材料成形技术基础 第4章 塑性成形理论基础解析

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1、第四章 塑性成形理论基础 4.1.1冷塑性变形机理 多晶体的塑性变形包括晶 内变形和晶界变形（晶间变形 ）两种。在冷态条件下，由于 晶界强度高于晶内，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。 晶内变形方式有滑移和孪 生。由于滑移所需临界切应力 小于孪生所需临界切应力，故 多晶体塑性变形的主要方式是 滑移变形，孪生变形是次要的 ，一般仅起调节作用。对于密 排六方金属，孪生变形起着重 要作用。 4-1 金属冷态下的塑性变形 一、冷塑性变形机理 晶体的滑移过程，实质上是位错移动和增殖的 过程。由于在这个过程中位错的交互作用，位错反 应和相互交割加剧，

2、产生固定割阶、位错缠结等障 碍，使位错难以越过这些障碍。要使金属继续变形 ，就需要不断增加外力，便产生了加工硬化。 4-1 金属冷态下的塑性变形 图4-4 面心立方晶体孪生变形示意 4-1 金属冷态下的塑性变形 冷塑性变形时，多晶体主要是晶内滑移变形;实 质上是位错的移动和增殖的过程;由于位错的交互作 用,塑性变形时 产生了加工硬化。存在三个特点： 4-1 金属冷态下的塑性变形 （1）各晶粒变形的不同时性 塑性变形首先在位向有利的晶粒内发生,位错源 开动,但其中的位错却无法移出此晶粒,而是在晶界 处塞积。位错塞积产生的应力场越过晶界作用到 相邻晶粒上,使其得到附加应力。随外加应力的增 大,最终

3、使相邻位向不利的晶粒中滑移系的剪应力 分量达到临界值而开动起来,同时也使原来的位错 塞积得到释放,位错运动移出晶粒。如此持续运作, 使更多晶粒参与变形。 二、冷塑性变形特点 （2）各晶粒变形的相互协调性 晶粒的变形需要相互协调配合，如此才能保持 晶粒之间的连续性，即变形不是孤立和任意的。 （3）变形的不均匀性 软位向的晶粒先变形，硬位向的晶粒后变形， 其结果必然是各晶粒变形量的差异，这是由多晶 体的结构特点所决定的。 4-1 金属冷态下的塑性变形 三、冷塑性变形对组织与性能的影响 1.对金属组织的影响 1）晶粒内部出现滑移带和孪生带 2）形成纤维组织 冷加工变形后，金属晶粒形状发生变 化，变化

4、趋势大体与金属宏观变形一 致。轧制变形时，原等轴晶粒沿变形 方向伸长。变形程度大时，晶粒呈现 为一片如纤维状的条纹，称为纤维组 织。当有夹杂或第二相质点时，则它 们会沿变形方向拉长成细带状或粉碎 成链状。 4-1 金属冷态下的塑性变形 丝织 构示意图 a）拉拔前 b）拉拔后 板织构示意 a) 轧制前 b）轧制后 因板织构所造成的“制耳” a) 无制耳 b) 有制耳 3）变形织构 多晶体塑性变形时伴随着晶粒的转动，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，这种由于塑性变形而使晶粒具有择优取向的组织 ，称为“变形织构”晶粒内产生胞状亚结构 4）胞状亚结构

5、塑性变形主要是借位错的运动而进行的。经大变形后，位错 密度可从退火状态的106107cm-2增加到10111012cm-2。位 错运动及交互作用结果，其分布是不均匀的。它们先是比较 纷乱地纠缠成群，形成“位错缠结”。如果变形量增大，就 形成胞状亚结构。 4-1 金属冷态下的塑性变形 图4-8 45号钢力学性能与变形程度的关系曲线 4-1 金属冷态下的塑性变形 45号钢塑性变形引起机械 性能变化的曲线 2.对性能的影响 一、热塑性变形时软化过程 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

6、变形过程中发生的再结晶，与 静态再结晶一样，也是通过形核和生长来完成的 。它容易发生在层错能较低且有较大热变形程度 的金属上。 4-2 金属热态下的塑性变形 3）静态回复 在较低的温度下、或在较早 阶段发生转变的过程称为静 态回复。它是变形后的金属 自发地向自由能降低的方向 转变的过程。 4）静态再结晶 在再结晶温度以上，金属原 子有更大的活动能力，会在 原变形金属中重新形成新的 无畸变等轴晶，并最终取代 冷变形组织，此过程称为金 属的静态再结晶。 4-2 金属热态下的塑性变形 冷变形金属加热时组织和性能的变化 5）亚动态再结晶 热变形中已经形成 但未长大的再结晶 晶核以及长大途中 遗留下的再

7、结晶晶 粒，但变形停止后 温度足够高时，会 继续长大，此过程 称为亚动态再结晶 。它不需形核，所 以进行得很快。 热轧和热挤时，动、静态回 复和再结晶的示意 4-2 金属热态下的塑性变形 二、热塑性变形机理 1）晶内滑移 高温时原子间距加大，热振动和扩散速度增加，位 错滑移、攀移、交滑移及节点脱锚比低温容易；滑 移系增多，滑移灵便性提高，各晶粒之间变形更加 协调；晶界对位错运动阻碍作用减弱，因此，其主 要机理仍然是晶内滑移。 2）晶界滑移 热塑性变形时，由于晶界强度降低，使得晶界滑动 易于进行；温度越高，原子动能和扩散能力就越大 ，扩散蠕变既直接为塑性变形作贡献，也对晶界滑 移其调节作用。 4

8、-2 金属热态下的塑性变形 3）扩散蠕变 应力作用下，空位发生定向移动，引起蠕变 扩散蠕变示意图 a）空位和原子的移动方向 b）晶内扩散 c）晶界扩散 4-2 金属热态下的塑性变形 三、热塑性变形对金属组织和性能的影响 1）对组织的影响 改善晶粒组织，细化晶粒 对于铸态金属，粗大的树枝状晶经塑性变形及再 结晶而变成等轴（细）晶粒组织；对于经轧制、 锻造或挤压的钢坯或型材，在以后的热加工中通 过塑性变形与再结晶，其晶粒组织一般也可得到 改善。 4-2 金属热态下的塑性变形 锻合内部缺陷 铸态金属中疏松、空隙和微裂纹等缺陷被压实，提高金属 致密度。锻合经历两个阶段：缺陷区发生塑性变形，使空隙两 壁

9、闭合；在压应力作用下，加上高温，使金属焊合成一体。没 有足够大的变形，不能实现空隙闭合，很难达到宏观缺陷焊合 。足够大三向压应力，能实现微观缺陷锻合。 形成纤维组织 在热变形过程中，随变形程度增加，钢锭内粗大树枝晶沿 主变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物 的走向也逐渐与主变形方向一致，形成流线。由于再结晶的结 果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而流线却很稳定地保留 下来直至室温。 4-2 金属热态下的塑性变形 破碎改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布 高速钢、高铬钢、高碳工具钢等，其内部含有大量的碳化 物。通过锻造或轧制，可使这些碳化物被打碎、并均匀分布， 从而改善了它们对金属基

10、体的削弱作用。 钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意 4-2 金属热态下的塑性变形 2）对性能的影响 通过细化晶粒、锻合内部缺陷、破碎并改善碳化物 和非金属夹杂在钢中分布可提高材料的强度、硬度 、塑性和韧性呈各向异性，沿流线方向比垂直。 纤维组织形成，使金属力学性能呈各向异性，沿流 线方向比垂直流线方向具有较高的力学性能，其中 尤以塑性、韧性指标最为显著。 2）对性能的影响 4-2 金属热态下的塑性变形 4-3 塑性成形的力学基础 一、点的应力状态分析 1.基本概念外力、内力和应力 1）外力 体积力：作用于变形体内部的力，如重力、磁力 和惯性力等 表面力：作用于变形体表面上的力，包括工模具 对变形

11、体的作用力和约束反力等。分析塑性成形 过程时，体积力一般可以不考虑，若不加特殊说 明，外力即指表面力 2）内力 在外力作用下，为保持变形体的连续性，其内部 各质点之间必然会产生相互作用的力，叫做内力 。 3）应力 单位面积的内力，称为应力 。 定义： 为Q点的全应力。 4-3 塑性成形的力学基础 外力、内力和应力 变形体受外力系F1、F2、 的作用处于平衡状态。体内 有任意点Q，过Q作一法线为N 的平面A，将物体切开移去上半 部。A面即可看成是下半部的外 表面，A面上作用的内力应该与 下半部其余外力保持平衡。这 样，内力问题就可以转化为外 力问题来处理。 问题: 如何完整地描述变形体内一点的受

12、力情况，即应力状态？ 一点的应力状态是标量？还是矢量？ 4-3 塑性成形的力学基础 点的应力状态不同于物理量的标量和矢量，它 需要用过该点的三个互相垂直截面上的三个应力矢 量才能完整地确定。这样的物理量又称为二阶张量 。因此点的应力状态是二阶张量。 4-3 塑性成形的力学基础 2.直角坐标系中一点的应力状态 围绕直角坐标系一承受任意力系作用物体的任意点Q切取 无限小单元体，棱边平行于三根坐标轴。各微分面均有应 力矢量作用，这些矢量沿坐标轴分解为三个分量，一是正 应力分量，两个剪应力分量。可见，一点的应力状态需用 九个应力分量来描述。 单元体的受力情况 a）物体内的单元体 b）单元体上的应力状态

13、 符号含义： 应力分量符号带有两个下角标，第一个下角标表示该应 力分量作用面的法线方向，第二个下角标表示它的作用 方向。两个下角标相同的是正应力分量，例如xx即表 示x面上平行于x轴的正应力分量，简写为x；两个下角 标不同的是剪应力分量，例如xy即表示x面上平行于y 轴的剪应力分量 应力分量正负号规定：单元体外法线指向坐标轴正向的 微分面叫做正面，反之为负面；对于正面，指向坐标轴 正向的应力分量为正，指向负向的为负；负面情况正好 相反。椐此，正应力以拉为正，以压为负，而图中各应 力分量均为正 4-3 塑性成形的力学基础 单元体处于静力平衡状态，故绕单元体各轴合 力矩必为零。由此可导出剪应力互等

14、关系式： 因此，表示点应力状态的九个应力分量中只有 六个是独立的，也即点的应力状态是二阶对称张 量。 4-3 塑性成形的力学基础4-3 塑性成形的力学基础 4-3 塑性成形的力学基础 应力分量用符号 ij（i、j=x、y、z）表示，使下角 标i、j分别依次等于x、y、z，即可得到九个应力分 量，表示成矩阵形式为： 4-3 塑性成形的力学基础 3.主应力和应力张量不变量 1）主应力 定义：切应力为零的面为主平面，主平面上作用 的应力为主应力。 定义：存在着唯一的三个相互垂直的方向，与此 三个方向相垂直的微分面上的剪应力为零，只存 在着正应力。此正应力称为主应力，一般用1、 2、3表示，而相应的三

15、个相互垂直的方向称 为主方向，与主方向一致的坐标轴叫做主轴。 4-3 塑性成形的力学基础 与其斜切的任意斜面上的应力分量亦可求出。 设该斜面法线为N，N的方向余弦为： 已知单元体的应力状态为： 斜切微分面上的应力 4-3 塑性成形的力学基础 由静力平衡条件 、 、 可得： （4-1） 又有： （4-2） （4-3） （4-4） 4-3 塑性成形的力学基础 假定上图中法线方向余弦为l、m、n的斜切微分面 ABC正好就是主平面，面上的剪应力 =0，则由式（ 4-4）可得 =S。于是主应力在三个坐标正方向上的 投影S x、S y、S z分别为: 4-3 塑性成形的力学基础 4-3 塑性成形的力学基础

16、 将式（4-1）代入上列诸式，经整理后可得: （4-5） 又有： （4-6） 式（4-5）存在非零解的条件是方程组的系数所组成 的行列式等于零。展开行列式并考虑应力张量的对 称性，则得: （4-7） 4-3 塑性成形的力学基础 式中： （4-7）式称为应力状态特征方程。可以证明，它存在 三个实根，即主应力1、2、3。 将求得的主应力代入式（4-5）中任意两个方程 式，与式（4-6）联解，即可求得该主应力的方向余 弦。这样，便可最终求得三个主方向。可以证明，这 三个主方向是彼此正交的。 2）应力张量不变量 一个确定的应力状态，三个主应力是唯一的 。特征方程（4-7）的系数J1、 J2 、J3是单值的， 不随坐标而变。可见，尽管应力张量各分量会随 坐标转动而变