（精选）1塑性成型原理2014(第二节冷金属成形).ppt

第二节金属塑性变形的物理基础 2 1金属冷态下塑性变形 思考 1 滑移和孪生的异同点 2 多晶体的变形特点 3 什么是加工硬化现象 4 冷加工对组织和性能的影响 1 典型拉伸试样 拉伸实验机 2 1 1应力 应变曲线 2 金属拉伸时应力 应变曲线 低碳钢 典型工程应力 应变曲线 掌握以下含义 OA阶段及A点OA 阶段及A 点BC阶段及B点D点E点 3 弹性模量和刚度的联系与区别 弹性模量是物质组份性质 微观 刚度是结构属性 宏观 刚度本质也从侧面放映了弹模的大小 但影响刚度的因素不光是弹性模量 还有构件的几何尺寸等因素 什么是弹性模量 影响因素 4 杨氏模量 ThomasYong 托马斯 杨 1773 1829 杨氏双缝实验杨氏模量视觉和颜色医学语言埃及象形文字 象形文字音乐美术骑马杂技走钢丝保险经济 这是一个将科学和艺术并列研究 对生活充满热望的天才 我们几乎可以这样说 他生命中的每一天都没有虚度 百度百科 5 杨氏模量 ThomasYong 托马斯 杨 1773 1829 尽管我仰慕牛顿的大名 但是我并不因此而认为他是万无一失的 我遗憾地看到 他也会弄错 而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步 这是一个将科学和艺术并列研究 对生活充满热望的天才 我们几乎可以这样说 他生命中的每一天都没有虚度 百度百科 6 弹性变形是可逆的 物体在变形过程中所贮存起来的能量在卸载过程中将全部释放出来 物体的变形可完全恢复到原始状态 这就是说 如已知应力值 则相应的应变可唯一地确定 材料在弹塑性阶段时 除了应变不可恢复性之外 应力和应变不再有一一对应的关系 即应变的大小和加载的过程有关 线性弹性力学只讲讨论应力应变关系服从OA直线段变化规律的问题 塑性力学则讨论材料在屈服后破坏前的弹塑性阶段的力学问题 7 脆性材料拉伸时应力 应变曲线 镁合金 典型应力 应变曲线 8 镁合金 典型材料的断口形貌 钛合金 9 断口形貌与塑性关系 准解理断裂 脆性材料 韧窝断裂 塑性材料 10 2 1 2单晶体的塑性变形 金属一般是由许多位向不同的晶粒组成 晶粒之间存在晶界 因此发生变形包括晶内变形和晶间变形 晶内变形晶内变形包括滑移与孪生两种单晶体变形 11 单晶试棒拉伸实验 1滑移所谓滑移是指晶体 此处可理解为单晶体或构成多晶体中的一个晶粒 在力的作用下 晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变 这些晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向 滑移的结果使大量原子逐步地从一个稳定位置移到另一个稳定位置 产生宏观的塑性变形 a 拉伸前 b 拉伸后 12 滑移要点 1 滑移沿晶体内原子密度最大的晶面和晶向发生 一种滑移面和一个滑移方向构成一个 滑移系 三种晶体结构金属的滑移系 13 2 滑移只能在切应力作用下发生滑移系的存在说明金属晶体产生滑移的可能 要使滑移发生需要有一定大小作用力 14 3 滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整倍数 滑移结果会在晶体表面造成台阶 在其表面出现滑移痕迹 滑移带 滑移线 图1单晶试棒拉伸实验a 拉伸前b 拉伸后 图2滑移线和滑移带d 100S 1000原子间距 15 为什么说面心立方比体心立方晶体变形更容易 面心立方致密度比体心立方大 塑性变形时晶体中固有滑移系并不同时开动 只有滑移系上的分切应力达到临界值才会滑移 塑性变形除了与滑移系多少有关 还与杂质对变形的影响 加工硬化 屈服强度大小等相关 体心立方晶体塑性变形主要由螺位错的运动决定 面心立方晶体由刃位错决定 在相同情况下 螺位错运动速度比刃位错慢很多 有文献报道至少慢了25倍以上 16 晶体刚性滑移示意图 20世纪20年代弗兰克尔 金属理论剪切强度 103MPa到104MPa 金属实际剪切强度 0 5MPa到10MPa 17 晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图 G L TaylorM PloanyiE Orowan 位错 dislocation 30年代提出50年代证实 滑移的本质 位错的运动和不断增殖 18 DISLOCATIONSDURINGCOLDWORK Dislocationsentanglewithoneanotherduringcoldwork Dislocationmotionbecomesmoredifficult AdaptedfromFig 4 6 Callister6e Fig 4 6iscourtesyofM R Plichta MichiganTechnologicalUniversity 19 孪生孪生是晶体在切应力作用下 晶体的一部分沿着一定的晶面 称为孪生面 和一定的晶向 称为孪生方向 发生均匀切变 孪生变形后 晶体的变形部分与未变形部分构成了镜面对称关系 镜面两侧晶体的相对位向发生了改变 这种在变形过程中产生的孪生变形部分称为 形变孪晶 以区别于由退火过程中产生的孪晶 与滑移过程相似 孪生也是通过位错运动来实现的 每层晶面与它相邻晶面沿孪生方向移动小于一个原子间距的距离 20 21 滑移和孪生的异同点 相同点 1 都是由位错运动实现的 2 在切应力作用下 区别 1 滑移方向移动距离是原子整数倍 孪生是原子的相对切变距离小于孪生方向上一个原子间距 2 滑移时晶体位向不变 而孪晶位向发生变化 与未变形部分形成镜面对称 3 所需临界切应力 孪生比滑移大得多 22 金属晶体究竟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 在常温下 大多数体心立方金属滑移的临界切应力小于孪生的临界切应力 所以滑移是优先的变形方式 只在很低的温度下 由于孪生的临界切应力低于滑移的临界切应力 这时孪生才能发生 对于面心立方金属 孪生的临界切应力远比滑移的大 因此一般不发生孪生变形 但在极低温度 4 78K 或高速冲击载荷下 也不排除这种变形方式 再者 当金属滑移变形剧烈进行并受到阻碍时 往往在高度应力集中处会诱发孪生变形 孪生变形后由于变形部分位向改变 可能变得有利于滑移 于是晶体又开始滑移 二者交替他进行 至于密排六方金属 由于滑移系少 滑移变形难以进行 所以这类金属主要靠孪生方式变形 23 镁合金 镁合金AZ31板材组织 焊缝组织 孪生变形 变形组织 24 2 1 3多晶体的塑性变形 金属一般是由许多位向不同的晶粒组成 晶粒之间存在晶界 因此发生变形包括晶内变形和晶间变形 多晶体的滑移由于多晶体中每个晶粒所处的位向不同 决定了金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生 是个不均匀塑性变形过程 25 晶间变形晶间变形主要是晶粒之间的相对滑移和转动 由于晶粒所处的位向不同 其变形情况和难易程度也不同 在冷态变形条件下 多晶体的塑性变形主要是晶内变形 晶间变形只起次要作用 而且需要有其他变形机制相协调 这是由于晶界强度高于晶内 其变形比晶内变形的困难 还由于晶粒在生成过程中 各晶粒相互接触形成犬牙交错状态 造成对晶界滑移的机械阻碍作用 如果发生晶界变形 容易引起晶界结构的破坏和裂纹的产生 因此晶间变形量只能是很小的 综上所述 多晶体塑性变形的特点 一是各晶粒变形的不同时性 二是各晶粒变形的相互协调性 三是晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性 26 2 1 4塑性变形对金属组织性能的影响 1 晶粒沿变形方向拉长 性能趋于各向异性金属经冷加工变形后 其晶粒形状也将发生变化 变化趋势大体与金属宏观变形一致 若变形程度很大 则晶粒呈现为一片如纤维状的条纹 称为纤维组织 纤维组织使金属在性能上具有了方向性 对金属变形后的质量有明显影响 金属在纵向 平行于纤维方向 强度 韧性远大于横向 垂直于纤维方向 27 纯铁200倍 纯铝200倍 28 纯铁变形量0 纯铁变形量20 纯铁变形量20 纯铁变形量68 29 2 位错密度增加 产生加工硬化概念 随着变形的发生 晶体内的位错不断增殖 相互缠结 晶体内产生亚结构 使位错难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动 要使金属继续产生变形 就必须不断增加外力以克服位错之间的交互作用力 从而导致金属的塑性变形抗力迅速增大 即金属的强度 硬度增加 而塑性 韧性降低 产生所谓 加工硬化 现象 意义 加工硬化是是强化金属的重要途径 例如 自行车链条 也有不利的一面 如冷轧材料时 由于加工硬化现象 会增加后序冷轧工艺的动力消耗 需要在冷变形过程中增加中间处理 增加了金属制品的生产成本 延长了生产周期 影响 塑性变形除了影响金属的机械性能外 还会使金属的物理性能及化学性能发生变化 如电阻增加 抗腐蚀性降低 30 发生加工硬化时应力 应变经验关系式 n n为加工硬化指数 0 1 0 5 反应加工硬化的强弱 31 随着变形程度的增加 力学性能变化 纯金属及某些不能通过热处理方法强化的合金 如低碳钢 纯铜 防锈铝 奥氏体不锈钢 高锰钢等 可通过冷拔 冷轧 冷挤压等工艺来提高其强度和硬度 但在冷轧薄钢板 冷拉细钢丝及多道拉深的过程中 也会由于加工硬化造成后道加工的困难 甚至开裂 故应在工序间穿插热处理工艺来消除加工硬化 32 位错密度与材料强度的关系 退火态金属 104 107根 厘米冷加工 1012 1013根 厘米 位错密度 通常以通过单位面积上的位错线的根数来衡量 称为位错密度 33 通过大量的实验和理论研究证明 发现金属的强度与其中位错位错密度之间的关系如下图所示 从图中看到 密度之间的关系金属的位错密度在某一数值左右 通常为106 108cm 2 时 强度最低 相当于金属的退火状态 在此基础上增加位错密度或降低位错密度都是提高金属强度的有效途径 利用加工硬化等方法增加值错密度这一途径早已应后于工业中顺利用降低位错密度这一更为有效的途径则不过是近二十年来才受到高度重视 目前还不能制得大尺寸低位错密度的金属 而只能制出一些极细的金属须或细丝 将其编织成较大尺寸的材料或混到某些材料中制成复合材料 随着工业技术的发展 若一旦制得较大尺寸的低位借密度金属 则金属强度的大幅度提高 肯定是大有前途的 34 3 织构现象的产生伴随着金属发生塑性变形 内部晶粒的晶格位向也将会沿变形的方向发生转动 当变形量很大时 70 90 多晶体中原为任意取向的各晶粒 会逐渐调整其取向而彼此趋于一致 这种由于变形而使晶粒具有择优取向的组织称为织构 也称变形织构 织构不是描述晶粒的形状 而是描述多晶体中晶粒取向的特征 实际上 变形金属的晶粒取向只能是趋向于这种取向 一般是随着变形程度的增加 趋向于这种取向的晶粒就越多 织构构特征就越明显 织构的形成对金属材料的加工工艺有很大的影响 金属中变形织构的形成 会使各种性能呈现出明显的各向异性 甚至退火也难以消除 35 晶粒取向 具有择优取向的晶体组织 变形织构 36 形变织构的两种主要形式 丝织构 拔丝 拉拔时各晶粒中的某一方向都趋于平行拉拔方向 用平行于拉拔轴的晶向指数 uvw 表示 37 形变织构的两种主要形式 板织构 轧制 板材轧制时各晶粒中的某一指数晶面均趋于平行轧制面 各晶粒中的某指数晶向都趋于平行轧制方向 用该晶面指数 hkl 和晶向指数 uvw 来表示板织构 38 制耳 现象 深冲件上的制耳 39 形变织构的利与弊 1 例如制造汽车外壳的深冲薄钢板 存在一般织构将使其变形不均匀 产生皱纹 甚至发生破裂 但具有 111 型板织构的板材 其深冲性能良好 2 制造变压器的硅钢片则希望使易磁化的 100 方向平行于轧向 立方织构的硅钢片 具有很低的铁损 1 40 4 残余应力经塑性变形 外力对金属所做的功 绝大部分在金属变形过程中转化成为热能 使金属温度升高 随后散失掉 仅有少部分转化为内应力残留于金属中形成残余内应力 金属塑性变形后残余应力的存在会影响工件的变形与开裂 例如 冷轧钢板会因变形不均所残留的内应力引起钢板翘曲 另外 残余内应力会使金属的耐腐蚀性能降低 因此通常金属塑性变形之后 采用退火处理以消除这些残余应力 但有时也利用在工件表面采用喷丸 滚压处理产生一定压应力来抵消外部拉应力的作用 来延长工件的寿命 41 1 不均匀的塑性变形 残余应力产生的原因 2 不均匀的温度变化 3 不均匀的相变 42 残