第四章塑性成形理论基础

）对金属性能的影响
随着变形程度的增加，金属强度、 硬度增加，而塑性、韧性降低。
金属的性能将显示各向异性 。
图 号钢力学性能与变形程度的关系曲线
§金属热态下的塑性变形
热塑性变形时软化过程
（）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。 （）动态再结晶
图 外力、内力和应力
（）应力
单位面积的内力，称为应力。
定义：
S lim F dF F0 A dA
为点的全应力。
问题:
①如何完整地描述变形体内一点的 受力情况也即应力状态呢？
②一点的应力状态是标量？矢量？
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。
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。冷变形金属加热时组织和性能的 变化如图（－）
图 冷变形金属加热时组织和 性能的变化
（）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。
材
料
成
材料成形技术基础
形 技
章塑性成形理论基础
术
基
础
§金属冷态下的塑性变形
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。
；
图 斜切微分面上的应力
Fx 0 Fy 0 Fz 0
由静力S平x 衡条xl 件 yxm zx、n
、
Sy xyl ym zyn（）
Sz 又有：S 2
xzl
Sx2

yz
S
2 y
m

Sz2
z
n

可得： （）
图 螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意
图 面心立方晶体孪生变形示意
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。
冷塑性变形特点
（）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 粒,错而源是开在动晶,但界其处中塞的积位。错位却错无塞法积移产出生此的晶应 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。
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 们对金属基体的削弱作用。
）对性能的影响 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。
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。
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 可导出剪应力互等关系式：
xy yx； yz zy ； zx xz
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。
应力分量用符号σ （、、、）表 示，使下角标、分别依次等于、、， 即可得到九个应力分量，表示成矩 阵形式为：
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。
热塑性变形的主要机理仍然是晶 内滑移；由于晶界滑动和扩散蠕变作 用的增加，再加之变形时会产生动态 回复和再结晶。因此，热态下金属塑 性变形能力比冷态下高，变形抗力较 低。
（）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
cos cos
图 晶体滑移时的应力分析
晶体的滑移过程，实质上是位 错的移动和增殖的过程。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，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。
图 刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意
）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。
图 单元体的受力情况 ）物体内的单元体 ）单元体上的应力状态
图为热轧和热挤时，动、静态回复和 再结晶的示意图。
图 动、静回复和再结晶示意
热塑性变形机理
变形机理主要有：晶内滑移与孪 生、晶界滑移和扩散蠕变。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。
Sx ;l Sy ; m Sz n
将式（）代入上列诸式，经整理后可得:
（）
( x )l yxm zxn 0
xyl y m zyn 0

xzl

yz m


z


2 (n) 2 1
（）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。 （）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。
冷塑性变形对组织与性能的影响
）对金属组织的影响
（）在晶粒内部出现滑移带和孪生带等组织 （）形成了纤维组织
冷加工变形后，金属晶粒形状 发生了变化，变化趋势大体与金属 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。
（）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”。
材料成形技术基础
§ 塑性成形的力学基础
点的应力状态分析 )基本概念—外力、内力和应力 （）外力
变形体所受外力可分为两类：一类是体积力， 如重力、磁力和惯性力等。另一类是作用在变 形体表面上的表面力，它包括工模具对变形体 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。
式（）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:
3 J1 2 ()J2 J3 0
式中：
J1 x y z J2 ( x y y z z x ) xy2 yz2 zx2
ij yxx
xy y

xz yz




x
xy y
xz

yz

zx zy z
z
）主应力和应力张量不变量
（）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σ、σ、σ表示，而相应的三个 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。
（）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。
变形体受外力系、、…的作用处于平 衡状态。体内有任意点，过作一法线 为的平面，将物体切开移去上半部。 面即可看成是下半部的外表面，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。
动态再结晶是在热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。
（）静态回复 在较低的温度下、或在较早阶段发生转变的
过程成为静态回复。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。
（）静态再结晶 在再结晶温度以上，金属原子有更大的活动
Sxl Sym Szn
xl2 ym2 zn2 2( xyl（m ） yzmn zxnl) （）
1
S 2 2 2
假定图中法线方向余弦为、、的斜 切微分面正好就是主平面，面上的剪 应力τ，则由式（）可得σ。于是主 应力σ在三个坐标正方向上的投影 、 、 分别为:
图 丝织 构示意图 ）拉拔前 ）拉拔后
图 板织构示意 ) 轧制前 ）轧制后
图 因板织构所造成的“制耳” ) 无制耳 ) 有制耳
（）晶粒内产生胞状亚结构
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～增 加到～。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。
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。
图 钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意
（）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
图 扩散蠕变示意 ）空位和原子的移动方向 ）晶内扩散 ）晶界扩散
热塑性变形对金属组织和性能的影响 ）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。
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σ即表示面上平行于轴的 正应力分量，简写为σ；两个下角标 不同的是剪应力分量，例如τ即表示 面上平行于轴的剪应力分量。
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。
已知单元体的应力状态为：
ij yxx
xy y

xz yz




x
xy y
xz

yz

zx zy z
z
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，的方向 余弦为：
l cos(N, x) m cos(N, y) n cos(N, z)

J3


x
y z

2 xy
yz zx

(
x
2 yz

y
2 zx


z
xy