第一節(jié) 金屬塑性變形

第一節(jié)金屬塑性變形第1頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月概述一、壓力加工的實(shí)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)械性能的原材料毛坯或零件的加工方法。塑性加工的適用材料：各類鋼大多數(shù)非鐵金屬及其合金

金屬變形過程：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)生塑性變形外力繼續(xù)加大，發(fā)生斷裂我國(guó)自行研制的萬噸級(jí)水壓機(jī)第2頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、壓力加工的主要生產(chǎn)方式：

1.軋制；2.擠壓；3.拉拔；4.鍛造；5.板料沖壓.第3頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月軋三、塑性成形特點(diǎn)：1.能改善金屬的組織，力學(xué)性能高；2.可提高材料利用率；3.加工精度較高，生產(chǎn)率較高。兩不加工：脆性材料復(fù)雜形狀

第4頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月軋制、擠壓、拉拔——金屬型材、板材、鋼材、線材等；自由鍛、模鍛——承受重載的機(jī)械零件，如機(jī)器主軸、重要齒輪、連桿、炮管、槍管等；板料沖壓——汽車制造、電器、儀表及日用品。應(yīng)用：第5頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)金屬塑性變形一、金屬塑性變形金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形的實(shí)質(zhì)是晶體內(nèi)部的原子產(chǎn)生滑移?；疲壕褪蔷w的一部分相對(duì)與另一部分沿一定晶面發(fā)生相對(duì)的位移；產(chǎn)生的變形稱為滑移變形。正應(yīng)力σ：僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)，當(dāng)超過原子間結(jié)合力時(shí)，使將晶體拉斷；切應(yīng)力τ：使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過滑移抗力時(shí)引起滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。第6頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.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。

（a）未變形（b）彈性變形（c）彈塑性變形（d）塑性變形圖：?jiǎn)尉w滑移變形示意圖

滑移面整體剛性滑移滑移變形具有以下特點(diǎn)：1）切應(yīng)力引起滑移；2）滑移面在密排面滑移方向沿著密排面方向進(jìn)行，滑移距離為原子間距的整數(shù)倍。第7頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第8頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原因：晶體內(nèi)部的各種缺陷（特別是位錯(cuò)）的運(yùn)動(dòng)更容易產(chǎn)生滑移，而且位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶體表面時(shí)，晶體就產(chǎn)生了塑性變形。

實(shí)際晶體內(nèi)部存在大量缺陷?；仆ㄟ^位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)?；频臋C(jī)理未變形位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

塑性變形第9頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶界：滑移過程中，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在晶界處受到較大的阻力，難以發(fā)生變形；晶粒位向：晶粒位向不同，各晶粒的滑移系不能同時(shí)開動(dòng)，受到周圍晶粒的阻礙。晶粒大小：晶粒越細(xì)，相同體積內(nèi)晶粒越多，塑性變形就越困難。單晶體多晶體2.

多晶體金屬的塑性變形(1)晶粒取向的影響(2)晶界的影響(3)晶粒大小的影響1）變形特點(diǎn)：第10頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.

多晶體金屬的塑性變形2）變形過程：其塑性變形可以看成是由組成多晶體的許多單個(gè)晶粒產(chǎn)生變形(稱為晶內(nèi)變形)的綜合效果。同時(shí)，晶粒之間也有滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)(稱為晶間變形)。每個(gè)晶粒內(nèi)部都存在許多滑移面，因此整塊金屬的變形量可以比較大。低溫時(shí)，多晶體的晶間變形不可過大，否則將引起金屬的破壞。第11頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、塑性變形對(duì)金屬組織及性能的影響1.對(duì)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(zhǎng)；2）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。第12頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月形成纖維組織結(jié)果：使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。表現(xiàn)：定義：金屬在變形過程中，晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)在鋼料中的定向分布狀態(tài)稱為鋼料鍛造時(shí)的纖維組織（流線）。a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)度提高特點(diǎn)：纖維組織很穩(wěn)定，熱處理、再鍛均不能消除，只能改變分布。第13頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鋼錠熱變形后的組織變化第14頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.對(duì)性能的影響1）產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象結(jié)果：金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。原因：塑性變形→位錯(cuò)移動(dòng)→位錯(cuò)大量增殖→相互作用→運(yùn)動(dòng)阻力加大→變形抗力↑→強(qiáng)度↑、硬度↑、塑性、韌性↓舉例：高強(qiáng)度鋼絲是將含碳量為1.0%的高碳鋼處理成細(xì)片狀珠光體，然后冷拔變形90%以上，抗拉強(qiáng)度可高達(dá)3000MPa。第15頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月加工硬化的應(yīng)用及不利影響：

1）應(yīng)用：主要是強(qiáng)化金屬材料（1）提高材料強(qiáng)度、耐磨性；例：自行車鏈條片16Mn鋼原：δ厚=3.5mmσb=520MPa150HBS；五次冷軋后：δ厚=1.2mm（65%）σb=1200MPa275HBS

（2）↑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。

2）不利影響：材料塑韌性降低，對(duì)進(jìn)一步塑性變形帶來困難。第16頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、回復(fù)與再結(jié)晶圖：冷變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化示意圖

金屬材料在冷變形以后，組織處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，但室溫下難以進(jìn)行。加熱使原子擴(kuò)散能力增加，隨溫度的升高，冷變形后的金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。

第17頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）

回復(fù)

T回=(0.25-0.3)T熔定義：隨著溫度的上升，原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，晶格扭曲被消除，內(nèi)應(yīng)力明顯下降的現(xiàn)象。

作用：a）晶格扭曲消除b）內(nèi)應(yīng)力明顯下降回復(fù)只能部分消除加工硬化圖：冷變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化示意圖

第18頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）

再結(jié)晶定義：溫度上升到金屬熔化溫度的0.4-0.5倍時(shí)，金屬原子獲得更多的熱能，開始以某些碎晶或雜質(zhì)為核心，生長(zhǎng)成新的晶粒，加工硬化完全被消除，塑性上升。圖：冷變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化示意圖

第19頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冷變形金屬剛剛結(jié)束再結(jié)晶時(shí)的晶粒是比較細(xì)小、均勻的等軸晶粒，如果再結(jié)晶后不控制其加熱溫度或時(shí)間，繼續(xù)升溫或保溫，晶粒之間便會(huì)相互吞并而長(zhǎng)大。3）晶粒長(zhǎng)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)晶示意圖第20頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第21頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、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變形，再結(jié)晶溫度以下的變形稱為冷變形。例：鎢（熔點(diǎn)為3380℃）在800℃變形為冷加工，而鉛（熔點(diǎn)為327℃）在室溫變形就可稱為熱加工。第22頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶同時(shí)發(fā)生；加工硬化隨時(shí)被消除，使變形抗力下降，塑性升高。2）、熱變形的特點(diǎn)：1)可消除鑄錠中的氣孔、縮松等缺陷；2)可使鑄態(tài)晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高；3)形成熱變形纖維組織（流線）。3）、熱變形后的組織與性能：

熱軋時(shí)組織變化

第23頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冷加工與熱加工組織的變化熱變形加工在變形的同時(shí)伴隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，變形停止后在冷到室溫過程中繼續(xù)有再結(jié)晶發(fā)生。所以熱變形加工基本沒有加工硬化現(xiàn)象。第24頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）、鍛造比(Y鍛

)鍛造時(shí)變形程度大小常以鍛造比Y鍛表示：對(duì)拔長(zhǎng)：Y鍛=F0（原截面）/F（拔長(zhǎng)后截面）對(duì)鐓粗：Y鍛=H0（鐓前高度）/H（鐓后高度）結(jié)構(gòu)鋼鋼錠的鍛造比一般為2～4；各類鋼坯和軋材的鍛造比一般為1.1～

1.3。零件設(shè)計(jì)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;2）零件最大剪切應(yīng)力方向應(yīng)與鍛造流線垂直;3）零件外形輪廓應(yīng)與鍛造流向的分布相符合而不被切斷。第25頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(a)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；(b)齒1的根部切應(yīng)力與流線方向垂直，力學(xué)性能好，齒2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，強(qiáng)度與壽命較高；(d)流線完整且與齒廓一致，未被切斷，性能最好，壽命最長(zhǎng)。第26頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第27頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、金屬的可鍛性（塑性成形性）——金屬可鍛性是衡量材料在經(jīng)受壓力加工時(shí)獲得優(yōu)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)兩個(gè)內(nèi)因與外因

1）塑性：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；用斷面收縮率ψ、伸長(zhǎng)率δ表示；

2）變形抗力:變形過程中，金屬抵抗外力作用能力的大小。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。第28頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）金屬本質(zhì)對(duì)可鍛性的影響兩方面：純金屬和固溶體具有良好的可鍛性，碳化物可鍛性差；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：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；合金鋼中合金元素含量越多，可鍛性下降；鋼中P、S含量超過一定值可鍛性降低。（2）組織結(jié)構(gòu)：2、影響金屬可鍛性的因素：金屬本質(zhì)和加工條件第29頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）變形溫度：變形條件：變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)力狀態(tài)碳鋼的鍛造溫度范圍2）加工條件的影響（變形條件）溫度↑：塑性↑，可鍛性↑；溫度↑↑：產(chǎn)生“過熱”，可鍛性↓；溫度↑↑↑：接近熔化，出現(xiàn)“過燒”失去塑性，σb↓；溫度↓↓：可鍛性↓，∵加工硬化產(chǎn)生，開裂，塑性差。第30頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖：變形速度對(duì)塑性及變形抗力的影響示意圖a）變形速度<a時(shí)，隨V增大，回復(fù)和再結(jié)晶來不及消除加工硬化，可鍛性下降；b）變形速度>a后，由于塑性變形的熱效應(yīng)使材料溫度升高，回復(fù)和再結(jié)晶充分，可鍛性提高。但難實(shí)現(xiàn)。（2）變形速度(雙重影響)指金屬材料在單位時(shí)間內(nèi)的變形