金属的塑性变形(1).ppt

第一章金属的塑性变形,第一节金属塑性变形的实质第二节塑性变形对金属组织和性能的影响第三节金属的可锻性,金属材料经过压力加工之后，其内部组织发生很大变化，金属的性能得到改善和提高。为了正确选用压力加工方法、合理设计压力加工成形的零件，必须了解金属塑性变形的实质、规律和影响因素等内容。,第一节金属塑性变形的实质,金属在外力作用下，其内部必将产生应力。此应力迫使原子离开原来的平衡位置，从而改变了原子间的距离，使金属发生变形，并引起原子位能的增高。处于高位能的原子具有返回到原来低位能平衡位置的倾向，当外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失，金属的这种变形称为弹性变形。当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服点之后，即使外力停止作用，金属的变形并不消失．这种变形称为塑性变形。,金属塑性变形的实质是晶体内部产生滑移的结果。单晶体内的滑移变形如图3－1所示。在切向应力作用下，晶体的一部分与另一部分沿着一定的晶面产生相对滑移（该面称滑移面），从而造成晶体的塑性变形。当外力继续作用或增大时，晶体还将在另外的滑移面上发生滑移，使变形继续进行，因而得到一定的变形量。,上述理论所描述的滑移运动，相当于滑移面上下两部分晶体彼此以刚性整体作相对运动。要实现这种滑移所需的外力要比实际测得的数据大几千倍，这说明实际晶体结构及其塑性变形并不完全如此。,近代物理学证明，实际晶体内部存在大量缺陷。其中，以位错图3-2a对金属塑性变形的影响最为明显。由于位错的存在，部分原子处于不稳定状态。在比理论值低得多的切应力作用下，处于高能位的原子很容易从一个相对平衡的位置上移动到另一个位置上图3-2b，形成位错运动。位错运动的结果，就实现了整个晶体的塑性变形图3-2c。,通常使用的金属都是由大量微小晶粒组成的多晶体。其塑性变形可以看成是由组成多晶体的许多单个晶粒产生变形称为晶内变形的综合效果。同时，晶粒之间也有滑动和转动称为晶间变形，如图3-3所示。每个晶粒内部都存在许多滑移面，因此整块金属的变形量可以比较大。低温时，多晶体的晶间变形不可过大，否则将引起金属的破坏。由此可知，金属内部有了应力就会发生弹性变形。应力增大到一定程度后使金属产生塑性变形。当外力去除后，弹性变形将恢复，称“弹复”现象。这种现象对有些压力加工件的变形和工件质量有很大影响，必须采取工艺措施来保证产品的质量。,第二节塑性变形对金属组织和性能的影响,金属在常温下经过塑性变形后，内部组织将发生变化①晶粒沿最大变形的方向伸长②晶格与晶粒均发生扭曲，产生内应力；③晶粒间产生碎晶。,金属的力学性能随其内部组织的改变而发生明显变化。变形程度增大时，金属的强度及硬度升高，而塑性和韧性下降图3-4。其原因是由于滑移面上的碎晶块和附近晶格的强烈扭曲，增大了滑移阻力，使继续滑移难于进行所致。这种随变形程度增大，强度和硬度上升而塑性下降的现象称为冷变形强化，又称加工硬化。,冷变形强化是一种不稳定现象，具有自发地回复到稳定状态的倾向。但在室温下不易实现。当提高温度时，原子因获得热能，热运动加剧，使原子得以回复正常排列，消除了晶格扭曲，致使加工硬化得到部分消除。这一过程称为“回复”图3-5b。这时的温度称为回复温度，即式中T回以绝对温度表示的金属回复温度；T熔以绝对温度表示的金属熔点温度。,当温度继续升高到该金属熔点绝对温度的0.4倍时，金属原子获得更多的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心，按变形前的晶格结构结晶成新的晶粒，从而消除了全部冷变形强化现象．这个过程称为再结晶图c。这时的温度称为再结晶温度，即式中T再以绝对温度表示的金属再结晶温度。,利用金属的冷变形强化可提高金属的强度和硬度，这是工业生产中强化金属材料的一种重要手段。但在压力加工生产中，冷变形强化给金属继续进行塑性变形带来困难，应加以消除。在实际生产中，常采用加热的方法使金属发生再结晶，从而再次获得良好塑性。这种工艺操作称为再结晶退火。当金属在大大高于再结晶的温度下受力变形时，冷变形强化和再结晶过程同时存在。此时变形中的强化和硬化随即被再结晶过程所消除。,金属在不同温度卞变形对其组织和性能的影响不同，因此金属的塑性变形分为冷变形和热变形两种。,在再结晶温度以下的变形叫冷变形，其特点变形过程中无再结晶现象，变形后的金属具有冷变形强化现象。冷变形的变形程度一般不宜过大，以避免产生破裂。冷变形能使金属获得较高的强度、硬度和低粗糙度值。生产中常用它来提高产品的性能。,在再结晶温度以上的变形叫热变形，其特点变形后，金属具有再结晶组织、而无冷变形强化痕迹。金属只有在热变形情况下，才能以较小的功达到较大的变形。时能获得具有高力学性能的细晶粒再结晶组织。金属压力加工生产多采用热变形来进行。,金属压力加工生产采用的最初坯料是铸锭，其内部组织很不均匀，晶粒较粗大，并存在气孔、缩松、非金属夹杂物等缺陷。铸锭加热后经过压力加工，由于塑性变形及再结晶，从而改变了粗大、不均匀的铸态结构（图3-6a），获得细化了的再结晶组织。同时可以将铸锭中的气孔、缩松等压合在一起，使金属更加致密，力学性能得到很大提高。此外，铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们都将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫纤维组织（图3-6b）。,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也有影响。纤维组织越明显，金属在纵向（平行纤维方向）上塑性和韧性提高，而在横向（垂直纤维方向）上塑性和韧性降低。纤维组织的明显程度与金属的变形程度有关。变形程度越大，纤维组织越明显。压力加工过程中，常用锻造比（y）来表示变形程度。拔长时的锻造比为y拔A0／A镦粗时的锻造比为y镦H0／H式中H0、A0分别为坯料变形前的高度和横截面积；H、A分别为坯料变形后的高度和横截面积。,纤维组织的稳定性很高，不能用热处理方法加以消除。只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。因此，为了获得具有最好力学性能的零件，在设计和制造零件时，都应使零件在工作中产生的最大正应力方向与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量使纤维组织不被切断。,例当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时。螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱图3-7a。当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时图3-7b，则纤维不被切断，连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。,第三节金属的可锻性,金属的可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。金属的可锻性好，表明该金属适合于采用压力加工成形；金属的可锻性差，表明该金属不宜于选用压力加工方法成形。可锻性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。塑性越好，变形抗力越小，则金属的可锻性好。反之则差。金属的塑性用金属的断面收缩率ψ、伸长率δ等来表示。变形抗力系指在压力加工过程中变形金属作用于施压工具表面单位面积上的压力。变形抗力越小，则变形中所消耗的能量也越少。金属的可锻性取决于金属的本质和加工条件。,一、金属的本质1．化学成分的影响不同化学成分的金属其可锻性不同纯金属的可锻性比合金好；碳钢的含碳量越低，可锻性越好；钢中含有形成碳化物的元素如铬、钼、钨、钒等时，其可锻性显著下降。2．金属组织的影响金属内部的组织结构不同，其可锻性有很大差别纯金属及固溶体如奥氏体的可锻性好，碳化物如渗碳体的可锻性差。铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好。,二、加工条件1．变形温度的影响提高金属变形时的温度，是改善金属可锻性的有效措施，并对生产率、产品质量及金属的有效利用等均有极大的影响。金属在加热中，随温度的升高、金属原子的运动能力增强，很容易进行滑移，因而塑性提高，变形抗力降低，可锻性明显改善，更加适宜进行压力加工。但温度过高，对钢而言，必将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷，甚至使锻件报废，所以应该严格控制锻造温度。锻造温度范围系指始锻温度和终锻温度间的温度区间。锻造温度范围的确定以合金状态图为依据。碳钢的锻造温度范围如图3-8所示，其始锻温度比AE线低200℃左右，终锻温度为800℃左右。终锻温度过低，金属的可锻性急剧变差，使加工难于进行，若强行锻造，将导致锻件破裂报废。,2．变形速度的影响变形速度即单位时间的变形程度。它对可锻性的影响是矛盾的一方面随着变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服冷变形强化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大图3-9中a点以左，可锻性变差。另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能称为热效应现象，改善着变形条件。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降图3-9中a点以右，可锻性变得更好。,,,热效应现象除在高速锤等设备的锻造中较明显外，一般压力加工的变形过程中，因变形速度低，不易出现。,3．应力状态的影响金属在经受不同方法变形时，所产生的应力性质压应力或拉应力和大小是不同的。例如，挤压变形时图3-10为三向受压状态。而拉拔时图3-11则为两向受压、一向受拉的状态。实践证明，三个方向的应力中压应力的数目越多，则金属的塑性越好；拉应力的数目越多，则金属的塑性越差。同号应力状态下引起的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力。,拉应力使金属原子间距增大，尤其当金属的内部存在气孔、微裂纹等缺陷时，在拉应力作用下，缺陷处易产生应力集中，使裂纹扩展，甚至达到破坏报废的程度。压应力使金属内部原子间距离减小，不易使缺陷扩展，故金属的塑性会增高。但压应力使金属内部摩擦阻力增大，变形抗力亦随之增大。综上所述，金属的可锻性既取决于金属的本质，又取决于变形条件。在压力加工过程中，应力求创造最有利的变形条件，充分发挥金属的塑性，降低变形抗力，使功耗最少，变形进行得充分，达到加工目的。,