第一講金屬塑性成形的物理基礎(chǔ)

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

塑性成形是利用金屬的塑性，在外力作用下使金屬發(fā)生塑性變形，從而獲得所需要形狀和性能產(chǎn)品的一種加工方法；因此，又稱為塑性加工或壓力加工。

4.1基本問題,目的任務(wù)和主要內(nèi)容

4.1.1塑性成形的基本問題

1)材料的塑性及其影響因素

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的變化。2)成形力、變形抗力及其影響因素

——應(yīng)力場

成形力、功的大小是正確選用設(shè)備和設(shè)計模具的依據(jù)；對成形力影響因素的分析可減小成形力，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的。3)金屬的變形特點和流動規(guī)律

—位移場、應(yīng)變場、速度場

研究金屬的變形特點和流動規(guī)律是合理選擇原始毛坯、設(shè)計中間毛坯及模具模膛形狀的依據(jù)；分析和控制工件內(nèi)部性能，內(nèi)在質(zhì)量和最終形狀的依據(jù)。這是塑性成形的又一基本問題。4)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的相對運動共同產(chǎn)生。對于要得到的零件，采用什么工藝，形狀信息分幾個階段輸入，對應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)和形狀參數(shù)如何確定、設(shè)備系統(tǒng)如何選擇和控制等都是十分重要的。這也是塑性成形要研究的基本問題。4.1.2課程的目的和任務(wù)

研究和探討金屬在各種塑性加工中可遵循的基礎(chǔ)理論和規(guī)律；科學(xué)、重點地闡明這些基礎(chǔ)和規(guī)律，為合理制定塑性成形工藝規(guī)范，選擇設(shè)備，設(shè)計模具以及后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。4.1.3課程的主要內(nèi)容

1）金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)

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的影響；2）塑性變形力學(xué)基礎(chǔ)金屬變形體內(nèi)的應(yīng)力場、應(yīng)變場；求解塑性成形問題的基本方程；應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系—增量與全量理論；塑性變形的力學(xué)條件—屈服準則；真實應(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。3）基本工藝方法及典型模具結(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)中常見的主要質(zhì)量問題；典型沖壓模具結(jié)構(gòu)。體積成形工藝分類；鍛造與擠壓工藝特點；錘上模鍛與壓力機上模鍛的區(qū)別；典型錘上模鍛的模具結(jié)構(gòu)。4.2塑性成形的物理基礎(chǔ)4.2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)自然界一切固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）的聚集狀態(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)則的周期性重復(fù)排列的固體。而非晶體則不具備這一特點，這是兩者的根本區(qū)別。自然界所有固體金屬和合金都是晶體。晶體內(nèi)原子在空間的規(guī)則排列，成為空間點陣。為了描述晶體內(nèi)原子排列的狀況，通常用直線將各原子中心連接起來，構(gòu)成一空間格子，即假想處于平衡狀態(tài)的各原子都位于該空間格子的各個結(jié)點上。晶格：描述晶體內(nèi)原子排列形式的空間格子，簡稱晶格。晶胞：晶體中能反映晶格特征的最基本的幾何單元。晶格常數(shù)(點陣常數(shù)):晶胞的各邊尺寸,即原子間距.各種晶體的主要差別,就在于晶格形式和晶格常數(shù)的不同.實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

單晶體：位向相同的一群同類型晶胞聚合在一起，組成單晶體。單晶體由于不同晶面和晶向上原子排列不同，使原子的密度和原子間的結(jié)合力強弱不同，因而在不同方向上其機械、物理和化學(xué)性能不同，稱為晶體的各向異性。多晶體：工業(yè)用金屬是由許多尺寸很小，位向不同的小的單晶體組成。這些小單晶體稱為晶粒。晶界：多晶體中各晶粒之間的過渡區(qū)，稱為晶界。由于多晶體是由許多位向不同的晶粒組成，晶粒本身的各向異性被互相抵消，因而多晶體一般不顯示方向性。實際金屬的晶體中，原子以晶格結(jié)點為中心不停地作熱振動，原子的規(guī)則排列由于種種原因受到干擾和破壞，存在一系列缺陷。按其幾何形態(tài)分三種：1、點缺陷：包括空位、間隙原子和置換原子等。空位和間隙原子的遷移運動，是晶體中發(fā)生原子擴散的一種主要方式。2、線缺陷：各種類型的位錯是晶體的線缺陷，也就是位錯是晶體中在長度范圍內(nèi)存在的微觀缺陷。3、面缺陷:晶體內(nèi)表面的缺陷主要有(1)堆垛層錯;(2)晶界、亞晶界;.

4.2.2單晶體的塑性變形

單晶體的塑性變形主要有: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)力的作用下，晶體的一部分相對于另一部分，沿著一定的晶面和晶向產(chǎn)生移動。產(chǎn)生滑移的晶面和晶向，分別稱為滑移面和滑移方向。一般情況下，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的晶面和晶向發(fā)生。滑移面示意圖二、滑移系通常每一種晶格有幾個可能產(chǎn)生滑移的晶面，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，構(gòu)成一個滑移系。三、臨界剪應(yīng)力單晶體滑移時的應(yīng)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的剪應(yīng)力達到一定值時。實驗研究證明，不同取向的單晶體，其臨界剪應(yīng)力是完全相同的單晶體的屈服極限不是定值，它是晶體位向的函數(shù)，這是和多晶體的不同之處。當單晶體的滑移系處于有利位向時，易于產(chǎn)生滑移，稱為軟取向。當單晶體的滑移系處于不利位向時，難于進行滑移，稱為硬取向四、滑移的實質(zhì)晶體的滑移是在剪應(yīng)力的作用下通過滑移面上的位錯運動進行?；泼嫔系脑邮侵饌€移動的，而不是整個原子層同時移動的。位錯最基本的形式有刃型位錯和螺旋位錯

刃型位錯運動造成晶體滑移變形的示意螺型位錯運動造成晶體滑移變形的示意晶體的轉(zhuǎn)動和滑移面的彎曲鋅單晶體拉伸變形和壓縮變形的情況五、雙晶（孿晶）單晶體塑性變形的另一種方式叫雙晶，又叫孿晶。單晶體在剪應(yīng)力作用下，晶體一部分對應(yīng)一定的晶面（雙晶面），沿一定的方向，進行相對移動。結(jié)果使晶體的變形部分與未變形部分以雙晶面為對稱面互相對稱。面心立方晶體孿生變形示意發(fā)生孿晶的臨界剪應(yīng)力要比發(fā)生滑移的臨界剪應(yīng)力大得多。只有在滑移難以進行的條件下，晶體才能發(fā)生孿晶變形。孿晶也造成晶格畸變

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4.2.2多晶體的塑性變形基本概念1)冷成形(coldworking)—冷塑性成形、冷變形

金屬在回復(fù)、再結(jié)晶溫度以下的一種成形方法，通常在變形過程中會出現(xiàn)位錯密度上升、發(fā)生加工硬化的現(xiàn)象。

2)熱成形(hotworking)—熱塑性成形、熱變形金屬在再結(jié)晶溫度以上進行的成形方法，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。3)加工硬化(workhardeningorstrainhardening)—應(yīng)變硬化

金屬在低于再結(jié)晶溫度時，由于塑性應(yīng)變而產(chǎn)生塑性降低、強度和硬度增加的現(xiàn)象。

反映在物理化學(xué)性能上的變化是：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、抗腐蝕性勻降低。

4）靜態(tài)回復(fù)也稱回復(fù)當加熱溫度不高時，晶體內(nèi)只有間隙原子和空位的運動。這時變形金屬晶粒的外形無明顯變化，仍呈纖維狀，只消除了晶格畸變，其機械性能幾乎無變化，物理化學(xué)性能則大部分恢復(fù)。隨著溫度的升高，原子具有了較大的活動能力，位錯開始運動。實質(zhì)上是原子從高能態(tài)的混亂排列向低能態(tài)的規(guī)則排列轉(zhuǎn)變的過程，結(jié)果是晶體的內(nèi)應(yīng)力大大下降，強度稍有下降，塑性稍有提高。回復(fù)在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，即低溫退火。例如冷變形的零件由于存在內(nèi)應(yīng)力，以后工作時容易因工作應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力迭加而斷裂。又如精密零件由于內(nèi)應(yīng)力的長期作用易引起尺寸的不穩(wěn)定。再如導(dǎo)電材料冷變形后，獲得了必要的強度，但電阻率顯著增大，也可采用低溫退火，恢復(fù)其導(dǎo)電性又保持其強度。5）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，由于原子獲得了更大的活動能力，首先在變形晶粒的晶界或滑移帶、巒晶帶等變形劇烈的地區(qū)產(chǎn)生晶核，即為一些原子規(guī)則排列的小晶塊，然后晶核逐漸長大，成為具有正常晶格的新晶粒，新晶粒長大到彼此邊界相遇，過程結(jié)束，這一生核、長大的過程稱為再結(jié)晶。影響再結(jié)晶過程的因素主要有：加熱溫度、保溫時間、變形程度、原始晶粒度、金屬的化學(xué)成分。6）動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶(dynamicrecoveryanddynamic

re-crystallization)

熱塑性成形中發(fā)生的回復(fù)與再結(jié)晶。

7）擴散蠕變(diffusioncreep)

在應(yīng)力場的作用下，由空位的定向移動引起的變形。4.2.2塑性變形機理1）冷塑性變形機理

多晶體的塑性變形包括晶內(nèi)變形和晶界變形（晶間變形）兩種。在冷態(tài)條件下，由于晶界強度高于晶內(nèi)，多晶體的塑性變形主要是晶內(nèi)變形，晶間變形只起次要作用。

晶內(nèi)變形方式有滑移和孿生。由于滑移所需臨界切應(yīng)力小于孿生所需臨界切應(yīng)力，故多晶體塑性變形的主要方式是滑移變形，孿生變形是次要的，一般僅起調(diào)節(jié)作用。對于密排六方金屬，孿生變形起著重要作用。

多晶體的晶內(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同,在外力作用下,并非處于相同的塑性變形條件下.如圖,在壓力作用下,晶粒a和b處在和作用力約成45°有利位向,而晶粒c則處在和作用力約成90°的不利位向,所以塑性變形首先在處于有利位向的a、b晶粒上開始。晶間變形的主要方式是相鄰晶粒的相互滑動和轉(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，這便是引起相鄰晶粒互相轉(zhuǎn)動的原因。粗晶粒的板料在沖壓變形后，由于晶粒發(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。晶體的滑移過程，實質(zhì)上是位錯的移動和增殖的過程。由于在這個過程中位錯的交互作用，位錯反應(yīng)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，就需要不斷增加外力，便產(chǎn)生了加工硬化。

冷塑性變形時，多晶體主要是晶內(nèi)滑移變形;實質(zhì)上是位錯的移動和增殖的過程;由于位錯的交互作用,塑性變形時產(chǎn)生了加工硬化。

2）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)點脫錨比低溫容易；滑移系增多，滑移靈便性提高，各晶粒之間變形更加協(xié)調(diào)；晶界對位錯運動阻礙作用減弱。但其主要機理仍然是晶內(nèi)滑移。

熱塑性變形時，由于晶界強度降低，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)節(jié)作用。

熱塑性變形的主要機理仍然是晶內(nèi)滑移；由于晶界滑動和擴散蠕變作用的增加，再加之變形時會產(chǎn)生動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶。因此，熱態(tài)下金屬塑性變形能力比冷態(tài)下高，變形抗力較低。

4.2.3塑性變形對組織與性能的影響

a、冷塑性變形對組織和性能的影響

1）對金屬組織的影響

（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

冷加工變形后，金屬晶粒形狀發(fā)生了變化，變化趨勢大體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，晶粒呈現(xiàn)為一片如纖維狀的條紋，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。

（3）變形織構(gòu)

多晶體塑性變形時伴隨著晶粒的轉(zhuǎn)動，當變形量很大時，多晶體中原為任意取向的各個晶粒，會逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致，這種由于塑性變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織，稱為“變形織構(gòu)”。

<100>絲織構(gòu)示意圖a）拉拔前b）拉拔后其特征是各個晶粒的某一晶向趨于與最大主應(yīng)變方向平行。由于形成了變形織構(gòu)，使金屬和合金的機械性能和物理性能明顯地出現(xiàn)各向異性。<110>板織構(gòu)示意a)軋制前b）軋制后其特征是各個晶粒的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深沖用的銅板，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的延伸率均為40%，而與軋向成45°的<110>方向，延伸率為75%，使沖出的工件厚薄不均，出現(xiàn)“制耳”因板織構(gòu)所造成的“制耳”a)無制耳b)有制耳有些場合，織構(gòu)的存在是有利的。如電器上使用的硅鋼片，要求沿其磁化的<100>方向形成織構(gòu)，采取適當?shù)睦滠埡屯嘶鸸に?，可以獲得高導(dǎo)磁性的(100)[001]織構(gòu)的硅鋼片。（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的運動而進行的。經(jīng)大變形后，位錯密度可從退火狀態(tài)的106～107cm-2增加到1011～1012cm-2。位錯運動及交互作用結(jié)果，其分布是不均勻的。它們先是比較紛亂地糾纏成群，形成“位錯纏結(jié)”。如果變形量增大，就形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。

2）對金屬性能的影響

隨著變形程度的增加，

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(xué)性能：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、抗腐蝕性均降低。

b、熱塑性變形對組織和性能的影響

1）對組織的影響

（1）改善晶粒組織，細化晶粒

對于鑄態(tài)金屬，粗大的樹枝狀晶經(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、鍛造或擠壓的鋼坯或型材，在以后的熱加工中通過塑性變形與再結(jié)晶，其晶粒組織一般也可得到改善。

（2）鍛合內(nèi)部缺陷

鑄態(tài)金屬中疏松、空隙和微裂紋等缺陷被壓實，提高金屬致密度。宏觀缺陷鍛合經(jīng)歷兩個階段：缺陷區(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。沒有足夠大的變形，不能實現(xiàn)空隙閉合，很難達到宏觀缺陷焊合。

足夠大三向壓應(yīng)力，能實現(xiàn)微觀缺陷鍛合。

（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，晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向也逐漸與主變形方向一致，形成流線。由于再結(jié)晶的結(jié)果，被拉長的晶粒變成細小的等軸晶，而流線卻很穩(wěn)定地保留下來直至室溫。鋼錠鍛造過程中纖維組織形成的示意（4）破碎改善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)部含有大量的碳化物。通過鍛造或軋制