第三篇第一章金属的塑性变形

滑移是指晶体的一部分沿一定的
晶面和晶向相对于另一部分发生
滑动位移的现象。


1、滑移变形的特点 ：
⑴ 滑移只能在切应力的作
用下发生。产生滑移的最
小切应力称临界切应力。

(2) 滑移的同时伴随着晶体的转动
切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动


2、滑移的机理
把滑移设想为刚性整体滑动，所需的理论 临界切应力值比实际测量值大几千倍。这说 明实际晶体结构及塑性变形并不完全如此。 滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。
变形速度的影响
一方面由于变形速度的增大，回复 和再结晶不能及时克服加工硬化现象， 金属则表现出塑性下降、变形抗力增大， 可锻性变差。

黄铜580º C保温8秒后的组织
黄铜580º C保温15分后的组织
如果继续加热？？
如果继续加热？
晶粒长大 ——若T再继续升高，则晶 粒长大、变粗，力学性能 大大下降。 所以要严格控制加热 温度、保温时间。


冷变形与热变形的区别
在金属学中，冷热变形的界限是以再结晶温度来划
分的。低于再结晶温度的变形称为冷变形，而高于
（3）挤压
正挤压
反挤压
复合挤压
3、塑性变形方式
——锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔
（4）轧制
在旋转轧辊的压力下使坯料产生塑性变形的方法。
3、塑性变形方式
——锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔
（5）拉拔
将金属坯料从拉模的模孔中拉出而成形为各种线 材、薄壁管材、特殊截面型材等。

一般常用的金属型材、板材、原材料，管材和线材 大都是通过轧制、挤压、拉拔等方法制成的。
3、塑性变形方式
——锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔
（1）锻造
将金属坯料置于上下砧或锻模内，用冲击力 或压力使金属成形为各种型材和锻件等。
自由锻造
模锻
3、塑性变形方式
——锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔
（2）冲压
利用冲模在压力作用下将金属板料切离或变形的方法。
冲压成形
板料分离
3、塑性变形方式
——锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔 外力使金属坯料从挤压模孔挤出而成形为各种 型材、管材、零件等。
1、金属塑性加工的定义
改变形状 金属坯料
产生
塑性变形
达到
改变尺寸 改善性能
外力
得到
毛坯 零件
又称为压力加工。
2、塑性成形加工的特点及应用
（1）特点 优点： a）与铸造相比：力学性能高，内部缺陷被压合， 晶粒显著细化。 ｂ)与切削加工比：材料的利用率和生产率高。 缺点： a) 形状不能太复杂 b) 坯料塑性要好 （2）应用 汽车、拖拉机、宇航、军工、电器、桥梁、建筑等

金属内部有了应力就会产生弹性变形。 应力增大到一定程度后是金属产生塑 性变形。当外力去除后，弹性变形将 恢复，称为“弹复”现象，这种现象 对有些塑性加工件的变形和工件质量 有很大影响，必须采取工艺措施来保 证产品的质量。
我们已经学习了金属 塑性变形的机理，那 塑性变形后金属的组 织和性能是否也发生 了变化呢？

多 脚 虫 的爬 行

晶体通过位错运动产生 滑移时，只在位错中心 的少数原子发生移动， 它们移动的距离远小于 一个原子间距，因而所 需临界切应力小，这种 现象称作位错的易动性。
位错周围的原子偏离 正常排列位置，有回 到正常排列的趋势。
位错能量降低 滑移所需变形力
3、实际多晶体塑性变形

金属是由许多微小的晶粒组成的多晶体，其塑性变形可 看成许多单个晶粒产生变形的综合效果，晶粒之间也有 滑动和转动。 I、晶粒本身的变形（晶内变形）——主要的 II、晶粒之间的变形（晶间变形）——次要的

其实质是晶体内部产生滑移的结果。

单晶体受力后，外力
在任何晶面上都可分
解为正应力和切应力。
正应力只能引起弹性
变形。只有在切应力 的作用下金属晶体才 能产生塑性变形。
外 力 在 晶 面 上 的 分 解
切 应 力 作 用 下 的 变 形
锌 单 晶 的 拉 伸 照 片

金属常以滑移方式发生塑性变形。 ㈠ 滑移
670℃加热 铁素体变形80%
650℃加热

再结晶也是晶核形成和长
大的过程，但不是相变过 程，再结晶前后晶粒的晶 格类型和成分完全相同。
Al合金再结晶晶粒在原 变形组织晶界上形核
冷变形奥氏体不锈钢加 热时再结晶晶粒形核于 高密度位错基体上

由于再结晶后组织的复
原，因而金属的强度、
冷变形黄铜组织性能随温度的变化
黄 铜
加热温度 ℃
• (1) 回复
• 在加热温度较低时，因原子活动能力增强，使原子回 复到平衡位置，晶内残余应力大大减小，这种现象称 为回复。回复不改变晶粒形状。 • 金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些 变化。如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号 位错相遇合并而使缺陷数量减少等。 回复 recovery
2.什么是铸件的结构斜度？它与起模斜度有何不同？ 图示铸件的结构是否合理？应如何改正？ p81
答: 结构斜度是在零件图上 非加工表面设计的斜度， 一般斜度值比较大。拔模 斜度是在铸造工艺图上方 便起模，在垂直分型面的 各个侧面设计的工艺斜度， 一般斜度比较小。有结构 斜度的表面，不加拔模斜 度。
3、图示铸件大批量生产时，结构有何缺点？请改正？
热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大
的树枝晶或拄状晶破碎，从而使组织致密、成分均
匀、晶粒细化，力学性能提高。
变形拉长 的晶粒 再结晶晶 粒长大 再结晶完成
锻 压
热轧
再结晶晶 粒形核
粗晶粒材料
晶粒细而 均匀材料
热加工动态再结晶示意图

热加工使铸态金属中的非
吊 钩 金属夹杂沿变形方向拉长， 中 的 纤 形成彼此平行的宏观条纹， 维 组 称作流线，由这种流线体 织
加工条件的影响(外因) 变形温度的影响
在一定的变形温度范围内，随着温度升高，原子动能 升高，从而塑性提高，变形抗力减小，有效改善了可锻性。 若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低， 这种现象称为“过热”。若加热温度更高接近熔点，晶界 氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废， 这一现象称为“过烧”。 金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度。 不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的 温度称终锻温度。
其中T再、T熔为绝对温度.

金属熔点越高, T再也越高. T再℃ = (T熔℃+273)×0.4–273， 如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃

提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生，延 长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。 生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。 再结晶退火温度比再结晶温度高200~300℃。
再结晶温度的加工称为热变形。
轧制
模锻
拉拔

如 Fe 的再结晶温度为451℃，其在400℃ 以
下的加工仍为冷变形。

而 Pb (熔点为327℃) 的再结晶温度为-33℃，
则其在室温下的加工为热变形。

Байду номын сангаас
热变形时产生的加工硬化很快被再结晶产生
的软化所抵消，因而热变形不会带来加工硬
化效果。
3、纤维组织

2.1 金属塑性变形的实质

金属受到外力作用，内部必将产生应力，此应 力迫使原子离开原来的平衡位置，从而改变了 原子间的距离，使金属发生变形，引起原子位 能的增高，但处于高位能的原子具有返回原来 低位能的平衡位置的倾向。 这种除去外力后，金属完全恢复原状的变形， 称为弹性变形。


当外力增大到使金属的内应力超过该金属 的屈服点后，即使作用在物体上的外力取 消，金属的变形也不完全恢复，而产生一 部分永久变形，称为塑性变形。
2.2 塑性变形组织和性能的影响


金属在常温下经过塑性变形后，内部组织 将发生变化： 1）晶粒沿最大变形的方向伸长； 2）晶格和晶粒均发生扭曲，产生内应力； 3）晶粒间产生碎晶。
碎晶和晶格畸变的出现，滑移阻 力增加，使得金属塑性变形抗力 增加，进一步塑性变形困难。
1、形变强化现象

随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高， 塑性、韧性下降的现象称冷变形强化或加工硬化。
机械制造业中的许多毛坯或零件，特别是承重载荷 机件，如机床主轴、重要齿轮、连杆、炮管和枪管 等，通常采用锻造方法成形。


冲压广泛用于汽车、电器、仪表零件及日用品工业 方面。
第一章 金属塑性变形

塑性变形及随后的加热对金属材料组织 和性能有显著影响。了解塑性变形本质， 塑性变形及加热时组织的变化,有助于发 挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺。
硬度下降，塑性、韧性
提高，加工硬化消失。
冷变形(变形量为38%)黄铜580º C 保温15分后的的再结晶组织
再结晶温度

再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始， 在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的 最低温度称再结晶温度。

纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系: T再（K）≈0.4T熔（K）
p81
尽量避免铸件起模方 向存有外部侧凹，以 便于起模。
9.试用内接圆方法确定下图所示铸件的热节部位？在 保证尺寸H的前提下如何使铸件的壁厚尽量均匀？
p81
答: 图a)所示是该铸件热节部位，图b)所示是在保证尺寸H 和孔径的前提下，为使铸件的壁厚尽量均匀而进行的修改。
10.分析下图中砂箱箱带的两种结构各有何优缺点？ 为什么？ p81 a：结构简单，但交叉 接头处热节较大，易产 生缩孔、缩松和裂纹。 b：交错接头的热节较 小，可缓解内应力，抗 裂性较好，但结构较复 杂。
现的组织称纤维组织。它 使钢产生各向异性。

使零件所受的最大拉应力
与纤维方向一致，最大切
应力与纤维方向垂直。
滚压成型后螺纹内部的纤维分布
实例：
当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉 头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时 产生的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较 弱(如图示 )。 当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(如 图示)，纤维不被切断且连贯性好，纤维方向也较 为有利，故螺钉质量较好。
第三节金属的可锻性
可锻性： 金属产生塑性变形而不破坏的难易程度。
可锻性——常用金属材料在经受压力加工产生塑性 变形的工艺性能来表示。可锻性的优劣是以金属的塑性 和变形抗力来综合评定的。塑性越好，变形抗力越小， 则金属的可锻性越好，反之越差。 塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形，而不破 坏其完整性的能力。 变形抗力是指金属对变形的抵抗力。 金属的可锻性取决于材料的性质 ( 内因 )和加工条件 (外因 ) 。
——晶格歪扭现 象消失的过程。
T回复=0.25~0.3T熔
(a)塑性变形后的组织 (b)金属回复后的组织 (c)再结晶组织

(2) 再结晶 当变形金属被加热到较高 温度时，金属原子获得更 多的热能，使塑性变形后 金属被拉长的晶粒重新生 核、结晶，变为与变形前 晶格结构相同的新等轴晶 粒，这一过程称为再结晶。
1040钢(0.4%C)
黄铜 黄铜 铜
1040钢 (0.4%C)
铜
冷塑性变形量，%
冷塑性变形量，%
冷塑性变形与性能关系

冷变形金属在加热时的组织和性能变化 金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复 到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小, 不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力 增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。
材料性质的影响(内因)
化学成分的影响 纯金属的可锻性比合金的可锻性好。 钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，其 塑性越差，变形抗力越大。例如纯铁、低碳钢 和高合金钢，它们的可锻性是依次下降的。 金属组织的影响
纯金属及固溶体 ( 如奥氏体 ) 的可锻性好。 碳化物 ( 如渗碳体 ) 的可锻性差。铸态柱状组织 和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的 可锻性好
结构修改如下：
6.为什么铸件要有结构圆角？图示铸件上哪些圆角不 够合理？应如何修改？
p81
答:结构圆角是为了保证铸造成形，避免砂型尖角损坏， 但有时会引起造型困难，如图中，分型面上设圆角不 合理，将分型面上圆角去掉，取直角。
7.下图所示的支架件在大批量生产中该如何改进其设 计才能使铸造工艺得以简化？
铸造：第五章 特种铸造
p93
5.什么是离心铸造，它在圆筒形或圆环形铸件生产 中有哪些优点？ 8.某公司开发的新产品铸铝小连杆，请问： 试制样机时，该连杆宜采用什么方法？ 当年产量为1万件时，宜采用什么方法？ 当年产量超过10万件时，宜采用什么方法？
第三篇 金属的塑性加工

第一章 金属的塑性变形 第二章 锻造 第三章 板料冲压技术 第四节 特种塑性加工方法