金属塑性成形原理 教学课件 ppt 作者 董湘怀

1、金属塑性成形原理 董湘怀主编,机械工业出版社,目录,第1章 绪论 第2章 金属塑性变形的材料学原理 第3章 金属的塑性 第4章 应力分析 第5章 应变分析 第6章 屈服准则与本构方程 第7章 金属塑性成形中的摩擦和润滑 第8章 主应力法及其应用 第9章 塑性成形问题的滑移线解法 第10章 上限法及其应用 第11章 金属塑性成形实验方法 附录1 下标符号及求和约定 附录2 张量简介,第1章 绪论,1.1 金属塑性成形的特点 1.2 金属塑性成形方法的分类 1.3 金属塑性成形原理课程的内容和要求 1.4 金属塑性成形理论的发展概述,第1章 绪论,1.1 金属塑性成形的特点 1不仅形状发生改变，而且其组织、性能都能得到改善和提高。 2靠体积转移，而不切除，因而材料利用率高，强度高。 3可以达到较高的精度，实现净成形或近净成形。 4具有很高的生产率。,第1章 绪论,1.2 金属塑性成形方法的分类,金属塑性加工按工件的受力和变形方式分类,第1章 绪论,实用中习惯分为体积成形和板料成形。 也可分为一次成形和二次成形。,第1章 绪论,1.3 金属塑性成形原理课程的内容和要求,1掌握温度、变形速率、

2、应力状态等条件对金属的塑性、变形抗力和组织性 能的影响规律； 2掌握塑性力学基础理论，包括应力与应变分析、屈服准则与应力应变关系 等； 3掌握计算变形力的解析方法，包括主应力法、滑移线理论法、上限法等。,第1章 绪论,1.4 金属塑性成形理论的发展概述 金属塑性成形理论基础：材料科学和塑性力学。 物理及物理-化学方面：20世纪30年代提出位错理论。 塑性力学： 1864年，提出屈雷斯加屈服准则； 1870年，提出了应力-应变速率方程； 1913年，提出了米塞斯屈服准则； 1920年代提出主应力法； 1970年代提出刚塑性和大变形弹塑性有限元法。,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.1 金属的晶体结构 2.2 金属的塑性变形机理 2.3 金属塑性变形后的组织与性能变化,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.1 金属的晶体结构 2.1.1 常见晶格结构 （1）体心立方晶格 如-铁等。 （2）面心立方晶格 如铝、-铁等。 （3）密排六方晶格 如镁、锌等。,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.1 金属的晶体结构 2.1.2 实际金属的晶体结构 实际金属内部存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。 （1

3、）点缺陷 空位、间隙原子 杂质原子,(a) 空位与间隙原子 (b) 杂质原子体积大 (c)杂质原子体积小 常见点缺陷结构,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.1 金属的晶体结构 （2）线缺陷,刃位错,螺位错,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.1 金属的晶体结构 （3）面缺陷 晶界与亚晶界 例：,晶界与亚晶界,工业纯铁在正火状态下的亚晶界,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理 2.2.1 单晶体的塑性变形 （1）滑移 在剪应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面和晶 向产生移动，称为滑移 。 1）滑移、滑移面和滑移方向,单晶体的滑移模式,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理 2）滑移系 3）临界剪应力 =(P/A)coscos= coscos,应力的分解,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理 4）晶体的转动和滑移面的弯曲,单晶拉伸变形时晶体的转动,压缩时晶体转动示意图,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理 （2）孪晶 孪晶是晶体一部分相对另一部分，对应于一定的晶面（孪晶面）

4、沿一定方 向发生转动的结果。,单晶体的孪晶模式 (a) 变形前 (b) 变形后 (c)孪晶变形时原子位移示意图,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理 （3）位错理论的基本概念 1）概述 1934年泰勒、奥罗万、波兰伊分别提出了晶体中的位错假设。,晶体中位错运动造成的滑移,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理 2）柏氏矢量,螺型位错柏氏矢量的确定,刃型位错柏氏矢量的确定,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理 3）位错移动所需的临界切应力(即P-N力) 使位错在晶体中开始运动所需的切应力为 4）刃型位错的攀移 攀移是刃型位错在垂直于滑移面方向的运动。,刃型位错的攀移运动示意图,(a)未攀移的位错 (b)空位引起的正攀移 (c)间隙原子引起的负攀移,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理 5）螺型位错的交滑移 螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另 一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。,螺型位错的交滑移,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理

5、6）位错的交割 晶体内的位错会在各个滑移面上同时进行，当某位错在某一滑移面上运动 时，会与穿过滑移面的其他位错相遇而发生交割。 7）位错的增殖,Frank-Read位错增殖机制,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理 8）位错的塞积,位错塞积示意图,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理 2.2.2 多晶体的塑性变形 （1）多晶体的变形方式 在多晶体内单晶粒的塑性变形方式和单晶体是一样的。多晶体内还存在晶 间变形，即晶粒之间的互相滑动和转动；还有介于晶内和晶间的扩散性蠕变。,晶粒间相互滑动与转动,空位和原子的正攀移 晶内扩散 晶界扩散,扩散性蠕变,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理 （2）多晶体的变形特点 1）各晶粒变形不同步 2）各晶粒变形不自由 3）各晶粒变形不均匀,晶料方位与变形顺序,变形与内应力,不同晶粒的变形量对比,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.2 金属的塑性变形机理 4）多晶体变形与晶粒大小的关系（Hall-Petch表达式 ）：,屈服强度与晶粒直径的关系,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.3

6、 金属塑性变形后的组织与性能变化 2.3.1 塑性变形对金属组织结构的影响 （1）纤维组织 晶粒和晶界上的夹杂物被拉长形成 （2）亚结构 亚晶粒,纤维组织的形成,亚结构,第2章 金属塑性变形的材料学原理,（3）变形织构 晶粒择优取向形成的有序化的结构,丝织构 板织构,拉深“制耳”,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.3.2 加工硬化现象 随着塑性变形程度的增大，金属强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下 降；其物理化学性能也发生变化。这样的现象称为加工硬化，也叫形变强化。,工业纯铁 45号钢,两种常见金属材料的力学性能-变形度曲线,第2章 金属塑性变形的材料学原理,（1）单晶体的加工硬化 不同的晶体结构其加工硬化曲线有明显的区别。 面心立方金属单晶体的加工硬化曲线可以分为三个阶段。,典型金属单晶体的应力-应变曲线,面心立方单晶体的加工硬化曲线,第2章 金属塑性变形的材料学原理,（2）多晶体的加工硬化 由于晶界的作用，多晶体的加工硬化不同于单晶体。晶界对塑性变形 的作用表现为： 1）阻碍晶内滑移的进行； 2）为了保持晶界上不出现裂纹，被迫在小变形时局部区域产生多滑 移。 （3）加工硬化的

7、原因及利弊 加工硬化的原因：因位错密度增加，位错间的交互作用增强，等等。 加工硬化的利弊：后续塑性加工难度加大，可用来作为强化金属的工 艺措施，加工硬化还有利于金属进行均匀变形，,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.3.3 回复与再结晶 （1）冷变形金属的静态回复和静态再结晶 所谓静态回复和再结晶是指金属在变形停止或中断的无外力状态下发生的回 复和再结晶。 1）静态回复 静态回复的实质是原子排列从高能态的杂乱排列向低能态的规则排列的转变 过程。 产生静态回复的温度为：T回复=(0.250.3)T熔点 2）静态再结晶 静态再结晶过程的实质是亚晶粒的合并和晶界的迁移。 静态再结晶的温度：经过70变形量变形的金属，在均匀温度中保持一小时 能完成静态再结晶过程的最低温度。 静态再结晶温度为：T再=(0.350.4)T熔点 3）二次再结晶 由静态再结晶得到的无畸变的等轴细晶粒，在加热温度继续升高或长时间保 温的条件下，会发生互相吞并而急剧长大，形成粗大晶粒，称为二次再结晶。,第2章 金属塑性变形的材料学原理,冷变形金属的静态回复与再结晶,第2章 金属塑性变形的材料学原理,（2）热变形金属的动态

8、回复和动态再结晶 所谓动态回复和动态再结晶是指金属在热变形过程中，由温度和外力联合 作用下发生的回复和再结晶。 动态回复主要发生在层错能高的金属的热加工过程中，如铝等。 动态再结晶易发生在层错能低的金属，如奥氏体不锈钢等。,发生动态再结晶的应力-应变曲线（流变曲线）,第2章 金属塑性变形的材料学原理,2.4 金属的冷、热、温塑性变形 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。若在再结晶温度以下变形，变形过程中既产生变形硬化也产 生回复，则称为温变形。 热变形对金属的组织和性能的影响 ： 热变形能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的 致密度； 热变形能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶 获得等轴细晶粒； 热变形能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相沿金 属流动方向被拉长而形成“流线”，或称纤维组织。,第2章 金属塑性变形的材料学原理,锻造与切削加工曲轴的流线分布,第3章 金属的塑性,3.1 塑性的概念与指标 3.2 影响金属塑性的因素 3.3 金属的超塑性,第3章 金属的塑性,3.1 塑性的概念与指标 3.1.1 塑性的概念 塑

9、性是指金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力。 塑性是相对的。 3.1.2 塑性指标 最常用的金属塑性测定方法有力学性能试验法和模仿某加工变形过程的模拟试 验法两大类。 1、拉伸试验 拉伸试验可以测定延伸率（）和断面收缩率（）两个塑性指标。 2、压缩试验 压缩试验也称镦粗试验，当试样侧面出现第一个用肉眼可观察到的裂纹时，记 录其变形量作为塑性指标。要注意试验条件的影响。,第3章 金属的塑性,3、扭转试验 材料的塑性指标用破断前的总扭转圈数（n）或扭转角来表示。 4、轧制试验法 用偏心轧辊轧制矩形试样，找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压下率 作为轧制过程的塑性指标。,偏心轧制后的试样形状,偏心轧制原理,第3章 金属的塑性,3.2 影响金属塑性的因素 影响金属塑性的因素大致可分为两大类：一类是源于金属材料材质方面的内 在因素，另一类是来自变形条件方面的外在因素。 3.2.1 化学成分和组织状态对塑性的影响 1、化学成分的影响 以碳钢为例，讨论化学成分对塑性的影响。 （1）碳和杂质元素的影响 碳 碳对碳钢的塑性影响最大。 磷 磷是钢中的有害杂质，引起冷脆性。 硫 硫也是钢中的有害杂质，引起热脆性。 氮 引起时效脆性。,钢中含碳量对钢机械性能的影响,第3章 金属的塑性,氢 引起氢脆现象。 氧 也会使钢出现热脆（或红脆）现象。,氢的溶解度,第3章 金属的塑性,（2）合金元素的影响 以钢为例。 固溶体的影响 合金元素使铁的晶格发生不同程度的畸变，从而使其抗力提高， 塑性降低。参见下图。 碳化物的影响 合金元素若与钢中的碳形成硬而脆的碳化物，会使钢的强度提 高，塑性降低。 硫、氧化物的影响 合金元素与钢中的氧、硫形成氧化物和硫化物夹杂，造成钢 的热脆性，降低了钢的热塑性，不同合金元素的硫化物和氧化物的影响。,合金元素对铁素体伸长率的影响,第3章 金属的塑性,相的影响 合金元素可改变钢中相的组成，造成组织的多相性，从而使钢的塑 性下降。 组织与晶粒的影响 合金元素也可通过影响钢的铸造组织与晶粒大小来改变钢 材的塑性。 低熔点元

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