第五章金属塑性变形物理基础

5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
5.3.7、提高金属塑性的途径
影响
均组 变形 变形 三向 均变 织 温度 速率 压 形
5.4、金属的超塑性变形
5.4.1、超塑性变形概念（前已讲述）
超塑性变形： 材料在超塑性状态下的塑性变形。 细晶超塑性：

是指金属在特定条件下，即低变形速度（ =10-2
～10-4/s）；一定的变形温度（Tm /2 ）；晶粒均匀 细小（晶粒平均尺寸0.2～0.5μ）；其相对延伸率δ 超过100%的特性。
第五章 金属塑性变形物理基础 5.1、金属塑性变形的机理及特点
5.1.1、概率
晶体、单晶体、多晶体、亚结构？
塑性 变形
滑移
不对称 扩散 孪生
变向 蠕变
晶界 滑移
5.1、金属塑性变形的机理及特点
5.1.2、塑性变形机理 体心立方滑移面与滑移方向 一、滑移变形机理
1、滑移面、滑移方向、密排面（方向）、滑 移系、滑移线（带） ？
单滑移
多滑移
交滑移
孪生面区域 孪生面与孪生方向 还原
孪生区域
孪生面 （111）
孪生方向
112
孪生面区域 还原
孪生区域
孪生面 （111）
孪生方向
112
刃型位错示意图 还原 孪生面区域
线缺(位错线)
关于柏式矢量 还原
8 7 65 43 2 1
1
5
2
4
3
3
4
2
5
1
1 234 567
8 7 6 5 4 32 1
100 %
扭转试验
扭转断裂前扭转角度θ 与扭转圈数n表示。
5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
5.3.2、金属的化学成分及组织对塑性的影响
1、金属的化学成分(碳与杂质影响)对塑性 的影响
碳与杂 质影响
C
P
S
O
N
H
5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
2、金属的化学成分（合金影响）对塑性 的影响
合金 影响
90

m
滑移
方向
F
F S / cos
如图：F Fm
则： m
当 45时，切应力最大。
最大分切应力 还原
m

S
Fm
/ cos

F
cos90
S / cos

F S
sin
cos


2
sin 2

剪切面
横切面积S
m

S
/
F
cos
F
F
90
m


滑移
F S / cos
如图：F Fm
则： m
方向 当 45时，切应力最大。
体心立方滑移面与滑移方向还原
柯式气团 还原
多相合金 还原
冷塑性变形组织、性能变化 还原 性能
的晶界滑移与扩散蠕变联合机理（A-V机理）。 如图，与书上图5-31
5.5、金属塑性成形中的外摩擦
金属塑性成形时零件与工模具之间存在摩擦， 此摩擦有不利于成型与有利于成型两方面特性。
5.5.1、金属塑性成形中摩擦特点
1、塑性变形摩擦 2、高压下摩擦
4、不断产生新接触面 5、高温状态摩擦
3、实际接触面积大

极限为被加工金属的拉伸屈服极
n
限S 。
本条件认为，接触面上摩擦切应力
加工5.金5、属金的剪属切塑强性度成形K中成的正外比摩。擦
f
与被
2、常摩擦力条件
f mK S
如m 1有
f max K
最大摩擦 力条件
f —摩擦切应力。
比较与并讲解
S —拉伸屈服极限。
塑性 塑性 塑性
5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
3、变形速率对塑性的影响
⑴、变形速率对塑性的影响的一般趋势？ 如图
⑵、变形速率对具有韧脆转变金属塑性的影响？
⑶、变形速率对工
影响
艺性能 的影响？
摩擦 因素
热量
惯性 流动
爆炸、电磁 、电液成型
5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
5.3.5、变形力学条件对塑性的影响 1、应力状态的影响？如书上图5-20～5-26 三向压应力状态塑性最好。应力应变状态 平砧与V形砧圆钢应力状态 2、应变状态的影响？ 两向压缩一向伸长主应变状态塑性最好。
5.5、金属塑性成形中的外摩擦
3、润滑添加剂 提高润滑作用，防止腐蚀，稳定润滑剂性能。
3、塑性成形润滑方法
方法
压缩空 气喷溅
流体 润滑
磷化 皂化
镀软 金属
本章结束 请认真复习并做完作业 p225：8、10、12、17
刃型位错示意图 还原
线缺(位错线)
正常晶格
孪晶图 还原
孪晶带
体心立方滑移面与滑移方向
纤维 组织
改善 偏析
5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
5.3.1、金属塑性和塑性指标
塑性：材料在外力作用下稳定发生永久变形 而不破坏其完整性的能力。
1、塑性指标
拉伸
lk l0 100%
l0
A0 Ak 100%
A0
5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
镦粗试验
c

H0 Hk H0
5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
5.3.6、其它因素对塑性的影响 1、不连续变形对塑性的影响？如书上图5-
27～5-28 2、尺寸因素对塑性的影响
⑴、组织因素对塑性的影响？ ⑵、表面因素对塑性的影响？
5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
3、周围介质因素对塑性的 ⑴、表层脆性相对塑性的影响？ ⑵、表层腐蚀层因素对塑性的影响？ ⑶、表层吸附油层层因素对塑性的影响？
各种变形一般不是单独进行，往往是配合、 顺次进行。
5.1、金属塑性变形的机理及特点
四、其它变形机理 扩散蠕变？ 晶界滑移？
5.1、金属塑性变形的机理及特点
5.1.3、合金的塑性变形
一、单相固溶体塑性变形
与纯金属多晶体比较？特点（固溶强化柯 式气团）？
5.1、金属塑性变形的机理及特点
二、多相合金塑性变形
2、临界分切应力、最大分切应力？ 3、变形时晶粒的转动？
5.1、金属塑性变形的机理及特点
4、滑移线形态，单滑移、多滑移、交滑移。
二、孪生变形机理
孪生区域
1、滑移与孪生交替发生？
2、孪生的位错，其柏式矢量小于一个原子 间距？
5.1、金属塑性变形的机理及特点
三、不对称变向
当变形条件既不利于滑移，又不利于孪生 时晶体以不对称变向协调变形？
⑵、一定的变形温度（T=Tm /2 ）。
⑶、晶粒均匀细小（晶粒平均尺寸0.2～
0.5μ）。
5.4、金属的超塑性变形
5.4.5、细晶超塑性变形时组织变化与力学性能变化 1、细晶超塑性变形时组织变化
⑴、不改变等轴性。 ⑵、不形成亚结构、位错、滑移线。 ⑶、有晶界滑移痕迹、空洞。
5.4、金属的超塑性变形
5.4、金属的超塑性变形
5.4.2、超塑性种类
1、细晶超塑性 2、相变超塑性 3、快速变形超塑性（低碳钢F+A组织） 4、消除应力退火过程中变形超塑性
机 理 不 详， 很 少 应 用
5.4、金属的超塑性变形
5.4.3、细晶超塑性的力学特征
1、流动应力
m
K
σ—真实应力MPa。
K—材料常数MPa.s
滑移 cos cos cos sin cos

方向
cos cos 1 sin 2 cos
2
拉伸滑移时的晶体转动 还原
孪晶图 还原
孪晶带
孪生面与孪生方向
z
y x
孪生面与孪生方向 还原
z
孪生面 （111）
x
-a
a/2
a/2
孪生方向
112
y
同时启动的滑移系 还原
5.5.3、塑性成型过程中摩擦分类与机理 1、塑性成型过程中摩擦分类
摩擦分类
干摩擦 边界摩擦 流体摩擦
5.5、金属塑性成形中的外摩擦
2、塑性成型过程中摩擦机理
摩擦机理
凹凸说
吸附说
粘着说
5.5、金属塑性成形中的外摩擦
5.5.4、接触表面摩擦切应力数学表达式
塑性成型摩擦的定量描述是塑性成型力学 中最不成熟的问题之一。
5.5、金属塑性成形中的外摩擦
5.5.2、摩擦对塑性成型过程的影响
1、摩擦对塑性成型过程的有利作用
利用摩擦控制流动方向；开式模以飞边保 证冲型；保证轧制顺利进行；拉伸防折皱。 2、摩擦对塑性成型过程的不利作用
妨碍冲型，甚至产生裂纹；模具磨损；耗 能、增大设备吨位；妨碍脱模。
5.5、金属塑性成形中的外摩擦
晶粒形状变化、产生亚结构、形成织构？ 如拉伸系数太小（形成织构）容易产生“制 耳”？
5.2、金属塑性加工中组织和性能变化基本规律 2、冷塑性变形中性能变化
加工硬化？
5.2、金属塑性加工中组织和性能变化基本规律 5.2.2、热塑性变形中组织和性能变化
组织 性能
改善 组织
焊合 缺陷
破碎碳 化物与
夹杂
协调变形
1、取向因子 μ？ 2、独立滑移系？
3、晶界的折中协 调性？
特点：各晶粒变形的不同时性；协调性；晶 间、晶内、晶界附近的不均匀性。更加复杂， 但仍是滑移、孪生的协同作用结果。
5.2、金属塑性加工中组织和性能变化基本规律 5.2.1、冷塑性变形中组织和性能变化
关于热加工与冷加工？ 1、冷塑性变形中组织变化
Si Mn Ni
Cr
w
V
5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
3、金属的组织对塑性的影响
组织 影响
相组 成
晶粒 度
铸造 组织
5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
5.3.3、变形温度对塑性的影响
如图
影响 机理
回复 原子 再结晶 动能
组织 变化
扩散 化合 晶间 蠕变 物分解 滑移
5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
5.3.4、变形速率对塑性的影响
如图
水压机变形速率：1～10cm/s 机械压力机变形速率：30～100cm/s 锻锤变形速率：500～900cm/s
1、应变热效应
影响
与温度效应
变形
变形
变形
温度
速率
程度
5.3、金属塑性加工过程中的塑性行为
2、变形速率对塑性的影响机理
如图
变形 速率
应力
回复再 结晶
温度 效应
1、塑性成形对润滑剂的要求
⑴、良好耐压性 ⑵、良好耐热性 ⑶、能有效冷却模具
⑷、无腐蚀作用、无毒 ⑸、使用清理方便。
5.5、金属塑性成形中的外摩擦
2、常用润滑剂
润滑剂
液体 润滑剂
液体 润滑剂
固体 润滑剂
动植物油
矿物油
5.5、金属塑性成形中的外摩擦
2、常用润滑剂
固体 润滑剂
石墨 MoS2 玻璃 珐琅 无机盐
2、细晶超塑性变形时力学性能变化
⑴、不存在织构与各向异性。 ⑵、无畸变与残余应力。 ⑶、有些合金有加工软化现象。 ⑷ 、有些合金有很高疲劳强度。
5.4、金属的超塑性变形
5.4.6、细晶超塑性变形机理
晶界滑移、晶粒转动、扩散蠕变、位错运动、 再结晶等综合作用结果。
如 阿 希 贝 （ Ashby ） 与 弗 拉 尔 (Verrall) 提 出
m —摩擦因子。0 m 1
—修正摩擦因子。 m 、m 23
K —抗剪屈服强度。讨论？
5.5、金属塑性成形中的外摩擦
5.5.5、影响摩擦因数的主要因数
1、金属种类与成分 金属表面硬度、强度、吸附性、原子扩散
能力、导热性、氧化速度、氧化膜性质、零件模具分子间结合力等？ 2、零件-模具表面状态
1
5
b
2
4
3
3
4
2
5
1
1 234 567
不对称变向 还原
位移
孪晶
协调变 形区域
孪晶
多晶体协调变ຫໍສະໝຸດ Baidu示意图 还原
A C
位错源
B
最大分切应力 击 还原
m

S
Fm
/ cos

F
cos90
S / cos

F S
sin
cos


2
sin 2
m

S
/
F
cos

剪切面
横切面积S
1、库仑摩擦条件库仑定律
f n
f —摩擦切应力。
n —法向正应力。
—库仑摩擦因数。还原
5.5、金属塑性成形中的外摩擦
1、库仑摩擦条件
f n
f —摩擦切应力。
n —法向正应力。
—库仑摩擦因数。
摩擦切应力 f 能否随正应力 n增大无限地增
大？
正应力
滑移面与滑移方向示意图 还原
滑移带 还原
沿滑移方向移动距离(na)
原子间距a
临界分切应力 还原
F
F
F
最大分切应力 还原
m

F
cos90
S / cos

F S
sin
cos


2
sin
2

剪切面 横切面积S m cos
F
F
90
m

F cos cos cos S / cos
m—应变速率敏感系数

—应变速率1/s
5.4、金属的超塑性变形
2、应变速率敏感指数物理意义
m
K
m=0.02～0.2—普通金属。 如图
m=0.3～1—超塑性金属。
m大小的影响?
5.4、金属的超塑性变形
5.4.4、影响细晶超塑性的主要因素

⑴、低变形速度（ =10-2～10-4/s）。
表面粗糙度、加工刀纹方向？
5.5、金属塑性成形中的外摩擦
3、接触表面压力 表面压力对摩擦因数的影响？
4、变形温度 如图 5、变形速度
摩擦因数随变形速度增加有下降趋势。
5.5、金属塑性成形中的外摩擦
5.5.6、塑性成形中的润滑 塑性成形中润滑的作用：提高模具寿命与产品
质量；提高零件冲型能力降低设备成本。