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11物理基础
材料成形理论与技术
第一章金属塑性成形的物理基础
第一节概述
一特点及分类
定义
金属塑性成形——在外力（压力）作用下，使金属产生塑性变形并获得一定的力学性能的加工方法。
又称“塑性加工”或“压力加工”。
材料的塑性：
（一）特点
金属塑性加工在技术上和经济上都有独到之处，是一种重要加工手段，应用广泛。
如汽车零部件、飞机）零部件、各种轻工产品（容器、盘）等等。
主要优点有：
1）改善组织，提高性能。
如铸件：
疏松、多孔、晶粒粗大。
2）材料利用率高。
固态下体积转移，无屑省材。
3）精度高。
如精锻、精冲。
4）生产率高。
如冲床，高速冲床1500~2000次/分。
（二）分类（原材料特点、力，温度）
1按原材料特点分
1）体积成形
锻造自由锻；模锻。
轧制轧制rolling：
纵轧；横轧；斜轧。
拉拔拉拔drawing
挤压挤压
特种体积成形
2）板料成形
分离工序；
成形工序。
2按温度分类
1）热变形——热轧；热挤；热锻等。
2）冷变形——冷轧；冷挤；冷冲等。
3）温变形——温锻；温挤等。
在上述方式中，根据变形区塑性流动区域特点分为两类：
稳定流动：
变形区不变。
（冶金行业原材料生产工艺）
如轧制、型材挤压、型材拉拔等。
非稳定流动：
变形区变化。
（机械行业零件制造工艺）
如锻造、冲压等。
第二节金属在冷态下的塑性变形
一单晶体塑性变形机制
（一）金属的晶体结构
固体中的原子：
有序排列------晶体
无序排列------非晶体
有关概念：
晶格、晶胞、晶格常数
1晶胞结构
面心立方（4原子/晶胞）：
Ag,Al,Au,Ni,Cu,Pb,r-Fe
体心立方（2原子/晶胞）：
Cr,V,Mo,W,α-Fe
密排六方（6原子/晶胞）：
Zn,Mg,Cd
2晶体结构
单晶体——由晶胞堆积而成，各向异性
实际金属——多晶体，微观各向异性、宏观各向同性，存在缺陷。
主要缺陷：
点缺陷：
空位，间隙原子，杂质原子
线缺陷：
位错dislocation，包括刃型位错和螺型位错
面缺陷：
堆垛层错stackingfault，晶界，亚晶界（亚晶粒）
（二）滑移
滑移——应力超过弹性极限后，晶体的层片之间沿一定的晶面和晶向产生相对位移，且保证滑移距离为原子间距整数倍、晶体继续完整。
1滑移系
滑移系=滑移面（原子密排面）×滑移方向（原子密排方向）
面心立方：
{111}4个面×<110>3个方向=12个滑移系
体心立方：
相对密排面6个×2个方向=12个滑移系
密排六方：
{0001}1个×<1120>3个方向=3个滑移系
2滑移的临界切应力
能否滑移-----取决于切应力
材料滑移的临界切应力
3晶体转动
晶体转动使滑移面与滑移方向趋于一致。
4复滑移
随着受力与变形，几个滑移系交替启动或同时进行。
（三）孪生
均匀切变且宽度较小，变形部分与未变形部分以孪晶面为分界面镜象对称。
（四）位错理论
1位错概念
理想晶体刚性滑移时：
其中：
G——切变弹性模量
切应力的计算值与实验测定值差3~4个数量级
实际上晶体内存在缺陷——位错（50年代证实），切应力使位错移动而导致产生滑移。
2位错种类
刃型位错与螺型位错
3位错的量化
柏氏矢量BurgersVector
刃型位错：
柏氏矢量与位错线垂直。
螺型位错：
柏氏矢量与位错线平行，存在位错的左旋和右旋。
4位错的运动
（1）滑移金属变形实质（4分40秒）
（2）攀移攀移：
刃型位错特有
（3）交滑移交滑移：
螺型位错特有
（4）位错的增殖
增殖机制：
Frank-Read位错源
二．多晶体的冷塑性变形
（一）特点
（1）相互协调：
有利位向晶粒先滑移，不利位向晶粒后滑移，且各晶粒滑移要协调配合。
（2）晶界阻碍：
晶界处畸变大，阻力大。
（3）不均匀性：
晶粒之间与晶粒内部变形不均匀，引起应力。
（二）机制
晶内变形大：
滑移+孪生
晶间变形小：
移动+转动
（三）变形后组织与性能
（1）组织：
形成纤维组织，变形织构
变形后各晶粒的位向趋于一致，导致各向异性。
（2）性能：
即——加工硬化
（四）加工硬化
（1）现象与机理
性能变化：
晶内晶间变形，纤维组织，晶粒破碎，织构，不均匀应力。
常见的单晶硬化曲线。
多晶曲线：
无１阶段，细晶加工硬化显著。
（2）影响及应用
45钢的加工硬化曲线
有利：
强化金属，改善工艺性。
如拉深，冷拉钢丝。
不利：
继续变形困难。
如多次拉深时的中间退火。
第三节金属的热塑性变形
一机理
晶内变形：
滑移+孪生
晶间变形：
移动+转动，比冷变形重要。
热塑性与扩散塑性：
较少。
二组织与性能变化
组织：
流线，带状组织，纤维组织。
性能：
取决于晶粒大小，晶粒细则综合性能好。
三动态回复与动态再结晶
热变形：
一般T>0.6T熔
定义：
在热变形时产生的回复与再结晶称动态回复与动态再结晶。
作用：
软化金属。
组织：
动态回复时伸长晶粒内形成等轴亚晶粒，动态再结晶与静态类似但
。
第四节金属的塑性及影响因素
一塑性指标及塑性图
塑性：
固体金属在外力作用下发生永久变形而不破坏的能力。
指标：
延伸率δ，断面收缩率ψ
试验：
延伸率δ标准试样L/D=5,10；
压缩程度ε标准试样H/D=1.5
塑性图：
实验得出
二对塑性的影响因素
（一）金属本质对塑性的影响
（1）化学成分
一般规律：
纯度高塑性好，杂质多塑性差。
加入元素要具体分析：
如钢中有含碳量C,P（冷脆）,S（热脆~900度）,N（兰脆~300度）,H（白点）,O，合金
（2）组织结构
单晶塑性好，单相塑性好，
晶粒细塑性好，铸造组织塑性差。
（二）变形温度
一般规律：
T上升——δ及ψ增加。
原因为T上升——回复与再结晶，临界切应力下降，多相变单相，热塑变增强，晶界滑动加强。
特殊区域：
如碳钢：
~300兰脆~900热脆>1250高温脆区
（三）变形速度
（1）热效应与温度效应
变形速度：
水压机1~10cm/s
机械压力机30~100cm/s
通用锻锤500~900cm/s
热效应：
变形能转化为热能
温度效应：
产生的热量使变形体温度升高
主要结论：
一般材料热变形时温度基本不变，冷变形时温度会升高。
（2）对塑性的影响
马鞍形规律
原因：
低中速时，速度增加，更多位错运动，来不及回复再结晶，塑性下降。
中高速时，速度增加，温度效应增强，塑性上升。
（四）应力状态
压应力数目多，值越大，塑性越好
原因：
阻止晶界破坏，抑制裂纹，抵消拉应力，如精冲
（五）其他因素
周围介质影响，变形程度影响，
尺寸大塑性低，摩擦大塑性低。
（六）提高塑性途径
提高塑性途径
温度、速度合理，
增加压应力数目，
材料均匀，变形均匀等。
三变形抗力及影响因素
（一）定义及指标
定义：
金属抵抗变形的力
指标：
单向应力时用真实应力（流动应力）
（二）影响因素
（1）化学成分
纯度高变形抗力低，杂质多变形抗力高。
（2）组织结构
晶格变化，单相与多相，晶粒细变形抗力大
（3）变形温度
温度升高则临界切应力、变形抗力降低（但有例外）。
（4）变形速度
一方面：
速度增加——发热率增加——抗力降低
另一方面：
速度增加——位错运动增加——抗力升高
结论：
反鞍形变化，一般速度增加——抗力增加
（5）变形程度
变形程度增加——加工硬化——抗力增加
（6）应力状态
压应力数目越多越大——抗力增加
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