第3章 金属的塑性变形和加工硬化

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第三篇(塑性加工)

第三篇(塑性加工)

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,只有经过锻压使金属变形,才能改变其方向和形状。 合理利用纤维组织
应使零件在工作中所受的最大正应力方向与纤维方向重合;
最大切应力方向与纤维方向垂直; 并使纤维分布与零件的轮廓相符合,尽量不被切断。
§1-3
金属的可锻性
金属材料通过塑性加工获得优质零件的难易程度。 (经塑性加工而不断裂) 塑性
三拐曲轴的锻造过程
§2-1 锻造方法
自由锻特点

坯料表面变形自由;
● 设备及工具简单,锻件重量不受限制; ● ● ●
锻件的精度低; 生产率低,适用于单件小批生产; 是大型锻件的唯一锻造方法。
§2-1 锻造方法
模锻
使加热后的金属在模膛内
受压变形以获得所需锻件 的方法。 应用: 大批量生产中小锻件。 <150Kg,如曲轴、连 杆、齿轮。
在冷加工时,形变强化使金属塑性降低,进
一步加工困难,应安排中间退火工艺。 实质:塑性变形时位错运动受阻,使交叉滑移中位错运动范围缩小,因 此,金属性能随之改变。
一、金属材料产生加工硬化
金属材料 强度和硬 度提高, 塑性和韧 性下降。
有利:加工硬化可提高产品性能! 不利:进一步的塑性变形带来困难! 加热可消除硬化现象!
压力使金属成型为各种型材和锻件等。
a)自由锻 b)模锻 c)胎模锻 胎模锻:自由锻设备上,采用不与上、下砧相连接的活动模具 成形锻件的方法。是介于自由锻和模锻之间的锻造工艺方法。 2)冲压 利用冲模将金 属板料切离或变形 为各种冲压件。
3)轧制 使金属坯料通过两个旋转轧辊之间的间隙而产生塑性变形的 加工方法。 用于生产各种型材、管材、板材等。
模锻
模锻是利用锻模使坯 料变形而获得锻件的 锻造方法。

金属的塑性变形与再结晶(3)

金属的塑性变形与再结晶(3)
滑移实质上是位错在滑移面上运动的结果,在切 应力的作用下,晶体中存在的正刃位错逐步移动, 当这个位错移到晶体的右边缘时,移出晶体的上 半部就相对于下半部移动了一个原子间距,形成 一个原子间距的滑移量。
同一滑移面上若有大量的位错移出,则在晶体表 面形成一条滑移线。
位错在晶体中移动时所需切应力很小,因为当位错中心前 进一个原子间距时,一齐移动的只是位错中心少数原子, 而且其位移量都不大,形成逐步滑移,这就比一齐移动所 需的临界切应力要小得多,这称为“位错的易动性”。
研究表明,亚晶界的存在使晶体的变形抗力增加, 是引起加工硬化的重要因素之一。
3.形变织构
在塑性变形过程中,当金属按一定的方向变形量 很大时(变形量大于70%以上),多晶体中原来任 意位向的各晶粒的取向会大致趋于一致,这种有 序化结构叫作“变形织构”,又称为“择优取 向”,
金属材料的加工方式不同形成不同类型的织构: 拉拔时形成的织构称为丝织构,其特征是各个晶 粒的某一晶向平行于拉拔方向;轧制时形成的织 构称为板织构,其特征是不仅某一晶面平行于轧 制平面,而且某一晶向也平行于轧制方向。
3.变形引起的内应力
在金属塑性变形过程中,大约有10%的能量转化为内应力而残留在金属中, 使其内能增加。
这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为残余内应力。它是由于金 属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。
内应力一般可分为三种类型:Βιβλιοθήκη (1)宏观内应力(第一类内应力)
金属材料在塑性变形时,由于各部分变形不均匀,使整个工件或在较大的 宏观范围内(如表层与心部)产生的残余应力。
3.1.2多晶体金属塑性变形的特点
大多数金属材料是由多晶体组成的。 多晶体塑性变形的实质与单晶体一样。 要考虑到晶粒彼此之间在变形过程中的约束作用,以及晶界对塑性变形的影

第三篇金属压力加工

第三篇金属压力加工
• 上述理论所描述的滑移运动,相当于滑移上下两部分晶 体彼此以刚性整体作相对运动。要实现这种滑移所需的 外力要比实际测得的数据大几千倍,这说明实际晶体结 构及其塑性变形并不完全如此。
近代物理学证明,实际晶体内部存在大最缺陷。其中,以 位错(图3-2a对金属塑性变形的影响最为明显。由于位 错的存在,部分原子处于不稳定状态。在比理论值低得 多的切应力作用下,处于高能位的原子很容易从一个相 对平衡的位置上移动到另一个位置上(图3-2b),形成 位错运动。位错运动的结果,就实现了整个晶体的塑性 变形(图3-2c)。
4、多晶体的塑性变形:金属都是由大量微小晶粒组成的 多晶体。其塑性变形可以看成是由组成多晶体的许多单个 晶粒产生变形(称为晶内变形)的综合效果。 由于构成晶体的晶粒位向不同,还有晶界的阻碍,在其滑 移,变形时,分先后次序逐批进行。同时晶间的滑动和转 动(称为晶间变形)。如图,每个晶粒内部都存在许多滑 移面,因此整块金属的变形量可以比较大。低温时,多晶 体的晶间变形不可过大,否则将引起金属的破坏。
(2)拉拔 金属坯料被拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。
(3) 挤压 金属坯料在挤压模内被挤出模也而变形的加工方法。
(4) 锻造 金属坯料在抵铁或锻模模膛内变形而获得产品的方法。
(5)板料冲压 金属板料在冲模间受外力作用而产生分离或变形 的加工方法。
• 一般常用的金属型材、板材、管材和线材等原材料,大都是通过 轧制、挤压、拉拔等方法制成的。机械制造业中的许多毛坯或零 件,特别是承受重载荷的机件,如机床的主轴、重要齿轮、连杆、 炮管和枪管等,通常采用锻件作毛坯。板料冲压广泛用于汽车、 电器、仪表零件及日用品工业等方面。
2、变形速度的影响 变形速度即单位时间的变形程度。 (1)随着变形速度的增大,回复和再结晶不能及时克服 冷变形强化现象,金属则表现出塑性下降、变形抗力增大 (图3-9中a点以左),可锻性变差。

《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能

《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能
➢再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再):用经过严
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

第三章 材料的力学行为习题参考答案

第三章   材料的力学行为习题参考答案

第三章材料的力学行为习题参考答案一、解释下列名词1、加工硬化2、回复3、再结晶4、热加工5、冷加工答:1、加工硬化:随着塑性变形的增加,金属的强度、硬度迅速增加;塑性、韧性迅速下降的现象。

2、回复:加热温度较低时,变形金属中的一些点缺陷和位错,在某些晶内发生迁移变化的过程。

3、再结晶:被加热到较高的温度时,原子也具有较大的活动能力,使晶粒的外形开始变化。

从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。

和变形前的晶粒形状相似,晶格类型相同,把这一阶段称为“再结晶”。

4、热加工:将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工。

5、冷加工:在再结晶温度以下进行的压力加工。

二、填空题1、塑性变形的方式主要有滑移和孪生,而大多数情况下是滑移。

2、滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面及晶向发生。

3、在体心立方晶格中, 原子密度最大的晶面是{110},有 6 个,原子密度最大的晶向是<111>,有2个;在面心立方晶格中, 原子密度最大的晶面是{111},有 4 个,原子密度最大的晶向是<111>,有3个。

两者比较,具有面心立方晶格的金属塑性较好,其原因是滑移系和滑移方向多。

4、多晶体金属的塑性变形由于受到晶界和晶粒位向的影响,与单晶体金属相比,塑性变形抗力增大。

5、金属在塑性变形时,随变形量的增加,变形抗力迅速增大,即强度、硬度升高,塑性、韧性下降,产生所谓加工硬化现象。

这种现象可通过再结晶加以消除。

6、变形金属在加热时,会发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化。

7、冷绕成形的钢质弹簧,成形后应进行回复退火,温度约为250~300℃。

8、回复退火也称去应力退火。

9、冷拉拔钢丝, 如变形量大, 拉拔工序间应穿插再结晶退火,目的是消除加工硬化。

10、热加工与冷加工的划分应以再结晶温度为界线。

在再结晶温度以下的塑性变形称为冷加工;在再结晶温度以上的塑性变形称为热加工。

三、简答题1、产生加工硬化的原因是什么?加工硬化在金属加工中有什么利弊?答:⑴随着变形的增加,晶粒逐渐被拉长,直至破碎,这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒,变形愈大,晶粒破碎的程度愈大,这样使位错密度显著增加;同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。

《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

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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

8.金属的塑性变形和加工硬化

8.金属的塑性变形和加工硬化

8.金属的塑性变形和加工硬化1.加工硬化:金属在冷塑性变形过程中,随着变形程度增加,其强度和硬度提高而塑性(延伸率、面缩率)则降低,这种现象称为加工硬化。

2.面心立方金属单晶体的应力-应变曲线。

ⅰ硬化系数θ较小,一般认为在此阶段只有一个滑移系统起作用,强化作用不大,称位易滑移阶段。

ⅱ硬化系数θ最大且大体上是常数,对于各种面心立方金属具有相同的数量级,故称为线性硬化阶段。

ⅲ硬化系数θ随变形量的增加而逐渐减小,故称为抛物线强化阶段。

3.对应力-应变曲线影响的主要因素。

4.面心立方金属形变单晶体的表面现象。

ⅰ除了照明特别好(暗场),用光学显微镜一般看不到滑移线。

ⅱ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一阶段粗而短。

ⅲ出现滑移带,带中包括许多靠的很近的滑移线,应变增加,带间不在增加新的线,形变集中在原来的带中,滑移带端出现了碎化现象。

5.面心立方金属单晶体的加工硬化理论。

6.多晶体是通过晶界把取向不同,形状大小不同,成分结构不同的晶粒结合在一起的集合体。

晶界对塑性变形过程的影响,主要是在温度较低时晶界阻碍滑移进行引起的障碍强化作用和变形连续性要求晶界附近多系滑移引起的强化作用。

ⅰ障碍强化作用ⅱ多系滑强化作用ⅲ多晶体变形的不均匀性7.金属多晶体应力-应变曲线ⅰ点阵类型和金属种类的影响ⅱ变形温度于应变速率的影响a.随温度升高可能开动新的滑移系统。

b.随温度升高可在变形过程中出现回复和再结晶现象,引起金属软化,减弱加工硬化。

c.随温度升高可能出现新的塑性变形机理,使加工硬化减弱。

8.细化晶粒对金属材料的力学性能有何影响?有哪些途径可以细化晶粒?细化晶粒可以提高韧性,有助于防止脆性断裂发生,可以降低脆性转化温度,提高材料使用范围,在低强度钢中,利用细化晶粒来提高屈服强度有明显效果。

细化途径:(1)改变结晶过程中的凝固条件,尽量增加冷却速度,另一方面调节合金成分以提高液体金属过冷能力,使形核率增加,进而获得细化的初生晶粒。

第三章 金属的塑性变形

第三章 金属的塑性变形
变形速度得到恰当配合。
主要工艺:微细晶粒超塑性、相变超塑性
小结
1.认识单晶体金属塑性变形的主要方式-滑移的主 要特点;
2.认识多晶体金属塑性变形的特点和晶界与晶粒位 向对塑性变形的影响; 3.掌握金属在塑性变形过程中,结构、组织与性能 的变化规律,加工硬化产生的原因和实际意义;
滑移的同时必然伴随着晶体的转动。
孪生
孪生:在切应力作用下,晶体的一部分 相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶 向(孪生方向)发生切变的变形过程。
孪生的特点
金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面
两侧形成镜面对称关系。 发生孪生的部分(切变部分)称为孪生带或 孪晶。
孪生带的晶格位向发
生变化,发生孪生时 各原子移动的距离是 不相等的。
一、单晶体的塑性变形
塑性变形主要方式:滑移、孪生
单晶体
弹性变形
滑移变形
孪生变形
滑移变形在晶体表面留下变形痕迹 孪晶变形在晶体内部留下变形痕迹
滑移
滑移是在切应力作用下,晶体的一部分 沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑 移方向)相对于另一部分发生滑动。
滑移示意图
机械工程材料
滑移的特点
滑移与位错
多晶体由许多晶粒组成,各个晶粒位向不同,且存在许 多晶界,变形复杂。
2、多晶体的塑性变形
多晶体由许多晶粒组成,各个晶粒位向不同, 且存在许多晶界,变形复杂。
(A)晶界的影响
晶界起强化作用
( B)晶粒位向的影响
轴向拉力F,试样横截面积A , 外力F作用在滑移面上,沿滑 移 方向的分切应力为:
晶界的影响
金属在热轧时变形和再结晶的示意图
热加工对金属组织和性能的影响⑴
①改善铸锭组织,表现在:

第3章 金属材料的塑性成形——压力加工

第3章 金属材料的塑性成形——压力加工
可锻性的优劣一般常用金属的塑性和变形抗力两个 指标来综合衡量。
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

第三章 金属的塑性变形
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≈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

第三章塑性变形
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。

金属材料的塑性变形

金属材料的塑性变形

塑性加工性能及影响 因素
应力状态的影响
塑性加工性能及其指标
金属材料通过塑性加工获得优
质零件毛坯的难易程度。
塑性 、变形抗力 ,塑性加工
性能 。
塑性加工性能的影响因素
1.金属的本质
一.
化学成分的影响
2.
金属
组织
的影

2.加工条件
变形温度的影响
挤压时金属应力状态
(2)变形速度的影响 变形速度较小,热效应小,以强化为
3.3 塑性变形金属在加 热时组织和性能变化
再结晶温度及其影响因素
再结晶不是一个恒温过程,而是发生在一个温度范 围之内。能够进行再结晶的最低温度称为再结晶温 度。
~ T再( 0.350.4 纯金0 )属T的熔 再结点 晶温度与该金属的熔点有如下关系: 金属的预先变形程度。
金属的纯度。
加热速度。
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
成微观内应力; 因位错等晶格缺陷增多而引起的内应力称为晶格畸变
内应力。
残余应力的危害: (1)降低工件的承载能力 (2)使工件的形状和尺寸发生变化 (3)降低工件的耐蚀性
1 回复
主, 塑性加工性能变差; 变形速度较大,热效应起主导作用,
塑性加工性能变好. (3)应力状态的影响 压应力的数目越多,金属的塑性越好。
拉拔时金属应力状态
1.滑移
滑移是指在切应力作用下,晶 体的一部分沿一定晶面(滑移面) 和晶向(滑移方向)相对于另一部 分发生的滑动。
外力(F)在某晶面上产生的应 力可分解为正应力(σ)及切应力 (τ)。
正应力只能引起晶格的弹性伸 长,而切应力则可使晶格在发生弹 性歪扭之后,进一步使晶体发生滑 移。

材料成型工艺学3第三篇 金属塑性加工

材料成型工艺学3第三篇  金属塑性加工

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
纤维组织的稳定性很高, 不能用热处理方法加以消 除。只有经过锻压使金属变形, 才能改变其方向和形状。
为了获得具有最好力 学性能的零件, 在设计和 制造零件时, 都应使零件 在工作中产生的最大正应 力方向与纤维方向重合, 最大切应力方向与纤维方 向垂直。并使纤维分布与 零件的轮廓相符合, 尽量 使纤维组织不被切断。
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。
最小阻力定律: 塑性变形时金属各质点首先向阻力最小的方向移动。
变法 形线 功方 小向
§2 塑性变形对金属的组织和性能的影响
金属在常温下经过塑性变形后, 内部组织变化:
① 晶粒沿最大变形的方向伸长; ② 晶格与晶粒均发生扭曲;产生内应力; ③ 晶粒间产生碎晶。
变形速度↑↑→ 热效应现象↑→ 塑性 ↑ 、变形抗力↓ → 可锻性↑
3. 应力状态的影响
实践证明:
● 三个方向的应力中, 压应力的数目越多, 则金属的塑性 越好
● 拉应力的数目越多, 则金属的塑性越差 ● 同号应力状态下引起的变形抗力大于异号应力状态下的
变形抗力
第二章 锻 造
锻造:利用冲击力或压力使金属在抵铁间或锻模中 变形, 从而获得所需形状和尺寸的锻件, 这类 工艺方法称为锻造。

工程材料及成型技术基础第3章 金属的塑性变形

工程材料及成型技术基础第3章 金属的塑性变形
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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)
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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
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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。
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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
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(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

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。

金属塑性变形机制-加工硬化参考讲义

金属塑性变形机制-加工硬化参考讲义

金属塑性成形理论基础(二)加工硬化参考讲义塑性变形不但可以改变金属材料的外形和尺寸,而且会使金属内部组织和各种性能等发生变化。

多晶体经冷塑性变形后,金属内部组织将发生如下变化:①晶粒沿变形最大的方向被拉长,晶粒由多边形变为扁平形或长条形,当变形量很大时,各晶粒可以被拉成纤维状;②晶粒碎化成亚晶块(亚晶粒),塑性变形伴随着大量位错产生,由于位错交互作用,使晶粒“碎化”成许多位向略有差异的亚晶块(或称亚晶粒);③产生形变织构,金属塑性变形量足够大(70%以上)时,还会使晶粒发生转动,即各晶粒的某一晶向都不同程度地转到与外力相近的方向,从而使多晶体中原来任意位向的各晶粒取得接近于一致的位向,形成所谓“择优取向”,这种组织称为形变织构。

金属中变形织构的形成,会使它的力学性能、物理性能等明显地出现各向异性,所以对材料的工艺性能和使用都有很大影响。

冲压复杂形状零件(如汽车覆盖件等)时,产生不均匀塑性变形而可能导致工件报废。

但在某些情况下,可以利用织构现象来提高硅钢板的某一方向的磁导率,使其在用于制造变压器铁芯时使变压器的效率大大提高。

冷塑性变形后的金属由于内部组织的变化,将引起力学性能的明显变化-加工硬化。

加工硬化的概念:随着变形程度的增加,金属的强度和硬度显著提高而塑性和韧性明显下降,这一现象称为加工硬化。

加工硬化产生的原因:金属发生塑性变形时,由于位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,造成位错运动阻力的增大,引起塑性变形抗力提高。

而金属塑性变形中,晶粒沿变形方向拉长而造成晶粒变形和晶格扭曲,也使滑移变形阻力增大。

另一方面由于晶粒破碎细化,使强度得以提高。

另一方面由于晶粒破碎细化,使强度得以提高。

加工硬化是有双重作用的,不利的一面是:变形抗力增大,动力消耗增大,同时脆性断裂危险性也增大。

另一方面,加工硬化具有很重要的工程意义。

首先,它是一种非常重要的强化材料的手段,可以用来提高金属的强度,这对于那些不能通过热处理方法得以强化的合金尤为重要;其次,加工硬化是金属的冷成形加工的保证。

金属的塑性变形和加工硬化课件

金属的塑性变形和加工硬化课件

金属的屈服准则和流动法则
屈服准则
描述金属开始屈服的条件,常用的有Von Mises屈服准则和 Tresca屈服准则。
流动法则
描述金属在塑性变形过程中应力的变化与变形的关系,常用 的有Prandtl-Reuss流动法则和Coulomb-Mohr流动法则。
02 金属塑性变形的过程
弹性变形和塑性变形的比较
高性能金属材料的开发提供理论支持。
金属构件的疲劳寿命
02
研究金属其疲劳寿命,为金属构件的优化设计提供依据。
金属材料的可回收性和可持续性
03
研究金属塑性变形和加工硬化对材料可回收性和可持续性的影
响,为绿色制造和可持续发展提供支持。
加工硬化在金属材料的改性效果中起着重要作用,如通过 加工硬化可以改善金属材料的抗腐蚀性能、磁性能和热性 能等。
加工硬化在金属材料连接技术中的应用
金属材料连接技术
加工硬化可以用于金属材料的连接技术中,如通过焊接、铆接和粘 接等工艺,将两个或多个金属材料连接在一起。
金属材料连接工艺
加工硬化在金属材料的连接工艺中有着重要的应用,如通过控制焊 接温度、焊接速度和焊接压力等,可以获得高质量的焊接接头。
弹性变形
金属在受到外力作用时发生形变,当外力去除后,金属能够恢复原状。
塑性变形
金属在受到外力作用时发生形变,当外力去除后,金属不能恢复原状。
金属的塑性变形机制
滑移
金属晶体中的原子在切向应力作用下沿着一定的晶面和晶向相对滑移。
孪生
金属晶体中的一部分原子或分子的位置发生改变,以适应外力作用下的形变。
金属塑性变形的影响因素
纳米尺度实验技术
利用纳米压痕、原子力显微镜等纳米尺度实验技 术,研究金属在纳米尺度下的塑性变形和加工硬 化特性。
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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。
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二、晶界的本质
1、晶界处点阵畸变较大,存在着晶界能; 2、晶界处的原子排列的不规则性; 3、晶界处的原子偏离其平衡位置,具有较高的
动能; 4、晶界处存在有较多的空位、位错等缺陷; 5、晶界处原子的扩散速度较大; 6、晶界的熔点较低。
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三、晶界对晶体强度的影响
多晶体与单晶体变形的区别主要表现在以下两 个方面: 1)多晶体材料存在晶界; 2)多晶体中各晶粒的取向不同。
在各种结构的金属中,面心立方金属的硬化机 理研究得比较深入,下面重点以FCC金属为例 加以说明。
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一、FCC晶格单晶体的塑形变形 1、应力一应变曲线
图3.2 面心立方单晶体典型的应力-应变曲线
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典型曲线的三个阶段特征:
第一阶段特征:
1)加工硬化率( Ⅰ)很低; 2)滑移线细而长且均匀分布;
图3.8 在不同的温度下区域精炼铁的应 力-应变曲线
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BCC晶格金属的屈服理论:
BCC晶格金属与HCP晶格和FCC晶格金属相比 ,温度在低于0.2Tm左右时对屈服应力影响很 大,而且屈服应力也明显地与应变速率有关。 很清楚,要解释这种现象,就需要阐述与温度 密切相关的位错钉扎或位错阻碍作用的机理。
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二、 BCC晶格单晶体的塑性变形
高纯度的BCC金属室温的应力应变曲线与FCC 金属的曲线相似。 如果含有微量杂质原子或在低温形变时,将产 生明显的屈服现象而得不到三个阶段的硬化曲 线。
图3.4 铌单晶体的加工硬化
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三、HCP晶格单晶体的塑性变形
HCP金属的应力应变曲线的第Ⅰ阶段硬化率 θⅠ与FCC金属相近,但通常限于一组基面滑移 ,出现很长的第Ⅰ阶段,远远超过其他结构的 晶体,以致其第Ⅱ阶段还未充分发挥时试样就 已经断烈了。但条件合适时也会出现完整的三 个阶段。
流动应力随着晶粒尺寸的减小而增大并不是由 于晶界存在本身的原因,而是由于被晶界分割 开的晶粒之间的交互作用。
变形接力传递的可能性随晶粒尺寸的减小而增 大。
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五、影响多晶体应力-应变曲线的主要因素
1.点阵类型和金属种类影响
体心立方金属的硬化速率大体相同,比面心立 方金属的硬化效果差。但同是面心立方晶体的 金属,其硬化速率差别却比较大 。 原因是:由于体心立方金属的滑移系统较多, 易于产生交滑移,是其硬化速率较低的主要原 因之一。面心立方晶体的金属所表现出来的硬 化速率差别较大的现象,可能是由于其层错能 不同所致。
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• 晶界对塑性变形过程的影响,主要是在温度较 低时晶界阻碍滑移进行引起的障碍强化作用和 变形连续性要求晶界附近多系滑移引起的强化 作用。
1.晶界的障碍强化作用
• 由于晶界两侧晶粒取向不同,滑移从一个晶粒 延伸到下一个晶粒是不容易的,晶界存在着阻 碍塑性变形进行的作用。
• 要实现塑性变形从一个晶粒传递到下一个晶粒, 就必须外加以更大的力,这就是晶界的障碍强 化作用。
Cottrell和Stoke发现,如纯铝在90K变形至 第二阶段,继之升高温度,于室温下再进行实 验时,就有明显的屈服降落。这说明低温时的 硬化会部分地突然去除,显然低温变形时形成 的位错结构是不稳定的,到室温时发生某种变 化。由此证明,铝在室温下出现的屈服点,并 不是由于点缺陷的扩散或杂质原子偏聚到位错 线,钉扎了位错所造成的。
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2)金属的层错能和纯度的影响
层错能的高低影响到第Ⅲ阶段前的变形发展。 室温下的层错能高的金属,扩展位错很容易束 集及产生交滑移,Ⅱ值不超过4%-5%,应力 应变曲线很快进入第Ⅲ阶段;层错能低的金属, 因为扩张位错不易束集,位错交割困难,不易 产生多系滑移,则 Ⅱ可能超过20%以上。 杂质原子明显地影响到第Ⅰ阶段的长度。主要 从杂质原子对层错能影响和形成弥散的第二相 两个方面。
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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
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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。
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。
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:
l2
2
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。
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5
第三阶段特征:
1)加工硬化速率( Ⅲ )降低,曲线呈抛物 线型;
0' P
最后是第二抛物线部分(第三阶段):
0'' Bm
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2、BCC晶格多晶体的变形
许多体心立方晶格晶体金属,如果晶粒是细的 ,与面心立方晶格金属比较,则有明显的屈服 点。这个明显的屈服点,是由于像碳、氮、氧 杂质间隙原子有较小的富集所引起的。 大多数体心立方晶格的曲线低于面心立方晶格 金属的曲线,即体心立方晶格金属的加工硬化 速率实际上是低的。
图3.5 锌单晶的加工硬化
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3.2 金属多晶体的塑性变形
使用的大多数金属材料都是多晶体。多晶体是 通过晶界把取向不同、形状大小不同、成分结 构不同的晶粒结合在一起的集合体。多晶体的 塑性变形是许多单晶体塑性变形的集合。但是, 由于组成多晶体的各个晶粒取向不同,由于存 在着晶界及晶粒大小有差别,使得多晶体的塑 性变形和强化有许多不同于单晶体的特点。
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1、FCC晶格金属多晶体的变形
多晶体面心立方晶格金属典型的应力-应变曲 线通常用抛物线来描述。人们常常提出不同的 关系式予以一般性描述,典型的方程是:
0 An
图3.7 铝多晶体77K温度时的 应力-应变曲线
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第一段,1∽2%应变前,抛物线关系为:
0 An
接着是曲线的直线部分(第二阶段):
• 当外力作用于多晶体时,由于晶粒取向不同,作 用于各晶粒的滑移系统上分切应力不同,因而各 个晶粒变形不一样。
• 在单个晶粒内,晶界附近难于变形,一般来说, 晶界变形要低于晶粒中心区域。
• 大小不同晶粒相比,细晶粒强化作用大。由于细 晶组织中晶界占的比例要大于粗晶组织中的晶界, 细晶组织的硬度普遍高于粗晶组织的硬度。
2)变形温度和层错能对第三阶段有影响;
3)该阶段是一个热激活过程,该阶段开始时 的应力随温度的增加而快速减少;
4)内部组织变化的特征是:出现了滑移带。 随着变形量的增加,滑移都集中于滑移带内, 在滑移带之间不再出现新的滑移痕迹,而在滑 移带内可以看到交滑移。
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加工硬化第三阶段有加工软化现象。
图3.9 钢的动态应变时效
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2.变形温度与应变速率的影响
温度对加工硬化有很大的影响。温度升高,硬化 系数降低,对应于一定变形程度的屈服应力值 也减小。
其原因:1)随温度升高,可能开动新的滑移系 统;2)随着温度升高,可在变形过程中出现回 复和再结晶的现象;3)随着温度升高,可能出 现新的塑性变形机理。
对于密排六方晶格金属的双晶体和多晶体的表
现的观察表明,它们的形变强化主要决定于沿
非基面滑移的存在。
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晶粒大小对六方晶格多晶体塑性和流动应力产
生影响。在密排六方晶格的金属和合金中,高
的Ky值是由滑移系局限性和大的取向因子m所 决定的。
大的取向因子m和 d 值表明对晶粒尺寸有强
烈的依存关系。
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体心立方晶体对温度的敏感性尤为突出。在低 温下,屈服应力上升是特别突出的。
原因是:1)体心立方晶体的点阵阻力对温度的 依赖性更明显,而由于体心立方晶体的位错宽 度较窄,其点阵阻力对屈服强度有重要作用。 2)体心立方晶体中的位错与溶质原子特别是 间隙原子的相互作用强烈。在低温下,体心立 方晶体的屈服应力值很高,很容易发生脆性断 裂,即体心立方晶体具有低温脆性。
• 在不同的晶体结构中,多系滑移强化和障碍强化所 起作用的大小是不同的。体心和面心立方晶体金属 中,滑移系统多,多系滑移强化效果比障碍强化大 得多;室温下变形的六方金属晶界的障碍强化是主 要的。
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3.多晶体变形的不均匀性
• 多晶体由于存在着晶界及晶界两侧晶粒取向有差 别,多晶体的塑性变形有着很大的不均匀性。
第3章 金属的塑性变形和加工硬化
3.1 单晶体的塑性变形
加工硬化-金属塑性变形中,变形程度增 加,其强度和硬度提高而塑性则降低。
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