溫度表示的金屬回復(fù)溫度，K；

——以熱力學(xué)溫度表示的金屬熔化溫度，K。原子僅能作短距離擴(kuò)散，使空位和間隙原子合并，空位與位錯(cuò)發(fā)生交互作用而消失，使晶格畸變減輕，殘余應(yīng)力顯著下降隨著加熱的溫度不同，金屬組織大致分為三個(gè)階段變化：回復(fù)、再結(jié)晶與晶粒長大。

(1)回復(fù)加工硬化后的金屬，在加熱到一定溫度后，原子獲得熱能，使原子得以恢復(fù)正常排列消除了晶格扭曲，加工硬化得到部分消除，其顯微組織無可見變化。這一過程稱為“回復(fù)”，這時(shí)的溫度稱為回復(fù)溫度，即：6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造在晶界處，晶格畸變嚴(yán)重而處于高能量狀態(tài)，最容易形核的地方。再結(jié)晶形成的等軸晶粒的晶格類型與原來變形了的晶粒的晶格類型完全一致，再結(jié)晶過程中沒有發(fā)生相變。對(duì)沒有發(fā)生塑性變形的金屬進(jìn)行加熱，是不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象的。

(2)再結(jié)晶當(dāng)加熱溫度繼續(xù)升高時(shí)，原子的擴(kuò)散能力增大，金屬內(nèi)通過形核和長大過程，使晶粒的外形開始發(fā)生變化，從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒，從而消除了殘余應(yīng)力和加工硬化現(xiàn)象，金屬的組織和性能盡可能復(fù)原到加工前的狀態(tài)。這個(gè)過程稱為再結(jié)晶，這時(shí)的溫度稱為最低再結(jié)晶溫度，即：式中：——以熱力學(xué)溫度表示的金屬回復(fù)溫度，K；6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造

(2)晶粒長大塑性變形的金屬經(jīng)再結(jié)晶后，一般都得到細(xì)小均勻的等軸晶粒，但如繼續(xù)升高溫度或延長保溫時(shí)間，則再結(jié)晶后形成的新晶粒又會(huì)逐漸長大。晶粒長大是一個(gè)自發(fā)過程，可使晶界減少，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)晶粒的邊界向另一個(gè)晶粒中遷移，把另一個(gè)晶粒中晶格的位向逐步改變成為與這個(gè)晶粒相同的位向。于是，另一個(gè)晶粒便逐步被這個(gè)晶?！巴滩ⅰ倍铣梢粋€(gè)大晶粒。

（a）（b）（c）晶粒長大示意圖6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造當(dāng)金屬在高溫下受力變形時(shí)，加工硬化和再結(jié)晶過程同時(shí)存在。由于變形中的加工硬化隨時(shí)都被再結(jié)晶過程所消除，所以變形后沒有加工硬化現(xiàn)象。加工硬化的金屬在在加熱時(shí)組織和性能變化示意圖6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造熱加工：熱鍛、熱軋、熱擠壓、熱拔冷加工：冷鐓、冷軋、冷擠壓、冷沖、切削熱加工：在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工。加工硬化、回復(fù)、再結(jié)晶。冷加工：在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形加工。發(fā)生加工硬化。金屬塑性變形加工方法熱加工和冷加工不是根據(jù)變形時(shí)是否加熱來區(qū)分，而是根據(jù)變形溫度處于金屬的再結(jié)晶溫度以上還是以下來劃分的。熱加工冷加工6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1、晶粒細(xì)化、提高致密度2、帶狀組織：雜質(zhì)呈細(xì)帶狀或鏈狀分布3、纖維組織纖維組織當(dāng)鑄錠在產(chǎn)生塑性變形時(shí)，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布雜質(zhì)形狀都發(fā)生了變形，它們將沿著變形方向被拉長，呈纖維形狀。被拉長的呈纖維狀的晶粒組織稱為纖維組織。熱加工影響6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造縱向（平行于纖維方向）：塑、韌性增加；橫向（垂直于纖維方向）：韌、塑性降低，

但抗剪切能力顯著增強(qiáng)。纖維組織合理分布原則：

零件最大拉應(yīng)力方向應(yīng)與纖維方向平行；

零件最大剪切應(yīng)力方向應(yīng)與纖維方向垂直；

零件外形輪廓應(yīng)與纖維的分布相符合而不被切斷。各向異性：變形后6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造螺釘?shù)睦w維組織比較（a）用棒料直接切削成螺釘；（b）用局部鐓粗方法制成的螺釘毛坯。曲軸的纖維組織比較（a）切削加工制成的曲軸；（b）用鍛造方法制成的曲軸毛坯。6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造在實(shí)際生產(chǎn)中，熱加工與冷加工相比也有不足之處①熱加工需要加熱，不如冷加工簡(jiǎn)單易行。②熱加工制品的組織與性能不如冷加工均勻和易于控制。③熱加工制品不如冷加工制品尺寸精確，表面粗糙度值大。④對(duì)于薄或細(xì)的加工制品，由于降溫快，尺寸精度差，不宜采用熱加工。6.1塑性變形基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造(1)噴丸強(qiáng)化

由于金屬材料塑性變形后強(qiáng)度提高，同時(shí)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，因此在齒輪、彈簧等零件生產(chǎn)過程中采用噴丸處理，即用高速氣流把細(xì)小的鐵砂或陶瓷細(xì)粒噴射到零件表面，零件表面強(qiáng)度、硬度提高，同時(shí)產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，可提高疲勞強(qiáng)度。

(2)滾壓或輾壓滾壓或輾壓形變加工一般是零件完成基本加工工序后，借助于適當(dāng)?shù)墓ぞ?，通過在工件表面施加一定的壓力，使加工后的工件表面產(chǎn)生不同程度的壓應(yīng)力，用來提高工件強(qiáng)度的工藝方法。工程上常