《金属塑性变形过程》课件

金属塑性变形过程本演示文稿旨在深入探讨金属塑性变形过程的各个方面从基本的概念和意义，到微观机制和宏观表现，再到实际的工程应用和数学描述，我们将全面解析塑性变形的本质通过本课程的学习，您将能够掌握金属塑性变形的基本原理、工艺方法和质量控制技术，为您的工程实践提供有力的支持绪论塑性变形的概念与意义塑性变形定义塑性变形的意义塑性变形是指金属材料在外力作用下产生的永久性变形，卸载后塑性变形使我们能够改变金属的形状和尺寸，制造各种所需的零变形无法完全恢复这种变形是金属加工的基础，也是许多工程件和产品它广泛应用于汽车、航空航天、建筑等领域，是现代应用的关键工业的重要组成部分塑性变形与弹性变形的对比弹性变形1弹性变形是指金属在外力作用下产生的可恢复变形，卸载后金属恢复到原始形状和尺寸弹性变形主要发生在低应力水平下塑性变形2塑性变形是指金属在外力作用下产生的不可恢复变形，卸载后金属无法恢复到原始形状和尺寸塑性变形主要发生在超过屈服强度的应力水平下工程应用中的塑性变形汽车制造航空航天建筑行业123车身、底盘等部件的成形，需要利飞机机身、发动机叶片等关键部件钢结构、钢筋等建筑材料的生产，用塑性变形工艺，如冲压、拉延等的制造，需要利用精密塑性变形工需要利用塑性变形工艺，以获得所，以获得所需的形状和强度艺，以保证其性能和可靠性需的强度和韧性金属塑性变形的微观机制位错的运动2位错在晶格中移动，导致晶体滑移位错的产生1外力作用下，金属内部晶格产生位错位错的增殖位错数量不断增加，导致加工硬化3位错的产生与运动位错的产生位错的运动位错是晶体内部的一种线缺陷，在晶体生长过程中或在外力作用在外力作用下，位错在晶体内部移动，导致晶体发生滑移位错下产生位错的存在使晶体更容易发生塑性变形的运动是塑性变形的微观机制滑移系与滑移面滑移系滑移系是指晶体中容易发生滑移的晶面和晶向的组合不同的晶体结构具有不同的滑移系，决定了其塑性变形能力滑移面滑移面是指晶体中容易发生滑移的晶面滑移面上原子排列较为密集，位错容易在滑移面上移动位错的交割与攀移位错的交割位错的攀移位错在运动过程中，遇到其他位错或障碍物时，会发生交割，位错在高温下，可以通过原子扩散的方式，从一个滑移面移动导致位错运动受阻，增加变形抗力到另一个滑移面，称为攀移攀移可以缓解位错塞积，降低加工硬化速率晶界对位错运动的影响晶界是晶体内部不同晶晶界可以阻碍位错的运晶界对位错的阻碍作用粒之间的界面，对位错动，使塑性变形更加均，使材料的强度和硬度的运动具有阻碍作用匀，提高材料的韧性得到提高，但也降低了细晶粒材料具有更多的但过多的晶界也会降低材料的塑性因此，需晶界，可以提高材料的材料的塑性要根据不同的应用需求强度和硬度，选择合适的晶粒尺寸固溶原子对位错运动的影响固溶强化影响因素固溶原子可以引起晶格畸变，阻碍位错的运动，提高材料的强度固溶原子的浓度、尺寸以及与基体原子的相互作用，都会影响固和硬度固溶原子尺寸与基体原子尺寸差异越大，固溶强化效果溶强化的效果合理选择固溶原子，可以显著提高材料的性能越显著第二相质点对位错运动的影响弥散强化影响因素12第二相质点可以阻碍位错的运第二相质点的尺寸、形状、分动，提高材料的强度和硬度布以及与基体之间的界面结合第二相质点越细小、分布越均强度，都会影响弥散强化的效匀，弥散强化效果越显著果合理控制第二相质点的析出，可以显著提高材料的性能应用3弥散强化广泛应用于高温合金、铝合金等材料的强化，可以提高材料的高温强度和抗蠕变性能塑性变形的宏观表现晶粒变形2晶粒形状发生改变，由等轴晶变为拉长晶滑移线1金属表面出现明显的滑移线，是塑性变形的直接证据织构3晶粒择优取向，形成一定的织构应力应变曲线-弹性阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段应力与应变成正比，卸载后应力达到屈服强度，开始发随着塑性变形的增加，应力应力达到抗拉强度，出现颈变形完全恢复生塑性变形不断升高，材料发生加工硬缩现象，直至断裂化真实应力与真实应变真实应力真实应变12真实应力是指变形过程中，实真实应变是指变形过程中，各际承载面积上的应力由于颈阶段应变的累加值真实应变缩现象的存在，真实应力比工比工程应变更能反映材料的变程应力更能反映材料的变形行形程度为关系3真实应力与真实应变之间存在一定的函数关系，可以用来描述材料的塑性变形行为塑性变形过程中的加工硬化加工硬化机制加工硬化是指金属在塑性变形过程中，强度和硬度不断提高的加工硬化使金属的塑性变形能力降低，容易发生断裂因此，现象加工硬化是由于位错密度增加，位错运动受阻所致在塑性加工过程中，需要采取一定的措施，以降低加工硬化速率影响加工硬化的因素变形温度变形温度越高，加工硬化速率越低变形速度变形速度越高，加工硬化速率越高材料成分合金元素可以提高加工硬化速率金属的塑性变形能力塑性是指金属在不发生延性是指金属能够拉成成形性是指金属能够通断裂的情况下，能够承细丝的性能延性好的过塑性变形，获得所需受的变形程度塑性是金属，更容易进行拉拔形状的性能成形性好衡量金属加工性能的重等加工的金属，更容易进行冲要指标压、拉延等加工影响金属塑性变形能力的因素晶体结构温度杂质面心立方晶格具有较多的滑移系，塑性变温度升高，原子扩散能力增强，位错运动杂质会阻碍位错运动，降低塑性变形能力形能力较好密排六方晶格滑移系较少，更容易，塑性变形能力提高塑性变形能力较差金属塑性变形的数学描述流动法则屈服准则12描述应力与应变速率之间的关描述金属开始发生塑性变形的系条件本构关系3描述金属的应力-应变关系流动法则定义流动法则描述了金属在塑性变形过程中，应力与应变速率之间的关系常用的流动法则有Tresca流动法则、von Mises流动法则等应用流动法则可以用于预测金属在塑性变形过程中的变形行为，为塑性加工工艺的设计提供理论依据屈服准则定义屈服准则描述了金属开始发生塑性变形的条件常用的屈服准则有Tresca屈服准则、von Mises屈服准则等应用屈服准则可以用于判断金属在给定的应力状态下是否会发生塑性变形，为塑性加工工艺的设计提供理论依据塑性功塑性功是指金属在塑性变形过程中，塑性功的大小与变形程度、变形速度外力所做的功塑性功主要转化为热等因素有关在塑性加工过程中，需能，导致金属温度升高要控制变形温度，以避免金属过热塑性本构关系定义应用塑性本构关系是指金属的应力-应变关系塑性本构关系是描述金塑性本构关系可以用于预测金属在塑性变形过程中的变形行为，属塑性变形行为的重要工具为塑性加工工艺的设计提供理论依据塑性变形过程中的能量消耗塑性功摩擦功12大部分转化为热能，导致工件摩擦产生热量，降低效率温度升高弹性变形能3少量存储在工件中，卸载后释放摩擦与润滑摩擦润滑摩擦力阻碍金属变形，增加能量消耗，导致工件表面损伤润滑剂可以降低摩擦力，减少能量消耗，提高工件表面质量温度对塑性变形的影响高温低温降低变形抗力，提高塑性，降低加工硬化提高变形抗力，降低塑性，增加断裂风险变形速度对塑性变形的影响变形速度越高，变形抗力越高，加工高温下，变形速度的影响较小低温硬化速率越快下，变形速度的影响较大金属的冷变形与热变形冷变形热变形在再结晶温度以下进行的塑性变形在再结晶温度以上进行的塑性变形冷变形的特点与应用特点1提高强度和硬度，降低塑性和韧性，尺寸精度高，表面光洁应用2制造高强度零件，如弹簧、螺钉等热变形的特点与应用特点降低变形抗力，提高塑性和韧性，消除加工硬化，尺寸精度较低应用制造大型锻件，如轧辊、大型齿轮等热加工工艺锻造利用冲击力或压力使金属变形轧制使金属通过旋转的轧辊，减小厚度或改变形状挤压使金属通过模孔，获得所需的形状锻造工艺利用冲击力或压力使金属变形，获得自由锻和模锻是常见的锻造方法所需的形状和尺寸轧制工艺定义分类使金属通过旋转的轧辊，减小厚度或改变形状，获得所需的截面热轧和冷轧是常见的轧制方法形状拉拔工艺定义1使金属通过拉拔模，减小直径或改变形状，获得所需的截面形状应用2制造线材、管材等挤压工艺定义使金属通过模孔，获得所需的形状和尺寸分类正向挤压、反向挤压和侧向挤压是常见的挤压方法冲压工艺定义利用冲模对金属板料进行冲裁、弯曲、拉延等，获得所需的形状和尺寸应用制造薄壁零件，如汽车覆盖件、电器外壳等其他塑性加工方法旋压利用旋转的旋轮对金属板料进液压成形利用液体压力使金属板料行压制，获得旋转体零件变形，获得复杂的形状锻造模具设计模具材料模具结构高强度、高耐磨性、高耐热性合理的模具结构可以保证锻件的质量和模具的寿命轧辊设计轧辊材料1高强度、高耐磨性、高耐热性轧辊形状2轧辊形状决定了轧制产品的截面形状拉拔模设计模具材料高强度、高耐磨性模孔形状模孔形状决定了拉拔产品的截面形状挤压模设计模具材料高强度、高耐磨性、高耐热性模孔形状模孔形状决定了挤压产品的截面形状冲压模设计冲模用于冲裁、弯曲、拉延等凹模与冲模配合使用，完成冲压工序塑性加工的工艺参数选择变形温度变形速度润滑剂根据材料的再结晶温度选择合适的变形温根据材料的应变速率敏感性选择合适的变根据加工方法和材料选择合适的润滑剂度形速度变形温度的选择冷变形1再结晶温度以下热变形2再结晶温度以上变形速度的选择低速高速提高塑性，降低变形抗力，但生产效率低提高生产效率，但容易产生缺陷润滑剂的选择润滑性降低摩擦力，减少能量消耗冷却性带走热量，降低工件温度防锈性防止工件生锈塑性加工过程中的缺陷分析折叠金属表面出现折叠现象裂纹金属表面出现裂纹折叠原因预防模具设计不合理、润滑不良、变形不均匀等优化模具设计、改善润滑、控制变形均匀性等裂纹原因1材料塑性不足、应力集中、变形速度过快等预防2选择合适的材料、优化模具设计、控制变形速度等表面粗糙度原因模具表面粗糙、润滑不良、材料本身粗糙等改善提高模具表面光洁度、改善润滑、选择表面光洁的材料等尺寸精度影响因素模具精度、材料弹性回复、温度变化等提高方法提高模具精度、考虑材料弹性回复、控制温度变化等塑性加工缺陷的预防措施优化模具设计，避免应改善润滑，降低摩擦力控制变形速度，避免过力集中快变形塑性加工的质量控制原材料检验过程检验成品检验确保原材料的质量符合要求对加工过程中的工序进行检验对成品进行检验，确保其质量符合要求无损检测方法超声波检测射线检测12检测内部缺陷检测内部缺陷磁粉检测3检测表面和近表面缺陷金相检验方法显微镜观察晶粒尺寸测量观察金属的微观组织结构测量金属的晶粒尺寸尺寸测量方法游标卡尺测量尺寸千分尺测量精度较高的尺寸三坐标测量机测量复杂形状的尺寸塑性加工的数值模拟利用计算机模拟塑性加工过程，预测优化工艺参数，提高产品质量和生产变形行为和缺陷产生效率有限元法原理应用将连续体离散为有限个单元，通过求解单元的力学方程，得到整广泛应用于塑性加工的数值模拟，可以预测变形行为、应力分布个结构的变形和应力分布和缺陷产生边界元法原理1只对结构的边界进行离散，求解边界上的力学方程，得到边界上的变形和应力分布应用2适用于求解无限域问题和裂纹问题塑性加工数值模拟的应用模具设计优化模具形状和尺寸，提高模具寿命工艺参数优化选择合适的变形温度、变形速度和润滑剂，提高产品质量和生产效率。