1、第二章金屬的塑性和塑性形變，2.1塑性形變的實質(zhì)2.2塑性形變后金屬組織和性能的變化2.3金屬的鍛造性能，2.1塑性形變的實質(zhì)1，基本概念1 .應力是指外力作用于物體內(nèi)各質(zhì)點間的力。 單位面積的內(nèi)力稱為應力。 應力可分解為兩個分量，一個垂直于作用面，稱為正應力，另一個平行于作用面，稱為剪應力，用表示。 2 .塑性形變金屬因外力而在內(nèi)部產(chǎn)生應力。 這個應力迫使原子離開原來的平衡位置，改變原子之間的相互距離，使金屬變形，提高原子的位置。 當應力低于該金屬的彈性極限時，應力和應變呈線性關系，當外力消失時，變形也消失，這種變形稱為彈性變形。 當應力超過材料的屈服極限時，即使外力消除，變形也不會完全消失

2、，消失的只有彈性變形部分，大部分變形殘留，這部分的永久變形稱為塑性形變。 e:彈性極限點c:屈服極限點b:強度極限點圖2-1低碳鋼的拉伸圖，3 .單晶點聚集在同一組的單晶格中，構成金屬單晶。 4 .多晶體由許多不同取向的晶粒組合而成，稱為金屬多晶體。 二、單晶塑性形變單晶的塑性形變主要以滑動和孿生子兩種方式進行。 1 .滑坡金屬塑性變形最常見的方式是滑坡。 晶體在剪應力的作用下，一部分原子相對于另一部分原子在某晶面和該晶面中的某晶方向上相對滑動，產(chǎn)生原子的排列偏移的現(xiàn)象。 該晶面和晶體稱為滑移面和滑動方向。 如圖2-2所示，圖2-2的單晶的剪切應力引起的滑動變形由各自的滑移面和其上的滑動方向構

3、成滑動系統(tǒng)。 一般來說，金屬晶體中的滑移系越多，塑性越好。 單晶的滑動變形除了晶體內(nèi)的兩個部分在剛性整體上相對滑動外，晶體內(nèi)部的位錯缺陷的運動容易滑動，而且位錯運動所需的剪應力遠小于剛性整體滑動所需的剪應力。 如圖2-3所示，位錯移動到晶體表面時，在晶體上產(chǎn)生塑性形變。 圖2-3重排運動實現(xiàn)滑移的過程，2 .孿生子是指晶體內(nèi)的一部分原子相對于另一部分原子沿某晶面旋轉(zhuǎn)，未旋轉(zhuǎn)的部分和未旋轉(zhuǎn)的部分的原子呈鏡面對稱排列。 如圖2-4所示。 圖2-4單晶剪切應力引起的孿生子變形，三、多晶塑性形變多晶體的塑性形變，粒內(nèi)變形與粒間變形均已完成。 如圖2-5所示。 圖2-5的多晶體的塑性形變的示意圖是，在外

4、力的作用下，位錯運動首先在晶格位置有利于滑移的晶粒內(nèi)發(fā)生，其次在晶格位置不利于滑移的晶粒內(nèi)進行。 與此同時，各晶粒間的相互牽制阻礙晶粒間的滑動和旋轉(zhuǎn)，最初的滑動的晶粒位逐漸不利而停止滑動。 另一個晶粒的取向有利于開始滑動。 因此，多晶體的塑性形變經(jīng)常分批進行，由少數(shù)晶粒的變形向多數(shù)乃至整個晶粒的變形擴大，由不均勻的變形向比較均勻的變形發(fā)展。 由于多晶體含有很多晶界，晶界附近的原子排列紊亂，雜質(zhì)多，滑動向晶界發(fā)展時必然受到阻礙，因此多晶體的變形阻力大。 在晶粒越細，晶界越多，變形阻力也越大的云同步中，晶粒越細，晶粒的數(shù)量越多，變形量由更多的晶粒分配，變形變得更均勻。 因此，細晶粒的金屬不僅強度高

5、，而且具有很高的塑性和韌性。2.2塑性形變后的金屬組織和性能的變化，一、加工硬化1 .加工硬化金屬在室溫下塑性形變，內(nèi)部的晶粒向變形最大方向延伸旋轉(zhuǎn)，結(jié)晶內(nèi)變位密度上升，由于晶格應變和晶粒破碎，進而引起滑動變形的阻力增加，金屬的強度、硬度上升，塑性、韌性降低的現(xiàn)象。 也稱為冷作硬化。 2、加工硬化的優(yōu)缺點：加工硬化是強化金屬的重要方法之一。 冷拔、冷連軋、冷擠壓等工藝可以提高金屬或合金的強度和硬度。 缺點：在冷軋薄板、冷拉絲細鋼絲及多道拉深過程中，加工硬化會導致后道加工困難，進而導致開裂報廢。 二、回復和再結(jié)晶加工硬化是不穩(wěn)定的現(xiàn)象，加熱硬化后，回復、再結(jié)晶和晶粒長大現(xiàn)象相繼發(fā)生，金屬的組織和

6、性能也發(fā)生變化。 如圖2圖6所示。圖2-6硬化金屬加熱時的組織和性能的變化、1 .恢復：將發(fā)生加工硬化的金屬加熱到絕對溫度t次=(0.250.3)T熔融(k )以上，原子得到的熱能使原子恢復到正常的排列位置，消除晶格應變，減少內(nèi)部應力，部分消除加工硬化，減少強度、硬度在生產(chǎn)中，多利用恢復來消除加工硬化后的工件殘留應力。 2 .再結(jié)晶再結(jié)晶：將加工硬化的金屬進一步加熱到絕對溫度t匝=0.4T熔融(k )以上，原子具有一盞茶的擴散能力，變形晶粒的晶界和結(jié)晶在高應變區(qū)再生核，生長，形成新的微小的等軸晶粒(晶格類型不變)，從而完全消除加工硬化的現(xiàn)象經(jīng)過再結(jié)晶，金屬的綜合力學性能明顯提高。 但是，再結(jié)晶

7、過程結(jié)束后，如果升溫和保溫時間過長，微細均勻的再結(jié)晶組織會發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象，最終變成粗大的晶粒組織，塑性降低，鍛壓性能惡化。 因此，必須嚴格控制生產(chǎn)中、再結(jié)晶退火的加熱溫度和保溫時間，以及熱鍛時的最終溫度。 三、冷變形和熱變形1 .冷變形冷變形：金屬在再結(jié)晶溫度以下進行的塑性形變。 變形的金屬只有加工硬化組織。 變形量不能太大。 因為容易破裂。 冷變形金屬表面粗度低，尺寸正確，硬度和強度高。 因此，冷變形常被用于對加工后的原材料進行再加工，以提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量和性能。 常用的冷變形方法：冷沖壓、冷沖壓、冷鐓定徑套、冷連軋、冷拔等。 2 .熱變形熱變形：金屬在再結(jié)晶溫度以上的塑性形變。 在變形過

8、程中加工硬化和再結(jié)晶交替進行，變形的金屬一般只具有再結(jié)晶組織，沒有加工硬化現(xiàn)象。 熱變形時金屬可以達到較大的變形，得到具有較高力學性能的再結(jié)晶組織。 常用的熱變形方法：鍛造、熱擠壓、熱軋等。 四、鍛造流線和鍛造比1 .鍛造流線鍛造流線：在塑性形變過程中，金屬原材中的塑性夾雜物(MnS、FeS等)與晶粒一起向最大變形方向延伸，脆性夾雜物(FeO、SiO2等)呈鏈狀裂紋分布。 再結(jié)晶的話，伸長的結(jié)晶粒返回等軸細的結(jié)晶粒，夾雜物殘留在伸長的方向，形成永久的點狀或鏈狀的鍛造流線(也稱為纖維狀組織)。 鍛造流線的化學穩(wěn)定性高，用熱處理和其他方法無法消除，只能通過重新鍛壓來改變流線的方向和分布狀況。 鍛流

9、線的存在是鍛壓材力學性能的各異性，即平行于流線方向的強度、塑性、韌性高于垂直于流線方向。 因此，零配件的設計和制造必須考慮鍛造流線的合理分布。 盡量不要將流線的方向?qū)柿闩浼妮喞袛?，要使零配件受到的最大正應力的方向與流線的方向一致，最大切線的應力的方向必須與流線的方向垂直。 如圖2-7所示。圖2-7的鍛造流線的合理分布，2 .鍛造比鍛造流線的明顯程度與金屬的變形程度有關。 變形程度越大，鍛造流線越顯山露水。 鍛造比：表示鍛壓加工時金屬不變形程度大小的物理量。 用常用的y鍛煉來表示。 拔長時：鐓粗時：式中： F0，F(xiàn)-在坯料變形前后的橫截面積H0，H-在坯料變形前后的高度鍛造坯料時，根據(jù)零配

10、件的力學性能要求選擇合適的鍛造比。 2.3金屬的鍛造性能，一、鍛造性能的定義鍛造性能是指金屬材料的鍛壓成形的容易度，也稱為鍛性。 二、影響鍛造性能的因素影響鍛造性能的因素有金屬的本質(zhì)和塑性成形條件兩種。 1 .金屬的本質(zhì)1 )化學成分：不同化學成分的金屬鍛造性能不同。 純金屬的鍛造性能優(yōu)于合金的合金元素體種類、含量越多，鍛造性能越差。 2 )金屬組織：同一成分的合金，如果組織架構不同，鍛造性能也不同。 單相組織好于多相，鋼中碳化物分散分布好于網(wǎng)狀分布，晶粒微細的組織好于粗大的組織。 2、工藝條件1 )變形溫度：溫度越高，原子活動能力越大，滑移所需的應力越小，因此變形阻力降低，塑性增加，因此加熱有助于提高鍛造性能，但加熱不當會產(chǎn)生氧化、脫碳、過熱等缺陷，導致產(chǎn)品因過燒而廢棄。 因此，金屬的變形必須嚴格控制在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。 2 )變形速度：采用通常的鍛壓方法，隨著變形速度的增加，