第三章塑性加工
金属工艺学复习题库
18.金属的塑性变形是在切应力作用下，主要通过滑移来进行的；金属中的位错密度越高，则其强度越高，塑性越差。
19.金属结晶的必要条件是一定的过冷度，金属结晶时晶粒的大小主要决定于其形核率。
20.用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢，零件渗碳后，一般需要经过淬火+低温回火才能达到表面硬度高而且耐磨的目的。
21.珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物22.冷变形金属在加热时随加热温度的升高，其组织和性能的变化分为3个阶段，即回复、再结晶、晶粒长大。
23.在实际生产中，常采用加热的方法使金属发生再结晶，从而再次获得良好塑性，这种工艺操作称为再结晶退火。
24.从金属学的观点来看，冷加工和热加工是以再结晶温度为界限区分的25.随着变形量的增加，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降，这种现象叫做加工硬化。
26.实验室里开了六个电炉，温度分别为910℃、840℃、780℃、600℃、400℃、200℃，现有材料15钢、45钢、T12钢。
问：若要制作轴，一般选用45钢；进行调质处理（淬火+高温回火）；获得回火索氏体；淬火为了获得马氏体，提高钢的强度、硬度和耐磨性，高温回火是为了去除淬火应力，得到稳定的组织，提高综合力学性能，保持较高强度的同时，具有良好的塑性和韧性。
27.Fe-Fe3C相图ECF、PSK的含义，亚共析钢从液态缓慢冷却到室温时发生的组织转变过程：L、L+A、A、A+F、P+F 塑性变形阻力增强，强度、硬度提升，固溶强化。
低碳钢的拉伸曲线：实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷。
理论结晶温度与实际结晶温度之差为过冷度。
冷却速度越大，过冷度越大。
第二章铸造1.灰铸铁的组织是钢的基体加片状石墨。
它的强度比σb比钢低得多，因为石墨的强度极低，可以看作是一些微裂纹，裂纹不仅分割了基体，而且在尖端处产生应力集中，所以灰铸铁的抗拉强度不如钢。
2.灰铸铁为什么在生产中被大量使用？灰铸铁抗压强度较高，切削加工性良好，优良的减摩性，良好的消振性，低的缺口敏感性，优异的铸造性能。
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
《材料成形理论基础Ⅰ》课后题答案
3 何谓π平面，为什么说在π平面上有六个对称轴？ 过原点且与等倾斜轴垂直的平面，称为π平面。由于假设材料的屈服与坐标的选择无关，
因此，可以得到三个对称轴，由材料的拉压性能相同，可以得到另外三个对称轴。
4 已知应力张量
⎡C 0 0 ⎤
σ ij
=
⎢ ⎢
0
0
0
⎥ ⎥
⎢⎣ 0 0 − C⎥⎦
（ C 为正的常数），试问当恰好发生屈服时，按米塞斯屈服准则和屈雷斯加屈服准则，C = ? 。
= xy ，γ xy
= 0 ，γ yz
=1 2
z2 + y
，γ zx
=1 2
x2 + y2
；
( ) （2） ε x = c x 2 + y 2 ， ε y = cx2 ，γ xy = 2xy ， ε z = γ yz = γ zx = 0 。
（1）不存在；（2）当 c=1 时，存在。 11 为什么说应变增量更能准确地反映受力物体的变形情况？
（1）1：（-1）：0；（2）1： 0：（-1）；（3）1： 0：（-1）。
第三章 塑性成形解析方法 练习与思考体
1 塑性加工问题的精确解需要满足哪些条件？ 对于弹塑性变形物体：需满足 16 个方程；对于刚塑性变形物体：需满足 17 个方程；
2 对于平面应变问题，试证塑性区内每点的应力状态可用平均应力σm 和最大切应力 k 来表
11 等效应力-等效应变单一曲线假设有什么意义？ 根据单一曲线假设，就可以采用最简单的实验方法来确定材料的等效应力与等效应变曲
线。
12 等效应力-等效应变曲线的简化模型有哪些？分别写出其数学表达式。 理想弹塑性材料模型、理想刚塑性材料模型、幂指数硬化材料模型、刚塑性非线性硬化
《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能
重冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的 最低温度来表示。
最低再结晶温度：
T再=0.4T熔点 式中温度单位为绝对温度(K)。
8
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
(3)再结晶温度影响因素：
1）变形程度 ➢2）金金属属再纯结度晶前：塑纯性度变越形高的, 最相低对再变结形晶量温称度为也预就先越变低形 度➢。3）预；加先热变速形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不 稳➢➢杂再定质结, 最和晶低合是再金一结元扩晶素散温（过度高程也熔, 需就点一越元定低素时；）间阻才碍能原完子成扩；散和晶 ➢界➢当提迁预高移先加, 可变热显形速著度度提达会高一使最定再低大结再小晶结后在晶,较最温高低度温再；度结下晶发温生度；趋于某 一➢高原稳纯始定度晶值铝粒。(越99粗.9大9,9再%结)最晶低温再度结越晶高温。度为80 ℃； ➢工业纯铝(99.0%)最低再结晶温度提高到290 ℃。
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、热加工晶粒大小控制措施
（1）.控制较低的加工终了温度 （2）.控制较大的变形程度 （3）.控制较快的冷却速度
0
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、产生残余内应力 ➢定义：外力去除后，金属内部残留下来的应力。
产生原因：金属发生塑性变形时，内部变形不均匀， 位错、空位等晶体缺陷增多，会产生残余内应力。
➢1）宏观内应力 ➢2）微观残余应力 ➢3）晶格畸变应力
1
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1
第一节 金属的塑性变形
金属材料成型_3.6超塑性成型
5）超塑性无模拉拔成形
利用超塑性材料在超塑性状态下对温度的敏感性，只在被加工 的棒料或管材外部加设感应加热圈，并在棒料或管材的两端施加载 荷，当感应圈移动时，就会形成横截面周期变化，甚至非周期变化 的棒形零件，或者是变壁厚的管形零件。
TWO
2
超塑性成型工艺特点
1)金属塑性大为提高,过去认为只能采用铸造成形而不能锻造成形 的镍基合金，也可进行超塑性模锻成形，因而扩大了可锻金属的种类。
图3-36 飞机上采用的部分SPF、SPF/DB构件
FOUR
4
超塑性成型重点企业
Luxfer 的集团公司 Superform USA 及其附属公司 Superform Aluminium 是全球最大的铝、镁和钛超塑成型零件供 应商，主要为航空航天、汽车、卡车、铁路、医疗系统和建筑行 业提供零件。Airstair 是一种内置于小型飞机门内的四级楼梯，需 要制造有23 个焊接部件的铝组件。但 Superform USA 使用 PA M - S TA M P 对 该 组 件 进 行 了 整 体 设 计 ， 实 现 了 更 轻 量 、 刚 性 和 低成本的解决方案。
图3-35 径向辅助压力拉深原理示意
4）超塑性挤压成形
将毛坯直接放入模具内一起加热到最佳的超塑性温度，保持恒 温，以恒定的慢速加载、保压，在封闭的模具中进行压缩成形的工 艺。它是利用超塑性合金在变形中的极低变形抗力进行挤压成形， 故所使用的模具简单，寿命高，对变形程度大的零件，可一次成形， 省去了中间退火程序，工序得到简化。它可成形零件和模具。
近年来，我国新机研制及改进机型中，前缘襟翼、鸭翼、整体壁板和 腹鳍等大尺寸钛合金构件采用SPF/DB技术。针对型号对金属防热结构的 需求，航天材料及工艺研究所开展了钛合金波纹板SPF 技术研究，成功 制备出TC4 钛合金防热瓦等热结构部件。
3-1 金属的塑性变形
18
四、纤维组织
材料在压力加工中产生塑性 材料在压力加工中产生塑性 压力加工 变形时， 变形时，基体金属的晶粒形状和 沿晶界分布的杂质形状都发生了 变形，它们都将沿着变形方向被 变形， 拉长，呈纤维形状。 拉长，呈纤维形状。这种结构叫 纤维组织。 纤维组织。 纤维组织是变形后所形成的带有方向性的晶粒。 纤维组织是变形后所形成的带有方向性的晶粒。 是变形后所形成的带有方向性的晶粒
后 退
12
二、多晶体的塑性变形
多晶体是多个位向不同变形总和，除了晶内变形外， 多晶体是多个位向不同变形总和，除了晶内变形外， 是多个位向不同变形总和 还有晶间变形，及晶粒间互相移动及转动。 还有晶间变形，及晶粒间互相移动及转动。
特点： 特点：
变形过程复杂。 变形过程复杂。 变形抗力比单晶体大的多。 变形抗力比单晶体大的多。 多晶体塑变以晶内为主，晶间很小。 多晶体塑变以晶内为主，晶间很小。
5
3.挤压 3.挤压
金属坯料在挤压模内被挤出模孔而变形， 金属坯料在挤压模内被挤出模孔而变形，从 挤压模内被挤出模孔而变形 而获得所需制件的加工方法。 而获得所需制件的加工方法。 正挤压：金属流动方向与凸模送进的方向相同。 正挤压：金属流动方向与凸模送进的方向相同。 方向相同 反挤压：金属流动方向与凸模送进方向相反 方向相反。 反挤压：金属流动方向与凸模送进方向相反。 采用机械化生产方法具有很高的生产率。 采用机械化生产方法具有很高的生产率。
22
2) 金属组织的影响
纯金属和非饱和固溶体可锻性好。 纯金属和非饱和固溶体可锻性好。 可锻性好 金属化合物是硬脆的组成相， 金属化合物是硬脆的组成相，组织中的金属化合 是硬脆的组成相 物越多，可锻性越差。 物越多，可锻性越差。 比如纯铁、纯铜、纯铝、具有单相铁素 比如纯铁、纯铜、纯铝、 体或单相奥氏体的钢具有良好的可锻性， 体或单相奥氏体的钢具有良好的可锻性，但 是具有网状渗碳体的过共析钢可锻性较差。 是具有网状渗碳体的过共析钢可锻性较差。 铸铁中由于含有大量的渗碳体或石墨， 铸铁中由于含有大量的渗碳体或石墨， 其可锻性非常差，铸铁是根本不能锻造的。 其可锻性非常差，铸铁是根本不能锻造的。
《材料成型技术与基础》全套PPT电子课件教案-第03章 单晶体与多晶体的塑性变形等
拉拔时金属应力状态
第三章金属材料的塑性变形
本章小结
锻造、轧ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、挤压、冲压等都是塑性变形。这些 塑性变形的目的不仅是为了得到零件的外形和尺寸， 更重要的是为了改善金属的组织和性能。
塑性变形的主要形式是滑移和孪生，是在切应力 的作用下进行的，塑性变形将产生形变强化，形成纤 维组织，具有各向异性。塑性变形后的 金属加热时会 产生回复或再结晶及晶粒长大，其形变强化现象消除。
滑移特点：①滑移是在切 应力作用下完成的；②滑 移时移动的距离是原子间 距的整数倍；③滑移的同 时由于正应力组成的力偶 作用，推动晶体转动，力 图使滑移面转向与外力一 致的方向。④滑移的实质 是位错运动的结果。因此 滑移的实际临界切应力远 远大于理论临界切应力。
第三章金属材料的塑性变形
单晶体滑移变形示意图
定义:经冷变形的金属当加热到T再时,会在变形最激 烈的区域自发形成新的细小等轴晶粒,叫做再结 晶这一过程实质上也是一个形核和长大的过程, 但晶格类型不变,只是改变了晶粒外形. T再T熔
※金属再结晶后,消除了残余应力和形变强化现象 晶粒长大 冷变形和热变形 金属纤维组织及其应用
第三章金属材料的塑性变形
第三章金属材料的塑性变形
单晶体和多晶体的塑性变形 金属的形变强化 塑性变形金属在加热时组织和性能的变化 塑性加工性能及影响因素 本章小结
第三章金属材料的塑性变形
单晶体的塑性变形 1.滑移 2.孪生 1.晶粒取向对塑性变形的影响 2.晶界对塑性变形的影响
第三章金属材料的塑性变形
锌单晶体的滑移变形示意图
第三章金属材料的塑性变形
未变形 弹性变形 弹塑性变形 塑性变形
位错运动引起的滑移变形示意图
第三章金属材料的塑性变形
材料成型工艺学 金属塑性加工
二、模锻件的结构工艺性
1. 模锻件上必须具有一个合理的分模面 2. 零件上只有与其它机件配合的表面才需进行机械加工,
其它表面均应设计为非加工表面 (模锻斜度、圆角) 3. 模锻件外形应力求简单、平直和对称。避免截面间差别
过大, 薄壁、高筋、高台等结构 (充满模膛、减少工序) 4. 尽量避免深孔和多孔设计 5. 采用锻- 焊组合结构
自由锻设备：锻锤 — 中、小型锻件 液压机 — 大型锻件
在重型机械中,自由锻是生产大型和特大型锻件的 惟一成形方法。
1.自由锻工序 自由锻工序：基本工序 辅助工序 精整工序
(1) 基本工序 使金属坯料实现主要的变形要求, 达
到或基本达到锻件所需形状和尺寸的工序。 有：镦粗、拔长、冲孔、弯曲、
扭转、错移、切割 (2) 辅助工序
金属的力学性能的变化：
变形程度增大时, 金属的强度及硬度升高, 而塑 性和韧性下降。
原因：由于滑移面上的碎晶块和附近晶格的强烈 扭曲, 增大了滑移阻力, 使继续滑移难于进行所致。
几个现象：
▲ 加工硬化
（冷变形强化）： 随变形程度增大, 强度和硬度上升而塑性下降的现象。
▲回复：使原子得以回复正常排列, 消除了晶格扭曲, 致使
§3 金属的可锻性
金属的可锻性：材料在锻造过程中经受塑性变形 而不开裂的能力。
金属的可锻性好，表明该金属适合于采用压力加工 成形； 可锻性差，表明该金属不宜于选用压力加工方法 成形。
衡量指标：金属的塑性（ψ、δ ）； 变形抗力（σb、HB）。
塑性越好，变形抗力越小，则金属的可锻性好。
金属的可锻性取决于金属的本质和加工条件。
弹复：
金属塑性变形基本规律：
体积不变定律： 金属塑变后的体积与变形前的体积相等。
第3章 塑性成形习题.doc
第三章塑性成形一、思考题1. 常用的金属压力加工方法有哪些？各有何特点？2. 何为塑性变形？塑性变形的机理是什么？3. 碳钢在锻造范围内变形时，是否有加工硬化现象？4. 将直径150mm的圆钢，锻造成直径75mm的主轴。
试计算锻造比Y。
5. 铅的熔点327°C,鸨的熔点3380°Co铅在室温进行变形，鸨在900°C进行变形。
试判断它们属于何种塑性变形。
6. 用T12钢，锻造钳工用的刮刀，试用铁碳合金状态图，确定始锻温度及终锻温度，并简要说明理由。
7. 纤维组织是怎样形成的？它的存在有何利弊？8. 如何提高金属的塑性？最常有的措施是什么？9. “趁热打铁”的含意何在？10. 锻压工艺的成型特点是什么？锻件与铸件相比最显著的优点是什么？为什么？11. 为什么重要的巨型锻件必须采用自由锻造的方式制造？12. 重要的轴类锻件为什么在锻造过程中安排徹粗工序？13. 原始坯料长150mm若拔长450mm时，锻造比是？14. 试述自由锻、胎模锻和模锻的特点及适用范围。
15. 下列制品该选用那种锻造方法制作？活搬手（大批量）家用炉钩（单件）自行车大梁（大批量）铳床主轴（成批）大六角螺钉（成批）起重机吊钩（小批）万吨轮主传动轴（单件）16. 板料冲压生产有何特点？应用范围如何？17. 比较落料和拉深工序的凹凸模结构及间隙有什么不同？为什么？18. 冲模结构分为哪几类？各有何特点？19. 压力加工先进工艺有那些特点？20. 精密模锻需要那些措施才能保证产品的精度？21. 何谓超塑性？超塑性成形有何特点？22. 右图零件，用自由锻制坯，试修改零件结构设计不合理之处。
二、自测题判断题（正确的打"，错误的打X）1. 金属塑性变形时只产生形状的变化，而不发生体积的变化。
（）2. 可锻性是金属固有的一种属性，它不随压力加工方式的变化而变化。
（）3. 冷拔可以提高产品的强度和表面质量。
（）4. 金属经热锻并冷却后，锻件内部的晶粒沿变形方向拉长，并产生碎晶。
第3章 金属材料的塑性成形——压力加工
其优劣主要取决于金属本身和变形时的外部条件。
影响可锻性的因素
(1) 金属的成分：纯金属好于合金，fcc好于bcc好 于hcp，低碳钢优于高碳钢，低碳低合金钢优于 高碳高合金钢；有害杂质元素一般使可锻性变坏
(2) 金属的组织：单相组织好于多相组织；铸态下 的柱状组织、粗晶粒组织、晶界上存在偏析或有 共晶莱氏体组织使可锻性变差
2、研究与开发塑性加工过程的计算机模拟技术与模具 CAD/CAE/CAM技术等。
3、研究与开发柔性成形技术、增量成形技术、净成形技 术、近净成形技术、复合成形技术等。
4、研究与开发使环境净化的加工技术，如低噪音、小/ 无震动、节省能源、资源或再利用的加工技术。
§3.2 金属的塑性加工成形性
金属的塑性加工成形性/可锻性(Forgeability) ： 用来衡量金属在外力作用下发生塑性变形而不易 产生裂纹的能力，是金属重要的工艺性能之一；
(3) 加工条件 1) 变形温度：一般变形温度的升高，可提高金 属的可锻性；但注意过热、过烧问题
不同合金系8种典型金属的可锻性
Ⅰ—纯金属及单相合金(铅合金、 钼合金、镁合金)；Ⅱ—纯金属及 单相合金(晶粒长大敏感者)(铍、镁 合金、钨合含、钛合金)；Ⅲ—具 有不溶解组分的合金(高硫钢，含 硒不锈钢)；Ⅳ—具有可溶组分的 合金(含氧化物的钼合金，含可溶 性碳化物和氮化物的不锈钢)； Ⅴ—加热时形成有塑性第2相的合 金(高铬不锈钢)；Ⅵ—加热时形成 低熔点第2相的合金(含硫的铁、含 锌的镁合金)；Ⅶ—冷却时形成有 塑性第2相的合金(碳钢和低合金钢 、-钛合金和钛合金)；Ⅷ—冷 却时形成脆性第2相的合金(高温合
可显著减小总变形力，用小设备加工大零件。
第三章 金属的塑性变形
纯金属的最低再结晶温度 与其熔点之间的近似关系: T再≈0.4T熔 其中T再、T熔为绝对温度.
金属熔点越高, T再也越高.
T再与ε的关系
T再℃ = (T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
影响再结晶退火后晶粒度的因素
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
二、单晶体的塑性变形 分析单晶体的塑性变形，实际上就是分析 晶内变形。 单晶体塑性变形的主要方式有滑移和孪晶。 根据晶体结构 理论，任何一块单 晶体都包含有若干 不同方向的晶面。
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
580º C保温8秒后的组织
580º C保温15分后的组织 700º C保温10分后的组织
第四节
金属的热加工
• 一、冷加工与热加工的区别
• 在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温
度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷 加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。
轧制
模锻
拉拔
• 如 Fe 的再结晶温度为451℃，其在400℃ 以下的加 工仍为冷加工。而 Sn 的再结晶温度为-71℃，则其 在室温下的加工为热加工。 • 热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化 所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。
铁素体变形80%
碎拉长的晶粒变为完整
的等轴晶粒。
650℃加热
• 这种冷变形组织在加热
时重新彻底改组的过程
称再结晶。
670℃加热
• 再结晶也是一个晶核形成 和长大的过程，但不是相 变过程，再结晶前后新旧 晶粒的晶格类型和成分完 全相同。
第三章塑性变形
商洛学院 常亮亮
3.1 金属材料塑性变形机制与特点
塑性变形是永久性变形。常温或低温下，单晶体 的塑性变形主要有滑移、孪生，还有扭折。 滑移是晶体在切应力作用下沿一定的晶面和晶向 进行切变的过程，如面心立方结构的（111）面[101] 方向等。滑移系统越多，材料的塑性越大。
(1) 滑移的显微观察 由大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，
3. 形变织构 (1)形变织构(deformation texture):是晶粒在空间上的择 优取向(preferred orientation)， 如右上图。 （2）类型及特征 ①丝织构 ② 板织构 右图是因形变织构造成的制 耳
（二）加工硬化：金属材料在塑性变形过程中，随着变形量的增 加，强度和硬度不断上升，而塑性和韧性不断下降的现象。
10钢σs与晶粒大小的关系
晶粒直径（μm）
400
50
10
5
2
下屈服点（KN/m2） 86
121
180
242 345
锌的单晶和多晶的拉伸曲线比较
由上图锌的拉伸曲线可以看出： 比较：同一材料多晶体的强度高，但塑性较低。
单晶塑性高。
原因：多晶中各个晶粒的取向不同。在外力作用
下，某些晶粒的滑移面处于有利的位向，受到大于σk
低碳钢的σb与晶粒直径的关系
晶界对硬度的影响
3、多晶体塑性变形的特点
1）各晶粒变形的非同时性和非均匀性 ➢材料表面优先 ➢与切应力取向最佳的滑移系变形的相互协调 晶粒内不同滑移系滑移的相互协调
保证材料整体的统一
3.1.3塑性变形的特点
滑移时不仅滑移面发生转动，而滑移方向也逐渐改变， 滑移面上的分切应力也随之改变。φ=45º时分切应力最大。
(金属塑性成形原理课件)第3讲冷热加工组织变化
加工硬化是金属材料的一项重要特性，可被 用作强化金属的途径。特别是对那些不能通 过热处理强化的材料如纯金属，以及某些合 金，如奥氏体不锈钢等，主要是借冷加工实 现强化的。
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20
Lesson Three
单晶体的切应力一应变曲线 显示塑性变形的三个阶段
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Lesson Three
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7
TEM and EBSDmicrographs of the 87% deformed sample.
(a), (b)TEMmicrographs with
different magnification; (c)EBSD-micrographs
ห้องสมุดไป่ตู้
Lesson Three
Huang Y C, Liu Y, Li Q, et al. Relevance between microstructure and texture during cold rolling of AA83104 aluminum alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 673: 383-389.
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14
轧辊
Lesson Three
轧面
(a)
(b)
(c)
轧制过程中择优取向的形成
各晶粒中的“→”表示某晶向
(a)、(b)、(c)分别表示轧制前、轧制时与轧制后的晶粒取向
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15
Lesson Three
板织构示意图
(a) 轧制前 (b)轧制后
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第三章 金属塑性变形和加工硬化
第二阶段特征： 1）加工硬化率（ Ⅱ ）很高，且和应变量呈线 性关系； 2）加工硬化率对金属的种类或合金的成分（只 要为面心立方晶体）不敏感，对晶体的位向也不 敏感； 3）滑移线长度随应变量有如下规律：
2 l2
4）每根滑移线上位错数大致不变； 5）其位错结构缠结，形成胞状结构。
应力一应变曲线的另一特点是，体心立方金属的明显 屈服效应、动态形变时效现象。 原因是晶界附近最容易偏析杂质原子，由于溶质原子 特别是间隙原子与位错的相互作用强烈，柯垂尔气团 对位错的钉扎很牢，应力一应变曲线出现屈服效应现 象。当温度从室温上升时，出现动态形变时效，上下 屈服点反复出现，这种现象称为波特纹一李一沙特里 效应。
一、晶界在塑性变形中的作用
为了显示晶界对变形的影响，可将由几个晶粒 组成的大晶体承受变形并观察和测量它的变形 分布情况。如下图：
图3.6 总变形量相同时多晶铝的几个晶粒各处的实际变形量
由图可知： 1）总变形量相同时，在多晶体内，不仅各晶 粒所承受的实际变形量不同，而且每个晶粒内 部各处的实际变形程度也不一致。 2）在晶粒边界处变形程度都比晶粒内部小， 这既表明晶界处较难变形；也显示出晶界在促 进变形的不均匀分布上起很大作用。
3） 温度的影响 温度升高时，0略有降低， Ⅲ而则显著降低，
Ⅱ ， Ⅲ 变短， Ⅰ 和 Ⅱ 与温度关系不大，而 Ⅲ
则随温度升高而减小。
3、FCC金属形变单晶体的表面现象
面心立方晶体研究发现，无论层错能高低，只要是 处于同一个阶段形变，都具有相同特征的表面现象。 各阶段观测研究的结果简述如下： 第1阶段；用光学显微镜一般看不到滑移线。 第Ⅱ阶段：光学显微镜在暗场下可以看到滑移线， 线长随应变的增加而递减。电镜观察到的单个滑移 线比第1阶段的粗而短。 第Ⅲ阶段：出现滑移带，带中包括靠得很近的滑移 线。应变增加时，带间不再增加新线，形变集中在 原来的带中，带端出现了碎化现象。所谓碎化现象， 系指相互连接着的滑移带的侧向移动现象。
工程材料及成型技术基础第3章 金属的塑性变形
吊钩内部的纤 维组织 （左：合理； 右：不合理， 应使纤维流线 方向与零件工 作时所受的最 大拉应力的方 向一致）
43
3）热加工常会使复相合金中的各个相沿着加工变形 方向交替地呈带状分布，称为带状组织。 带状组织会使金属材料的力学性能产生方向性，特 别是横向塑性和韧性明显降低。一般带状组织可以通过 正火来消除。
滑移面 +
滑移方向
=
滑移系
原子排列 密度最大的 晶面
滑移面和 该面上的一 个滑移方向
三种典型金属晶格的滑移系
晶格 滑移面 {110}
体心立方晶格 {111} {110}
面心立方晶格
密排六方晶格
{111}
滑移 方向
滑移系
6个滑移面
×
2个滑移方向
=
12个滑移系
BCC
4个滑移面
×
3个滑移方向
=
12个滑移系
35
这是因为此时的变形量较小，形 成的再结晶核心较少。当变形度 大于临界变形度后,则随着变形度 的增大晶粒逐渐细化。当变形度 和退火保温时间一定时，再结晶 退火温度越高，再结晶后的晶粒 越粗大。
36
再结晶晶粒大小随加热温 度增加而增加。
临界变形度处的再结晶 晶粒特别粗大
变形度大于临界变形 度后,随着变形度的增 大晶粒逐渐细化
41
(2) 出现纤维组织 在热加工过程中铸态金属的偏析、 夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变 形方向延展，在宏观工件上勾画出 一个个线条，这种组织也称为纤维 组织。纤维组织的出现使金属呈现 各向异性，顺着纤维方向强度高， 而在垂直于纤维的方向上强度较低。 在制订热加工工艺时，要尽可能使 纤维流线方向与零件工作时所受的 最大拉应力的方向一致。
第三章 金属材料的塑性变形
二、再结晶 1. 再结晶过程及其对金属组织、性能的影 响 变形后的金属在较高温度加热时，由于原 子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的 晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小 的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进 行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而 塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除， 此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上 恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶 粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均 一样。
二、再结晶 1. 再结晶过程及其对金属组织、性能的影 响 变形后的金属在较高温度加热时，由于原 子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的 晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小 的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进 行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而 塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除， 此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上 恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶 粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均 一样。
3.3 塑性变形后的金属在加热时组织和性能的 变化 金属经塑性变形后，组织结构和性能发生 很大的变化。如果对变形后的金属进行加热， 金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加 热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再 结晶和晶粒长大过程。
一、回复 变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复 过程。 产生回复的温度T回复为： T回复=(0.25～0.3)T熔点 式中T熔点表示该金属的熔点, 单位为绝对温度 (K)。 由于加热温度不高, 原子扩散能力不很大, 只是 晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复 合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态， 变 形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材料的强 度和硬度只略有降低，塑性有增高，但残余应力则大 大降低。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应 力退火、以降低残余内应力，保留加工硬化效果。
金属材料的塑性变形
整理课件
3
2.孪生
在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶 向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变称为孪生。
孪生与滑移的区别是： 1）孪生所需要的临界切应力比滑移大得多，变形速度极快。 2）发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶带或孪晶。 3）孪晶中每层原子沿孪生方向的相对位移距离是原子间距的分数。
⑶形变织构的产生 当变形量很大（70%以上）时，会使绝大部分 晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取
向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。
整理课件
9
3.2.3 塑性变形产生的残余应力
残余应力: 金属表层与心部的变形量不同会形成表层与心部之间的
宏观内应力； 晶粒彼此之间或晶内不同区域之间的变形不均匀会形成
⑴纤维组织形成 金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形 量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。
当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被 拉长，形成所谓纤维组织。
变形前后晶粒形状变化示意图
整理课件
8
⑵亚结构形成 金属经大量的塑性变形后，大量的位错聚集在 局部地区，将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。
整理课件
4
3.1.2 多晶体的塑性变形
1.晶粒取向对塑性变形的影响
在多晶体中，各个晶粒内原 子排列的位向不一致，这样 不同晶粒的滑移系的取向就 会不同。
作用在不同晶粒滑移系 上的分切应力会有差别，分 切应力最大的那些晶粒最先 开始滑移。多晶体金属的塑 性变形将会在不同晶粒中逐 批发生.
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第3章塑性加工3．1 塑性加工概述
【导入新课】
欲使金属成形加工又不产生切屑有许多种方法：铸造是以热量将金属熔解后产生流动性而随同型腔作液态流动成形加工的方法；粉末冶金则是先将金属作成粉末状态，再以压力迫使在型腔中作粉态流动而成形加工；塑性加工(Plastic Working)是以压力作用在固态金属上，令其作固态流动而成形加工的方式，所需压力甚大。
金属塑性加工是具有悠久的历史的加工方法，早在两千多年前的青铜时期，我国劳动人民就已经发现铜具有塑性变形的能力，并掌握了锤击金属以制造兵器和工具的技术。
随着近代科学技术的发展，已经赋予塑性加工技术以崭新的内容和涵义。
但是，作为这一技术的理论基础——金属塑性加工理论则发展得较晚，直到20世纪40年代才逐渐发展成一门独立的应用学科。
【讲授新课】
3.1 塑性加工概述
（观看有关塑性加工的录像，让学生有一定的感性认识。
）
一、金属塑性加工及其分类
金属塑性加工是指金属在外力（通常是压力）作用下，产生塑性变形，获得所需形状、尺寸、组织性能的制品的一种基本的金属成形加工技术，也称压力加工。
塑性加工的成形加工效率很高，制造精度比铸造高，是目前制造业很倚重的制造方法。
诸如汽车的车壳、曲柄轴、弹簧、垫圈、车牌，家电产品的外壳、加热线圈、扣件、电线，轮船的甲板，建筑用的钢筋，化学工业的输送管，大型发电机的机轴等，都是塑性加工常见的制件例。
塑性加工如图3-1所示。
金属塑性加工方法的种类很多，根据加工时工件的受力和变形方式，塑性加工的基本方法有：
锻造
轧制依靠压力
挤压
拉拔
依靠拉力
拉深
弯曲——依靠弯矩
剪切——依靠剪切力
二、塑性加工的特点
1.材料的利用率较高。
2.产品的性能、尺寸精度和表面质量较高。
3.便于实现生产过程的连续化、自动化。
4.设备较庞大，消耗能量较高。
【课堂小结】
本次课主要是对塑性加工有一个感性认识，熟悉了塑性加工的概念，知道塑性加工的分类及其应用，塑性加工的特点，并了解塑性加工的一般流程。
锻造
轧制
挤压
一、塑性加工拉拔
拉深
弯曲
剪切
二、塑性加工的特点（学生上台总结，老师点评）
【课后作业】
课后演练：1、2
3．2 金属热变形加工
【导入新课】
金属的塑性加工分为热变形加工和冷变形加工，根据加工时工件的受力和变形方式，基本的塑性加工方法有锻造、轧制、挤压、拉拔、拉深、弯曲、剪切等几类。
其中锻造、轧制和挤压是依靠压力作用使金属发生塑性变形，多半在热态下进行加工。
本课题通过介绍锻造和轧制的形式以及方法和特点的介绍，希望同学们对金属的热变形加工有一定的初步了解。
【讲授新课】
3.2 金属热变形加工
一、锻造
锻造是指在加压设备和工（模）具作用下，使金属坯料产生局部或全部的塑性变形，以获得一定几何形状、尺寸和质量的锻件的加工方法。
1. 自由锻
自由锻是指用简单的通用工具，或在锻造设备的上、下砧块之间直接对坯料施加外力，使坯料发生变形，从而获得所需的几何形状及内部质量的锻件的加工方法。
自由锻分为手工锻和机器自由锻两种。
(1) 自由锻造设备
自由锻造设备主要有空气锤和水压机两类。
①空气锤：以压缩空气为工作介质，驱动锤头运动击打锻件，使其获得塑性变形的锻锤
(2) 自由锻造的基本工序
①镦粗：使毛坯高度降低，横截面面积增大的锻造工序称为镦粗。
②拔长：使毛坯横截面面积减小，长度增加的锻造工序称为拔长，又称为延伸。
③冲孔：在坯料上冲出通孔和不通孔（盲孔）的锻造工序称为冲孔。
④弯曲：采用一定角度或弧度的工（模）具将毛坯弯成所规定外形的锻造工序称为弯曲。
⑤切割：把板料或型材等切成所需形状和尺寸的坯料或工件的锻造工序称为切割。
(3) 自由锻常见的缺陷
①产生裂纹
②末端凹陷和轴心裂纹
③折叠
2. 模锻
模锻是指利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法。
模锻设备有蒸气—空气锤、螺旋压力机等。
3. 胎模锻
胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具（胎模）生产锻件的一种锻造方法。
适用于小批量生产中使用自由锻困难、模锻不经济的形状复杂的锻件生产。
(1) 整形模
①摔模
②扣模
(2) 成形模
①套模
②合模
(3) 切边冲孔模
主要用于切除飞边。
二、轧制
轧制是指使通过两个或两个以上旋转轧辊间的轧件产生压缩变形，使其横截面面积减小与形状改变，而长度增加的一种加工方法。
1. 纵轧
两轧辊旋转方向相反，轧件的纵轴线与轧辊轴线垂直。
2. 横轧
两轧辊旋转方向相同，轧件的纵轴线与轧辊轴线平行，轧件获得绕纵轴的旋转运动。
3. 斜轧
两轧辊旋转方向相同，轧件轴线与轧辊轴线成一定倾斜角度。
三、其他热变形加工法
挤压成形加工是将可塑性材料放置在挤压室中，施加压力，使其通过挤压成为断面均一的长条状制件。
【课堂小结】
本次课主要学习了金属热变形加工中的锻造与轧制加工，了解加工的特点，熟悉了设备和基本工序。
最后简要介绍了挤压加工。
自由锻：镦粗、拉拔、冲孔、弯曲、切割
一、锻造模锻
胎模锻：整形模、成形模
纵轧
二、轧制横轧
斜轧
三、其它热变形加工
挤压
【课后作业】课后演练：1—4
3．3 冲压
【导入新课】
板料冲压是利用冲模使板料变形或分离，从而获得具有一定形状尺寸的零件的压力加工方法。
加工材料均为板料，一般板料冲压是在再结晶温度以下进行，所以又叫冷冲压。
冷冲板料通常厚度不大于4mm。
当板料厚度超过8～10mm时，则需采用热冲压。
本课主要通过冲压原理、冲压设备、冲压方式的介绍，促使学生对金属的塑性加工——板料冲压有更进一步的了解。
【讲授新课】
3.2 冲压
一、冲压
冲压是用压力机通过模具对金属毛坯加压使其产生塑性变形成分离，从而获得具有一定形状、尺寸的零件的压力加工方法。
冲压加工的三要素：板料、模具和设备
冲压优点：(1)生产效率高
(2) 产品精度高
(3) 冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件
(4) 冲压一般没有切屑生成，材料的消耗较少
二、板料冲压
板料冲压是一种利用冲模使板料变形或分离的加工方法。
厚度不大于4 mm：冷冲压
厚度超过8 mm～10 mm 时：热冲压
板料冲压设备主要有冲床和剪床（简介其工作原理）
三、板料冲压的基本工序
1. 分离工序（重点讲清楚落料与冲孔的区别）
使板料的一部分与另一部分分开的工序称为分离工序，包括冲裁、剪切及修整。
(1) 冲裁
冲裁是利用冲模将板料按封闭的轮廓与坯料分离的一种冲压方法，分为落料和冲孔。
如果被分离的部分为成品，而周边是废料，则为落料；
如果被分离的部分为废料，而周边是成品，则为冲孔。
(a) 落料 (b) 冲孔
(2) 剪切
剪切是指将板料沿着不封闭的曲线分离的一种冲压方法，可分切断和切口。
两部分板料沿着不封闭曲线完全分离的称为切断。
部分的分离且分离部分的材料发生弯曲的称为切口。
（a ）切断
（b）切口
(3) 修整
利用修整模沿冲裁件的外缘或内孔刮除在一层薄薄的切屑，以提高冲裁件加工精度和降低表面粗糙度。
3. 变形工序
使板料发生塑性变形，以获得规定形状的工序称为变形工序。
(1) 弯曲
弯曲时，板料内侧受压，外侧受拉。
(2) 拉深
拉深又称拉延，是变形区在一拉一压的应力状态作用下使板料成形为空心件而厚度基本不变的加工方法，
想一想：1. 切口与切断有什么区别？
2. 弯曲和拉深有什么区别？
3. 金属在进行弯曲加工时，怎样避免金属被拉裂？原因是什么？
【课堂小结】
本次课主要学习了冲压的工艺过程和冲压的原理，通过学习掌握了板料冲压的加工过程及注意特点。
了解了冲压加工的特点。
分离工序：冲裁、剪切、修整
一、板料冲压
变形工序：拉伸、弯曲
【课后作业】
课后演练：1—3。