金属塑性变形原理
金属塑性成形
02
金属塑性成形的原理
金属塑性变形的物理基础
01
金属塑性变形的基本概念
金属塑性成形是通过外力作用使金属材料发生塑性变形，从而获得所需
形状和性能的过程。
02
金属的晶体结构与塑性变形
金属的晶体结构是影响其塑性变形行为的重要因素。金属的晶体结构决
定了其塑性变形的机制和特点。
03
温度对金属塑性变形的影响
塑性成形过程中的缺陷与控制
在塑性成形过程中，由于各种因素的影响，可能会出现裂纹、折叠、夹杂等缺陷。为了获得高质量的产 品，需要了解这些缺陷的形成原因，并采取相应的措施进行控制和预防。
03
金属塑性成形的方法
自由锻成形
总结词
自由锻成形是一种金属塑性加工方法，通过锤击或压力机等 工具对金属坯料施加外力，使其发生塑性变形，从而获得所 需形状和尺寸的金属制品。
随着科技的发展，精密金属塑性成形技术逐渐兴起，如精密锻造、精密轧制、精密冲压等 ，这些技术能够制造出更高精度、更复杂形状的金属零件。
数值模拟与智能化技术
近年来，数值模拟与智能化技术在金属塑性成形领域得到了广泛应用，通过计算机模拟技 术可以对金属塑性成形过程进行模拟分析，优化工艺参数，提高产品质量和生产效率。同 时，智能化技术的应用使得金属塑性成形过程更加自动化和智能化。
详细描述
挤压成形适用于生产各种复杂形状的管材、棒材和异型材等。由于其能够实现连续生产，因此具有较 高的生产效率。但挤压成形对设备和操作技术要求较高，且对原材料的表面质量、尺寸精度和化学成 分等要求严格。
拉拔成形
总结词
拉拔成形是一种金属塑性加工方法，通 过拉拔机对金属坯料施加拉力，使其发 生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸 的金属制品。
冲压 原理
冲压原理
冲压是一种常见的金属加工工艺，通过对金属板材进行连续的压制和拉伸，使其产生塑性变形，从而获得所需形状的工件。
冲压工艺的主要原理包括以下几个方面：
1. 塑性变形原理：冲压过程中，金属材料受到外部载荷作用，发生了塑性变形。
当金属材料受到一定的压力时，材料中的晶粒会发生位错滑移，且晶粒之间会发生塑性变形。
通过连续的压制和拉伸，可以使金属板材产生塑性变形，最终形成所需的工件形状。
2. 模具设计原理：冲压过程需要使用专用的模具来对金属板材进行加工。
模具一般由上下两部分组成，分别称为上模和下模。
上模和下模的工作面上分别设置有凸模和凹模，两者之间的间隙就是工件的形状。
当上下模合闭时，金属板材被夹在两个模具之间，通过上模的下压力作用下，金属板材发生塑性变形，形成所需的工件形状。
3. 材料选择原理：冲压工艺中使用的金属材料一般为具有良好可塑性的薄板材料，如钢板、铝板等。
材料的选择取决于工件的要求和使用环境。
不同的材料具有不同的力学性能和特性，需要根据实际情况选择合适的材料。
4. 工艺参数调节原理：冲压过程中，需要根据工件的形状和材料的特性来合理调节工艺参数，如冲头的力度、下模的间隙、上下模的温度等。
合理的工艺参数可以保证工件的质量和加工效率。
5. 前处理与后处理原理：在冲压工艺中，还需要进行一些前处理和后处理工作。
前处理包括材料的切割、折弯等，后处理包括去毛刺、打磨、电镀等，以提高工件的表面质量和精度。
总之，冲压工艺通过塑性变形的原理，配合模具的设计和合理的工艺参数调节，可以高效地生产出各种形状的金属工件。
金属的塑性成形原理的应用
金属的塑性成形原理的应用引言金属的塑性成形是一种广泛应用于工业生产中的加工方法。
通过施加外力，金属材料能够发生可逆形变，从而得到所需的形状和尺寸。
本文将介绍金属的塑性成形原理，并探讨其在工业领域中的应用。
塑性成形原理金属的塑性成形原理是基于金属的晶格结构和金属材料的塑性变形行为。
晶格结构是金属内部原子的排列方式，金属材料具有良好的塑性变形特性是因为其晶格结构存在一定的弹性空间，能够容纳变形所需的位错。
金属材料在进行塑性成形过程中，通过施加外力，使得晶格中的原子发生相对位移。
在边界和晶间空隙处产生位错，进而引起晶格结构的重新排列。
这种晶格中的位错和重新排列使得金属能够发生塑性变形。
塑性成形的应用1. 冷冲压冷冲压是利用金属材料的塑性变形特性，在常温下通过模具施加压力进行金属件的成形加工。
冷冲压具有成形速度快、精度高、零件强度高等优点。
在汽车制造、电子设备制造等领域中广泛应用。
在冷冲压过程中，金属材料受到模具的压力作用，发生塑性变形并形成所需的形状。
常见的冷冲压制品包括汽车车身件、家电外壳等。
2. 热冲压热冲压是在较高温度下进行的金属成形加工方法。
通过加热金属材料，使其变得更加塑性，从而能够更容易地形成复杂的形状。
热冲压常用于制造高精度的金属零件，例如航空发动机叶片、涡轮叶片等。
热冲压具有高精度、高强度、高密度等优点，能够满足对零件质量和性能要求较高的应用场景。
3. 金属拉伸金属拉伸是将金属材料置于拉伸机械中，通过施加拉力使其产生塑性变形，从而改变其形状和尺寸。
金属拉伸常用于制造金属线材、拉伸板和拉伸管等。
金属拉伸可以改变金属材料的机械性能，如提高其强度、硬度等。
在制造电线、电缆等产品时，金属拉伸被广泛应用。
4. 金属轧制金属轧制是将金属坯料放置在轧机中，通过连续轧制过程使其产生塑性变形，从而形成所需的形状和尺寸。
金属轧制常用于制造钢材、铝材等产品。
金属轧制具有高加工效率、较低的能耗等优点，广泛应用于建筑、汽车制造、船舶制造等领域。
金属的塑性变形
在某些特定条件下，金属晶体的一部分相对于另一部分沿一定轴进 行镜像对称的移动，形成孪晶。
扩散机制
金属在高温下，原子扩散能力增强，通过原子间的相互移动实现塑 性变形。
应力-应变关系与曲线分析
应力-应变关系
描述金属在塑性变形过程中所受应力 与产生的应变之间的关系。应力是单 位面积上的内力，应变是物体形状或 体积的改变程度。
热处理工艺改进
退火处理
通过退火处理可以消除金属材料内部的残余应力，改善其组织结 构和力学性能，从而提高其塑性变形能力。
正火处理
正火处理可以使金属材料获得细化的晶粒和均匀的组织，提高其 强度和塑性。
回火处理
回火处理可以消除淬火应力，稳定金属材料的组织和性能，进一 步提高其塑性变形能力。
微观组织调控手段
热处理工艺对塑性影响
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退火处理
退火处理可以消除金属内部的残余应力，改善组织结构，提高其塑性。
例如，冷加工后的金属经过退火处理，可以恢复其塑性和韧性。
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正火处理
正火处理可以使金属获得细化的晶粒和均匀的组织，从而提高其塑性和
韧性。正火处理常用于改善中碳钢的切削性能和力学性能。
03
淬火处理
淬火处理可以使金属获得马氏体组织，提高其硬度和强度，但会降低其
金属的塑性变形
目 录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属塑性变形过程中的组织结构演变 • 影响金属塑性变形能力因素探讨 • 金属塑性变形实验方法及技术应用 • 提高金属材料塑性变形能力策略探讨 • 总结：金属塑性变形研究意义与未来发展趋势
塑性变形基本概念与
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原理
塑性变形定义及特点
塑性变形定义
利用电子显微镜的高分辨率和 高放大倍数，观察金属的微观 组织和结构缺陷，如位错、层 错、孪晶等。这些信息有助于 深入了解金属的塑性变形机制 和强化机制。
塑形变形实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解金属塑性变形的基本原理和规律；2. 掌握金属塑性变形实验的基本操作方法；3. 分析塑性变形对金属组织和性能的影响；4. 探讨塑性变形过程中的再结晶现象。
二、实验原理金属塑性变形是指金属在受力作用下，发生永久变形的过程。
在塑性变形过程中，金属内部晶粒会发生位错运动、滑移、孪晶等变形机制，导致晶粒发生塑性变形。
塑性变形对金属的组织和性能有重要影响，如强度、硬度、韧性等。
再结晶是指塑性变形过程中，晶粒发生重新排列、晶界移动、位错密度降低等现象，从而恢复金属的原始性能。
三、实验材料与设备1. 实验材料：纯铜棒；2. 实验设备：万能材料试验机、光学显微镜、电子天平、加热炉、砂纸等。
四、实验步骤1. 将纯铜棒加工成直径为10mm、长度为100mm的圆柱形试样；2. 对试样进行表面处理，去除氧化层；3. 使用万能材料试验机对试样进行拉伸实验，记录拉伸过程中的应力、应变数据；4. 将拉伸后的试样进行磨光、抛光，观察其显微组织；5. 使用光学显微镜观察试样变形前后的晶粒、位错等特征；6. 记录实验数据，分析塑性变形对金属组织和性能的影响。
五、实验结果与分析1. 拉伸实验结果根据实验数据，绘制应力-应变曲线，如图1所示。
从图中可以看出，纯铜棒在拉伸过程中，应力与应变呈线性关系，当应力达到屈服极限后，进入塑性变形阶段，应力与应变曲线出现非线性变化。
图1 纯铜棒应力-应变曲线2. 显微组织观察结果在光学显微镜下观察纯铜棒变形前后的显微组织，发现变形后的试样晶粒发生了明显变形，晶界模糊，位错密度增加，如图2所示。
图2 纯铜棒变形前后显微组织3. 再结晶现象分析在塑性变形过程中，试样发生再结晶现象，晶粒发生重新排列、晶界移动、位错密度降低等。
再结晶后的试样晶粒细化，位错密度降低，如图3所示。
图3 纯铜棒再结晶后显微组织六、结论1. 金属塑性变形是指金属在受力作用下，发生永久变形的过程；2. 塑性变形对金属的组织和性能有重要影响，如强度、硬度、韧性等；3. 塑性变形过程中的再结晶现象可以恢复金属的原始性能；4. 通过实验研究，掌握了金属塑性变形的基本原理和规律，为金属加工和材料设计提供了理论依据。
金属材料塑性变形机制与特点
第三章 塑性变形
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3.1金属材料塑性变形机制与特点
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3.1.1 金属晶体塑性变形的机制 3.1.2 多晶体材料塑性变形特点
3.1.1 金属晶体塑性变形的机制
定义 fcc: {111} <110>; bcc: {110} {112} {123} <111> 滑移系 hcp: {0001} 定义 hcp 滑移系少，故常以孪生方式进行 fcc bcc 孪生变形量是很有限的，它的作用改变晶体取向，以便启动新的滑移系统，或使难于滑移的取向改变为易于滑移的取向。
位错运动速率与外力有强烈依存关系。
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屈服现象产生与下述三个因素有关：
冷变形金属的真应力-应变关系
颈缩条件分析
韧性的概念及静力韧度分析
3.3真应力-应变曲线及形变强化规律
当应力超过屈服强度之后，塑性变形并不像屈服平台那样连续流变下去，而需要继续增加外力才能继续进行，于是应力-应变曲线上表现为流变应力不断上升，出现了所谓形变强化现象。材料在形变强化阶段的变形规律用其应力-应变曲线（也叫流变曲线）描述。
物理屈服现象首先在低碳钢中发现，尔后在含有微量间隙溶质原子的体心立方金属，如Fe、Mo、Nb 、Ta等，以及密排六方金属，如Cd和Zn中也发现有屈服现象。
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对屈服现象的解释，早期比较公认的是溶质原子形成Cottrell气团对位错钉扎的理论。以后在共价键晶体如硅和锗，以及无位错晶体如铜晶须中也观察到物理屈服现象。
则定义二者的比值: α——软性系数, α↑→τmax↑→应力状态越软,金属易于 先产生塑性变形。 α↓→应力状态越硬→金属易于产生脆性 断裂。
测硬度时,其应力状态相当于三向不等压缩,因此,硬度试验时的加载方式属于很软的应力状态。
金属塑性成形原理---第二章_金属塑性变形的物理基础
位错的攀移
❖ 螺型位错无攀移
❖ 正攀移——正刃型位错位错线上移
负刃型位错位错线下移
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位错的交割
❖ 两根刃型位错线都在各自的滑移面上移动，
则在相遇后交截分别形成各界，形成割阶后
仍分别在各自的平面内运动。
❖ 刃型位错和螺型位错交割时，在各自的位错
线上形成刃型割阶，位错线也能继续滑移。
❖ 螺型位错和螺型位错交割时，相交后形成的
❖ 假设：理想晶体两排原子相距为a，同排原子间距
为b。原子在平衡位置时，能量处于最低的位置。
在外力τ作用下，原子偏离平衡位置时，能量上升，
原子能量随位置的变化为一余弦函数。
❖ 通过计算晶体的临界剪切应力，并与实际的临界
剪切应力进行比较，人们发现，理论计算的剪切
强度比实验所得到的剪切强度要高一千倍以上。
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典型的晶胞结构
编辑课件
典型的晶胞结构
编辑课件
三种晶胞的晶格结构
编辑课件
一、塑性变形机理
实际金属的晶体结构
❖ 单晶体:各方向上的原子密度不同——各向
异性
❖ 多晶体:晶粒方向性互相抵消——各向同性
❖ 塑性成形所用的金属材料绝大多数为多晶
体，其变形过程比单晶体复杂的多。
编辑课件
多晶体塑性变形的分类
加工中，会使变形力显著增
加，对成形工件和模具都有
III．抛物线硬化阶段：
一定的损害作用；但利用金
与位错的交滑移过程有关，
θ3
随应变增加而降低，应力应变
属加工硬化的性质，对材料
曲线变为抛物线。
进行预处理，会使其力学性
能提高
编辑课件
2.2 金属热态下的塑性变形
实验三 金属塑性变形与再结晶
实验三金属塑性变形与再结晶一、实验目的认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化；研究形变程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。
加深对加工硬化现象和回复再结晶的认识。
二、基本原理1、金属冷塑性变形后的显微组织和性能变化金属冷塑性变形为金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。
金属在发生塑性变形时，外观和尺寸发生了永久性变化，其内部晶粒由原来的等轴晶逐渐沿加工方向伸长，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带，当变形程度很大时，晶界消失，晶粒被拉成纤维状。
相应的，金属材料的硬度、强度、矫顽力和电阻等性能增加，而塑性、韧性和抗腐蚀性降低。
这一现象称为加工硬化。
为了观察滑移带，通常将已抛光并侵蚀的试样经适量的塑性变形后再进行显微组织观察。
注意：在显微镜下滑移带与磨痕是不同的，一般磨痕穿过晶界，其方向不变，而滑移带出现在晶粒内部，并且一般不穿过晶界。
2、冷塑性变形后金属加热时的显微组织与性能变化金属经冷塑性变形后，在加热时随着加热温度的升高会发生回复、再结晶、和晶粒长大。
（1）回复当加热温度较低时原子活动能力尚低，金属显微组织无明显变化，仍保持纤维组织的特征。
但晶格畸变已减轻，残余应力显著下降。
但加工硬化还在，固其机械性能变化不大。
（2）再结晶金属加热到再结晶温度以上，组织发生显著变化。
首先在形变大的部位（晶界、滑移带、孪晶等）形成等轴晶粒的核，然后这些晶核依靠消除原来伸长的晶粒而长大，最后原来变形的晶粒完全被新的等轴晶粒所代替，这一过程为再结晶。
由于金属通过再结晶获得新的等轴晶粒，因而消除了冷加工显微组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形以前的状态。
金属的再结晶过程是在一定的温度范围能进行的，通常规定在一小时内再结晶完成95％所对应的温度为再结晶温度，实验证明，金属熔点越高，再结晶温度越高，其关系大致为：T＝0.4T熔。
（3）晶粒长大再结晶完成后，继续升温（或保温），则等轴晶粒以并容的方式聚集长大，温度越高，晶粒越大。
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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=hbl
2．2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。
根据这个定律，在自由变形的情况下，金属的流动总是取最短的路线，因为最短的路线抵抗变形的阻力最小，这个最短的路线，即是从该动点到断面周界的垂线。
3、金属压力加工的摩擦
当轧件和轧辊相接触时，轧辊作用于轧件的力有N和T。
垂直于轧辊表面的
力N叫正压力，沿轧辊表面切线方向的力T叫摩擦力。
摩擦力与正压力的比值叫摩擦系数，以f表示，即
f=T/N
摩擦系数的大小与轧制温度、轧辊材质和轧辊表面状态等因素有关。
轧钢生产中的摩擦系数一般根据下面的经验公式计算：
对钢轧辊f=1.05-0.0005t
轧
-0.056v
对铁轧辊f=0.94-0.0005t
轧
-0.056v
对表面粗糙度为5～20µm的磨光轧辊（包括钢轧辊和铁轧辊）
f=0.82-0.0005t轧-0.056v
式中f——摩擦系数；
t轧——轧制温度，℃；
v——轧制速度，m/s。
4、变形抗力
金属及合金的实际变形抗力取决于金属及合金的本性屈服极限σ
s
、轧制温度、轧制速度和变形程度的影响，下面分别予以简单的讨论。
（1）金属及合金屈服极限σ
s
的影响
通常用金属及合金的屈服极限σs来反映金属及合金本性对实际变形抗力的影响。
但应注意，有些金属压缩时的屈服极限大于拉伸时的屈服极限。
如钢压缩时的屈服极限比拉伸时约大10％；而有些金属压缩和拉伸时屈服极限相同。
因此，在选取σ
s
时，一般最好用压缩时的屈服极限，因它与轧制变形较接近。
对有些金属在静态机械性能实验中很难测出σs，尤其是在高温下更是困难，
这时可以用屈服强度σ
0.2
来代替。
近年来由于热变形模拟试验机的出现，为各种
状态下的σ
s 的测定提供了有利条件。
σ
s
是在一定条件下测得的，其值可查有关
资料。
（2）轧制温度的影响
轧制温度对金属屈服极限有很大影响。
一般情况是随着轧制温度升高，屈服极限下降，这是由于降低了金属原子间的结合力。
轧制温度对金属屈服极限的影
响用变形温度影响系数n T来表示。
其值可由有关资料查得。
在确定温度影响系数时，一方面要有可靠的屈服极限与温度关系的资料，另一方面还要确定出金属热轧时的实际温度，也就是要确定热轧时温度的变化。
（3）变形程度的影响
变形程度影响系数可以分冷轧和热轧两种情况。
冷轧时，金属的变形温度低于再结晶温度，因此金属只产生加工硬化现象，变形抗力提高。
所以在冷轧时只需要考虑变形程度对变形抗力的影响。
在一般情况下，这种影响是用金属屈服极限与压缩率关系曲线来判断的，其变化规律对不同金属是不同的，合金要比纯金属大些。
热轧时，金属虽然没有加工硬化，但实际上变形程度对屈服极限是有影响的。
各种钢的实验表明，在较小变形程度时（一般在20%～30％以下），屈服极限随变形程度加大而剧烈提高，在中等变形程度时，即大于30％，屈服极限随变形程度加大，提高的速度开始减慢，在许多情况下，当继续增大变形程度时，屈服极限反而有些降低。
所以在热轧时也必须考虑这种影响。
紫铜的变形温度、变形程度和变形速率对变形抗力的影响（4）变形速度的影响
根据研究可知，冷轧时由于变形速度的影响小，所以，变形速度影响系数n
μ可取为1。
而热轧时，由于在轧制过程中，同时发生加工硬化，恢复和再结晶现象，随变形速度的增加，后者进行得不完全，故使变形抗力提高，因而必须考虑变形速度的影响。
5、应力和变形的不均匀
金属塑性变形时变形不均匀及变形体内应力分布的不均匀，是最常见、最普遍的现象，它既影响产品的内外质量及其使用性能，也使塑性加工工艺复杂化。
5．1变形不均匀的原因
轧件内变形分布不均匀，主要是接触面的外摩擦、变形区几何尺寸因素、轧辊与坯料差异、轧件内温度不均匀、轧件材质不均匀等原因造成的。
5．1．1接触面的外摩擦
当轧辊和轧件接触面上有摩擦力存在时，它使接触面附近的金属变形流动困难，因而这部分金属的变形就比其它部分的小，造成了变形的不均匀。
5．1．2变形区几何尺寸因素
在存在外摩擦的情况下，变形的不均匀分布与变形区几何尺寸因素有密切关系。
5．1．3轧辊与轧件形状差异
有些产品形状很复杂，需要通过通过轧辊形状变化来改变产品形状。
由于轧辊与轧件形状不一致，造成轧件各部分变形不一致，使变形不均匀，且二者不一致程度越大，变形越不均匀。
5．1．4温度不均匀
高温部分金属的变形抗力小，易变形，低温部分金属的变形抗力大，难变形，所以同一轧件内不同的温度区域内的变形程度就不同，变形就不均匀。
5．1．4轧件材质不均匀
轧件内部成分分布不均、组织不均、存在气团等，都促使轧件内变形分布和应力分布不均匀。
5．2变形不均匀的后果
（1）不均匀变形将产生附加应力，在变形过程中可能会改变应力状态类型，原本为压应力的可能变为拉应力，这样就会降低金属塑性，出项破坏；变形后附加应力可保留在金属内部形成残余应力，降低塑性、冲击韧性、疲劳强度等，使产品易破坏。
（2）变形不均使变形产生的形变组织结构不均匀，再结晶后组织也不均匀，使产品性能恶化。
（3）当某个方向上不同的变形量相差太大，轧件的完整性不能充分限制住不均匀变形的自由发展时，轧件的外形就将会发生歪扭，出现镰刀形、上翘下弯、鱼尾、波浪形等。