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1、112第十章 金属塑性变型分析在金属加工中，金属的铸态组织往往具有晶粒粗大、组织不均匀、成分偏析以及材质不致密等缺陷，所以金属材料经冶炼浇注后大多数要进行各种压力加工（如轧制、锻造、挤压、拉丝和冲压等），制成型材和工件。金属材料经压力加工（塑性变形）后，不仅外形尺寸发生了改变，而且内部组织和性能也会发生很大的变化。经塑性变形的金属材料绝大多数还要进行退火，退火又会使金属材料的组织和性能发生与形变相反的变化，这个过程称为回复与再结晶。塑性变形、回复与再结晶是相互影响、紧密联系的。讨论这些过程的实质与规律，对于深入了解金属材料各项机械性能指标的本质，充分发挥材料强度的潜力，正确制定和改进金属压力加
2、工工艺，提高产品质量及合理用材等都有重要的意义。本章讨论金属的塑性变形。1. 金属变形的三个阶段金属在外力（载荷）的作用下，首先发生弹性变形。载荷增加到一定值以后，除了发生弹性变形外，同时还发生塑性变形，即弹塑性变形。继续增加载荷，塑性变形也将逐渐增大，直至金属发生断裂。由此可见，金属在外力作用下的变形过程可以分为三个连续的阶段：弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和断裂阶段。拉伸试验测得的低碳钢的应力应变曲线如图 4.1 所示。在工程应用中，应力和应变是按照下式计算的：式中，P 为载荷，A0为试样的原始横截面积，l0为试样的原始标距长度（gaugelength），l 为试样变形后的长度。这样绘出的
3、- 曲线通常称为工程应力工程应变曲线（engineering stress-engineering strain curve），如图 4.1 所示。e为材料的弹性极限（elastic limit），它表示不发生永久变形的最大应力。当应力低于e时，应力与试样的应变成正比，应力去除则变形消失，即试样处于弹性变形阶段，有些零件如枪管、炮筒及精密弹性件等在工作时不允许产生微量塑性变形，设计时应根据弹性极限来选用材料。但应力超过e 后，应力与应变之间的直线关系被破坏，如果卸载，试样的变形只能部分恢复，而保留一部分残余变形，即塑性变形，这说明材料的变形进入弹塑性变形阶段。s为材料的屈服强度（yield s
4、trength），表示金属开始发生明显塑性变形的抗力。对于没有明显屈服点的材料，规定以产生 0.2%残余变形的应力值 0.2为其屈服强度。零件的失效，过量塑性变形往往是其主要原因，所以除了少量要求特别严格的零件设计和选材使用弹性极限e 外，一般零件设计和选材都以屈服强度 s或 0.2为主要依据。当应力超过s后，试样发生明显而均匀的塑性变形，若欲使试样的应变增大，则必须相应地增加应力值，这种随着塑性变形的增大，塑性变形抗力不断增加的现象称为加工硬化（work hardening）或应变硬化（strain hardening）。当应力达到 b 时，试样的均匀变形阶段即告中止，这个最大的应力值 b
5、称为材料的拉伸强度（tensile strength）或极限拉伸强度（ultimate tensile strength），简写为UTS，它表示材料发生最大均匀塑性变形的抗力，是材料受拉时所能承受的最大载荷的应力，也是机件设计和选材的主要依据。在b以后，试样开始发生不均匀塑性变形并形成颈缩（necking），应力下降，最后应力达 k 时，试样断裂。k 称为材料的断裂应力（fracture stress），它表示材料对塑性变形的极限抗力。上述的 e、s、0.2、b和 k为材料的强度指标，塑性（ductility）指标主要有两种： 为延伸率(elongation)，是试样拉断后长度的相对伸长量：式
6、中 l 为试样拉断后的最后标距长度。 为断面收缩率（reduction of area），是试样拉断后横截面的相对收缩值式中 A0为试样断口处的横截面积。 和 反映金属塑性变形的能力，在机件设计中是保证安全性的机械性能指标。2. 弹性变形和塑性变形物体在外力的作用下，会发生形状和尺寸的改变，称为变形。外力除去后能恢复原状的变形，称为弹性变形；外力除去后不能恢复原状的变形，称为塑性变形。金属和合金在外力的作用下既能产生弹性变形，也能产生塑性变形，所以是一种弹塑性物质。2.1 金属的塑性所谓金属的塑性，是指在外力作用下，金属能稳定地发生永久性变形而不破坏完整性的能力。金属的塑性与其晶格类型、化学成
7、分、组织结构、变形温度、应变速率、应力状态等因素有非常密切的关系。金属塑性的大小，可用金属在断裂前产生的最大变形程度来表示，它表示在压力加工时金属塑性变形的限度。2.2 金属塑性变形在外力作用下，金属的形状和尺寸发生变化称为变形。变形包括弹性变形和塑性变形。去掉外力后，变形消失，金属恢复到原来的形状，这样的变形称为弹性变形；去掉外力后，金属不能恢复原来的形状和大小，但金属的连续性没有被破坏，这种变形称为塑性变形。金属发生塑性变形的条件是金属内应力超过一定的数值时，金属晶体的一部分才能相对另一部分发生相对滑移，即发生塑性变形。金属在外力作用下，产生塑性变形时，其流动方向按照一定的规律进行，并遵守
8、以下几个基本定律。（1）剪应力定律 只有当金属内部的剪应力达到一定的数值时，才能发生塑性变形，这个临界数值称为临界剪切应力。临界剪切应力大小取决于金属材料的种类、内部组织和变形条件。（2）体积不变定律 金属在塑性变形时，体积变化量比起整个金属体积来说是微不足道的，因而可忽略不计。可以近似认为，对塑性变形的金属，变形前后体积不变（3）最小阻力定律 当外力作用于金属时，金属有可能向各个方向变形，但最大变形将是向着阻力最小方向。（4）金属塑性变形时存在弹性变形 塑性变形是金属弹性变形达到一定值后才能发生的，金属塑性变形时仍然存在弹性变形。单晶体发生弹性变形的原因是，例如当晶体在拉应力的作用下，使原子
9、离开了原来的平衡位置，原子间距离增大，产生了拉伸变形(图 2.16)。这时由于原子间距离增大，原子间的排斥力便减小，原子间的吸引力必将增大，超过排斥力的吸引力和拉应力平衡。外力除去，新的平衡消失，原子便回到原来的平衡位置，晶体恢复原状。同样；晶体在压应力的作用下，原子间距离缩短，排斥力大于吸引力，与压力建立新的平衡。外力除去，原子便回到原来的平衡位置，晶体恢复原状。单晶体晶格在受到正应力时是不会发生塑性变形的，而是由弹性变形直接过渡到脆性断裂。塑性变形只有在受到剪应力时才会发生，单晶体发生塑性变形的原因是，当晶体征剪应力作用下，剪应力达到；定值时，晶体便由弹性变形(剪切变形)过渡到塑性 a-
10、变形前 b-变形后图 2.16 晶体的弹性变形a-变形前 b-弹性变形 c-塑性变形变形是由于这时原子移动了原子间距离的倍数，移到了新的平衡位置，原子又处于稳定状态，即使外力除去，也不可能使晶体恢复原状了。 工业用的金属和合金都是多晶体，多晶体的变形从实质上说，也是由于在外力的作用下原子离开平衡位置或原子移动到新的平衡位置而产生的结果。但是由于多晶体内每个晶粒的位向不同，原子移动的情况就很复杂。 由材料力学可知，金属材料在外力作用下，随着外力的不断增大，通常首先发生弹性变形，然后发生塑性变形，最后发生断裂。弹性变形时，材料的体积也发生变化。例如处于 100 公斤毫米2的流体压力下，钢体积减小约
11、 0.6，铜体积减小约1.3。塑性变形的同时，必然伴随有弹性变形，后者在卸载后自行消失，这个现象在锻压加工中必须加以考虑。金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成形并获得一定力学性能的加工方法称为塑性成形，也称塑性加工或压力加工。金属塑性成形有如下的特点：与其他加工方法（如铸造、焊接、切削加工等）相比，金属塑性成形有组织和性能好（例如，钢锭存在内部组织疏松多孔，且晶粒大小不均匀等多种缺陷，经塑性成形后，其组织结构致密，性能提高。90以上的铸钢锭都要经过塑性加工，制成各种所需要的型材和零件）；材料利用率高；尺寸精度高（例如，精密模锻的锥齿轮，其齿形部分可以不经切削而直接使用；精锻叶片的复杂
12、曲面可达到只需磨削的精度）；生产效率高，适于大批量生产等特点。2.3金属塑性成形的分类按照成形的特点，一般将金属的塑性成形分为块料成形（或体积成形）和板料成形两大类。（1）块料成形 块料成形是在成形过程中靠体积转移和分配来实现的，它又可分为一次加工和二次加工。一次加工是冶金工业领域生产原材料的加工方法，可提供型材、板材、管材、线材等。其加工方法包括轧制、挤压和拉拔。由于成形过程中，变形区的形状不随时间而变化，所以这种加工方法属于稳定变形过程，适于连续的大批量生产。轧制是将金属坯料通过两个旋转轧滚间的特定空间使其产生塑性变形，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。这是把大截面材料变为小截面材料常
13、用的方法。轧制可分为纵轧、横轧和斜轧。利用这种方法可生产出型材、板材和管材。挤压是在大截面坯料的后端施加一定的压力，将金属坯料通过一定形状和尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得截面形状与模孔形状相同的小截面坯料或零件的塑性成形方法。挤压又分为正挤压、反挤压和复合挤压。因为挤压是在三向压应力状态下成形的，所以更适合于低塑性材料生产型材、管材和零件。拉拔是在金属坯料的前端施加一定的拉力，使金属坯料通过一定形状和尺寸的模孔，产生塑性变形，以获得与模孔形状和尺寸相同的小截面坯料的塑性成形方法。用这种方法可以获得各种截面的棒材、管材和线材。二次加工是为机械制造工业领域提供零件或坯料的加工方法。这种加工方法
14、包括自由锻和模锻，通称为锻造。在锻造过程中，变形区随着时间不断变化，属于非稳定性塑性变形过程，适于间歇性生产。自由锻是在锻锤或水压机上，利用简单的工具将金属坯料锻成所需形状和尺寸的加工方法。自由锻时不使用专用工具，因而锻件的尺寸精度低，生产率也不高，主要用于单件、小批量生产或大锻件的生产。模锻是将金属坯料放入与成品形状和尺寸相同的膜膛中，在压力作用下使坯料发生塑性变形，以获得与模膛形状和尺寸相同的坯料或零件的加工方法。模锻又分为开式模锻和闭式模锻。由于金属的塑性变形受模具的控制，因而模锻件具有相当精确的外形和尺寸，也有相当高的生产率，适合于大批量生产。（2）板料成形 板料成形一般称为冲压，它是
15、对厚度较小的板材，利用专门的模具，使金属产生塑性变形，从而获得所需要的形状与尺寸的零件或坯料的加工方法。冲压可进一步分为分离工序和成形工序两类。分离工序用于使冲压件沿一定的轮廓与板料分离，如冲裁、剪切等工序；成形工序用来使坯料在不破坏的条件下发生塑性变形，成为具有要求形状和尺寸的零件，如弯曲、拉深等工序。塑性成形按照加工时工件的温度可分为热成形、冷成形和温成形。热成形是在充分进行再结晶的温度以上所进行的塑性加工，如热轧、热锻、热挤压等。冷成形是在不产生回复和再结晶的温度以下进行的塑性加工，如冷轧、冷冲压、冷挤压、冷锻等。温成形是在介于冷、热成形之间温度下进行的塑性加工，如温锻、温挤压等。2.4单晶体的塑性变形当金属中的应力超过其弹性极限时，金属将产生塑性变形。实验表明，单晶体的塑性变形主要是通过滑移（slip）和孪生（twin）两种方式进行的，其中滑移是最主要的变形方式。2.4.1滑移单晶体受拉时，外力在任何晶面上都可以分解为正应力和切应力。其中正应力只能引起正断，不能引起塑性变形，而只有在切应力的作用下才能产生塑性变形。在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面（滑移面（slip plane）的一定晶向（滑移方向（slip direction）相对于另一部分发生滑动的现象称为滑移，如图 4.2
