第一章 金屬塑性變形

1、第第 三三 篇篇概概 述述一、塑性加工的實質(zhì)：金屬材料在外力作用下，發(fā)生一、塑性加工的實質(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(jī)械性能的原塑性變形，獲得所要求的形狀、尺寸、機(jī)械性能的原材料毛坯或零件的加工方法。材料毛坯或零件的加工方法。u塑性加工的適用材料：塑性加工的適用材料： 各類鋼各類鋼 大多數(shù)非鐵金屬及其合金大多數(shù)非鐵金屬及其合金 金屬變形過程：金屬變形過程：金屬材料在外力作用下發(fā)生彈性變形金屬材料在外力作用下發(fā)生彈性變形當(dāng)外力超過一定值后產(chǎn)生塑性變形當(dāng)外力超過一定值后產(chǎn)生塑性變形外力繼續(xù)加大，發(fā)生斷裂外力繼續(xù)加大，發(fā)生斷裂二、塑性加工的主要生產(chǎn)方式：二、塑性加

2、工的主要生產(chǎn)方式： 1.軋制；軋制；2. 擠壓；擠壓； 3. 拉拔；拉拔；4.鍛造；鍛造； 5. 板料沖壓板料沖壓. 扎制擠壓拉拔靜壓力自由鍛模鍛沖壓沖擊力壓力加工分類軋三、塑性成形特點(diǎn)：三、塑性成形特點(diǎn)：1.能改善金屬的組織，力學(xué)性能高；能改善金屬的組織，力學(xué)性能高；2.可提高材料利用率；可提高材料利用率；3.加工精度較高，生產(chǎn)率較高。加工精度較高，生產(chǎn)率較高。兩不加工：兩不加工：脆性材料脆性材料復(fù)雜形狀復(fù)雜形狀 軋制、擠壓、拉拔軋制、擠壓、拉拔 金屬型材、板材、鋼材、線材等；金屬型材、板材、鋼材、線材等；自由鍛、模鍛自由鍛、模鍛 承受重載的機(jī)械零件，如機(jī)器主軸、承受重載的機(jī)械零件，如機(jī)器主

3、軸、 重要齒輪、連桿、炮管、槍管等；重要齒輪、連桿、炮管、槍管等；板料沖壓板料沖壓 汽車制造、電器、儀表及日用品。汽車制造、電器、儀表及日用品。金屬在外力作用下產(chǎn)生金屬在外力作用下產(chǎn)生塑塑性變形性變形的實質(zhì)是晶體內(nèi)部的實質(zhì)是晶體內(nèi)部的原子產(chǎn)生滑移。的原子產(chǎn)生滑移。1. 單晶體金屬的塑性變形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(jìn)行。單晶體的塑性變形主要通過滑移進(jìn)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圖：單晶體滑移變形示意圖 滑移面整體剛性滑移u滑移變形具有以下特點(diǎn)：滑移變形具有以下特點(diǎn)：滑移：就是晶體的一部分相對與另一部分沿一定晶滑移：

4、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；面發(fā)生相對的位移； 產(chǎn)生的變形稱為滑移變形。產(chǎn)生的變形稱為滑移變形。1）切應(yīng)力引起滑移；）切應(yīng)力引起滑移；2）滑移面在密）滑移面在密排面滑移方向排面滑移方向沿著密排面方沿著密排面方向進(jìn)行，滑移向進(jìn)行，滑移距離為原子間距離為原子間距的整數(shù)倍。距的整數(shù)倍。原因：晶體內(nèi)部的各種缺陷（特別是位錯）的運(yùn)動更原因：晶體內(nèi)部的各種缺陷（特別是位錯）的運(yùn)動更容易產(chǎn)生滑移，而且位錯運(yùn)動所需切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛?cè)菀桩a(chǎn)生滑移，而且位錯運(yùn)動所需切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛性的整體滑移所需的切應(yīng)力。當(dāng)位錯運(yùn)動到晶體表面性的整體滑移所需的切應(yīng)力。當(dāng)位錯運(yùn)動到晶體表面時，晶體就產(chǎn)生了

5、塑性變形。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。滑移實際晶體內(nèi)部存在大量缺陷。滑移通過通過位錯位錯在滑移面上的運(yùn)動來實現(xiàn)。在滑移面上的運(yùn)動來實現(xiàn)。(2)、滑移的機(jī)理、滑移的機(jī)理圖：晶體中通過位錯運(yùn)動而造成滑移的示意圖圖：晶體中通過位錯運(yùn)動而造成滑移的示意圖未變形 位錯運(yùn)動 塑性變形1. 對組織結(jié)構(gòu)的影響對組織結(jié)構(gòu)的影響1）引起晶粒變形，晶粒沿最大變形方向伸長；）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；）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。）造成晶粒破碎，產(chǎn)生碎晶。 圖：變形前后晶粒形狀變化示意圖圖：變

6、形前后晶粒形狀變化示意圖u形成纖維組織形成纖維組織結(jié)果：使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。結(jié)果：使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。表現(xiàn)：表現(xiàn)：定義：金屬在變形過程中，定義：金屬在變形過程中，晶粒形狀和沿晶界分布的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)在鋼料中的定向分布雜質(zhì)在鋼料中的定向分布狀態(tài)稱為鋼料鍛造時的纖狀態(tài)稱為鋼料鍛造時的纖維組織（流線）。維組織（流線）。 a縱向（平行纖維方向），塑韌性、強(qiáng)度提高縱向（平行纖維方向），塑韌性、強(qiáng)度提高 b橫向（垂直纖維方向），抗剪強(qiáng)度提高橫向（垂直纖維方向），抗剪強(qiáng)度提高 特點(diǎn)特點(diǎn)：纖維組織很穩(wěn)定，熱處理、再鍛均不能消除，纖維組織很穩(wěn)定，熱處理、再鍛均不能消除， 只能改變分布。只

7、能改變分布。2. 對性能的影響對性能的影響1）產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象）產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象結(jié)果：金屬的強(qiáng)度、硬度提結(jié)果：金屬的強(qiáng)度、硬度提 高，塑性、韌性下降。高，塑性、韌性下降。020406080%變形程度36032028024020016012080407006005004003002001000220180160140120延 伸率 %沖 擊韌度/J cm-2HB強(qiáng)度極 限/MPa強(qiáng) 度 極 限布 氏硬度延 伸率 %沖擊 韌度 圖：常溫下塑性變形對低碳鋼力學(xué)性能的影響圖：常溫下塑性變形對低碳鋼力學(xué)性能的影響產(chǎn)生加工硬化原因：產(chǎn)生加工硬化原因：(1) 位錯密度隨變形量增位錯密度隨變形量增加而增加，從

8、而使變形加而增加，從而使變形抗力增大。抗力增大。(2) 隨變形量增加，亞結(jié)隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化，亞晶界對位錯構(gòu)細(xì)化，亞晶界對位錯運(yùn)動有阻礙作用。運(yùn)動有阻礙作用。(3) 隨變形量增加，空位隨變形量增加，空位密度增加。密度增加。(4) 幾何硬化。由于塑性幾何硬化。由于塑性變形時晶粒方位的轉(zhuǎn)動，變形時晶粒方位的轉(zhuǎn)動，使各晶粒由有利位向轉(zhuǎn)使各晶粒由有利位向轉(zhuǎn)到不利位向，因而變形到不利位向，因而變形抗力增大?？沽υ龃?。 1） 應(yīng)用：主要是強(qiáng)化金屬材料應(yīng)用：主要是強(qiáng)化金屬材料 （1）提高材料強(qiáng)度、耐磨性；）提高材料強(qiáng)度、耐磨性； 例：自行車鏈條片例：自行車鏈條片16Mn鋼（鋼（Q345） 原：原：厚厚

9、=3.5mm b=520MPa 150HBS； 五次冷軋后：五次冷軋后： 厚厚=1.2mm（65%）b=1200MPa 275HBS （2）構(gòu)件使用安全系數(shù)（如鋼絲繩）構(gòu)件使用安全系數(shù)（如鋼絲繩） （3）有利于金屬進(jìn)行均勻的變形。）有利于金屬進(jìn)行均勻的變形。 2）不利影響）不利影響 ： 材料塑韌性降低，對進(jìn)一步塑性變形帶來困難材料塑韌性降低，對進(jìn)一步塑性變形帶來困難。圖：冷變形金屬在加熱時組織圖：冷變形金屬在加熱時組織和性能的變化示意圖和性能的變化示意圖 金屬材料在冷變形金屬材料在冷變形以后，組織處于不以后，組織處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，但室穩(wěn)定的狀態(tài)，但室溫下難以進(jìn)行。溫下難以進(jìn)行。u加熱使原子擴(kuò)散

10、加熱使原子擴(kuò)散能力增加，隨溫度能力增加，隨溫度的升高，冷變形后的升高，冷變形后的金屬將依次發(fā)生的金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。粒長大。 1） 回復(fù)回復(fù) T回回=(0.25-0.3)T熔熔定義：隨著溫度的上定義：隨著溫度的上升，原子熱運(yùn)動加劇，升，原子熱運(yùn)動加劇，晶格扭曲被消除，內(nèi)晶格扭曲被消除，內(nèi)應(yīng)力明顯下降的現(xiàn)象。應(yīng)力明顯下降的現(xiàn)象。 作用：作用： a）晶格扭曲消除）晶格扭曲消除 b）內(nèi)應(yīng)力明顯下降）內(nèi)應(yīng)力明顯下降回復(fù)只能部分消除加回復(fù)只能部分消除加工硬化工硬化圖：冷變形金屬在加熱時組織圖：冷變形金屬在加熱時組織和性能的變化示意圖和性能的變化示意圖 2） 再結(jié)晶再結(jié)晶

11、定義：溫度上升到定義：溫度上升到金屬熔化溫度的金屬熔化溫度的0.4-0.5倍時，金屬倍時，金屬原子獲得更多的熱原子獲得更多的熱能，開始以某些碎能，開始以某些碎晶或雜質(zhì)為核心，晶或雜質(zhì)為核心，生長成新的晶粒，生長成新的晶粒，加工硬化完全被消加工硬化完全被消除，塑性上升。除，塑性上升。圖：冷變形金屬在加熱時組織圖：冷變形金屬在加熱時組織和性能的變化示意圖和性能的變化示意圖 冷變形金屬剛剛結(jié)束再冷變形金屬剛剛結(jié)束再結(jié)晶時的晶粒是比較細(xì)結(jié)晶時的晶粒是比較細(xì)小、均勻的等軸晶粒，小、均勻的等軸晶粒，如果再結(jié)晶后不控制其如果再結(jié)晶后不控制其加熱溫度或時間，繼續(xù)加熱溫度或時間，繼續(xù)升溫或保溫，晶粒之間升溫或保

12、溫，晶粒之間便會相互吞并而長大。便會相互吞并而長大。3）晶粒長大）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)晶示意圖圖：金屬的回復(fù)和再結(jié)晶示意圖三、冷變形與熱變形三、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）、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。變形，再結(jié)晶溫度以下的變形稱為冷變形。 例：鎢（熔點(diǎn)為例：鎢（熔點(diǎn)為3380）在）在800變形為冷加工，而變形為冷加工，而鉛（熔點(diǎn)為鉛（熔點(diǎn)為327 ）在室溫變形就可稱為熱加工。）在室溫變形就可稱為熱加工。T=0.4T =0.43380+273

13、 =1461K T=800+273=1073KTT 再結(jié)晶熔加工加工再結(jié)晶對鉛：（）鉛的鉛在室溫變形時屬于熱變形（熱加工）。加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶同時發(fā)生；加工硬化加工硬化與回復(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。隨時被消除，使變形抗力下降，塑性升高。2）、熱變形的特點(diǎn)：）、熱變形的特點(diǎn)：1)可消除鑄錠中的氣孔、可消除鑄錠中的氣孔、縮松等缺陷；縮松等缺陷；2)可使鑄態(tài)晶粒細(xì)化，力可使鑄態(tài)晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高；學(xué)性能提高；3)形成熱變形纖維組織形成熱變形纖維組織（流線）。（流線）。3）、熱變形后的組織與性能：）、熱變形后的組織與性能： 熱軋時組織變化熱軋時組織變化

14、4）、）、鍛造時鍛造時變形程度大小變形程度大小常以鍛造比常以鍛造比Y鍛鍛表示：表示：對拔長：對拔長：Y鍛鍛= F0（原截面）（原截面）/F（拔長后截面）（拔長后截面）對鐓粗：對鐓粗：Y鍛鍛= H0（鐓前高度）（鐓前高度）/H（鐓后高度）（鐓后高度）結(jié)構(gòu)鋼鋼錠的鍛造比一般為結(jié)構(gòu)鋼鋼錠的鍛造比一般為24；各類鋼坯和軋材的鍛造比一般為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）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）零件最大剪切應(yīng)力方向應(yīng)與鍛造流線垂直;

15、 3）零件外形輪廓應(yīng)與鍛造流向的分布相符合）零件外形輪廓應(yīng)與鍛造流向的分布相符合 而不被切斷而不被切斷 。(a) 齒根處的切應(yīng)力平行于流線方向。力學(xué)性能最差，壽齒根處的切應(yīng)力平行于流線方向。力學(xué)性能最差，壽命最短；命最短； (b) 齒齒1的根部切應(yīng)力與流線方向垂直，的根部切應(yīng)力與流線方向垂直，力學(xué)性能好，齒力學(xué)性能好，齒2情況正好相反，力學(xué)性能差；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，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(qiáng)度與壽命較高；強(qiáng)度與壽命較高； (d) 流線完整且與齒廓一致，未流線完整且與齒廓一致，未被切斷，性能最好，壽

16、命最長。被切斷，性能最好，壽命最長。金屬可鍛性是衡量材料在經(jīng)受壓力加工時獲得優(yōu)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。質(zhì)制品難易程度的工藝性能。1、衡量金屬可鍛性的指標(biāo)、衡量金屬可鍛性的指標(biāo) 兩個兩個 內(nèi)因與外因內(nèi)因與外因 1）塑性塑性：金屬的塑性是指金屬材料在外力作用下：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；用斷面收產(chǎn)生永久變形而不破壞其完整性的能力；用斷面收縮率縮率、伸長率、伸長率表示；表示； 2）變形抗力變形抗力:變形過程中，金屬抵抗外力作用能力變形過程中，金屬抵抗外力作用能力的大小。的大小。u原因：優(yōu)良的塑性使產(chǎn)品獲得準(zhǔn)確的

17、外形而不破裂；原因：優(yōu)良的塑性使產(chǎn)品獲得準(zhǔn)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。變形抗力越小，變形消耗的能量也越少，鍛壓越省力。1） 金屬本質(zhì)對可鍛性的影響金屬本質(zhì)對可鍛性的影響 兩方面：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；純金屬和固溶體具有良好的可鍛性，碳化物可鍛性差；細(xì)晶粒組織可鍛性優(yōu)于粗晶粒，但變形抗力大。細(xì)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：）化學(xué)成分：一般情況下，純金屬的可鍛性優(yōu)于合金；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；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

18、下降；合金鋼中合金元素含量越多，可鍛性下降；鋼中鋼中P、S含量超過一定值可鍛性降低。含量超過一定值可鍛性降低。（2）組織結(jié)構(gòu)：）組織結(jié)構(gòu)：2、影響金屬可鍛性的因素、影響金屬可鍛性的因素：金屬本質(zhì)和加工條件：金屬本質(zhì)和加工條件（1）變形溫度：）變形溫度：0.020.771.52.11 C%80091212501538液相線固相線溫度/CAEPSKLL+AAA+FA+Fe C3F+P PFe C +PG3始鍛溫度終鍛溫度碳鋼的鍛造溫度范圍碳鋼的鍛造溫度范圍溫度溫度：塑性：塑性，可鍛，可鍛 性性； 溫度溫度：產(chǎn)生產(chǎn)生“過過熱熱”，可鍛性，可鍛性；溫度溫度：接近熔化，出：接近熔化，出現(xiàn)現(xiàn)“過燒過燒”失去塑性，失去塑性，b； 溫度溫度：可鍛性可鍛性，加工硬化產(chǎn)生，開裂，加工硬化產(chǎn)生，開裂，塑性差。塑性差?？?力塑 性變 形 速 度a變 形 抗 力 曲 線塑 性 變 化 曲 線圖：變形速度對塑性及變形抗力圖：變形速度對塑性及變形抗力的影響示意圖的影響示意圖a）變形速度）變形速度a后，由后，由于塑性變形的熱效應(yīng)于塑性變形的熱效應(yīng)使材料溫度升高，回使材料溫度升高，回復(fù)和再結(jié)晶充分，可復(fù)和再結(jié)晶充分，可鍛性提高。鍛性提高。但難實現(xiàn)。但難實現(xiàn)。(雙重影響雙重影響)指金屬材料在單位時間指金屬材料在單位時間內(nèi)的變形程度。內(nèi)的變形程