(2)金属塑性变形宏观规律与微观机制

1、3. 1 塑性流动规律（最小阻力定律） 3. 2 影响金属塑性流动和变形的因素3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力 3. 4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点3. 5 塑性加工过程的断裂与可加工性 概念：最小阻力定律最小周边法则实际应用分析 变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的方向移动。即做最少的功，走最短的路。 图图3-1 开式模锻的金属流动开式模锻的金属流动 图图3-2 最小周边法则最小周边法则图图3-3 3-3 正方形断面变形模式正方形断面变形模式 （a）（b）B-B剖面（c）图图3-4 3-4 拔长坯料的变形模式拔长坯料的变形模式 图3-5 不同宽度坯料轧制时 宽展情况 图3-

2、6 轨辊直径不同时 轧件变形区 纵横方向阻力图 （DD，B2B2） 3. 2. 1 摩擦的影响 3. 2. 2 变形区的几何因素的影响3. 2. 3 工具的形状和坯料形状的影响 3. 2. 4 外端的影响3. 2. 5 变形温度的影响 3. 2. 6 金属性质不均的影响 摩擦影响的实质摩擦影响的实质：由于摩擦力的作用，在一定程度上改变了金属的流动特性并使应力分布受到影响。 图3-7 圆柱体镦粗时摩擦力 对变形及应力分布影响 图3-8 用塑料镦粗时 单位压力分布图 图3-9 圆环镦粗的金属流动 a)变形前 b) 摩擦系数很小或为零 c) 有摩擦 变形区的几何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影

3、响变形和应力分布很重要的因素。 图3-10 钢球压缩时的流线 图3-11 受塑压时物体内部质点 滑移变形的近似模型 图3-12 h2 为各种数值时的情况 工具（或坯料）形状是影响金属塑性流动方向的重要因素。工具与金属形状的差异，是造成金属沿各个方向流动的阻力有差异，因而金属向各个方向的流动（即变形量）也有相应差别。 图3-13 型钻中拔长 图3-14 沿孔型宽度上延伸分布图 a) 圆型砧 b) V型砧 c) 凸型砧 外端（未变形的金属）对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动，进而产生或加剧附加的应力和应变。 图3-15 拔长时外端的影响 （a）（b） 图3-16 开式冲孔时的“拉缩” 图3

4、-17 弯曲变形对外端的影响 变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形和流动的差异。变形首先发生在那些变形抗力最小的部分。一般，在同一变形物体中高温部分的变形抗力低，低温部分的变形抗力 高。 图3-18 铝钢双金属轧制时由不 均匀变形产生的弯曲现象1铝；2钢 变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异。 3. 3. 1 均匀变形与不均匀变形 3. 3. 2 研究变形分布的方法 3. 3. 3 基本应力与附加应力 3. 3. 4 残余应力 若变形区内金属各质点的应变状态相同，即它们相应的各个轴向上变形的发生情况，发展方向及应变量的大小都相同，这

5、个体积的变形可视为均匀的。 不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。因此，凡是影响金属塑性流动的因素，都会对不均匀变形产生影响。 金属塑性加工中，研究变形物体内变形分布（即金属流动）的方法很多。 常用的方法有：网格法；硬度法 ；比较晶粒法。图3-19 各种不同变形程度下镦粗圆柱体的不均匀变形 图3-20 冷镦粗铝合金后垂直断面上洛氏硬度变化 金属变形时体内变形分布不均匀，不但使物体外形歪扭和内部组织不均匀，而且还使变形体内应力分布不均匀。此时，除基本应力外还产生附加应力。附加应力是物体不均匀变形受到其整体性限制，而引起物体内相互平衡的应力。 图3-21 在凸形轧辊上轧制矩形坯产生的附加

6、应力la若边缘部分自成一体时轧制后的可能长度 lb若中间部分自成一体时轧制后的可能长度l 整个轧制后的实际长度l图3-22 相邻晶粒的变形图3-23 挤压时金属流动（a）及纵向应力分布（b）、（c），其中（c）为摩擦很大时应力分布；（一）基本应力；（）附加应力；（-）工作应力假想应力，9.8 N/mm2 1820图3-24 拉伸实验曲线 1）带缺口试样=2% 2）未带缺口试样=35% 变形程度应力sbsn图3-25 拉伸时真应力与变形程度的关系1)无缺口试样拉伸时的真应力的曲线2）有缺口样拉伸的真应力曲线附加应力分为三种：附加应力分为三种：第一类附加应力第一类附加应力: :在整个变形区内的几个

7、区域之间的在整个变形区内的几个区域之间的不均匀变形所引起的彼此平衡的附加应力。不均匀变形所引起的彼此平衡的附加应力。第二类附加应力第二类附加应力: :在晶粒之间的不均匀变形所引起的在晶粒之间的不均匀变形所引起的附加应力。如相邻晶粒由于位向不同引起变形大小的附加应力。如相邻晶粒由于位向不同引起变形大小的不同，便会产生互相平衡的第二类附加应力。不同，便会产生互相平衡的第二类附加应力。第三类附加应力第三类附加应力: :在晶粒内部滑移面附近或滑移带中在晶粒内部滑移面附近或滑移带中由各部分变形不均匀而引起的附加应力。由各部分变形不均匀而引起的附加应力。附加应力的特点：附加应力的特点：附加应力是变形体为保

8、持自身的附加应力是变形体为保持自身的完整和连续，约束不均匀变形而产生的内力。就是说，附完整和连续，约束不均匀变形而产生的内力。就是说，附加应力是由不均匀变形所引起的，但同时它又限制不均匀加应力是由不均匀变形所引起的，但同时它又限制不均匀变形的自由发展。此外，附加应力是互相平衡，成对出现变形的自由发展。此外，附加应力是互相平衡，成对出现的，当一处受附加压应力时，另一处必受附加拉应力。的，当一处受附加压应力时，另一处必受附加拉应力。金金属塑性变形的属塑性变形的附加应力定律附加应力定律。 不均匀变形引起附加应力，对金属的塑性不均匀变形引起附加应力，对金属的塑性变形造成许多不良后果：变形造成许多不良后

9、果： （1）引起变形体的应力状态发生变化，使应力分布更不均匀。）引起变形体的应力状态发生变化，使应力分布更不均匀。（2 2）造成物体的破坏。）造成物体的破坏。 （3 3）使材料变形抗力提高和塑性降低。）使材料变形抗力提高和塑性降低。（4 4）使产品质量降低。）使产品质量降低。 （5 5）使生产操作复杂化。）使生产操作复杂化。 （6 6）形成残余应力。）形成残余应力。 克服或减轻变形及应力不均的措施：克服或减轻变形及应力不均的措施： （1）正确选定变形的温度）正确选定变形的温度-速度制度。速度制度。（2 2）尽量减小接触面上外摩擦的有害影响。）尽量减小接触面上外摩擦的有害影响。（3 3）合理设计

10、加工工具形状。）合理设计加工工具形状。 （4 4）尽可能保证变形金属的成分及组织均匀。）尽可能保证变形金属的成分及组织均匀。 1残余应力的来源 2工艺条件对残余应力的影响 3残余应力所引起的后果 4减小或消除残余应力的措施 5研究残余应力的主要方法 1 1残余应力的来源残余应力的来源 不均匀塑性变形产生的附加应力。不均匀塑性变形产生的附加应力。不均匀加热、冷却（热处理）过程产生的热应力。不均匀加热、冷却（热处理）过程产生的热应力。 残余应力的种类：残余应力的种类：（a）第一类残余应力，又称宏观应力。它在物体全部或部分范围内平衡。）第一类残余应力，又称宏观应力。它在物体全部或部分范围内平衡。（b

11、）第二类残余应力，又称显微应力。它在各相组成物或各晶粒之间平衡。）第二类残余应力，又称显微应力。它在各相组成物或各晶粒之间平衡。（c）第三类残余应力，又称超显微应力。它常存在于金属点阵内部，例如位错）第三类残余应力，又称超显微应力。它常存在于金属点阵内部，例如位错与溶质原子交互作用引起的应力场等。与溶质原子交互作用引起的应力场等。2 2工艺条件对残余应力的影响工艺条件对残余应力的影响变形条件：变形条件：主要是变形温度、变形速度、变形程度、接触摩擦、主要是变形温度、变形速度、变形程度、接触摩擦、工具和变形物体形状等等。工具和变形物体形状等等。热处理条件：热处理条件： 淬火温度、淬火介质条件、淬火

12、方式、工件形状尺淬火温度、淬火介质条件、淬火方式、工件形状尺寸等。寸等。3 3残余应力所引起的后果残余应力所引起的后果 （1）引起物体尺寸和形状的变化。）引起物体尺寸和形状的变化。（2 2）使零件的使用寿命缩短。）使零件的使用寿命缩短。 （3 3）降低了金属的塑性加工性能。）降低了金属的塑性加工性能。 （4 4）降低金属的耐蚀性以及冲击韧性）降低金属的耐蚀性以及冲击韧性和疲劳强度等。和疲劳强度等。 减小材料在加工和处理过程中所产生的不均匀变形；减小材料在加工和处理过程中所产生的不均匀变形；对加工件进行热处理，但要确定好工艺；对加工件进行热处理，但要确定好工艺；进行机械处理。进行机械处理。 4

13、4减小或消除残余应力的措施减小或消除残余应力的措施1）使零件彼此碰撞（仅限于尺寸小、形状简单的工件）；）使零件彼此碰撞（仅限于尺寸小、形状简单的工件）；2）用木槌打击表面，或喷丸法打击工作表面；）用木槌打击表面，或喷丸法打击工作表面；3）表面辗压和压平；）表面辗压和压平；4）预拉伸；）预拉伸；5）在模子中作表面校形或精压。）在模子中作表面校形或精压。 5 5研究残余应力的主要方法研究残余应力的主要方法 实验方法：机械法、化学法和实验方法：机械法、化学法和X光法。光法。数值方法：数值方法：FEMFEM 3. 4. 1 金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点 3. 4. 2 平辊轧制时金属的应力及变形

14、特点 3. 4. 3 棒材挤压时的应力及变形特点 3. 4. 4 棒材拉伸时的应力及变形特点 1镦粗时组合件的变形特点 2基本应力的分布特点 3第一类附加应力的分布特点 在接触表面上，试件的中心区域没有变在接触表面上，试件的中心区域没有变形而边缘部分的变形较大，并且有很明形而边缘部分的变形较大，并且有很明显的侧面翻平现象，这表明在接触表面显的侧面翻平现象，这表明在接触表面上确实存在着难变形区或粘着区。上确实存在着难变形区或粘着区。 塑压间试件内存在明显的三个区，塑压间试件内存在明显的三个区，即易变形区即易变形区、自由变形区、自由变形区和难和难变形区变形区 矩形试件在平锤间镦粗时的基本应力状态是

15、三矩形试件在平锤间镦粗时的基本应力状态是三向压应力，但在试件内部，每点的压应力值并向压应力，但在试件内部，每点的压应力值并不相等。如果沿三个坐标轴方向的正应力分别不相等。如果沿三个坐标轴方向的正应力分别为，其分布的规律是：为，其分布的规律是：沿沿x轴在接触表面上的轴在接触表面上的分布是从边缘向中心由零开始逐渐增大，因为分布是从边缘向中心由零开始逐渐增大，因为越接近中心，摩擦力的阻碍作用越显著；沿越接近中心，摩擦力的阻碍作用越显著；沿y轴的分布规律同沿轴的分布规律同沿x轴的分布；沿轴的分布；沿z轴在侧表面轴在侧表面上为零，在试件内部，从接触表面向对称层逐上为零，在试件内部，从接触表面向对称层逐渐

16、减小渐减小 。在对称件的中心部位（即图在对称件的中心部位（即图3-39中中0点），其纵向延点），其纵向延伸和横向宽展的变形量比其它区域都要大一些，而靠伸和横向宽展的变形量比其它区域都要大一些，而靠近侧面边部的近侧面边部的a点和点和b点附近的变形量最少。根据第一点附近的变形量最少。根据第一类附加应力产生的原因可知，类附加应力产生的原因可知，0点附近的第一类附加点附近的第一类附加应力为三向压应力，而应力为三向压应力，而a、b两点附近的第一类附加应两点附近的第一类附加应力为二向拉应力。力为二向拉应力。 在在0点附近，由于基本应力和附加应力的综合作用，点附近，由于基本应力和附加应力的综合作用，这里首先

17、满足塑性变形条件而产生塑性变形，在整个这里首先满足塑性变形条件而产生塑性变形，在整个塑性变形过程中，也是变形量最大的区域。在塑性变形过程中，也是变形量最大的区域。在c点附点附近，这里承受的基本应力是强烈的二向压应力，由于近，这里承受的基本应力是强烈的二向压应力，由于摩擦的作用，形成难变形区或粘着区；但付应力的作摩擦的作用，形成难变形区或粘着区；但付应力的作用显然是会减少某些压应力，而促使该区进入塑性变用显然是会减少某些压应力，而促使该区进入塑性变形状态，并且由于基本应力和附加应力的联合作用，形状态，并且由于基本应力和附加应力的联合作用，使接触表面层的变形区不断扩大。在使接触表面层的变形区不断扩

18、大。在a、b两点附近，两点附近，当变形很不均匀时，附加拉应力越来越大，如果被变当变形很不均匀时，附加拉应力越来越大，如果被变形的金属塑性较低，将会在形的金属塑性较低，将会在侧面出现裂纹侧面出现裂纹。 1基本应力特点 2变形区内金属质点流动特点 3平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点 轧制时，金属在两个轧辊之间受到连续压轧制时，金属在两个轧辊之间受到连续压缩，因之在其纵向与宽向上产生延伸和宽缩，因之在其纵向与宽向上产生延伸和宽展变形。由于轧辊所施加的压力作用，在展变形。由于轧辊所施加的压力作用，在高向上轧件承受的压应力高向上轧件承受的压应力 ，而在纵向，而在纵向与横向上，因摩擦力的作用而使轧件承

19、受与横向上，因摩擦力的作用而使轧件承受 和和 的压应力。轧制时，轧件变形的压应力。轧制时，轧件变形区的长度区的长度l应该比轧件宽度小，故基本应力应该比轧件宽度小，故基本应力存在着存在着 的关系，变形的规律的关系，变形的规律是纵向上的延伸比横向上的宽展大得多。是纵向上的延伸比横向上的宽展大得多。 zxyzyx1 1金属质点纵向流动特点金属质点纵向流动特点 前滑：前滑：在变形区内，金属质点的向前流动速度大于轧辊表面在变形区内，金属质点的向前流动速度大于轧辊表面线速度的现象叫前滑。变形区内金属质点流动具有前滑现象线速度的现象叫前滑。变形区内金属质点流动具有前滑现象的区域叫前滑区。的区域叫前滑区。后滑

20、：后滑：在变形区内，金属质点的向前流动速度小于轧辊表面在变形区内，金属质点的向前流动速度小于轧辊表面线速度的现象叫后滑。在变形区内金属质点流动具有后滑现线速度的现象叫后滑。在变形区内金属质点流动具有后滑现象的区域叫后滑区。象的区域叫后滑区。 中性面：中性面：在变形区内，金属质点向前流动速度与轧辊表面在变形区内，金属质点向前流动速度与轧辊表面线速度一致的截面叫中性面。中性面实际是前滑与后滑的临线速度一致的截面叫中性面。中性面实际是前滑与后滑的临界面。界面。 薄轧件，冷轧及热轧薄板薄轧件，冷轧及热轧薄板 平HL0. 51 接触弧较长而轧件高度小，故变形能深入整接触弧较长而轧件高度小，故变形能深入整

21、个断面高度。在后滑区内，轧件任意断面的个断面高度。在后滑区内，轧件任意断面的平均速度都小于轧辊的水平运动速度，但是平均速度都小于轧辊的水平运动速度，但是由于接触表面上的摩擦力总是力图把较高的由于接触表面上的摩擦力总是力图把较高的速度传给轧件表面层及其附近部位，而对中速度传给轧件表面层及其附近部位，而对中心部位的影响则相对小些，这样就使得后滑心部位的影响则相对小些，这样就使得后滑区内各断面上金属质点的运动速度表面层大区内各断面上金属质点的运动速度表面层大于中心层而呈曲线于中心层而呈曲线6所示形状，并且外摩擦越所示形状，并且外摩擦越大，这种不均匀性越明显。大，这种不均匀性越明显。 刚端刚端对变形不

22、均匀有严重影响，因为刚端不变形或已变形完了对变形不均匀有严重影响，因为刚端不变形或已变形完了，其断面上金属质点的运动速度是均匀的（，其断面上金属质点的运动速度是均匀的（4和和10），在刚端与），在刚端与后滑区和刚端与前滑区之间，还存在着一个位于几何变形区外后滑区和刚端与前滑区之间，还存在着一个位于几何变形区外的变形发生区和变形终了区。在变形发生区内，随着各断面逐的变形发生区和变形终了区。在变形发生区内，随着各断面逐渐靠近后滑区，其金属质点流动的不均匀性明显增加（曲线渐靠近后滑区，其金属质点流动的不均匀性明显增加（曲线5），在变形终了区，随着各断面逐渐靠近前刚端，金属质点运动，在变形终了区，随着

23、各断面逐渐靠近前刚端，金属质点运动速度趋于一致，如曲线速度趋于一致，如曲线9所示。所示。 在变形区中性面上，由于轧件与轧辊的速度相等，所以该断面在变形区中性面上，由于轧件与轧辊的速度相等，所以该断面上金属质点的运动速度是一致的（曲线上金属质点的运动速度是一致的（曲线7）。在前滑区，因为轧）。在前滑区，因为轧件的平均运动速度大于轧辊的水平速度，所以，接触表面上的件的平均运动速度大于轧辊的水平速度，所以，接触表面上的摩擦力总是阻碍轧件向前运动，当然，越接近表面层所受的影摩擦力总是阻碍轧件向前运动，当然，越接近表面层所受的影响越大，该区各断面上金属质点的运动速度如曲线响越大，该区各断面上金属质点的运

24、动速度如曲线8所示。所示。 厚轧件，热轧开坯厚轧件，热轧开坯 平HL 0. 51 轧件高度大而变形区长度相对变小，故轧件高度大而变形区长度相对变小，故变形难以深入整个断面高度。在后滑区变形难以深入整个断面高度。在后滑区各断面上，外层金属质点的流动速度由各断面上，外层金属质点的流动速度由接触表面向中心层逐渐减小，中心层附接触表面向中心层逐渐减小，中心层附近没有产生变形刚保持一个固定的速度近没有产生变形刚保持一个固定的速度不变，其分布如曲线不变，其分布如曲线3所示。在前滑区所示。在前滑区，情况恰好相反，各断面速度是由表层，情况恰好相反，各断面速度是由表层向里逐渐增大，但在中心层没有产生变向里逐渐增

25、大，但在中心层没有产生变形，所以速度仍保持不变如图形，所以速度仍保持不变如图5所示。所示。 2 2、宽展及宽度上的横向流动、宽展及宽度上的横向流动 图3-43 金属质点运动速度在横向上的分布金属质点的变形状态虽然还是高向压缩，纵向和横金属质点的变形状态虽然还是高向压缩，纵向和横向延伸，但横向上的变形比纵向的延伸小得多。向延伸，但横向上的变形比纵向的延伸小得多。 由于有横向变形，使金属质点在变形区内宽向上由于有横向变形，使金属质点在变形区内宽向上流动方向不一致，板材中间部分金属质点的流动方流动方向不一致，板材中间部分金属质点的流动方向基本与轧制方向平行，而边缘部分的金属质点流向基本与轧制方向平行

26、，而边缘部分的金属质点流动方向则与轧制方向成一个角度，故各部分运动速动方向则与轧制方向成一个角度，故各部分运动速度在轧制方向的水平投影的长度不同，形成图度在轧制方向的水平投影的长度不同，形成图3-43（b）所示的不均匀流动图形。）所示的不均匀流动图形。 3 3、影响宽展的因素、影响宽展的因素 1）外摩擦：）外摩擦：摩擦系数增加，宽展增加；摩擦系数减少，宽展也随之摩擦系数增加，宽展增加；摩擦系数减少，宽展也随之 减少。减少。2）变形区的尺寸：）变形区的尺寸：轧辊直径的增大，首次压下量增加，轧件原始宽轧辊直径的增大，首次压下量增加，轧件原始宽 度减小等，都促使宽度增加。度减小等，都促使宽度增加。3

27、）刚端：）刚端：轧件变形区外部的刚端，限制宽展的发展而增加纵向延伸轧件变形区外部的刚端，限制宽展的发展而增加纵向延伸，并且使轧件宽向及高向上的延伸变得更均匀些，由于刚端的这种作，并且使轧件宽向及高向上的延伸变得更均匀些，由于刚端的这种作用，使轧件变形区的边缘部分，特别在靠近入口部位的边缘，以及邻用，使轧件变形区的边缘部分，特别在靠近入口部位的边缘，以及邻近此部位而处于变形区外面的轧件边缘部位承受纵向拉应力；而与这近此部位而处于变形区外面的轧件边缘部位承受纵向拉应力；而与这些地方相邻的变形区内的其它部位，则承受压应力。正是由于轧件边些地方相邻的变形区内的其它部位，则承受压应力。正是由于轧件边缘部

28、位的这种拉应力的作用，限制金属质点的横向流动，减少宽展。缘部位的这种拉应力的作用，限制金属质点的横向流动，减少宽展。 4 4平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点 后滑区后滑区: : 表面层金属质点的运动速表面层金属质点的运动速度大于中心层，故中心层给表面层以度大于中心层，故中心层给表面层以附加压应力，而表面层给中心层以附附加压应力，而表面层给中心层以附加拉应力。在前滑区，轧件表面层的加拉应力。在前滑区，轧件表面层的质点流动速度小于中心层，所以中心质点流动速度小于中心层，所以中心层对表面层产生附加拉应力，而表面层对表面层产生附加拉应力，而表面层对中心层产生附加

29、压应力。层对中心层产生附加压应力。 前滑区：前滑区：接触表面层存在的附加拉应力，当数值接触表面层存在的附加拉应力，当数值很大时，则是轧件表面产生裂纹的原因；有时，这很大时，则是轧件表面产生裂纹的原因；有时，这种裂纹很小，不容易发现，当这种坯料继续冷变形种裂纹很小，不容易发现，当这种坯料继续冷变形时，就会暴露出来而造成难以补救的废品。时，就会暴露出来而造成难以补救的废品。 料头尾部层裂的产生：料头尾部层裂的产生：高向上承受着附加拉应力是高向上承受着附加拉应力是有害的，当值较小时，变形不很深透，常常是某些低塑性材有害的，当值较小时，变形不很深透，常常是某些低塑性材料轧制时产生张嘴的原因。特别是当铸

30、锭中心部位存在着低料轧制时产生张嘴的原因。特别是当铸锭中心部位存在着低熔点化合物或有其它夹杂物存在时，因为本身强度就很低，熔点化合物或有其它夹杂物存在时，因为本身强度就很低，因此很容易在这种附加拉应力的作用下出现层裂的现象。因此很容易在这种附加拉应力的作用下出现层裂的现象。 1棒材挤压时的基本应力状态2 棒材挤压时的金属流动规律 3 棒材挤压时的附加应力 一、棒材挤压时的基本应力状态一、棒材挤压时的基本应力状态 1、填充阶段、填充阶段 填充刚开始，在坯料内部的应力填充刚开始，在坯料内部的应力状态与圆柱体墩粗一样，也是三状态与圆柱体墩粗一样，也是三向压应力状态。向压应力状态。 整个坯料分成两种应

31、力状态区：对准整个坯料分成两种应力状态区：对准模口的模口的区，其应力特点是区，其应力特点是 ，在在区的周围是区的周围是区，其基本应力状区，其基本应力状态的特点是态的特点是 zz随着填充继续进行，离模口稍远一点的金属也进入随着填充继续进行，离模口稍远一点的金属也进入塑性变形状态。当坯料充满挤压筒后，由填充阶段塑性变形状态。当坯料充满挤压筒后，由填充阶段转入挤压阶段，塑性变形区逐渐向内部扩大。转入挤压阶段，塑性变形区逐渐向内部扩大。 由于充填，使坯料与挤压筒壁相接触，由于充填，使坯料与挤压筒壁相接触，并产生很大的径向压力。因为径向压力并产生很大的径向压力。因为径向压力很大，同时摩擦系数也较大，所以

32、坯料很大，同时摩擦系数也较大，所以坯料侧表面的切应力可以达到其最大值侧表面的切应力可以达到其最大值 )31(zk二、棒材挤压时的金属流动规律二、棒材挤压时的金属流动规律 塑性变形区分：塑性变形区分：区称为延伸变形区区称为延伸变形区区称为压缩变形区区称为压缩变形区区称之为切变区区称之为切变区区是未变形区区是未变形区区是区是“死区死区” 变形特点：变形特点：随着挤压垫片向前推进，随着挤压垫片向前推进，区的金属区的金属流动最快，流动最快，区的金属流动较慢，而区的金属流动较慢，而区的金属将在区的金属将在挤压垫片前面逐渐堆积起来，由于挤压垫片前面逐渐堆积起来，由于区的金属原来处区的金属原来处于坯料表面，

33、不可避免地带有一些油、灰尘等脏物，于坯料表面，不可避免地带有一些油、灰尘等脏物，这些脏物在挤压末期沿着这些脏物在挤压末期沿着区与区与区的界面流入到制区的界面流入到制品尾部，构成品尾部，构成“缩尾缩尾”。 挤压时金属的流动情况是十分不均匀的，金属不挤压时金属的流动情况是十分不均匀的，金属不均匀变形比其它加工方法严重得多，金属的不均匀流均匀变形比其它加工方法严重得多，金属的不均匀流动也直接影响到制品的组织和性能。动也直接影响到制品的组织和性能。 三、棒材挤压时的附加应力三、棒材挤压时的附加应力 在塑性变形区和变形终了的外端在塑性变形区和变形终了的外端部分，由于中间金属流动的快，部分，由于中间金属流

34、动的快，表面层金属流动的慢，所以变形表面层金属流动的慢，所以变形不均匀的结果引起中间对表面层不均匀的结果引起中间对表面层作用以轴向附加拉应力，而表面作用以轴向附加拉应力，而表面层对中间部分作用轴向附加压应层对中间部分作用轴向附加压应力。在棒材端面附近则产生了径力。在棒材端面附近则产生了径向附加拉应力。向附加拉应力。 出现头部出现头部“开花开花”现象的原因现象的原因。 在未变形区的横截面上，由于外表层已进入了塑性变在未变形区的横截面上，由于外表层已进入了塑性变形状态，其金属的流动速度远远大于中间部位，所以形状态，其金属的流动速度远远大于中间部位，所以表面层对中间部位产生了轴向附加拉应力，而中间部

35、表面层对中间部位产生了轴向附加拉应力，而中间部位对表面层施加一个轴向附加压应力。位对表面层施加一个轴向附加压应力。 在中心部位，从模口处的轴向附在中心部位，从模口处的轴向附加压应力变到未变形区的轴向附加压应力变到未变形区的轴向附加拉应力，表面部分则由附加拉加拉应力，表面部分则由附加拉应力变到附加压应力。应力变到附加压应力。 由于棒材内部的轴向附加压应力的作用，棒材内部有增大直径由于棒材内部的轴向附加压应力的作用，棒材内部有增大直径的趋势，而表面层的轴向附加拉应力则阻止这种直径增大的趋的趋势，而表面层的轴向附加拉应力则阻止这种直径增大的趋势，随之产生了周向附加应力，其分部情况是中心层直径增加势，

36、随之产生了周向附加应力，其分部情况是中心层直径增加的趋势，给表面层施加了一个附加拉应力，而表面层阻止内部的趋势，给表面层施加了一个附加拉应力，而表面层阻止内部直径增大的作用，对中心部位产生了一个附加压应力。直径增大的作用，对中心部位产生了一个附加压应力。 棒材表面层的周向附加拉应力是使棒材产生纵向裂纹的根源。而棒材表面层的周向附加拉应力是使棒材产生纵向裂纹的根源。而棒材表面层的轴向附加拉应力，则是引起棒材周向裂纹的原因。棒材表面层的轴向附加拉应力，则是引起棒材周向裂纹的原因。 1 棒材拉伸时的基本应力状态2 棒材拉伸时金属的流动规律 3 棒材拉拔时的附加应力 一、棒材拉伸时的基本应力状态一、棒

37、材拉伸时的基本应力状态 轴向拉应力轴向拉应力 z径向压应力径向压应力周向压应力周向压应力 出入zz由变形区的入口由变形区的入口端到出口端是逐端到出口端是逐渐减小的。渐减小的。 轴向拉应力轴向拉应力 由边缘部分向中间部分逐渐增加，并且中由边缘部分向中间部分逐渐增加，并且中心层的拉伸应力达到最大值。径向压应力心层的拉伸应力达到最大值。径向压应力 和周向压和周向压应力应力 它们由边缘部分向中心层是逐渐减小的。它们由边缘部分向中心层是逐渐减小的。z二、棒材拉伸时金属的流动规律二、棒材拉伸时金属的流动规律 中心层的金属产生了轴向中心层的金属产生了轴向上的延伸，径向上的压缩。上的延伸，径向上的压缩。 周边

38、层除了受到轴向的拉周边层除了受到轴向的拉 长、径向和周向的压缩外，长、径向和周向的压缩外，还发生了剪变形。还发生了剪变形。棒材的中心层金属质点流棒材的中心层金属质点流动速度比周边层快。动速度比周边层快。三、棒材拉拔时的附加应力三、棒材拉拔时的附加应力 中心层对周边部分作用以轴向中心层对周边部分作用以轴向附加拉应力，而周边部分对中心附加拉应力，而周边部分对中心层作用以轴向附加压应力。层作用以轴向附加压应力。 棒材周向上的附加应力分布：边缘层承棒材周向上的附加应力分布：边缘层承受附加拉应力、中心层承受着附加压应力。受附加拉应力、中心层承受着附加压应力。 表面层承受的轴向附加拉应力，是棒材拉伸时产生

39、表面层承受的轴向附加拉应力，是棒材拉伸时产生横向周期裂纹的根源，周向承受的附加拉应力则是产生横向周期裂纹的根源，周向承受的附加拉应力则是产生纵向裂纹的主要原因。对于某些合金来说，拉伸后形成纵向裂纹的主要原因。对于某些合金来说，拉伸后形成的残余应力如果不能及时消除，经过一定时间后棒材就的残余应力如果不能及时消除，经过一定时间后棒材就会显现出裂纹。会显现出裂纹。 3. 5. 1 塑性加工中的常见裂纹3. 5. 2 金属断裂的物理本质 3. 5. 3 塑性-脆性转变3. 5. 4 金属的可加工性 3. 5. 1 3. 5. 1 塑性加工中的常见裂纹塑性加工中的常见裂纹 塑性加工中的断裂除因铸锭质量差

40、（疏松、裂纹、偏析和粗大晶粒等塑性加工中的断裂除因铸锭质量差（疏松、裂纹、偏析和粗大晶粒等）和加热时造成的过热、过烧外，绝大多数的断裂是属于不均匀变形）和加热时造成的过热、过烧外，绝大多数的断裂是属于不均匀变形所造成的。所造成的。在塑性加工过程中，按金属制品裂纹产生的部位可分为在塑性加工过程中，按金属制品裂纹产生的部位可分为表表面裂纹面裂纹和和内部裂纹内部裂纹。 一、锻造时的断裂一、锻造时的断裂1锻造时的表面开裂锻造时的表面开裂自由镦粗塑性较低的金属饼材时，由于锤头端面对镦粗件自由镦粗塑性较低的金属饼材时，由于锤头端面对镦粗件表面摩擦力的影响，形成单鼓形，使其侧面周向承受拉应表面摩擦力的影响，

41、形成单鼓形，使其侧面周向承受拉应力。当锻造温度过高时，由于晶间结合力大大减弱，常出力。当锻造温度过高时，由于晶间结合力大大减弱，常出现晶间断裂，且裂纹方向与周向拉应力垂直（图现晶间断裂，且裂纹方向与周向拉应力垂直（图3-53（1）a）。当锻造温度较低时，晶间强度常高于晶内强度，便出）。当锻造温度较低时，晶间强度常高于晶内强度，便出现穿晶断裂。由于剪应力引起的其裂纹方向常与最大主应现穿晶断裂。由于剪应力引起的其裂纹方向常与最大主应力成力成45角（图角（图3-53（1）b）。）。为了防止镦粗时的断裂，必须尽量减少鼓形所引为了防止镦粗时的断裂，必须尽量减少鼓形所引起的周向拉应力。可采用如下措施：起的

42、周向拉应力。可采用如下措施： （1）减少工件与工具间的接触摩擦）减少工件与工具间的接触摩擦；提高接触表面的光洁度，采用适当；提高接触表面的光洁度，采用适当高效能的润滑剂。高效能的润滑剂。（2）采用凹形模：锻造时，由于模）采用凹形模：锻造时，由于模壁对工件的横向压缩，使周向拉应力壁对工件的横向压缩，使周向拉应力减少。减少。 （3）采用软垫。）采用软垫。 （4）采用活动套环和包套。）采用活动套环和包套。 2锻造时的内部裂纹锻造时的内部裂纹 为了防止锻压圆坯时内部裂纹的产为了防止锻压圆坯时内部裂纹的产生，可采用槽形和弧形锤头，从而生，可采用槽形和弧形锤头，从而减少坯料中心处的水平拉应力，或减少坯料中

43、心处的水平拉应力，或把原来的拉应力变为压应力。把原来的拉应力变为压应力。 二、轧制时的断裂二、轧制时的断裂1轧制时的表面开裂轧制时的表面开裂 边部周期裂纹边部周期裂纹 中部周期裂纹中部周期裂纹 良好辊型和坯料尺寸形状，合理的轧制工艺规程（压下量控良好辊型和坯料尺寸形状，合理的轧制工艺规程（压下量控制、张力调整、润滑等）。制、张力调整、润滑等）。 2轧制时内部裂纹轧制时内部裂纹 轧制厚坯料时，因压下量小而产生表面变形。轧制厚坯料时，因压下量小而产生表面变形。 hl /增加增加 三、挤压和拉拔时的断裂三、挤压和拉拔时的断裂1表面裂纹表面裂纹减少摩擦阻力减少摩擦阻力 ，采用采用反向挤压、反张力拉反向

44、挤压、反张力拉伸、辊式模拉伸等方伸、辊式模拉伸等方法来减少有害摩擦，法来减少有害摩擦，防止表面断裂现象的防止表面断裂现象的发生。发生。 2内部裂纹内部裂纹 当挤压比（挤压变形程度）较小当挤压比（挤压变形程度）较小，或拉拔时，或拉拔时L/d0较小时，由于产较小时，由于产生表面变形而深入不到棒材的心生表面变形而深入不到棒材的心部，结果导致中心层产生附加拉部，结果导致中心层产生附加拉应力，此拉应力与纵向基本应力应力，此拉应力与纵向基本应力相叠加，若轴心层的工作拉应力相叠加，若轴心层的工作拉应力大于材料的断裂应力时，便会出大于材料的断裂应力时，便会出现内部裂纹。现内部裂纹。 对挤压来说，对挤压来说，增

45、大挤压比；对拉拔来说，增加增大挤压比；对拉拔来说，增加L/d0可可使变形深入到轴心区，即增大变形程度和减少模孔锥使变形深入到轴心区，即增大变形程度和减少模孔锥角角 ，可减少此种断裂现象发生。，可减少此种断裂现象发生。3. 5. 2 3. 5. 2 金属断裂的物理本质金属断裂的物理本质 a）脆性断裂）脆性断裂 b）切变断裂）切变断裂 c）多晶体的完全韧性断裂）多晶体的完全韧性断裂 d)多晶体韧性断裂的一般情况多晶体韧性断裂的一般情况断口平齐断口平齐 ，如，如裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口为解理亮面；裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口为解理亮面；如裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。如裂纹

46、沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。 断裂前已发生了较大的塑性变形，断裂前已发生了较大的塑性变形，韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界处有夹杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断裂，界处有夹杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断裂，形成杯锥状断口形成杯锥状断口。 一、断裂的基本类型一、断裂的基本类型 二、断裂过程与物理本质二、断裂过程与物理本质 裂纹生核和裂纹扩展裂纹生核和裂纹扩展 微裂纹的萌生机理微裂纹的萌生机理金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要来自两金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要来自两个方面：一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的气个方面：一是材料内

47、部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷；二是在塑性变形过程中，由于孔、夹杂、微裂纹等缺陷；二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞积等原因而使裂纹形核。随着变形的发展位错的运动和塞积等原因而使裂纹形核。随着变形的发展导致裂纹不断长大，当裂纹长大到一定尺寸后，便失稳扩导致裂纹不断长大，当裂纹长大到一定尺寸后，便失稳扩展，直至最终断裂。展，直至最终断裂。 裂纹形核的理论裂纹形核的理论 1位错塞积理论位错塞积理论 2位错反应理论位错反应理论 3位错墙侧移理论位错墙侧移理论 4位错消毁理论位错消毁理论 裂纹的扩展裂纹的扩展 2/12/12cEcEc裂纹传播的临界拉应力为裂纹传播的临界拉

48、应力为（格雷菲斯判据）格雷菲斯判据）在现实的金属材料中或多或少的存在有裂纹和缺陷，但当应在现实的金属材料中或多或少的存在有裂纹和缺陷，但当应力值（或裂纹长度）没有达到格雷菲斯判据时，裂纹是不扩力值（或裂纹长度）没有达到格雷菲斯判据时，裂纹是不扩展的。因此，必须容许存在有一定尺度内的裂纹。只是要设展的。因此，必须容许存在有一定尺度内的裂纹。只是要设法使其不再发展，就可以保证不出现整体性的破坏了。法使其不再发展，就可以保证不出现整体性的破坏了。3. 5. 3 3. 5. 3 塑性塑性- -脆性转变脆性转变 塑性与脆性并非金属固定不变的特性，一般的金属与合塑性与脆性并非金属固定不变的特性，一般的金属

49、与合金（面心立方者除外）有塑性金（面心立方者除外）有塑性-脆性转变的现象。如果脆性转变的现象。如果改变试验温度，就可以发现存在有一个转变温度改变试验温度，就可以发现存在有一个转变温度Tc，在，在Tc以上，断裂是韧性的，在以上，断裂是韧性的，在Tc以下，断裂就是脆性的。以下，断裂就是脆性的。 对一定材料来说，脆性转变温度越高，表征该材料脆性对一定材料来说，脆性转变温度越高，表征该材料脆性趋势愈大。变形程度趋势愈大。变形程度 、应力状态应力状态 、化学成分和组织状化学成分和组织状态态等等对塑性对塑性-脆性转变有明显地影响。脆性转变有明显地影响。 为了提高材料的强度，抗蠕变性能及再结晶温度，通常采用

50、加为了提高材料的强度，抗蠕变性能及再结晶温度，通常采用加入某些元素，控制合金晶粒度的办法来降低材料的低温脆性。入某些元素，控制合金晶粒度的办法来降低材料的低温脆性。 金属的可加工性金属的可加工性 金属的可加工性是不同加工方法进行塑性加工时，工件出金属的可加工性是不同加工方法进行塑性加工时，工件出现第一条可见裂纹前所达到的最大变形量，如可锻性、可现第一条可见裂纹前所达到的最大变形量，如可锻性、可轧性、可挤压性、可拉拔性等。它是制定各种塑性加工工轧性、可挤压性、可拉拔性等。它是制定各种塑性加工工艺规程和保证产品质量的一个重要参数。艺规程和保证产品质量的一个重要参数。 W = f1f2 一个因子为一

51、个因子为f1，表示材料的基本塑性，另一个因子为，表示材料的基本塑性，另一个因子为f2，表示该，表示该加工方法的固有特性，包括加工方法的力学状态，接触摩擦条加工方法的固有特性，包括加工方法的力学状态，接触摩擦条件以及材料基本塑性对该加工过程流动的影响。件以及材料基本塑性对该加工过程流动的影响。 5. 2. 1 多晶体变形的特点 5. 2. 2 多晶体的塑性变形机构 5. 2. 3 合金的塑性变形 5. 2. 4 变形机构图 晶内塑性变形和晶间塑性变形晶内塑性变形和晶间塑性变形晶内塑性变形：滑移与孪生晶内塑性变形：滑移与孪生塑性变形的微观机制：位错运塑性变形的微观机制：位错运动与位错增殖动与位错增殖1 1变形不均匀、不同时性及协调性 图5-4 多晶体塑性变形的竹节现象 （a）变形前 （b）变形后 图5-5 多晶体塑性变形的不均匀性 在2 m m内 的延 伸率 ，%晶粒5晶粒4晶粒3晶粒2晶粒1位置，mm 图5-6 多晶铝的几个晶粒各处的应变量。 垂直虚线是晶界，线上的数字为总变形量 1 1晶粒的转动与移动 图5-7