5金屬的塑性與變形抗力-新

1、5 5 金屬的塑性與變形抗力金屬的塑性與變形抗力5.1 金屬塑性的概念及測定方法金屬塑性的概念及測定方法 一、 金屬塑性的基本概念 所謂塑性，是指金屬在外力作用下，能穩(wěn)定地產(chǎn)生永久變形而不破壞其完整性的能力。 金屬塑性的大小，用金屬在斷裂前產(chǎn)生的最大變形程度來表示。它表示塑性加工時金屬塑性變形的限度，叫“塑性極限”或“塑性指標(biāo)”。不能把塑性和柔軟性混淆起來。 柔軟性反映金屬的軟硬程度，它用變形抗力的大小來衡量，表示變形的難易。 室溫下的鉛，塑性很高而變形抗力又小。變形抗力小的金屬塑性就好，或是變形抗力大的金屬塑性就差。例如：例如： 過熱和過燒的金屬與合金，其塑性很小，甚至完全失去塑性變形的能力

2、，而變形抗力也很??； 室溫下奧氏體不銹鋼的塑性很好，能經(jīng)受很大的變形而不破壞，但它的變形抗力卻非常大；不要認(rèn)為：注意：二、二、 金屬塑性指標(biāo)及測定方法金屬塑性指標(biāo)及測定方法 1 1、塑性指標(biāo)、塑性指標(biāo) 表示金屬與合金塑性變形性能的主要指標(biāo)有： 1）拉伸試驗(yàn)時延伸率（）與斷面收縮率（） 2）扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的扭轉(zhuǎn)周數(shù)。 4）鍛造及軋制時剛出現(xiàn)裂紋瞬間的相對壓下量 5）深沖試驗(yàn)時的壓進(jìn)深度，損壞前的彎折次數(shù)。 3）沖擊試驗(yàn)時的沖擊韌性 2 2、金屬塑性的測定方法、金屬塑性的測定方法 測定金屬塑性的方法最常用的有機(jī)械性能試驗(yàn)方法和模擬試驗(yàn)法兩大類。 （1）機(jī)械性能試驗(yàn)法）機(jī)械性能試驗(yàn)法 1）拉伸試驗(yàn)：是在材

3、料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。lL%L00FF%F 在拉伸試驗(yàn)中可確定延伸率和斷面收縮率兩個塑性指標(biāo)，這兩個指標(biāo)越高，說明金屬的塑性越好。2）扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)：是在專用的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。 試驗(yàn)時，將圓柱形試樣的端固定，另一端扭轉(zhuǎn)，用破斷前扭轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)（n）表示塑性的大小。圖5-1 W18Cr4V高速鋼破斷前扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)與試驗(yàn)溫度的關(guān)系 3）沖擊彎曲試驗(yàn)。 沖擊韌性值 不完全是一種塑性指標(biāo)，它是彎曲變形抗力和試樣彎曲撓度的綜合指標(biāo)。Ka式中 H 試樣的原始高度，mm。 h試樣的變形后高度，mm。100Hh%H（2）模擬試驗(yàn)法）模擬試驗(yàn)法 1）頂鍛試驗(yàn)：也稱鐓粗試驗(yàn) 是將圓柱形試樣在壓力機(jī)或落錘上鐓粗，把試樣側(cè)面出現(xiàn)第

4、條可見裂紋時的變形量，作為塑性指標(biāo)即 2）楔形軋制試驗(yàn) 一種是在平輥上將楔形試樣軋成扁平帶狀。 另一種方法是在偏心輥上將矩形軋件軋成楔形。 軋后觀察測量首先出現(xiàn)裂紋處的變形量(h/H）此變形量就表示塑性大小。 根據(jù)厚度變化的楔形件最初出現(xiàn)裂紋處的變形量h/H來確定其塑性大小。 3 3 、塑性圖、塑性圖 塑性指標(biāo)與變形溫度關(guān)系的曲線圖，稱之為塑性圖。 (1)定義 (2)用途 1）由熱拉伸、熱扭轉(zhuǎn)等機(jī)械性能試驗(yàn)法測繪的塑性圖，可確定變形溫度范圍； 2）由頂鍛和楔形軋制的塑性圖，不僅可以確定變形溫度范圍，還可以分別確定自由鍛造和軋制時的許用最大變形量。W18Cr4V高速鋼的塑性圖高速鋼的塑性圖 GH

5、l30合金塑性圖5.2 影響塑性的因素及提高塑性的途徑一、 金屬的自然性質(zhì)對塑性的影響金屬的自然性質(zhì)對塑性的影響 大致可分三個方面： 金屬的自然性質(zhì) 變形的溫度、速度條件變形的力學(xué)條件1、組織狀態(tài)、組織狀態(tài)的影響的影響 （2）單相組織（純金屬或固溶體）比多相組織塑性好 （1）純金屬有最好的塑性 （3）晶粒細(xì)化有利于提高金屬的塑性 （4）化合物雜質(zhì)呈球狀分布對塑性較好；呈片狀、網(wǎng)狀分布在晶界上時，使金屬的塑性下降 （5）經(jīng)過熱加工后的金屬比鑄態(tài)金屬的塑性高2 、 化學(xué)成分的影響化學(xué)成分的影響 （1）鐵、硫、錳 化學(xué)純鐵具有很高的塑性，工業(yè)純鐵在9000C左右時，塑性突然下降。 硫是鋼中有害雜質(zhì)，

6、易產(chǎn)生“紅脆”現(xiàn)象 錳可提高鋼的塑性，但錳鋼對過熱的敏感性強(qiáng)，在加熱過程中晶粒容易粗大，使鋼的塑性降低。 各種硫化物和共晶體熔點(diǎn)各種硫化物和共晶體熔點(diǎn)（2）碳 碳在碳鋼中含碳量越高，塑性越差，熱加工溫度范圍越窄。當(dāng)C0.5%時，對塑性不利， Si2.0%時,鋼的塑性降低， Si4.5%時，在冷狀態(tài)下塑性很差。 鋁對鋼的塑性有害。（7）磷 鋼中P11.5%時，在熱加工范圍內(nèi)對塑性影響不大。 在冷狀態(tài)下，磷使鋼的強(qiáng)度增加塑性降低，產(chǎn)生“冷脆”現(xiàn)象。（8）鉛、錫、砷、銻、鉍 鋼中五大有害元素，它們在加熱時熔化，使金屬失去塑性。（9）氧、氮、氫 氧能使鋼的塑性降低，氮也會使鋼的塑性變差，氫對鋼的塑性無

7、明顯的影響。（10）稀土元素 適當(dāng)加入一些，能使鋼的塑性得到改善。3 、 鑄造組織的影響鑄造組織的影響 鑄坯的塑性低、性能不均勻。 （1）鑄態(tài)材料的密度較低，因?yàn)樵诮咏T錠的頭部和軸心部分，分布有宏觀和微觀的孔隙，沸騰鋼鋼錠有皮下氣泡。造成原因： （2）用一般方法熔煉的鋼錠，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有害雜質(zhì)（如硫、磷等）的很大偏析，特別是在鑄錠的頭部和軸心部分。（3）對于大鋼錠，枝晶偏析會有較大的發(fā)展。（4）在雙相和多相的鋼與合金中，第二相組織成粗大的夾雜物，常常分布在晶粒邊界上。二、 變形溫度、速度對塑性的影響 1、變形溫度的影響、變形溫度的影響 一般是隨著溫度的升高，塑性增加。但并不是直線上升的。 溫度對

8、碳素鋼塑性的影響 現(xiàn)以溫度對碳鋼塑性的影響的一般規(guī)律分析說明：用、表示塑性降低區(qū)， 1、2、3表示塑性增高區(qū) 。 區(qū)區(qū)鋼的塑性很低，在零下200時塑性幾乎完全喪失，這大概是由于原子熱運(yùn)動能力極低所致。 區(qū)區(qū)位于200400之間，此區(qū)域亦稱為蘭脆區(qū)，即在鋼材的斷裂部分呈現(xiàn)蘭色的氧化色，因此稱為“蘭脆”。 區(qū)區(qū)位于800950之間，稱為熱脆區(qū)。 區(qū)接近于金屬的熔化溫度，此時晶粒迅速長大，晶間強(qiáng)度逐漸削弱，繼續(xù)加熱有可能使金屬產(chǎn)生過熱或過燒現(xiàn)象。 1區(qū)位于100200之間，塑性增加是由于在冷變形時原子動能增加的緣故（熱振動）。 2區(qū)位于700800之間，由于有再結(jié)晶和擴(kuò)散過程發(fā)生，這兩個過程對塑性都

9、有好的作用。 3區(qū)位于9501250的范圍內(nèi)，在此區(qū)域中沒有相變，鋼的組織是均勻一致的奧氏體。 熱軋時應(yīng)盡可能地使變形在3區(qū)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，而冷加工的溫度則應(yīng)為1區(qū)。 2 2、變形速度的影響、變形速度的影響 變形速度對塑性的影響變形速度對塑性的影響 區(qū)，即變形速度小于臨界變形速度，該區(qū)隨變形速度的增加，塑性是隨之下降的。 區(qū)，是在大于臨界變形速度的情況下，隨變形速度的增加，塑性是增加的。 三、 變形力學(xué)條件對塑性的影響 1、 應(yīng)力狀態(tài)的影響應(yīng)力狀態(tài)的影響 在進(jìn)行壓力加工的應(yīng)力狀態(tài)中，壓應(yīng)力個數(shù)越多，數(shù)值越大（即靜水壓力越大），金屬塑性越高。其影響原因歸納如下：其影響原因歸納如下： 三向壓應(yīng)力狀

10、態(tài)圖最好，兩壓一拉次之，三向拉應(yīng)力最壞。（1）三向壓應(yīng)力狀態(tài)能遏止晶間相對移動，使晶間變形困難。（2）三向壓應(yīng)力狀態(tài)能促使由塑性變形和其它原因而破壞了的晶內(nèi)和晶間聯(lián)系得到修復(fù)。 （3）三向壓應(yīng)力狀態(tài)能完全或局部地消除變形體內(nèi)數(shù)量很少的某些夾雜物甚至液相對塑性不良的影響； （4）三向壓應(yīng)力狀態(tài)可以完全抵消或大大降低由不均勻變形而引起的附加拉力，使附加拉應(yīng)力所造成的破壞作用減輕。 2 、 變形狀態(tài)的影響 主變形圖中壓縮分量越多，對充分發(fā)揮金屬的塑性越有利。 兩向壓縮一向延伸的變形圖最好，一向壓縮一向延伸次之，兩向延伸一向壓縮的主變形圖最差。四、其他因素對塑性的影響 1、不連續(xù)變形的影響 當(dāng)熱變形時

11、，不連續(xù)變形可提高金屬的塑性。 2、尺寸（體積）因素的影響 隨著物體體積的增大塑性有所降低，但降低一定程度后，體積再增加其影響減小。 （3）選用三向壓應(yīng)力較強(qiáng)的變形過程。五、 提高塑性的途徑 提高塑性的主要途徑有以下幾個方面： （1）控制金屬的化學(xué)成份，改善組織結(jié)構(gòu)。 （2）采用合適的變形溫度-速度制度。 （4）盡量造成均勻的變形過程。 （5）避免加熱和加工時周圍介質(zhì)的不良影響。5.3 變形抗力 一、 變形抗力概念 所謂變形抗力，是指金屬地抗塑性變形的能力。 二、測定方法二、測定方法 基本方法有：拉伸法、壓縮法和扭轉(zhuǎn)法。（1）拉伸法）拉伸法 使用圓柱試樣，認(rèn)為在拉伸過程中在試樣出現(xiàn)細(xì)頸前，在其

12、標(biāo)距內(nèi)工作部分的應(yīng)力狀態(tài)為均勻分布的單向拉應(yīng)力狀態(tài)。這時，所測出的拉應(yīng)力便為變形物體在此變形條件下的變形抗力。F 此時變形物體的真實(shí)變形應(yīng)為：llnL特點(diǎn)：特點(diǎn)： 測量精確，方法簡單，但變形程度不應(yīng)大于20%30%。（2）壓縮法）壓縮法 變形程度為：Hlnh 由此所測得得變形抗力為：0PPeFF特點(diǎn)：特點(diǎn)： 能允許式樣具有比拉伸更大的變形，但完全保證試樣處于單向壓應(yīng)力狀態(tài)較困難。一般取H/D22.5 三、 變形抗力的確定 要計(jì)算金屬塑性變形過程中所需的外力，必須知道變形抗力的值。 先在變形的熱力參數(shù)為某一種等值的條件下求出金屬的變形抗力，并將它作為基礎(chǔ)值。然后再用熱力參數(shù)修正系數(shù)來修正此基礎(chǔ)值

13、。 0stk k k0的獲得條件 ：t=1000C; =0.1 =10s-1 5.4 影響變形抗力的主要因素 一、化學(xué)成分和顯微組織的影響一、化學(xué)成分和顯微組織的影響 1、化學(xué)成分的影響（1）碳 在較低的溫度下隨著鋼中含碳量的增加，鋼的變形抗力升高。溫度升高時其影響減弱。在不同變形溫度和變形速度下含碳量對碳鋼變形抗力的影響在不同變形溫度和變形速度下含碳量對碳鋼變形抗力的影響（實(shí)線為靜壓縮，虛線為動壓縮）（實(shí)線為靜壓縮，虛線為動壓縮）（2）錳（3）硅 由于鋼中含錳量的增多，可使鋼成為中錳鋼和高錳鋼。其中中錳結(jié)構(gòu)鋼（15Mn50Mn）的變形抗力稍高于具有相同含碳量的碳鋼，而高錳鋼（Mnl2）有更高

14、的變形抗力。 鋼中含硅對塑性變形抗力有明顯的影響。用硅使鋼合金化時，可使鋼的變形抗力有較大的提高。例如，含硅量為1.52.0的結(jié)構(gòu)鋼（55Si2、60Si2）在一般的熱加工條件下，其變形抗力比中碳鋼約高出2025，含硅量高達(dá)56以上時，熱加工較為困難。（4）鉻 對含鉻量為0.71.0的鉻鋼來講，影響其變形抗力的主要不是鉻，而是鋼中的含碳量，這些鋼的變形抗力僅比具有相應(yīng)含碳量的碳鋼高510。對高碳鉻鋼GCr6GCrl5（含鉻量0.451.65），其變形抗力雖稍高于碳鋼，但影響變形抗力的也主要是碳。高鉻鋼1Cr134Cr13，Cr17，Cr23等在高速下變形時，其變形抗力大為提高。特別對含碳量較高

15、的鉻鋼（如Crl2等）更是如此。（5）鎳 鎳在鋼中可使變形抗力稍有提高。但對25NiA、30NiA和13Ni2A等鋼來講，其變形抗力與碳鋼相差不大。當(dāng)含鎳量較高時，例如Ni25Ni28鋼，其變形抗力與碳鋼相比有很大的差別。2、 金屬的變形抗力與其顯微組織有密切關(guān)系 （2）單相組織比多相組織的變形抗力要低； （3）晶粒體積相同時，晶粒細(xì)長者較等軸晶粒結(jié)構(gòu)的變形抗力為大； （4）晶粒尺寸不均勻時，又較均勻晶粒結(jié)構(gòu)時為大； （5）金屬中的夾雜物對變形抗力也有影響，在一般情況下，夾雜物會使變形抗力升高；鋼中有第二相時，變形抗力也會相應(yīng)提高。 （1）一般情況時，晶粒越細(xì)小，變形抗力越大 二、變形溫度的影

16、響 在加熱及軋制過程中，溫度對鋼的變形抗力影響非常大。隨著鋼的加熱溫度的升高，變形抗力降低。鋼的變形抗力和溫度的關(guān)系如下： 如1200時 變形抗力為1.0則1100時 變形抗力為2.7 1000時 變形抗力為4.0 800時 變形抗力為6.7 常溫時 變形抗力為20 溫度升高，金屬變形抗力降低的原因有以下幾個方面：（1）發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶 ，（2）臨界剪應(yīng)力降低 ， （3）金屬的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， （4）隨溫度的升高，新的塑性變形機(jī)制參與作用三、 變形速度的影響 在熱變形時，通常隨變形速度的提高變形抗力增大。 根據(jù)加工硬化和恢復(fù)理論，認(rèn)為塑性變形過程中在變形金屬內(nèi)部有兩個相反的過程強(qiáng)化和軟化過程（恢復(fù)和再結(jié)晶）同時存在。由于軟化過程以一定速度在進(jìn)行，變形速度愈大軟化過程愈來不及進(jìn)行（軋制時的平均變形速度一般為l103s），金屬強(qiáng)化的愈嚴(yán)重。因此隨變形速度的提高變形抗力增大， 變形速度對碳鋼變形抗力的影響變形速度對碳鋼變形抗力的影響壓下率：壓下率：-50；-10；-2四、 變形程度對