材料成形技术基础第四章 塑性成形理论基础塑 性 成 形体积成形：锻造、轧制、挤压和拉拔 板料成形：冲裁、弯曲、拉深和成形 热成形、冷(温)成形 加工 温度受力 变形 材料成形技术基础 基本概念l塑性成形利用金属的塑性，在外力的作用下使金属发生塑性变形，从而获得所需要形状和性能工件的加工方法。l塑性当外力增加到使金属内部产生的应力超过该金属的屈服点，使其内部原子排列的相对位置发生变化而相互联系不被破坏的性能。材料成形技术基础l塑性变形的特点不能自行恢复其原始形状和尺寸，外力停止作用 后，塑性变形不会消失。 l塑性成形的共性 塑性成形的物理本质和机理 塑性成形过程中金属的塑性行为、抗力行 为和组织性能的变化规律 变形体内部的应力、应变分布和质点流动 规律 变形力和变形功的合理评估材料成形技术基础第一节 金属冷态下的塑性变形 l多晶体 由许多结晶方向不同的晶粒组成，每个晶粒可看成是一个单晶体，在晶粒内部晶格的位向是一致的，而各个晶粒之间存在着一定的位向差。 多晶体晶粒之间存在着厚度相当小的晶界，晶界的结构与相邻两晶粒之间的位相差有关，一般分为小角度晶界和大角度晶界。材料成形技术基础l晶界的特点晶界结构不完整，存在较多的空位、位错和杂质原子。表现出许多不同于晶粒内部的性质，如室温时晶界的强度和硬度高于晶内，高温时相反；晶界中原子的扩散速度比晶内原子快得多；晶界的熔点低于晶内；晶界易于腐蚀。材料成形技术基础一、冷塑性变形机理多晶体的塑性变形包括晶粒内部变形(也称晶内变形)和晶界变形(也称晶间变形)两种。1晶内变形晶内变形的主要方式和单晶体一样为滑移和孪生。其中滑移变形是主要的，而孪生变形是次要的，一般仅起调节作用。材料成形技术基础(1)滑移晶体在力的作用下，晶体中的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动。l滑移系一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。材料成形技术基础l晶体内部存在缺陷（点缺陷、线缺陷和面缺陷），由于缺陷的存在，使晶体内部各原子处于不稳定状态，高位能的原子很容易地从一个相对平衡的位置移到另一位置上。l位错是晶体中的线缺陷，实际晶体结构的滑移就是通过位错运动来实现的。滑移的结果使大量原子逐步地从一个稳定位置移到另一个稳定位置，产生宏观的塑性变形。 材料成形技术基础一般地，滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生。材料成形技术基础(2) 孪生在剪应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面(称为孪生面)和一定的晶向(称为孪生方向)发生均匀切变。孪生变形后，晶体的变形部分与未变形部分构成了镜面对称关系。材料成形技术基础2晶间变形晶间变形的主要方式是晶粒之间相互滑动和转动。多晶体受力变形时，沿晶界处可能产生剪切应力，当此剪切应力足以克服晶粒彼此间相对滑动的阻力时，便发生相对滑动；另外，由于各晶粒所处位向不同，其变形情况及难易程度亦不同，这样，在相邻晶粒间必然引起力的相互作用而可能产生一对力偶，造成晶粒间的相互转动。材料成形技术基础在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形只起次要作用，而且需要有其它变形机制相协调。这是由于晶界强度高于晶内，各晶粒相互接触形成犬牙交错状态，造成对晶界滑移的机械阻碍作用。如果发生晶界变形，容易引起晶界结构的破坏和产生裂纹，因此晶间变形量只能是很小的。材料成形技术基础 二、冷塑性变形特点1各晶粒变形的不同时性由于组成多晶体的各个晶粒位向不同，塑性变 形不是在所有晶粒内同时发生，而是首先在那些位向 有利、滑移系上的剪应力分量已优先达到临界值的晶 粒内进行。2各晶粒变形的相互协调性由于多晶体中的每一个晶粒都是处于其它晶粒的 包围之中，它们的变形不是孤立的和任意的，而是需 要相互协调配合，否则无法保持晶粒之间的连续性。3晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间 变形的不均匀性。 材料成形技术基础晶粒越小，金属的屈服极限越大l 滑移由一个晶粒转移到另一个晶粒，主要取决于晶粒晶界附近位错塞积群所产生的应力场能否激发相邻晶粒中的位错源也开动起来，以进行协调性的次滑移，而位错塞积群所产生的应力场的强弱与塞积的位错数量相关，数量越大，应力场越大。l 晶粒越大，距离越大，位错源开动的时间就越长，位错数也越大。材料成形技术基础由此可见，粗晶粒金属的变形由一个晶粒转移到另一个晶粒会容易一些，而细晶粒则需要在更大的外力作用下才能使相邻晶粒发生塑性变形。材料成形技术基础细晶粒的塑性比粗晶粒好l 在一定体积内，细晶粒金属的晶粒数目比粗晶粒 金属的多，因而，塑性变形时，位向有利的晶粒 数较多，变形能够均匀分散到各个晶粒上。l 又从每个晶粒的应变分布来看，细晶粒晶界的影 响区域相对较大，使得晶粒心部的应变和晶界处 的应变差异减少，由于细晶粒金属的变形不均匀 性较小，由此引起的应力集中必然也较小，内应 力分布较均匀，因而金属断裂前可承受的塑性变 形量较大。材料成形技术基础三、冷塑性变形对金属组织和性能的影响除了在晶粒内部出现滑移带和孪生带等组织特征外， 还具有下列的组织变化。 1晶粒形状的变化 变化趋势大体与金属宏观变形一致。 2晶粒内产生亚结构 由于位错运动和位错交互作用，在晶内位错纠缠成群，形 成位错缠结，随着变形量的增加，最终形成胞状亚结构 3晶粒位向改变(变形结构)多晶体塑性变形时伴随有晶粒的转动，当变形量很大时 ，多晶体中原为任意取向的各个晶粒，会逐渐调整其取向 而彼此趋于一致。 材料成形技术基础随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性降低，这种现象称为加工硬化。加工硬化使金属塑性下降、变形抗力提高，继续变形越来越困难，特别是对于高硬化速率金属的多道工序成形更是如此。因此有时需要增加中间退火工序来消除加工硬化。 材料成形技术基础加工硬化的原因随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，位错反应和相互交割加剧，结果产生固定割阶、位错缠结等障碍，以致形成胞状亚结构，使位错难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动，这样，要使金属继续变形，就需要不断增加外力，才能克服位错间强大的交互作用力。材料成形技术基础第二节 金属热态下的塑性变形l定义在再结晶温度以上进行的塑性变形，称为热塑性 变形或热塑性加工。如热锻、热轧和热挤压等l特点（1）、回复、再结晶与加工硬化同时发生（2）、加工硬化不断被回复和再结晶抵消（3）、金属处于高塑性、低变形抗力的软化状态材料成形技术基础一、塑性变形时软化过程塑性变形时的软化过程比较复杂，它与变形温度、应变速率、变形程度以及金属本身等因素有关。按其性质可分为以下几种：动态回复、动态再结晶、静态回复、静态再结晶、亚动态再结晶等。材料成形技术基础1动态回复动态回复是在热变形过程中发生的回复，金属 即使在远高于静态再结晶温度下塑性变形时，一般也 只发生动态回复。 2动态再结晶动态再结晶是在热变形过程中发生的再结晶，也 是通过形核和生长来完成。 3静态回复具有向变形前低自由能状态自发恢复的趋势。 4静态再结晶静态再结晶是一个显微组织彻底重新改组的过程 ，通过再结晶形核和生长来完成。材料成形技术基础5亚动态再结晶是指热变形中已经形成的、但尚未长大的动态再 结晶晶核，以及长大到中途的再结晶晶粒被遗留下 来，当变形停止后，而温度又足够高时，这些晶核 和晶粒会继续长大，此转化过程即称为亚动态再结 晶。它不需要形核时间，没有孕育期，所以进行得 很迅速。动态回复和动态再结晶是在热塑性变形过程中发 生的；而静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶则 是在热塑性变形的间歇期间和热变形后，利用金属 的高温余热进行的。材料成形技术基础二、热塑性变形机理 1晶内滑移（最主要和最常见）在通常情况下，热变形的主要机理仍然是晶内滑移。2晶界滑移（高温高速）热塑性变形时，由于晶界强度低于晶内，使得晶界滑动易于进行。但在常规热变形条件下，晶界滑动相对于晶内滑移变形量还是小的。 3扩散蠕变（高温变形）由空位的定向移动所引起的。变形温度越高，晶粒越 细和应变速率越低，扩散蠕变所起的作用就越大。 材料成形技术基础三、塑性变形对金属组织和性能的影响1改善晶粒组织2锻合内部缺陷缩松、空隙和微裂纹3破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布通过锻造或轧制，这些碳化物被打碎、并均匀分布 4形成纤维组织材料成形技术基础作业：P107：4，5材料成形技术基础 第三节 应力状态和应变状态分析 l应力张量与应变张量的差异l什么是主应力和应力不变量，在应力分析中有什么作用l什么是应变偏张量、应变球张量？在变形中所起的作用是什么？材料成形技术基础塑性变形中物理变量场l 物理变量场位移场（速度场）、应变场和应力场 l 物理变量场的作用 预测金属坯料形状尺寸的变化 计算成形力、功能消耗和加工接触面上的压力分 布 工件内部的变形分布、工件质量和可能出现的缺 陷 合理确定成型工艺、设计成型模具、选用成型设 备和控制产品质量提供科学依据材料成形技术基础1外力、内力和应力 体积力：作用在变形体内每一质点上，如重力、磁力和惯性力等。分析塑性成形过程时，体积力一般 可以不考虑。 表面力：作用在变形体表面上，如工模具对变形体 的作用力和约束反力等。内力：在外力作用下，为保持变形体的连续性，其 内部各质点间必然产生相互作用力，称为内力。应力：单位面积的内力，称为应力。一、点的应力状态分析材料成形技术基础2直角坐标系中一点的应力状态一点的应力状态需用9个应力分量来描述。点的 应力状态的9个应力分量中只有6个是独立的，即点 的应力状态是二阶对称矩阵。 每个应力分量的符号带有两个下角标，第一个表示该应力分 量作用面的外法线方向，第二个表示它的作用方向。材料成形技术基础材料成形技术基础3主应力和应力不变量 3个主应力彼此正交。正应力称为主应力，一般用1、2、3表示。而 相应的三个相互垂直的方向则称为主方向。与主方向一致 的坐标轴叫做主轴。材料成形技术基础材料成形技术基础J1=15 J2=-60 J3=54材料成形技术基础材料成形技术基础对于一个确定的应力状态，三个主应力是唯 一的。因此，特征方程的系数J1、J2、J3是单值的，不随坐标而变。尽管应力张量中的各个分量会随坐标而变化 ，但是J1、J2、J3是不变的，分别称为应力张量第一、第二和第三不变量。当判定两个应力张量是否代表同一应力状态时，可以通过它们的三个应力张量不变量是否对 应相等来确定。材料成形技术基础4主剪应力和最大剪应力 物体的塑性变形是由剪应力产生的，当剪应力达到某个临界值时，物体便由弹性状态进入塑性(屈服)状态。通过点的应力状态可求出剪应力的极值。使剪应力取极限值的平面为主剪应力平面。它们为与某一主平面垂直，而与另两个主平面成450交角的平面。主剪应力平面上的剪应力称为主剪应力。材料成形技术基础5应力球张量和应力偏张量 称为平均应力，又称为静水压力材料成形技术基础应力球张量：当质点处于球应力状态下，过该点的任意方向均为主方向，且各方向的主应力相等，而任意切面上的剪应力均为零。所以球形应力张量的作用与静水应力相同，它只能引起物体的体积变化，而不能使物体发生形状变化。材料成形技术基础应力偏张量：应力偏张量不会引起物体的体积变化。再者，应力偏张量中的剪应力成分与整个应力张量中的剪应力成分完全一致，因此应力偏张量完全包含了应力张量作用下的形状变化因素，也就是说，物体是否发生塑性变化只与应力偏张量有关。材料成形技术基础归结起来，物体在应力张量作用下所发生的变化，包括体积变化和形状变化；体积变化取决于应力张量中的应力球张量，而形状变化取决于应力偏张量；体积变化只能是弹性的，当应力偏张量满足一定数量关系时，则物体发生塑性变形。材料成形技术基础1位移与应变 二、点的应变状态分析设某质点的位移矢量为u，它在三个主轴上的投影用u 、v、w表示，称为位移分量。由于物体在变形后仍然保 持连续，故位移分量为坐标的连续函数，即u=u(x,y,z)、v=v(x