材料塑性成型原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料塑性成型原理,第一章 金属塑性变形的物理基础,第一节 金属塑性变形过程,金属拉伸时应力,-,应变曲线（低碳钢）,典型拉伸试样,拉伸实验机,金属拉伸时应力,-,应变曲线（低碳钢）,典型应力,-,应变曲线,（,a,）直接焊接,(b),加铈焊接,镁和铝复合热源焊接接头断口形貌比较,中间夹层焊接,拉伸试样,12mm,厚钛合金板拉伸试样断口形貌,钛合金焊缝,(12mm,厚,),拉伸试样,钛合金焊缝,(18mm,厚,),拉伸试样,韧性断裂,金属拉伸时应力,-,应变曲线（低碳钢）,典型应力,-,应变曲线,弹性变形是可逆的，物体在变形过程中所贮存起来的能量在卸载过程中将全部释放出来，物体的变形可完全恢复到原始状态这就是说，如已知应力值，则相应的应变可唯一地确定。,材料在弹塑性阶段时，除了应变不可恢复性之外，应力和应变不再有一一对应的关系，即应变的大小和加载的过程有关。,线性弹性力学只讲讨论应力应变关系服从,OA,直线段变化规律的问题；,塑性力学则讨论材料在屈服后破坏前的弹塑性阶段的力学问题。,塑性加工的应用,1,、晶内变形,晶内变形包括滑移与孪生两种,滑移,:,所谓滑移是指晶体（此处可理解为单晶体或构成多晶体中的一个晶粒）在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变。这些晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。滑移的结果使大量原子逐步地从一个稳定位置移到另一个稳定位置，产生宏观的塑性变形。,2.,滑移只能在切应力作用下发生,滑移系的存在说明金属晶体产生滑移的可能，要使滑移发生需要有一定大小作用力。,3.,滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整倍数，滑移结果会在晶体表面造成台阶，在其表面出现滑移痕迹。,晶体刚性滑移示意图,20,世纪,20,年代 弗兰克尔,金属理论剪切强度,:10,-3,MPa,到,10,-4,MPa,金属实际剪切强度,:1MPa,到,10MPa,？,晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图,G.L.Taylor,M.Ploanyi,E.Orowan,位错（,dislocation),30,年代提出,50,年代证实,滑移的本质：位错的运动和不断增殖,孪生,孪生是晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（称为李生面）和一定的晶向（称为孪生方向）发生均匀切变。孪生变形后，晶体的变形部分与未变形部分构成了镜面对称关系，镜面两侧晶体的相对位向发生了改变。这种在变形过程中产生的孪生变形部分称为“形变孪晶”，以区别于由退火过程中产生的孪晶。与滑移过程相似，孪生也是通过位错运动来实现的，每层晶面与它相邻晶面沿孪生方向移动小于一个原子间距的距离。,金属晶体究竟以何种方式进行塑性变形，取决于哪种方式变形所需的切应力为低。在常温下，大多数体心立方金属滑移的临界切应力小于孪生的临界切应力，所以滑移是优先的变形方式，只在很低的温度下，由于孪生的临界切应力低于滑移的临界切应力，这时孪生才能发生。对于面心立方金属，孪生的临界切应力远比滑移的大，因此一般不发生孪生变形，但在极低温度（,4,78K,）或高速冲击载荷下，也不排除这种变形方式。再者，当金属滑移变形剧烈进行并受到阻碍时，往往在高度应力集中处会诱发孪生变形。孪生变形后由于变形部分位向改变，可能变得有利于滑移，于是晶体又开始滑移，二者交替地进行。至于密排六方金属，由于滑移系少，滑移变形难以进行，所以这类金属主要靠孪生方式变形。,晶内塑性变形,滑移变形：,在切应力作用下，晶体一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分产生滑动的变形方式称为滑移。,孪生变形,：,在切应力作用下，晶体一部分相对于其余部分沿一定晶面及晶向产生一定角度切变引起变形,2.,多晶体的塑性变形,金属一般是由许多位向不同的晶粒组成，晶粒之间存在晶界，因此发生变形包括晶内变形和晶间变形。,多晶体的滑移,由于多晶体中每个晶粒所处的位向不同，决定了金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀塑性变形过程。,软取向 硬取向,3.,塑性变形对金属组织性能的影响,(1),晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性,金属经冷加工变形后，其晶粒形状也将发生变化，变化趋势大体与金属宏观变形一致，若变形程度很大，则晶粒呈现为一片如纤维状的条纹，,称为纤维组织,纤维组织使金属在性能上具有了方向性，对金属变形后的质量有明显影响，金属在纵向（平行于纤维方向）强度、韧性远大于横向（垂直于纤维方向）。,纯铁,200,倍,纯铝,200,倍,(2),位错密度增加，产生加工硬化,概念：,随着变形的发生，晶体内的位错不断增殖、相互缠结，晶体内产生亚结构，使位错难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动，要使金属继续产生变形，就必须不断增加外力以克服位错之间的交互作用力，从而导致金属的塑性变形抗力迅速增大，即金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性降低，产生所谓“加工硬化”现象。,意义：,加工硬化是是强化金属的重要途径，例如，自行车链条；也有不利的一面，如冷轧材料时，由于加工硬化现象，会增加后序冷轧工艺的动力消耗。需要在冷变形过程中增加中间处理，增加了金属制品的生产成本,延长了生产周期。,影响：,塑性变形除了影响金属的机械性能外，还会使金属的物理性能及化学性能发生变化，如电阻增加，抗腐蚀性降低。,随着变形程度的增加，力学性能变化,纯金属及某些不能通过热处理方法强化的合金，如低碳钢、纯铜、防锈铝、奥氏体不锈钢、高锰钢等，可通过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提高其强度和硬度。,但在冷轧薄钢板、冷拉细钢丝及多道拉深的过程中，也会由于加工,硬化造成后道加工,的困难,甚至开,裂,。,故应,在工序间穿插热处理工艺来消除加工硬化。,位错密度与材料强度的关系,退火态金属,：,10,4,-10,7,根,/,厘米,冷加工：,10,12,-10,13,根,/,厘米,位错密度,：,通常以通过单位面积上的位错线的根数来衡量，称为位错密度。,通过大量的实验和理论研究证明，发现金属的强度与其中位错位错密度之间的关系如下图所示。从图中看到，密度之间的关系金属的位错密度在某一数值左右（通常为,10,6,10,8,cm,-2,）时，强度最低，相当于金属的退火状态，在此基础上,增加位错密度或降低位错密度都是提高金属强度的有效途径,。利用加工硬化等方法增加值错密度这一途径早已应后于工业中顺利用降低位错密度这一更为有效的途径则不过是近二十年来才受到高度重视。目前还不能制得大尺寸低位错密度的金属，而只能制出一些极细的金属须或细丝，将其编织成较大尺寸的材料或混到某些材料中制成复合材料。随着工业技术的发展，若一旦制得,较大尺寸的低位借密度金属,，则金属强度的大幅度提高，肯定是大有前途的。,(3),织构现象的产生,伴随着金属发生塑性变形，内部晶粒的晶格位向也将会沿变形的方向发生转动。当变形量很大时（,70-90%,），多晶体中原为任意取向的各晶粒，会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。,这种由于变形而使晶粒具有择优取向的组织称为织构，,也称变形织构。织构不是描述晶粒的形状，而是描述多晶体中晶粒取向的特征。,实际上，变形金属的晶粒取向只能是趋向于这种取向，一般是随着变形程度的增加，趋向于这种取向的晶粒就越多，织构特征就越明显。,织构的形成对金属材料的加工工艺有很大的影响。金属中变形织构的形成，会使各种性能呈现出明显的各向异性，甚至退火也难以消除。,晶粒取向,具有择优取向的晶体组织,变形织构,形变织构的两种主要形式,丝织构（拔丝）,拉拔时各晶粒中的某一方向都趋于平行拉拔方向。用平行于拉拔轴的晶向指数,uvw,表示。,形变织构的两种主要形式,板织构（轧制）,板材轧制时各晶粒中的某一指数晶面均趋于平行轧制面，各晶粒中的某指数晶向都趋于平行轧制方向。用该晶面指数,(hkl),和晶向指数,uvw,来表示板织构。,“,制耳,”,现象,深冲件上的制耳,(4),残余应力,经塑性变形，外力对金属所做的功，绝大部分在金属变形过程中转化成为热能，使金属温度升高，随后散失掉；仅有少部分转化为内应力残留于金属中形成残余内应力。,金属塑性变形后残余应力的存在会影响工件的变形与开裂。,例如，冷轧钢板会因变形不均所残留的内应力引起钢板翘曲，另外，残余内应力会使金属的耐腐蚀性能降低，因此通常金属塑性变形之后，采用退火处理以消除这些残余应力。但有时也利用在工件表面采用,喷丸、滚压,处理产生一定压应力来抵消外部拉应力的作用，来延长工件的寿命。,1.,不均匀的塑性变形；,残余应力产生的原因,2.,不均匀的温度变化；,3.,不均匀的相变,.,残余应力的测试方法,1.,盲孔法：,钻孔破坏原来的应力平衡，使应力重新分布，圆孔周围的金属发生位移或应变。,2.X,射线法：,X,射线衍射测定晶格应变求出表面应力的方法。,3.,磁性法：,利用铁磁材料的压磁效应，即在应力作用下，铁磁材料各方向上的导磁率发生变化，从而产生磁各向异性。,（,1,）滑移和孪生的异同点？,（,2,）多晶体的变形特点？,（,3,）什么是加工硬化现象？,（,4,）冷加工对组织和性能的影响？,主要内容,金属在热态下的塑性变形,塑性变形产生：,金属经冷塑性变形其组织、结构和性能的变化：,处于高自由能状态,外加动力学条件（加热升温）,金属就会自发地向着自由能降低的方向转变,进行这种转变的过程称为回复和再结晶。,变化结果：,转变过程中金属的组织和性能都会发生不同程度的变化，直至恢复到冷变形前的原始状态，即变形金属的软化过程。,回复,在加热温度较低时，因金属中点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内变化，称为回复。此时原子的活动能力不大，只能在微晶进行短程扩散，使得点缺陷和位错发生运动，从而改变它们的数量和分布，而金属晶粒的形状和大小并未发生明显的变化。,回复温度：,T=0.250.3 T,熔,式中,T,、,T,熔,均以绝对温度表示,特征,：,通过回复虽然金属中晶格畸变降低，但晶粒外形并未发生改变，组织仍处于不稳定状态,，因此经一定的塑性变形后，金属在强度、硬度和塑性等机械性能方面变化不大，而内应力、电阻率等理化性能降低，耐腐蚀性高,。,应用,：,生产中常利用回复消除加工硬化后工件的残余内应力。,静态再结晶,进一步提高温度，晶粒的外形将发生变化，从变形的晶粒中通过形核、长大过程重新形成,等轴细晶粒,，这些细晶粒不断向周围变形金属中扩展，直到金属中变形晶粒完全消失，这个过程称为金属的再结晶过程。,一般再结晶温度与金属的变形程度、金属的纯度和保温时间等因素有关，一般经验公式为（纯金属）：,T,再,=0.350.4 T,熔,式中,T,再,、,T,熔,均以绝对温度表示,通过再结晶金属的微观组织发生了根本性变化，金属的强度、硬度显著下降，塑性及韧性显著提高，内应力和加工硬化得以消除。,应用：,例,如,：,在冷轧、冷挤、冷拉、冷冲的过程中穿插再结晶退火,，,消除加工硬化,，,恢复金属材料的良好塑性，,以利于后续的冷变形加工。,再结晶的影响因素,再结晶后的晶粒度对金属的性能有很大的影响，不仅影响到金属的强度和塑性，而且还影响金属的冲击韧性。影响金属晶粒度的主要因素有几个：,加热温度,加热温度愈高，金属的晶粒便愈粗大；,保温时间,延长加热时间，也会使晶粒粗大；,原始晶粒,晶粒越细小，新晶粒越细小；,金属变形度,变形度越大，再结晶后的晶粒愈细小。,GH37,镍基高温合金的动态再结晶图,再结晶全图：,将加热温度、变形度两个因素对再结晶后晶粒度的影响绘制在一个坐标系中，称为再结晶全图，这对制订金属的加工变形与退火工艺起重要的参考作用。,临界变形量,2%-10%,晶粒长大,变形金属在刚刚结束再结晶晶粒是比较细小，如果再结晶后不控制其加热温度，继续升温，晶粒便会长大，将降低金属的机械性能。,二次再结晶,原来金属变形不均匀，经过再结晶后得到大小不均匀的晶粒，大小晶粒能量相差悬殊，容易发生大晶粒吞并小晶粒而愈长愈大的现象，得到异常粗大的晶粒，降低金属性能，这种不均匀急剧长大的现象。,为帮助大家更好地理解和掌握加工硬化,、,回复,、,再结晶对金属组织和性能的影响，下面举例,说明,：,例1,：已知铅的熔点为327，钨的熔点为3380。问：铅在20、钨在1000时变形各属哪种,加工,？为什么？,解：T铅再 0.4T,熔,0.4（327+273）,240,K,-33,1000,故钨在1000属于,冷加工。,T,钨,回,（,0.25,0.3,）,T,熔,（,913,1096,）,K,（,640,823,）,1000,故钨在1000属于,温变形。,温变形：,T,回,T,变,T,再,冷变形：,T,变,T,回,热变形：,T,变,T,再,金属塑性变形过程,金属塑性变形后，晶粒的形状、尺寸将发生变化，晶粒间产生碎晶，晶格发生扭曲，增加了滑移阻力，从而产生所谓“加工硬化”现象。其标志是强度和硬度上升，而塑性和韧性下降。然而当继续经受加热时，原子运动加剧，金属内部错位的原子恢复正常排列，消除晶格扭曲，可使加工硬化部分消除，这一过程称之为“回复”（绝对回复温度为金属绝对熔化温度的,0.25,0.30,倍）。当金属温度继续升高到绝对熔化温度的,0.4,倍时，金属原子获得更高的热能，则开始以某些碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒，进而消除了全部加工硬化现象，这个过程称为再结晶。,当金属在高温下受力变形时，加工硬化过程和回复及再结晶过程是同时存在的。变形过程中的加工硬化会随时被再结晶所消除。,加热升温,金属内能增加,冷塑性变形,回复,再结晶,金属组织变化,金属内能降低,金属性能变化,塑性变形与内能变化影响,塑性变形与内能、晶粒大小、性能的关系,去应力退火,将冷变形金属加热到再结晶温度以下的回复阶段，基本上消除内应力而保留加工硬化的热处理方法。,例如：冷拉钢丝绕制弹簧，绕成后应在,280,-300,消除应力退火，使其定形。,再结晶退火：,将冷变形金属加热到再结晶温度以上，完成再结晶的过程，完全消除加工硬化的热处理方法。,动态回复,热加工变形温度在,0.75-0.95T,熔,即金属在高温塑性加工过程中进行的回复。动态回复主要是通过位错的攀移、交滑移等来实现的。,动态回复是高层错能金属热变形过程中唯一的软化机制。例如铝及铝合金由于它们的层错能高，位错容易在滑移面间转移，而使异号位错相互抵消，结果使位错密度下降，畸变能降低，不足以达到动态再结晶所需的能量水平。因此这类金属在热塑性变形过程中，即使变形程度很大、变形温度远高于静态再结晶的温度，也只发生动态回复，而不发生动态再结晶。,高温形变热处理,当高温变形金属只发生动态回复时，其组织仍为亚晶组织，金属中的位错密度还相当高。若此时进行热处理，则能获得变形强化和热处理强化的双重效果，使工件具有更为良好的综合力学性能。例如：钢的高温形变淬火。,动态再结晶,动态再结晶容易发生在层错能较低的金属发生较大变形量时。由于金属的层错能低，位错的交滑移和攀移不容易进行，材料局部区域将产生较高的位错密度差，容易发生动态再结晶。,动态再结晶后的晶粒度与变形温度、应变速率和变形程度等因素有关。降低变形温度、提高应变速率和变形程度，会使动态再结晶后的晶粒变小，通过控制热加工变形时的温度、速度和变形量，就可以调整成形件的晶粒组织和力学性能。,金属材料动、静态回复和再结晶示意图,热加工对金属组织和性能的影响,使金属组织晶粒细化，机械性能提高。,再结晶并不是简单恢复到变形前组织的过程，通过控制变形与再结晶条件可以控制再结晶晶粒的大小和再结晶的体积分数，以达到改善、控制金属组织和性能的目的。,提高金属组织致密度。,铸态金属中疏松、空隙以及微裂纹等缺陷被压实、锻合，提高金属致密度。,破碎碳化物与非金属夹杂物。,碳化物破碎，均匀分布基体金属中，改善碳化物偏析。,夹杂物变形、破碎，降低其有害作用。,热加工产生纤维组织。,金属中存在杂质、夹杂物，沿主变形方向形成纤维组织。,热加工与冷加工的区别,?,两者加工温度不同,热加工是再结晶温度以上，冷加工是再结晶温度以下进行。,组织结构不同,冷加工晶粒压扁拉长，位错密度增大；,热加工等轴晶组织；,力学性能不同,冷加工产生“加工硬化”现象；,热加工产生同时产生“加工硬化”现象和“加工软化”现象；,大型锻压工艺与装备创新平台,8,万吨模锻水压机,（,1,）热加工对金属组织、性能影响？,（,2,）冷、热加工的区别？,（,3,）冷加工流线与热加工流线区别？,（,4,）板材经热加工后均为各向同性？,（,5,）叙述晶粒随着温度的升高而长大是一种必然现象。,主要内容,金属的超塑性,定义,金属材料在特定的组织结构和一定的温度条件和变形速度下，可以呈现出异常高的塑性（延伸率可达百分之几百或更高），变形抗力也降低到常态的几分之一，甚至几十分之一，这种现象称为超塑性。,特点：伸长率大、,无缩颈、低流变应力、易,成型,利用金属超塑性可以极大发挥材料的塑性潜力、大大降低变形抗力、制造出复杂精确的零件。重要应用为超塑性,/,扩散焊接（,SPF/DB,）。,Ti3Al,合金,加载温度,920,，变形速度,510,-5,/s,，应力,35MPa,奇特的塑性变形现象,1920,年 德国人,N.Rosenhaim,1945,年，前苏联包赤伐尔（包奇瓦尔）针对这一现象，正式提出“,超塑性,”术语。,1928,年，英国物理学家森金斯：凡金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软，其应变速度为每秒,10,毫米时产生,300,以上的延伸率。,金属和合金具有,超常,的,均匀变形,能力，其延伸率可达到百分之几百、甚至百分之几千。,（,1,）,大延伸,：,拉伸试验，,Zn-22%Al,，,250,，,5mm/min,，,延伸率,3120%,；,（,2,）,小应力,：,Zn-22%Al,Ti-6Al-4V,GCr15,（,3,）,无缩颈,：,截面均匀变形、缩小，在宏观上无缩颈现象，,截面收缩率,100%,；,（,4,）,易成型,：无加工硬化现象，流动性和填充性好。,2MPa,1.5MPa,30MPa,超塑性变形宏观表现,分类,按产生机理，超塑性可分为细晶超塑性和相变超塑性。,相变超塑性主要靠同素异构转变诱发材料的高塑性，在应力作用下每次相变将得到一次跳跃式均匀变形，在相变温度附近的多次热循环即可累积得到大的变形量。,细晶超塑性主要靠细小、等轴的晶粒，易于移动和转动来满足材料的超塑变形；,晶粒细小：,10um,恒温：,0.50.7T,m,应变速率：,10,-1,10,-5,s,超塑性变形机理,（细晶超塑性）,主要是晶界滑动、扩散蠕变,晶界滑动、扩散蠕变模型,低碳钢应力,应变曲线,超塑性材料的应力,-,应变曲线,超塑性的力学和组织特征,1.,变形力学特征,流动应力对变形速率敏感性,描述这种特征的方程为,Y,一真实应力；,K,材料常数；,应变速率；,m,应变速率敏感性指数。,m,是表征超塑性的一个重要指标，反映材料抗局部收缩或产生均匀变形的能力。当,m=l,时，上式即为牛顿粘性流动公式，而,K,就是粘性系数。,对于普通金属，,m=0.020.2,；对于超塑性金属，,m=0.31.0,；,m,值越大，伸长率也越大。,均匀变形,第二相晶粒能阻碍母相晶粒的长大，而母相也阻碍第二相的长大。,变形过程中晶粒长大的速度要慢，充分的热变形持续时间。,2.,组织特征,晶粒极细,等轴晶,（,1,）,（,0.5-5,m,）,（,2,）,双相,（共析或共晶）,热稳定性,（,3,）,铝合金低温超塑性变形机制,超塑变形过程中的晶界滑移现象,超塑性本构方程,金属间化合物,Ni,3,Al,超塑性组织变化,（,1,）延伸率,（有色金属,200%,，黑色金属,100%,，脆性金属超过 原来几倍）；,（,2,）晶界滑移引起的应变占总应变的,30%,以上；,（,3,）,应变速率敏感性系数,m0.3,。,3.,如何判断是否呈现超塑性,超塑性影响因素,应变速率,变形温度,组织结构,超塑性变形时组织、性能的变化,金属组织为细小等轴晶，无织构，无各向异性,；,内部组织不存在畸变；,存在加工软化现象，无加工硬化,超塑性的应用,1.,无模拉伸,2.,压焊加工,美国机种采用,SPF,、,SPF/DB,构件的技术经济效益,引自,-,北京航空工程制造研究所,欧洲机种采用,SPF,、,SPF/DB,构件的应用情况,引自,-,北京航空工程制造研究所,SPF,应用实例,钛合金焊接构件,利用有限元对,TC4,材料非对称双室盒形件的,SPF/DB,过程进行数值模拟，不同时刻厚度分布的云图。,塑性成型技术,:,主要是通过施加力场、或同时辅以温度场使材料产生塑性变形实现体积转移，获得形状、尺寸和性能都满足要求的成形制造方法，是对材料增值深加工，可以实现少切屑，甚至近成型、精确成形，能够使材料的组织和性能得到改善和提高。,材料的塑性成型,塑性成型,材料受力和变形特点,加工温度,组合成型,锻造,挤压,轧制,拉拔,冷加工,热加工,连铸连轧、超塑成型等,金属在塑性加工过程中的塑性行为,塑性加工,金属的塑性加工又称为金属的压力加工。它是利用金属的塑性，使其改变形状、尺寸并改善其性能，获得型材、板材、棒材、线材或锻压件的加工方法。,所谓塑性，是指固体材料在外力作用下发生永久变形，而不破坏其完整性的能力。金属的塑性不是固定不变的，它受诸多因素的影响，大致包括以下两个方面：一是金属的内在因素，如晶格类型、化学成分、组织状态等；另一是变形的外部条件，如变形温度、应变速率、变形的力学状态等。,研究方法：各国学者都从不同的角度采用物理模拟和数值模拟的方法建立金属塑性与各种影响因素之间关系的物理模型和数学模型。,塑性指标,可锻性好坏通常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量，可以借助拉伸实验、敦粗实验等方法来测试。,金属拉伸实验,金属拉伸实验是一种广泛的实验方法，不仅可以测试金属在金属在塑性加工过程中的基本力学性能，而且还可以揭示金属的基本力学行为。,拉伸实验通常在材料实验机上进行，在室温条件下进行轴向加载静拉伸，载荷力线与试样轴线相重合，加载速度从零开始逐渐增大，对应的应变速率为,10,-1,10,-3,s,-1,。拉伸试样是光滑试样，试样工作部分的应力状态是单向拉应力。,弹性模量,在拉伸曲线起始部分试样处于弹性变形状态，应力与 应变成正比关系，符合虎克定律，即：,=E,E,为金属的弹性模量,弹性极限,弹性极限是金属拉伸时产生弹性变形而又不产生塑性变形示所承受的最大应力，即弹性变形与塑性变形的分界点。在工程上规定金属材料的弹性极限是试样产生一个微小的残余变形量相对应的应力值，这个残余变形量根据工作条件不同，可以是,0.005%,、,0.01%,、,0.05%,，相应弹性极限分别记为,0.005,、,0.01,、,0.05,。,屈服强度,屈服极限定义为金属材料产生塑性变形的最小应力值，往往工程规定金属材料产生,0.2%,的残余变形所对应的应力值，记为,0.2,。即,0.2%,的残余变形所对应的载荷除以试件的原始截面积。,抗拉强度,抗拉强度,b,表示金属材料的极限承载能力，用试样断裂前的最大载荷除以试样的原始截面积来表示。拉伸强度是一种衡量金属材料抵抗大变形的能力。当外加应力达到拉伸强度时，对于用脆性材料就立即断裂；而对塑性材料将会出现“缩颈”，局部塑性变形量急剧增大而导致断裂。,金属的断面收缩率,、延伸率,金属的塑性用,断面收缩率,、延伸率,来表示，即：,这两个指标越高，表明金属材料的塑性越好。,金属材料拉伸应力,-,应变曲线,除拉伸实验测试外人们还采用物理模拟实验研究金属在压力加工中的塑性行为，如采用,Gleeble,试验机上进行圆柱体单向压缩试验，试验采用,10mm 12 mm,的圆柱体试样。为了保证整个试件温度均匀一致，采用不锈钢耐热合金楔形底座及碳化钨圆柱形压头计,18mm 20 mm,），如图所示。试验时由冲程（,Snide,）来控制变形量，应力由负荷传感器记录变形力及由横向应变传感器或激光膨胀测量仪来随时记录和计算面积并进行换算，应变速度、应变量、温度均可精确控制，精确获得应力,-,应变曲线。,Gleeble,试验机上物理模拟示意图,金属塑性行为的影响因素,金属的内在因素,金属化学成分的影响,不同成分的金属其压力加工过程中塑性行为也不同，化学成分影响错综复杂，一般来讲，纯金属的可锻性较合金好，纯铁的塑性就比含碳量高的钢好，变形抗力也较小。另外，钢中含有形成碳化物的元素（,Mn,、,Cr,、,Mo,、,W,等）时，金属的可锻性显著下降。,金属组织的影响,金属内部组织不同，其可锻性有很大差别。单相组织（纯金属或固溶体）比多相组织塑性好。多相组织由于各相性能不同，变形难易程度不同，导致变形和内应力的不均匀分布，因而塑性降。,金属晶粒度大小对金属塑性变形有很大影响，晶粒越细小，金属的塑性也越好。一般来讲，晶粒细小且均匀组织的可锻性明显高于铸态柱状组织和粗晶粒结构。,加工条件,变形温度的影响,提高金属变形温度是改善金属可锻性的有效途径。一般来讲，随着温度的升高，金属原子在热能作用下，处于极为活泼的状态，容易进行滑移变形，导致金属的塑性和可锻性增加，但是这种增加并非简单的线性上升。因为在加热过程由于温度升高而引起晶粒粗大，特别时在某些温度区间，往往由于相态或晶粒边界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。温度对金属塑性的影响，如下图所示,温度对金属塑性的影响曲线,变形速度的影响,在高速锻造的条件下，变形速度对金属的可锻性影响较为复杂，一方面由于变形速度的增加，金属的加工硬化现象不能及时被回复、再结晶所克服，导致金属塑性下降，变形抗力增加；另一方面，金属在变形过程中，部分能量转变成热能，使金属温度升高，导致金属塑性增加、变形抗力下降。在高速塑性加工过程中，选择合理的变形速度，使金属的可锻性达到最高。,在一般压力加工过程中，由于速度较低，变形速度对可锻性的影响不狠明显,变形时力学条件的影响,金属在压力加工过程中力学条件对材料的塑性的影响实质上就是分析应力、应变状态对金属塑性的影响。金属经不同方法进行加工时，其应力、应变大小、性质是不同的。,应力状态对金属的塑性有很大影响，在主应力状态下，压应力的数目越多、数值越大，则金属的塑性越好；反之，拉应力个数越多，数值越大，则金属的塑性越差。,应变状态对金属的塑性亦有一定的影响。一般认为，压缩应变有利于塑性的发挥，而拉伸应变则对塑性不利。因此，在三种主应变状态图中，两向压缩一向拉伸的为最好，一向压缩一向拉伸的次之，而一向压缩两向拉伸的为最差。这是因为金属（特别是铸锭）中不可避免地存在着气孔、夹杂物等缺陷，这些缺陷在两向压缩一向拉伸应变条件下，则可收缩成线缺陷，对塑性的危害性减小。,镁合金挤压成型原理图,金属塑性变形的力学基础,1.,应力分析,作用于变形体微元的应力示意图,定义,当物体受到外力,P1,、,P2,作用时，内部各质点之间就会产生相互作用的力，称为内力。单位面积上的内力便称为应力，所谓应力指物体中一微元面积,A,趋近于零时，作用在该面积上的内力,P,与,A,比值极限。即：,应力,S,是一个矢量，可以分解成两个分量，截面,C-C,外法线方向的分量，称为正应力,；另一个是平行于截面,C-C,的，称为切应力,。称,S,为全应力。显然有：,轴向应力,过一点任意切面上的全应力及其分量随其法线的方向角,的改变而变化，即是,角的函数。只要确定出,。，则过该点任意切面上的应力也就可以确定。因此，在单向均匀拉伸条件下，可用一个,。来表示其一点的应力状态，称为单向应力状态。,平面应力,三维应力状态分析,应力张量,主平面上的应力,三维应力状态下的主应力,斜微分面某一方向，剪应力等于零，该微分面为主平面，主平面的法线方向为主方向，在该面上的正应力,为主应力。,方程组是以,l,、,m,、,n,为变量的齐次线性方程组，其解就是应力主轴的方向，该解为非零解。根据线性方程理论，只有系数行列式等于零时，该方程组才有非零解。,应力莫尔圆,应力状态用主应力表示为：,例题：下面,2,个应力张量是否为同一应力状态,9,种主应力图,利用主应力图，可比较材料采用不同塑性成型工艺时塑性和变形抗力的值。,主切应力,与斜微分面上的正应力相同，切应力也随着斜微分面的方位而改变，且应力达到极值的平面称为主切应力平面，该切应力称为主切应力。,切应力极值方位（主平面、主切应力平面,）,主切平面上的正应力、切应力,2,应变分析,名义应变是线尺寸增量与最初线尺寸之比来表示。,对数应变又称为真实应变，指工件变形后的线尺寸与变形前的线尺寸之比的自然对数值,应变分析,应变分量,在坐标轴上单位长度的线变形称为正应变,一般用,表示,;,将单位长度上两棱边所夹直角的变化称为相对切应变,用,表示,可以认为是两棱边同时向内偏转相同的角度造成的,称其为切应变。则：,应变张量,应变状态分析,在变形物体中，取出一个微小的平行六面体，研究该微小平行六面体变形，将六面体的各个面投影到直角坐标系的各坐标面上，通过研究每个坐标面上投影的变形来研究整个平行六面体的变形。,变形体内无限接近两点的位移分量及位移增量,位移分量与应变分量之间关系,变形体内无限接近两点，其中任意点,A,的坐标为（,x,y,z,），小变形后移至,A,点，位移矢量,A A,在三个坐标轴,x,、,y,、,z,上的投影为,u,、,v,、,w,，；另一点,B,为（,x+dx,y+dy,z+dz,）,小变形后移至,B,点，则有下式成立：,主应变、主切应变,过变形体内一点存在三个相互垂直的应变主方向，该方向只有线应变没有切应变，称为主应变，用,1,、,2,、,3,表示。此时应变状态特征方称为：,其中：,应变状态特征方程的三个根即为三个主应变。,与主切应力相似，相应的在与应变主方向成,45,角的方向存在三个相互垂直线元，称为主切应变，,主切应变,12,、,23,、,31,计算公式为：,应变偏张量,设平均应变 ，则应变偏量为：,屈服准则又称塑性条件或屈服条件，它是描述不同应力状态下变形体某点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须满足的力学条件，一般可用如下函数表达：,称为屈服函数，式中,C,是与材料性质有关的常数。,对于任意应力状态屈服函数可以表达成如下形式,对于各向同性材料，可用主应力来表示：,屈服准则,米塞斯屈服准则,米塞斯（,Mises,）屈服准则可表示为：金属体内一点由弹性状态向塑性状态过渡的条件是等效应力达到某一定值，该点就进入塑性状态。,用主应力表示为：,C,与应力状态无关,变换上式，有：,米塞斯（,Mises,）屈服准则可理解为，金属体内任意点发生由弹性变形向塑性变形状态过渡的力学条件为，等效应力达到单向塑性应力状态下的相应变形温度、应变速率及变形程度下的流动应力。,屈雷斯加屈服准则,该准则表达为：材料处于塑性状态时，其最大切应力是一不变值，该值取决于材料在变形条件下的性质，而与应力状态无关。,该准则可表示为：,当不知道主应力的大小及顺序时，屈雷斯加屈服准则可表达为：,上述三个公式只要有一个成立，该点即进入塑性状态。,应力的第一、第二、第三不变量分别为：,则应力状态特征方程为：,解方程得主应力为：,求主应力方向，即为解下列方程，求出方向余玄,，将下列方程联立求解可得：,时，主应力方向为,当,当,时，主应力方向为,可得：当,时，主应力方向为,