《金属塑性成形原理及工艺》课程

1、课 程 讲 义主讲：林高用中南大学材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering, CSU第一章 绪论一、课程简介金属塑性成形原理及工艺是一门专业理论课。它由两个部分组成：金属塑性成形原理部分和冲压工艺部分。其中，金属塑性成形原理部分是冲压工艺部分的理论基础。随着冲压工艺及模具技术的迅速发展，在现代工业生产中，冲压工艺在航空、兵工、汽车、拖拉机、电器、电子、仪表及日用品生产中应用十分广泛，占有很重要的地位。模具已经成为生产各种工业产品不可缺少的重要工艺装备，为了扩展学生在成形原理和工艺装备方面的知识面，以适应社会的需求，在机械工程及自动

2、化专业开设“塑性成形原理及工艺”课程。金属塑性成形是金属加工的方法之一。它是在外力作用下，使金属产生塑性变形，从而加工成所需要的形状和尺寸的加工方法。所以也将塑性成形称为塑性加工或者压力加工。二、金属塑性成形的优点及分类与金属切削、铸造、焊接等加工方法相比，金属塑性成形具有以下优点：（1）经过塑性加工，金属的组织、性能得到改善和提高金属在塑性加工过程中，往往要经过锻造、轧制、或者挤压等工序，这些工序使得金属的结构更加致密、组织得到改善、性能得到提高。对于铸造组织，这种效果更加明显。例如炼钢铸成的钢锭，其内部组织疏松多孔、晶粒粗大而且不均匀，偏析也比较严重，经过锻造、轧制或者挤压等塑性加工可以改

3、变它的结构、组织性能。（2）金属塑性成形的材料利用率高金属塑性成形主要是依靠金属在塑性状态下的体积转移来实现的，这个过程不会产生切削，因而材料的利用率高。（3）金属塑性成形具有很高的生产率这一点对于金属材料的轧制、拉丝、挤压等工艺尤为明显。例如，在12000×10KN的机械压力机上锻造汽车用的六拐曲轴仅需40s；在曲柄压力机上压制一个汽车覆盖件仅需几秒钟；在弧形板行星搓丝机上加工M5mm的螺钉，其生产率可以高达12000件/min。随着生产机械化和自动化的不断发展，金属塑性成形的生产率还在不断提高。（4）通过金属塑性成形得到的工件可以达到较高的精度近年来，由于应用先进的技术和设备进行

4、塑性加工，不少零件已经实现少、无切削的要求。例如，精密锻造的伞齿轮，其齿形部分精度可不经切削加工而直接使用，精锻叶片的复杂曲面可以达到只需磨削的精度，等等。由于金属塑性成形具有上述优点，因而在国民经济中得到广泛使用。三、金属塑性成形方法分类金属塑性成形的种类很多，目前还没有统一的分类方法。按照其成形的特点，一般把塑性加工分为五大类：轧制、拉拔、挤压、锻造、冲压。其中每一类又包括了各种加工方法，形成了各自的加工领域。1轧制轧制的示意图如图1所示。它是使坯料经过旋转的轧辊，使坯料经过压缩后，横截面减小、形状改变、长度增加的工艺。图1 图22拉拔拉拔的示意图如图2所示。拉拔是使用拉拔机大的夹钳将金属

5、坯料从一定形状和尺寸的模孔中拉出，从而获得各种断面的型材、线材和管材。3挤压挤压的示意图如图3所示。图3挤压是把坯料放在挤压机的挤压筒中，在挤压杆的压力作用，使金属从一定的形状和尺寸的模孔中流出。挤压可以分为正挤压和反挤压。正挤压时挤压杆的运动方向和金属从模孔中挤出的金属的流动方向一致，而反挤压时挤压杆的运动方向与模孔中挤出的金属的流动方向相反。4锻造锻造的示意图如图4所示。锻造可以分为自由锻造和模锻。自由锻造一般是在锤锻或者水压机上，利用简单的工具将金属锭或者块料锤成所需要形状和尺寸的加工方法。自由锻造不需要专用模具，因而锻件的尺寸精度低、生产效率不高。模锻是在模锻锤或者热模锻压力机上利用模

6、具来成形的。金属的成形受到模具的控制，因而其锻件的外形和尺寸精度高，生产效率高，适用于大批量生产，模锻又可以分为开式模锻和闭式模锻。图45冲压冲压又可以分为拉深、弯曲、剪切等等。其示意图见图5。拉深等成形工序是在曲柄压力机上或者油压机上用凸模把板料拉进凹模中成形，用以生产各种薄壁空心零件。弯曲是坯料在弯矩的作用下成形，如板料在模具中的弯曲成形、板带材的折弯成形、钢材的矫直等等。剪切是指坯料在剪切力作用下进行剪切变形，如板料在模具中的冲孔、落料、切边、板材和钢材的剪切等等。图5在轧制、拉拔和挤压的成形过程中，由于其变形区保持不变，所以它们属于稳定的塑性流动过程，适用于连续的大量生产，起着提供型材

7、、板材、管材和线材等金属原材料的作用。，它们属于冶金工业领域；而锻造和冲压成形的变形区是随着变形过程而变化的，属于非稳定的塑性流动过程，适用于间歇生产，主要用于提供机器零件或者坯料，属于机械制造工业领域。锻造属于体积成形，而冲压属于板料成形，故也称为板料冲压。按照塑性成形时的工件温度，金属塑性成形还可以分为热成形、冷成形和温成形。热成形是在金属再结晶温度以上所完成的加工，如热轧、热锻、热挤压等等；冷成形是在不产生回复和再结晶的温度以下所进行的加工，如冷轧、冷冲压、冷挤压、冷锻等等；而温成形则是介于热成形和冷成形之间的温度下进行的加工，如温锻、温挤压等等。四、金属塑性成形理论的发展金属塑性成形加

8、工是具有悠久历史的加工方法，早在两千多年以前的青铜器时代，我国劳动人民就已经发现铜具有塑性变形的能力,并且掌握了锤击金属用以制造兵器和工具的技术。随着近代科学技术的发展，塑性加工技术已经具有了崭新的内容和涵义。作为这门技术的理论基础金属塑性成形原理发展得比较晚，在本世纪40年代才逐步形成独立的学科。金属塑性成形理论是在塑性成形的物理、物理化学和塑性力学的基础上发展起来的一门工艺理论。金属塑性变形的物理和物理化学基础属于金属学范畴。本世纪30年代提出的位错理论从微观上对塑性变形的机理做出了科学的解释。对于金属产生永久变形而不破坏其完整性的能力塑性，人们也有了更深刻的认识。塑性，作为金属的状态属性

9、，不仅取决于金属材料本身（如晶格类型、化学成分和组织结构等），还取决于变形的外部条件，如合适的温度、速度条件和力学状态等等。金属塑性成形原理的另一重要方面是塑性成形力学，它是在塑性理论（或者称塑性力学）的发展和应用中逐渐形成的。1864年，法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）首次提出最大切应力屈服准则；1913年，密席斯从纯数学的角度出发，提出了另一新的屈服准则密席斯准则；1925年，德国学者卡尔曼（Von Karman）用初等方法建立了轧制时的应力分布规律，最早将塑性理论用于金属塑性加工技术。继卡尔曼不久，萨克斯（G.Sachs）和奇别尔（E.Siebel）在研究拉丝过程中提出了相似的求解

10、方法切块法，即后来所称的主应力法。此后，人们对塑性成形过程的应力、应变和变形力的求解逐步建立了许多理论求解方法：如滑移线法、工程计算法、变分法和变形功法、上限法、有限元法等等。塑性成形中求解应力、应变等是一项繁重的计算工作，近年来由于计算机技术的飞速发展以及在生产中的普遍应用，对塑性成形问题的求解起了很大的促进作用。如已经出现的用于金属塑性成形的有限元分析软件，Ansys，Dynaform，Deform等等，为塑性成形的研究提供了极大的方便。金属塑性成形理论是一门年轻的学科，其中还有大量的问题有待进一步研究和解决。五、课程内容金属塑性成形原理这一部分课程将主要介绍金属的塑性和金属变形的原理、塑

11、性变形的力学基础，对金属塑性变形时的应力状态、应变状态、屈服准则、应力应变关系及应力应变曲线做了深入、系统的介绍，另外还将介绍金属塑性变形和流动规律（包括最小阻力定律、变形不均匀性和影响因素、附加应力、残余应力、金属断裂及塑性成形中的摩擦和润滑等），金属塑性成形基本工序的力学分析及主应力法等。具体的内容如下；（1）金属的结构和塑性变形：单晶体的塑性变形、位错理论的基本概念、多晶体的塑性变形、加工硬化；（2）金属的塑性：塑性和塑性指标、金属的化学成分和对塑性的影响、变形温度、变形速度对塑性的影响、提高金属塑性的主要途径、金属超塑性；（3）应力分析：外力和应力、直角坐标系统中的一点的应力状态、应力

12、平衡微分方程、平面应力状态和轴对程应力状态；（4）应变分析：有关变形的基本概念、小变形分析、应变增量和应变速率张量、平面变形问题和轴对程问题；（5）屈服准则：屈雷斯加屈服准则、密席斯屈服准则、屈服准则的几何表达、平面问题和轴对程问题中屈服准则的简化；（6）本构方程：弹性应力应变关系、塑性变形时应力应变关系的特点、塑性变形的增量理论、塑性变形的全量理论；六、课程要求金属塑性加工原理的任务是研究塑性成形中共同的规律性问题，就是在阐述应力、应变理论以及屈服准则等塑性理论的基础上，研究塑性加工中有关力学问题的各种解法，分析变形体内的应力和应变分布，确定变形力和变形功，为选择设备和模具设计提供依据。所以

13、，要求大家：（1）掌握金属塑性变形的金属学基础，具体的说就是金属的结构和金属塑性变形机理。（2）了解影响金属塑性和塑性成形的主要因素。（3）掌握塑性变形的力学基础：包括应力分析、应变分析、屈服准则和应力应变关系。（4）掌握塑性成形力学问题的各种解法以及其在具体工艺中的应用。第二章 金属的结构及塑性变形一、金属的晶体结构1晶格和晶胞固体物质中的原子排列有两种情况，一种是原子呈周期性有规则的排列，这种物质被称为晶体，另一种是原子呈不规则排列，被称为非晶体。金属一般是晶体。在晶体中，原子排列的规律不同，其性能也不同。所以研究金属的晶体结构，首先必须从金属原子的实际排列情况着手。实际中，晶体的原子堆积

14、在一起，肉眼难以分辨其规律性。为了清楚的表明原子在空间的排列规律性，人们对晶体结构进行了抽象简化。即将构成晶体的实际质点（包括原子、离子或者分子）忽略，将他们抽象为纯粹的几何点，称之为阵点或结点。这些阵点可以是原子（或者分子）的中心，也可以是原子群（或者分子群）的中心点。用许多平行的直线将这些阵点连接起来，就构成了一个三维的空间格架，这种用以描述晶体中原子（离子或者分子）排列规律的空间格架称为空间点阵，简称为点阵或晶格。从晶格中取出一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元，来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的单元称为晶胞。晶胞的棱边长度一般称为晶格常数或者点阵常数。晶胞是晶体的最小几何单元，

15、晶胞的结构即反映了晶体的结构。2三种典型的晶胞结构最长见的金属晶胞结构类型有三种：面心立方晶胞、体心立方晶胞和密排六方晶胞。（1）面心立方晶胞在晶胞的每个角上都有一个原子，每个面的中心也有一个原子，晶胞中的原子数为4，这种晶胞结构称为面心立方晶胞，如图22所示。具有面心立方结构的金属有Ag、Au、Al、Ni、Cu、Pb、-Fe等。图22（2）体心立方晶胞在晶胞的每个角上各有一个原子，在晶胞的中心还有一个原子，晶胞中的原子数为2，这种晶胞结构称为体心立方晶胞，如图23所示。具有体心立方结构的金属有：Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Fe、-Ti等（3）密排六方晶胞密排六方晶胞象是一个六棱柱体，晶胞

16、中上、下面的六个角点和中心各有一个原子，上、下面的间隙处还有三个原子，晶胞中的原子数为6，如图24所示。具有密排六方结构的金属有：Zn、Mg、Cd、-Be、-Ti、-Co等等。3晶体的缺陷晶胞的重复堆砌构成了晶体，同一种位向的晶胞堆积在一起，就构成了金属单晶体。单晶体由于原子在各个方向上的排列密集程度有差别，因此，在各个方向上的性能不同，称为各向异性。实际使用的金属是多晶体，由许多晶粒组成，每一个晶粒都是有一定位向的单晶体，由于晶粒间位向不一致，晶粒间的方向性互相抵消，因而在一般情况下，实际金属不显示方向性。在实际金属中，由于晶体的形成条件、加工过程、原子的热运动以及其他因素（如辐射、氧化等）

17、的影响，原子的排列不可能象理想晶体那样规则和完整，而是或多或少地偏离理想结构地区域，出现了不完整性，通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷。晶体地缺陷通常分为三大类：（1）点缺陷晶体中的点缺陷主要包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子，以及由它们组合而成的复杂缺陷。在晶体中，处于平衡位置的原子不是固定不动的，而是以各自的平衡位置为中心不停的作热振动。随着温度的升高，热振动的振幅和频率都会增加。由于晶体内原子的相互作用，他们将彼此相互影响、相互制约，从而使热振动能量产生起伏。当某些原子振动的能量高到足以克服周围原子的束缚时，它们便有可能挣脱原来的平衡位置，迁移到一个新的位置，形成一个离位原子，同时在

18、原来的平衡位置上留下点阵空位缺陷。离位原子的迁移位置一般有三种：1） 离位原子迁移到晶体表面或者晶界上的正常阵点位置，使晶体内部留下空位2） 离位原子挤入点阵的间隙位置，在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子；3） 离位原子迁移到其他空位中，使空位移动，这种情况下，空位的数目不会增加。空位和间隙原子的形成与温度有很大的关系，随着温度的升高，空位和间隙原子的数目增加，因此，点缺陷又称为热缺陷。空位和间隙原子的迁移运动，构成金属晶体中原子的扩散，这直接影响到金属的性能和在金属中发生的某些物理化学过程。例如金属的热处理、化学处理、蠕变和高温变形都和原子的扩散有关。（2）线缺陷晶体中的线缺陷主要是指

19、位错。位错主要包括了刃型位错和螺型位错。在后面的小节中我们还会详细讲解位错。（3）面缺陷晶体中的面缺陷主要包括堆垛层错、晶界、亚晶粒及亚晶界。1）堆垛层错堆垛层错是指原子面的堆垛顺序出现了差错。它又可分为抽出型层错和插入型层错。2）晶界晶界是多晶体的重要面缺陷，对晶体性能有重要影响。晶界能的高低表明晶界有自发地向低能状态转变地趋势。晶粒的长大和晶界的平直化都能减小晶界的总面积。晶界处的原子排列的不规则性，对金属材料的塑性变形起了阻碍作用，在宏观上表现为晶界处较晶粒内部具有更高的强度和硬度。晶粒越细小，晶界面积越大，金属材料的强度、硬度也越高。晶界处的原子偏离其平衡位置，具有较高的动能，并存在大

20、量的空位、位错等缺陷，所以原子的扩散速度比晶粒内部的原子扩散速度要快得多。晶界处富集杂质原子，所以晶界处的熔点较低。由于晶界的能量较高，原子处于不稳定状态，当晶体在腐蚀性介质中时，晶界处的腐蚀速度一般比晶界内部快。3）亚晶粒及亚晶界多晶体内的每个晶粒并不都是理想的单晶体，除了含有空位、位错之外，每个晶粒又可分为若干个位向差更小的晶块，称为亚晶粒，亚晶粒比较接近理想的单晶体，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。二、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形主要有滑移和孪生两种方式。1滑移滑移是金属塑性变形的最常见的方式，即晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑移。这种晶面称为滑移面，晶体在滑移面上的

21、滑动方向称为滑移方向。晶体的滑移有两个重要特征：一是晶体滑移的距离是滑移方向原子间距的整数倍；二是滑移后并不破坏晶体排列的完整性。（1）滑移面和滑移方向一个滑移面以及其面上的一个滑移方向构成了一个滑移系，每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采取的空间位向。当其他条件一定时，金属晶体的滑移系越多，则滑移时可能出现的滑移位向愈多，金属的塑性就愈好。一般来说，滑移面总是原子排列最密的面，滑移方向总是原子排列最密的方向。这是因为原子排列最密的面上原子的结合力最强，而这样的面之间的结合力则弱，因此这样的面容易产生滑移。同理，沿原子排列最密的方向，滑移阻力最小，最容易产生滑移。面心立方金属总共有12个滑移

22、系，体心立方金属总共有48个滑移系，密排六方金属有3个滑移系。一般来说，面心立方和体心立方的滑移系比较多，因此比密排六方金属的塑性好。但是金属塑性的好坏，不仅取决于滑移系的多少，还与滑移面上原子密排程度和滑移方向的数目等有关。比如：Fe属于体心立方结构，具有48个滑移系，其塑性比具有12个滑移系的面心立方金属（Cu、Al、Ag等）低，但是它的滑移方向没有面心立方晶体多，原子排列程度比面心立方晶体低。（2）滑移时的临界剪切应力滑移是在切应力作用下进行的。当滑移面上的剪切应力达到某一个值临界剪切应力时，晶体产生滑移。许多试验证明，对于不同取向的金属单晶体，当它们产生滑移时，其受到的拉伸应力并不相同

23、，但是出现在它们的滑移面和滑移方向上的临界剪切应力则完全相同，这一规律被称为临界剪切力定律。2孪生孪生是单晶体塑性变形的另一种方式。孪生是以晶体中的一定的晶面（称为孪晶面）沿着一定的晶向（孪生方向）移动而发生的。与滑移相比，孪生的特点体现在：孪生是一个突变过程，晶体的移动量不一定是原子间距的整数倍，比滑移的移动量要小；它使一部分晶体发生了均匀的切变，而不象滑移那样集中在一些滑移面上进行；孪生变形后，晶体的变形部分与未发生变形部分构成了镜面对称的位向关系，而滑移变形后晶体各部分的相对位向不发生改变。一些密排六方结构的金属的塑性变形常常以孪生的方式进行。对于具有体心立方及面心立方结构的金属，在冲击

24、载荷或者低温时，容易产生孪生变形大量研究表明，孪生产生于局部应力高度集中的地方（在多晶体中则通常为晶界），当外力在孪晶面和孪生方向所引起的剪应力达到某一临界值时就会产生孪生变形。产生孪生变形的临界切应力远远高于产生滑移变形时的切应力。因此，只有当滑移过程极其困难时，才出现孪生。孪生产生后，由于变形部分位向改变，可能变得有利于滑移，晶体又开始滑移，二者交替进行。孪生也会引起晶体硬化。三、位错理论1位错概念的提出早在20年代，人们就已经开始对金属单晶体的塑性变形进行了系统的研究。通过计算晶体的临界剪切应力，并与实际的临界剪切应力进行比较，人们发现，理论计算的剪切强度比实验所得到的剪切强度要高一千倍

25、以上。为了解释这种理论值和实际值的差别，1934年泰勒（G.I.Taylor）、奥罗万（E.Orowan）、和波兰伊（M.Polanyi）几乎在同一时间内，分别提出了位错假设。他们认为在晶体内存在着一种线缺陷，它在剪切应力下更容易滑移，并引起塑性变形。随着实验手段的不断发展，越来越多的事实证明了位错的存在，形成了一种位错理论。在随后的几十年中，这种位错理论在金属塑性变形的微观研究上获得了很大发展。位错理论的发展也促进了晶界理论、晶体缺陷等理论的发展。2位错类型有两种类型的位错：1） 刃型位错2） 螺型位错3柏氏矢量柏氏矢量是为了描述晶体中位错线附近原子错排情况或者晶格畸变情况而提出的。它是一个

26、反映由位错引起的点阵畸变大小的物理量。柏氏矢量越大，位错周围的点阵畸变越严重，柏氏矢量用b表示，称为位错的强度。刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，这是刃型位错的一个重要特征。螺型位错的柏氏矢量与位错线平行，这是螺型位错的一个重要特征。4位错运动单晶体的塑性变形是通过滑移来实现的。而晶体的滑移主要是通过位错的运动实现的。（1）位错的滑移当位错线沿着滑移面移动时，被称为位错的滑移。（2）位错的攀移当位错线垂直于滑移面移动时，被称为位错的攀移。（3）交滑移对于螺型位错，所有包含位错线的晶面都可能成为滑移面。因此，当螺型位错在某一滑移面上的滑移运动受到阻碍时，有可能从原滑移面移到与之相交的另一滑移面上去

27、继续滑移，这一过程称为交滑移。（4）位错交割晶体内的滑移会在各个滑移平面内同时进行，位错线在运动过程中会与其它位错线相遇，就产生了位错交割。当刃型位错和螺型位错交割时，在各自的位错线上形成刃型割阶，位错线还能继续滑移；当螺型位错和螺型位错相交割时，相交后形成了两个割阶，位错线不能继续滑移，只能通过攀移运动移动。位错交割后，不管是形成能动的交割，还是形成不能动的割阶，都会给位错运动造成不同的阻力。（5）位错增值晶体在外力的作用下，其内部的位错逐步移至晶体表面而产生宏观的塑性变形。变形后，晶体中的位错数目不是越来越少，而是大量增加了，这就是位错的增值。在位错增值的机制中，最重要的是弗兰克瑞德（Fr

28、ank-Rend）源。（6）位错塞积在金属晶体的变形过程中，移动着的位错经常会受到晶界、亚晶界、第二相或者固定位错的阻碍而停留在晶体内部。由于同号位错之间存在着斥力，跟随这个被阻碍位错后面的一系列同号位错，因受到斥力不能移动而堆积起来。堆积起来的位错越来越多，斥力也越来越大，这种现象被称为位错塞积。四、多晶体塑性变形1多晶体冷塑性变形机制多晶体冷塑性变形包括了晶内变形和晶间变形两种。晶内变形的主要方式是滑移和孪生。晶间变形则主要表现为晶粒间的相对移动和转动。多晶体冷塑性变形以晶内变形为主。晶间变形对晶内变形起着协调作用。在多晶体的冷塑性变形过程中，滑移并不是在所有晶粒中同时进行的。滑移首先发生

29、在那些处于最有利的位向的晶粒中。在这些晶粒中，位错将沿着最有利的滑移面运动，移到晶界处便会停止，一般不能穿过晶界。位错能否穿过晶界，主要取决于晶界层的性质和邻近晶粒的位向。2多晶体塑性变形的特点多晶体冷塑性变形的特点主要体现在三个方面：（1）多晶体冷塑性变形过程中，不同位向晶粒的运动具有相互协调性。在多晶体中，由于各个晶粒的取向不相同，在一定外力作用下各个晶粒的受力情况不相同。这时，处于有利位向的晶粒首先开始滑移，处于不利位向的晶粒则较晚才开始滑移。先滑移的晶粒必然会受到周围的晶粒的约束和限制，因而一方面使得处于有利取向晶粒的变形阻力增大，另一方面要求每个晶粒的变形必须与周围的晶粒相互协调和配

30、合。（2）晶界对多晶体冷塑性变形过程起了阻碍作用。在多晶体中，滑移线和孪生带大多终止于晶界处，这表明晶界对变形过程起着明显的阻碍作用。（3）多晶体冷塑性变形具有不均匀性。由于多晶体中各个晶粒的空间位向不同，同一晶粒各个部分所受外界环境的制约也不同，这使得各个晶粒和晶粒各部分的变形量和发展方向不同，因此多晶体的变形是不均匀的。3多晶体塑性变形后的组织和性能改变多晶体发生冷塑性变形后，其组织和性能都会发生明显变化，主要体现在以下几个方面：（1）产生了显微组织的变化，具体的说就是产生了纤维组织。多晶体经变形后，各晶粒沿变形方向伸长，当变形程度很大时，多晶体晶粒显著地沿着同一个方向拉长呈纤维状，这种晶

31、粒组织被称为纤维组织。（2）产生了变形织构多晶体与单晶体一样，拉伸时各晶粒地滑移也有向外力方向转动地趋势。这样，在变形程度很大时，各个晶粒的位向逐渐趋于一致，这种组织结构被称为变形织构。具有织构的多晶体金属，其力学性能、物理性能等明显地出现异向性，对材料的工艺性和使用性能都有一定地影响。（3）多晶体的冷塑性变形对金属的力学性能产生影响，具体地说就是会产生加工硬化。在冷塑性变形过程中，随着金属内部的组织的变化，金属的力学性能会产生明显的变化。总的规律是：随着变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，即产生了加工硬化。五、加工硬化1加工硬化的现象和机理加工硬化主要是指金属塑性变形后力学

32、性能的变化。具体体现在：随着塑性变形程度的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。金属的加工硬化特征可以从应力应变曲线反映出来，如图25所示的面心立方结构单晶体的切应力应变曲线，加工硬化系数r = d/d,所以该曲线也称加工硬化曲线。从曲线上可以看出，加工硬化过程经历了三个阶段：（1） 第阶段：位错运动遇到阻力较小，加工硬化系数较小；（2） 第阶段：位错线在相交的滑移面上形成位错林，使位错运动的阻力增大；（3） 第阶段：由于位错的交滑移使得位错能够绕过阻碍，从而使加工硬化系数相对下降。上述的三个阶段的加工硬化曲线是一种典型的情况，实际中单晶体的加工硬化曲线受到晶体结构类型、晶体位向、杂质含

33、量以及实验温度等因素的影响。如图26所示的是三种常见单晶体的加工硬化曲线。其中：密排六方金属只能沿着一组滑移面滑移，曲线平稳，加工硬化效果不明显；体心立方和面心立方由于可以同时启动多个滑移系，所以加工硬化曲线较陡，加工硬化效果明显。图25 典型的加工硬化曲线 图26 三种常见的单晶体的加工硬化曲线2加工硬化的后果及应用加工硬化使得金属的强度提高、塑性下降，这对金属的冷变形工艺产生了极大的影响。它的后果主要体现在三个方面。（1） 有利的一面，加工硬化可以作为强化金属的手段。对于一些不能用热处理方法强化的金属材料，加工硬化就成为材料强化的手段。例如，发电机的护环零件，其材料是不能用热处理强化的无磁

34、钢，必须利用加工硬化来提高其强度；又如发动机上的青铜轴瓦，也是采用加工硬化提高其强度，同时提高轴瓦的承载能力和耐磨性。（2）有利的另一面，加工硬化可以改善一些冷加工工艺的工艺性。例如，板料拉深过程中，板料加工硬化使得塑性变形能够均匀的分布于整个工件，而不致于使应变集中在某些局部区域而导致工件很快破裂；又如如果没有加工硬化，拉拔就不能实现。（3）不利的一面：由于加工硬化导致金属屈服强度提高，所以必须相应提高塑性加工的设备能力。（4）不利的另一面：由于加工硬化后金属的塑性较低，继续塑性变形困难，需要增加中间退火工艺消除加工硬化，从而使得生产成本增加、生产率下降。六、回复和再结晶金属经过冷塑性变形后

35、产生了加工硬化，如果将它再加热，则会发生相应的变化，也就是产生了软化，即发生了回复和再结晶。1回复（1）回复的概念经冷塑性变形后的金属，当加热到（0.10.3）Tm（Tm为金属熔化温度）温度范围内时，金属原子的激活能升高，晶体缺陷减少，从而导致其物理性能逐渐恢复，部分内应力消除，力学性能也有所恢复，这一过程称为回复。（2）回复的机制回复的机制随着温度的不同而有所差异。较低温度时的回复，主要是点缺陷的运动和点缺陷的相互结合；加热温度较高时，回复的主要机制是位错运动导致位错重新组合和异号位错互相抵消；当加热温度较高时，不在同一滑移面的异号位错通过攀移或者交滑移等得以抵消，并同时出现亚晶粒长大和合并

36、，位错密度较低。消除应力退回是回复在工业生产中的主要应用之一。2再结晶（1）再结晶的概念再结晶是指经冷塑性变形的金属在加热时，通过再结晶核心的形成以及晶核的长大，最终形成无畸变的新晶粒的过程。再结晶完全消除了加工硬化所引起的一切后果。（2）再结晶的机制再结晶的关键在于形成晶核，晶核的形成机制通常又有三种，这里不加详述，请参阅金属学方面的书。（3）影响再结晶的因素1） 温度一般情况下，提高温度可以缩短再结晶的时间，加快再结晶速度；2） 变形程度金属的冷变形程度越大，其储存的能量越高，再结晶的驱动力也越大，再结晶速度越快。3） 原始晶粒大小金属的晶粒越小，变形抗力越大，再结晶的形核率越高，再结晶速

37、度越块，形成的新晶粒越细小。4）保温时间保温时间越长，原子的扩散越充分，因此，再结晶温度越低，再结晶速度越快。5）金属的化学成分一般来说，金属的化学成分越复杂，再结晶的温度越高，再结晶速率越低。第三章 金属的塑性性能一、金属的塑性金属的塑性是指固体金属在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。因此，塑性反映了材料产生塑性变形的能力。二、塑性指标（31）（32）衡量金属塑性的高低的数量指标，被称为塑性指标。塑性指标通常用金属材料开始破坏时的塑性变形量来表示。常用的塑性指标是由拉伸试验测定的伸长率和断面收缩率表示，其公式分别为：三、金属塑性的影响因素1化学成分对塑性的影响金属的塑性随其纯度的

38、提高而增加。如纯度为99.96的铝，伸长率为45，而纯度为98的铝，其伸长率只有30左右。金属中的杂质元素对金属的塑性有很大影响。如碳钢中的杂质元素如硫、磷、氮氢等产生热脆、冷脆、时效脆性及氢脆等，从而使碳钢的塑性降低。2组织结构对塑性的影响多数单晶体在室温下具有较高的塑性，但是同样条件下多晶体的塑性较低。这是因为一般情况下，多晶体的晶粒大小不均匀、晶粒方位不同，晶界强度不足等原因造成的。晶粒细小，则标志着晶界面积大，晶界强度高，变形多集中在晶内，故有较高的塑性。而粗大的晶粒，由于其大小不容易均匀，晶界强度低，容易在晶界处造成应力集中，出现裂纹，所以塑性较低。3变形温度对塑性的影响变形温度对塑

39、性的影响，总的趋势是：随着变形温度的升高，塑性增加。这是因为：（1）随着温度的升高，发生了回复和再结晶。（2）当温度升高时，临界剪切应力降低，滑移系增加了。（3）当温度升高时，金属的组织结构发生变化。（4）当温度升高时，会产生新的塑性变形方式热塑性。（5）随着温度的升高，晶界的切变抗力显著降低，使得晶界滑动易于进行；同时由于扩散作用的加强，及时消除了晶界滑动所引起的微裂纹，因此晶界滑动量很大，有利于塑性的提高。4变形速度对塑性的影响变形速度对塑性的影响有两个方面：(1)一方面，随着变形速度增加，金属过早地达到断裂阶段，使得金属的塑性降低；(2)另一方面，随着变形速度的增加，温度效应显著，也使得

40、金属的塑性提高。5应力状态对塑性的影响应力状态不同，对塑性的影响也不同。一般情况下，主应力图中的压应力个数越多，数值越大，即静水压力越大，则金属的塑性越高；反之，拉应力个数越多，数值越大，即静水压力越小，则金属的塑性越低。压应力数目越多，即静水应力大，金属的塑性高的原因：（1）拉应力促进晶间变形，加速晶界破坏；而压应力能阻止或者减小晶间变形；随着三向压缩作用的增强，晶间变形更加困难，因此提高了金属的塑性。（2）压应力有利于抑制或者消除晶体中由于塑性变形引起的各种微观破坏，而拉应力则相反，它促使各种破坏发展、扩大。（3）三向压应力能抵消由于变形不均匀所引起的附加拉应力。四、提高金属塑性的途径（1

41、）合理选择变形温度和变形速度（2）合理选择变形方式（3）提高材料成分与组织的均匀性（4）减小不均匀变形五、变形抗力1变形抗力的概念塑性加工时，使金属产生塑性变形的外力统称为变形力，金属抵抗变形的力称为变形抗力，变形力和变形抗力的数值相等，方向相反。变形抗力反映了使材料产生塑性变形的难易程度。2变形抗力的指标通常用真实应力作为变形抗力大小的指标。但是由于真实应力是通过单向拉伸试验取得的，所以，实际上真实应力不能完全反映变形抗力的大小，实际的变形抗力比真实应力大得多。变形抗力的大小除了取决于材料在一定变形温度、变形速度和变形程度下的真实应力外，还取决于塑性加工时的应力状态、接触摩擦及相对尺寸因素等

42、。3影响变形抗力的因素（1）化学成分的影响一般来说，同一种金属，纯度越高，变形抗力越小。当金属中的杂质的含量增加时，变形抗力显著增加。（2）组织结构的影响影响变形抗力的组织结构包括三个方面：1） 原子间的结合方式和原子在空间的排布情况；2） 单相固溶体中合金元素的含量；当合金为单相组织时，单相固溶体中合金元素的含量越高，变形抗力越大；3） 晶粒大小金属和合金的晶粒越细小，同一体积内的晶界越多，在室温下由于晶界强度高于晶内，所以金属和合金的变形抗力高。（3）变形温度的影响由于温度的升高，降低了金属原子间的结合力，金属滑移的临界剪切应力降低，几乎所有金属与合金的变形抗力都随着温度的升高而降低。（4

43、）变形速度的影响变形速度提高，单位时间内的发热率增加，有利于软化的产生，使变形抗力降低；但另一方面，提高变形速度缩短了变形时间，塑性变形时位错运动的发生和发展时间不足，也会使变形抗力增加。（5）变形程度的影响随着变形程度的增加必然会产生加工硬化，因而也会提高金属的变形抗力。（6）应力状态的影响应力状态对变形抗力有显著影响。例如，挤压时的变形抗力远远大于拉拔时的变形抗力，这是因为，挤压是三向压应力状态，拉拔是两向受压一向受拉的应力状态。第四章 金属塑性变形的应力分析一、金属塑性成形过程的受力分析塑性成形是利用金属的塑性，在外力作用下使金属成形的一种加工方法。作用于金属的外力可以分为两类：第一类是

44、作用于金属表面上的力，称为面力或者接触力；第二类是作用在金属的每一个质点上的力，叫做体积力。1面力作用在物体表面的力叫做表面力，也称面力，面力一般是一种分布力。当面力的作面积与物体本身尺寸相比很小时，可以看作是一个集中力。它可以分为：作用力、反作用力和摩擦力。2体积力体积力是与变形体内各个质点的质量成正比的力，如重力、磁力和惯性力等。在塑性加工中，体积力与面力相比占次要地位，所以通常可以忽略不计。3静力学平衡条件对于一般的塑性成形过程，由于体积力和表面力相比要小得多，所以常常忽略不计。因此，一般假设物体塑性变形时是处于表面作用力下的静力平衡系统。塑性过程的应力分析就是从变形体中质点的应力分析出

45、发，根据静力学平衡条件导出该点附近各应力分量之间的关系，即平衡微分方程。二、应力概念物体变形时的应力状态是表示物体内所承受应力的情况。点的应力状态是指物体内一点任意方位微小面积上所承受的应力情况，即应力的方向、大小和个数。只有了解了变形物体内任意一点的应力状态，才可能推断出整个变形物体的应力状态，所以，我们下面的应力分析将主要分析点的应力状态。三、应力分析的截面法1.应力在外力作用下，变形物体内部各点之间会产生相互作用的内力，单位面积上的内力被称为应力。2用截面法分析任意形状物体的应力（1）已知条件假设有一个任意形状的物体，如图41所示，它受到n个力（F1、F2、F3、F4.Fn）的作用，并处

46、于平衡状态，要求计算物体内任意点Q的应力。图4-1 图42（2）求解首先过Q点作一个法线为N的平面B，用此平面将物体切成两部分，并且移除上半部分。这时，平面B上的内力就变成了外力，并与作用在下半部分的外力相平衡。在B面上围绕Q点取一个无限小的面积A，设该面积上的合力为F，设S是B面上Q点的全应力，则全应力S为B面上合力方向上的应力。它可以分解为两个分量，一个是垂直于B面的分量，叫做正应力或者法向应力，一般用表示；另一是平行于B面的分量，叫做切应力，一般用表示。在这里，我们所取的法向N是任意的，也就是说过Q点可以取任意多个法向，从而作出任意多个切面，在不同方位的切面上，外力合力不同，截面积也不相

47、同，所以得到的Q点的应力也不相同。3用截面法分析均匀单向拉伸物体的应力如图42所示的圆柱形试棒，受到单向拉伸力F的作用，试棒的横截面积为A0，根据上面任意形状物体的应力的分析法；（1）首先可以得到垂直于拉伸轴线的横截面上的应力为（图42中的a所示）：（41）式中： F轴向拉力； A0试棒的横截面积。（2）任意斜面的应力如果过Q点作一个切面B，其法线N与拉伸轴成角，则可以得到Q点的全应力、正应力和切应力公式分别为：（42）4结论从式（22）可以看出，Q点任意截面上的应力随着法线的方向角的变化而变化。对于简单拉伸，只要确定出0，则Q点任意切面上的应力也就可以确定了。因此，只用一个应力0就可以表示出

48、单向拉伸时的应力状态。四、应力分量和应力张量为了全面的反映物体内点的应力状态，人们使用了应力分量和应力张量来表示点的应力状态。1应力分量（1）应力分量的提出设在直角坐标系中有一个承受外力的物体，物体内有一个质点Q，如图4-3所示。图43现在围绕Q点切取一个矩形六面体作为单元体，六面体的棱边分别平行于坐标系的三根坐标轴。取六面体中三个互相垂直的表面作为微分面，从上面的内容可以知道，各个微分面上的全应力都可以按坐标轴方向分解为一个正应力和两个切应力，三个微分面共有九个应力分量，其中三个正应力分量，六个切应力分量。可以用这九个应力分量来表示物体内点的应力状态。（2）应力分量的表示为了清楚的表示各个微

49、分面上的应力分量，我们给三个微分面命名为：X面、Y面、Z、面；让每一个应力分量都带上两个下标，第一个下标表示应力分量的作用面，第二个下标表示应力分量的作用方向。所以，九个应力分量可以表示为：可以看出，两个下标相同的应力是正应力，如xx，一般写成x的形式；两个下标不相同的是剪切应力，如xy。（3）应力分量的正、负方向规定应力分量的正、负按以下方法确定：在单元体上，外法线指向坐标轴正向的微分面叫做正面，在正面上，指向坐标轴正向的应力分量取正号，指向负向的取负号；相反的，外法线指向坐标轴负向的微分面叫做负面，在负面上，正向坐标轴正向的应力分量取负号，指向负向的取正号。按照这个规定，正应力分量以拉为正

50、，压为负。（4）剪应力互等定律(4-3)由于单元体是处于静力平衡状态，所以绕单元体各轴的合力矩必须等于零，由此可以得到如下的关系式：这个式子叫做剪应力互等定律。它表明了：为了保持单元体的平衡，剪应力总是成对出现。因此，实际上只需六个应力分量就可以表示点的应力状态。2应力张量我们上面的应力分量是在任意坐标系下取得的。如果取不同的坐标系，则用来表示点的应力状态的九个应力分量会不同，这是否表示点的应力状态会因坐标系而不同呢？答案是否定的。由于物体所受的外力条件一定，所以，实际上物体内任意点的应力状态也是确定的，它不可能因为所选坐标系不同而不同。问题在哪里呢？人们通过公式推导发现，在不同坐标系中的九个

51、应力分量可以用一个线性关系来互相变换，也就是说，九个应力分量符合二阶张量（简称张量）的性质。因此，点的应力状态是张量，叫做应力张量。点的九个应力分量可以用一个统一的符号表示：ij，其中i,j=x,y,z将表示点的应力状态的九个应力分量写成矩阵形式，就得到了表示点的应力状态的张量矩阵。该应力张量的形式为：（44）由剪应力互等定律，该矩阵形式也可以表示成：（44a）张量具有很多特性，如可以合并，可以分解，存在主方向、主值和不变量等等，这些特性对于进一步分析应力状态非常有用。五、任意斜面上点的应力如果变形体中的一点的九个应力分量为已知，那么就可以通过九个应力分量求得过该点的任意斜面上的应力。图44如

52、图4-4所示，已知某个坐标系中Q点的三个互相垂直的坐标面上的应力分量为ij，现过Q点作一个任意斜面ABC,假设这个斜面与三个坐标轴x、y、z的方向余弦分别为：l = cos（ N，x）；m = cos（ N，y ）；n = cos（N，z）假设斜面面积为dA，则dA在三个坐标面上的投影面积分别为：dAx = ldA；dAy = mdA；dAz = ndA现设斜面上的全应力为S，它在三个坐标轴方向的分量分别为Sx，Sy，Sz，由于四面体QABC处于平衡状态，由静力平衡条件由Fx = 0，Fy= 0，Fz = 0即有：SxdA xdAx yxdAy zxdAz = 0SydA ydAy xydAy

53、 zydAz = 0SzdA zdAz yzdAy xzdAz = 0整理得：(4-6)(4-5)而全应力公式为：(4-7)全应力S在法线N上的投影就是斜面上的正应力，它等于Sx，Sy，Sz在N上的投影之和，即：（4-8)斜面上的切应力为：六、主应力和应力不变量由上面的推导，可以知道，任意斜面上的正应力和切应力是随着该面法线N的方向余弦l、m、n的变化而变化的。人们发现，过这一点可以作无数个斜面，在这些斜面中，总能得到这样一组斜面，其上只有正应力而没有斜应力。1主平面切应力为零的平面称为主平面。2主应力主平面上的正应力称为主应力。3主方向主平面的法线方向，也就是主应力的方向，称为主方向，也称应

54、力主轴。4任意坐标系下主方向求解方程现在假设图44中的斜面ABC是一个主平面，面上的切应力0，所以ABC面上的正应力就是全应力，即=S。所以全应力S在三个坐标轴上的投影分别为：SxSllSySmmSzSnn（4-9）将Sx、Sy、Sz的值代入式46中，并作相应整理得：这个式子是以l、m、n为未知数的齐次线性方程，常数项为零，它的解就是应力主轴的方向。5应力状态特征方程由解析几何可知，方向余弦之间又存在如下的关系： l2 + m2 + n2 = 1 （4-10）从这个式子可知，l、m、n不能同时为零。根据线性方程理论，只有在方程组的系数组成的行列式等于零的条件下，该方程组才有非零解，所以有：展开这个行列式，并且整理得到：3（xyz）2xyyzzx（xy2yz2zx2）xyz2xyyzzx（xyz2yzx2zxy2）0（411）现假设：于是有： 3J1