材料成型原理备课笔记

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1、附件三 材料成型原理备课笔记 122第二篇第二篇 材料成形力学原理材料成形力学原理 第十三章第十三章 金属塑性成形的物理基础金属塑性成形的物理基础 基本要求：基本要求： 1 掌握金属塑性、抗力及其影响因素； 2 了解金属变形机理和变形特征。 第一节 概述第一节 概述 一、金属塑性成形的特点 定义定义 塑性是指金属材料在外力作用下发生变形而不破坏其完整性的能力。人们利用金属的这种特 性，使其在外力作用下改变形状，并获得一定力学性能。这种加工方法，称为金属塑性加工或塑性成形。 用途用途金属塑性加工在汽车、拖拉机、船舶、兵器、航空和家用电器等行业都有广泛的应用。如汽车 的大梁和覆盖件是冲压出来的，曲

2、轴、连杆和齿轮的毛坯是锻造出来的。 优点：优点： 生产效率高，适用于大批量生产 改善了金属的组织和结构 材料利用率高 尺寸精度高 二、塑性成形工艺的分类 （一）体积成形 体积成形是在塑性成形过程中靠体积的转移和重新分配来实现的。 1锻造 锻造可分为自由锻和模锻。 自由锻是在空气锤或水压机上将毛坯锻成一定的形状和尺寸。自由锻不使用专用的模具，它的形状和尺 寸主要靠工人的熟练技巧来保证。锻件的尺寸精度较低，生产效率不高，主要适用于单件、小批量生产，以 及大型锻件的生产。 模锻是在锻压机器的压力作用下，使金属在模具的孔型中产生塑性变形，获得与模腔形状、尺寸相同的 零件，保证相当高的尺寸精度，且生产效

3、率高，适合于大批量生产。模锻可分开式模锻和闭式模锻。 2轧制 轧制是将金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定孔型，使其形成一定截面形状的成形方法。利用 轧制方法可获得型材、板材和管材。轧制可分为纵轧、横轧和斜轧。 3拉拔 拉拔是将金属坯料的前端施以一定的拉力，使它通过锥型的凹模型腔、改变其截面的形状和 尺寸的一种加工方法。拉拔是生产棒材、线材和管材的主要方法，它的生产效率很高。 4挤压 挤压是使大截面的毛坯在凸模的强大压力作用下产生塑性流动，迫使金属从模具型腔中挤出， 从而获得一定形状和较小截面尺寸的工件。由于金属在挤压模具中受三向压应力作用，挤压成形零件的力学 性能极佳。这种加工方式也特别适用于塑

4、性较差的材料成形。 附件三 材料成型原理备课笔记 123（二）板料成形 板料成形一般称为冲压，可分为落料、冲孔（分离工序，简称冲裁） 、弯曲、拉深等工序。 1分离工序 分离工序是利用模具的刃口使板料沿一定的轮廓切割分离。如切割下来的是工件，则称为 落料；若切割下来的是废料，则称之为冲孔。 2成形工序 拉深、弯曲等统称为成形工序，是使板材在不发生破坏的条件下产生塑性变形，获得与模 具形状一致的工件，如将板料弯曲，或将板料压制成筒形件或复杂曲面等。 塑性加工还可以按照加工温度分成热加工和冷加工。热加工是指在再结晶温度以上进行的塑性加工。体 积成形主要以热加工为主，如自由锻、模锻等。冷加工是在回复和

5、再结晶温度下进行的塑性加工，例如板料 冲压、冷轧、冷拔、冷挤压。介于两者之间的则是温热成形，如温挤压、温锻等。 第二节 金属在冷态下的塑性变形 一、金属的晶体结构和组织 二、金属冷态下的塑性变形机理 三、合金的塑性变形 四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 （一）对组织结构的影响 多晶体金属经冷塑性变形后，在晶粒内部出现滑移带和孪生带，同时晶粒的外形发生变 化，晶粒的位向也发生改变。 1晶粒形状发生改变 拉拔和轧制时， 晶粒都会沿 着轴向即变形延伸方向拉长。当变形量很大时，就形成 纤维状组织，图 13-9。当金属中含有夹杂物或第二相质 点时，他们会沿变形方向拉成细带状(塑性杂质)或碾成 链状(

6、脆性杂质)。 2 晶粒位向发生改变 多晶体塑性变形后晶粒的位 向发生改变，形成织构。因为在变形时晶粒产生转动， 那些在变形前位向无序的晶粒，在经过很大变形后，取 向逐渐趋于一致，形成择优取向的组织，称为变形织构。当然，这只是一种“趋向”性行为，随着变形程度 的增加，趋向于这种取向的晶粒就越多，金属的织构特征也就越明显。由于织构的形成，使金属的性能表现 出各向异性。 一个典型的例子是，深拉延用的钢板是经轧制生产的，沿轧制方向表现出很强的织构性，沿不同的方向 表现出不同的伸长率，用这种板材下料的圆形毛坯拉成筒形件后，口部不平齐，在与轧制方向成 45方向上 形成明显的“制耳” 。 金属经拉拔、挤压、

7、轧制后，都能产生变形织构。不同的加工方式，会产生不同类型的织构，如丝织构图 13-1 塑性成形工序 a）轧制 b）挤压 c）拉拔 d）自由锻 e）开式模锻 f）闭式模锻 g）冲裁 h）拉深 图 13-9 变形前后的晶粒形状 a ) 变形前 b ) 变形后 附件三 材料成型原理备课笔记 124和板织构。拉拔和挤压加工方式会形成丝织构。这种加工是轴对称变形，其主应变是一向拉深、两向压缩， 变形后有一个共同的晶向与最大主应变方向趋于一致。轧制的板材则形成一种板织构，其特征是各个晶粒的 某一晶向趋向于与轧制方向平行， 而某一晶面趋向于与轧制平面平行。 图 13-10 表示拉拔形成的丝织构现象； 图 1

8、3-11 表示板材经轧制后形成的板织构现象。 （二）对金属性能的影响 塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力 学性能。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性 和韧性相应下降。 图 13-12 所示为冷拔 45 号钢的力学性能指标与 变形程度的关系。 从图中可以看出，随着变形程度的增加，金属的强度和硬度 增加，而塑性指标下降。在常温状态下，金属的流动应力随变形 程度的增加而上升。为了使变形继续下去，就需要增加变形外力 或变形功。这种现象称为加工硬化。一方面，它能提高金属的强 度，人们用它来作为强化金属的一种手段；另一方面，它又增加 了变形的困难，提高了变形抗力，甚至降低了

9、金属的塑性。对于 需多道次加工的金属，需要在中间变形阶段进行退火来消除加工 硬化。 加工硬化既是金属塑性变形的特征，也是强化金属的重要 手段。通过轧制、挤压等加工工艺，可以明显提高工件的强度， 还能改善金属纤维的分布，有利于提高金属的综合机械性能。 对于不能用热处理工艺强化的金属材料，可以通过冷变形强化 来提高它的强度。例如，制造发电机护环的高锰奥氏体无磁钢 （40Mn18Cr3，40Mn18Cr4，50Mn18Cr4WN 等） ，在加热过程 中无相变，无法通过淬火提高其强度，但可以采用冷变形强化 的手段，如液压胀形、芯轴扩孔、爆炸变形强化等方法来提高 其力学性能。 第三节 金属的热塑性变形

10、金属在再结晶温度以上的变形，称为热塑性变形。实际生产中的热 塑性加工，为了保证再结晶过程的顺利进行，通常变形温度远高于再结 晶温度。热塑性变形过程中，回复、再结晶和加工硬化同时发生，加工 硬化不断被回复和再结晶所抵消，金属处于高塑性、低变形抗力的软化 状态，从而使变形能够继续下去。热锻、热轧、热挤压工艺是常用的热 塑性变形加工方法。 图 13-10 拉拔形成的丝织构 a）拉拔前 b）拉拔后 图 13-11 轧制形成的板织构 a）轧制前 b）轧制后 图 13-12 45钢的力学性能与变形 程度的关系 图 13-14 位错在晶界处受堵的情形 图 13-16 高温形变淬火工艺 附件三 材料成型原理备

11、课笔记 125一、热塑性变形时金属的软化过程 热塑性变形时金属的软化过程比较复杂，它与变形温度、应变速率、变形程度和金属本身的性质有关， 主要有静态回复、静态再结晶、动态回复、动态再结晶 和亚动态再结晶等。 （一） 回复和再结晶 （一） 回复和再结晶 1静态回复 在回复阶段，金属的强度、硬度有所 下降，塑性、韧性有所提高；但显微组织没有发生明显 的变化，因为在回复温度范围内，原子只在晶内作短程 扩散，使点缺陷和位错发生运动，改变了数量和状态的 分布。 静态再结晶 冷变形金属加热到一定温度后， 会发生再结晶现象，用新的无畸变的等轴晶，取代金属 的冷变形组织。与回复不同，再结晶使金属的显微组织 彻

12、底改变或改组，使其在性能上也发生很大变化，如强 度、硬度显著降低，塑性大大提高，加工硬化和内应力 完全消除，物理性能得到恢复等。但是，再结晶并不是 一个简单地使金属的组织恢复到变形前的状态的过程， 可以通过控制变形和再结晶条件，调整再结晶晶粒的大 小和再结晶的体积数，用这种方式和手段来改善和控制 金属组织和性能。 表 13-1 描述了回复、再结晶和晶粒长大的特点。 表 13-1 回复、再结晶和晶粒长大的特点及应用 回 复 再 结 晶 晶 粒 长 大 发生温度 较低温度 较高温度 更高温度 转变机制 原子活动能量小，空位移动使晶格扭曲恢复。位错短程移动，适当集中形成规则排列 原子扩散能力大，新晶

13、粒在严重畸变组织中形核和生长，直至畸变晶粒完全消失，但无晶格类型转变 新生晶粒中大晶粒吞并小晶粒，晶界位移 组织变化 金相显微镜下观察组织无变化。宏观内应力和微观内应力有较大下降 形成新的等轴晶粒，有时还产生再结晶织构，位错密度大大下降 晶粒明显长大 性能变化 强度、硬度略有下降，塑性略有上升，电阻率明显下降 强度、硬度明显下降，加工硬化基本消除。塑性上升 使性能恶化，塑性明显下降 应用说明 去应力退火工艺，一般只有回复转变 再结晶退火可消除加工硬化效果，消除组织各向异性 应在工艺处理过程中防止产生 动态回复 动态回复发生在热塑性变形过程中，它对软化金属起着重要的作用。 动态回复主要是通过位错

14、的攀移、交滑移来实现的。对于铁素体钢、铝及铝合金和密排六方晶格的锌、 镁等金属，它们的层错能高，变形位错的交滑移和攀移比较容易进行，位错容易在滑移面间转移，使异号位 错互相抵消，其结果是位错密度下降，畸变能降低，达不到动态再结晶所需的能量水平。所以动态回复是层 错能高的金属热变形过程中唯一的软化机制。对这一类金属，热变形后迅速冷却至室温，发现它们的显微组 织仍为沿变形方向拉长的晶粒，其亚晶粒保持等轴状。动态回复后金属的位错密度高于相应的冷变形后静态 回复的密度，而亚晶粒的尺寸要比冷变形后经静态回复的亚晶粒小，但晶粒尺寸随变形温度升高和变形速度 降低而增大。 对于层错能较低的金属的热塑性变形，如

15、果变形程度较小，通常只发生动态回复。 前面指出，当高温变形金属只发生动态回复时，其组织仍为亚晶状组织，金属中的位错密度还很高。人 们利用这一点对金属进行高温形变热处理，即把热变形和热处理结合起来，以获得变形强化和热处理强化的 双重效果，获得比单独进行热处理和单独进行变形强化更好的综合力学性能。例如，对钢的高温变形，控制图 13-15 回复和再结晶对金属组织和性能的变化附件三 材料成型原理备课笔记 126其变形温度、应变速率和变形程度，使其只发生动态回复，随后进行马氏体淬火，由此而获得的马氏体组织 继承了动态回复中奥氏体的亚晶状组织，晶粒得到细化。淬火后再加以适当的回火处理，就可以使钢在保持 较

16、高强度的同时， 又能保持良好的塑性与韧性。 这种形变热处理工艺称为高温形变淬火， 其工艺过程如图13-16 所示。 动态再结晶 动态再结晶是在热塑性变形过程中发生的，层错能低的金属在变形量很大时才可能发 生动态再结晶。因为层错能低时，不易进行位错的交滑移和攀移。动态回复的速率和程度很低，材料的局部 区域会积聚足够高的畸变能差，而且由于动态回复的不充分性，所形成的胞状亚晶组织的尺寸较小，晶界不 规整，同时在胞壁还有较多的位错缠结。这种不完整的亚组织成为再结晶的形核，促进了动态再结晶的发生。 动态再结晶需要一定的驱动力，只有畸变能差积累到一定水平时，动态再结晶才能启动，否则只能发生动态 回复。只有当变形程度远高于静态再结晶所需的临界变形程度时，动态再结晶才会发生。 动态再结晶的