金属属性成型原理.docx

金属塑性成型原理（塑性力学）金属冷态下的塑性变形机理：1、晶内变形的变形方式类似单晶体为滑移（主要的）和挛生（次要的〉滑移 总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生滑移系=滑移面X滑移方向滑移过程中晶体由于受到外界作用而发 生转动，其结果是使原来任意取向的各个晶粒逐渐调整其方位而趋于一致滑移过程的实质就是位错的移动和增 殖过程滑移方向的作用大于滑移面的作用，所以体心立方晶格（例如a -Fe）的塑性不如面心立方晶格（例如 Y -Fe）挛生：晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（挛生面）和一定的晶向（挛生方向）发生 均匀切边以何种方式进行塑性变形，取决于哪种方式变形所需的切应力为低2、晶间变形的主要形式是晶粒 之间相互滑动和转动晶间变形是晶界附近具有一定厚度的区域内发生应变的结果多晶体在冷态下的塑变主要 是晶内变形，晶间变形只起次要作用，而且需要其它变形机制相协调位错塞积群会产生很强的应力场，它越过晶界走用在相邻晶粒上，使其也具有位错趋势理论上，为保持变形的连续性，每个晶粒至少要求有五个独立的滑移系启动多晶体塑变的特点：1、各晶粒变形的不同时性；2、各晶粒变形的相互协调性；3、晶粒与晶粒之间和晶粒 内部与晶界附近区域直接按变形的不均匀性。

晶粒越细小，金属屈服强度越大，s=Z o+Kyd-i/2，其塑性也越好粗晶粒材料冲压时易出现表面凸凹不平（桔皮现象）材料经回火或长期存放后，拉伸时再次出现屈服现象，称为应变时效屈服效应会使板料出现粗糙不平（吕德思带），是一种外观缺陷，预防方法是在拉延前进行一道微量（1-2% 压下量）冷轧工序，以使被溶质碳原子钉扎的位错大部分脱钉另一方法是在钢种加入少量钛、铝等强碳化物、 氮化物形成元素，它们与碳、氮稳定结合，以减少碳、氮对位错的钉扎作用多相合金可以分为两种：一类为聚合型两相合金（例如碳钢中的铁素体和粗大渗碳体），另一类是弥散分布 型两相合金（例如钢种细小的渗碳体微粒分布在铁素体机体上）精密冲裁中，对于碳的质量分数大于0.3%的碳钢板一般要预先进行球化处理，以获得球状渗碳体，提高精 冲性能处理前为片状珠光体，即渗碳体+铁素体）钢中c>1.2%时，虽渗碳体数量增多，但其强度和塑性显著下降原因是硬而脆的二次渗碳体呈网状分布于 晶界处，削弱了各晶粒之间的结合力，并使晶内变形受阻而导致很大的应力集中，从而造成材料变形时提早断裂弥散强化型合金中的第二相微粒是属于不可变形的；沉淀强化（时效强化）的粒子多属于可变性的，但当其 在时效过程中长大到一定程度后，也能起到不可变形粒子的作用。

对可变性粒子来说，其尺寸越大，位错切过粒子的阻力越大，合金的强化效果越好生产中为减小制耳现象，可采用带圆角的正方形板坯来拉延圆筒件加工硬化的成因：位错难以越过某些障碍而被限制在一定范围内运动材料的硬化率可用真实应力-应变曲 线来描述加工硬化是强化金属的重要途径例如自行车链片用3.5mm16Mn板经五道冷轧至1.2mm，硬度、强度均可成 倍提高去应力退火时回复在金属加工中的应用之一，既可以保持金属的加工硬化性能，又可消除残余应力，从而避 免工件的畸变或开裂，改善耐蚀性超塑性：金属盒合金具有超常的塑性变形能力，一般认为0 >200%，应变速率敏感性指数m>0.3,大伸长 率，无颈缩，低流动力，易成型分为以下两种类型：1、细晶超塑性（结构超塑性或恒温超塑性）：在一定的恒 温下，在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所呈现的超塑性材料的晶粒必须超细化和等轴化，并在成型 期间保持稳定）2、相变超塑性：具有相变或同素异构转变的金属或合金在相变温度附近反复加热和冷却，经过 一定的循环次数后，就可以获得很大伸长率又叫动态超塑性，其研究和应用都较少，可用于钢与钢、铸铁与铸 铁之间的焊接，以及一些简单的变形。

超塑性的一个重要力学特征：流动应力（真实应力）对变形速率及其敏感Y=k& m，其中Y-真实应力；k- 决定于试验条件的材料常数；& -应变速率；m-应变速率敏感性指数影响细晶超塑性的主要因素：应变速率、变形温度、组织结构和晶粒度等这些因素大都直接影响1值的大 小影响金属塑性的因素分为：1、内在因素，如晶格类型、化学成分、组织状态等；2、外部条件，如变形温度、 应变速率、变形的力学状态等钢种杂质对材料的影响：1、磷：有害杂志，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性降低，在冷变形时更为严 重（冷脆性）2、硫：有害杂质，热变形时开裂（热脆性）钢中Mn会与其形成MnS，从而消除S的有害作用3、氮：当氮化物质量分数增加，钢的塑性降低，变脆，特别是在300^左右加工时（兰脆）4、氢：有害元素， 形成间隙固溶体，使钢的塑性韧性下降锻、轧后冷却过快时，氢来不及向表面扩散逸出，聚集在显微缺陷处形 成白点（微裂纹），在淬火或冷却过程中易开裂5、氧：以固溶体和氧化物形式出现，都会降低钢的塑性与其 它杂物形成共晶体分布于晶界处时还会造成钢的硬脆性许多合金元素（例如Mn、Cr、Mo、W、Nb、V、Ti）会使钢中的碳形成硬而脆的碳化物，钢的强度提高、而 塑性下降。

所有合金元素都能不同程度地熔入铁中形成固溶体，使变形抗力提高，而塑性降低当合金元素与钢种的氧、硫形成氧化物或硫化物夹杂时，会造成钢的热脆性合金元素会改变钢中相的组成，造成组织的多相性，从而使钢的塑性降低有些合金元素（例如Si、Ni、Cr）会影响钢的铸造组织和刚才加热时晶粒长大倾向，从而影响钢的塑性单相组织比多相组织塑性好，对于有固态相变的金属，应尽量在单相区内成形在低温区，180°C左右时，钢的塑性是最好的静水压力越大，金属的苏醒会越高，原因：1、压缩应力能阻止或减小晶间变形；2、三向压应力有利于愈合 塑性变形过程中产生的各种损伤；3、三向压应力左右能抑制少量对塑性不利的杂质、液态相或组织缺陷，全部 或部分地消除其危害；4、能抵抗由于不均匀变形引起的附加拉应力，从而减轻了附加拉应力所造成的拉裂作用应变状态：两向压缩一向拉深〉一向压缩一向拉伸大于一向压缩两向拉伸不连续热变形条件可以使金属塑性提高提高金属塑性的基本途径：1、提高材料成分和组织的均匀性；2、合理选择变形温度和应变速率；3、选择 三项压缩性较强的变形方式；4、减小变形的不均匀性塑性力学（塑性理论）：研究金属在塑性状态下的力学行为，是连续介质力学的一个分支。

通常采用以下假 设：1、连续性假设；2、均质性假设；3、各向同性假设；4、初应力为零；5、体积力为零；6、体积不变假设塑性力学的主要内容：1、静力学角度导出应力平衡微分方程；2、几何学角度导出小应变几何方程；3、物 理学角度导出应力与应变之间的关系式；4、屈服准则外力分为两类：1、面力（例如作用力、反作用力和摩擦力）；2、体积力（例如重力）摩擦力的最大值不应超过材料的抗剪强度规定（与材料力学不同）：外法线指向坐标轴正向的微分面为正面，在正面上指向坐标轴正向的应力分量取 正好，在腹面上指向坐标轴负向的应力分量为正即正应力分量以拉为正，以压为负张量知识：重复出现的角标称为哑标（包含求和的意思），不重复出现的称谓自由标（表示表达式的个数）应力状态特征方程：3-J 2-J J =0，其中J= + + ，J=- （ + + ） + 2 + 2 + 2，1 2 3 1xyz2 xyyzzx xyyzzxJ= +2 - （ 2 + 2 + 2 ）J，J，J分别称为应力张量的第一、第二、第三不变量3 x y z xy yz zx x yz y zx z xy 12 3应力张量不变量相等说明应力状态相同。

主应力图分为9种：三向应力状态4种，两向应力状态3种，单向应力状态2种最大切应力：尸 13=±（ 1- 2〉/2 （或 max= （ max- min）"单位体积改变：0 = （1-2v ）・6m/E，其中v为泊松比，E为弹性模量，m= （ 1+ 2+ 3）/3为平均应力（静 水应力）应力偏张量是二阶对称张量，同样存在三个不变量，J「，Jj，J；对于主轴坐标系：J，=0，表示已没有静水应力成分；J，=[ （ - ） 2+ （ - ） 2+ （ - ） 2]/6与屈1 2 1 2 2 3 3 1服准则有关；J，='''决定了应变类型，即J，＞0属伸长类应变，J，=0属平面应变，J，＜0属压缩类应3 1 2 3 3 3 3变八面体平面方向余弦：l=m=n=±1/*3，则八面体正应力：8= （ 1+ 2+ 3） /3= m=J1/3；八面体切应力：二± 二气；2 + 2 + 2 =± ： J'广义应力（应力强度）8 2 12 23 31 3 2也称等效应力，其有以下特点：1、是一个不变量；2、等于单相均匀拉 深（或压缩）时的应力，=1； 3、可以理解为一点应力状态中应力偏张量的综合作用作应力莫尔圆时，切应力的正负号应按材料力学中的规定而确定。

顺时针作用于单元体的切应力为正，反 之负）名义应变（即相对应变或工程应变），适用于小应变分析分为线应变和切应变自然应变（对数应变）仁二皿10，也称真实应变在应变主轴方向保持不变的情况下应变增量的总和当变形程度＜10%时，£与£的数值比较接近.8uM，点相对于M点的位移增量0 *= * dx,.j伸长时线应变为正，反之为负.yx工程切应变（相对切应变）即为单位长度上的偏移量或两棱边所夹直角的变化量.Y =Y =13，当直角减小 yx xy 2 j时,3 yx取正号，反之负.（第一个角标表示线元（棱边）的方向，第二个角标表示偏转方向）£ = ln —=ln （1+£ ） =£ -£ 2/2+£ 3/3-£ 4/4+… 10对于大变形时的全量应变，需要用有限应变来分析.塑性变形时的体积不变条件:单位体积变化率3 =里、=£ +£ +£ =0.V x y z0应变张量I =£ +£ +£ =常数；I =-（£ £ +£ £ +£ £ =常数；I =£ £ £ =常数1 x y z 2 x y y z z x） 3 x y z三对主切应变中,绝对值最大的主切应变称为最大切应变.作应变莫尔圆是,纵轴向下为正.（为了方便应变莫尔圆与应力莫尔圆配合使用）塑性变形只有三种变形类型：1、压缩类变形，£ 2+£ 3=-£ ； 2、剪切类变形（平面变形），£广0，£ 1=-£ 3； 3、伸长类变形，£ 1=-£ 2-£ 3。

11八面体线应变为£ 8= 3 （£ x+£ y+£ J =£ m= 3 I11 二 : : :八面体切应变为Y=± ,；（£ — £ ）2 +（£ — £ ）2 +（£ — £）23^ 1 2 2 3 3 1 l —— .等小应变（也称广义应变或应变强度）£ =* 2『"一（£ —£）2+（£ —£）2+（£ —£）2，有如下特点:8 3* 1 2 2 3 3 11、是一个不变量；2、数值上等于单向均匀拉伸或均匀压缩方向上的线应变£ 1如果物体的位移场已知，则可由小应变几何方程求得应变场 1在每个坐标平面内，两个线应变分量一经确定，则线应变分量也就被确定了全量应变：反映单元体在某一变形过程或变形过程中的某个阶段结束时的应变速度分量（位移速度在某一变形过程或变形过程中的某个阶段结束时的应变速度分量（位移速度在三个坐标轴上的投影）应变速率（单位时间内的应变）俗称变形速度塑性加工中常用的几种变形量计算方法：1、绝对变形量；2、相对变形量；3、用面积比或线尺寸表示的变 形量实际塑性加工中为有限变形，即变形量较大。