金属塑性变形(讲义教材)

绪论一、金属塑性加工的概念金属塑性加工是利用金属能够产生永久变形的能力，使其在外力作用下进行塑性成型的一种金属加工技术，也常叫金属压力加工。二、金属塑性加工的优点(1)因无废屑，可以节约大量的金属，成材率较高；(2)可改善金属的内部组织和与之相关联的性能；(3)生产率高，适于大量生产。三、金属塑性加工的分类1、按加工时工件的受力和变形方式基本加工变形方式：锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压组合加工变形方式：锻-轧、轧-挤等2、按加工时工件的温度特征热加工冷加工温加工下面分别进行讲解1、按加工时工件的受力和变形方式(1)锻造1）定义：锻造是用锻锤捶击或用压力机的压头压缩工件,使其改变成所需要形状和尺寸的一种加工方法。2）种类：分为自由锤锻和模锻两种。见图1（2）轧制1）定义：坯料通过转动的轧辊受到压缩，使其断面减小、形状改变、长度增加，而且也使金属获得一定组织和性能的加工方法。2）种类：纵轧、斜轧和横轧。纵轧特点：工作轧辊旋转方向相反，轧件的纵轴线与轧辊轴线垂直。它是轧制生产中应用得最广泛的一种轧制方法，如各种型材和板带材的生产。见图2图1自由锻造（a）和模型锻造（b）1—锤头；2—毡座；3—锻件；4—上模；5—下模（a）（b）斜轧特点：工作轧辊的旋转方向相同，轧件的纵轴线与轧辊轴线成一定的倾斜角。用来生产管材和变断面型材。见图3横轧特点：工作轧辊旋转方向相同，轧件的纵轴线与轧辊轴线平行。见图4图2纵轧示意图图3斜轧简图1—轧辊；2—坯料；3—毛管；4—顶头；5—顶杆用来生产齿轮及车轮等产品。（3）挤压1）定义：挤压是将金属放在封闭的圆筒内，一端施加压力，使金属从模孔中挤出而得到不同断面形状的成品的加工方法。挤压分正挤压和反挤压。见图5图4横轧简图1—轧辊；2—轧件；3—支撑辊图5挤压简图1—挤压棒；2—挤压垫；3—坯料；4—模座；5—模子；6—产品（4）拉拔包括拔管及拉丝过程。拔管:是在外力作用下将中空管坯通过模孔（用心棒或不用心棒）使管径变小，管壁变薄（或加厚）的过程。拉丝：是使金属线材通过模孔，从而使金属断面缩小,长度增加的一种加工方法。见图6图6拉拔简图1—模子；2—制品（5）冲压1）定义：冲压是靠压力机的冲头把厚度较小的板带顶入凹模中，冲压成需要的形状。用这种方法可以生产有底薄壁的空心制品。见图7按加工时工件的温行充工。产生恢工。2）冷加工目的：为了得到表面光洁、于冷热加工之间的温度进行的加工。图7冲压简图1—冲头；2—模子；3—压圈；4—产品2.度特征分再结晶的温度以上所完成的加复和再结晶温度以下进行的加（1）热加工1）定义：在进2)热加工目的：为了改善钢材的组织和性能。(2)冷加工1)定义：在不尺寸精确、组织性能良好的产品（3）温加工1）定义：介2）目的：降低变形抗力，改善钢的塑性。小结：本章重点掌握金属塑性加工的概念、加工方法及各种加工方法的特点；熟悉金属塑性加工的优点。1应力状态和塑性变形简介先明确两个概念：1、塑性：金属在外力作用下能稳定地改变其形状和尺寸而不破坏的能力。用金属破坏前所能产生的最大变形程度来表示。2、变形抗力：金属对变形的抵抗能力。用单向拉伸或压缩时试样横断面上所受的应力来表示。1.1塑性加工时所受的力塑性加工中工件所受的外力有两种：作用力和约束反力。一、作用力1、定义：通常把压力加工设备可动工具部分对变形金属所作用的力叫作用力或主动力。例如锻压时锤头对工件的压力（图1-1a中之P）；挤压加工时活塞对金属推挤的压力（图1-1b中之P）；拉拔加工时，工件所承受的拉力（图1-1c中之P）。2、确定方法：压力加工时的作用力可以实测或用理论计算。以用来验算设备零件强度和设备功率。图1-1基本压力加工过程的受力图和应力状态图（a）镦粗；（b）挤压；（c）拉拔；（d）轧制二、约束反力1、定义：工件在主动力的作用下，其整体运动和质点流动受到工具的约束时就产生约束反力。2、种类：约束反力有正压力和摩擦力。（1）正压力沿工具和工件接触表面法线方向阻碍工件整体移动或金属流动的力，它的方向和接触面垂直，并指向工件，如图1-1中之N。（2）摩擦力沿工具和工件接触面切线方向阻碍金属流动的力，它的方向和接触面平行，并与金属质点流动方向和流动趋势相反。如图1-1中之T。强调：不能把约束反力同物理学中的反作用力的概念混淆起来。简要说明轧制的情况：如图l-1所示，在轧制时通常靠两个相反方向转动的轧辊给轧件以摩擦力使其进入辊缝，而摩擦力的产生又必须有正压力的存在，所以轧制时何者是主动力就不好划分，在实际计算中也没有必要划分何者是主动力。轧件充满辊缝后进行稳定轧制时，在轧件和轧辊的接触表面上只有正压力N和摩擦力dT。N是沿接触面法向压缩轧件的力，T是沿接触面切向阻碍轧件质点流动的力。轧件对轧辊总的正压力和摩擦力的合力的值等于轧辊对轧件的总压力，这个总压力的垂直分力一般叫轧制力，也就是轧机压下螺丝承受的力。一般用这个力来计算轧辊及轧机其它零件强度和电机功率。1.2原子间的作用力和能金属是通过原子间的作用力把原子紧密结合在一起的。为使金属变形，所加之外力必须克服其原子间相互作用的力和能。两原子间相互作用的力和能同原子间距离的关系。如图1-2、1-3所示图1-2原子间的作用力和图1-3理想晶体中的能同原子间距(r)的关系原子排列及其势能曲线由图可得出如下结论：（1）当时原子的斥力和引力相等。0rr内力为零，原子势能最低，原子处于最稳定位置。（2）r＞时原子间作用的内力表现为引力。0r若拉开原子使r＞，所加之力或能必须克服原子间的引力或吸引能。0r（3）r＜时原子间作用的内力表现为斥力。0r若压缩原子使r＜，所加之力或能必须克服原子间的斥力或排斥能。（4）弹性变形0r所加之力或能不足以克服势垒，仅使原子被迫离开平衡位置，而处于不稳定状态。此时原子间距改变、原子间势能升高，去掉所加的力后，原子回到原来的平衡位置，变形也就消失，此时的变形为弹性变形。特点：物体处于弹性状态时，原子间距的改变，物体的体积也会发生变化。但是在弹性变形过程中大多数金属的体积变化是不大的。此时可认为应力（）和应变（）成正比关系，这就是大家熟知的虎克定律，即E式中E——弹性模量。（5）塑性变形所加之力或能足以克服势垒，而使大量的原子多次地、定向地从一个平衡位置转移到另—个平衡位置。这样在宏观上就产生了不能复原的永久变形，也就是塑性变形。特点：物体的形状和尺寸改变了，但体积不变（金属的空隙被压实或出现微裂纹时例外）。（6）弹—塑性变形共存发生宏观屈服后的任意变形瞬间所产生的总变形中都包括弹性变形和塑性变形，弹—塑性变形是共存的。金属在发生塑性变形之前必先产生弹性变形。1.3内力和应力一、内力1、内力产生的原因（1）为了平衡外部的机械作用所产生的内力。例：当外力作用于金属并使金属产生塑性变形时，则在金属内一定会产生与作用力、约束反力及摩擦力相互平衡的内力。（2）由于物理或物理-化学过程所产生的相互平衡的内力。在生产加工（轧制）过程中，由于不均匀变形、不均匀加热或冷却（物理过程）及金属内的相变（物理-化学过程）等，都可以促使金属内部产生内力。例如一块金属受到不均匀的加热，如图1-4图1-4加热不均引起的内力2、内力产生的实质由于原子被迫偏离其平衡位置，使原子间距改变。3、内力大小的度量二、应力1、定义：内力的强度称为应力，即单位面积上所作用的内力。当所研究的截面上其应力为不均匀分布时，内力与该截面面积的比值称为平均应力。在这种情况下，如欲表示截面上某一处M的实际应力，可用以下方法表示之，如图1-5，P为微小面积上的总内力、F为F面切线方向的分内力，为F面法线方向分内力。NP与F比值的极限，即为FPF0lim（1-1）我们称为M处的总应力。注意：图1-5作用在微小面积上的力（1）当应力均匀地分布于所研究的截面上时，方能以其上某一点的应力表示该截面上应力数值的大小。（2）当内力分布不均匀，则不能用某点的应力表示所研究的截面上的应力，而只能用内力与该截面的比值来表示。此值被称为平均应力，即FP平均（1-2）式中平均——平均应力；P——总内力；——内力作用的面积。F应力的单位一般用公斤/毫米2或公斤/厘米2表示之。1.4应力状态和应力图示、变形图示一、应力状态1.定义所谓物体处于应力状态，就是物体内的原子被迫偏离其平衡位置的状态。2.研究金属的应力状态的意义金属内部的应力状态，决定了金属内部各质点所处的状态是弹性状态、塑性状态还是断裂状态。而一切压力加工的目的均是在外力的作用下，使金属产生塑性变形，获得所需要的各种形状和尺寸的产品。因此，了解各种压力加工中金属内部的应力状态特点，对于确定物体开始产生塑性变形所需的外力，以及采用什么样的工具与加工制度，使力能的消耗最小等方面都具有重要的实际意义。3.用主应力来表示应力状态（1）主平面:只有正应力而无切应力的平面。（2）主轴：与主平面法线方向平行的坐标轴。（3）主应力：主平面作用的正应力。规定:三个主应力大小，按代数值进行排列，即σ1＞σ2＞σ3。二、应力图示1.定义:应力图示就是用来定性说明变形体内某点（或所研究物体的某部分）在各主轴方向上，有无主应力存在及其主应力方向如何的定性图。2.应力图示的种类主应力图示共有九种可能的形式线应力状态两种、平面应力状态三种、体应力状态四种。可能的应力状态图示如下：图1-7可能的应力状态图示a—线应力状态；b—面应力状态；c—体应力状态三、变形图示1、定义：所谓变形图示就是在小立方体素的面上用箭头表示三个主变形是否存在（如拉伸时箭头向外指；压缩时箭头向里指），但不表示变形大小的图示。2、变形图示的种类有三种可能的变形方式。可分别用符号表示。见图1-8321DDD、、图1-8三种可能的变形图示（a）变形方式；（b）变形图示1D——一向压缩，两向伸长。例如有宽展情况的轧制和自由锻压。2D——一向缩短，一向伸长，而第三个方向保持不变。它又称平面变形图示。如宽度较大的板带轧制或轧件宽度与孔型宽度相等时的轧制等。——两向缩短，一向伸长，如挤压和拉拔等。3D四、应力图示与变形图示的关系应力图示与变形图示的符号（箭头指向）往往不一致。关系：从各主应力中把球应力分量m扣除，余下的应力分量便是与遵守体积不变条件的塑性变形相对应，即与三种主变形图示相对应。球应力分量的大小为3321m从主应力中扣除球应力分量m后的三个偏差应力分量各为m1、m2、m3。此三个偏差应力分量的方向与主变形的方向是一致的（见图1-9）。图l-9与主变形相对应的应力图示例如，从变形体内任一点截取的体素各面上分别作用有、、的主应力。此时21/5mmkg252/mmkg23/21mmkg3321m=）（）（215531=2/7mmkgm1=2/1275mmkg）（m2=2/275mmkg）（m3=2/14721mmkg）（可见，与这三个应力相对应的变形图示：1和2是伸长，而3是缩短。又如轧制板带时20，与此对应的m2=0，即332120或）（31221注意：在平面变形情况下，并不是在没有主变形方向上没有主应力，而在此方向上的应力为）（31221小结：1.掌握外力的种类，内力和应力产生的原因。2.掌握应力和变形的概念。3.掌握压力加工的主应力图，主变形图并能分析典型加工方式的主应力图、主变形图。4.掌握应力图示和变形图示之间的关系。2金属在塑性加工变形中组织性能的变化2.1在冷加工变形中组织性能的变化一、金属组织的变化1、晶粒被拉长在冷变形中，随着金属外形的改变，其内部晶粒的形状也大体上发生相应的变化，即均沿最大主变形方向被拉长、拉细或压扁，如图2-1图2-1冷轧前后晶粒形状变化（a）变形前的退火状态组织；（b）变形后的冷轧变形组织在晶粒被拉长的同时，晶间夹杂物和第二相也跟着被拉长或拉碎呈点链状排列，这种组织称为纤维组织。变形