材料塑性成型原理.ppt

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1、材料塑性成形原理Principle of Plastic Deformation in Material Processing,绪 论,金属塑性加工的用途、目的与定义塑性加工的方式及其分类、特点几个基本概念（弹性、塑性变形的力学特征）塑性加工技术与理论基础的关系塑性加工技术的发展趋势本课程主要内容及与其它课程的关系教学计划与参考书,塑性加工的用途,产品轻量高强化，高附加值用于结构件与外饰件，系国民经济支柱产业,塑性加工的用途,金属塑性加工的方式,金属塑性加工的方式,金属压力加工,金属压力加工,金属压力加工,金属压力加工,汽车制造,汽车制造,波音777组装,塑性加工的定义,材料在外力作用下，利用

2、其塑性而产生塑性变形，成为满足一定形状和组织性能要求的产品的加工方法称为塑性成形，也称压力加工。,金属塑性成形的分类,塑性成形的种类有很多,分类方法可按以下四方面进行分类：（1）按工件的受力与变形方式（2）按工件的加工温度热成形在充分进行再结晶的温度以上所完成的加工如热轧、热锻、热挤压等；冷成形在不产生回复和再结晶的温度以下进行的加工，如冷轧、冷冲压、冷挤压、冷锻等：温成形在介于冷、热成形之间的温度下进行的加工，如温锻、温挤压等。（3）能量场种类：激光无模成型、爆炸成型、液压/吹塑胀形（4）材料热力学状态：连铸连轧、半固态成型、喷射成型。,体积成形 锻造 通过金属体积的转移和分配来进行塑性成形

3、 自由锻：锻件精度低，生产率不高，适于单件、小批量生产或大型锻件生产,金属塑性加工的方式,模锻（开式模锻、闭式模锻)：锻件外形和尺寸精度高，生产率高，适于大批量生产,开式模锻,闭式模锻,金属塑性加工的方式,体积成形 轧制：使金属锭料或坯料通过两个旋转轧辊间的直线或异型的特定空间来获得一定截面形状的材料，使大截面材料变成了小截面材料，可生产型材、板材等。,绪 论,金属塑性加工的方式,体积成形 拉拔：将中等截面坯料拉过有一定形状的模孔来获得小截面材料，可生产棒材、管材和线材。,金属塑性加工的方式,体积成形 挤压：将在筒体中的大截面坯料或锭料一端加压，使金属从模孔中挤出，从而获得符合模孔截面形状的小

4、截面材料。在挤压成形过程中，材料受到较大的三向压应力作用，适于生产低塑性材料的型材和管材。,金属塑性加工的方式,板料成形 分离工序(落料、冲孔）成形工序（弯曲、拉深）,冲裁,拉深,金属塑性加工的方式,金属塑性成形的特点,(1)可改善金属的组织与性能;(2)几乎无切屑,材料利用率高;(3)尺寸精度高,不少成形方法 已达到少或无切削的要求;(4)生产效率高，适于大批量生产。,弹性(elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性塑性(plasticity)：在外力作用下使材料发生稳定、持久变形而不破坏其完整性的能力，不可逆性,基本概念,可逆性：弹性变形可逆；塑性变形不可逆-关系：弹性变形线性

5、；塑性变形非线性与加载路径的关系：弹性无关；塑性有关对组织和性能的影响：弹性变形无影响；塑性变形影响大（加工硬化、晶粒细化、位错密度增加、形成织构等）变形机理：弹性变形原子间距的变化；塑性变形位错运动为主弹塑性共存：整体变形中包含弹性变形和塑性变形；塑性变 形的发生必先经历弹性变形；在材料加工过程中，工件的塑性变形与工模具的弹性变形共存。,弹性、塑性变形的力学特征,主应力法 滑移线法 上限法 有限元法,金属塑性成形问题的求解方法,主应力法（初等解析法）从塑性变形体的应力边界条件出发，建立简化的平衡方程和屈服条件，并联立求解，得出边界上的正应力和变形的力能参数，不考虑变形体内的应变状态。,金属塑

6、性成形问题的求解方法,滑移线法 假设材料为刚塑性体，在平面变形状态下，塑性变形区内任一点存在两族正交的滑移线族，结合边界条件可解出滑移线场和速度场，从而求出塑性变形区内的应力状态和瞬时流动状态，计算出力能参数。,金属塑性成形问题的求解方法,上限法 从变形体的速度边界条件出发，对塑性变形区取较大的单元，根据极值原理，求出塑性变形能为极小值时满足变形连续条件和体积不变条件时的动可容速度场，计算出力能参数，不考虑塑性变形区的应力状态是否满足平衡方程。,金属塑性成形问题的求解方法,有限元法 将连续体离散为有限个单元的组合体，单元之间用节点连接，在每个单元内假设近似函数即插值函数来分片表示系统的求解场函

7、数，插值函数由节点值确定，单元之间的作用由节点传递，建立物理方程，对全部单元的组合体进行数值计算，可求出变形体内的应变、应力等场变量以及力能参数。,金属塑性成形问题的求解方法,材料成形问题的复杂性,非线性 几何非线性 物理非线性 状态非线性,多物理场耦合 变形 热传导,模具和工艺的复杂性 复杂几何形状 多工序,材料组织性能变化 相变、再结晶 织构 损伤,汽车覆盖件冲压成形过程模拟板料液压成形过程模拟弯管成形过程模拟五金级进模零件成形过程模拟金属锻造成形过程模拟金属拉拔成形过程模拟.,材料成形计算机模拟应用,翼子板零件拉深成形后、切边前的几何模型，投影尺寸为：长1470 mm宽706 mm高80

8、0 mm，厚0.8 mm。,1.3,汽车翼子板拉深过程有限元分析,1.3,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过

9、程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过

10、程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,汽车翼子板拉深过

11、程有限元分析,汽车翼子板拉深过程有限元分析,4,均质材料凹模等效应力的演变,汽车翼子板拉深过程有限元分析,(a)均质材料凹模等效应力分布(b)各追踪点的等效应力,4,梯度材料凹模基体等效应力的演变,(a)凹模基体等效应力分布(b)各追踪点的等效应力,汽车翼子板拉深过程有限元分析,4,均质材料凸模等效应力的演变,(a)均质材料凸模等效应力分布(b)各追踪点的等效应力,4,梯度材料凸模等效应力,(a)梯度材料凸模等效应力分布,汽车翼子板拉深过程有限元分析,与其它学科的区别,与其它材料力学、结构力学的区别：弹塑性力学的研究对象是整体（而不是分离体）变形体内部的应力、应变分布规律（而不是危险端面）。与

12、金属学的区别：将宏观变形力学条件/行为与微观组织性能联系起来,塑性成形技术需解决的基本问题,设备参数选择力能 形状尺寸精度控制运动与变形学成形性、组织性能控制物理化学 为学习后续的工艺课程作理论准备，也为合理制订塑性成形工艺规范及选择设备、设计模具奠定理论基础。,塑性加工发展趋势,极大、极小优质近无缺陷、终极性能；绿色短流程、省能化；精密近无余量成形；智能化设计和制造信息数字化,本领域的主要研究课题,1)如何提高产品外形尺寸精度；2)降低力、能消耗以及掌握力能参数计算方法；3)如何改善产品的组织性能和表面质量；4）如何建立工艺参数数学模型，以适应汁算机控制，使工艺过程最佳化：5)如何改善难变形

13、钢与合金的塑性；6)如何采用新工艺和新技术，以扩大钢材品种和加工成形效率。,本课程的基本任务,1)阐明金属塑性变形的物理基础，即从微观上研究塑性变形的机理以及变形条件对塑性和变形抗力的影响，以便使工件在成形时获得最佳的塑性状态、最高的变形效率和优质的性能。2)阐明金属塑性变形的力学基础，即掌握金属塑性变形体内的应力场、应变场、应力一应变之间关系、塑性变形时的力学条件等塑性理论基础知识。在此基础上，分析研究塑性成形力学问题的各种解法及其在具体工艺中的应用从而科学地确定变形体内的应力、应变分布规律及所需的变形力和变形功，为选择成形设备吨位和设计模具提供依据，并为降低变形力指明方向。3)阐述金属塑性

14、成形时的流动规律和变形特点，以便确定合理的坯料尺寸和成形工艺，使工件顺利成形。,本课程的基本要求,1熟悉和掌握塑性加工过程中金属变形的微观与宏观的基本规律，以及各种基本变形力学方程，能推导典型塑性加工问题的应力与应变计算公式。2掌握金属在塑性加工过程中组织性能的变化及金属的塑性、变形抗力、断裂等与加工条件的关系。能按照要求或给定公式进行变形程度、应变速度、工件尺寸与变形力能参数等计算。3根据所学知识，从金属的应力应变状态、材料流动、产品质量、能耗等方面，分析工艺与模具设计的合理性。,第一章 绪论 第二章 金属塑性变形的物理本质第三章 金属塑性变形的力学基础 第四章 金属塑性成形中的摩擦第五章

15、塑性加工中的流动与变形规律 第六章 主应力法及其应用,主要参考资料,【1】李尧：金属塑性成形原理【2】陈森灿：金属塑性加工原理【3】彭大署：金属塑性成形原理【4】俞汉清，陈金德：金属塑性成形原理【5】赵志业等：金属塑性加工原理及轧制理论,第二章 金属塑性变形的物理本质,金属塑性加工原理 Principle of Plastic Deformation in Metals Processing,2.1 金属塑性变形的主要机制 2.2 塑性加工中金属的组织与性能 2.3 金属的塑性2.4 金属的超塑性2.5 塑性变形的温度速度效应 2.6 金属的变形抗力,第二章 金属塑性变形的物理本质,2.1 金

16、属塑性变形的主要机制,2.1.1 晶内塑性变形机构 2.1.2 晶间塑性变形机构2.1.3 多晶体变形的特点 2.1.4 合金的塑性变形 2.1.5 变形机构图,2.1.1 晶内的塑性变形机构,滑移面与滑移方向,孪生,滑移与宏观塑性变形的关系,取向因子、硬取向、软取向,2.1.2 晶间的塑性变形机构,1晶粒的转动与移动,2溶解沉积机构,该机构的实质是一相晶体的原子迅速而飞跃式的转移到另一相的晶体中去。保证两相有较大的相互溶解度外，还必须具备下列条件:（1）随着温度的变化或原有相晶体表面及曲率的变化，伴随有最大的溶解度改变。(2）变形时，应具备足够高的温度条件。,3非晶机构,非晶机构是指在一定的

17、变形温度和速度条件下，在应力场和热激活的作用下，多晶体中的原子非同步、连续地发生定向迁移的过程。,2.1.3 多晶体变形的特点,1晶粒内变形的不同时性 与晶粒间变形的相互协调性,（a）变形前（b）变形后,图2-5 多晶体塑性变形的不均匀性,2晶界的作用及晶粒大小的影响,多晶体塑性变形的竹节现象,晶界的作用,在2mm内的延伸率，%,晶粒5,晶粒4,晶粒3,晶粒2,晶粒1,位置，mm,图5-6 多晶铝的几个晶粒各处的应变量。垂直虚线是晶界，线上的数字为总变形量,晶粒大小的影响,常温下，晶粒越细小，塑性变形抗力越大；变形分布越均匀，塑性就越好。,2.1.4 合金的塑性变形,1单相固溶体合金的变形“柯

18、氏气团”与吕德斯带,2多相合金的变形,聚合型，其强度和塑性取决于硬脆相的形态 与相对分布 沉淀强化/弥散强化型，位错的钉扎作用,2.1.5 变形机构图,理论剪切应力,-位错蠕变,扩散蠕变,Nabarro,蠕变,理论剪切应力,位错蠕变,扩散流变,弹性区,变形机制图（a）纯银和（b）锗给出不同变形机制起控制作用的应力-温度区间，两种材料的晶粒尺寸皆为32m以10-8/s的应变速率来确定弹性边界,拉伸应力,拉伸应力,位错蠕变,位错蠕变,2.2 塑性加工中金属的 组织与性能,2.2.1 冷变形 2.2.2 热变形 2.2.3 塑性变形对固态相变的影响,2.2.1 冷变形,1冷变形的概念 2冷变形时金属

19、显微组织变化 3冷变形时金属性能变化,2.2.2 热变形,1)热变形的概念 动态回复，动态再结晶，静态回复，静态再结晶 亚动态再结晶,2)热变形过程中的回复与再结晶,3)热变形对金属组织性能的影响,1）改善晶粒组织2）锻合内部缺陷 3）破碎并改善碳化物和非金属夹杂物 在钢中的分布 4）形成纤维组织5）改善偏析,3热变形对金属组织性能的影响,动态再结晶图及其应用,2.3 金属的塑性,2.3.1 塑性的基本概念 2.3.2 塑性指标及其测量方法2.3.3 影响塑性的因素,2.3.1 塑性的基本概念,什么是塑性？塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性与柔软性的区别是什么？塑性

20、反映材料产生永久变形的能力。柔软性反映材料抵抗变形的能力。,塑性与柔软性的对立统一,铅-塑性好，变形抗力小不锈钢-塑性好，但变形抗力高白口铸铁-塑性差，变形抗力高结论：塑性与柔软性不是同一概念,为什么要研究金属的塑性？,探索塑性变化规律寻求改善塑性途径选择合理加工方法确定最佳工艺制度保证产品质量,2.3.2 塑性指标及其测量方法,塑性指标的测量方法塑性指标,塑性指标,概 念：金属在破坏前产生的最大变 形程度，即极限变形量。表示方法：断面收缩率 延伸率 冲击韧性 最大压缩率 扭转角（或扭转数）弯曲次数,塑性指标的测量方法,拉伸试验法压缩试验法扭转试验法轧制模拟试验法,拉伸试验法,式中：L0拉伸试

21、样原始标距长度；Lh拉伸试样破断后标距间的长度；F0拉伸试样原始断面积；Fh拉伸试样破断处的断面积,压缩试验法,简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定：,式中：压下率；H0试样原始高度；Hh试样压缩后，在侧表面出现第一条 裂纹时的 高度,扭转试验法,对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形（）。,式中：R试样工作段的半径；L0试样工作段的长度；n试样破坏前的总转数。,轧制模拟试验法,在平辊间轧制楔形试件，用偏心轧辊轧制矩形试样，找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压下量作为轧制过程的塑性指标。,2.3.3 影响金属塑性的因素,1)影响塑性的内部因素 2)影响

22、金属塑性的外部因素 3)提高金属塑性的主要途径 4)塑性状态图及其应用,影响塑性的内部因素,1）化学成分（1）杂质（2）合金元素对塑性的影响 2）组织结构,影响金属塑性的外部因素,1)变形温度,塑性指标,温度，K,图5-14 温度对塑性影响的典型曲线,温度，,图5-15 碳钢的塑性随温度变化图,塑性,纯铝,无氧铜,图5-16 几种铝合金及铜合金的塑性图,2)变形速度,表5-1 铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度,3)变形程度4)应力状态,图5-20 脆性材料的各向压缩曲线（a）大理石；（b）红砂石；轴向压力；侧向压力,5)变形状态,图5-24 主变形图对金属中缺陷形状的影响（a）未变形的情况；

23、（b）经两向压缩向延伸变形后的情况；（c）经向压缩两向延伸后的情况,6尺寸因素,力学性能,1,2,体积,图5-25 变形物体体积对力学性能的影响 1塑性；2变形抗力；3临界体积点,提高金属塑性的主要途径,提高塑性的主要途径有以下几个方面：(1)控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；(2)采用合适的变形温度速度制度；(3)选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；(4)避免加热和加工时周围介质的不良影响。,塑性状态图及其应用,概念：表示金属塑性指标与变形 温度及加载方式的关系曲 线图形，简称塑性图。应用：合理选择加工方法 制定冷热变形工艺,确定

24、MB5合金加工工艺规程的原则和方法,MB5属变形镁合金，主要成分为：Al 5.5 7.0%Mn 0.15 0.5%Zn 0.5 1.5%,确定MB5镁合金热加工工艺步骤,根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据相图确定合金的相组成根据塑性图确定热变形温度范围,根据相图确定合金的相组成,温度,图5-2 Mg-Al二元系状态图,从二元相图上获取的信息,T530，合金为液相 T270，合金为两相组织270 T530，合金为单一的 相,铝含量对镁合金力学性能的影响,%b，公斤/毫米2,HB公斤/毫米2,图5-3 镁合金中铝含量对合金机械性能的影响,根据塑性图确定热变形温度范围,试验温度，MB5合金的塑

25、性图k 冲击韧性；M 慢力作用下的最大压缩率；0 弯曲角度C 冲击力作用下的最大压缩率；断面收缩率。,从塑性图上获取的信息,慢速加工，温度为350400时,值和M都有最大值，不论轧制或挤压，都可在此温度范围内以较慢的速度加工。锻锤下加工，在350左右c有突变，变形温度应选择在400450。工件形状比较复杂，变形时易发生应力集中，应根据K曲线来判定。从图中可知，在相变点270附近K突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在250以下进行为佳。,2.5 超塑性,2.5.1 超塑性成形的基本特点 1）拉伸试验延伸率可达百分之几百，甚至百分之几千。2）拉伸试验时，试样均匀变形，在宏观上不出现缩颈现象。

26、3）拉伸试验时，流动应力很低。4）成形过程中基本上没有加工硬化现象，所以超塑性合金的流动性和填充性好，容易成形。,2.5.2 超塑性的分类,1恒温超塑性或第一类超塑性。根据材料的组织形态特点也称之为细晶超塑性。2相变超塑性或第二类超塑性，又称为动态超塑性或变态超塑性3其它超塑性或第三类超塑性。,微细晶粒超塑性具有三个条件：材料具有等轴稳定的细晶组织(通常要求晶粒尺寸在0.5-5m之间)。般而言晶粒越细，越有利于出现超塑性。成形温度T0.5Tm(Tm为材料熔点的热力学温度)且大多低于普通热锻温度，并要求温度恒定。应变速率在10-4-10-2s-1的区间内。,1）微细晶粒超塑性(恒温超塑性或第类超

27、塑性),这类超塑性并不要求材料具有超细晶粒，而是在一定的温度和负荷条件下，经过多次循环相变或同素异构转变获得的。相变超塑性的第一个必要条件是材料具备固态结构转变能力，如某些金属和合金；第二个必要条件是应力作用和在相变温度区内循环加热和冷却，诱发反复的结构变化而产生超塑性。,2）相变超塑性(变态超塑性、转变超塑性或第二类超塑性),非超塑性材料在一定条件下，会出现短时间的细而稳定的等轴晶粒组织，并能显示出超塑性。在消除应力退火过程中，在应力作用下可以得到超塑性。球墨铸铁和灰铸铁经特殊处理也可以得到超塑性。,3）其他超塑性(短暂超塑性或第三类超塑性),2.4.3 细晶超塑性,细晶超塑性有许多重要特征

28、，归纳起来有以下几个方面：1变形力学特征2金属组织特征,金属试样超塑性拉伸试验时，在载荷达到最大值以后，随着应变量的增加。载荷缓慢下降。在拉伸过程中，金属的流动非常稳定，几乎看不到缩颈现象。流动应力与真实应变之间的关系与理想弹塑性体的相类似。流动应力与应变速率之间的关系具有牛顿粘性体的特征，即流动应力随应变速率的增加而上升。从力学特性上讲，超塑性最主要的特性就是材料流动应力对应变速率的敏感性。,微细晶粒超塑性的力学特性,描述这种特性最简单也最常用的是著名的贝可芬(Backofen)方程 式中，为超塑性流动应力；为应变速率；m为流动应力的应变速率敏感性指数，称为m值；K为与材料成分、结构和试验温

29、度等有关的常数。,贝可芬(Backofen)方程,应变速率敏感性指数m值是表征超塑性的一个重要指标。其物理意义：在m值大的情况下，随着应变速率增大，流动应力迅速增大。因此，如果试样某处出现缩颈的趋势，此处的应变速率就增大，使此处继续变形所需的流动应力随之剧增，于是变形只能在其余部分继续进行。如果再出现缩颈趋势，同样由于缩颈部位应变速率增加而局部强化，使缩颈传播到其他部位，从而可获得巨大的宏观均匀变形。m值反映金属和合金拉伸时抗缩颈的能力，因而是评定金属和合金是否能呈现超塑性的重要指标。对于普通金属和合金，；对于超塑性材料，一般，某些情况下接近1。,右图（a）为在对数坐标中Mg-A1共晶合金的流

30、动应力与应变速率之间的关系曲线，呈S形。曲线可分为I区，II区和III区。在I区内，流动应力随应变速率变化很大，超塑性发生在此应变速率敏感区。将式两边取对数后求导可得m=d(1g)/d(1g)，因此，m值是1g-1g曲线上各点的斜率。,图7(b)就是根据Mg-A1共晶合金的S曲线求得的m-1g关系曲线。从图可以看出，在区域II内m0.3，所以这区域是超塑性变形区。,1.溶解沉淀理论 根据这种理论，超塑性主要发生在两相合金中。当合金中一相在另一相中的极限溶解度随温度变化时，由于在变形过程中可能产生局部温度波动，使一些相界上发生溶解过程，而在另一些相界上发生沉淀过程。这种特定的物质迁移扩散过程引起

31、晶粒相互移动，在合适的高温下，变形速度小则产生超塑性。该理论对于大量晶间滑移、晶粒转动及单相合金的超塑性现象还无法解释。,2.5.4 超塑性变形机理,帕烈斯涅哥夫等认为，“溶解沉淀”理论并不能解释超塑性，因为有些合金中两相的极限溶解度并不随温度变化，而且在恒温变形过程中不可能有很大的局部温度波动。通过对Zn-A1等合金超塑性的研究，提出超塑性与合金的特殊组织状态-亚稳态组织有关。认为金属超塑性变形是组织从亚稳态转变到稳态的过程，把亚稳态相看作一种物质的新态，具有无定型的准液态粘性流动特性，变形时产生“准液态的扩散塑性”。这一理论可以解释共晶和共析合金的超塑性、冷加工后再结晶或有序到无序转变引起

32、的超塑性。但不能解释晶间滑移、单相合金及一些无需淬火的材料超塑性。,2.亚稳态理论,N-H（Nabarro-Herring）型扩散蠕变理论认为，在拉应力作用下，空位的化学势能产生局部的变化，垂直拉伸轴的晶界处于高位能状态，平行拉伸轴的晶界处于低位能状态。因此，在拉伸应力作用下，必然会引起空位从高位能区向低位能区移动,3扩散蠕变机制,空位的这种移动，引起原子向相反方向的移动，其结果是，使晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直拉伸轴方向缩短。在应力作用下，原子通过晶格按箭头方向扩散，晶粒发生变形。变形速率与应力的关系可由下式表示（7.2）式中，a为晶粒形状常数(a=5-15)；V为原子体积；DL为晶格内扩散系

33、数；k为波耳兹曼常数；T为温度；d为晶粒尺寸。,这种机理的特征是：1)流动应力和应变速率呈线性变化，即m等于1。2)应变速率与晶粒尺寸的平方成反比。3)变形过程的激活能是自扩散的。4)变形中晶粒拉长。此理论可以解释一些材料的蠕变变形，但不能充分解释超塑性变形，如在蠕变变形中，m值可为1，并且晶粒沿外力方向拉长；而在超塑性变形中，m值一般不大于0.8，变形后晶粒仍保持等轴状。,Ashby和Verral模型由四个六方晶粒所组成(图7.3)。这组晶粒在垂直方向拉伸应力作用下，通过晶界三角点处原子的扩散和晶界的滑动，使这组晶粒由初始状态(图7.3(a)演变成中间状态(图7.3(b)。,4扩散流动机制-

34、Ashby-Verral模型,Ball和Hutchison提出以位错运动调节晶界滑移的超塑性流变模型(图7.4)。假定两群晶粒在沿晶界滑移过程中，遇到障碍晶粒，使滑移被迫停止，同时在障碍晶粒内引起内应力以及位错的产生和运动。其结果是，位错塞积在接触的晶界上，当障碍晶粒内应力达到一定程度时，塞积前端和位借沿晶界攀移而消失，使内应力得到松弛，晶界滑移恢复。,5.位错蠕变机制,超塑性变形机理的小结 超塑性变形主要是一种晶界行为，是多种机制综合作用的结果。如果根据S曲线(P73)来讨论问题，那么在最佳应变速率范围(II区)内，变形以晶界滑移为主；随着应变速率降低到I区，扩散蠕变机制的作用增大；当应变速

35、率增加到III区时，位错蠕变机制的作用增大79。,1.微细晶粒超塑性成形1)开式模锻与普通开式模锻比较，模具结构基本相同，但需要增加与模具为体的加热和保温装置。同时，由于应变速率要求在较低范围内，不能采用锤和热模锻压力机，只能用液压机。在成形方面，具有充模好、变形力低、组织性能好、变形道次少、弹复小的特点。用于铝、镁、钛合金的叶片、翼板等薄腹板带肋件或类似形状复杂零件的模锻。,2.5.5 超塑性成形的应用,2)闭式模锻 与上述开式模锻比较，在模具结构上主要区别是闭式模锻模不设飞边槽。因而，锻造时，模腔内的压力也就是静水压力，远高于开式模锻。这样，模腔更容易充满，而且，锻件无飞边，可基本上作到无

36、屑加工，成形件的精度也更高。这种模锻的脱模稍困难一些，它可用于难成形材料形状复杂零件的成形，如钛合金涡轮盘锻造。3)反挤压 超塑性反挤压的成形精度高，表面质量好。主要用于成形筒体、壳体件与锌基合金和合金钢的模具型腔。与冷挤压相比，可大幅度降低成形载荷。,4)气压成形 金属在常温状态下的液压胀形，由于受材料塑性的限制，较难用于成形复杂的壳体零件。超塑性胀形工艺用气体作为加压介质，利用超塑性材料低的流动应力和高达百分之数百的伸长率及良好的复制性，可以成形钛合金、铝合金、锌合金的形状复杂的壳体零件，已应用于航空航天器制造业、机电工业、工艺美术品加工业等许多领域。这种工艺通常只需要一个凹模或凸模，与普

37、通冲压成形相比可以减少成形工序和工装套数。,5)气压胀形扩散连接复合工艺(SPFDB)实验证明，金属材料在超塑性状态下具有良好的扩散连接性能。这一性能与超塑性气压胀形结合就形成了超塑性气压胀形/扩散连接复合工艺，即SPF/DB。这种工艺的用途是成形夹层结构件，主要用于钛合金和铝合金的飞机与航天器结构件成形。实际上，这是迄今为止超塑性成形应用最成功的方面之一。,2.5 金属塑性变形的温度速度效应,2.5.1 塑性变形热力学条件 变形程度，变形温度与变形速度 2.5.2 变形中的热效应及温度效应,2.6.1 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

38、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。,2.5.1 变形速度,变形速度为单位时间内变形程度的变化即：式中 变形速度；变形程度。要考虑加工硬化和温度效应两方面的作用,（秒-1）,2.5.2 变形中的热效应及温度效应,所谓“热效应”是指变形过程中金属的发热现象，热效应可用发热率来表示：式中 发热率；AT 转化为热的那部分能量；A 使物体产生塑性变形时的能量。塑性变形过程中因金属发热而促使金属的变形温度升高的效果，称为温度效应，用 表示：式中 T1变形前金属所具有的温度；T2变形后因热效应的作用金属实际具有的温

39、度。,1）影响温度效应的因素2）变形温度效应的的后果 有利作用 不利作用,2.6 金属的变形抗力,1）应力-应变曲线2）影响变形抗力的因素,化学成份的影响组织结构的影响晶粒大小结构变化单组织和多组织应力状态的影响,变形程度的影响变形温度的影响变形速度的影响加载路径的影响,变形抗力-金属抵抗变形之力变形力-塑性加工时使金属发生塑性变形的外力变形抗力和塑性是两个不同的概念，塑性反映材料变形的能力，变形抗力则反映材料变形的难易程度。变形抗力的大小，不仅决定于材料的真实应力(流动应力)而且也决定于塑性加工时的应力状态、接触摩擦以及变形体的尺寸等因素。只有在单向拉伸(或压缩)时，变形抗力等于材料在该变形

40、温度、变形速度、变形程度下的真实应力。因此,离开具体的加工方法所决定的应力状态、接触摩擦等因素就无法评论金属和合金的变形抗力。,2.6 金属的变形抗力,2.6.1 真实应力-应变曲线一、工程应力-应变曲线1.拉伸图和工程应力-应变曲线,拉伸图(工程应力-应变曲线),条件应力(名义应力)=P/F0条件应变(工程应变,相对伸长)=l/l0p点比例极限点e点弹性极限点s屈服极限b强度极限,2.拉伸和压缩试验曲线的比较 对于一般金属材料，拉伸和压缩试验曲线在小弹塑性变形阶段基本重合，但在大塑性变形时将有显著差别。一般应变量不超过10时，可认为两者一致。对于一般金属材料，在变形不大的情况下，用单向拉伸试

41、验代替压缩试验进行强度设计是偏于安全的，但对于拉伸与压缩曲线有明显区别的材料(如铸铁、混凝土等)，则需要另作专门的研究。,低碳钢拉伸和压缩试验曲线的比较,3.包申格效应(Bauschinger effect)因反向加载引起屈服应力降低的现象.在一般塑性理论中都不考虑这一效应，它会给处理塑性理论问题带来很大的因难。但当在生产中遇到材料经受变向加载时，应充分注意。包申格效应可用缓慢退火消除.,包申格效应,二 拉伸真实应力-应变曲线(硬化曲线)按应变表示方法的不同，可分为三种形式:真实应力 s和相对伸长组成的曲线，真实应力s和断面收缩率组成的曲线，真实应力s和对数应变 组成的曲线。1.真实应力和真实

42、应变真实应力(流动应力):s=P/F,P载荷,F试样瞬时横截面积 真实应力不同于条件应力,是某一瞬时试样的真正应力.相对伸长和断面收缩率 都是条件应变.真实应变:真实相对伸长(对数应变,自然应变)和真实断面收缩率,出现颈缩之前,拉伸试样处于均匀拉伸变形阶段,各种应变之间的关系如下:F0l0=Fl=ln(l/l0)=ln(F0/F)=-=ln(l/l0)=ln(1+)=/(1-),2.真实应力应变曲线的作法把条件应力相对伸长曲线（-曲线）上的条件应力换算成真实应力s，便可作出真实应力相对伸长曲线（s-曲线）.S=P/F=P(1+)/F0=(1+)以-曲线为基础，还可以作出s-曲线s-曲线与s-曲

43、线，这两种真实应 力条件应变曲线，只适用于均匀拉伸阶段，即试样颈缩以前的阶段,由于对数应变反映试样的真实变形程度，普遍采用对数应变表示的真实应力应变曲线（s-曲线),-曲线(b)s-曲线真实应力应变曲线,三压缩真实应力应变曲线 拉伸试验时最大应变量受到颈缩的限制，压缩试验可以获得大应变量下的真实应力应变曲线,(a)圆柱形试样（b)压缩试验,利用下式求真实应力应变曲线：ln(H0/H)S=P/F=P/(F0e)式中：,s压缩时对数应变，真实应力H0,H试样原始高度和压缩后高度F0,F-试样原始截面积和压缩后截面积P压缩时载荷,四变形体的模型（应力应变曲线的简化形式）（）理想弹塑性体模型,理想弹塑

44、性模型,该模型没有考虑材料的强化，0A是弹性阶段，AB则是塑性阶段=E 当s=s=Es 当s OA服从Hooke定律，AB段为平行于轴的直线，,缺点：1)只包括了两个参数E及s，因而它不能准确地表示应力应变曲线。2)分析表达式在=s点开始变化，因而在计算中将引进某些困难。,（2)弹塑性线性强化模型,弹塑性线性强化模型,考虑了材料的强化性质，解析表达式：=E 当s=s+E1(-s)当sE及El是线段OA及AB的斜率，同理想弹塑性材料一样，解析表达式在=s点也有变化，因此也不方便的。,(3)幂强化模型,幂强化模型,解析表达式：=An A与材料有关的常数n强化系数，介于0与1之间当n=0时，代表理想

45、塑性体的“模型”，当n=1时，则为理想弹性体的模型。,该模型避免了上述两种模型的表达式在=s时的变化，曲线是连续的但该模型中只有A与n两个参数，故也不能准确地表示材料的性质然而由于公式简单，也经常被使用,(4)理想刚塑性体模型 应力达到s前，变形等于零，即没有弹性变形阶段(5)刚塑性线性强化模型 具有线性强化的刚塑性体模型,(a)理想刚塑性体模型(b)刚塑性线性强化模型,2.6.2 变形抗力的影响因素 1)化学成分的影响（以碳钢为例）碳-碳对性能的影响最大，碳能固溶到铁里，形成铁素体和奥氏体，它们均具有良好的塑性和低的强度但当含碳量超过了铁的溶解能力时，多余的碳与铁形成化合物Fe3C(渗碳体）

46、，它具有很高的硬度，对基体的塑性变形起阻碍作用，使碳钢的，强度提高磷-磷是钢中有害杂质，能溶于铁素体中，使钢的强度硬度显著提高硫-硫是钢中有害杂质，不溶于铁素体中，但生成FeSFeS与FeO形成共晶体，熔点为985C，分布于晶界当钢在1000以上热加工时，由于晶界处的FeS-FeO共晶体熔化，导致锻件开裂，这种现象称为热脆性,2)组织状态的影响(1)基体金属 真实应力与基体金属原子间结合力的大小有关对于各种纯金属，一般来说原子间结合力大的，滑移阻力便大，真实应力也就大(2)单相组织和多相组织 当合金为单相组织时，单相固溶体比多相组织塑性好 单相固溶体中合金元素的含量越高，真实应力便越高无论间隙

47、固溶体（如碳在铁中）还是置换固溶体（如镍，铬在铁中），均引起晶格的畸变加入的量越多，引起的晶格畸变越严重，金属的真实应力也就越大一般而言，单相固溶体比多相组织的真实应力低,当合金为多相组织：第二相的性质，形状，大小，数量和分布状况起着重要的作用硬而脆的第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散质点均匀分布，合金的真实应力就高；第二相越细，分布越均匀，数量越多，则真实应力越高大量弥散均匀的细质点成为塑性变形的障碍物，阻碍着滑移过程的进行，使合金的真实应力显著提高(3)晶粒大小 晶粒越细，同一体积内晶界越多，由于室温时晶界强度高于晶内，所以金属和合金的真实应力就高但在高温时，由于能发生晶界粘性流动，细晶粒的

48、材料反而真实应力较低,3)变形温度的影响4)变形速度的影响 随着变形速度的增大，金属的合金的真实应力（或强度极限）提高提高的程度与变形温度有密切关系,不同温度下变形速度对低碳钢强度极限的影响,不同温度范围内变形速度对真实应力提高率的影响,5)应力状态的影响主应力图共有九种:单向主应力图两种-单向受拉和单向受压两向主应力图三种-两向受拉,两向受压和一向受拉另一向受压三向主应力图四种-三向受拉,三向受压,两向受拉一向受压和两向受压一向受拉.在两向和三向主应力图中,各向主应力符号相同时,称同号主应力图,符号不同时,称异号主应力图.根据主应力图,能大概比较各种塑性加工工序在变形抗力上的差异.,2.6.

49、3 变形抗力曲线与热力学条件的关系,1变形温和变形速度恒定时，变形程度与变形抗力 的 关系:2变形程度和变形速度恒定时，变形抗力与单相状态条件下的变形温度的关系为：3变形程度和变形温度恒定时，变形抗力与变形速度的关系为：综合（2-4）、（2-5）、（2-6）式可写成 式中，A、a、b、c、取决于变形条件和变形材料的常数；平均变形程度；平均变形速度；T变形温度，K。,（2-4）,（2-5）,（2-6）,（2-7）,第二章 金属塑性塑性变形的物理本质（思考题）,1 何谓金属的塑性？塑性高低如何度量？有哪些常用测定方法？2 多晶体金属塑性变形的主要特点和主要机制有哪些？3 影响金属材料塑性的主要因素有哪些？4 何谓超塑性？超塑性变形的基本特点有哪些？5 细晶超塑性产生的基本条件是什么？它有何重要变形力学和组织结构特点？6 细晶超塑性的主要机制是什么？7 m值的物理意义是什么？,8 何谓冷变形、热变形和温变形，它们在变形过程中，其组织性能变化的基本特点和规律如何？9 何谓变形织构，它对制品性能有何影响？10 何谓塑性变形的热力学条件？11 何谓热效应与温度效应？它对塑性加工有何影响？12 金属塑性变形过程的温度速度规程应如何确定？13.何谓变形抗力和变形抗力曲线？14.影响金属材料变形抗力的主要因素有哪些？15 确定金属热加工工艺规程的基本依据有哪些？,