选修塑性加工的基本原理

本章课程的任务塑性加工力学基础；塑性加工工艺基础——轧制、挤压、拉拔等塑性成形方法及相关内容。目的使学生掌握基本的塑性加工理论基础和三种加工手段的工艺概况。参考书：彭大署等主编，《金属塑性加工原理》，冶金工业出版社，2004；【英】G.W.罗，《工业金属塑性加工原理》，机械工业出版社，1984；0概述——关于塑性的概念塑性（或范性）——是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形而不被破坏的特性。大多数材料在其应力低于屈服点时，表现为弹性行为，也就是说，当移走载荷时，其应变也完全消失。塑性好坏可用延伸率δ和断面收缩率ψ表示。材料在外力作用下产生应力和应变（变形）。当应力未超过材料的弹性极限时，产生的变形在外力去除后全部回复，材料恢复原状，这种变形是可逆的弹性变形；当应力超过材料的弹性极限，则产生的变形在外力去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的形状，这种残留的变形是不可逆的塑性变形。碳钢标准试件豆腐、弹簧、橡皮筋、不锈钢——哪个塑性好？软≠塑性好弹性≠塑性硬、软与屈服强度（断裂强度）、变形抗力有关；变形量大小≠塑性变形抗力塑性加工时，使金属发生塑性变形的外力，称为变形力。金属抵抗变形之力，称为变形抗力。变形抗力和变形力数值相等，方向相反；一般用平均单位面积变形力表示其大小，与应力状态有关。屈服强度屈服强度又称为屈服极限，常用符号σs，是材料屈服的临界应力值。当材料中的应力超过屈服点时，塑性被激活（也就是说，有塑性应变发生）。（1）对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）；（2）对于屈服现象不明显的材料，与应力-应变的直线关系的极限偏差达到规定值（通常为0.2%的原始标距）时的应力。通常用作固体材料力学机械性质的评价指标，是材料的实际使用极限。当应力达到b点后，塑性应变急剧增加，应力应变出现微小波动，这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度。影响屈服强度（力学性能）的内在因素有：结合键、组织结构、原子本性。如将金属的屈服强度与陶瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的（金属键没有方向性）。从组织结构的影响来看，可以有四种强化机制影响金属材料的屈服强度，这就是：(1)固溶强化；(2)形变强化；(3)沉淀强化和弥散强化；(4)晶界和亚晶强化。影响屈服强度的外在因素有：温度、应变速率、应力状态。随着温度的降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化；应力状态不同，屈服强度值也不同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。

塑性图塑性图是指材料的塑性指标随温度变化的曲线，也与应力状态有关，在制定材料塑性加工工艺时具有参考价值。只要应力足够大是否就一定会发生塑性变形？σzσyσx发生塑性变形与应力状态有关塑性是有条件的压力柱塞试样试验腔室卡尔曼试验保解仪器的工作部分高压液体注入孔0123456789破坏破坏压缩程度（％）10002000300040005000破坏压缩程度（％）0123456710002000300040005000破坏卡尔曼试验应力状态变形速度大，由于没有足够的时间完成塑性变形，使金属的真实应力提高，塑性降低。弹性变形的扩展速度与音速相同（以钢为例，钢中音速约为5000米／秒)，这个速度远远大于变形时的加载速度，因此弹性变形总是来得及完成的；塑性变形的扩展速度要比弹性变形慢得多：晶体的位错运动，滑移系开动，滑移面的转动；变形速率变形速度大，则塑性变形来不及在整个体积内均匀地传播开，而更多地表现为弹性变形；根据虎克定律，弹性变形量越大，则应力越大，这样，就导致金属的真实应力增大。金属的断裂应力受变形速度影响小，但是真实应力随变形速度的增加而增加，那么金属就会较早地到达断裂阶段，即减小了金属断裂前的变形程度，也即使金属的塑性降低。当变形速度不大时（ab段），增加变形速度使塑性降低。这是由于变形速度增加引起的塑性降低，大于温度效应列起的塑性增加。当变形迹度较大时(bc段)，由于温度效应显著，使塑性不再随变形速度的增加而降低。当变形速度很大时(cd段)，则由于温度效应的显著作用，造成的塑性上升超过了变形硬化造成的塑性下降，使塑性回升。冷变形时，随着变形速度的增加，塑性略有下降，以后由于温度效应的作用加强，塑性可能会上升；热变形时，随着变形速度的增加，通常塑性有较显著的降低，以后由于温度效应用强而使塑性稍提高。给定化学成分的金属与合金，其塑性的好坏总是取决于以下三个主要因素：1)组织结构；2)变形的温度—速度条件；3)变形的应力状态。固态金属是由大量晶粒组成的多晶体，晶粒内的原子按照体心立方、面心立方或紧密六方等方式排列成有规则的空间结构。由于多种原因，晶粒内的原子结构会存在各种缺陷。原子排列的线性参差称为位错。由于位错的存在,晶体在受力后原子容易沿位错线运动,通过位错运动的传递降低晶体的变形抗力，原子的排列发生滑移和孪生。滑移是一部分晶粒沿原子排列最紧密的平面和方向滑动，很多原子平面的滑移形成滑移带，很多滑移带集合起来就成为可见的变形；孪生是晶粒一部分相对于一定的晶面沿一定方向发生切变，这个晶面称为孪晶面。原子移动的距离与原子距孪晶面的距离成正比。两个孪晶面之间的原子排列方向改变，形成孪晶带。滑移和孪晶是低温时晶粒内塑性变形的两种基本方式。多晶体的晶界是相邻晶粒原子结构的过渡区。晶粒越细，单位体积中的晶界面积越大，有利于晶间的移动和转动。金属塑性变形的机理（概述）在1930年代以前，材料塑性力学行为的微观机理一直是严重困扰材料科学家重大难题。1926年，苏联物理学家雅科夫·弗仑克尔（JacovFrenkel）从理想完整晶体模型出发，假定材料发生塑性切变时，微观上对应着切变面两侧的两个最密排晶面（即相邻间距最大的晶面）发生整体同步滑移。根据该模型计算出的理论临界分剪应力τm为:其中G为剪切模量。一般常用金属的G值约为10000MPa～100000MPa，由此算得的理论切变强度应为1000MPa～10000MPa。然而在塑性变形试验中，测得的这些金属的屈服强度仅为50～100MPa，比理论强度低了整整3个数量级。位错的滑移与晶体塑性1934年，埃贡·欧罗万（EgonOrowan），迈克尔·波拉尼（MichaelPolanyi）和G.I.泰勒（G.I.Taylor）三位科学家几乎同时提出了塑性变形的位错机制理论，解决了上述理论预测与实际测试结果相矛盾的问题。位错理论认为，之所以存在上述矛盾，是因为晶体的切变在微观上并非一侧相对于另一侧的整体刚性滑移，而是通过位错的运动来实现的；一个位错从材料内部运动到了材料表面，就相当于其位错线扫过的区域整体沿着该位错伯格斯矢量方向滑移了一个单位距离（相邻两晶面间的距离）；随着位错不断地从材料内部发生并运动到表面，就可以提供连续塑性形变所需的晶面间的键合相比，位错滑移仅需打断位错线附近少数原子的键合，因此所需的外加剪应力将大大降低。面心立方晶体孪生刃位错若一个晶面在晶体内部突然终止于某一条线处，则称这种不规则排列为一个刃位错。刃位错附近的原子面会发生朝位错线方向的扭曲。刃位错可由两个量唯一地确定：第一个是位错线，即多余半原子面终结的那一条直线；第二个是伯格斯矢量（Burgersvector，简称伯氏矢量或柏氏矢量），它描述了位错导致的原子面扭曲的大小和方向。对刃位错而言，其伯氏矢量方向垂直于位错线的方向。螺位错将规则排列的晶面想像成一叠间距固定的纸片，若将这叠纸片剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中一侧上移半层，另一侧下移半层，形成一个类似于楼梯拐角处的排列结构，则此时在“剪开线”终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则排列结构称为一个螺位错。位错源——位错出现在哪里？位错滑移为何能形成宏观变形？材料中的位错密度会随着塑性形变的进行而增加，其数量大致满足关系：其中τ为塑性流动应力，ρ为位错密度。由这一关系可以推测，材料内部必然存在着位错的起源与增殖的机制，这些机制在外加应力的作用下将被激活，以提供增加的位错数。人们已发现材料中存在以下三种位错的起源（成核）机制：均匀成核、晶界成核和界面成核，其中最后一种包括各种沉淀相、分散相或增强纤维等等。位错的增殖机制主要也有三种机制：弗兰克-里德位错源（Frank-Readsource）机制、双交滑移增殖机制，和攀移增殖机制。加工硬化在对材料进行“冷加工”（一般指在绝对温度低于0.4Tm下对材料进行的机械加工，Tm为材料熔点的绝对温度）时，其内部的位错密度会因为位错的萌生与增殖机制的激活而升高。随着不同滑移系位错的启动以及位错密度的增大，位错之间的相互缠结的情况亦将增加，这将显著提高滑移的阻力，在力学行为上表现为材料“越变形越硬”的现象，该现象称为加工硬化（workhardening）或应变硬化（strainhardening）。缠结的位错常能在塑性形变初始发生时的材料中找到，缠结区边界往往比较模糊；在发生动态回复（recovery）过程后，不同的位错缠结区将分别演化成一个个独立的胞状结构，相邻胞状结构间一般有小于15°的晶体学取向差（小角晶界）。由于位错的积累和相互阻挡所造成的应变硬化可以通过适当的热处理方法来消除，这种方法称为退火。退火过程中金属内部发生的回复或再结晶等过程可以消除材料的内应力，甚至完全恢复材料变形前的性能。

回复当加热温度较低时原子活动能力不高，只能进行短距离运动。首先发生空位运动。空位与其它晶体缺陷，降低了点缺陷所引起的晶格畸变。接着发生位错运动，使形晶粒中各种位错相互作用，这不仅可能降低位错密度而且使剩余的位错也会按一定的规律排列起来，使之处于一种低能量的状态。在回复阶段发生的微观变化，带来的宏观效果是变形残余应力大幅度下降，物理化学性能基本恢复。力学性能没有太大的变化，仍保留着加工硬化的效果。在工业生产中，使变形金属保持回复阶段，已多有应用。其方法是去应力退火。一.变形金属的结晶当变形金属被加工到一定程度，原子活动能力较强时，会在变形晶粒或晶粒内的亚晶界处以不同于一般结晶的特殊成核方式产生新晶核。随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进，使新晶核不断消耗原晶粒而长大。最终是一批新生的等轴晶粒取代了原来变形的晶粒，完成了一次新的结晶过程。这种变形金属的重新结晶称为再结晶。再结晶没发生晶格类型的变化（无相变），只是晶粒形态和大小的变化。也可以说只有显微组织变化而没有晶格结构变化，故称为再结晶，以有别于各种相变的结晶（重结晶）。变形金属再结晶后，显微组织由破碎拉长的晶粒变成新的细小等轴晶粒，残余内应力全部消除、加工硬化现象也全部消失。金属恢复到变形前的力学性能，物理化学等性能也恢复到变形前的水平。再结晶二.再结晶温度在金属学中通常把能够发生再结晶的最低温度称为金属的再结晶温度。但是，在工程上通常又在一小时之内能够完成再结晶过程的最低温度称为再结晶温度。发生并完成再结晶的驱动力是塑性变形给金属显微组织增加的内能。而这种驱动力发挥作用的热力学条件是变形金属内原子应具有的足够的迁移能力。迁移能力是靠足够的温度和时间来保证的。这个温度就是再结晶温度。它不象金属相变时那样有一个固定的温度或一个固定的温度区间。再结晶不仅随金属的化学成分而变，而且即使化学成分一定也随其他诸因素的变化而变化。其中：（1）变形量的影响（2）原始晶粒温度的影响（3）化学成分的影响（4）加热速度和保温时间的影响三.再结晶退火在对金属材料进行大变形量的塑性变形加工（拉深、冷拔等）时为了消除加工硬化需要进行再结晶退火。再结晶退火是指：把变形金属加热到再结晶温度以上的温度保温，使变形金属完成再结晶过程的热处理工艺。为了尽量缩短退火周期并且不使晶粒粗大，一般情况下把退火工艺温度取为最低再结晶温度以上100C～200C。四.晶粒长大当变形金属再结晶完成之后，若继续加热保温，则新生晶粒之间还会大晶粒吞并小晶粒，使晶粒长大。晶粒长大会减少晶体中晶界的总面积，降低界面能。因此，只要有足够原子扩散的温度和时间条件，晶粒长大是自发的、不可避免的。晶粒长大其实质是一种晶界的位移过程。在通常情况下，这种晶粒的长大是逐步的缓慢进行的，称为正常长大。但是，当某些因素（如：细小杂质粒子、变形织构等）阻碍晶粒正常长大，一旦这种阻碍失效常会出现晶粒突然长大，而且晶粒很大。对这种晶粒不均匀长大的现象称为二次结晶。对于机械工程结构材料是不希望出现二次结晶的。但是对硅钢片等电气材料常利用这个二次结晶得到粗晶来获得所需的物理性能。各向异性（变形织构和纤维组织）金属经冷态塑性变形后，晶粒内部出现滑移带或孪晶带，各晶粒还沿变形方向伸长和扭曲。当变形量很大(如70％或更大)而且是沿着一个方向时，晶粒内原子排列的位向趋向一致，同时金属内部存在的夹杂物也被沿变形方向拉长形成纤维组织，使金属产生各向异性。沿变形方向的强度、塑性和韧性都比横向的高。当金属在热态下变形，由于发生了再结晶，晶粒的取向会不同程度地偏离变形方向，但夹杂物拉长形成的纤维方向不变，金属仍有各向异性。

不均匀变形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，这个体积的变形可视为均匀的。而实际的金属变形难以满足各向同性的条件，不均匀变形是金属塑性变形不可避免的。思考题1：判断正误并改正——弹簧的塑性变形量很小。弹簧的屈强比很高。橡皮筋的变形量大，所以塑性好。屈服强度以下屈服点的数值确定。塑性材料才有屈服强度。钢铁在1000℃的条件下进行轧制，属于热加工，因为轧制温度远高于室温。锡的熔点为232℃，在室温20℃的条件下加工属于热加工。锡的熔点为232℃，在-50℃的条件下加工属于冷加工。第一章应力及应力状态外力(load)与内力(internalforce)

外力：施加在变形体上的外部载荷。内力：变形体抗衡外力机械作用的体现。§1.1应力AA’FFFN应力（stress）应力S是内力的集度，是力的作用在面积上的效果。应力的单位：1Pa=1N/m2，1MPa=106N/m2

应力是某点A的坐标的函数，即受力体内不同位置的应力不同。应力是某点A在坐标系中的方向余弦的函数，即同一点不同方向的截面上的应力是不同的。应力可以进行分解Snn、n（n—normal,法向）附加应力（副应力）ε1ε2一块材料，由于内部不同部位的变形不均而形成的应力，称为附加应力（也叫副应力）。形成原因？造成不均匀变形的因素很多：温度、相变、应变等的不均匀都会形成附加应力。特点：1.由不均匀变形引起，由材料的整体性的限制而形成；2.在材料内部自相平衡，只要有不均匀变形的存在就将一直保留，不会因为外力而改变；3.应力性质上，一般存在“一拉一压”的相互平衡。2.若所取截而的法线与拉力轴向成θ角，全应力则正应力与切应力为：物体的力学状态相同，若所考察的面的位置发生变化，应力状态的表示方法也变化。1.垂直拉力轴向的断面上的应力：一物体受外力系P1、P2…的作用而处于平衡状态。设Q为物体内任意一点，过Q点作一法线为N的截面C-C，面积为A。此截面将该物体分为两部分并移去上半部分。这样，截面C-C可看成是物体下半部的外表面，作用在C-C截面上的内力就变成外力，并与作用在下半部分的外力保持平衡。这样，内力问题就可转化为外力问题来处理。在C-C截面上围绕Q点切取一很小的面积ΔA，设该面积上内力的合力为ΔP，则定义为截面C-C上Q点的全应力。全应力是个矢量，可以分解成两个分量，一个垂直于截面C-C，即C-C截面外法线N上的分量，称为正应力，用σ表示；另一个平行于截面C-C，称为切应力，用τ表示。显然。力作用在点上——应力是一种力作用在面上的效果如何描述一点的应力状态？点≠面≠体极限的观点：点=无限小单元体提示：任何力作用于物体，物体都由一定的“面”或“体”来承受力的作用，由“面”或“体”内部的原子相互作用产生应力——应力是力在一定大小的面或体上产生作用的平均效果。

多向受力下的一点的应力分量设在直角坐标系oxyz中有一承受任意力系的物体，物体内有任意点Q，过Q点可作无限多个微分面，不同方位的微分面上都有其不同的应力分量。在这无限多的微分面中总可找到三个互相垂直的微分面组成无限小的平行六面体，称为单元体，其棱边分别平行于三根坐标轴。由于各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分量和两个切应力分量，这样，三个互相垂直的微分面上共有九个应力分量，其中三个正应力分量，六个切应力分量。直角坐标系中单元体上的应力分量单元体的应力状态描述应力正负判断标准：正平面，正方向；应力为正；正平面，负方向；应力为负；负平面，正方向；应力为负；负平面，负方向；应力为正；屈服准则（屈服条件）：应力大小、状态→平均应力、应力偏量应力大小≠塑性变形的与否塑性变形量的大小偏应力大小~变形量（应变量）应力状态的描述（数学表示）外力合力为0的情况下应力为0吗？三向压应力状态是否会导致塑性变形吗？外力越大导致塑性变形越大吗？§1.2质点在任意切面上的应力（一点的应力状态）目的：点的全应力已知（大小、方向），求点的在任意切面的应力状态任取质点Q（单元体），则该质点在任意切面上的应力（主应力、正应力、切应力）可通过四面体QABC的静力平衡求得。面积关系由Q点的受力可求出斜微分面ABC上的全应力为S，它在三个坐标轴方向上的分量为Sx、Sy、Sz。由于四面体无限小，可以认为微小四面体QABC处于静力平衡状态，由静力平衡条件ΣPx=0，x方向上：SxdA-σxdAx-τyxdAy-τzxdAz=0全应力为：全应力S在法线N上的投影就是斜微分面上的正应力σ，它等于Sx、Sy、Sz在N上的投影之和，即斜切微分面上的切应力为：τ2=S2-σ2当变形体处于静力平衡时，表示变形体内某一点的微元体也处于静力平衡。所以，微元体面上的剪应力对坐标轴产生的扭矩也应处于平衡。要满足此条件，下角标相同的剪应力应相等，即：表示一点应力状态的9个应力分量中只剩下6个应力分量。换言之，用6个应力分量可完全确定一点应力状态。§1.3主应力和主平面已知一点的应力状态，求切面，使该面上的切应力τ=0，只存在正应力，即求该切面的l、m、n主平面：τ=0的微分面叫做主平面，假如N在某一方向时，微分面上的τ=0，这样的特殊微分面就叫做主平面（其数值有可能为0吗？）。主应力：主平面上作用的正应力即为主应力。应力主方向：主平面上的法线方向则称为应力主方向或应力主轴。

对于任意一点的应力状态，一定存在相互垂直的三个主方向、三个主平面和三个主应力。现设图中的斜微分面ABC是待求的主平面，面上的切应力τ=0，因而正应力就是全应力，即σ=S。于是全应力S在三个坐标轴上的投影为:系数组成的行列式等于零的条件下，该方程组才有非零解:（以l、m、n为未知数的方程组）＝0考虑几何条件于是有

上列的三次方程称为这个应力状态的特征方程，它有三个实根σ1、σ2、σ3，即所求主应力。将主应力σ1的值代入方程组的任何两个，将这两个方程与几何关系联立，即可求出对应于切面法线的方向余弦l1、m1、n1；同理求出σ2、σ3对应的l2、m2、n2和l3、m3、n3。已知一点的应力状态，切应力τ=0的主应力面，通常有3个且相互垂直。在给定的外力作用下，物体中任一点的主应力数值与方向即已确定，与坐标系的选择无关。在主应力已知的情况下，应力不变量也可由主应力表示为：J1、J2、J3称为第一、第二、第三应力不变量，是坐标变换时的一些不变量，其值分别为：任意截面正应力σN的大小正应力：根据写成：或人为规定则，。通过一点的所有微分面上的正应力中，最大和最小的是主应力。思考题2:判断正误并改正——只要物体受到外力一定会产生应力。所受外力合力为0的条件下，物体不会产生应力。主应力方向一定和外力方向平行。最大主应力方向一定和外力方向平行。最大主应力方向一定和外力合力方向平行。Σf外≠0时，最大主应力方向一定和外力合力方向平行。空间中形如Ax+By+Cz+D=0的方程确定一个平面。他的法向向量就是，向量(A,B,C)例题1：应力张量为：，求主应力大小。行列式展开求解：解：列出系数行列式：例题1：解答：第一步，求l、m、n斜面x-2y+2Z-1=0的法向为{1,-2,2}，该斜面与三个坐标面的方向余弦为l=1/3,m=-2/3,n=2/3第二步，求Sx,Sy,Sz及SSx=10/3,Sy=35/3,Sz=-20/3，S=sqrt(1725)/3第三步，求正应力和切应力τ2=S2-σ2正应力为-80/9×10Mpa,剪应力为sqrt(9125)/9×10Mpa例题2：§1.4应力椭球面如果物体任一点的主应力已知，可用另一种几何方法来表达一点的应力状态。使坐标面与点的主微分面重合（变换坐标系），则在这些微分面上没有切应力，面只有主应力：从所考察的点O，作矢量OP与外法线为N的微分面上的全应力相等，坐标为应力值，OP的轨迹是个椭球。全应力的空间分布根据关系：对于一点的应力状态，主应力σ1、σ2、σ3是确定的，因此上式表示一个椭球面，叫做应力椭球面。它就是点应力状态任意斜切面全应力矢量S端点的轨迹，其主半轴的长度分别等于σ1、σ2、σ3

。还可以看到，三个主应力中的最大者和最小者也就是一点所有方向的应力中的最大者和最小者。如果三个主应力都相等，σ1＝σ2＝σ3，应力曲面变为球面，则通过该点的任一微分面均为主微分面，而作用于其上的应力相等。§1.5主应力图

在一定的应力状态的条件下，变形物体内任意点存在着互相垂直的三个主平面及主应力轴。为了简化以后的分析，在金属塑性变形理论中多采用主坐标系：金属塑性加工时，变形体的轮廓多为规则的几何形状，变形区的体积也多用对称图形，作为一级近似，可采用物体主轴作为分析物体应力状态的主轴，这样可以很简便地使用主应力图来分析许多实际问题。所谓主应力图，是表示所研究点(或所研究物体某部分)各主轴方向上，有无主应力及主应力性质的定性图形，它可简单面明晰地描述物体变形时所承受的应力状态的型式。

由大量实践明确，在金属塑性变形过程中，拉应力最易导致材料的破坏，压应力则有利于减少或抑制破坏的发生与发展。为以后应用方便起见，可以把九种主应力图按其有利程度作排列，并用“+”号表示拉应力，“-”号表示压应力。金属塑性加工操作中遇到最多的是体应力状态的图形。如平辊间的板材轧制、平锤下的锻造、通过模孔的挤压，都可以用B1图形来描述变形区内的应力状态。若三个主应力相等，σ1＝σ2＝σ3即(这相当于三向均匀压缩)时，若金属内部没有空隙、疏松和其它缺陷，则由于不可能产生滑移(完全没有自由度)，从理论上讲是不可能发生塑性变形的；但是三向均匀压缩，由于可迫使金届内部缝隙的贴紧(也可加强晶间的联系)、特别是在高温下，借助原子的扩散，可消除裂缝等内部缺陷，有利于提高金属的强度和塑性性能。这种三向相等的压缩应力，一般称为静水压力。在金属塑性变形理论中，用来表示体应力状态下的平均应力。如果平均应力为“-”则这个平均应力的绝对值就称为静水压力。挤压与轧制相比，挤压时的静水压力值要大得多，所以许多塑性较低的金属和合金，在相同情况下，用轧制成型难度较大，甚至不能成型，但可采用挤压法来加工。§1.7平均应力与应力偏量平均应力是指三个主应力和的平均值，它只引起微元体的体积变形，对塑性变形不产生影响。三个应力分量相等或三个应力分量均为平均应力的应力状态称为球应力状态。正应力分量与平均应力之差称为应力偏量，记为σ΄。三个坐标方向的应力偏量为：用主应力表示为：应力偏量只引起微元体的形状变化，而不产生体积变化。材料的塑性变形主要与应力偏量有关。§1.8八面体应力和等效应力八面体应力以受力物体内任意点的应力主轴为坐标轴，在无限靠近该点作等倾斜的微分面，其法线与三个主轴的夹角的方向余弦都相等()，如图所示。在主轴坐标系空间八个象限中的等倾斜微分面构成一个正八面体，如图所示。正八面体的每个平面称为八面体平面，八面体平面上的应力称为八面体应力。§1.9主切面和主切应力——极值切应力对l求偏导，讨论τN的极值（和最值）。化简：这是未知数l与m的三次方程式每个方程式有三组解，其中：（1）l=m=0，n=±1这组解答指的是主微分平而——主平面，其上切应力为零。（2）l≠0，m=0化简：得：（3）l=0，m≠0同理：（4）l≠0，m≠0

得：在上述三种情况，每个解答定出两个微分面，这两个微分面通过一个坐标轴与其它两个坐标轴成45°及135°的角，这种微分面称主切平面（切应力极大值）。把代入得：考虑到，则最大切应力为τ2最大切应力作用于平分最大与最小主应力间夹角的微分面上，其值等于该二主应力之差的一半。这个最大切应力发生在与一个圆锥面相切的微分面上，这个圆锥面与y轴成45°。需要注意：

主平面上只有法向应力即主应力，而无剪应力；而主切平面上既有剪应力又有正应力。主切平面上的正应力为：剪应力强度理论（屈斯卡(H.Tresca)屈服准则）当受力物体(质点)中的最大切应力达到某一定值时，该物体就发生屈服。或者说，材料处于塑性状态时，其最大切应力是一不变的定值，该定值只取决于材料在变形条件下的性质，而与应力状态无关。所以又称最大切应力不变条件。屈斯卡屈服准则的数学表达式：K为材料屈服时的最大切应力值，也称剪切屈服强度。思考题3:判断正误并改正——静水压力作用下物体一定不会发生塑性变形。静水压力作用下物体也会发生变形。最大主应力的平面与最大切应力平面有位置上的关系。最大主应力不可能为0。最大主应力的方向只有一个。最大主应力的方向可能有多个。一点的应力空间有可能是圆球形。塑性变形最终归结于切应力作用。§2.1应变的概念一个物体受作用力后，其内部质点不仅要发生相对位置的改变(产生了位移)，而且要产生形状的变化，即产生了变形。应变是表示变形程度的一个物理量。物体变形时，其体内各质点在各方向上都会有应变，与应力分析一样，同样需引入“点应变状态”的概念。第二章应变1、应变的概念应变是表示变形体变形大小的物理量。应变可分为正应变(线应变)和剪应变(切应变)。正应变(线应变)是指线元单位长度的变化量，记为ε；剪应变表示变形体角度变形（剪切变形）大小，记为γ。正应变ε在x、y、z坐标上的分量分别记为εx、εy、εz；剪应变γ在各坐标面上的分量分别记为γxy、γxz、γyz、γyx、γzx、γzy。

1）单元体的变形可分为两种形式，一种是线尺寸的伸长或缩短，叫做正变形或线变形；一种是单元体发生偏斜，叫做剪变形或角变形。正变形和剪变形也可统称“纯变形”。

2）应变与变形是有区别的。应变是单位（长度、面积、体积）上的长度变化、面积变化、体积变化，是无单位量纲的量。

3）变形程度的大小可用应变来表示，物体变形时，体内所有的点都产生了位移；单元体取得极小时，可认为变形是均匀变形；小变形时的变形与应变近似相等，小应变时，相对应变与真应变接近。

4）物体变形时，单元体一般将同时发生平移、转动、正变形和剪变形。平移和转动本身并不代表变形，只表示刚体位移。所以，只有从单元体位置、形状和尺寸变化中除去刚体位移，才能得到纯变形。有关变形的一些概念2、名义应变名义应变又称相对应变或工程应变，适用于小应变分析。名义应变可分线应变和切应变。假设物体内两质点相距为l0,经变形后距离为ln,则相对线应变为ε＝(ln-l0)/l0。如前述这种相对线应变一般用于小应变情况。一个物体长度延长一倍的同时高度收缩一半，高度与长度的应变相同吗？3.真应变而在实际变形过程中，长度l0系经过无穷多个中间的数值变成ln,如l1，l2，...，ln-1，ln，其中相邻两长度相差均极微小，由ln-l0的总的变形程度，可以近似地看作是各个阶段相对应变之和，ε΄即为对数应变。对数应变能真实地反映变形的积累过程，所以也称真实应变，简称为真应变。比较ε和ε΄可知：(1)相对应变ε只有在小变形条件下与真实应变ε΄近似，可以近似反映物体变形情况；但大变形情况下，ε不能表示变形的实际情况，此时只能使用ε΄；(2)对数应变为可叠加应变；(3)对数应变为可比应变。同应力一样，变形体发生变形时，各质点的各个方向上都有应变，称质点诸方向应变的全体为该质点的应变状态。一点的应变状态是用表示该点的微元体的线元正应变分量εx、εy、εz和微元面的剪应变分量γxy

、γxz、γyz、γ

yx、γzx、γzy来表示。和剪应力分量一样，下标相同的剪应变分量相等。通常一点的应变状态可用矩阵式形式表示，即：应变状态是张量，且为二阶张量。§2.2点的应变状态§2.3位移与应变设物体某点M原来的坐标为x、y、z，经过变形后移到新位置M1。令表示M-M1的全位移沿坐标轴x、y、z的投影μ、ν、ω为位移分量。不同点的位移分量不同，它们是该点坐标的函数，即相邻两点的位移若研究与M点无限接近的另一点N，其坐标在变形前为x+dx，y+dy，z+dz。所示，变形后M移到M1点，N移到N1点。这时M点之位移分量为ν、μ、ω，N点的位移分量为ν’、μ’、ω’，可将N点的位移精确地写成：设任意点的位移在三个坐标轴上的投影为，与该点无限接近的相邻点位移分量为。由于物体的连续性，设处连续可导，再考虑到小变形，因此有：二点间的绝对位移差则为：

其中表示位移的变化率，乘以dx表示水平位移在dx长度内的的位移增量。分解：第一项为是小变形下的应变张量，记为，即

第二项为，对应于单元体的刚体转动张量：

有明显的几何意义，它的分量分别表示坐标单元体棱边沿坐标轴方向上的相对伸长或缩短(当i=j时)以及二棱边所夹直角改变量的一半(当i≠j时)。为正应变或线应变，伸长为正，缩短为负。为切应变，使二棱角减小为正，增大为负。§2.4塑性变形时的体积不变条件考虑到小变形，切应变引起的边长变化及体积的变化都是高阶微量，可以忽略，则体积的变化只是由线应变引起，如图所示。变形后单元体的体积为V1=rxryrz=dxdydz(1+εx)(1+εy)(1+εz)将上式展开，并略去二阶以上的高阶微量，得单元体单位体积的变化(单位体积变化率)θ：θ=(V1-V0)/V0=εx+εy+εzθ=εx+εy+εz=0称为塑性变形时的体积不变条件。一点的应变状态不可能是同号应变利用真应变的对数式，可将体积不变方程写为：1)塑性变形时相互垂直的三个方向上对数变形之和等于零；2)在三个主变形中，必有一个与其它二者符号相反，其绝对值与其它两个之和相等，即绝对值最大。所以在实际生产中允许采用最大主变形以描述该过程的变形程度。§2.5主变形图

在金屈塑性加工时所发生的主变形图，取决于加工工具的形状，与应力状态类型无关。例如，通过模孔挤压或拉拔圆料的过程，其主应力图不同，但两者主变形图相同。

主应力图与主变形图的简单组合，称变形力学简图，它说明了金属塑性加工过程中，某主轴方向上有无主应力和主变形、以及主应力和主变形性质的图形概念。利用它可分析各个具体的金属塑性加工过程中的应力及变形状态并作出定性的、有关产品性质及质量的判断，是今后分析金属塑性交形情况的一个工具。§2.6应变增量和应变速率张量前面所讨论的是小变形，其应变状态反映单元体在某一变形过程中的某个阶段结束时的应变，称之为全量应变。实际应用时通常要分析大变形过程中某个特定瞬间变形情况，这就提出应变增量和应变速率的概念。以物体在变形过程中某瞬时的形状尺寸为原始状态，在此基础上发生的无限小应变就是应变增量，记为dεx、dεy、dεz、dγxy、dγxz

、dγyz，其矩阵式形式为：应变速率是指应变对时间的变化率，也属于瞬时应变，矩阵式形式为思考题4:判断正误并改正——一般情况下，应力偏量的方向与主应变方向一致。一般情况下，最大主应力偏量方向与最大主应变方向一致。延伸率Δl/l真实反映了变形体的变形程度，属于“真应变”。真应变是可以比较的应变。L0长的物体，伸长到2L0，与缩短到0.5L0，两种变形程度，按照真应变计算不等，按照相对应变计算相等。对于致密材料而言，因为有同号的应力状态，那么就可能出现完全同号的应变状态。完全同号的应变状态有可能出现在材料变形过程中。

塑性变形不能有三向同号的应变状态。第三章屈服准则1.屈服准则A.受力物体内质点处于单向应力状态时，只要单向应力大到材料的屈服点时，则该质点开始由弹性状态进入塑性状态，即处于屈服。B.受力物体内质点处于多向应力状态时，必须同时考虑所有的应力分量。在一定的变形条件(变形温度、变形速度等)下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则，也称塑性条件。它是描述受力物体中不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的力学条件，这种力学条件一般可表示为：f(σij)＝Cf(σij)又称为屈服函数，式中C是与材料性质有关而与应力状态无关的常数，可通过试验求得。材料模型：“连续”：材料中没有空隙裂缝；“均质”：各质点性能相同；“各向同性”：材料在各个方向的性能都一样；理想弹性材料：弹性变形时应力与应变完全成线性关系的材料；理想塑性材料：塑性变形时不产生硬化的材料；硬化材料：在塑性变形时要产生硬化的材料；弹—塑性塑料：材料在塑性变形之前和过程中，存在弹性变形的材料；刚塑性材料：在塑性变形之前，材料象刚体一样不产生弹性变形.2.应力应变曲线及其简化金属材料的应力应变曲线具有复杂的形状，实际应用时一般将其简化，简化后的应力应变曲线可分为四类，分别对应四类材料，如图：真实应力-应变曲线及其某些简化形式a)实际金属材料(①-有物理屈服点②-无明显物理屈服点)b)理想弹塑性c)理想刚塑性d)弹塑性硬化e)刚塑性硬化在一定的变形条件下，当受力物体内一点的应力偏张力的第二不变量J'2

达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态。即4.米塞斯(Von.Mises)屈服准则用主应力表示为:式中σs——材料的屈服点，K——材料的剪切屈服强度与等效应力

比较，可得1.数学表达式2.Mises屈服准则的物理意义：当材料的单位体积形状改变的弹性能达到某一常数时，质点就发生屈服。故Mises屈服准则又称为能量准则。3.单向拉伸时屈服应力σs与K的关系据单向拉伸实验，由于，，屈服时，因此有一般情况下材料的剪切屈服应力与材料单向拉伸屈服应力之间的关系为两边边同乘以常数，则

上式左端为变形体在三向应力作用下单位体积的弹性形变能。4.实际材料选用屈服准则的依据根据屈服准则的实验研究结果，多数金属材料符合米塞斯(Mises)屈服准则。当应力状态以主应力σ1、σ2、σ3表示，而且其大小顺序已知，这时用Tresca准则比较简便，否则，用Mises屈服准则。*四种常见的强度理论：

１、最大拉应力理论：（第一强度理论）

该理论认为，脆断破坏主要是由最大拉应力引起的。在复杂应力情况下，若危险点的最大拉应力σ1超过材料单向拉伸时的许用应力，则强度不足。强度条件为：

σ1≤[σ]２、最大拉应变理论：（第二强度理论）

该理论认为，脆断破坏主要是由最大拉应变引起的。在复杂应力情况下，若危险点的最大拉应变ε1超过材料单向拉伸极限状态时的线应变，则强度不足。由广义胡克定律导出，

强度条件为：

σ1-υ(σ2+σ3)≤[σ]5.屈斯卡和密塞斯屈服准则的比较为评价中间主应力σ2影响，引入罗代应力参数：代入密塞斯屈服准则表达式，经整理后得：屈斯卡屈服准则，不管σ2在σ1和σ3之间如何变化，β=1，为一水平线。

可见，在轴对称应力状态时，两个屈服准则是一致的；平面应力状态时，两个准则的差别最大，达15.5％；在其余应力状态下，两个准则的差别小于15.5％，视中间应力σ2的相对大小而定。如以符号K表示屈服时的最大剪应力，则按屈斯卡屈服准则，K=0.5σs

；按密塞斯准则，K=（0.5～0.577）σs。两个屈服准则的本质区别在于对最大剪切应力的理解：*屈斯加和密塞斯屈服准则的关系主应力空间：以应力主轴为坐标系的空间称为主应力空间。在主应力空间中，三向应力状态对应于该空间上的一点P，并用矢量OP来表示。

Mises屈服表面：以等倾线ON为轴线，以为半径作一无限长倾斜圆柱面，则此圆柱面上的点都满足Mises屈服准则，这个圆柱面就是Mises屈服准则在主应力空间中的几何表达，称为主应力空间中的Mises屈服表面。

Tresca屈服表面：Tresca屈服准则的表达式在主应力空间中的几何图形是一个内接于Mises圆柱面的正六棱柱面，称为主应力空间的Tresca屈服表面。屈服表面的几何意义：若主应力空间中一点的P位于屈服表面，则该端点处于塑性状态；若P点在屈服表面内部，则P点处于弹性状态。

对于理想塑性材料，P点不能在屈服表面之外。各向同性应变硬化材料的后续屈服轨迹6.应力状态对材料塑性的影响

应力状态对塑性的影响，实际上是通过静水压力σm起作用的。压应力个数越多、数值越大，则静水压力就越大，材料的塑性越好；反之，拉应力个数越多、数值越大，静水压力小，材料的塑性也越差。原因如下：

（1）拉应力会促使晶间变形，加速晶界破坏，压应力阻止或减少晶间变形；三向等压作用的增强，晶间变形愈加困难。

（2）三向等压作用有利于塑性变形过程中形成的各种损伤的愈合；而拉应力则相反，会促使损伤的发展。（3）三向等压作用能抑制材料中原先存在的各种缺陷的发展，部分或全部地消除其危害。

（4）三向等压作用可抵消不均匀变形所引起的附加拉应力，从而有利于防止裂纹的产生。7.应力状态对变形抗力的影响塑性成形时材料的变形抗力与应力状态有着密切的关系。可用屈服准则来解释。设有两个同材质的单元体，其应力状态分别为三向压缩和两压一拉：根据屈服准则使该单元体发生塑性变形，三向压应力状态时应满足：两压一拉应力状态时应满足：为了使滑移发生，滑移面上的剪应力应达到临界值：在同号主应力状态下，各主应力在滑移面上所引起的剪应力分量总要相互抵消一部分；在异号主应力状态下却是相互叠加的。因此，对于第一种情况，需要施加更大的外力（即增大σ1

），方能使该面上剪应力达到临界值而发生滑移。思考题5:判断正误并改正——密塞斯准则比屈斯加准则更符合材料实际塑性变形情况，所以屈斯加屈服准则一般不用。异号应力状态有助于减小塑性变形所需的外力。同号应力状态有助于提高材料塑性，但变形所需的外力增大。变形抗力是温度的函数，所以相同温度下同一种金属采用不同的手段进行塑性加工时，变形抗力相同。屈服强度是温度的函数，所以相同温度金属的屈服强度相同。变形抗力与屈服强度的关系是什么？第四章应力应变关系——广义虎克定律ε~f（σ）或者σ~f（ε）已知应变求应力，已知应力求应变单向拉伸时，应力与变形之间的线性相关定律(虎克定律)为：

Ε——弹性模量在加载过程中，应力与应变增量间关系或应力、应力增量与应变增量间的关系叫做塑性本构关系。以此为基础，推广到三向应力状态的情况。这时，利用“力的独立作用原理”(叠加原理)，在微小变形情况下，线变形只与正应力有关，剪切变形(角变形)只与切应力相联系，就可得到用广义虎克定所描述的应力与变形之间的关系：应力σ→应变（前提：小变形，塑性变形近似于弹性变形）上式为应变表示应力的公式，式中系数相当复杂，把它们当作弹性常数或新的弹性模数——梅拉系数。应变→应力σ线弹性力学的物理关系是以广义虎克定律为基础的，由于它具有线性性质，在求解且体问题时使用起来非常方便；然而在塑性力学，其物理关系应包括屈服条件、塑性本构方程以及塑性强化条件，而且，塑性本构关系与塑性变形程度有关，它们的表达式是非线性的；到目前为止，塑性力学中的本构关系还很难用一个统一的理论来描述。第五章金属的变形一.单晶体的塑性变形——滑移、孪生位错运动实现滑移孪生§5.1单晶体与多晶体的塑性变形二.多晶体的塑性变形工程上使用的金属绝大部分是多晶体。1.多晶体中,由于晶界上原子排列不规则,阻碍位错的运动,使变形抗力增大。；金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。2.多晶体中每个晶粒位向不一致。三.塑性变形对金属组织和性能的影响变形前后晶粒形状变化示意图1.塑性变形对金属组织结构的影响①金属发生塑性变形后,晶粒发生变形,沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒变成细条状(拉伸时),金属中的夹杂物也被拉长,形成纤维组织。②亚结构形成

③形变织构产生2.塑性变形对金属性能的影响①金属发生塑性变形,随变形度的增大,金属的强度和硬度显著提高,塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化,也叫形变强化。②由于纤维组织和形变织构的形成,使金属的性能产生各向异性。③塑性变形可影响金属的物理、化学性能，使电阻增大,耐腐蚀性降低等。④由于金属在发生塑性变形时,金属内部变形不均匀,位错、空位等晶体缺陷增多，金属内部会产生残余内应力。思考题6:判断正误并改正——同等变形条件下，滑移比孪生更容易发生。因为同等变形条件下滑移比孪生更容易发生，所以密排六方晶格的材料位错滑移是其变形的主要机制。×（主要以孪生为主）密排六方晶格的材料的主要变形机制是孪生，但也存在滑移。√亚结构一般产生于塑性变形。√（再结晶恢复时、固态相变时都可以）因为织构会导致变形时产生变形不均，故织构对材料性能产生不好的影响，必须消除。×（某些情况下织构有利，如采用具有（110）[001]）这种织构的硅钢片制造电机、电器时，将可以减少铁损，提高设备效率，减轻设备重量，并节约钢材。√§5.2金属的塑性变形§5.2.1变形区与刚端变形区之外的金属称为“刚端”，刚端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。§5.2.2金属的断裂a)正断（垂直于最大正应力的断裂）；b)剪断（沿最大切应力方向的断裂）；c)、d)韧性断裂断裂类型：韧性断裂与脆性断裂。韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，用肉眼或低倍显微镜观察时，断口呈暗灰色纤维状，有大量塑性变形的痕迹；脆性断裂则相反，断裂前从宏观来看无明显塑性变形积累，断口平齐而发亮，常呈人字纹或放射花样。宏观脆性断裂是一种危险的突然事故。脆性断裂前无宏观塑性变形，又往往没有其他预兆，一旦开裂后，裂纹迅速扩展，造成严重的破坏及人身事故，对于使用有可能产生脆断的零件，必须从脆断的角度计算其承载能力，并且应充分估计过载的可能性；对于使用有可能产生塑性断裂的零件，只需按材料的屈服强度计算其承载能力，一般即能保证安全使用。多晶体金属断裂时，根据裂纹扩展所走的路径，又分穿晶断裂和沿晶断裂。穿晶断裂的特点是裂纹穿过晶内；沿晶断裂时裂纹沿晶界扩展。穿晶断裂可能是韧性的，也可能是脆性的，而沿晶断裂多是脆性断裂。穿晶断裂沿晶断裂断裂过程结构缺陷与应力作用的综合结果微裂纹产生：一、材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷；二、在塑性变形过程中，由于位播的运动和塞积等原因形成。位错塞积位错泯灭位错反应§5.3金属流变规律最小阻力定律——金属流动方向“当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动”_______古布金流的越远,阻力越大,所以将向周边距离最近处流动。例1，粗糙平板间矩形断面棱柱体镦粗时，由于接触面上质点向四周流动的阻力与质点离周边的距离成正比，因此离周边的距离愈近，阻力愈小，金属质点必然沿着这个方向移动。金属塑性成形问题实质上是金属的塑性流动问题。通过流动分析可以预测变形体的形状和尺寸，进行工艺和模具设计以及质量分析。金属流变主要有3个规律：体积不变、弹塑性共存、最小阻力。例2，开式模锻，增加金属流向飞边的阻力，以保证金属充填型腔；或者修磨圆角，减小金属流向A腔的阻力，使A腔充填饱满。影响金属塑性流变的因素一、摩擦对金属塑性变形和流动的影响在工具与坯料的接触面上由于摩擦力的存在，在一定程度上改变了金属的流动特性：1.矩形断面的棱柱体在平板间镦粗时,若接触面上无摩擦,则以辐射线方式流动,变形后仍为矩形断面；2.环形零件镦粗时由于摩擦的作用，会改变金属质点的流动方向。矩形件无摩擦镦粗放射性流动二、工具形状对金属塑性变形和流动的影响工具形状是影响金属塑性流动的重要因素。工具形状不同，各个方向的流动阻力不一样。利用工具的不同形状，除了可以控制金属的流动方向外，还可以在坯料内产生不同的应力状态，使局部金属先满足屈服准则而进入塑性状态，以达到控制塑性变形区的作用；或者造成不同的静水压力，来改变材料在该状态下的塑性。在圆弧形砧上或V型砧中拔长圆截面坯料时，由于工具的侧面压力使金属沿横向流动受到阻碍，金属大量沿轴向流动;在凸弧形砧上，正好相反，加大横向流动。三、变形物体外端的影响在塑性变形时，为保持变形体的完整性和连续性，变形体各部分之间通过内力的作用，对塑性变形和流动产生一定的影响，刚端对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动。在自由锻造中，除镦粗外的其他变形工序，工具只与坯料的一部分接触，变形是分段逐步进行的，因此变形区金属的流动就受到外端的制约——拔长时，砧子下面局部坯料镦粗，变形受到刚端部分的影响，其横向流动小于同等条件下的自由镦粗；四、金属本身性质不均匀的影响由于金属本身的化学成分、组织、厚度和温度的不均匀，会造成金属各部分的变形和流动的差异。变形抗力小的部分首先变形，但作为一个整体，先变形的部分与后变形的部分、变形大的部分与变形小的部分必然彼此影响。§5.4不均匀变形与附加应力一、不均匀变形不均匀变形——塑性成形时，由于金属本身性质的不均匀，摩擦和工具形状的影响，导致不同变形区之间的相互制约，形成不同部位金属变形及应变的不均匀。二、附加应力由于变形体各部分之间的不均匀变形受到整体性的限制，在各部分之间必将产生相互平衡的应力叫附加应力。附加应力是由不均匀变形引起的，同时它又限制了不均匀变形的自由发展；附加应力总是互相平衡成对出现。挤压的金属流动和纵向应力的分布附加应力通常分为三类：第一类：附加应力是变形体内各区域体积之间由不均匀变形引起；第二类：各晶粒之间由于其性质、大小和方位不同，晶粒之间产生不均匀变形所引起；第三类：附加应力是晶粒内部各部分之间的不均匀变形所引起。附加应力的不良后果：使变形体内的应力状态发生变化，应力分布更不均匀；提高了单位变形力不均匀变形引起附加应力，使变形所消耗的能量增加，从而使单位变形力增高；使塑性降低，甚至造成破坏挤压制品表面出现周期性的裂纹，是由第一类附加应力形成的残余应力所致；造成物体形状歪扭如薄板或薄带轧制、薄壁型材挤压时出现的镰刀弯、波浪形等；形成残余应力由于附加应力成对出现，彼此平衡，只要变形的不均匀状态不消失，它始终存在，因此，当外力去除后，它仍残留在物体内而形成残余应力。

三、残余应力引起附加应力的外因去除后，在物体内仍残存的应力叫残余应力。残余应力是弹性应力，不超过材料的屈服应力，也是相互平衡成对出现的。（一）残余应力产生的原因1.塑性变形不均匀产生残余应力。 变形不均匀产生附加应力，变形完成后，变形不均匀状态不消失，附加应力将残留在物体内而形成残余应力。2.温度不均匀（加热或冷却不均匀）所引起的热应力以及由温度变化导致的相变过程所引起的组织应力都会引起残余应力。残余应力分类：第一类残余应力存在于变形体各区域之间；第二类残余应力存在于各晶粒之间；第三类残余应力存在于晶粒内部。残余应力引起的后果：（1）具有残余应力的物体再承受塑性变形时，其应变分布及内部应力分布更不均匀。（2）缩短制品的使用寿命，当外载作用下的工作应力与残余应力叠加超过材料的强度时，使零件破坏，设备出现故障。（3）使制品的尺寸和形状发生变化，当残余应力的平衡受到破坏后，相应部分的弹性变形也发生变化，从而引起尺寸和形状变化。（4）增加塑性变形抗力，降低塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。（5）降低制品表面的耐蚀性，具有残余应力的金属在酸液中或其他溶液中的溶解速度加快。残余应力一般是有害的，特别是表面层中具有残余拉应力的情况；但当表面层具有残余压应力时，可以显著提高材料的强度和疲劳强度，反而可提高其使用性能。残余应力的消除：1.热处理采用去应力退火可较彻底地消除残余应力。对第一类残余应力一般在回复温度下便可大部分消除，制品的硬化不受影响；第二类残余应力，接近再结晶温度也可完全消除；对第三类残余应力必须在再结晶温度以上才可消除。在高温去应力退火时，注意退火时间的控制，应避免晶粒长大，影响其力学性能。2.机械处理在制品表面产生一些表面变形，使残余应力得到一定程度的释放和松弛(如拉弯矫直、张力矫直等)，或者产生新的附加应力以抵消或减弱残余应力。该法只适合于消除第一类残余应力，实践证明当表面变形量1.5％～3％左右效果最好。思考题7:判断正误并改正——附加应力有可能改变材料的应力状态。残余应力属于弹性应力所以外力去除后可以自动回复。残余应力产生了变形不均。变形不均产生了残余应力。如果（第一类）变形不均在外力去除后仍然存在，不可恢复，所以其变形属于塑性变形。如果（第一类）变形不均在外力去除后仍然存在，不可恢复，那么导致其变形的应力应该大于等于其屈服强度。残余应力都是有害的。金属塑性变形的物理实质基本上就是位错的运动，位错运动的结果就产生了塑性变形。在位错的运动过程中，位错、溶质原子、间隙位置原子、空位、第二相质点都会发生相互作用，引起位错的数量、分布和组态的变化。从微观角度来看，这就是金属组织结构在塑性变形过程中或变形后的主要变化。塑性变形对位错的数量、分布和组态的影响是和金属材料本身的性质以及变形温度、变形速度等外在条件有关。第六章金属塑性变形的组织和性能变化

§6.1变形金属在加热时组织和性能的变化

金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化。如果对变形后的金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。变形金属加热时组织和性能变化

一.回复

变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。

T回复=(0.25～0.3)T熔点工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火、以降低残余内应力，保留加工硬化效果。二.再结晶1.再结晶过程及其对金属组织、性能的影响变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。①变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除。②内应力全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。③再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。三.晶粒长大再结晶完成后的晶粒是细小的,但如果继续加热,加热温度过高或保温时间过长时,晶粒会明显长大,最后得到粗大晶粒的组织,使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。影响再结晶退火后晶粒度的主要因素是加热温度和预先变形度。①加热温度加热温度越高,原子扩散能力越强,则晶界越易迁移,晶粒长大也越快；②预先变形度

四.热加工冷加工金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于再结晶温度以上还是以下来划分的。§6.2金属的热加工及其对组织、性能的影响

热加工—在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工。热加工对金属的组织和性能的影响:①热加工能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻甚至消除树枝晶偏析和改善夹杂物、第二相的分布等；明显提高金属的机械性能，特别是韧性和塑性。②热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒，而使金属的机械性能全面提高。③热加工能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相沿金属流动方向被拉长，形成纤维组织(或称“流线”)，使金属的机械性能特别是塑性和韧性具有显的方向性，纵向上的性能显著大于横向上的。因此热加工时应力求工件流线分布合理。一、金属的热成形性能——金属的可锻性金属在热状态下的成形性能通常用金属的可锻性(Forgeability)来衡量，它是表示材料在热状态下经受压力加工时塑性变形的难易程度。若材料在热态下很易进行塑性变形，则说明其可锻性好。相反，则可锻性差，因而就不宜用压力加工方法来成形。因此，可锻性是金属热加工的一种重要工艺性能。可锻性用金属的塑性和变形抗力两个指标来衡量。金属的塑性愈高，变形抗力愈低，则其可锻性愈好，反之则差。这是因为塑性高、变形抗力低，即使在变形量很大的情情况下也不易产生裂纹，且变形时消耗的能量也小。二、影响可锻性的因素可锻性是金属在热态下进行塑性加工的基础，它主要取决于金属的成分、组织和加工条件。1、金属的成分不同成分的金属材料的可锻性是不一样的。一般来说，纯金属的可锻性比合金好，低碳钢的可锻性优于高碳钢，低碳低合金钢的可锻性优于高碳高合金钢。纯金属的塑性比合金好，变形抗力低。在钢中，随碳和合金元素含量的增加，不仅固溶强化作用增大，而且还会形成熔点高、硬而脆的合金碳化物，特别是在高碳高合金钢中往往易出现硬而脆的共晶莱氏体，使钢的强度和塑性显著降低，脆性增大，所以高碳高合金钢的可锻性较差。有害杂质元素的存在也会严重影响材料的可锻性，例如钢中含有较高的硫或氢，工业纯铜中含有较高的铅或铋，都会使材料的可锻性（塑性）显著变坏。2、金属的组织金属的组织不同，其可锻性有很大的差别。通常单相组织的可锻性比多相组织的可锻性好，这是因为单相组织均匀、塑性高。多相组织易造成组织的不均匀性，且各相的塑性有很大差别，会引起变形的不均匀性，产生附加应力，因而可锻性差。例如在高速钢和高碳高铬钢等高合金工具钢中，由于有大量的硬而脆的合金碳化物存在，且常易在晶界上形成连续或不连续的网状组织，使钢变脆，故其可锻性比一般的碳钢、低合金钢要差得多。此外，铸态下的柱状组织、粗晶粒组织、晶界上存在偏析、或有共晶莱氏体组织存在，均使塑性变差，易产生不均匀变形，故其可锻性也差。3、加工条件1）变形温度

一般来说，随变形温度的升高，可提高金属的可锻性。这是因为温度高，原子的热振动增大，使滑移变形的阻力减小，因此使塑性增大、变形抗力减小，从而提高金属的可锻性。但是，对于不同的合金随温度的升高其可锻性有很大的差异。对于晶粒长大很敏感的合金(类型Ⅱ)，其可锻性随温度升高因晶粒急剧长大反而降低，尤其是当晶界形成脆性相时，晶粒尺寸的增大对可锻性的不利影响更为明显。对于具有不溶解化合物的合金(类型Ⅲ)，不管变形温度如何都呈现出脆性，可锻性很差；而对于具有可溶性化合物的合金(类型Ⅵ)，随温度升高化合物可不断溶入基体，因此可改善其可锻性；类型Ⅴ到类型Ⅷ合金的可锻性随变形温度的变化规律说明了不同特性的第二相随变形温度的升高对合金的可锻性具有不同的影响。对于所有的合金，当温度接近熔点时，会引起过烧，使可锻性急剧降低。不同合金系列8种典型金属的可锻性Ⅰ－纯金属及单相(铅、钼、镁)合金；Ⅱ－纯金属及单相合金(晶粒长大敏感者；Ⅲ－具有不溶组分的合金；Ⅳ－具有可溶组分的合金；Ⅴ－加热时形成有塑性第二相的合金；Ⅵ－加热时形成低熔点第二相的合金；Ⅶ－冷却时形成有塑性第二相的合金；Ⅷ－冷却时形成脆性第二相的合金；Tm－熔化温度。2）变形速度变形速度对金属可锻性的影响具有双重性：一方面由于随着变形速度的增加，回复与再结晶过程来不及进行，因而不能及时消除加工硬化现象，故使塑性降低，变形抗力增大，可锻性变坏；另一方面，由于随着变形速度的增高，产生热效应，使金属的塑性升高，变形抗力降低，又有利于改善可锻性。变形时的热效应，除高速锤锻造和高能成形外，在一般压力加工成形过程中，由于变形速度低．故不太显著。

变形速度与塑性及抗力的关系

1－变形抗力变化的曲线

2－塑性变化的曲线变形温度——塑性变形时金属所具有的实际温度，称为变形温度，它与加热温度是有区别的。变形温度既取决于金属变形前的加热温度，又与变形中能量转化而使金属温度提高的温度有关，同时又与变形金属同周围介质进行热交换所损失的温度有关。变形速度：金属塑性变形的温度——速度效应3）应力状态用不同的压力加工方法成形金属时，所产生的应力状态和变形抗力不同。采用拉拔方法成形省力，但对材料的塑性要求较高；而用挤压方法成形费力，但可降低对材料的塑性要求。对低塑性材料进行压力加工时，应尽可能创造压应力状态的变形条件。在应力状态图中，压应力成分的数量愈多，则其塑性愈好；拉应力成分的数量愈多，则其塑性愈差。三、降低塑性加工变形力的途径在热压力加工过程中，为了创造最有利的变形条件，充分地进行变形，而所消耗的能量又最少，必须充分发挥金属的塑性，降低变形抗力，其主要途径有：(1)降低材料自身的变形抗力最有效的措施是适当提高热变形时的温度。(2)改善变形时的受力状态主要是采用合理的变形方案，设计合理的模膛，减少变形时的摩擦阻力。例如圆筒形零件可采用反挤成形。(3)减少加工过程中的接触面积思考题8：——判断并改正：热加工中，不锈钢与普碳钢的延伸系数基本相同，所以两者的可锻性基本相当。×热加工中可锻性好的材料，其使用性能也好。×加热温度提高，材料的可锻性并不一定提高。√三向压应力条件能够有效提高材料塑性，所以三向压应力条件也就可以提高材料的可锻性。×减小变形抗力是有效提高材料可锻性的方法。√减少加工过程中工件与工具的接触面积可以有效