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二篇 材料固态成形原理 第四章 固态成形的物理基础 材料固态成形包括金属材料塑性成形、高分子材料成形、粉末及陶瓷材料的压制烧 结成形等。材料塑性成形是利用材料的塑性，在外力作用下使材料发生塑性变化，从而 获得所需形状和性能的一种加工方法。塑性成形又称为塑性加工或压力加工。根据成形 时材料受力和成形特点的不同，塑性成形可分为体积成形和板料成形两大类。体积成形 的典型成形方法有锻造、轧制、挤压(包括粉末)和拉拔等；板料成形则有冲裁、弯曲、 拉延成形等。根据成形 度的不同，塑性成形又可分为热成形和冷( )成形。实际生产 中， 些成形方法可以单独或组合使用。通过各种成形方法的相互渗透和合理组合，可 开发许多新的塑性成形方法，进一步扩大塑性成形的应用范围。 本章主要讨论材料固态成形涉及的物理基础知识，包括金属材料塑性成形的机理及 其组织结构与性能变化,粉末和高分子材料的基本知识及其成形规律。研究和掌握 些 物理本质问题，对于保证成形加工质量和推动工艺的进步均具有重要的理论指导意义。 4.1 金属塑性成形的机理及其组织结构与性能的变化 4.1.1 冷态塑性变形的机理及其组织结构与性能的变化 金属材料绝大部分是以多晶体形式存在的，其成形过程较单晶体材料复杂得多。多 晶体是由许多结晶方向不同的晶粒组成，每个晶粒可看成是一个单晶体。相邻晶粒位向 不同，但晶体结构相同，化学组成也基本一样。晶粒内部的结晶学取向并不完全严格一 致，存在亚结构，即每个晶粒是由一些更小的亚晶粒组成。 由材料学基础知识可知，晶粒之间的晶界结构与相邻晶粒之间的位向 有 ，一般 可分为小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界由位错组成，最简单的情况是由刃型位错 堆叠而构成的倾斜晶界。实际多晶体金属通常都是大角度晶界，其晶界结构很难用位错 模型来描述，可以笼统地看成是原子排列比较混乱的区域。并存在较多的空位、位错及 杂质等。因此，晶界表现出许多不同于晶粒内部的性质，如室 时晶界的强度和硬度高 于晶内，而高 时则相反；晶界中原子的扩散速度比晶内原子快得多；晶界的熔点低于 晶内；晶界易被腐蚀等。 多晶体的塑性变形包括晶粒内部变形( 晶内变形)和晶界变形( 晶间变形)两种。 1．晶内变形 多晶体的晶内变形和单晶体一样，变形主要通过滑移和孪生来实现的。其中滑移变 形是主要的，孪生变形是次要的，一般仅起调节作用。但对于密排六方金属，孪生变形 141 也起着重要作用。 1) 滑移 所谓滑移是指晶体(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。 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。一般地说，滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生， 因为在原子密度最大的晶面和晶向上，原子间距最小，原子间结合力最强；而密度最大 的晶面之间的距离则较大，晶面之间结合力较弱，滑移阻力当然较小。通常每一种晶胞 可能存在几个滑移面，每一滑移面又同时存在几个滑移方向，一个滑移面和其上的一个 滑移方向，构成一个滑移系。部分金属晶体的主要滑移面、滑移方向和滑移系如表4.1 所示[47-49] 。 表4.1 部分金属晶体的主要滑移面、滑移方向和滑移系 晶格 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 滑 6 4 1 0 1 1 移