4力学冶金讲稿-3.1-3
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冶金原理第三章.ppt
原理：当元素在溶剂如铁液中溶解有限，形成饱和溶液时，加 入第3组分，其溶解度改变，但其活度未变，因为第3组 分引起活度系数发生了变化。 B[B ]饱和
K a[ B]
B BK f w [ B ] f f w [ B ] B Fe B B B Fe B K
K f w [ B ] / w [ B ] B Fe B Fe B K
j i
异类相互作用系数之间的关系
j i
M M M M 1 j j i j j j i e [( 1 ) 1 ] 230 e i i i 230 M M M j i i
2.1.4 相互作用系数的温度关系式
A i B T
j
12
2
2.化学平衡法
6 3 1 m H l /100g 0 . 089 10 10 / 100 0 . 89 ppm 2
6 3 1 ml N /100 1 . 25 10 10 / 100 12 . 5 ppm 2
23
溶解特点
●H2、N2在铁液中的溶解服从平方根定律 ●溶解包括气体分子的离解及离解后原子的溶解两步。 铁液中：
18
2
Si lg fC e 0 .03 w [Si ] Si C
课外2
19
3
铁液中元素的溶解及存在的形式
3.1 Mn、Ni、Co、Cr、Mo
在铁液内的溶解焓为0，可近似将其溶液视为理想 溶液。 在高温的晶型与δ Fe大致相同，原子半径与铁原子 相差很小，与铁能无限互溶，形成置换式熔体。 熔体的物性可由纯金属的物性加和求得。
13
2
[ C ] CO 2 CO 2
2 pCO 1 K pCO fCw [C] 2
K a[ B]
B BK f w [ B ] f f w [ B ] B Fe B B B Fe B K
K f w [ B ] / w [ B ] B Fe B Fe B K
j i
异类相互作用系数之间的关系
j i
M M M M 1 j j i j j j i e [( 1 ) 1 ] 230 e i i i 230 M M M j i i
2.1.4 相互作用系数的温度关系式
A i B T
j
12
2
2.化学平衡法
6 3 1 m H l /100g 0 . 089 10 10 / 100 0 . 89 ppm 2
6 3 1 ml N /100 1 . 25 10 10 / 100 12 . 5 ppm 2
23
溶解特点
●H2、N2在铁液中的溶解服从平方根定律 ●溶解包括气体分子的离解及离解后原子的溶解两步。 铁液中：
18
2
Si lg fC e 0 .03 w [Si ] Si C
课外2
19
3
铁液中元素的溶解及存在的形式
3.1 Mn、Ni、Co、Cr、Mo
在铁液内的溶解焓为0，可近似将其溶液视为理想 溶液。 在高温的晶型与δ Fe大致相同，原子半径与铁原子 相差很小，与铁能无限互溶，形成置换式熔体。 熔体的物性可由纯金属的物性加和求得。
13
2
[ C ] CO 2 CO 2
2 pCO 1 K pCO fCw [C] 2
冶金反应动力学基础
(3-8)
即 nA = nA0 (1 − f A ) 。所以
JA
= − d (nA /V0 ) dt
= − d (nA0 (1 − f A ) /V0 ) dt
=
n A0 V0
df A dt
= CA0
df A dt
(3-9)
二、 质量作用定律 一定温度下的反应速率，与各个反应物的浓度的若干次方成正比。对基元反
流体中分子扩散的物质流为：
46
第三章 冶金反应动力学基础
47
J i = −DgradC 流体带动质点迁移的物质流为：
（3-36）
→→
Ji = vC
（3-37）
→
式中 v 为流体流速。所以对流扩散的总物质流为：
→
J = −DgradC + v C
（3-38）
如果在对流扩散中有化学反应存在，即在对流传质过程中出现物质的消耗或 积累，这时的对流方程还应增加化学反应影响项。
动量传输服从 Newton 方程
τ xy
=
−η ∂vy ∂x
（3-39）
式中η为动粘度系数（g/cm·s）。运动粘滞系数为γ=η/ρ（cm2/s）。 热量传输服从 Fourier 定律：
qx
=
−λ
∂T ∂x
（3-40）
式中λ为导热系数（W/cm·℃）。导温系数为α=λ/ρCp（cm2/s）。
质量传输服从 Fick 定律：
k
=
k0
exp(−
ER RT
)
(3-11)
44
第三章 冶金反应动力学基础
45
3．3 冶金反应动力学基础
在同一相内进行的反应称为均相反应，而在不同相间发生的反应则称为多相 反应。高温冶金反应多半是在炉气、熔渣、金属之间进行的，属于多相反应多相 反应的特征是反应发生在不同的相界面上，反应物要从相内部传输到反应界面， 并在界面处发生化学反应，而生成物要从界面处离开。
6力学冶金讲稿-3.5
（3.5-7）
应变速率敏感性指数m的确定： 可由 log σ − log ε 曲线的斜率得到， & 从式（3-14）中， log σ = log c + m log ε &
& 另一个更敏感的方法是速率变化试验，在不变的ε和T条件，通过测量 ε 的
变化及相应的σ的变化而确定m值，
m=(
log σ 2 − log σ 1 log(σ 2 / σ 1 ) ∂ log σ ∆ log σ ) ε .T ≈ ( ) ε .T = = & & & & & & ∂ log ε ∆ log ε log ε 2 − log ε 1 log(ε 2 / ε 1 )
超塑性金属优点： 超塑性金属优点：
具有高的抵抗塑性失稳能力，意味着变形过程一般限制在热聚合物中；
低的流动应力，其数量级仅为1000~5000psi，这些已在难加工的超合金的
锻造中得到应用。
3.5.4应变速率对流动性能的影响 应变速率对流动性能的影响
应变速率对流动性能有重要的影响: (1) 增加应变速率使拉伸强度增加，而且同强度的这种关系随温度的增加 而增加。
3.5.3 成型过程的速度及 ε
. _
表3-1 各种试验机和成型过程加载速度 工艺类别 拉伸试验 液压挤压机 机械压力机 冲击试验机 锻锤 爆炸成型 速度 ft/s 2 10-6~2 10-2 0.01~10 0.5~5 10~20 10~30 100~400
表3-2 应变速率范围
& ε
10-8 ~ 10-51/s 10-5~ 10-11/s 10-1~ 1021/s 102~ 1041/s 104~ 1081/s
冶金传输原理PPT课件
z
dz
dy 0yBiblioteka dx x3.2 连续性方程
单位时间输入微元体的质量-输出的质量＝累积的质量
单位时间内，x方向输入输出的流体质量为：
A点坐标（ x,y,z), 流体质点速u度 x、uy、uz,
kgkg m
kg
mm 32
ss
mm s
密度。
z
输入面（左侧面）：（ux) xdydz
输出面（右侧面）：
ux A
Y
1
1
P x P y
dux dt duy
dt
Z
1
P z
duz dt
(3.38) 欧拉方程
适用范围——可压缩、不可压缩流体，稳定流、非稳定流。
用矢量表示—— W1PDu
Dt
(3.39)
3.3 理想流体动量传输方程——欧拉方程
把 d d x u t u tx u x u x x u y u y x u z u z x a x
对于不可压缩流体ρ=常数，根据连续性方程，上式最后一项为0：
d dxu tX P x 2 x u 2 x 2 y u 2 x 2 zu 2x
3.4 实际流体动量传输方程——纳维尔-斯托克斯方程
上式两边同除以ρ，且 得：
d dxu tX 1 P x 2 x u 2 x 2 y u 2 x 2 z u 2 x
将式（b)代入式（a),方程两边同除以ρ，得：
1d d t u xx u yy u zz 0 (c)
3.2 连续性方程
引入哈密顿算子：i jk x y z
所以： U x i y j k k u x i u y j u z k u x x u y y u z z
在流场中取一微元体dxdydz，顶点A处的运动参数为：
dz
dy 0yBiblioteka dx x3.2 连续性方程
单位时间输入微元体的质量-输出的质量＝累积的质量
单位时间内，x方向输入输出的流体质量为：
A点坐标（ x,y,z), 流体质点速u度 x、uy、uz,
kgkg m
kg
mm 32
ss
mm s
密度。
z
输入面（左侧面）：（ux) xdydz
输出面（右侧面）：
ux A
Y
1
1
P x P y
dux dt duy
dt
Z
1
P z
duz dt
(3.38) 欧拉方程
适用范围——可压缩、不可压缩流体，稳定流、非稳定流。
用矢量表示—— W1PDu
Dt
(3.39)
3.3 理想流体动量传输方程——欧拉方程
把 d d x u t u tx u x u x x u y u y x u z u z x a x
对于不可压缩流体ρ=常数，根据连续性方程，上式最后一项为0：
d dxu tX P x 2 x u 2 x 2 y u 2 x 2 zu 2x
3.4 实际流体动量传输方程——纳维尔-斯托克斯方程
上式两边同除以ρ，且 得：
d dxu tX 1 P x 2 x u 2 x 2 y u 2 x 2 z u 2 x
将式（b)代入式（a),方程两边同除以ρ，得：
1d d t u xx u yy u zz 0 (c)
3.2 连续性方程
引入哈密顿算子：i jk x y z
所以： U x i y j k k u x i u y j u z k u x x u y y u z z
在流场中取一微元体dxdydz，顶点A处的运动参数为：
冶金学第三讲：炼钢学.ppt
磷在钢中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，但 通常是以[P]来表达。炼钢过程的脱磷反应是在金
属液与熔渣界面进行的。
不同用途的钢对磷的含量有严格要求：
非合金钢中普通质量级钢[P]≤0.045%；
优质级钢
[P]≤0.035%；
特殊质量级钢
[P]≤0.025%；
有的甚至要求
[P]≤0.010%。
有些钢种:炮弹钢，耐腐蚀钢需加P元素。
OBM/ Q-BOP
炼 钢 方 法（8）
在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，19781979年成功开发了转炉顶底复合吹炼工 艺，即从转炉上方供给氧气（顶吹氧）， 从转炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅 提高钢的质量，降低了消耗和吨钢成本， 更适合供给连铸优质钢水。
LD- Q- BOP
炼 钢 方 法（9）
பைடு நூலகம்
炼 钢 方 法（5）
1899年出现了完全依靠废钢为原料的电 弧炉炼钢法(EAF)，解决了充分利用废钢 炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一 直在不断发展，是当前主要的炼钢法之 一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的钢 的产量的30-40%。
炼 钢 方 法（6）
瑞典人罗伯特·杜勒首先进行了氧气顶吹 转炉炼钢的试验，并获得了成功。1952 年奥地利的林茨城(Linz)和多纳维兹城 (Donawitz)先后建成了30吨的氧气顶吹 转炉车间并投入生产，所以此法也称为 LD法。美国称为BOF法（Basic Oxygen Furnace）或BOP法。
1.3.2 钢中的硫
可以这样讲，我国的钢铁工业对世界产生 了重要影响，我国不仅是产钢大国，而且已 经开始迈入钢铁强国的行列。
我国粗钢产量的变化情况
1.3炼钢的基本任务
炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧， 去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成 分。
第三章铁液中溶质的相互作用参数,重做后2汇总
定义：
1 2 ln 2 (2) ( ) x1 1 2 2 2 x2
1 2 ln 2 (3) ( ) x 1 2 2 x32 1
1 2 ln 2 (i ) ( ) x1 1 2 2 2 xi
2 ln 2 (2,3) ( ) x1 1 2 x2x3
lg f 2 lg f 2' lg f 23
•或
就是
__ (%2) __ (%3)
2 3 lg f 2 e2 [%2] e2 [%3]
两边同乘以2.303RT
2.303RT lg f2 2.303RT lg f2' 2.303RT lg f 23
E 2 3 mixG2 2.303RTe2 [%2] 2.303RTe2 [%3]
2 2 2 2
如图3-1所示：
ln
2 0 2
2 2 2 x2
2 2 x2
x2
图3－1 相互作用系数的几何描述
在以上图中，虚线是线性关系，表示 ln
2 2 0 与 x 的线 2 2 2
性关系段 ln( 2 / 20 ) 22 x2 ；实线是非线性关 2 2 0 2 2 2 系 ln( 2 / 2 ) 2 x2 2 x2 ，其中 2 x2 是虚线与实线之间 距离，是非线性程度的描述。可以看出，随着浓度 与x 的关系偏离线性关 2 2 x2的增大， 2 x2 越来越大， ln 2 2 0 2 系的程度在增大。
对二元系： 1-2 ，组元 1-溶剂，组元 2-溶质，设其 ' ' ' a a 活度为 2 ， 2 2 x2 而对三元系：1-2-3，组元1-溶剂，组元2，3-溶质， 则组元2的活度设二元系中的x2同三元系中的x2相同。 则一般地 a2 2 x2
冶金工程pptch1课件内容
2、材料的过程和工艺。2,冶金工程冶金工程冶金工程也称为金属工艺或金属加工，是一种把金属物料加工成为 物品、冶金工程也称为金属工艺或金属加工，是一种把金属物料加工成为物品、零件、组件的工艺技术，包括了桥 梁、轮船等的大型零件，乃至引擎、零件、组件的工艺技术，包括了桥梁、轮船等的大型零件，乃至引擎、珠宝、 腕表的微小组件。（定义不精确，但后面引用的倒是比较全面贴珠宝、腕表的微小组件。（定义不精确，但后面引 用的倒是比较全面贴切。）基础理论为物理冶金学、冶金物理化学、冶金热力学；讨论领域切。）基础理论为物理 冶金学、冶金物理化学、冶金热力学；讨论领域为冶金反应工程、冶金热能工程、冶金技术、钢铁冶金、有色金属 冶金
石，烧陶窑为金属的冶铸预备了高温炉和在炉内还原条件下冶炼矿石的技术。在甘肃东乡县林烧陶窑为金属的 冶铸预备了高温炉和在炉内还原条件下冶炼矿石的技术。在甘肃东乡县林家马家窑文化遗址中发觉的距今约家马家 窑文化遗址中发觉的距今约5000年的青铜刀，以及在其他一些新石器晚期遗址中相年的青铜刀，以及在其他一些新
有坑冶食货志载唐前期有坑冶168处,
15、计银冶处，计银冶58处,铜冶处，铜冶96处，铁山处，铁山5处，锡山处，锡山2处，铅山处，铅山4处。处 。6.明清时期冶金业的进展明清时期冶金业的进展这一时期金、铜、铁、锡、铅、锌的生产规模和产量都
比唐宋时期有所增长，并生产白铜这一时期金、铜、铁、锡、铅、锌的生产规模和产量都比唐宋时期有所增长 ，并生产白铜（铜银锌合金）。银两逐步成为主要货币，银产量亦有增长。（铜银锌合金）。银两逐步成为主要货 币，银产量亦有增长。1.2.2近代钢铁冶炼技术的进展近代钢铁冶炼技术的进展历史上，西方钢铁生产技术长期落后 于中国。历史上，西方钢铁生产技术长期落后于中国。18世纪中期，工业革命世纪中期，工业革命在英国首先
石，烧陶窑为金属的冶铸预备了高温炉和在炉内还原条件下冶炼矿石的技术。在甘肃东乡县林烧陶窑为金属的 冶铸预备了高温炉和在炉内还原条件下冶炼矿石的技术。在甘肃东乡县林家马家窑文化遗址中发觉的距今约家马家 窑文化遗址中发觉的距今约5000年的青铜刀，以及在其他一些新石器晚期遗址中相年的青铜刀，以及在其他一些新
有坑冶食货志载唐前期有坑冶168处,
15、计银冶处，计银冶58处,铜冶处，铜冶96处，铁山处，铁山5处，锡山处，锡山2处，铅山处，铅山4处。处 。6.明清时期冶金业的进展明清时期冶金业的进展这一时期金、铜、铁、锡、铅、锌的生产规模和产量都
比唐宋时期有所增长，并生产白铜这一时期金、铜、铁、锡、铅、锌的生产规模和产量都比唐宋时期有所增长 ，并生产白铜（铜银锌合金）。银两逐步成为主要货币，银产量亦有增长。（铜银锌合金）。银两逐步成为主要货 币，银产量亦有增长。1.2.2近代钢铁冶炼技术的进展近代钢铁冶炼技术的进展历史上，西方钢铁生产技术长期落后 于中国。历史上，西方钢铁生产技术长期落后于中国。18世纪中期，工业革命世纪中期，工业革命在英国首先
冶金原理讲稿
课程名称：《冶金原理》第 2 周，第1讲次摘要授课题目（章、节）第一章绪论第一节冶金的概况和原料、产品第二节冶金方法及生产工艺流程第三节学习冶金原理课程的意义本讲目的要求及重点难点：【目的要求】通过本讲课程的学习，应了解冶金发展历程，知道学习冶金原理的意义，掌握冶金方法和现代冶金生产工艺流程。
【重点】冶金方法，现代冶金生产工艺流程。
【难点】冶金生产工艺流程，矿物与矿石的区别。
内容1【本讲课程的引入】冶金原理是冶金技术专业学生最主要的专业基础课之一，是冶金技术专业学生基础课与专业课衔接的桥梁和纽带，对学生基础知识和专业知识的学习具有承上启下的重要作用。
课程中所涉及的冶金基础理论与专业知识是后续专业课的基础，也是学生以后从事冶金事业所必需的基础，对学生在以后发展中冶金工程思维模式和创新意识的形成起着至关重要的作用。
今天我们来讲冶金原理第一章的内容。
【本讲课程的内容】绪论第一节冶金的概况和原料、产品1. 冶金的发展简史远古时代使用的金属为自然状态下的金、银、铜、陨石铁→从矿石中提取金属→青铜（夏商就冶炼出青铜，商朝为青铜鼎盛时期）→铁（历史战争贡献大）商朝：四羊方尊，司母戊大方鼎；春秋青铜开始发展缓慢，铁器物发展迅速；冶炼金属由开始的师傅传徒弟→应用冶金原理的方法提取冶金。
2. 金属的分类黑色金属：铁、铬、锰有色金属：除铁、铬、锰之外的金属有色金属又分为重金属、轻金属、贵金属和稀有金属。
重金属：密度大，在7~11g/m3，包括铜、铅、锌、锡、镍、钴等。
轻金属：密度小于5g/m3，包括铝、镁、钙、钾、钠和钡等。
贵金属：价值比一般金属贵，包括：金、银、铂以及铂族元素。
稀有金属：指那些发现较晚、在工业上应用较迟、在自然界中分布分散以及在提炼方法上比较复杂的金属。
稀有金属并不是其在地壳中含量少，只是历史沿袭的习惯而已。
3. 矿物、矿石、脉石和精矿矿物：指自然界天然存在的化合物或自然元素。
矿石：在现有条件下能合理经济地提取有用矿物的矿物集合体。
4力学冶金讲稿-3.1-3
块状金属成型性是有延性破坏限制的。 拉丝是一个例外，拉丝的成型是由道次最大面 缩率所限定的。 一旦引起面缩就无法承受拉丝的载荷。因此 由形成缩颈所限定的变形量无太多的关系。当 然也是可能的，虽然不是普遍，脆性破坏也限 定成型的极限。 在许多成型过程中的成型极限同拉伸实验中测 得的面缩率有十分密切的关系。
+ eu
（3.3－3）
βD
L0
A0
+ eu
D0
或
L0
必需保持为常数
几何因子取值范围
美国为4.0 英国为5.0 德国为10.0 国内有 δ 5 和 δ 10 两种 L 即： D ＝5或10
0 0
延伸率和面缩率
延伸率： 延伸率：受均匀延伸的影响主要与材料的 应变硬化能力有关 面缩率：断裂时所要求的变形量它主要来 面缩率： 源于缩颈过程，由于缩颈处存在复杂的应 力状态，面缩率的数值与试样的几何学和 变形行为有关，它仍不应作为真正的材料 性能标志。 面缩率是结构敏感的。
（1）塑性指标
拉 伸 实 验 延伸率 面缩率
总延伸率＝缩颈时出现的均匀延伸
＋缩颈开始时的局部延伸
局部延伸的影响程度
试样的均匀延伸程度与冶金条件、实验尺寸效 应、缩颈发展形状有关。
断裂时试样的延伸量表示为：
∆ L = L f − L0 = α + e u L0
(3.3-1)
均匀延伸率为：
eu = L − L0 L0
3.2金属材料的屈服应力 3.2金属材料的屈服应力
（1）屈服应力是确定加工过程能力参数的主要 ） 参数 P ⋅ WT = f (σ s ⋅ µ ⋅ h ) b
（2）影响屈服应力的因素 ）
& 与变形过程紧密相关的因素： T ,ε ,ε 与变形过程无关的因素：化学成分，冶金组织，晶粒 大小，偏析，变形历史
1力学冶金讲稿-1-2.2.7解析
在屈服表面上。
3）加载曲面（瞬时的或后继的屈服曲面）
力学冶金
北京科技大学材料学院
刘雅政
课程概述 :
力学冶金是硕士研究生的一门学位课 前修课:本科生的《材料成形理论基础》(固态成形)
在此 课的基础上的深化，扩展和综合; 微细观材料学和宏观力学结合起来； 系统工程：把组成塑性加工过程的各个独立部分视为一个系 统来进行过程综合。
新的知识结构：建立塑性加工系统工程
A. 线弹性
σ
σ=Eε
`
σ ε
B. 刚塑性
σ=σs
σs ε
2).简单应力状态的模型
C. 线粘性
D. 粘-塑性
s
E. 粘-弹性
s
E
3)复杂应力状态的模型
A. 线弹性
m k
ij i j 2Gij
ij ' 2Gij
1.金属塑性加工过程概论
1.1 引言
金属塑性加工方法多种多样，如轧制、锻造、挤压、拉拢、深冲等， 工程材料经受的这诸多的各种各样的加工，
加工目的只有两个：改变材料的几何形状和改善其性能。
改变几何形状：主要属于几何学问题 简单坯料（方、圆、扁坯）通过工具的作用，产生塑性变形而成 为一个几何学上复杂的产品，（如各种型钢、工、槽、扁、角、 轨、钢管，这多为热轧产品。 复杂性：很高的尺寸精度，很低的表面粗糙度，良好的板形，高精 度的厚度偏差等。 有色金属的冷挤压产品也是几何学上很复杂的。
素来减少某些化学元素），来改善材料的化学性能。
物理冶金：在不改变材料的化学成分的情况下，主要通 过
控制材料的加热、冷却、相变等物理手段改变材料的 组织结 构，从而改变材料的性能。
3）加载曲面（瞬时的或后继的屈服曲面）
力学冶金
北京科技大学材料学院
刘雅政
课程概述 :
力学冶金是硕士研究生的一门学位课 前修课:本科生的《材料成形理论基础》(固态成形)
在此 课的基础上的深化，扩展和综合; 微细观材料学和宏观力学结合起来； 系统工程：把组成塑性加工过程的各个独立部分视为一个系 统来进行过程综合。
新的知识结构：建立塑性加工系统工程
A. 线弹性
σ
σ=Eε
`
σ ε
B. 刚塑性
σ=σs
σs ε
2).简单应力状态的模型
C. 线粘性
D. 粘-塑性
s
E. 粘-弹性
s
E
3)复杂应力状态的模型
A. 线弹性
m k
ij i j 2Gij
ij ' 2Gij
1.金属塑性加工过程概论
1.1 引言
金属塑性加工方法多种多样，如轧制、锻造、挤压、拉拢、深冲等， 工程材料经受的这诸多的各种各样的加工，
加工目的只有两个：改变材料的几何形状和改善其性能。
改变几何形状：主要属于几何学问题 简单坯料（方、圆、扁坯）通过工具的作用，产生塑性变形而成 为一个几何学上复杂的产品，（如各种型钢、工、槽、扁、角、 轨、钢管，这多为热轧产品。 复杂性：很高的尺寸精度，很低的表面粗糙度，良好的板形，高精 度的厚度偏差等。 有色金属的冷挤压产品也是几何学上很复杂的。
素来减少某些化学元素），来改善材料的化学性能。
物理冶金：在不改变材料的化学成分的情况下，主要通 过
控制材料的加热、冷却、相变等物理手段改变材料的 组织结 构，从而改变材料的性能。
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+ eu
（3.3－3）
βD
L0
A0
+ eu
D0
或
L0
必需保持为常数
几何因子取值范围
美国为4.0 英国为5.0 德国为10.0 国内有 δ 5 和 δ 10 两种 L 即： D ＝5或10
0 0
延伸率和面缩率
延伸率： 延伸率：受均匀延伸的影响主要与材料的 应变硬化能力有关 面缩率：断裂时所要求的变形量它主要来 面缩率： 源于缩颈过程，由于缩颈处存在复杂的应 力状态，面缩率的数值与试样的几何学和 变形行为有关，它仍不应作为真正的材料 性能标志。 面缩率是结构敏感的。
圆周要经受压缩应变（即环方向上）
A
径向
（3）金属在进入凹模时，在拉伸应力作用下，经过首先弯曲 再变直。 在D处：在拉伸应力作用下， 在沿上产生的增厚的结果， 在窄环上又被减薄。 （4）在B处 如果“环壁厚度”大于凹凸模的间距（是由在沿伸 缩进入凹模时增厚所致的），则受到的应变如图上所示。 厚度上受压将减薄，使得环壁厚度均匀。（一般有10～ 20％的厚度减薄量？）
板料的成型极限： 板料的成型极限：由拉伸失稳而不是由破裂决定的。
板料的成型过程中，其应力状态接近于平面拉伸应力状态。
在双向拉伸条件下失稳发生前的最大应变量大于单向拉 伸时的最大应变量。 伸时的最大应变量。 （单向拉伸时 ε n = n ，双向拉伸时 ε = 2n ） n
−
−
板料的成型性能： 板料的成型性能：
高 度 压 下 100 率 90 80 70 60 50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ，m
o−∆ ∆−∆
Ho = 1.0 D0 Ho = 0.75 D0
%
Avitzur：研究了挤压和拉拔时中心破裂或箭形裂纹的形成。
他的研究预测了为防止这类裂纹所必须避免的模具角和面缩 率的范围。
4.5 4.0 压 缩 比 3.5 m=0.5 3.0 R
拉伸应力 环上
两种极端的情形： 两种极端的情形：
一是平面应变状态。在板平面的主应力中，一个是拉伸变 形， 一个是压缩变形，厚度的变形很小可忽略不计，近乎于平 面应变条件。
二是平面主应力状态。板平面上的两个主应力为拉伸应力， 厚度上的应力近乎为零，接近于平面拉伸应力状态。
大多数的真实成型过程是介于这两种极端情形之间。
3.2金属材料的屈服应力 3.2金属材料的屈服应力
（1）屈服应力是确定加工过程能力参数的主要 ） 参数 P ⋅ WT = f (σ s ⋅ µ ⋅ h ) b
（2）影响屈服应力的因素 ）
& 与变形过程紧密相关的因素： T ,ε ,ε 与变形过程无关的因素：化学成分，冶金组织，晶粒 大小，偏析，变形历史
（3）静水压力与金属材料的塑性 ）
高的静水压应力抑制了孔隙的长大，从而延迟了断裂。通 常静水拉伸应力加速孔隙的成长，降低塑性。如图所示：
在锻造和墩粗时，自由表面上鼓形引起的拉伸的周向 应力，产生 裂纹。如图：
F
（4）热加工的塑性 ） 热脆产生的一般原因是液相的存在。它的产生是由于加热温度 进入到液－固两相区，造成部分融化所致。 低熔点的 共晶硫化物 共晶硫化物： Cu、Sn：热加工时会引起表面裂纹。浓缩于固溶体中并恰好 、 存在于氧化皮的下面。浓缩超过了固溶能力，一个单独的液相就 会形成，它和界面湿润并导致塑性降低。 夹杂物：垂直被拉长的夹杂物加工，影响材料塑性。 夹杂物
延性断口产生的原因
夹杂周围的空穴或孔隙的扩展
经过冷轧的1018钢在拉伸试验中最终断裂前 出现的在缩颈中心附近的裂纹
λ d
λ
拉伸试验时延 性裂纹的形成： 夹杂上的孔隙 被拉长以及孔 隙之间的缩颈
λ≈d
延性断裂也可能由局部剪切而产生，拉伸试验的 延性杯—锥断裂上的剪切唇就是一个例子
夹杂物周围的空隙连接在一起从而形成剪切 的延性裂纹
铜中第二相质点的体积含量对拉 伸塑性的影响 表明铜的拉伸塑性随着随着人工 加入夹杂数量的增加而降低，某 些第二相质点比其它杂质有更大 的危害性
固有的杂质体积含量对钢的拉伸 塑性的影响 表明钢中的氧化物、硫化物和碳 化物具有相似的倾向性
分布状态：
压力加工倾向于使夹杂物在延伸的方向上被拉长 并成为一字形，这种机械纤维降低了垂直于主应 力方向上的断裂强度和塑性。可锻铸铁就是一个 极端例子，虽然它不是商业产品。裂纹的路径遵 循着玻璃状的硅酸盐夹杂物而形成“木纹状”断 裂， 倾向于产生纵裂
3.3.3金属材料的成型性能
（1）块料的成型性能 ）
可加工性是：金属加工过程中 产生变形而不形成裂纹 可加工性是 的变形程度。
可加工性是个复杂的技术概念 技术概念。它不仅取决于材料的断 技术概念 裂阻力（塑性），而且也同工艺过程的特定条件，诸如变形 量、摩擦、温度和应变速率等有关。
块状金属加工过程中产生的裂纹可分为三种主要的类型：
L − L0 = eu L0
均匀延伸量为：
试样的总延伸率为:(试样断裂)
ef = L f − L0 L0 =
α
L0
+ eu
(3.3-2)
几何相似的试样产生几何相似的缩 颈区域。根据Barba法则：
α = β A0
由（3.3－1）式： 对于板试样 对于棒试样 几何因子
L0
ef =
ef =
β A0
L0
（1）塑性指标
拉 伸 实 验 延伸率 面缩率
总延伸率＝缩颈时出现的均匀延伸
＋缩颈开始时的局部延伸
局部延伸的影响程度
试样的均匀延伸程度与冶金条件、实验尺寸效 应、缩颈发展形状有关。
断裂时试样的延伸量表示为：
∆ L = L f − L0 = α + e u L0
(3.3-1)
均匀延伸率为：
eu = L − L0 L0
硫化物对钢的拉伸塑性的影响
拉 伸 断 裂 时 的 真 应 变
ln
A0 Af
1.5 1.0
向 横向
横向塑性较低的原因 物 向 拉伸
0.5 0 1 硫化物 2 3
ln
A0 Af
ln
拉 伸 试 验 断 裂 应 变 1 2 3
A0 Af
1.5 塑 性 1.0 0.5 0
2
1
0
1
2
3
杂质体积含量，％
杂质体积含量，％
采用双向拉伸试验比单向拉伸试验更为合适。 双向拉应力状态，通常用静液胀形试验来定成。如下图所 示：
d
d1
d2
ε1 = ln
d1 d2
ε3 = 0
ε 2 = ln
d2 d0
根据长轴和短轴的测量值d2 和d1， 可计算出两个主应变ε1和ε2
由计算和多次试验可作出下面的成型极限图： 长 轴 主 变
拉－压 主变状态
杯拉延成形
深冲过程的分析
金属承受三种不同形式的变形： 金属承受三种不同形式的变形： 应力和变形取决于不同的部位 （1）在底部（A）： 由于冲头的作用，承受双向拉伸应力 C D B
（2）在圆周外边沿处（C) 周长πD0坯料 径向拉伸应变 这两个主应变作用的结果，使环边沿在向 下深冲。变形过程中，坯边的厚度在不断增加。 成 形杯πDρ ， 连续变化
拉伸时的面缩率的关系
冷 时 的 时 厚 度 变 边 形 量 纹 裂 部 现 出 轧
2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4
拉伸时的面缩率
（2）冶金组织与金属材料塑性
金属的塑性受到基体和夹杂这两者的性能的 强烈影响。 夹杂在延性破坏中起着支配的作用。 夹杂的①体积百分数②性质③形状和④分布 是主要的。
加工极限：块状金属的加工极限是以表面出现裂纹为标准。 加工极限
断裂的判据：
Cockcroft和Latham提出的判据是以应力和应变的某种组合 为根据的，并且最大的局部拉伸应力（σ*)最为重要。
σ* dε＝常数
实际应用： 实际应用：
每一种材料在断裂时的拉伸应变和压缩应变之间存在着一种 单一关系形式的断裂判据。如图所示：
块状金属成型性是有延性破坏限制的。 拉丝是一个例外，拉丝的成型是由道次最大面 缩率所限定的。 一旦引起面缩就无法承受拉丝的载荷。因此 由形成缩颈所限定的变形量无太多的关系。当 然也是可能的，虽然不是普遍，脆性破坏也限 定成型的极限。 在许多成型过程中的成型极限同拉伸实验中测 得的面缩率有十分密切的关系。
拉－拉 主变状态
短轴主变 成型极限图
影响板料成型性能的主要指标： 影响板料成型性能的主要指标：
材料的应变硬化指数n，它决定成型极限的大小，以及 平均应变比R，它表示板的法向各向异性指标 。
R = εω / ε t
1 R = ( R0 + R90 + 2 R45 ) 4
−
它表征了板料的成型性能的好坏。
& σ = f (ε , ε , T , S )
（3）确定屈服应力的实验方法 ） 简单拉伸，简单压缩，平面应变压缩， 纯扭转，静液胀形
3.3金属的塑性及可加工性 3.3金属的塑性及可加工性
3.3.1 塑性变形 塑性变形： 塑性变形：物体受力作用后，移去外力 后，保留在变形物体内的永久变形。
弹－塑性：恢复与否 塑－脆性：同一概念 区别：发生破坏时变形量的大小
3.塑性加工时金属材料的性质和特征 3.塑性加工时金属材料的性质和特征
3.1 引言
材料的加工性：
由代表着加工工艺和加工过程的 应力、应变、速率和温度等条件和材 料内部组织条件的综合作用而决定的。
在加工过程中
变形过程 材料的性质 影响到 边界条件 出品的性能 力能参数 成形极限指标
坯料的性质包括 几何学 特性 屈服 应力 可加工 性能