第二篇第十三章金属塑性成形的物理基础第一节绪论一、金属塑性成形的特点同时，由于金属塑性变形后性能提高，在相同服役条件下，零件的截面可以减小。材料利用率高金属塑性成形主要靠金属的体积转移来获得一定的形状和尺寸，无切削，只有少量的工艺废料，因此材料利用率高，一般可达75%～85%，最高可达98%以上。尺寸精度高精密锻造、精密挤压、精密冲裁零件，可以达到不需机械加工就可以使用的程度。二、塑性成形工艺的分类轧制三、塑性变形成形理论的发展概况四、本课程的任务掌握应力、应变、应力应变关系和屈服准则等塑性理论基础知识，以便对变形过程进行应力应变分析，并寻找塑性变形物体的应力应变分布规律；掌握塑性成形时的金属流动规律和变形特点，分析影响金属塑性流动的各种因素，以合理地确定坯料尺寸和成形工序，使工件顺利成形；掌握塑性成形力学问题的各种解法及其在具体工艺中的应用，以便确定变形体中的应力应变分布规律和所需的变形力和功，为选择成形设备和设计模具提供依据。第二节金属在冷态下的塑性变形晶界：晶粒之间为晶界，晶界表现出许多与晶粒内部不同的性质；如：室温时晶界的强度和硬度高于晶内，高温时则相反；晶界中原子的扩散速度比晶内原子快得多；晶界的熔点低于晶内；晶界容易被腐蚀等。多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶界变形。二、金属冷态下的塑性变形机理图13-3滑移方向与滑移面2．孪生孪生变形：在切应力的作用下，晶体的变形部分与未变形部分形成以孪晶面为分界面成镜面对称的位向关系孪生变形所需的切应力大于滑移变形时所需的切应力。所以，滑移是优先发生的变形方式。发生孪生变形的条件主要与晶体结构、变形温度和变形速度有关：密排立方和体心立方的金属易发生孪生变形，一般在冲击载荷和较低温度下易发生孪生变形。如密排立方（锌、镁）——常温、慢速拉伸体心立方（铁）——室温、冲击载荷或低温、不太大的变形速率面心立方（纯铜）——特别低的温度（-230℃）注：孪生变形引起的变形量是较小的，因此，晶体的塑性变形主要依靠滑移变形。（二）晶间变形多晶体的滑移（三）晶界变形低温时，晶界处原子排列极不规则，并聚集着较多的杂质原子，使滑移受到阻碍，变形阻力较大。其次，由一个晶粒到另一个晶粒的位向有突变，即晶界处晶粒的结构是不连续的，因此，晶界处各晶粒相互制约晶界变形困难。多晶体金属的晶粒越细，单位体积内的晶界面积越大，滑移在相近的晶粒间传播所需要的能量越多，塑性变形抗力大，强度较高；而且单位体积内位向有利的晶粒也越多，变形分布较均匀，塑性较好。因此，细晶金属不容易产生裂纹，发生裂纹后也不容易扩展，因此细晶金属的韧性也较好。这就是可以通过细化晶粒来提高金属材料综合性能的原因。三、合金的塑性变形（一）单相固溶体合金的塑性变形（二）多相合金的塑性变形弥散强化：第二相以细小质点的形式存在而使合金显著强化的现象称弥散强化。一方面，相界（即晶界）面积显著增多并使周围晶格发生显著畸变，从而使滑移阻力增加。另一方面，第二相质点阻碍位错的运动。因此，粒子越细，弥散分布越好，强化的效果越好。两相合金的显微组织四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响变形后拉拔形成的丝结构（二）对金属性能的影响加工硬化：在常温状态下，金属的流动应力随变形程度的增加而上升。为了使变形继续下去，就需要增加变形外力或变形功。这种现象称为加工硬化。这主要是由于塑性变形引起位错密度增大，导致位错之间交互作用增强，大量形成缠结、不动位错等障碍，形成高密度的“位错林”，使其余位错运动阻力增大，于是塑性变形抗力提高。加工硬化的两面性：一方面，它能提高金属的强度，可作为强化金属的一种手段（形变强化）；还可以改善一些冷加工工艺性能，使塑性变形能够较均匀地分布于整个工件；另一方面，它又增加了变形的困难，提高了变形抗力，甚至降低了金属的塑性。注：加工硬化既是金属塑性变形的特征，也是强化金属的重要手段。第三节金属的热塑性变形一、热塑性变形时金属的软化过程1、回复和再结晶1．静态回复在回复阶段，金属的强度、硬度有所下降，塑性、韧性有所提高；但显微组织没有发生明显的变化，因为在回复温度范围内，原子只在晶内作短程扩散，使点缺陷和位错发生运动，改变了数量和状态的分布。低温回复（0.1～0.3）Tm时，回复的主要机理是点缺陷运动和互相结合，使点缺陷的浓度下降。中温回复（0.3～0.5）Tm时，位错发团内部位错重新组合和调整、位错运动和异号位错互毁，导致位错发团厚度变薄，位错网络清晰，晶界位错密度下降，亚晶缓慢长大。高温回复发生时（T>0.5Tm），发生位错攀移，亚晶合并和多边形化现象。２．静态再结晶图13-15回复和再结晶对金属组织和性能的变化表13-1回复、再结晶和晶粒长大的特点