金属塑性变形与流动问题
金属塑性变形与流动问题PPT课件
01
钛合金锻件的应用背景
钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀等优点，在航空航天领域得到广
泛应用。钛合金锻件是飞机和发动机等关键部件的重要组成部分。
02 03
钛合金的塑性变形特性
钛合金属于难变形材料，其塑性变形行为受到温度、应变速率和合金成 分等多种因素的影响。了解钛合金的塑性变形特性对于制定合理的锻造 工艺至关重要。
05
金属塑性变形与流动问题实验方法
实验设备简介
拉伸试验机
用于对金属试样进行拉伸试验，测量其力学性能 和塑性变形行为。
弯曲试验机
用于对金属试样进行弯曲试验，探究其在弯曲过 程中的塑性变形和流动特性。
压缩试验机
用于对金属试样进行压缩试验，研究其在压缩过 程中的变形和流动行为。
显微镜
用于观察金属试样的微观组织变化，分析塑性变 形对金属组织的影响。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
04
2. 研究金属的流动特性，包括流动应力、应变硬化指数 等。
05
3. 探讨金属塑性变形与流动问题的内在联系和影响因素 。
06
4. 将实验结果与理论预测进行比较，验证相关理论和模 型的正确性。
06
工程应用案例分析
汽车制造中金属板材的冲压成型
冲压成型工艺介绍
冲压是利用模具在冲床上对金属板材施加压力，使其产生 分离或塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的零件的加工 方法。
课程目的：掌握金属塑性变形与流动问题的基本概念 、理论和方法，提高解决金属加工实际问题的能力
金属塑性变形概述
塑性变形的定义和分 类
塑性变形对金属性能 的影响
塑性变形过程中的力 学行为和组织演变
流动问题在金属加工中的重要性
流动问题的定义和分类 流动问题对金属加工质量的影响
14.金属的塑性变形习题
金属的塑性变形习题1.名词解释塑性是指固体材料在外力作用下发生永久变形，而不破坏其完整性的能力。
塑性指标为了衡量金属塑性的高低，需要有一种数量上的指标变形速率金属塑性加工时单位时间内工件的平均变形程度变形抗力塑性变形时，变形金属抵抗塑性变形的力超塑性材料在一定内部条件下和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。
交滑移在晶体中，出现两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移孪生变形晶体特定晶面（孪晶面）的原子沿一定方向（孪生方向）协同位移（称为切变）的结果包辛格效应在金属塑性加工过程中正向加载引起的塑性应变强化导致金属材料在随后的反向加载过程中呈现塑性应变软化（屈服极限降低）的现象。
残余应力引起附加应力的外因去处后，在物体内仍残存的应力叫残余应力，残余应力是弹性应力，不超过材料的屈服应力，也是相互平衡成对出现的。
最小阻力定律当物体各质点有在不同方向移动的可能时，变形物体内的每一个质点都将沿其最小阻力方向移动。
2.影响金属塑性的内因和外因有哪些？答案：影响金属塑性高低的主要因素有两方面：内因，金属本身的化学成分、组织结构等；外因，变形温度、变形速度、变形程度、应力状态、变形状态、尺寸以苏、周围介质等。
3.改善金属材料的工艺塑性有哪些途径，怎样才能获得金属材料的超塑性？答案：（1）途径：①控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；②采用合适的变形温度-速度制度；③选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；④避免加热和加工时周围介质的不良影响。
（2）获得金属材料超塑性的方法：①超细等轴晶粒组织在一定温度区间和一定的变形速度条件可以获得恒温超塑性；②材料具有固态相变的特性，并在外加载荷作用下，在相变温度上下循环加热与冷却，诱发产生发福的组织结构变化时金属原子；发生剧烈运动而呈现出相变超塑性。
③有些材料在消除应力退火过程中，在应力作用下也可以得到超塑性。
金属塑性变形与流动问题
第十八章 金属塑性变形与流动问题基本要求：1． 理解最小阻力定律、不均匀变形、附加应力和残余应力、塑性成形中摩擦与润滑等概念2． 定性分析金属塑性变形与流动对工艺和模具设计以及质量的影响第一节 金属流动方向——最小阻力定律金属的塑性流动方向可应用最小阻力定律进行判断。
最小阻力定律由前苏联学者古布金（С.И.Губкин）于1947年将它表达为“当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动”。
最小阻力定律是力学的普遍原理，可以定性地用来分析质点的流动方向，或调整某方向阻力来控制金属的流动。
例如，粗糙平板间矩形断面棱柱体镦粗时，由于接触面上质点向四周流动的阻力与质点离周边的距离成正比，因此离周边的距离愈近，阻力愈小，金属质点必然沿着这个方向移动。
该方向恰好是周边最短法线方向，因此可用点划线将矩形分成两个三角形和两个梯形，形成四个流动区域，如图18-1所示。
点划线是流动的分界线，线上各点至边界的距离相等，各个区域内的质点到各边界的法线距离最短。
这样镦粗后，矩形断面将变成双点划线所示的多边形，继续镦粗，断面周边变成椭圆直至变成圆为止。
以后各质点将沿着半径方向移动。
由于相同面积的任何形状，圆形的周边最小，故最小阻力定律在镦粗中也称为最小周边法则。
再例如，平砧间拔长是使其截面逐渐减小而长度增加的工序，其实质是沿坯料长度方向的逐次镦粗，如图18-2。
当坯料送进量小于料宽时，金属轴向延伸大于横向展宽，拔长效率高，如图18-2a ，反之采用图18-2b 的送进方式，展宽量大于延伸量，拔长效率低。
关于调整阻力控制金属流动的实例很多，例如开式模锻，如图18-3，增加金属流向飞边的阻力，以保证金属充填型腔；或者修磨圆角r ，减小金属流向A 腔的阻力，使A 腔充填饱满。
又例如，在大型覆盖件拉深成形时，常常要设置拉延筋，用来调整或增加板料进入模具型腔的流动阻力，以保证覆盖件的成形质量。
金属在塑性变形时遵循最小阻力定律和体积不变条件，据此可以大体上确定出塑性成形时金属流动模型，进而可以合理地制定成形工序、设计成形模具、分析成形质量。
轧制原理-第三章变形区金属的流动课件
加强轧制过程的智能化和自动化
研究智能化和自动化技术在轧制过程中的应用， 以提高生产效率和产品质量。
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感谢您的观看
优化轧制工艺参数的方法
1 2 3
实验优化法
通过实验测试不同的轧制工艺参数组合，找到最 优的参数组合，以达到最佳的金属流动效果和产 品质量。
数值模拟法
利用数值模拟软件对轧制过程进行模拟，预测不 同参数下的金属流动和产品质量，指导实际生产 中的参数优化。
人工智能法
利用人工智能算法对大量历史数据进行分析和学 习，找到最优的工艺参数组合，实现快速优化。
厚向应变
金属在厚度方向上的长度变化。
轧制过程中的应力-应变关系
真实应力-应变曲线
描述了金属在轧制过程中的应力与应变之间的关系，是材料力学 性能的重要指标。
加工硬化
随着应变的增加，金属的屈服强度增加的现象，影响金属的进一步 变形。
流动应力曲线
描述金属在轧制过程中的应力与应变行为，对于确定轧制工艺参数 和优化产品质量具有重要意义。
轧制力对变形区金属流动的影响
力增大，金属流动阻力增大
随着轧制力的增大，变形区内金属所受的应力增加，流动阻力增大，导致金属流动速度减缓。
流动不均匀性改善
轧制力的增大有助于改善变形区内金属流动的不均匀性。这是因为较大的轧制力可以减小因应变速率差异引起的 流动不均匀性问题。
05
实际生产中的变形区金 属流动控制
轧制原理-第三章变形 区金属的流动课件
目 录
• 引言 • 变形区金属流动的规律 • 轧制过程中的应力与应变 • 轧制工艺参数对变形区金属流动的影响 • 实际生产中的变形区金属流动控制 • 结论与展望
6 金属塑性变形与流动问题
附加应力定律：任何塑性变形物体内部，在变形过程中均
有自相平衡的附加应力。
6. 2. 2 变形条件对金属塑性的影响
一、变形温度
碳钢的塑性随温度变化图
就大部分金属来言，其总的趋势是：随着温 度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的 线性上升。
2．变形速度
塑 性
Ⅰ Ⅱ
变形速度，1/秒 图5-18 变形速度对塑性的影响
3．变形程度
冷变形时，变形程度越大，塑性越低；热变 形时，变形程度越大，塑性越高。
变形过程中，物体各质点将 向着阻力最小的方向移动。即 做最少的功，走最短的路。
图3-1 开式模锻的金属流动
图3-2 最小周边法则
拔长效率较低，主 要用于修正尺寸
拔长效率较高
6. 2 影响金属塑性、塑性变形和流动的 因素
6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 塑性、塑性指标和塑性图 变形条件对金属塑性的影响 其他因素对塑性的影响 提高金属塑性的途径 摩擦对金属塑性变形和流动的影响 工具形状对金属塑性变形和流动的影响 金属各部分之间关系对塑性变形和流动的影响 金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响
三、残余应力
定义：引起应力的外因去除后在物体内仍残存的应力。 特点：残余应力是弹性应力，它不超过材料的屈服极限。 分类： （１）第一类残余应力：存在于变形体各大区之间； （２）第二类残余应力：存在于各晶粒之间； （３）第三类残余应力：存在于晶粒内部。 残余应力产生的原因： （１）塑性变形不均匀。残余应力的符号与引起该残余应力 的塑性应变符号相反。 （２）温度不均匀（加热／冷却不均匀）引起的热应力。 （３）相变过程引起的组织应力。
塑性成形原理重点问题解答
一、加工硬化加工硬化指经过塑性变形后，金属内部的组织结构和物理力学性能发生改变，其塑性、韧性下降，强度、硬度增加，继续变形的力提高的现象。
微观上，加工硬化与金属内部的位错滑移、位错交割、位错塞积、交滑移以及晶粒的破碎与变化等有关。
加工硬化的后果： 强度提高，增加设备吨位；塑性下降，降低变形程度，增加变形工序和中间退火工序；强化金属材料（不能热处理的），提高金属零件的强度，改善冷塑性加工的工艺性能。
附：金属的结构：单晶体结构（体心立方、面心立方、密排六方） 实际多晶体结构（点缺陷、线缺陷、面缺陷） 单晶体的塑性变形机构：滑移，挛生 位错理论的基本概念：位错、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错运动与增值 多晶体冷塑性变形的微观机理：晶界、晶粒位向、晶内变形、晶间变形、变形不均匀性、 变形后组织与性能的改变 有关基本内容参阅金属学及热处理 二、金属的塑性与塑性指标金属的塑性：指固体金属在外力的作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。
注：塑性是一种状态、而不是一种性质 塑性的影响因素：（各因素具体的影响没详细） 内部因素：晶格类型、化学成分、晶相组织； 外部因素：变形温度、变形速度、受力状态 附：塑性指标三、金属受外力而变形，抵抗变形的力—变形抗力 变形的难易程度 单位流动应力 变形抗力的影响因素： 化学成分、组织结构、变形温度 变形速度、变形程度、应力状态四、金属的超塑性—金属材料在一定的内部条件（金属的组织状态）和外部条件（变形温度、变形速度）下变形体现出的极高的塑性，延伸率达δ＝100％～2000％。
, m ＝0.3~1.0超塑性结构超塑性（微细晶粒超塑性） 动态超塑性（相变超塑性）超塑性的影响因素：组织结构（晶粒度5 ~ 10μm ） 变形温度（0.5 ~ 0.7T m ）、变形速度（10-4 ~ 10-1 min-1） 五、塑性力学的基本假设：1.变形体连续2.变形体均质和各向同性3.变形体静力平衡4.体积力和体积变形不计 六、主应力、应力状态特征方程（在课本上） 1、应力特征方程的解是唯一的；2、对于给定的应力状态，应力不变量也具有唯一性；3、应力第一不变量J1反映变形体体积变形的大小，与塑性变形无关；J3也与塑性变形无关；J2与塑性变00100%h l l l δ-=⨯ 延伸率−00100%hA A A φ-−=⨯断缩面收率 00100%h C H H H ε-−=⨯压缩变形程度()()()()()()()()22222222222212322311616x y y z z x xy yz zx x y y z z x xy yz zx J σσσσσστττσσσσσστττσσσσσσ⎡⎤''''''=-++-++⎣⎦⎡⎤=-+-+-+++⎢⎥⎣⎦⎡⎤=-+-+-⎣'⎦10x y z J σσσ'''+'=+=形有关；4、应力不变量不随坐标而改变，是确定点的应力状态异同的判据。
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
金属塑性变形原理
金属塑性变形原理1、变形和应力1．1塑性变形与弹性变形金属晶格在受力时发生歪扭或拉长，当外力未超过原子之间的结合力时，去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态，也就是说，未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形。
多晶体发生弹性变形时，各个晶粒的受力状态是不均匀的。
当加在晶体上的外力超过其弹性极限时，去掉外力之后歪扭的晶格和破碎的晶体不能恢复到原始状态，这种永久变形叫金属的塑性变形。
金属发生塑性变形必然引起金属晶体组织结构的破坏，使晶格发生歪扭和紊乱，使晶粒破碎并且使晶粒形状发生变化，一般晶粒沿着受力方向被拉长或压缩。
1．2应力和应力集中塑性变形时，作用于金属上的外力有作用力和反作用力。
由于这两种外力的作用，在金属内部将产生与外力大小相平衡的内力。
单位面积上的这种内力称为应力，以σ表示。
σ=P/S式中σ——物体产生的应力，MPa：Ｐ——作用于物体的外力，N；Ｓ——承受外力作用的物体面积，mm2。
当金属内部存在应力，其表面又有尖角、尖缺口、结疤、折叠、划伤、裂纹等缺陷存在时，应力将在这些缺陷处集中分布，使这些缺陷部位的实际应力比正常应力高数倍。
这种现象叫做应力集中。
金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物及残余应力等对应力的反应与物体的表面缺陷相同，在应力作用下，也会发生应力集中。
应力集中在很大程度上提高了金属的变形抗力，降低了金属的塑性，金属的破坏往往最先从应力集中的地方开始。
2、塑性变形基本定律2．1体积不变定律钢锭在头几道轧制中因其缩孔、疏松、气泡、裂纹等缺陷受压缩而致密，体积有所减少，此后各轧制道次的金属体积就不再发生变化。
这种轧制前后体积不变的客观事实叫做体积不变定律。
它是计算轧制变形前后的轧件尺寸的基本依据。
H、B、L——轧制前轧件的高、宽、长；h、b、l——轧制后轧件的高、宽、长。
根据体积不变定律，轧件轧制前后体积相等，即HBL=hbl2．2最小阻力定律钢在塑性变形时，金属沿着变形抵抗力最小的方向流动，这就叫做最小阻力定律。
金属的塑性变形小结
小结第三章金属材料的塑性变形第一节金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形单晶体受力后，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及解理断裂。
只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。
塑性变形有两种形式：滑移和孪生。
在多数情况下，金属的塑性变形是以滑移方式进行的。
（一）滑移1.滑移与滑移带1)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。
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。
⑵滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。
因为原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。
通常是晶体中的密排面和密排方向。
⑶滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。
2)滑移带滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。
2.滑移系一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。
金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格，体心立方晶格好于密排六方晶格。
3.滑移时晶面的转动:①外力错动→力偶使滑移面转动→滑移面∥拉伸轴。
②以滑移面的法线为转轴的转动→滑移方向∥最大切应力方向。
㈡孪生孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。
发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
与滑移相比：孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。
二、多晶体金属的塑性变形单个晶粒变形与单晶体相似。
而多晶体变形比单晶体复杂得多。
㈠晶界及晶粒位向差的影响1、晶界的影响当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。
要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的塑性变形抗力提高。
2、晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。
金属塑性加工流动及变形规律
变形抗力不同， 造成流动不均
不均匀变形产生的弯曲现象 1——铝；2——钢
金属塑性加工原理与技术
3. 2. 6 金属性质不均的影响
变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、 相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形 和流动的差异。
金属塑性加工原理与技术
§3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力
金属塑性加工原理与技术
3.2.1 摩擦的影响
摩擦影响的实质：
由于摩擦力的作用，在一定程度上改变了金属的 流动特性并使应力分布受到影响。
金属塑性加工原理与技术
镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响
接触面附近摩擦力，中心大，边部小
变形分成三个区 难变形区、易变形区、自由变形区
三个区的主应力图有区别，主变形图不同
σ1=σ2=σ3 ε1=ε2=ε3=0
0> σ2 = σ1>σ3 ε3＜0 ε1=ε2= - ε3 /2
σ1>0 > σ3 σ2 =0 ε1=-ε3 ε2= ？ 0 思考：没有摩擦力，怎么变形？
金属塑性加工原理与技术
圆柱镦粗时接触表面单位压力分布图
用有孔的玻璃锤头压缩塑料
发现中间进入圆孔的塑料高度高于 边部
a) 圆型砧（zhen） b) V型砧 c) 凸型砧
金属塑性加工原理与技术
图3-14 沿孔型宽度上延伸分布图
方形坯入椭圆形轧孔，沿 宽向的延伸不均匀，易造 成制品歪扭
3. 2. 4
金属塑性加工原理与技术
外端的影响
外端（未变形的金属）对变形区金属的影响主要是阻 碍变形区金属流动，进而产生或加剧附加的应力和应 变。
变形不均，造成组织、性能不均
金属塑性加工原理与技术
金属及合金的塑性变形
应力-应变曲线分析
弹性阶段
在应力作用下，金属首先发生 弹性变形，应力与应变成正比
关系，遵循胡克定律。
屈服阶段
当应力达到金属的屈服强度时， 金属开始发生塑性变形，应力-应 变曲线出现屈服平台或屈服点。
强化阶段
随着应变的增加，金属的加工 硬化效应逐渐显现，应力随之 上升，呈现强化现象。
断裂阶段
当应力达到金属的抗拉强度时 ，金属发生断裂。
03
形
多晶体结构特点及影响因素
结构特点
多晶体由许多取向不同的小晶体（晶粒）组成，晶粒之间存在晶界。
影响因素
晶粒大小、晶界结构、第二相粒子、温度、应变速率等。
晶界在塑性变形中作用
要点一
阻碍位错运动
晶界是位错运动的障碍，使位错在晶界处塞积，引起应力 集中。
要点二
协调变形
晶界能协调不同晶粒之间的变形，使多晶体能够保持连续 性变形。
新型塑性变形机制的探索
随着新材料和新技术的不断涌现，未来可能会出现新的塑性变形机制。探索这些新型塑性变形机 制将有助于拓展金属及合金的应用领域并提升其性能。
THANKS.
加工硬化现象及机制
加工硬化现象
金属在塑性变形过程中，随着变形量的增加，其强度和硬度逐渐提高，而塑性 和韧性逐渐降低的现象。
机制
加工硬化的机制主要包括位错增殖、晶粒细化和相变等。其中，位错增殖是金 属塑性变形过程中加工硬化的主要原因，位错密度增加导致金属强化。
金属单晶体的塑性变
02
形
单晶体滑移与孪生过程
金属及合金的塑性变形
目录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属单晶体的塑性变形 • 金属多晶体的塑性变形 • 合金的塑性变形行为及特点 • 塑性变形对金属及合金性能影响 • 总结与展望
金属塑性变形与流动问题
但是在塑性成形中也常常应用摩擦的有益作用。 例如，模锻中利用飞边槽桥部的摩擦力来保证模膛充满，滚锻和轧制时依靠足够的 摩擦使坯料被咬入轧辊。
二、塑性成形中的摩擦分类及机理
（一）塑性成形中的摩擦分类
根据塑性成形中坯料与工具表面之间的润滑状态的不同，摩擦可分为三类，即干 摩擦、边界摩擦和流体摩擦，由此还可以派生出混合型摩擦。
三、残余应力
引起附加应力的外因去除后，在物体内仍残存的应力叫残余应力。 残余应力是弹性应力，不超过材料的屈服应力，也是相互平衡成对出现的。
（一）残余应力产生的原因
1、塑性变形不均匀产生残余应力。 变形不均匀产生附加应力，变形完成后，变形不均匀状态不消失，附加应力将残留
在物体内而形成残余应力。 一般，不均匀变形引起的残余应力符号与引起残余应力的塑性应变符号相反。
2. 粘附理论 摩擦是接触面上粘接或焊合的结果。
两表面接触时，若接触面上某些接触点处压力很大，以致发生粘接或焊合，当两表面有相 对运动时，需切断粘接或焊合点而产生相对滑动。
现代摩擦学理论认为：摩擦力不仅包含有剪切接触面上机械咬合所产生的阻力，而且包含有表面 分子吸附作用的吸引力及切断粘接点所产生的阻力。对于流体摩擦，摩擦力主要表现在润滑剂层之间 的流动阻力。
r
图18-3 开式模锻的金属流动
又例如，在大型覆盖件拉深成形时，常常要设置拉延筋，用来调整或增加板料进入 模具型腔的流动阻力，以保证覆盖件的成形质量。
第二节 影响金属塑性变形和流动的因素
一、摩擦对金属塑性变形和流动的影响
在工具与坯料的接触面上由于摩擦力的存在，在一定程度上改变了金属的流动特性。
1、矩形断面的棱柱体在平板间镦粗 无摩擦。
大学金属工艺的金属塑性加工的相关问题的讲解
金属纤维组织
图3－6铸锭热变形前后的组织
纤维组织的特点
变形程度越大，纤维组织越明显。 常用锻造比γ表示变形程度。坯料拔长时的锻造比为： γ=F0/F 式中F0为坯料拔长前的横截面积；F为坯料拔长后的横截面积。 纤维组织使金属在性能上具有方向性。 纵向（平行于纤维方向）上的塑性、韧性提高， 横向（垂直于纤维方向）上的塑性、韧性则降低。 纤维组织的稳定性很高，不能用热处理或其它方法加以消除 不能用热处理或其它方法加以消除， 不能用热处理或其它方法加以消除 只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。
知识点：
第二章
锻造
1、自由锻和模锻。 2、胎模锻。 3、余块、机械加工余量。 4、模锻－－焊接成形。
锻造：在加压设备及工（模）具作用下，铸锭产生局部或全部的塑
性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。
第一节 锻造方法
一、自由锻
(1)、 (1)、自由锻是利用冲击力或压力使金属在上、下砧之间产生塑性变
位错移动：高位能的位错处原子， 位错移动 在比理论值小的切应力下滑移。从 一个位置滑移到另一个位置。
未变形
弹性变形
弹塑性变形
塑性变形
图3－2
位错运动引起塑性变形示意图
位 错 移 动 的 结 果： 塑 性 变 形。
晶内变形：金属由大量微小晶粒组成的 晶内变形 多晶体，由组成多晶体的许多单个晶粒 产生变形。其综合效果是塑性变形。 其综合效果是塑性变形。 其综合效果是塑性变形
A 锻造比： 锻造比：Y镦= A0 ＞1
拔长、镦粗、冲孔、弯曲、扭转、错移、 拔长、镦粗、冲孔、弯曲、扭转、错移、切割
使坯料高度减小，截面积增大的工序。 使坯料高度减小，截面积增大的工序。
金属塑性变形机制-讲义
金属塑性成形理论基础（一）金属塑性变形机制参考讲义前言金属塑性加工是利用金属的塑性，在外力的作用下，通过模具(或工具)使简单形状的坯料成形为所需形状和尺寸的工件(或毛坯)的技术。
它也被称之为塑性成形或压力加工。
金属塑性加工方法主要包括锻造、冲压、轧制、拉拔、挤压等几种类型。
为何采用塑性成形技术？⏹金属经过塑性成形后能改善其组织结构和力学性能。
铸造组织经过热塑性变形后由于金属的变形和再结晶，会使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、缩松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。
因此铸件的力学性能低于同材质的锻件的力学性能。
⏹塑性成形能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。
什么是塑性变形？当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服极限以后，金属就会产生变形。
当外力停止作用后，金属的变形并不消失。
这种变形称为塑性变形。
（当外力作用在金属上时，如受拉，金属内的原子间距变大，如果这种变化是弹性范围内的，当外力去除后，原子还能恢复到原来的状态；如果外力较大，这种变化就达到了塑性阶段了，当外力去除之后，有一部分变化就不能恢复了，金属就发生了塑性变形。
作为一种极限，当外力大到一定程度，原子间的结合力被打破，那么金属就断了。
）塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。
塑性不仅与材料本身的性质有关，还与变形有方式和变形条件有关。
材料的塑性不是固定不变的，不同的材料在同一变形条件下会有不同的塑性，而同一材料，在不同的变形条件下，会表现不同的塑性。
塑性是反映金属的变形能力，是金属的一咱重要的加工性能。
塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。
金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。
最新分析影响金属塑性变形的主要因素
分析影响金属塑性变形的主要因素(一）影响金属塑性变形的主要因素影响金属塑性变形的主要因素有两个方面，其一是变形金属本身的晶格类型，化学成份和组织状态等内在因素；其二是变形时的外部条件，如变形温度、变形速度和变形的力学状态等。
因此，只要有合适的内、外部条件，就有可能改变金属的塑性行为1.化学成份和组织对塑性变形的影响化学成份和组织对塑性和变形抗力的影响非常明显也很复杂。
下面以钢为例来说明。
①化学成份的影响在碳钢中，铁和碳是基本元素。
在合金钢中，除了铁和碳外还包含有硅、锰、铬、镍、钨等。
在各类钢中还含有些杂质，如磷、硫、氨、氢、氧等。
碳对钢的性能影响最大。
碳能固溶到铁里形成铁素体和奥氏体固溶体，它们都具有良好的塑性和低的变形抗力。
当碳的含量超过铁的溶碳能力，多余的碳便与铁形成具有很高的硬度，而塑性几乎为零的渗碳体。
对基体的塑性变形起阻碍作用，降低塑性，抗力提高。
可见含碳量越高，碳钢的塑性成形性能就越差。
合金元素加入钢中，不仅改变了钢的使用性能，而且改变了钢的塑性成形性能，其主要的表现为：塑性降低，变形抗力提高。
这是由于合金元素溶入固溶体(α—Fe和γ－Fe)，使铁原子的晶体点阵发生不同程度的畸变；合金元素与钢中的碳形成硬而脆的碳化物(碳化铬、碳化钨等)；合金元素改变钢中相的组成，造成组织的多相性等，都造成钢的抗力提高，塑性降低。
杂质元素对钢的塑性变形一般都有不利的影响。
磷溶入铁素体后，使钢的强度、硬度显著增加，塑性、韧性明显降低。
在低温时，造成钢的冷脆性。
硫在钢中几乎不溶解，与铁形成塑性低的易溶共晶体FeS，热加工时出现热脆开裂现象。
钢中溶氢，会引起氢脆现象，使钢的塑性大大降低。
②组织的影响钢在规定的化学成份内，由于组织的不同，塑性和变形抗力亦会有很大的差别。
单相组织比多相组织塑性好，抗力低。
多相组织由于各相性能不同，使得变形不均匀，同时基本相往往被另一相机械地分割，故塑性降低，变形抗力提高。
晶粒的细化有利提高金属的塑性，但同时也提高了变形抗力。
9 金属的塑性变形
1 d 3 112
FCC中，每层（111）面都相对于其邻晶沿 [ 1，1，-2]方向位移了1/3d [1，1，-2]。
1 d 112 3
·变形孪晶也是通过位错的运动来实现的，可看作 是部分位错滑过孪晶面一侧的切变区中各层晶面 而进行的。
2 6 6 ′ = a + ( a)2 = a2 = a d[112] = AC 2 4 2
拉伸作用在中间一层金属上下两面的作用 力σ可分为两个分应力： A 分正应力（σ1σ2）
垂直于滑移面，构成力偶，使晶块滑移面朝外力 轴方向转动。
B
分切应力
当外力分解到滑移面上的最大分切应力与滑移方 向不一致时，又可分解为平行于滑移方向和垂直 于滑移方向的两个分力。前一分力是产生滑移的 有效分切应力，后一分力将构成一对作用在晶块 上下滑移面上的力偶，力图使滑移方向转至最大 切应力方向。 ∴拉伸时，在产生滑移的过程中，晶体的位向在 不断改变，不仅滑移面在转动，而且滑移方向也 改变位向。
三、晶粒大小对机械性能的影响
2．晶粒大小对高温强度的影响 高温下晶界在应力作用下会产生粘滞性流 动，发生晶粒沿晶界的相对滑动；另外，还可 能产生“扩散蠕变”，所以，细晶粒组织的高 温强度反而较低。
§3
合金的塑性变形
一、 单相固溶体
合金塑性变形 的特点
1．固溶强化 ·溶质原子溶入基体 金属 后,使 变 形 抗 力 提高 ， 应 力--应变曲线升高， 变形 能力下降，这就是固 溶强 化。
（2）压缩
压缩时晶体的滑移面， 力图转至与压力方向 垂直的位 置。
·
3）几何硬化与几何软化 ·几何硬化：如果晶体滑移面原来是处于其 法线与外力轴夹角接近45º的位向，经滑 移和转动后，就会转到此夹角越来越远 离45º的位向，从而使滑移变得越来越困 难。 几何软化：经滑移和转动后，一些原来角 度远离45º的晶面将转到接近45º，使滑移 变得容易进行。
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图17-2 平砧拔长坯料的变形模式 合肥工业大学材料科学与工程学院制作
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例如开式模锻，如图17-3，增加金属流向飞边的阻力，以保证金属充填 型腔；或者修磨圆角，减小金属流向A腔的阻力，使A腔充填饱满。
r
图17-3 开式模锻的金属流动
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又例如，在大型覆盖件拉深成形时，常常要设置拉延筋，用来调整 或增加板料进入模具型腔的流动阻力，以保证覆盖件的成形质量。
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第二节 影响金属塑性变形和流动的因素
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2、温度不均匀（加热或冷却不均匀）所引起的热应力以及由相变过 程所引起的组织应力都会引起残余应力。
残余应力分类：
第一类残余应力存在于变形体各区域之间；
第二类残余应力存在于各晶粒之间； 第三类残余应力存在于晶粒内部。
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残余应力是弹性应力，不超过材料的屈服应力，也是相互平衡成对
出现的。
（一）残余应力产生的原因 1、塑性变形不均匀产生残余应力。
变形不均匀产生附加应力，变形完成后，变形不均匀状态不消失
，附加应力将残留在物体内而形成残余应力。 一般，不均匀变形引起的残余应力符号与引起残余应力的塑性应变 符号相反。
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变形后 变形前 图17-6 圆柱体镦粗时的不均匀变形
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二、附加应力
由于变形体各部分之间的不均匀变形受到整体性的限制，在各部分 之间必将产生相互平衡的应力，该应力叫附加应力。 附加应力是由不均匀变形引起的，同时它又限制了不均匀变形的 自由发展，附加应力总是互相平衡成对出现的。
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主 要 内 容
一、摩擦对金属塑性变形和流动的影响 二、工具形状对金属塑性变形和流动的影响 三、金属各部分之间的关系对塑性变形和流动的影响
四、金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响
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第三节 不均匀变形、附加应力和残余应力
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主要内容
一、不均匀变形
二、附加应力 三、残余应力
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一、不均匀变形
塑性成形时，由于金属本身性质的不均匀，摩擦和工具形状的影 响，不同变形区之间的相互制约，实际上都是不均匀变形。 例如：在平砧间镦粗圆柱体
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2.提高了单位变形力
不均匀变形引起附加应力，使变形
所消耗的能量增加，从而使单位变形力增高。
3.使塑性降低，甚至造成破坏
挤压制品表面出现周期性
的裂纹，是由第一类附加应力形成的残余应力所致。 4.造成物体形状歪扭 如薄板或薄带轧制、薄壁型材挤压
影响。
以上分别讨论了各个因素对金属塑性变形和流动的影响，而在实际 生产中常常是多因素的共同作用，因此，必须考虑各个可能方向上的阻
力情况，才能正确分析金属流动问题。掌握了塑性变形时金属流动规律，
便可以采取有效的措施，控制各个可能流动方向上的阻力分布，使金属 按预期的方向流动，以获得所需尺寸和形状的工件。
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第一节 金属流动方向——最小阻力定律
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最小阻力定律: “当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则
物体各质点将沿着阻力最小的方向移动”。
_______古布金
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（二）残余应力引起的后果
（1）具有残余应力的物体再承受塑性变形时，其应变分布及内部应力 分布更不均匀。
（2） 缩短制品的使用寿命，当外载作用下的工作应力与残余应力叠加
超过材料的强度时，使零件破坏，设备出现故障。 （3） 使制品的尺寸和形状发生变化，当残余应力的平衡受到破坏后， 相应部分的弹性变形也发生变化，从而引起尺寸和形状变化。 （4） 增加塑性变形抗力，降低塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。 （5） 降低制品表面的耐蚀性，具有残余应力的金属在酸液中或其他溶 液中的溶解速度加快。
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第四节 金属塑性成形中的摩擦和润滑
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二、工具形状对金属塑性变形和流动的影响
工具形状是影响金属塑性流动的重要因素。工具形状不同，各个方
向的流动阻力不一样。
a） a) 圆型砧
b） 图17-5 型砧拔长 b) V型砧
c） c) 凸型砧
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图17-7 凸肚形轧辊轧制板材的附加应力 合肥工业大学材料科学与工程学院制作
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挤压的金属流动和纵向应力的分布 1）金属流动；2）附加应力较小；3）附加应力较大
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第十七章 金属塑性变形与流动问题
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金属塑性成形问题实质上是金属的塑性流动问题。通过 流动分析可以预测变形体的形状和尺寸，进行工艺和模具设 计以及质量分析。但影响金属塑性流动的因素复杂，目前还 难以进行定量描述。本章定性讨论金属塑性变形和流动的几 个基本问题，如最小阻力定律、不均匀变形、附加应力和残
在回复温度下便可大部分消除，制品的硬化不受影响；第二类残余应力， 接近再结晶温度也可完全消除；对第三类残余应力必须在再结晶温度以上
才可消除。在高温下，去应力退火时，应避免晶粒长大，影响其力学性能
。 2、机械处理方法
在制品表面再产生一些表面变形，使残余应力得到一定程度的释放
和松弛，或者产生新的附加应力以抵消或减弱残余应力。该法只适合于消 除第一类残余应力，实践证明当表面变形量1.5％～3％左右效果最好。
时出现的镰刀弯、波浪形等。 5.形成残余应力 由于附加应力成对出现，彼此平衡，只
要变形的不均匀状态不消失，它始终存在，因此，当外力去
除后，它仍残留在物体内而形成残余应力。
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三、残余应力
引起附加应力的外因去除后，在物体内仍残存的应力叫残余应力。
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普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》 例如，粗糙平板间矩形断面棱柱体镦粗时，由于接触面上质点向四周流动
的阻力与质点离周边的距离成正比，因此离周边的距离愈近，阻力愈小， 金属质点必然沿着这个方向移动。
图17-1 有摩擦矩形断面镦粗不均匀流动模型 合肥工业大学材料科学与工程学院制作
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一、摩擦对金属塑性变形和流动的影响
在工具与坯料的接触面上由于摩擦力的存在，在一定程度上改变了金属的流 动特性。
1、矩形断面的棱柱体在平板间 镦粗无摩擦。
2、环形零件镦粗时由于摩擦的
作用，还会改变金属质点的流动 方向。
图17-4 无摩擦矩形断面镦粗放射形模型
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再例如，平砧间拔长是使其截面逐渐减小而长度增加的工序，其实质 是沿坯料长度方向的逐次镦粗，如图17-2。当坯料送进量小于料宽时， 金属轴向延伸大于横向展宽，拔长效率高，如图 17-2a ，反之采用图 17-2b的送进方式，展宽量大于延伸量，拔长效率低。
残余应力一般是有害的，特别是表面层中具有残余拉应力的情况。但当
表面层具有残余压应力时，可以显著提高材料的强度和疲劳强度，反而可 提高其使用性能。
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（三）残余应力的消除方法
1、 热处理法
采用去应力退火可较彻底地消除残余应力。对第一类残余应力一般
响。
刚端对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动。例如拔长时， 砧子下面局部坯料镦粗，变形受到刚端部分的影响，其横向流动小于同 等条件下的自由镦粗。
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拔长时外端的影响
外端对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动，进而产生或 加剧附加的应力和应变。在自由锻造中，除镦粗外的其他变形工序，工 具只与坯料的一部分接触，变形是分段逐步进行的，因此变形区金属的 流动就受到外端的制约。
附加应力通常分为三类：
第一类：附加应力是变形体内各区域体积之间由不均匀变形引起的互 相平衡的应力； 第二类：附加应力是各晶粒之间由于其性质、大小和方位不同，使晶粒之 间产生不均匀变形所引起的附加应力； 第三类：附加应力是晶粒内部各部分之间的不均匀变形所引起的附加应 力。