金属塑性变形与流动问题

金属的塑性变形习题1.名词解释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。

塑性指标为了衡量金属塑性的高低，需要有一种数量上的指标变形速率金属塑性加工时单位时间内工件的平均变形程度变形抗力塑性变形时，变形金属抵抗塑性变形的力超塑性材料在一定内部条件下和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。

交滑移在晶体中，出现两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移孪生变形晶体特定晶面（孪晶面）的原子沿一定方向（孪生方向）协同位移（称为切变）的结果包辛格效应在金属塑性加工过程中正向加载引起的塑性应变强化导致金属材料在随后的反向加载过程中呈现塑性应变软化（屈服极限降低）的现象。

残余应力引起附加应力的外因去处后，在物体内仍残存的应力叫残余应力，残余应力是弹性应力，不超过材料的屈服应力，也是相互平衡成对出现的。

最小阻力定律当物体各质点有在不同方向移动的可能时，变形物体内的每一个质点都将沿其最小阻力方向移动。

2.影响金属塑性的内因和外因有哪些？答案：影响金属塑性高低的主要因素有两方面：内因，金属本身的化学成分、组织结构等；外因，变形温度、变形速度、变形程度、应力状态、变形状态、尺寸以苏、周围介质等。

3.改善金属材料的工艺塑性有哪些途径，怎样才能获得金属材料的超塑性？答案：（1）途径：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。

（2）获得金属材料超塑性的方法：①超细等轴晶粒组织在一定温度区间和一定的变形速度条件可以获得恒温超塑性；②材料具有固态相变的特性，并在外加载荷作用下，在相变温度上下循环加热与冷却，诱发产生发福的组织结构变化时金属原子；发生剧烈运动而呈现出相变超塑性。

③有些材料在消除应力退火过程中，在应力作用下也可以得到超塑性。

第十八章 金属塑性变形与流动问题基本要求：1． 理解最小阻力定律、不均匀变形、附加应力和残余应力、塑性成形中摩擦与润滑等概念2． 定性分析金属塑性变形与流动对工艺和模具设计以及质量的影响第一节 金属流动方向——最小阻力定律金属的塑性流动方向可应用最小阻力定律进行判断。

最小阻力定律由前苏联学者古布金（С.И.Губкин）于1947年将它表达为“当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动”。

最小阻力定律是力学的普遍原理，可以定性地用来分析质点的流动方向，或调整某方向阻力来控制金属的流动。

例如，粗糙平板间矩形断面棱柱体镦粗时，由于接触面上质点向四周流动的阻力与质点离周边的距离成正比，因此离周边的距离愈近，阻力愈小，金属质点必然沿着这个方向移动。

该方向恰好是周边最短法线方向，因此可用点划线将矩形分成两个三角形和两个梯形，形成四个流动区域，如图18-1所示。

点划线是流动的分界线，线上各点至边界的距离相等，各个区域内的质点到各边界的法线距离最短。

这样镦粗后，矩形断面将变成双点划线所示的多边形，继续镦粗，断面周边变成椭圆直至变成圆为止。

以后各质点将沿着半径方向移动。

由于相同面积的任何形状，圆形的周边最小，故最小阻力定律在镦粗中也称为最小周边法则。

再例如，平砧间拔长是使其截面逐渐减小而长度增加的工序，其实质是沿坯料长度方向的逐次镦粗，如图18-2。

当坯料送进量小于料宽时，金属轴向延伸大于横向展宽，拔长效率高，如图18-2a ，反之采用图18-2b 的送进方式，展宽量大于延伸量，拔长效率低。

关于调整阻力控制金属流动的实例很多，例如开式模锻，如图18-3，增加金属流向飞边的阻力，以保证金属充填型腔；或者修磨圆角r ，减小金属流向A 腔的阻力，使A 腔充填饱满。

又例如，在大型覆盖件拉深成形时，常常要设置拉延筋，用来调整或增加板料进入模具型腔的流动阻力，以保证覆盖件的成形质量。

金属在塑性变形时遵循最小阻力定律和体积不变条件，据此可以大体上确定出塑性成形时金属流动模型，进而可以合理地制定成形工序、设计成形模具、分析成形质量。

一、加工硬化加工硬化指经过塑性变形后，金属内部的组织结构和物理力学性能发生改变，其塑性、韧性下降，强度、硬度增加，继续变形的力提高的现象。

微观上，加工硬化与金属内部的位错滑移、位错交割、位错塞积、交滑移以及晶粒的破碎与变化等有关。

加工硬化的后果： 强度提高，增加设备吨位；塑性下降，降低变形程度，增加变形工序和中间退火工序；强化金属材料（不能热处理的），提高金属零件的强度，改善冷塑性加工的工艺性能。

附：金属的结构：单晶体结构（体心立方、面心立方、密排六方） 实际多晶体结构（点缺陷、线缺陷、面缺陷） 单晶体的塑性变形机构：滑移，挛生 位错理论的基本概念：位错、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错运动与增值 多晶体冷塑性变形的微观机理：晶界、晶粒位向、晶内变形、晶间变形、变形不均匀性、 变形后组织与性能的改变 有关基本内容参阅金属学及热处理 二、金属的塑性与塑性指标金属的塑性：指固体金属在外力的作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。

注：塑性是一种状态、而不是一种性质 塑性的影响因素：（各因素具体的影响没详细） 内部因素：晶格类型、化学成分、晶相组织； 外部因素：变形温度、变形速度、受力状态 附：塑性指标三、金属受外力而变形，抵抗变形的力—变形抗力 变形的难易程度 单位流动应力 变形抗力的影响因素： 化学成分、组织结构、变形温度 变形速度、变形程度、应力状态四、金属的超塑性—金属材料在一定的内部条件（金属的组织状态）和外部条件（变形温度、变形速度）下变形体现出的极高的塑性，延伸率达δ＝100％～2000％。

, m ＝0.3~1.0超塑性结构超塑性（微细晶粒超塑性） 动态超塑性（相变超塑性）超塑性的影响因素：组织结构（晶粒度5 ~ 10μm ） 变形温度（0.5 ~ 0.7T m ）、变形速度（10-4 ~ 10-1 min-1） 五、塑性力学的基本假设：1.变形体连续2.变形体均质和各向同性3.变形体静力平衡4.体积力和体积变形不计 六、主应力、应力状态特征方程（在课本上） 1、应力特征方程的解是唯一的；2、对于给定的应力状态，应力不变量也具有唯一性；3、应力第一不变量J1反映变形体体积变形的大小，与塑性变形无关；J3也与塑性变形无关；J2与塑性变00100%h l l l δ-=⨯ 延伸率−00100%hA A A φ-−=⨯断缩面收率 00100%h C H H H ε-−=⨯压缩变形程度()()()()()()()()22222222222212322311616x y y z z x xy yz zx x y y z z x xy yz zx J σσσσσστττσσσσσστττσσσσσσ⎡⎤''''''=-++-++⎣⎦⎡⎤=-+-+-+++⎢⎥⎣⎦⎡⎤=-+-+-⎣'⎦10x y z J σσσ'''+'=+=形有关；4、应力不变量不随坐标而改变，是确定点的应力状态异同的判据。

金属塑性变形原理1、变形和应力1．1塑性变形与弹性变形金属晶格在受力时发生歪扭或拉长，当外力未超过原子之间的结合力时，去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态，也就是说，未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形。

多晶体发生弹性变形时，各个晶粒的受力状态是不均匀的。

当加在晶体上的外力超过其弹性极限时，去掉外力之后歪扭的晶格和破碎的晶体不能恢复到原始状态，这种永久变形叫金属的塑性变形。

金属发生塑性变形必然引起金属晶体组织结构的破坏，使晶格发生歪扭和紊乱，使晶粒破碎并且使晶粒形状发生变化，一般晶粒沿着受力方向被拉长或压缩。

1．2应力和应力集中塑性变形时，作用于金属上的外力有作用力和反作用力。

由于这两种外力的作用，在金属内部将产生与外力大小相平衡的内力。

单位面积上的这种内力称为应力，以σ表示。

σ=P/S式中σ——物体产生的应力，MPa：Ｐ——作用于物体的外力，N；Ｓ——承受外力作用的物体面积，mm2。

当金属内部存在应力，其表面又有尖角、尖缺口、结疤、折叠、划伤、裂纹等缺陷存在时，应力将在这些缺陷处集中分布，使这些缺陷部位的实际应力比正常应力高数倍。

这种现象叫做应力集中。

金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物及残余应力等对应力的反应与物体的表面缺陷相同，在应力作用下，也会发生应力集中。

应力集中在很大程度上提高了金属的变形抗力，降低了金属的塑性，金属的破坏往往最先从应力集中的地方开始。

2、塑性变形基本定律2．1体积不变定律钢锭在头几道轧制中因其缩孔、疏松、气泡、裂纹等缺陷受压缩而致密，体积有所减少，此后各轧制道次的金属体积就不再发生变化。

这种轧制前后体积不变的客观事实叫做体积不变定律。

它是计算轧制变形前后的轧件尺寸的基本依据。

H、B、L——轧制前轧件的高、宽、长；h、b、l——轧制后轧件的高、宽、长。

根据体积不变定律，轧件轧制前后体积相等，即HBL=hbl2．2最小阻力定律钢在塑性变形时，金属沿着变形抵抗力最小的方向流动，这就叫做最小阻力定律。

小结第三章金属材料的塑性变形第一节金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。

正应力只能引起弹性变形及解理断裂。

只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。

塑性变形有两种形式：滑移和孪生。

在多数情况下，金属的塑性变形是以滑移方式进行的。

（一）滑移1.滑移与滑移带1)滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。

滑移变形的特点：⑴滑移只能在切应力的作用下发生。

产生滑移的最小切应力称临界切应力。

⑵滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。

因为原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。

沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。

通常是晶体中的密排面和密排方向。

⑶滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。

2)滑移带滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。

2.滑移系一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。

金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格，体心立方晶格好于密排六方晶格。

3.滑移时晶面的转动:①外力错动→力偶使滑移面转动→滑移面∥拉伸轴。

②以滑移面的法线为转轴的转动→滑移方向∥最大切应力方向。

㈡孪生孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。

发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。

与滑移相比：孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。

二、多晶体金属的塑性变形单个晶粒变形与单晶体相似。

而多晶体变形比单晶体复杂得多。

㈠晶界及晶粒位向差的影响1、晶界的影响当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。

要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的塑性变形抗力提高。

2、晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。

金属塑性成形理论基础（一）金属塑性变形机制参考讲义前言金属塑性加工是利用金属的塑性，在外力的作用下，通过模具(或工具)使简单形状的坯料成形为所需形状和尺寸的工件(或毛坯)的技术。

它也被称之为塑性成形或压力加工。

金属塑性加工方法主要包括锻造、冲压、轧制、拉拔、挤压等几种类型。

为何采用塑性成形技术？⏹金属经过塑性成形后能改善其组织结构和力学性能。

铸造组织经过热塑性变形后由于金属的变形和再结晶，会使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、缩松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。

因此铸件的力学性能低于同材质的锻件的力学性能。

⏹塑性成形能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。

什么是塑性变形？当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服极限以后，金属就会产生变形。

当外力停止作用后，金属的变形并不消失。

这种变形称为塑性变形。

（当外力作用在金属上时，如受拉，金属内的原子间距变大，如果这种变化是弹性范围内的，当外力去除后，原子还能恢复到原来的状态；如果外力较大，这种变化就达到了塑性阶段了，当外力去除之后，有一部分变化就不能恢复了，金属就发生了塑性变形。

作为一种极限，当外力大到一定程度，原子间的结合力被打破，那么金属就断了。

）塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。

塑性不仅与材料本身的性质有关，还与变形有方式和变形条件有关。

材料的塑性不是固定不变的，不同的材料在同一变形条件下会有不同的塑性，而同一材料，在不同的变形条件下，会表现不同的塑性。

塑性是反映金属的变形能力，是金属的一咱重要的加工性能。

塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。

金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。

分析影响金属塑性变形的主要因素(一）影响金属塑性变形的主要因素影响金属塑性变形的主要因素有两个方面，其一是变形金属本身的晶格类型，化学成份和组织状态等内在因素；其二是变形时的外部条件，如变形温度、变形速度和变形的力学状态等。

因此，只要有合适的内、外部条件，就有可能改变金属的塑性行为1.化学成份和组织对塑性变形的影响化学成份和组织对塑性和变形抗力的影响非常明显也很复杂。

下面以钢为例来说明。

①化学成份的影响在碳钢中，铁和碳是基本元素。

在合金钢中，除了铁和碳外还包含有硅、锰、铬、镍、钨等。

在各类钢中还含有些杂质，如磷、硫、氨、氢、氧等。

碳对钢的性能影响最大。

碳能固溶到铁里形成铁素体和奥氏体固溶体，它们都具有良好的塑性和低的变形抗力。

当碳的含量超过铁的溶碳能力，多余的碳便与铁形成具有很高的硬度，而塑性几乎为零的渗碳体。

对基体的塑性变形起阻碍作用，降低塑性，抗力提高。

可见含碳量越高，碳钢的塑性成形性能就越差。

合金元素加入钢中，不仅改变了钢的使用性能，而且改变了钢的塑性成形性能，其主要的表现为：塑性降低，变形抗力提高。

这是由于合金元素溶入固溶体(α—Fe和γ－Fe)，使铁原子的晶体点阵发生不同程度的畸变；合金元素与钢中的碳形成硬而脆的碳化物(碳化铬、碳化钨等)；合金元素改变钢中相的组成，造成组织的多相性等，都造成钢的抗力提高，塑性降低。

杂质元素对钢的塑性变形一般都有不利的影响。

磷溶入铁素体后，使钢的强度、硬度显著增加，塑性、韧性明显降低。

在低温时，造成钢的冷脆性。

硫在钢中几乎不溶解，与铁形成塑性低的易溶共晶体FeS，热加工时出现热脆开裂现象。

钢中溶氢，会引起氢脆现象，使钢的塑性大大降低。

②组织的影响钢在规定的化学成份内，由于组织的不同，塑性和变形抗力亦会有很大的差别。

单相组织比多相组织塑性好，抗力低。

多相组织由于各相性能不同，使得变形不均匀，同时基本相往往被另一相机械地分割，故塑性降低，变形抗力提高。

晶粒的细化有利提高金属的塑性，但同时也提高了变形抗力。