1、課程講義主講 ：林高用中南大學材料科學與工程學院School of Materials Science and Engineering, CSU第一章 緒論一、課程簡介金屬塑性成形原理及工藝是一門專業理論課。 它由兩個部分組成： 金屬塑性成形原理部分和沖壓 工藝部分。 其中， 金屬塑性成形原理部分是沖壓工藝部分的理論基礎。 隨著沖壓工藝及模具技術 的迅速發展，在現代工業生產中，沖壓工藝在航空、兵工、汽車、拖拉機、電器、電子、儀表及 日用品生產中應用十分廣泛， 占有很重要的地位。 模具已經成為生產各種工業產品不可缺少的重 要工藝裝備， 為了擴展學生在成形原理和工藝裝備方面的知識面， 以適應社會的

2、需求， 在機械工 程及自動化專業開設“塑性成形原理及工藝”課程。金屬塑性成形是金屬加工的方法之一。 它是在外力作用下， 使金屬產生塑性變形， 從而加工成所 需要的形狀和尺寸的加工方法。所以也將塑性成形稱為塑性加工或者壓力加工。二、金屬塑性成形的優點及分類與金屬切削、鑄造、焊接等加工方法相比，金屬塑性成形具有以下優點：（1）經過塑性加工，金屬的組織、性能得到改善和提高 金屬在塑性加工過程中，往往要經過鍛造、 軋制、或者擠壓等工序，這些工序使得金屬的結構更 加致密、組織得到改善、性能得到提高。對于鑄造組織，這種效果更加明顯。例如煉鋼鑄成的鋼 錠，其內部組織疏松多孔、晶粒粗大而且不均勻，偏析也比較嚴

3、重，經過鍛造、軋制或者擠壓等 塑性加工可以改變它的結構、組織性能。（2）金屬塑性成形的材料利用率高 金屬塑性成形主要是依靠金屬在塑性狀態下的體積轉移來實現的， 這個過程不會產生切削， 因而 材料的利用率高。（3）金屬塑性成形具有很高的生產率這一點對于金屬材料的軋制、拉絲、擠壓等工藝尤為明顯。例如，在12000 X 10KN的機械壓力機上鍛造汽車用的六拐曲軸僅需40s ;在曲柄壓力機上壓制一個汽車覆蓋件僅需幾秒鐘；在弧形板行星搓絲機上加工 M5mm的螺釘，其生產率可以高達12000件/min。隨著生產機械化和自動化的不斷發展，金屬塑性成形的生產率還在不斷提高。(4 )通過金屬塑性成形得到的工件可

4、以達到較高的精度近年來，由于應用先進的技術和設備進行塑性加工，不少零件已經實現少、無切削的要求。例如,精密鍛造的傘齒輪，其齒形部分精度可不經切削加工而直接使用，精鍛葉片的復雜曲面可以達到只需磨削的精度，等等。由于金屬塑性成形具有上述優點，因而在國民經濟中得到廣泛使用。三、金屬塑性成形方法分類 一般把塑目前還沒有統一的分類方法。金屬塑性成形的種類很多，按照其成形的特點，性加工分為五大類：軋制、拉拔、擠壓、鍛造、沖壓。其中每一 類又包括了各種加工方法，形成了各自的加工領域。1.軋制1所示。軋制的示意圖如圖它是使坯料經過旋轉的軋輥，使坯料經過壓縮后，橫截面減小、形狀改變、長度增加的工藝。拉拔2圖.拉

5、拔2拉拔的示意圖如圖 一定形狀和尺寸的模孔中拉岀，圖12所示。從而獲得各種拉拔是使用拉拔機大的夾鉗將金屬坯料從斷面的型材、線材和管材。.擠壓3擠壓的示意圖如圖 3所示。正擠壓反擠壓3圖使金屬從一定的形狀和尺擠壓是把坯料放在擠壓機的擠壓筒中， 在擠壓桿的壓力作用， 正擠壓 時擠壓桿的運動方向和金屬從模孔擠壓可以分為正擠壓和反擠壓。 寸的模孔中流出。而反擠壓時 擠壓桿的運動方向與模孔中擠出的金屬的流動方中擠出的金屬的流動方向一致， 向相反。24 .鍛造 鍛造的示意圖如圖 4所示。利用簡單的工具鍛造可以分為自由鍛造和模鍛。自由鍛 造一般是在錘鍛或者水壓機上，因而鍛件將金屬錠或者塊料錘成所需要形狀和尺

6、寸的加工方法。 自由鍛造不需要專用模具，金生產效率不高。模鍛是在模鍛錘或者熱模鍛壓力機上利用模具來成 形的。的尺寸精度低、適用于大批量生生產效率高，屬的成形受到模具的控制，因而其鍛件的外形和尺寸精度高，產，模鍛又可以分為開式模鍛和閉式模鍛。二豐廠1丈開式穆讖4圖.沖壓5 5沖壓又可以分為拉深、彎曲、剪切等等。其示意圖見圖。用以生拉深等成形工 序是在曲柄壓力機上或者油壓機上用凸模把板料拉進凹模中成形，產各種薄壁空心零件。鋼板帶材的折彎成形、彎曲是坯料在彎矩的作用下成形，如板料在模具中的彎曲成形、材的矯直等等。剪切是指坯料在剪切力作用下進行剪切變形，如板料在模具中的沖孔、落料、切邊、板材和鋼材的剪

7、切等等。伸壓（拉深）5圖所以它們屬于穩定的塑性在軋制、拉拔和擠壓的成形過程中，由于其變形區保持不變，管材和線材等金屬原材料的作用。起著提供型材、流動過程，適用于連續的大量生產，板材、屬于非 穩定它們屬于冶金工業領域；而鍛造和沖壓成形的變形區是隨著變形過程而變化的，屬于機械制造工業領的塑性流動過程，適用于間歇生產，主要用于提供機器零件或者坯料，域。鍛造屬于體積成形，而沖壓屬于板料成形，故也稱為板料沖壓。熱成金屬塑性成形還可以分為熱成形、冷成形和溫成形。按照塑性成形時的工件溫度，冷成形是在不產生形是在金屬再結晶溫度以上所完成的加工，如熱軋、熱鍛、熱擠壓等等；回復和再結晶的溫度以下所進行的加工，如冷

8、軋、冷沖壓、冷擠壓、冷鍛等等；而溫成形則是介于熱成形和冷成形之間的溫度下進行的加工，如溫鍛、溫擠壓等等。3四、金屬塑性成形理論的發展金屬塑性成形加工是具有悠久歷史的加工方法，早在兩千多年以前的青銅器時代，我國勞動人民就已經發現銅具有塑性變形的能力，并且掌握了錘擊金屬用以制造兵器和工具的技術。隨著近代科學技術的發展，塑性加工技術已經具有了嶄新的內容和涵義。作為這門技術的理論基礎一一金屬塑性成形原理發展得比較晚，在本世紀40年代才逐步形成獨立的學科。金屬塑性成形理論是在塑性成形的物理、物理一化學和塑性力學的基礎上發展起來的一門工藝理論。金屬塑性變形的物理和物理化學基礎屬于金屬學范疇。本世紀30年代

9、提出的位錯理論從微觀上對塑性變形的機理做岀了科學的解釋。對于金屬產生永久變形而不破壞其完整性的能力一一塑性，人們也有了更深刻的認識。塑性，作為金屬的狀態屬性，不僅取決于金屬材料本身（如晶 格類型、化學成分和組織結構等），還取決于變形的外部條件，如合適的溫度、速度條件和力學狀態等等。金屬塑性成形原理的另一重要方面是塑性成形力學，它是在塑性理論（或者稱塑性力學）的發展和應用中逐漸形成的。1864年，法國工程師屈雷斯加（H.Tresca）首次提岀最大切應力屈服準則；1913年，密席斯從純數學的角度岀發，提岀了另一新的屈服準則一一密席斯準則；1925年，德國學者卡爾曼（Von Karman ）用初等方

10、法建立了軋制時的應力分布規律，最早將塑 性理論用于金屬塑性加工技術。繼卡爾曼不久，薩克斯（G.Sachs）和奇別爾（E.Siebel）在研究拉絲過程中提岀了相似的求解方 法切塊法，即后來所稱的主應力法。此后，人們對塑性成形過程的應力、應變和變形力的求解逐步建立了許多理論求解方法：如滑移線法、工程計算法、變分法和變形功法、上限法、有限元法等等。生產中的普遍應用，對塑性成形問題的求解起了很大的促進作用。如已經岀現的用于金屬塑性成形的有限元分析軟件，Ansys, Dynaform , Deform等等，為塑性成形的研究提供了極大的方便。金屬塑性成形理論是一門年輕的學科，其中還有大量的問題有待進一步研

11、究和解決。五、課程內容金屬塑性成形原理這一部分課程將主要介紹金屬的塑性和金屬變形的原理、塑性變形的力學基礎,對金屬塑性變形時的應力狀態、應變狀態、屈服準則、應力應變關系及應力一應變曲線做了深入、 系統的介紹，另外還將介紹金屬塑性變形和流動規律(包括最小阻力定律、變形不均勻性和影響因素、附加應力、殘余應力、金屬斷裂及塑性成形中的摩擦和潤滑等)，金屬塑性成形基本工序的力學分析及主應力法等。具體的內容如下；(1 )金屬的結構和塑性變形：單晶體的塑性變形、位錯理論的基本概念、多晶體的塑性變形、加工硬化；(2 )金屬的塑性：塑性和塑性指標、金屬的化學成分和對塑性的影響、變形溫度、變形速度對塑性的影響、提

12、高金屬塑性的主要途徑、金屬超塑性；(3 )應力分析：外力和應力、直角坐標系統中的一點的應力狀態、應力平衡微分方程、平面應 力狀態和軸對程應力狀態；(4) 應變分析：有關變形的基本概念、小變形分析、應變增量和應變速率張量、平面4變形問題和軸對程問題；(5 )屈服準則：屈雷斯加屈服準則、密席斯屈服準則、屈服準則的幾何表達、平面問題和軸對程問題中屈服準則的簡化；(6 )本構方程：彈性應力應變關系、塑性變形時應力應變關系的特點、塑性變形的增量理論、塑性變形的全量理論；六、課程要求金屬塑性加工原理的任務是研究塑性成形中共同的規律性問題，就是在闡述應力、應變理論以及屈服準則等塑性理論的基礎上， 研究塑性加

13、工中有關力學問題的各種解法，分析變形體內的應力和應變分布，確定變形力和變形功，為選擇設備和模具設計提供依據。所以，要求大家：(1) 掌握金屬塑性變形的金屬學基礎，具體的說就是金屬的結構和金屬塑性變形機理。(2 )了解影響金屬塑性和塑性成形的主要因素。(3)掌握塑性變形的力學基礎：包括應力分析、應變分析、屈服準則和應力應變關系。(4 )掌握塑性成形力學問題的各種解法以及其在具體工藝中的應用。5金屬的結構及塑性變形第二章一、金屬的晶體結構 .晶格和晶胞1這種物質被稱一種是原子呈周期性有規則的 排列，固體物質中的原子排列有兩種情況，為晶體，另一種是原子呈不規則排列，被稱為非晶體。金屬一般是晶體。在晶

14、體中，原子排首先必須從金屬原子的實際排列所以研究金屬的晶體結構， 列的規律不同，其性能也不同。 情況著手。為了清楚的表明原子在空間肉眼難以分辨其規律性。實際中，晶體的原子堆積在一起，（包括原子、離的排列規律性，人們對晶體結構進行了抽象簡化。即將構成晶體的實際質點這些陣點可以是原子子或者分子）忽略，將他們抽象為純粹的幾何點，稱之為陣點或結點。（或者分子）的中心，也可以是原子群（或者分子群）的中心點。用許多平行的直線將這些陣點連接起來，就構成了一個三維的空間格架，這種用以描述晶體中原子（離子或者分子） 排列規律的空間格架稱為空間點陣，簡稱為點陣或晶格。來分析晶體中原子排列 的規從晶格中取岀一個能夠

15、完全反映晶格特征的最小幾何單元，晶胞是律性，這個最小的單元稱為晶胞。晶胞的棱邊長度一般稱為晶格常數或者點陣常數。晶體的最小幾何單元，晶胞的結構即反映了晶體的結構。2 .三種典型的晶胞結構 最長見的金屬晶胞結構類型有三種：面心立方晶胞、體心立方晶胞和密排六方晶胞。1）面心立方晶胞（，在晶胞的每個角上都有一個原子，每個面的中心也有一個原子，晶胞中的原子數為4、Au2所示。具有面心立方結構的金屬有Ag、這種晶胞結構稱為面心立方晶胞，如圖2- 丫 -Fe等。、Al、面心立方纟吉構22圖）體心立方晶胞（2，2在晶胞的每個角上各有一個原子，在晶胞的中心還有一個原子， 晶胞中的原子數為、Cr、V3這種晶胞結

16、構稱為體心立方晶胞，如圖2所示。具有體心立方結構的金屬有：等 B Fea WMoTaNb、-、-Ti6（3）密排六方晶胞密排六方晶胞象是一個六棱柱體，晶胞中上、下面的六個角點和中心各有一個原子，上、下面的間隙處還有三個原子， 晶胞中的原子數為 6，如圖2 4所示。具有密排六方結構的金屬有： Zn、 Mg、Cd、a -Be、a -Ti、a -Co 等等。3 .晶體的缺陷晶胞的重復堆砌構成了晶體，同一種位向的晶胞堆積在一起，就構成了金屬單晶體。單晶體由于原子在各個方向上的排列密集程度有差別，因此，在各個方向上的性能不同，稱為各向異性。實際使用的金屬是多晶體，由許多晶粒組成，每一個晶粒都是有一定位向

17、的單晶體，由于晶粒間位向不一致，晶粒間的方向性互相抵消，因而在一般情況下，實際金屬不顯示方向性。在實際金屬中，由于晶體的形成條件、加工過程、原子的熱運動以及其他因素（如輻射、氧化等）的影響，原子的排列不可能象理想晶體那樣規則和完整，而是或多或少地偏離理想結構地區域， 出現了不完整性，通常把這種偏離完整性的區域稱為晶體缺陷。晶體地缺陷通常分為三大類：（1）點缺陷晶體中的點缺陷主要包括空位、間隙原子、雜質或溶質原子，以及由它們組合而成的復雜缺陷。 在晶體中，處于平衡位置的原子不是固定不動的，而是以各自的平衡位置為中心不停的作熱振動。隨著溫度的升高，熱振動的振幅和頻率都會增加。由于晶體內原子的相互作

18、用，他們將彼此相互影響、相互制約，從而使熱振動能量產生起伏。當某些原子振動的能量高到足以克服周圍原子的束縛時，它們便有可能掙脫原來的平衡位置，遷移到一個新的位置，形成一個離位原子，同時在原來的平衡位置上留下點陣空位缺陷。離位原子的遷移位置一般有三種：1）離位原子遷移到晶體表面或者晶界上的正常陣點位置，使晶體內部留下空位2）離位原子擠入點陣的間隙位置，在晶體中同時形成數目相等的空位和間隙原子；3）離位原子遷移到其他空位中，使空位移動，這種情況下，空位的數目不會增加。空位和間隙原子的形成與溫度有很大的關系，隨著溫度的升高， 空位和間隙原子的數目增加，因此，點缺陷又稱為熱缺陷。空位和間隙原子的遷移運

19、動，構成金屬晶體中原子的擴散，這直接影響到金屬的性能和在金屬中發生的某些物理化學過程。例如金屬的熱處理、化學處理、蠕變和高溫變形都和原子的擴散有關。（2）線缺陷晶體中的線缺陷主要是指位錯。位錯主要包括了刃型位錯和螺型位錯。在后面的小節中我們還會詳細講解位錯。（3）面缺陷晶體中的面缺陷主要包括堆垛層錯、晶界、亞晶粒及亞晶界。1）堆垛層錯堆垛層錯是指原子面的堆垛順序出現了差錯。它又可分為抽出型層錯和插入型層錯。2）晶界晶界是多晶體的重要面缺陷，對晶體性能有重要影響。晶界能的高低表明晶界有自發地7向低能狀態轉變地趨勢。晶粒的長大和晶界的平直化都能減小晶界的總面積。晶界處的原子排列的不規則性，對金屬材

20、料的塑性變形起了阻礙作用，在宏觀上表現為晶界處較晶粒內部具有更高的強度和硬度。晶粒越細小，晶界面積越大，金屬材料的強度、硬度也越高。晶界處的原子偏離其平衡位置，具有較高的動能，并存在大量的空位、位錯等缺陷，所以原子的擴散速度比晶粒內部的原子擴散速度要快得多。晶界處富集雜質原子，所以晶界處的熔點較低。由于晶界的能量較高， 原子處于不穩定狀態，當晶體在腐蝕性介質中時， 晶界處的腐蝕速度一般比晶界內部快。3）亞晶粒及亞晶界多晶體內的每個晶粒并不都是理想的單晶體，除了含有空位、位錯之外，每個晶粒又可分為若干個位向差更小的晶塊， 稱為亞晶粒，亞晶粒比較接近理想的單晶體， 相鄰亞晶粒間的界面稱為亞 晶界。

21、二、單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形主要有滑移和孿生兩種方式。1 滑移滑移是金屬塑性變形的最常見的方式，即晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分產生滑移。這種晶面稱為滑移面，晶體在滑移面上的滑動方向稱為滑移方向。晶體的滑移有兩個重要特征：一是晶體滑移的距離是滑移方向原子間距的整數倍；二是滑移后并不破壞晶體排列的完整性。(1) 滑移面和滑移方向一個滑移面以及其面上的一個滑移方向構成了一個滑移系，每一個滑移系表示晶體在產生滑移時可能采取的空間位向。當其他條件一定時，金屬晶體的滑移系越多，則滑移時可能出現的滑移位 向愈多，金屬的塑性就愈好。一般來說，滑移面總是原子排列最密的面，滑移方向總是原子

22、排列最密的方向。這是因為原子排列最密的面上原子的結合力最強，而這樣的面之間的結合力則弱，因此這樣的面容易產生滑移。同理，沿原子排列最密的方向，滑移阻力最小，最容易產生滑移。面心立方金屬總共有 12個滑移系，體心立方金屬總共有 48個滑移系，密排六方金屬有 3個滑移 系。一般來說，面心立方和體心立方的滑移系比較多，因此比密排六方金屬的塑性好。 但是金屬塑性的好壞，不僅取決于滑移系的多少， 還與滑移面上原子密排程度和滑移方向的數目等有關。比如：a-Fe屬于體心立方結構， 具有48個滑移系，其塑性比具有12個滑移系的面心立方金屬 (Cu、 Al、Ag等)低，但是它的滑移方向沒有面心立方晶體多，原子排

23、列程度比面心立方晶體低。(2) 滑移時的臨界剪切應力滑移是在切應力作用下進行的。當滑移面上的剪切應力達到某一個值一一臨界剪切應力時，晶體產生滑移。許多試驗證明，對于不同取向的金屬單晶體，當它們產生滑移時， 其受到的拉伸應力并不相同，但是岀現在它們的滑移面和滑移方向上的臨界剪切應力則完全相8同，這一規律被稱為臨界剪切力定律。2 .孿生孿生是單晶體塑性變形的另一種方式。孿生是以晶體中的一定的晶面(稱為孿晶面)沿著一定的晶向(孿生方向)移動而發生的。與滑移相比，孿生的特點體現在：孿生是一個突變過程，晶體的移動量不一定是原子間距的整數 倍，比滑移的移動量要小；它使一部分晶體發生了均勻的切變，而不象滑移

24、那樣集中在一些滑移面上進行；孿生變形后，晶體的變形部分與未發生變形部分構成了鏡面對稱的位向關系，而滑移變形后晶體各部分的相對位向不發生改變。一些密排六方結構的金屬的塑性變形常常以孿生的方式進行。對于具有體心立方及面心立方結構的金屬，在沖擊載荷或者低溫時，容易產生孿生變形大量研究表明，孿生產生于局部應力高度集中的地方(在多晶體中則通常為晶界)，當外力在孿晶面和孿生方向所引起的剪應力達到某一臨界值時就會產生孿生變形。產生孿生變形的臨界切應力遠遠高于產生滑移變形時的切應力。因此，只有當滑移過程極其困難時，才出現孿生。孿生產生后，由于變形部分位向改變，可能變得有利于滑移，晶體又開始滑移，二者交替進行。

25、孿生也 會引起晶體硬化。三、位錯理論1 .位錯概念的提出早在20年代，人們就已經開始對金屬單晶體的塑性變形進行了系統的研究。通過計算晶體的臨 界剪切應力，并與實際的臨界剪切應力進行比較，人們發現，理論計算的剪切強度比實驗所得到的剪切強度要高一千倍以上。為了解釋這種理論值和實際值的差別，1934年泰勒(G.l.Taylor )、奧羅萬(E.Orowan )、和波蘭 伊(M.Polanyi )幾乎在同一時間內，分別提岀了位錯假設。他們認為在晶體內存在著一種線缺陷，它在剪切應力下更容易滑移，并引起塑性變形。隨著實驗手段的不斷發展，越來越多的事實證明了位錯的存在，形成了一種位錯理論。在隨后的幾十年中，

26、這種位錯理論在金屬塑性變形的 微觀研究上獲得了很大發展。位錯理論的發展也促進了晶界理論、晶體缺陷等理論的發展。2 位錯類型有兩種類型的位錯：1) 刃型位錯2) 螺型位錯3 .柏氏矢量柏氏矢量是為了描述晶體中位錯線附近原子錯排情況或者晶格畸變情況而提岀的。它是一個反映由位錯引起的點陣畸變大小的物理量。 柏氏矢量越大，位錯周圍的點陣畸變越嚴重， 柏氏矢量用 b表示，稱為位錯的強度。刃型位錯的柏氏矢量與位錯線垂直，這是刃型位錯的一個重要特征。 螺型位錯的柏氏矢量與位錯線平行，這是螺型位錯的一個重要特征。94 .位錯運動單晶體的塑性變形是通過滑移來實現的。而晶體的滑移主要是通過位錯的運動實現的。(1)

27、 位錯的滑移當位錯線沿著滑移面移動時，被稱為位錯的滑移。(2) 位錯的攀移當位錯線垂直于滑移面移動時，被稱為位錯的攀移。(3) 交滑移對于螺型位錯，所有包含位錯線的晶面都可能成為滑移面。因此，當螺型位錯在某一滑移面上的滑移運動受到阻礙時， 有可能從原滑移面移到與之相交的另一滑移面上去繼續滑移，這一過程稱為交滑移。(4) 位錯交割晶體內的滑移會在各個滑移平面內同時進行，位錯線在運動過程中會與其它位錯線相遇，就產生了位錯交割。當刃型位錯和螺型位錯交割時，在各自的位錯線上形成刃型割階，位錯線還能繼續滑移；當螺型位錯和螺型位錯相交割時，相交后形成了兩個割階，位錯線不能繼續滑移， 只能通過攀移運動移動。

28、位錯交割后，不管是形成能動的交割，還是形成不能動的割階，都會給位錯運動造成不同的阻力。(5) 位錯增值晶體在外力的作用下， 其內部的位錯逐步移至晶體表面而產生宏觀的塑性變形。變形后，晶體中的位錯數目不是越來越少，而是大量增加了，這就是位錯的增值。在位錯增值的機制中，最重要的是弗蘭克瑞德(Fran k-Re nd)源。(6) 位錯塞積在金屬晶體的變形過程中，移動著的位錯經常會受到晶界、亞晶界、第二相或者固定位錯的阻礙而停留在晶體內部。由于同號位錯之間存在著斥力，跟隨這個被阻礙位錯后面的一系列同號位錯，因受到斥力不能移動而堆積起來。堆積起來的位錯越來越多，斥力也越來越大，這種現象被稱為位錯塞積。四

29、、多晶體塑性變形1 多晶體冷塑性變形機制多晶體冷塑性變形包括了晶內變形和晶間變形兩種。晶內變形的主要方式是滑移和孿生。晶間變形則主要表現為晶粒間的相對移動和轉動。多晶體冷塑性變形以晶內變形為主。晶間變形對晶內變形起著協調作用。在多晶體的冷塑性變形過程中， 滑移并不是在所有晶粒中同時進行的。 滑移首先發生在那些處于 最有利的位向的晶粒中。 在這些晶粒中，位錯將沿著最有利的滑移面運動， 移到晶界處便會停止， 一般不能穿過晶界。位錯能否穿過晶界，主要取決于晶界層的性質和鄰近晶粒的位向。2 多晶體塑性變形的特點多晶體冷塑性變形的特點主要體現在三個方面：(1) 多晶體冷塑性變形過程中，不同位向晶粒的運動

30、具有相互協調性。io在多晶體中，由于各個晶粒的取向不相同，在一定外力作用下各個晶粒的受力情況不相同。這時，處于有利位向的晶粒首先開始滑移，處于不利位向的晶粒則較晚才開始滑移。先滑移的晶粒必然會受到周圍的晶粒的約束和限制，因而一方面使得處于有利取向晶粒的變形阻力增大，另一方面要求每個晶粒的變形必須與周圍的晶粒相互協調和配合。(2) 晶界對多晶體冷塑性變形過程起了阻礙作用。在多晶體中，滑移線和孿生帶大多終止于晶界處，這表明晶界對變形過程起著明顯的阻礙作用。(3) 多晶體冷塑性變形具有不均勻性。由于多晶體中各個晶粒的空間位向不同，同一晶粒各個部分所受外界環境的制約也不同，這使得各個晶粒和晶粒各部分的

31、變形量和發展方向不同，因此多晶體的變形是不均勻的。3 多晶體塑性變形后的組織和性能改變多晶體發生冷塑性變形后，其組織和性能都會發生明顯變化，主要體現在以下幾個方面：(1) 產生了顯微組織的變化，具體的說就是產生了纖維組織。多晶體經變形后， 各晶粒沿變形方向伸長，當變形程度很大時， 多晶體晶粒顯著地沿著同一個方向拉長呈纖維狀，這種晶粒組織被稱為纖維組織。(2) 產生了變形織構多晶體與單晶體一樣， 拉伸時各晶粒地滑移也有向外力方向轉動地趨勢。這樣，在變形程度很大時，各個晶粒的位向逐漸趨于一致，這種組織結構被稱為變形織構。具有織構的多晶體金屬，其力學性能、物理性能等明顯地岀現異向性，對材料的工藝性和

32、使用性能都有一定地影響。(3) 多晶體的冷塑性變形對金屬的力學性能產生影響，具體地說就是會產生加工硬化。在冷塑性變形過程中， 隨著金屬內部的組織的變化，金屬的力學性能會產生明顯的變化。 總的規律是：隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降，即產生了加工硬化。五、加工硬化1 .加工硬化的現象和機理加工硬化主要是指金屬塑性變形后力學性能的變化。具體體現在：隨著塑性變形程度的增加， 金屬的強度、硬度升高，塑性、韌性下降。金屬的加工硬化特征可以從應力一應變曲線反映岀來，如圖2 5所示的面心立方結構單晶體的切應力一應變曲線，加工硬化系數er = d T /d Y ,所以該曲線也稱加工硬化

33、曲線。從曲線上可以看岀，加工硬化過程經歷了三個階段：(1) 第I階段：位錯運動遇到阻力較小，加工硬化系數較小；(2) 第n階段：位錯線在相交的滑移面上形成位錯林，使位錯運動的阻力增大；(3) 第皿階段：由于位錯的交滑移使得位錯能夠繞過阻礙，從而使加工硬化系數相對下降。上述的三個階段的加工硬化曲線是一種典型的情況，實際中單晶體的加工硬化曲線受到晶體結構類型、晶體位向、雜質含量以及實驗溫度等因素的影響。如圖2-6所示的是三種常見單晶體的加工硬化曲線。其中：密排六方金屬只能沿著一組滑移面滑移，曲線平穩，加工硬化效果不明顯；體心立方和面心立方由于可以同時啟動多個滑移系，所以加工硬化曲線較陡，加工硬化效

34、果明顯116 三種常見的單晶體的加工硬化曲線5典型的加工硬化曲線圖2圖2- 2.加工硬化的后果及應用加工硬化使得金屬的強度提高、塑性下降，這對金屬的冷變形工藝產生了 極大的影響。 它的后果主要體現在三個方面。有利的一面，加工硬化可以作為強化金屬的手段。（1）對于一些不能用熱處理方法強化的金屬材料，加工硬化就成為材料強化的手段。例如，必須利用加工硬化來提高其強度；其材料是不能用熱處理強化的無磁鋼，發電機的護環零件， 同時提高軸瓦的承載能力和耐磨也是采用加工硬化提高其強度，又如發動機上的青銅軸瓦，性。（2）有利的另一面，加工硬化可以改善一些冷加工工藝的工藝性。而不例如，板料拉深過程中，板料加工硬化

35、使得塑性變形能夠均勻的分布于整個工件，拉拔就不能致于使應變集中在某些局部區域而導致工件很快破裂；又如如果沒有加工硬化，實現。）不利的一面：由于加工硬化導致金屬屈服強度提高，所以必須相應提高塑性加工（3的設備能力。）不利的另一面：由于加工硬化后金屬的塑性較低，繼續塑性變形困難，需要增加（4中間退火工藝消除加工硬化，從而使得生產成本增加、生產率下降。六、回復和再結晶也就則會發生相應的變化，金屬經過冷塑性變形后產生了加工硬化， 如果將它再加熱，是產生了軟化，即發生了回復和再結晶。1 .回復（1）回復的概念為金屬熔化溫度）溫度范圍內TmTm經冷塑性變形后的金屬，當加熱到（0.10.3）（從而導致其物理

36、性能逐漸恢復，部分內應力消時，金屬原子的激活能升高，晶體缺陷減少，除，力學性能也有所恢復，這一過程稱為回復。2）回復的機制（ 回復的機制隨著溫度的不同而有所差異。較低溫度時的回復，主要是點缺陷的運動和點缺陷的相互結合；并同時岀現亞加熱溫度較高時，回復的主要機制是位錯運動導致位錯重新組合和異號位錯互相抵消; 當加熱溫度較高時，不在同一滑移面的異號位錯通過攀移或者交滑移等得以抵消， 晶粒長大和合并，位錯密度較低。消除應力退回是回復在工業生產中的主要應用之一。2 再結晶（1）再結晶的概念再結晶是指經冷塑性變形的金屬在加熱時，通過再結晶核心的形成以及晶核的長大，最終形成無畸變的新晶粒的過程。再結晶完全

37、消除了加工硬化所引起的一切后果。（2）再結晶的機制再結晶的關鍵在于形成晶核，晶核的形成機制通常又有三種，這里不加詳述，請參閱金屬學方面的書。（3）影響再結晶的因素1）溫度一般情況下，提高溫度可以縮短再結晶的時間，加快再結晶速度；2）變形程度金屬的冷變形程度越大，其儲存的能量越高，再結晶的驅動力也越大，再結晶速度越快。3）原始晶粒大小金屬的晶粒越小，變形抗力越大，再結晶的形核率越高， 再結晶速度越塊，形成的新晶粒越細小。4）保溫時間保溫時間越長，原子的擴散越充分，因此，再結晶溫度越低，再結晶速度越快。5）金屬的化學成分一般來說，金屬的化學成分越復雜，再結晶的溫度越高，再結晶速率越低。13金屬的塑

38、性性能第三章二、塑性指標塑性指標通常用金、金屬的塑性金屬的塑性是指固體金屬在外力作用下發生永久變形而不破壞其完整性的能力。因此，塑性反映了材料產生塑性變形的能力。屬材料開始破壞被稱為塑性指標。衡量金屬塑性的高低的數量指標，表y時的塑性變形量來表示。常用的塑性指標是由拉伸試驗測定的伸長率s和斷面收縮率示，其公式分別為：7 =骯 加* I®憶3 - 1)(）-2 （3三、金屬塑性的影響因素 1 化學成分對塑性的影響，而純度為45 %的鋁, 伸長率為金屬的塑性隨其純度的提高而增加。如純度為99.96 %左右。98%的鋁，其伸長率只有30氮氫等產金屬中的雜質元素對金屬的塑性有很大影響。如碳鋼

39、中的雜質元素如硫、磷、生熱脆、冷脆、時效脆性及氫脆等，從而使碳鋼的塑性降低。2 .組織結構對塑性的影響 這是因為一但是同樣條件下多晶體的塑性較低。多數單晶體在室溫下具有較高的塑性，般情況下，多晶體的晶粒大小不均勻、晶粒方位不同，晶界強度不足等原因造成的。晶粒細小，則標志著晶界面積大，晶界強度高，變形多集中在晶內，故有較高的塑性。晶界強度低，容易在晶界處造成應力集中，岀現裂而粗大的晶粒，由于其大小不容易均勻，紋，所以塑性較低。3.變形溫度對塑性的影響 變形溫度對塑性的影響，總的趨勢是：隨著變形溫度的升高，塑性增加。這 是因為：1 ()隨著溫度的升高，發生了回復和再結晶。2 ()當溫度升高時，臨界

40、剪切應力降低，滑移系增加了。14(3) 當溫度升高時，金屬的組織結構發生變化。(4) 當溫度升高時，會產生新的塑性變形方式一一熱塑性。(5 )隨著溫度的升高，晶界的切變抗力顯著降低，使得晶界滑動易于進行；同時由于擴散作用 的加強，及時消除了晶界滑動所引起的微裂紋，因此晶界滑動量很大，有利于塑性的提高。4 .變形速度對塑性的影響變形速度對塑性的影響有兩個方面：一方面，隨著變形速度增加，金屬過早地達到斷裂階段，使得金屬的塑性降低；(2)另一方面，隨著變形速度的增加，溫度效應顯著，也使得金屬的塑性提高。5.應力狀態對塑性的影響應力狀態不同，對塑性的影響也不同。一般情況下，主應力圖中的壓應力個數越多，

41、數值越大， 即靜水壓力越大，則金屬的塑性越高；反之，拉應力個數越多，數值越大，即靜水壓力越小，則 金屬的塑性越低。壓應力數目越多，即靜水應力大，金屬的塑性高的原因：(1) 拉應力促進晶間變形，加速晶界破壞；而壓應力能阻止或者減小晶間變形；隨著三向壓縮 作用的增強，晶間變形更加困難，因此提高了金屬的塑性。(2) 壓應力有利于抑制或者消除晶體中由于塑性變形引起的各種微觀破壞，而拉應力則相反， 它促使各種破壞發展、擴大。(3 )三向壓應力能抵消由于變形不均勻所引起的附加拉應力。四、提高金屬塑性的途徑(1 )合理選擇變形溫度和變形速度(2)合理選擇變形方式(3 )提高材料成分與組織的均勻性(4 )減小

42、不均勻變形五、變形抗力1 .變形抗力的概念塑性加工時，使金屬產生塑性變形的外力統稱為變形力，金屬抵抗變形的力稱為變形抗力，變形力和變形抗力的數值相等，方向相反。變形抗力反映了使材料產生塑性變形的難易程度。2 .變形抗力的指標通常用真實應力作為變形抗力大小的指標。但是由于真實應力是通過單向拉伸試驗取得的，所以,實際上真實應力不能完全反映變形抗力的大小，實際的變形抗力比真實應力大得多。還取決變形抗力的大小除了取決于材料在一定變形溫度、變形速度和變形程度下的真實應力外,于塑性加工時的應力狀態、接觸摩擦及相對尺寸因素等。3 影響變形抗力的因素(1 )化學成分的影響一般來說，同一種金屬，純度越高，變形抗

43、力越小。 當金屬中的雜質的含量增加時，變形抗力顯著增加。(2 )組織結構的影響影響變形抗力的組織結構包括三個方面：1) 原子間的結合方式和原子在空間的排布情況；2) 單相固溶體中合金元素的含量；當合金為單相組織時，單相固溶體中合金元素的含量越高，變形抗力越大；3) 晶粒大小金屬和合金的晶粒越細小，同一體積內的晶界越多，在室溫下由于晶界強度高于晶內，所以金屬和合金的變形抗力高。(3 )變形溫度的影響由于溫度的升高，降低了金屬原子間的結合力，金屬滑移的臨界剪切應力降低，幾乎所有金屬與合金的變形抗力都隨著溫度的升高而降低。(4 )變形速度的影響變形速度提高，單位時間內的發熱率增加，有利于軟化的產生，

44、使變形抗力降低；但另一方面，提高變形速度縮短了變形時間，塑性變形時位錯運動的發生和發展時間不足，也會使變形抗力增加。(5 )變形程度的影響隨著變形程度的增加必然會產生加工硬化，因而也會提高金屬的變形抗力。(6 )應力狀態的影響應力狀態對變形抗力有顯著影響。例如，擠壓時的變形抗力遠遠大于拉拔時的變形抗力，這是因為，擠壓是三向壓應力狀態，拉拔是兩向受壓一向受拉的應力狀態。16第四章金屬塑性變形的應力分析一、金屬塑性成形過程的受力分析塑性成形是利用金屬的塑性， 在外力作用下使金屬成形的一種加工方法。 作用于金屬的外力可以 分為兩類：第一類是作用于金屬表面上的力， 稱為面力或者接觸力； 第二類是作用在

45、金屬的每一 個質點上的力，叫做體積力。1 .面力作用在物體表面的力叫做表面力，也稱面力，面力一般是一種分布力。當面力的作面積與物體本身尺寸相比很小時，可以看作是一個集中力。它可以分為：作用力、反作用力和摩擦力。2 .體積力體積力是與變形體內各個質點的質量成正比的力，如重力、磁力和慣性力等。 在塑性加工中， 體積力與面力相比占次要地位，所以通常可以忽略不計。3 .靜力學平衡條件對于一般的塑性成形過程，由于體積力和表面力相比要小得多，所以常常忽略不計。因此，一般假設物體塑性變形時是處于表面作用力下的靜力平衡系統。塑性過程的應力分析就是從變形體中質點的應力分析岀發， 根據靜力學平衡條件導岀該點附近各

46、應力分量之間的關系，即平衡微分方程。二、應力概念物體變形時的應力狀態是表示物體內所承受應力的情況。點的應力狀態是指物體內一點任意方位微小面積上所承受的應力情況，即應力的方向、大小和個數。只有了解了變形物體內任意一點的應力狀態，才可能推斷岀整個變形物體的應力狀態，所以，我們下面的應力分析將主要分析點的應力狀態。三、應力分析的截面法1. 應力在外力作用下，變形物體內部各點之間會產生相互作用的內力，單位面積上的內力被稱為應力17用截面法分析任意形狀物體的應力 2 ）已知條件（1）個力（F1、F2、F3、F4.Fn 假設有一個任意形狀的物體，如圖4-1所示，它受到n的應力。的作用，并處于平衡狀態，要F

47、22圖4圖4-1）求解（2,用此平面將物體切成兩部分，并且移除上半部的平面BN首先過Q點作一個法線為B上的內力就變成了外力，并與作用在下半部分的外力相平衡。分。這時，平面面上B,設S是在B面上圍繞 Q點取一個無限小的面積厶 A，設該面積上的合力為 F點的全應力，則 Qs = Ilin 7 = 7T面的B面上合力方向上的應力。 它可以分解為兩個分量， 一個是垂直于 B為全應力S面的分量， 叫做切應力，b表示；另一是平行于B分量，叫做正應力或者法向應力，一般用t表示。一般用點可以取任意多個法向，從而作Q是任意的，也就是說過在這里，我們所取的法向NQ岀任意多個切面，在不同方位的切面上，外力合力不同，

48、截面積也不相同，所以得到的點的應力也不相同。.用截面法分析均勻單向拉伸物體的應力3，根據如圖4 2所示的圓柱形試棒，受到單向拉伸力 F的作用，試棒的橫截面積為 Ao上面任意形狀物體的應力的分析法；a所示）：中的）首先可以得到垂直于拉伸軸線的橫截面上的應力為(圖(14 FGo = aZ式中:F軸向拉力;A試棒的橫截面積。 o（2）任意斜面的應力點的全應力、正N與拉伸軸成e角，則可以得到QQ如果過點作一個切面B，其法線 應力和切應力公式分別為：TFS CO50 (JoCOSQAA)''O geos 0 = C7d cos ?t = s sine ffo sill2S)-(42結論4

49、的變化而變化。對e)可以看岀，Q點任意截面上的應力隨著法線的方向角-從式(22點任意切面上的應力也就可以確定了。因此，只用一個b于簡單拉伸，只要確定岀，則Q應力(T就可以表示岀單向拉伸時的應力狀態。0四、應力分量和應力張量人們使用了應力分量和應力張量來表示點的應力為了全面的反映物體內點的應力狀態，狀態。應力分量的提岀(1，如圖4-3所示。Q設在直角坐標系中有一個承受外力的物體,.應力分量1 )物體內有一2面X3o個質點34-圖點切取一個矩形六面體作為單元體，六面體的棱邊分別平行于坐標系的三 Q現在圍繞各個微分根坐標軸。取六面體中三個互相垂直的表面作為微分面，從上面的內容可以知道，三個微分面共有

50、九個應面上的全應力都可以按坐標軸方向分解為一個正應力和兩個切應力，19可以用這九個應力分量來表示物體內點的六個切應力分量。力分量，其中三個正應力分量，應力狀態。)應力分量的表示 (2、X為了清楚的表示各個微分面上的應力分量，我們給三個微分 面命名為：面、丫面、Z第二個下標表面；讓每一個應力分量都帶上兩個下標，第一個下標表示 應力分量的作用面，示應力分量的作用方向。所以，九個應力分量可以表示為：0t x尸'實樂 作用在H而上09應力百77作用在丁而上的應力1 zr"w 作用在2面上的應力應力作用才內知應力作用方向為y應力作用方向為的形式；兩個下標不b XXX，般寫成b可以看岀，

51、兩個下標相同的應力是正應力，如。相同的是剪切應力，如t xy )應力分量的正、負方向規定(3外法線指向坐標軸正向的微分面叫做在單元體上，應力分量的正、負按以下方法確定：正面，在正面上，指向坐標軸正向的應力分量取 正號，指向負向的取負號； 相反的，外法線指向負在負面上， 正向坐標軸正向的應力分量取負號， 指向坐標軸負向的微分面叫做負面，向的取正號。按照這個規定，正應力分量以拉為正，壓為負。)剪應力互等定律 (4由此可以得所以繞單元體各軸的合力矩必須等于零，由于單元體是 處于靜力平衡狀態，到如下的關系式：TT yu； ITI1(4_3)剪應力總是成對出為了保持單元體的平衡，這個式子叫做剪應力互等定

52、律。它表明了：現。因此，實際上只需六個應力分量就可以表示點的應力狀態。2 .應力張量則用來表示點的我們上面的應力分量是在任意坐標系下取得的。如果取不同的坐標系，應力狀態的九個應力分量會不同，這是否表示點的應力狀態會因坐標系而不同呢？實際上物體內任意點的應力狀態由于物體 所受的外力條件一定，答案是否定的。所以，也是確定的，它不可能因為所選坐標系不同而不同。問題在哪里呢？在不同坐標系中的九個應力分量可以用一個線性關系來互相變人們通過公式 推導發現，換，也就是說，九個應力分量符合二階張量(簡稱張量)的性質。因此，點的應力狀 態是張 量，叫做應力張量。i,j=x,y,z b，其中點的九個應力分量可以用

53、一個統一的符號表示： j就得到了表示點的應力狀態的張量將表示點的應力狀態的九個應力分量寫成矩陣形式，矩陣。該應力張量的形式為：4)-( 4 由剪應力互等定律，該矩陣形式也可以表示成：-o zI xyt xz ij yt yz性對于張量具有很多特性，如可以合并，可以分解，存在主方向、主值和不變量等等，這些特進一步分析應力狀態非常有用。五、任意斜面上點的應力 那么就可以通過九個應力分量求得過該點如果變形體中的一點的九個應力分量為已知，的任意斜面上的應力。z i4圖4,點的三個互相垂直的坐標面上的應力分量為b4-4所示，已知某個坐標系中Q如圖j、z的方向余弦分別為：、現過Q點作一個任意斜面 ABC,

54、假設這個斜面與三個坐標軸xy zy )； n =cos ( N,),； Nl = cos (， x) m = cos ( N假設斜面面積為 dA，則dA在三個坐標面上的投影 面積分別為：=ndA;dA = mdAdA ； dA = IdA zxy，由于四面體，現設斜面上的全應力為S,它在三個坐標軸方向的分量分別為SSSzxy F= 0F= 0FQABC處于平衡狀態，由靜力平衡條件由E，E，E= 0即有：zx y21=0 d A T dA - SdA b dA -T zxxzxyxyx = 0 AA - T d - T dddA S -b Azxyzyyyyy = 0dA A t Ad - t d - dA S b zzzyzzyxz 整理得：丘=0Kl+ 1尹4 r afL rSy = T ,1+t xyil ASi = mJ 十 I yoni !。曲”(4-5)而全應力公式為:上的投影S, S在N，上的投影就是斜面上的正應力全應力S在法線N b，它等于Szxy之和，即:0 二 S+Syfi+SjE.=G jF十 G y2+ 0 詛十2 Trilli十