第03讲 金属塑性成型的物理基础
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金属塑性成形
02
金属塑性成形的原理
金属塑性变形的物理基础
01
金属塑性变形的基本概念
金属塑性成形是通过外力作用使金属材料发生塑性变形，从而获得所需
形状和性能的过程。
02
金属的晶体结构与塑性变形
金属的晶体结构是影响其塑性变形行为的重要因素。金属的晶体结构决
定了其塑性变形的机制和特点。
03
温度对金属塑性变形的影响
塑性成形过程中的缺陷与控制
在塑性成形过程中，由于各种因素的影响，可能会出现裂纹、折叠、夹杂等缺陷。为了获得高质量的产 品，需要了解这些缺陷的形成原因，并采取相应的措施进行控制和预防。
03
金属塑性成形的方法
自由锻成形
总结词
自由锻成形是一种金属塑性加工方法，通过锤击或压力机等 工具对金属坯料施加外力，使其发生塑性变形，从而获得所 需形状和尺寸的金属制品。
随着科技的发展，精密金属塑性成形技术逐渐兴起，如精密锻造、精密轧制、精密冲压等 ，这些技术能够制造出更高精度、更复杂形状的金属零件。
数值模拟与智能化技术
近年来，数值模拟与智能化技术在金属塑性成形领域得到了广泛应用，通过计算机模拟技 术可以对金属塑性成形过程进行模拟分析，优化工艺参数，提高产品质量和生产效率。同 时，智能化技术的应用使得金属塑性成形过程更加自动化和智能化。
详细描述
挤压成形适用于生产各种复杂形状的管材、棒材和异型材等。由于其能够实现连续生产，因此具有较 高的生产效率。但挤压成形对设备和操作技术要求较高，且对原材料的表面质量、尺寸精度和化学成 分等要求严格。
拉拔成形
总结词
拉拔成形是一种金属塑性加工方法，通 过拉拔机对金属坯料施加拉力，使其发 生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸 的金属制品。
金属塑性成形课件
2023-11-06•金属塑性成形概述•金属塑性成形工艺•金属塑性成形设备•金属塑性成形技术的发展趋势•金属塑性成形过程中的缺陷与质量控制目•金属塑性成形实例分析录01金属塑性成形概述金属塑性成形是一种使金属材料发生塑性变形，以获得所需形状、尺寸和性能的加工方法。
金属塑性成形广泛应用于机械制造、航空航天、汽车、电子等领域，是一种重要的材料加工技术。
金属塑性成形的定义金属塑性成形可以制造出复杂形状的零件，并且能够获得较高的精度和表面质量。
与切削加工相比，金属塑性成形具有更高的材料利用率和更低的能耗。
金属塑性成形过程中材料的变形是均匀的，因此可以避免应力集中和裂纹等缺陷。
金属塑性成形的特点03金属塑性成形的基本原理包括应力状态、屈服准则、塑性流动规律等。
金属塑性成形的基本原理01金属塑性成形的原理是基于金属的塑性变形规律，即在外力作用下，金属材料会发生形状和尺寸的变化。
02在金属塑性成形过程中，材料的变形受到应力状态、变形温度、变形速度等因素的影响。
02金属塑性成形工艺自由锻工艺自由锻是利用冲击力或静压力使金属坯料变形，并施加外力将其锻造成所需形状和尺寸的锻造方法。
定义特点流程应用自由锻具有较大的灵活性，可以生产形状各异的锻件，但生产效率较低，适用于单件或小批量生产。
自由锻的流程包括坯料准备、加热、变形和锻后冷却。
自由锻主要用于大型锻件和难变形材料的加工，如轴、轮毂、法兰等。
模锻工艺模锻是利用模具使金属坯料变形，并施加外力将其锻造成所需形状和尺寸的锻造方法。
定义模锻具有较高的生产效率，且能获得较为精确的形状和尺寸，但模具制造成本较高。
特点模锻的流程包括坯料准备、加热、放入模具、变形、锻后冷却和修整。
流程模锻广泛应用于中小型锻件的生产，如齿轮、轴套、法兰等。
应用板料冲压工艺板料冲压是利用冲压机将金属板料变形，并施加外力将其冲制成所需形状和尺寸的加工方法。
定义板料冲压具有较高的生产效率，且能获得较为精确的形状和尺寸，但模具对材料的厚度和硬度有一定要求。
金属塑性成形原理金属塑性变形的物理基础PPT课件
• 较强相体积分数达到30%，两相以接近于相等的应变发生变形
• 较强相体积分数高于70%，该相变为基体相
第45页/共97页
弥散型两相合金的塑性变形
当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相
中时，将产生显著的硬化现象
•
沉淀强化（时效强化）：第二相微粒是通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化
•
相协调。
第39页/共97页
二、塑性成形的特点
❖
❖
❖
受晶界和晶粒位向的影响较大
多晶体塑性变形的抗力比单晶体高；
多晶体内晶粒越细，晶界总面积就越大，金属强度越高，塑性越好。
多晶体变形不均匀性
晶粒受位向和晶界的约束，变形先后不一致，导致变形不均匀。
由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间存在不同的内应力，变形结束后不会
交滑移
• 对于螺型位错，所有包含位错线的晶面都可能成为滑移面。
• 交滑移：螺形位错的柏氏矢量具有一定的灵活性，当滑移受阻是，可离开原滑移
面而沿另一晶面继续移动
• 双交滑移：发生交滑移的位错，滑移再次受阻，而转到与第一次的滑移面平行的
的晶面继续滑移
• 刃型位错不可能产生交滑移
第31页/共97页
位错塞积
原子能量随位置的变化为一余弦函数。
❖ 通过计算晶体的临界剪切应力，并与实际的临界
剪切应力进行比较，人们发现，理论计算的剪切
强度比实验所得到的剪切强度要高一千倍以论
为了解释这种理论值和实际值的差别，1934年泰
勒（）、奥罗万（E.Orowan）、和波兰伊
（M.Polanyi）几乎在同一时间内，分别提出了位
当退火状态的低碳钢试样拉伸到超过屈服点发生少量塑性变形
• 较强相体积分数高于70%，该相变为基体相
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弥散型两相合金的塑性变形
当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相
中时，将产生显著的硬化现象
•
沉淀强化（时效强化）：第二相微粒是通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化
•
相协调。
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二、塑性成形的特点
❖
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受晶界和晶粒位向的影响较大
多晶体塑性变形的抗力比单晶体高；
多晶体内晶粒越细，晶界总面积就越大，金属强度越高，塑性越好。
多晶体变形不均匀性
晶粒受位向和晶界的约束，变形先后不一致，导致变形不均匀。
由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间存在不同的内应力，变形结束后不会
交滑移
• 对于螺型位错，所有包含位错线的晶面都可能成为滑移面。
• 交滑移：螺形位错的柏氏矢量具有一定的灵活性，当滑移受阻是，可离开原滑移
面而沿另一晶面继续移动
• 双交滑移：发生交滑移的位错，滑移再次受阻，而转到与第一次的滑移面平行的
的晶面继续滑移
• 刃型位错不可能产生交滑移
第31页/共97页
位错塞积
原子能量随位置的变化为一余弦函数。
❖ 通过计算晶体的临界剪切应力，并与实际的临界
剪切应力进行比较，人们发现，理论计算的剪切
强度比实验所得到的剪切强度要高一千倍以论
为了解释这种理论值和实际值的差别，1934年泰
勒（）、奥罗万（E.Orowan）、和波兰伊
（M.Polanyi）几乎在同一时间内，分别提出了位
当退火状态的低碳钢试样拉伸到超过屈服点发生少量塑性变形
第三章 金属塑性变形的物理基础
（1）塑性的基本概念
什么是塑性？ 塑性是金属在外力作用下产生永久变形 而不破坏其完整性的能力。
塑性与柔软性的区别是什么？ 塑性反映材料产生永久变形的能力。 柔软性反映材料抵抗变形的能力。
塑性与柔软性的对立统一
铅---------------塑性好，变形抗力小
不锈钢--------塑性好，但变形抗力高 白口铸铁----塑性差，变形抗力高
塑性指标的测量方法
拉伸试验法 压缩试验法 扭转试验法 轧制模拟试验法
拉伸试验法
Lh L0 100%
L0 F0 Fh 100%
F0
式中：L0——拉伸试样原始标距长度； Lh——拉伸试样破断后标距间的长度； F0——拉伸试样原始断面积； Fh——拉伸试样破断处的断面积
%
晶粒5 晶粒4 晶粒3
晶粒2
晶粒1
位置，mm
图5-6 多晶铝的几个晶粒各处的应变量。 垂直虚线是晶界，线上的数字为总变形量
四、合金的塑性变形
单相固溶体合金的变形 多相合金的变形
§3. 2 金属塑性加工中组织和性能变化 的基本规律
一、冷塑性变形时金属组织和性能的变化 二、热塑性变形时金属组织和性能的变化
2200
N/mm2
图4-6 正压力对摩擦系数的影响
0.5
μ
0.4
0.3
0.4
0.2 0.2
0.1
0
℃
200
400
600
800
图4-7 温度对钢的摩擦系数的影响
0
400
600
800 ℃
图4-8 温度对铜的摩擦系数的影响
测定摩擦系数的方法
夹钳轧制法 楔形件压缩法 塑性加工常用摩擦系数 圆环镦粗法
金属塑性成形原理(3-1,3-2,3-3)
3、应力椭球面：
在主轴坐标系中点应力状态的几何表达。 几何含义： 主半轴长度分别为1 2 3 的应力椭球面； 物理含义： 1）主轴坐标系中，对于一个确定的应力状态，任 意斜切面上的全应力矢量S的端点必在椭球面上； 2）一点应力状态中，三个主应力中的最大值、最 小值也是过该点所有截面上应力的最大和最小值 讨论： a）单向应力状态 b）两向应力状态 c）圆柱应力状态 d）球面应力状态
第二节 应变分析
一、应变及其分量 单元体的变形分为： 1）棱边长度的变化（正应变，线应变）； 2）棱边所夹角度的变化（切应变，剪应变） 1、名义应变（相对应变，工程应变）及其分量 正应变：单位长度的改变量 x ,y ,z 伸长为正，缩短为负； 切应变：单位长度上的偏移量或两棱边夹角的 变化量 夹角减小为正，增大为负； xy , yz , zx
2 2 2 Sn S x Sy Sx Si Si
(i x, y, z )
n S x l x S y l y S z l z ij li l j
2 2 n Sn n
(i, j x, y, z)
四、主应力、应力张量不变量
1、主应力 主应力：切应力为零的微分面上的正应力分量称主应力 主平面：可以找到三个相互垂直的面，其上只有正应 力，无切应力，这样的微分面称主平面。 应力主轴：主平面的法线方向，即主应力的方向，称为 应力主方向或者应力主轴。
九、 平面应力状态和轴对称应力状态
1、平面应力状态 特点：1）变形体内各质点在与某一方向（如Z轴）垂直的平 面上没有应力作用，即 zx zy z 0 2）z轴是一个主方向 3）应力分量与z轴无关，即对z轴的偏导数为零。
平面应力状态下的应力摩尔圆
03第三章 金属塑性变形的力学基础 金属塑性成型原理课件
练习：受力物体内一点的应力张量σij ，试求法线方 向余弦未l＝m＝1/2，n=1/√2的斜切平面上的全应力、
正应力和切应力
z
C Sz x
S
yx
y
xy yz Sz
xz
zy
zx
B
Sy
y
A
x
z
50 50
ij 50 0
80 75
80
75
30
z
C Sz x
S
yx
y
xy yz Sz
xz
zy
物体受力变形的力学分析
已知：外力、位移边界条件 求解：应力 、位移、应变
外部载荷
应力
应力平衡微分方 程
屈服准则
应力应变曲线
弹性应力应变关系
塑性应力应变关系
协调方程
应变
位移
几何方程
位移约束
弹性、塑性变形的力学特征
➢ 可逆性：弹性变形—可逆；塑性变形—不可逆
➢ -关系：弹性变形—线性；塑性变形—非线性
根据点的应力状态方程
Sxl Sym Szn
... xl2 ym2 zn2 2 xylm yzmn zxnl
... 60MPa
S 2 2 58MPa
三、张量和应力张量 （一）张量的基本知识 1.角标符号 2.求和约定 在算式的某一项中，如果有某个角标重复出现，就表 示要对该角标自1～m的所有元素求和。例如，
正应力是以拉为正，压为负； 切应力在单元体是均是正
二、点的应力状态
点的应力状态指：受力物体内一点任意方位微分面上 所受的内力情况。
z
设斜微分面ABC的外法线方向
N 为N，其方向余弦分别为l、m、
第三章金属塑性成形精要
V0=dxdydz。小变形时，认为单元体边长和 体积变化完全由正应变引起。因此变形后 单元体的体积为：
V1 (1 x )dx(1 y )dy(1 z )dz
(1 x y z )dxdydz
单元体积变化率为：
V1 V0 V0
x
y
z
塑性变形时，虽然体积也有微量变化，但
与塑性变形相比很小，忽略不计。一般认为塑
• 优点： (1)组织细化致密、力学性能提高 (2)体积不变的材料转移成形，材料利用率高 (3)生产率高，易机械化、自动化 (4)制品精度较高
• 缺点 (1)不能加工脆性材料 (2)难以加工形状特别复杂（特别是内腔）、体积 特别大的制品 (3)设备、模具投资费用高
3.2 塑性成形类型
3.3 基本规律
➢最小阻力定律 Least Resistance
• 金属塑性变形中， 各质点向阻力最 小方向移动
➢临界切应力定律 Critical Shear Stress
晶体滑移的驱动力是 外力在滑移系上的分切 应力。只有当滑移系上 分切应力(τ)达到一定值 时，则该滑移系才能开 动。
τ= （F/S）COSΦ·COSλ
/
3
。于是，密塞斯屈服准则的数学
表达式为:
( x
y
)2
(
y
z )2
( z
x )2
6(
2 xy
2 yz
2 zx
)
2
2 s
Байду номын сангаас
(1
2 )2
( 2
3)2
( 3
1)2
2
2 s
密塞斯屈服准则的物理意义：
将上式两边各乘以 1 ，于是得：
6E
V1 (1 x )dx(1 y )dy(1 z )dz
(1 x y z )dxdydz
单元体积变化率为：
V1 V0 V0
x
y
z
塑性变形时，虽然体积也有微量变化，但
与塑性变形相比很小，忽略不计。一般认为塑
• 优点： (1)组织细化致密、力学性能提高 (2)体积不变的材料转移成形，材料利用率高 (3)生产率高，易机械化、自动化 (4)制品精度较高
• 缺点 (1)不能加工脆性材料 (2)难以加工形状特别复杂（特别是内腔）、体积 特别大的制品 (3)设备、模具投资费用高
3.2 塑性成形类型
3.3 基本规律
➢最小阻力定律 Least Resistance
• 金属塑性变形中， 各质点向阻力最 小方向移动
➢临界切应力定律 Critical Shear Stress
晶体滑移的驱动力是 外力在滑移系上的分切 应力。只有当滑移系上 分切应力(τ)达到一定值 时，则该滑移系才能开 动。
τ= （F/S）COSΦ·COSλ
/
3
。于是，密塞斯屈服准则的数学
表达式为:
( x
y
)2
(
y
z )2
( z
x )2
6(
2 xy
2 yz
2 zx
)
2
2 s
Байду номын сангаас
(1
2 )2
( 2
3)2
( 3
1)2
2
2 s
密塞斯屈服准则的物理意义：
将上式两边各乘以 1 ，于是得：
6E
第03章 第01节 应力分析
斜微分面上应力
2、预备知识
设斜面的面积为dF，截面在 三个坐标轴上的投影分别为： x面、y面、z面。
x面 dAx——ldF
y面 dAy——mdF z面 dAz——ndF
D
m
斜微分面上应力
3、求解 斜面全应力S及沿三轴分量Sx,Sy,Sz，由ΣFx=0
sx dF x dAx yxdAy zx dAz 0
物体在塑性变形前后的体积不变。
关键基本条件
塑性力学基本假设
基本研究内容
应力分析
本构方程
应变分析
屈服准则
应力基本概念
外力和内力 作 用 力 面力 反作用力 摩 擦 力 重 体力 力
外力
力
内力
惯 性 力
知识背景
NWPU
应力的提出
位面积上的作用力 F A
一般受力状态下的应力
三维空间一点的应力状态
4、分量的方向 正应力的符号与材料力学规定相同，即拉应力为 正、压应力为负。切应力不同。 正面：外法线指向坐标轴的正向的面 负面：外法线指向坐标轴的反向的面 正面上：沿轴正向的切应力分量为正， 沿轴反向的切应力分量为负； 负面上：沿轴反向的切应力分量为正，
沿轴正向的切应力分量为负。
三维空间一点的应力状态
1、思想方法 表示任意截面的应力；（无限） 特殊截面应力分量。 （有限）
三维空间一点的应力状态
2、应力分量
特殊截面：过变体内 任意点Q切取矩形单 元体，且置于x,y,z坐 标中,棱边分别平等 于x,y,z轴，取矩形单 元体中三个相互垂直 的面为特殊截面。
三维空间一点的应力状态
方便数学处理
（求导和函数处理）
塑性力学基本假设
金属塑性成形课件
要点一
要点二
高强度材料加工
挤压和拉拔适用于高强度材料的加工，如高强度钢、钛合金等，可以获得高精度、高质量的制品。
模具成本高
挤压和拉拔使用的模具制造较为复杂，成本较高，同时生产效率较低。
要点三
连续变形加工
锻造和轧制是两种连续变形加工的方法，锻造是通过冲击、静压等手段将金属坯料变形，而轧制则是将金属坯料放入轧辊中，通过旋转轧辊使金属变形并获得所需形状和尺寸的制品。
确定合理的变形程度，以充分利用材料的塑性潜力，同时避免材料开裂和变形过大。
合理控制应变速率，以实现材料的均匀变形和避免局部过快变形。
03
工艺参数的选择和控制
02
01
成形过程的模拟和仿真
模拟软件选用
选择适合的数值模拟软件，如有限元法或有限差分法等，对成形过程进行仿真和分析。
模拟精度控制
根据实际需要，提高模拟精度，以更准确地预测成形过程中的各种问题和缺陷。
成形方案优化
通过模拟和仿真，优化成形方案，提高生产效率和产品质量。
01
03
02
根据产品的特点和成形工艺的要求，选择适合的检测方法，如力学性能测试、金相分析、X射线检测等。
产品质量的检测和分析
检测方法选择
对检测结果进行误差分析，找出影响检测结果的主要因素，提出相应的控制措施。
误差分析和控制
根据产品质量检测结果，对产品结构进行优化，提高产品质量和使用性能。
产品结构优化
设备升级改造
针对成形过程中的设备和工艺装备进行升级改造，提高设备的自动化程度和生产效率。
工艺流程优化
通过对成形过程的各阶段进行全面分析，找出瓶颈和不足之处，提出相应的优化措施。
节能减排措施
采取节能减排措施，降低成形过程中的能源消耗和环境污染，实现绿色生产。
要点二
高强度材料加工
挤压和拉拔适用于高强度材料的加工，如高强度钢、钛合金等，可以获得高精度、高质量的制品。
模具成本高
挤压和拉拔使用的模具制造较为复杂，成本较高，同时生产效率较低。
要点三
连续变形加工
锻造和轧制是两种连续变形加工的方法，锻造是通过冲击、静压等手段将金属坯料变形，而轧制则是将金属坯料放入轧辊中，通过旋转轧辊使金属变形并获得所需形状和尺寸的制品。
确定合理的变形程度，以充分利用材料的塑性潜力，同时避免材料开裂和变形过大。
合理控制应变速率，以实现材料的均匀变形和避免局部过快变形。
03
工艺参数的选择和控制
02
01
成形过程的模拟和仿真
模拟软件选用
选择适合的数值模拟软件，如有限元法或有限差分法等，对成形过程进行仿真和分析。
模拟精度控制
根据实际需要，提高模拟精度，以更准确地预测成形过程中的各种问题和缺陷。
成形方案优化
通过模拟和仿真，优化成形方案，提高生产效率和产品质量。
01
03
02
根据产品的特点和成形工艺的要求，选择适合的检测方法，如力学性能测试、金相分析、X射线检测等。
产品质量的检测和分析
检测方法选择
对检测结果进行误差分析，找出影响检测结果的主要因素，提出相应的控制措施。
误差分析和控制
根据产品质量检测结果，对产品结构进行优化，提高产品质量和使用性能。
产品结构优化
设备升级改造
针对成形过程中的设备和工艺装备进行升级改造，提高设备的自动化程度和生产效率。
工艺流程优化
通过对成形过程的各阶段进行全面分析，找出瓶颈和不足之处，提出相应的优化措施。
节能减排措施
采取节能减排措施，降低成形过程中的能源消耗和环境污染，实现绿色生产。
金属塑性成形的物理基础
• 晶 胞：晶体中能反映晶格特征的最基本的几何单 元。
• 晶格常数(点阵常数):晶胞的各边尺寸,即原子间距.
• 各种晶体的主要差别,就在于晶格形式和晶格常数 的不同.
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金属塑性成形的物理基础
实际金属的晶体结构
• 单晶体：位向相同的一群同类型晶胞聚合 在一起，组成单晶体。
• 单晶体由于不同晶面和晶向上原子排列不 同，使原子的密度和原子间的结合力强弱 不同，因而在不同方向上其机械、物理和 化学性能不同，称为晶体的各向异性。
• 自然界所有固体金属和合金都是晶体。
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金属塑性成形的物理基础
• 晶体内原子在空间的规则排列，成为空间点阵。
• 为了描述晶体内原子排列的状况，通常用直线将 各原子中心连接起来，构成一空间格子，即假想 处于平衡状态的各原子都位于该空间格子的各个 结点上。
• 晶 格：描述晶体内原子排列形式的空间格子，简 称晶格。
成形力、功的大小是正确选用设 备和设计模具的依据；对成形力影 响因素的分析可减小成形力，节约 能耗；应力场确定对分析工件内部 裂纹产生和空洞愈合是必不可少的。
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金属塑性成形的物理基础
3)金属的变形特点和流动规律 —位移场、应变场、速度场
研究金属的变形特点和流动规律 是合理选择原始毛坯、设计中间毛 坯及模具模膛形状的依据；分析和 控制工件内部性能，内在质量和最 终形状的依据。这是塑性成形的又 一基本问题。
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金属塑性成形的物理基础
一般情况下，滑移并非沿任意晶面 和晶向发生，而是沿该晶体中原子 排列最紧密的晶面和晶向发生。
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•滑移面示意图
金属塑性成形的物理基础
二、滑移系 通常每一种晶格有几个可能产生滑移的晶面，即同
• 晶格常数(点阵常数):晶胞的各边尺寸,即原子间距.
• 各种晶体的主要差别,就在于晶格形式和晶格常数 的不同.
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金属塑性成形的物理基础
实际金属的晶体结构
• 单晶体：位向相同的一群同类型晶胞聚合 在一起，组成单晶体。
• 单晶体由于不同晶面和晶向上原子排列不 同，使原子的密度和原子间的结合力强弱 不同，因而在不同方向上其机械、物理和 化学性能不同，称为晶体的各向异性。
• 自然界所有固体金属和合金都是晶体。
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金属塑性成形的物理基础
• 晶体内原子在空间的规则排列，成为空间点阵。
• 为了描述晶体内原子排列的状况，通常用直线将 各原子中心连接起来，构成一空间格子，即假想 处于平衡状态的各原子都位于该空间格子的各个 结点上。
• 晶 格：描述晶体内原子排列形式的空间格子，简 称晶格。
成形力、功的大小是正确选用设 备和设计模具的依据；对成形力影 响因素的分析可减小成形力，节约 能耗；应力场确定对分析工件内部 裂纹产生和空洞愈合是必不可少的。
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金属塑性成形的物理基础
3)金属的变形特点和流动规律 —位移场、应变场、速度场
研究金属的变形特点和流动规律 是合理选择原始毛坯、设计中间毛 坯及模具模膛形状的依据；分析和 控制工件内部性能，内在质量和最 终形状的依据。这是塑性成形的又 一基本问题。
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金属塑性成形的物理基础
一般情况下，滑移并非沿任意晶面 和晶向发生，而是沿该晶体中原子 排列最紧密的晶面和晶向发生。
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•滑移面示意图
金属塑性成形的物理基础
二、滑移系 通常每一种晶格有几个可能产生滑移的晶面，即同
金属塑性成形原理课件
于过热、过烧等原因，塑性又会急剧下降，此 称高温脆区(区域Ⅳ)。
温度升高使金属塑性增加的原因，归纳起来有 以下几个方面： 1) 发生回复或再结晶：回复使金属得到一定 程度的软化，再结晶则完全消除了加工硬化的效 应，因而使金属的塑性提高。 2) 原子动能增加，使位错活动性提高、滑移 系增多，从而改善了晶粒之间变形的协调性。 3) 金属的组织、结构发生变化，可能由多相 组织转变为单相组织，也可能由对塑性不利的晶 格转变为对塑性有利的晶格。
第一章
金属塑性成形的物理基础
课程基本任务：
阐明金属在塑性成形时的共同性，即研究和探讨金 属在各种塑性加工过程中可遵循的基础和规律。
课程的目的：
科学地、系统地阐明这些基础和规律，为学习后续 的工艺课程做理论准备，也为合理制订塑性成形工艺 规范及选择设备、设计模具奠定理论基础。
绪论：金属材料的基本加工方法
应变速率
□ 应变速率对塑性影响的结论
不同的应变速率大小影响不同； 化学成分越复杂或合金元素含量越高，率敏感性越 高； 对有脆性转变金属，视是否避开脆性区而定； 增大应变速率，降低摩擦系数；减少热量损失；提高 惯性流动效应； 非常高的应变速率大大提高金属的塑性
(5) 应力状态对金属塑性的影响
包括轧制、挤压和拉拔等。
△ 轧制：轧制是将金属坯料通过两个旋转轧辊
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。
轧制原理示意图
△ 挤压：挤压是在大截面坯料的后端施加一定的
压力，将坯料通过模孔使其产生塑性变形，以获 得符合模孔截面形状的小截面坯料的成形方法。 挤压又分正挤压、反挤压和正反复合挤压。
2) 晶粒度的影响 晶粒越细小，金属的塑性也越好。 因为在一定的体积内，细晶金属的晶粒数比 粗晶粒金属的多，因而塑性变形时位向有利的晶 粒也较多，变形能较均匀地分散到各个晶粒上。 3) 晶格类型的影响 面心立方金属塑性最好，如铝、铜和镍等； 体心立方次之，如钒、钨、钼等； 密排六方塑性最差，如镁、锌、钛等。
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金属的超塑性变形 超塑性成型的概念和方法 超塑性对金属组织和性能的影响
超塑性成型的概念 超塑性的概念
塑性是金属及合金的一种重要状态属性，其影响因素 相当复杂。若综合考虑变形时金属的内外部因素，使其处 于特定的条件下，如一定的化学成分、特定的显微组织及 转变能力、特定的变形温度和应变速率等，则金属会表现 出异乎寻常的高塑性状态，即所谓超塑性变形状态。
1、弥散强化：强度提高、 塑性影响不大 2、高合金钢：塑性明显降低 高温成形不能完全形成奥氏体。
影响金属材料塑性的因素
合金元素
固溶体合金 硬化相合金 杂质合金 多相合金 铸态合金 低熔点合金
钼、镍：加强热脆性
锰、钛、铌：抑制热脆性
影响金属材料塑性的因素
合金元素
2、硫元素的存在使得碳钢易于产生 A、热脆性 B、冷脆性 C、兰脆性
。 D、氢脆
3、磷元素的存在使得碳钢易于产生 。 A、热脆性 B、冷脆性 C、兰脆性
D、氢脆
4. 常用的金属塑性评价指标包括 ▁▁▁▁▁▁▁▁ 、 ▁▁▁▁▁▁▁▁ ▁▁▁▁▁▁▁▁ 、 ▁▁▁▁▁▁▁▁ 等。
谢
谢
柔软性的概念
柔软性反映材料抵抗变形的能力。
塑性加工工艺性
材料适应塑性加工的能力。
金属材料的塑性指标
金属塑性表示方法：
延伸率 断面收缩率 最大压缩率 扭转角（或扭转数）
Lh L0 L0
100%
F0 Fh F0
100%
H0 H H0
h
100%
金属材料的塑性指标
金属塑性成型原理
第二章 金属塑性变形的物理基础
第二讲 金属的塑性
金属塑性变形的物理基础
主要内容
金属的常规塑性 金属的超塑性
金属的常规塑性
塑性的基本概念 金属材料的塑性指标 影响金属材料塑性的因素 改进金属材料塑性的措施
塑性的基本概念
塑性的概念
塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性 的能力。
化学成分
组织影响 温度影响 变形速度 力学条件 其他因素
影响金属材料塑性的因素 化学成分——C的影响
影响金属材料塑性的因素
化学成分---非金属元素
P S N H O
温度较高时，P固溶于铁，影响不大；（1-1.5%） 温度较低时，引起脆性，（冷脆性）.（0.3%） Fe_FeS熔点较低， 985℃； 锻造时液化，开裂，称为热脆性。 低温过饱和，时效析出。时效脆性； 温度高时引起，蓝脆性。 溶解时，引起氢脆; 析出时，引起白点。 FeO_FeS熔点较低， 910℃; 锻造时液化，开裂，称为热脆性。
影响金属材料塑性的因素
合金元素
固溶体合金 硬化相合金 杂质合金 多相合金 铸态合金 低熔点合金
不溶于基体金属，存在于 晶界，造成钢的热脆性。
影响金属材料塑性的因素
组织影响
相组成的影响 晶粒度的影响 铸造组织的影响
影响金属材料塑性的因素 温度条件的影响
影响金属材料塑性的因素 应变速率的影响
影响金属材料塑性的因素
化
热脆性
N H
O
时效脆性 氢脆
热脆性
提高强度、硬度，降低塑性、韧性
影响金属材料塑性的因素
合金元素
固溶体合金 硬化相合金 杂质合金 多相合金 铸态合金 低熔点合金
影响金属材料塑性的因素
合金元素
固溶体合金 硬化相合金 杂质合金 多相合金 铸态合金 低熔点合金
1、应力升高 2、硬化增加 3、温度效应
影响金属材料塑性的因素 力学条件的影响
影响金属材料塑性的因素 应变条件的影响
影响金属材料塑性的因素 间断变形的影响
影响金属材料塑性的因素 尺寸因素的影响
改善材料塑性的措施 成分组织的均匀性 变形温度和应变速率的合理性 三相压应力 减小变形的不均匀性
100%
式中： ——压下率； H0——试样原始高度； Hh——试样压缩后，在侧表面出现第一条 裂纹时的高度
金属材料的塑性指标
塑性指标的测量——扭转实验：
金属材料的塑性指标
塑性指标的测量——杯凸实验
金属材料的塑性指标
塑性指标的测量
胀形实验 扩孔实验
拉深实验
弯曲实验
拉胀复合实验
影响金属材料塑性的因素
讨论
制定塑性成型工艺时应注意的问题? (加热规范,始锻温度,终锻温度,变形量) 超塑性变形的思考?
小结
1. 2. 3. 4.
金属材料的塑性指标 金属材料塑性的影响因素 金属材料塑性的改进措施 金属超塑性的工艺方式
每日一练
1. 金属的超塑性分为 ▁▁▁▁▁▁▁▁ 和 ▁▁▁▁▁▁▁▁ 两大类。
塑性指标的测量——拉伸实验
Lh L0 L0
F0 Fh F0 100%
100%
式中：L0——拉伸试样原始标距长度； Lh——拉伸试样破断后标距间的长度； F0——拉伸试样原始断面积； Fh——拉伸试样破断处的断面积
金属材料的塑性指标
塑性指标的测量——镦粗实验
H0 Hh H0
超塑性成型的方法
超塑性的方法
细晶超塑性:恒温0.5Tm; 超细化10μm; 等轴; 相变超塑性:相变温度反复加热；
超塑性对金属组织和性能的影响 组织影响
晶粒度的变处(长大) 显微组织的变化(规则无亚结构和位错) 空洞的生成
超塑性对金属组织和性能的影响
性能影响
超塑性变形后由于合金仍保持均匀细小的等轴晶组织， 不存在织构，所以不产生各向异性，且具有较高的抗应 力腐蚀性。 超塑性成形时，由于变形温度稳定、变形速度缓慢， 所以零件内部不存在弹性畸变能，变形后没有残余应力。 存在所谓加工软化现象 高铬高镍超塑性不锈钢经超塑性成形后，形成微细的双 相混合组织，显示出很高的抗疲劳强度。
固溶体合金 硬化相合金 杂质合金 多相合金 铸态合金 低熔点合金
各相的性质不同，再结晶 速度也不同，引起锻造时的变 形不均匀性。
影响金属材料塑性的因素
合金元素
固溶体合金 硬化相合金 杂质合金 多相合金 铸态合金 低熔点合金
Si、Ni、Cr：促进铸态组织形成； V：细化铸态组织； V、Ti 、 W：阻止晶粒长大； Mn、Si：促进晶粒长大（过热敏感）。