1、塑性成型原理第二節(jié)冷金屬成形第1頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四典型拉伸試樣拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)2.1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線第2頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四金屬拉伸時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線（低碳鋼）典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線掌握以下含義：OA階段及A點(diǎn)OA階段及A點(diǎn)BC階段及B點(diǎn)D點(diǎn)E點(diǎn)第3頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四彈性模量和剛度的聯(lián)系與區(qū)別？對(duì)于某種材料的樣品剛度和模量的關(guān)系： K=EA： 彈性模量是物質(zhì)組份性質(zhì)（微觀）,剛度是結(jié)構(gòu)屬性（宏觀）； 剛度本質(zhì)也從側(cè)面放映了彈模的大小.但影響剛度的因素不光是彈性模量,還有構(gòu)件的幾何尺寸等因

2、素。什么是彈性模量？影響因素？第4頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四楊氏模量？Thomas Yong（托馬斯楊）1773-1829楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)楊氏模量視覺(jué)和顏色醫(yī)學(xué)語(yǔ)言埃及象形文字象形文字音樂(lè)美術(shù)騎馬雜技走鋼絲保險(xiǎn)經(jīng)濟(jì)這是一個(gè)將科學(xué)和藝術(shù)并列研究、對(duì)生活充滿(mǎn)熱望的天才，我們幾乎可以這樣說(shuō)：他生命中的每一天都沒(méi)有虛度。百度百科第5頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四楊氏模量？Thomas Yong（托馬斯楊）1773-1829“盡管我仰慕牛頓的大名，但是我并不因此而認(rèn)為他是萬(wàn)無(wú)一失的。我遺憾地看到，他也會(huì)弄錯(cuò)，而他的權(quán)威有時(shí)甚至可能阻礙科學(xué)的進(jìn)步?！边@是

3、一個(gè)將科學(xué)和藝術(shù)并列研究、對(duì)生活充滿(mǎn)熱望的天才，我們幾乎可以這樣說(shuō)：他生命中的每一天都沒(méi)有虛度。百度百科第6頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四彈性變形是可逆的，物體在變形過(guò)程中所貯存起來(lái)的能量在卸載過(guò)程中將全部釋放出來(lái)，物體的變形可完全恢復(fù)到原始狀態(tài)這就是說(shuō)，如已知應(yīng)力值，則相應(yīng)的應(yīng)變可唯一地確定。材料在彈塑性階段時(shí)，除了應(yīng)變不可恢復(fù)性之外，應(yīng)力和應(yīng)變不再有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即應(yīng)變的大小和加載的過(guò)程有關(guān)。線性彈性力學(xué)只講討論應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從OA直線段變化規(guī)律的問(wèn)題；塑性力學(xué)則討論材料在屈服后破壞前的彈塑性階段的力學(xué)問(wèn)題。 第7頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分

4、，星期四脆性材料拉伸時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線（鎂合金）典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線第8頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四鎂合金典型材料的斷口形貌鈦合金第9頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四斷口形貌與塑性關(guān)系準(zhǔn)解理斷裂-脆性材料韌窩斷裂-塑性材料第10頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四2.1.2單晶體的塑性變形金屬一般是由許多位向不同的晶粒組成，晶粒之間存在晶界，因此發(fā)生變形包括晶內(nèi)變形和晶間變形。晶內(nèi)變形 晶內(nèi)變形包括滑移與孿生兩種 單晶體變形 第11頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四單晶試棒拉伸實(shí)驗(yàn)1滑移 所謂滑移是指晶體

5、（此處可理解為單晶體或構(gòu)成多晶體中的一個(gè)晶粒）在力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于晶體的另一部分發(fā)生相對(duì)移動(dòng)或切變。這些晶面和晶向分別稱(chēng)為滑移面和滑移方向。滑移的結(jié)果使大量原子逐步地從一個(gè)穩(wěn)定位置移到另一個(gè)穩(wěn)定位置，產(chǎn)生宏觀的塑性變形。 a-拉伸前；b-拉伸后第12頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四滑移要點(diǎn)：(1) 滑移沿晶體內(nèi)原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。一種滑移面和一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)“滑移系”。晶體結(jié)構(gòu)滑移面滑移方向滑移系數(shù)目面心立方111*4*312體心立方110*612112*1212123*2424密排立方0001310-10310-116三種晶

6、體結(jié)構(gòu)金屬的滑移系第13頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四 (2) 滑移只能在切應(yīng)力作用下發(fā)生 滑移系的存在說(shuō)明金屬晶體產(chǎn)生滑移的可能，要使滑移發(fā)生需要有一定大小作用力。第14頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四 (3)滑移時(shí)晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿滑移方向位移的距離為原子間距的整倍數(shù)，滑移結(jié)果會(huì)在晶體表面造成臺(tái)階，在其表面出現(xiàn)滑移痕跡（滑移帶、滑移線）。 圖1 單晶試棒拉伸實(shí)驗(yàn)a-拉伸前 b-拉伸后圖2 滑移線和滑移帶d-100 S-1000原子間距第15頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四為什么說(shuō)面心立方比體心立方晶體變形更

7、容易？面心立方致密度比體心立方大；塑性變形時(shí)晶體中固有滑移系并不同時(shí)開(kāi)動(dòng)，只有滑移系上的分切應(yīng)力達(dá)到臨界值才會(huì)滑移。塑性變形除了與滑移系多少有關(guān)，還與雜質(zhì)對(duì)變形的影響、加工硬化，屈服強(qiáng)度大小等相關(guān)；體心立方晶體塑性變形主要由螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)決定（面心立方晶體由刃位錯(cuò)決定），在相同情況下，螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度比刃位錯(cuò)慢很多，有文獻(xiàn)報(bào)道至少慢了25倍以上。第16頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四晶體剛性滑移示意圖20世紀(jì)20年代 弗蘭克爾金屬理論剪切強(qiáng)度:103MPa到104MPa金屬實(shí)際剪切強(qiáng)度:0.5MPa到10MPa？第17頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四

8、晶體中通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成滑移的示意圖G.L. TaylorM.PloanyiE.Orowan位錯(cuò)（dislocation)30年代提出50年代證實(shí)滑移的本質(zhì)：位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和不斷增殖第18頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四DISLOCATIONS DURING COLD WORKDislocations entangle with one another during cold work.Dislocation motion becomes more difficult.Adapted from Fig. 4.6, Callister 6e.(Fig. 4.6 is cour

9、tesy of M.R. Plichta, Michigan Technological University.)第19頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四孿生孿生是晶體在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面（稱(chēng)為孿生面）和一定的晶向（稱(chēng)為孿生方向）發(fā)生均勻切變。孿生變形后，晶體的變形部分與未變形部分構(gòu)成了鏡面對(duì)稱(chēng)關(guān)系，鏡面兩側(cè)晶體的相對(duì)位向發(fā)生了改變。這種在變形過(guò)程中產(chǎn)生的孿生變形部分稱(chēng)為“形變孿晶”，以區(qū)別于由退火過(guò)程中產(chǎn)生的孿晶。與滑移過(guò)程相似，孿生也是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每層晶面與它相鄰晶面沿孿生方向移動(dòng)小于一個(gè)原子間距的距離。 第20頁(yè)，共44頁(yè)，2022年

10、，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四第21頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四滑移和孿生的異同點(diǎn)？ 相同點(diǎn)： 1. 都是由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的； 2. 在切應(yīng)力作用下. 區(qū)別： 1. 滑移方向移動(dòng)距離是原子整數(shù)倍，孿生是原子的相對(duì)切變距離小于孿生方向上一個(gè)原子間距 ； 2.滑移時(shí)晶體位向不變，而孿晶位向發(fā)生變化，與未變形部分形成鏡面對(duì)稱(chēng); 3.所需臨界切應(yīng)力孿生比滑移大得多.第22頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四 金屬晶體究竟以何種方式進(jìn)行塑性變形，取決于哪種方式變形所需的切應(yīng)力為低。在常溫下，大多數(shù)體心立方金屬滑移的臨界切應(yīng)力小于孿生的臨界切應(yīng)力，所以滑移是

11、優(yōu)先的變形方式，只在很低的溫度下，由于孿生的臨界切應(yīng)力低于滑移的臨界切應(yīng)力，這時(shí)孿生才能發(fā)生。對(duì)于面心立方金屬，孿生的臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)比滑移的大，因此一般不發(fā)生孿生變形，但在極低溫度（478K）或高速?zèng)_擊載荷下，也不排除這種變形方式。再者，當(dāng)金屬滑移變形劇烈進(jìn)行并受到阻礙時(shí)，往往在高度應(yīng)力集中處會(huì)誘發(fā)孿生變形。孿生變形后由于變形部分位向改變，可能變得有利于滑移，于是晶體又開(kāi)始滑移，二者交替他進(jìn)行。至于密排六方金屬，由于滑移系少，滑移變形難以進(jìn)行，所以這類(lèi)金屬主要靠孿生方式變形。第23頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四鎂合金鎂合金AZ31板材組織焊縫組織孿生變形變形組織第24頁(yè)

12、，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四2.1.3多晶體的塑性變形金屬一般是由許多位向不同的晶粒組成，晶粒之間存在晶界，因此發(fā)生變形包括晶內(nèi)變形和晶間變形。多晶體的滑移 由于多晶體中每個(gè)晶粒所處的位向不同，決定了金屬的塑性變形將會(huì)在不同晶粒中逐批發(fā)生，是個(gè)不均勻塑性變形過(guò)程。第25頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四晶間變形晶間變形主要是晶粒之間的相對(duì)滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)。由于晶粒所處的位向不同，其變形情況和難易程度也不同。在冷態(tài)變形條件下，多晶體的塑性變形主要是晶內(nèi)變形，晶間變形只起次要作用，而且需要有其他變形機(jī)制相協(xié)調(diào)。這是由于晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)，其變形比晶內(nèi)變形的困

13、難。還由于晶粒在生成過(guò)程中，各晶粒相互接觸形成犬牙交錯(cuò)狀態(tài)，造成對(duì)晶界滑移的機(jī)械阻礙作用，如果發(fā)生晶界變形，容易引起晶界結(jié)構(gòu)的破壞和裂紋的產(chǎn)生，因此晶間變形量只能是很小的。綜上所述，多晶體塑性變形的特點(diǎn)，一是各晶粒變形的不同時(shí)性；二是各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性；三是晶粒與晶粒之間和晶粒內(nèi)部與晶界附近區(qū)域之間變形的不均勻性。第26頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四2.1.4塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響(1)晶粒沿變形方向拉長(zhǎng)，性能趨于各向異性 金屬經(jīng)冷加工變形后，其晶粒形狀也將發(fā)生變化，變化趨勢(shì)大體與金屬宏觀變形一致，若變形程度很大，則晶粒呈現(xiàn)為一片如纖維狀的條紋，稱(chēng)為纖維組織

14、，纖維組織使金屬在性能上具有了方向性，對(duì)金屬變形后的質(zhì)量有明顯影響，金屬在縱向（平行于纖維方向）強(qiáng)度、韌性遠(yuǎn)大于橫向（垂直于纖維方向）。第27頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四純鐵200倍純鋁200倍第28頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四純鐵 變形量0%純鐵 變形量20%純鐵 變形量20%純鐵 變形量68%第29頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四(2) 位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生加工硬化 概念：隨著變形的發(fā)生，晶體內(nèi)的位錯(cuò)不斷增殖、相互纏結(jié)，晶體內(nèi)產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)，使位錯(cuò)難以越過(guò)這些障礙而被限制在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，要使金屬繼續(xù)產(chǎn)生變形，就必須

15、不斷增加外力以克服位錯(cuò)之間的交互作用力，從而導(dǎo)致金屬的塑性變形抗力迅速增大，即金屬的強(qiáng)度、硬度增加，而塑性、韌性降低，產(chǎn)生所謂“加工硬化”現(xiàn)象。 意義：加工硬化是是強(qiáng)化金屬的重要途徑，例如，自行車(chē)鏈條；也有不利的一面，如冷軋材料時(shí)，由于加工硬化現(xiàn)象，會(huì)增加后序冷軋工藝的動(dòng)力消耗。需要在冷變形過(guò)程中增加中間處理，增加了金屬制品的生產(chǎn)成本,延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。 影響：塑性變形除了影響金屬的機(jī)械性能外，還會(huì)使金屬的物理性能及化學(xué)性能發(fā)生變化，如電阻增加，抗腐蝕性降低。第30頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四發(fā)生加工硬化時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：=nn 為加工硬化指數(shù)，0.1-0.5，

16、反應(yīng)加工硬化的強(qiáng)弱第31頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四隨著變形程度的增加，力學(xué)性能變化純金屬及某些不能通過(guò)熱處理方法強(qiáng)化的合金，如低碳鋼、純銅、防銹鋁、奧氏體不銹鋼、高錳鋼等，可通過(guò)冷拔、冷軋、冷擠壓等工藝來(lái)提高其強(qiáng)度和硬度。但在冷軋薄鋼板、冷拉細(xì)鋼絲及多道拉深的過(guò)程中，也會(huì)由于加工硬化造成后道加工的困難, 甚至開(kāi)裂。故應(yīng)在工序間穿插熱處理工藝來(lái)消除加工硬化。第32頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四位錯(cuò)密度與材料強(qiáng)度的關(guān)系退火態(tài)金屬：104-107根/厘米冷加工：1012-1013根/厘米位錯(cuò)密度：通常以通過(guò)單位面積上的位錯(cuò)線的根數(shù)來(lái)衡量，稱(chēng)為位

17、錯(cuò)密度。 第33頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究證明，發(fā)現(xiàn)金屬的強(qiáng)度與其中位錯(cuò)位錯(cuò)密度之間的關(guān)系如下圖所示。從圖中看到，密度之間的關(guān)系金屬的位錯(cuò)密度在某一數(shù)值左右（通常為 106108cm-2）時(shí)，強(qiáng)度最低，相當(dāng)于金屬的退火狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上增加位錯(cuò)密度或降低位錯(cuò)密度都是提高金屬?gòu)?qiáng)度的有效途徑。利用加工硬化等方法增加值錯(cuò)密度這一途徑早已應(yīng)后于工業(yè)中順利用降低位錯(cuò)密度這一更為有效的途徑則不過(guò)是近二十年來(lái)才受到高度重視。目前還不能制得大尺寸低位錯(cuò)密度的金屬，而只能制出一些極細(xì)的金屬須或細(xì)絲，將其編織成較大尺寸的材料或混到某些材料中制成復(fù)合材料。隨著工業(yè)

18、技術(shù)的發(fā)展，若一旦制得較大尺寸的低位借密度金屬，則金屬?gòu)?qiáng)度的大幅度提高，肯定是大有前途的。第34頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四(3)織構(gòu)現(xiàn)象的產(chǎn)生 伴隨著金屬發(fā)生塑性變形，內(nèi)部晶粒的晶格位向也將會(huì)沿變形的方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)變形量很大時(shí)（70-90%），多晶體中原為任意取向的各晶粒，會(huì)逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致。這種由于變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織稱(chēng)為織構(gòu)，也稱(chēng)變形織構(gòu)?？棙?gòu)不是描述晶粒的形狀，而是描述多晶體中晶粒取向的特征。 實(shí)際上，變形金屬的晶粒取向只能是趨向于這種取向，一般是隨著變形程度的增加，趨向于這種取向的晶粒就越多，織構(gòu)構(gòu)特征就越明顯。織構(gòu)的形成對(duì)金屬材料

19、的加工工藝有很大的影響。金屬中變形織構(gòu)的形成，會(huì)使各種性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性，甚至退火也難以消除 第35頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四晶粒取向 具有擇優(yōu)取向的晶體組織變形織構(gòu)第36頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四形變織構(gòu)的兩種主要形式絲織構(gòu)（拔絲）拉拔時(shí)各晶粒中的某一方向都趨于平行拉拔方向。用平行于拉拔軸的晶向指數(shù)uvw表示。第37頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四形變織構(gòu)的兩種主要形式板織構(gòu)（軋制）板材軋制時(shí)各晶粒中的某一指數(shù)晶面均趨于平行軋制面，各晶粒中的某指數(shù)晶向都趨于平行軋制方向。用該晶面指數(shù)(hkl)和晶向指數(shù)uvw來(lái)表示板織構(gòu)。第38頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四“制耳”現(xiàn)象深沖件上的制耳第39頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)21分，星期四形變織構(gòu)的利與弊？1.例如制造汽車(chē)外殼的深沖薄鋼板，存在一般織構(gòu)將使其變形不均勻,產(chǎn)生皺紋,甚至發(fā)生破裂；但具有1 1