第2[1].4章+塑性加工過程塑性行為

1、金屬塑性成形原理 第二章 金屬塑性變形的物理基礎(chǔ) 第四節(jié) 金屬塑性加工過程的塑性行為主講：劉華主講：劉華華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心第四節(jié) 金屬在塑性加工過程的塑性行為n塑性指標(biāo)n金屬化學(xué)成分對金屬塑性的影響n組織結(jié)構(gòu)對金屬塑性的影響n變形溫度對金屬塑性的影響n應(yīng)變速率對塑性的影響n應(yīng)力狀態(tài)對金屬塑性的影響n應(yīng)變狀態(tài)對金屬塑性的影響n其他因素對金屬塑性的影響n材料的力學(xué)性能對金屬塑性的影響n提高金屬塑性的基本途徑n對變形抗力的影響因素華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心一、塑性指標(biāo) 為了衡量金屬塑性的高低，需要有一種可以量化的指標(biāo)，稱為塑性指標(biāo)。 金屬在發(fā)生塑性

2、變形時，產(chǎn)生抵抗變形的能力，稱為變形抗力。0(1)拉伸試驗 伸長率 斷面收縮率%100001lll%100010AAA%5為塑性材料%5為脆性材料低碳鋼的%3020%60為塑性材料華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心一、塑性指標(biāo)(2) 鐓粗試驗 壓縮程度%10000HHHKc塑性材料（低碳鋼）的壓縮塑性材料（低碳鋼）的壓縮p 拉伸與壓縮在屈服階段拉伸與壓縮在屈服階段以前完全相同。以前完全相同。屈服極限屈服極限S比例極限比例極限彈性極限彈性極限eE E - - 彈性摸量彈性摸量華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心一、塑性指標(biāo)(3)扭轉(zhuǎn)試驗(4)脹形試驗 (杯突試驗)(5)擴(kuò)孔試驗(6)拉深試驗(7)彎曲試驗(8)軋制試

3、驗偏心軋輥軋制矩形試樣示意杯突試驗華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心二、金屬化學(xué)成分對金屬塑性的影響1.碳和雜質(zhì)元素的影響 碳 固溶于鐵，形成鐵素體和奧氏體，具有良好的塑性 當(dāng)碳的含量超過鐵的溶碳能力時，多余的碳便與鐵形成滲碳體，滲碳體具有很高的硬度，而塑性幾乎為零碳含量對碳鋼力學(xué)性能的影響華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心磷 n有害雜質(zhì)它在鐵中有相當(dāng)大的溶解度，使鋼的強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性降低，在冷變形時影響更為嚴(yán)重，此稱冷脆性。硫 n有害雜質(zhì). 硫很少固镕于鐵中，在鋼中和其他元素組成硫化物后熔點一般都較高，但當(dāng)組成共晶體時，熔點就降得很低。這些硫化物及其共晶體，通常分布于晶界上，當(dāng)溫度達(dá)到其熔點時，它們

4、就會先熔化；因此會導(dǎo)致鋼熱變形時的開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆性。n錳可消除硫的的熱脆性危害，MnS熔點高二、金屬化學(xué)成分對金屬塑性的影響華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心氮n氮在鋼中除少量固溶外，以氮化物形式存在。n氮化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小(0.002-0.005)時，對鋼的塑性無明顯的影響；但隨著氮化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼的塑性將降低，導(dǎo)致鋼變脆。n時效脆性 氮溶解度在高溫和低溫時相差很大，溫度降低氮會以Fe4N析出，使鋼的塑性韌性大為降低。n蘭脆（250-300度加工時）二、金屬化學(xué)成分對金屬塑性的影響華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心氫p 氫脆（氫溶入鋼中使鋼的塑性韌性下降）p “白點”（從固溶體中析出的氫原子聚集

5、在鋼內(nèi)顯微缺陷處形成氫分子，產(chǎn)生局部高壓，受到應(yīng)力作用會產(chǎn)生裂紋） 對鋼材的強(qiáng)度影響不太大，但會顯著降低鋼的塑 性和韌性思考：為什么鑄件的白點傾向比鍛、軋件低？二、金屬化學(xué)成分對金屬塑性的影響華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心二、金屬化學(xué)成分對金屬塑性的影響氧 p氧在鐵中的溶解度很小，主要是以氧化物的形式存在于鋼中，會使鋼的塑性顯著降低，因為它在鋼中起著空穴和微裂紋的作用。p氧化物與其他夾雜物形成易熔共晶體分布于晶界處，造成鋼的熱脆性。華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心2.合金元素對鋼的塑性的影響（塑性降低、變形抗力提高）二、金屬化學(xué)成分對金屬塑性的影響合金元素對鐵素體伸長率和韌性的影響華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心二

6、、金屬化學(xué)成分對金屬塑性的影響合金元素都能不同程度地溶入鐵中形成固溶體，使鐵原子的晶格點陣發(fā)生不同程度的畸變，從而使鋼的變形抗力提高，而塑性有不同程度的降低。許多合金元素會與鋼中的碳形成硬而脆的碳化物，使鋼的強(qiáng)度提高，而塑性下降。 碳化物的影響還與它的形狀、大小和分布狀況有密切關(guān)系當(dāng)合金元素與鋼中的氧、硫形成氧化物或硫化物夾雜時，會造成鋼的熱脆性，給熱成形帶來困難。華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心合金元素會改變鋼中相的組成，造成組織的多相性，從而使鋼的塑性降低。有些合金元素會影響鋼的鑄造組織和鋼材加熱時晶粒長大的傾向，從而影響鋼的塑性。合金元素一般都使鋼的再結(jié)晶溫度提高、再結(jié)晶速度降低，因而使鋼的硬化

7、傾向增加，塑性降低。低熔點元素幾乎都不溶于基體金屬，而以純金屬相存在于晶界，造成鋼的熱脆性。二、金屬化學(xué)成分對金屬塑性的影響華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心相組成的影響 單相組織(純金屬或固溶體)比多相組織塑性好。多相組織由于各相性能不同，變形難易程度不同，導(dǎo)致變形和內(nèi)應(yīng)力的不均勻分布，因而塑性降低。晶粒度的影響 細(xì)晶組織比粗晶組織具有更好的塑性鑄造組織的影響 鑄造組織由于具有粗大的柱狀晶粒和偏析、夾雜、氣泡、疏松等缺陷，故使金屬塑性降低。晶格類型的影響三、組織結(jié)構(gòu)對金屬塑性的影響華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心四、變形溫度對金屬塑性的影響碳鋼的塑性隨溫度的變化曲線n總的趨勢是：隨著溫度的升高，塑性增加，但這

8、種增加并非簡單的線性上升藍(lán)脆區(qū)熱脆區(qū)高溫脆區(qū)氮化物、氧化物在晶界、滑移面上沉淀析出，類似于時效硬化珠光體轉(zhuǎn)變，形成兩相共存；或是晶界處出現(xiàn)低熔共晶體發(fā)生過熱、過燒。（晶粒粗大化、晶界出現(xiàn)氧化物和低熔點物質(zhì)的局部熔化）IIIIII123塑 性-2002000400600100012008001400溫度/低溫脆區(qū)超低溫時，塑性幾乎完全喪失。原子熱振動能力極低，晶界組成物脆化華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心n溫度升高使金屬塑性增加的原因？1）發(fā)生回復(fù)或再結(jié)晶2）原子動能增加，使位錯活動性提高、滑移系增多，從而改善了晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性3）金屬的組織、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化4 ）擴(kuò)散蠕變機(jī)理起作用5 ）晶間滑移作用增

9、強(qiáng)四、變形溫度對金屬塑性的影響華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心五、應(yīng)變速率對金屬塑性的影吶(一)熱效應(yīng)與溫度效應(yīng)n 從能量觀點看，塑性變形時金屬所吸收的能量，絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能，這種現(xiàn)象稱為熱效應(yīng)n 塑性變形熱能，除一部分散失到周圍介質(zhì)中，其余的使變形體溫度升高，這種由于塑性變形過程中所產(chǎn)生的熱量而使變形體溫度升高的現(xiàn)象，稱為溫度效應(yīng)。n變形溫度高，溫度效應(yīng)小n應(yīng)變速率大，溫度效應(yīng)大n變形程度大，溫度效應(yīng)大華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心n(二)應(yīng)變速率對塑性的影響機(jī)理n增加應(yīng)變速率會使金屬的真實應(yīng)力升高n增加應(yīng)變速率，沒有足夠的時間進(jìn)行回復(fù)或再結(jié)晶，因而軟化過程不充分而使金屬的塑性降低(高溫明顯)n增加應(yīng)變

10、速率，會使溫度效應(yīng)增大和金屬的溫度升高n綜上，應(yīng)變速率的增加，既有使金屬塑性降低的一面，又有使金屬塑性增加的一面；熱變形時應(yīng)變速率對金屬塑性的影響較之冷變形時的大，再者，隨著變形溫度的不同，應(yīng)變速率對塑性的各影響機(jī)理所起的作用也不相同；在分析應(yīng)變速率對金屬塑性的影響時，應(yīng)將溫度、速度二者聯(lián)系起來考慮。五、應(yīng)變速率對金屬塑性的影吶華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心n(三)應(yīng)變速率對金屬塑性的影響的一些基本結(jié)論1. 應(yīng)變速率對塑性的影響的一般趨勢 五、應(yīng)變速率對金屬塑性的影吶bacde塑 性 指 標(biāo)應(yīng)變速率應(yīng)變速率對塑性的影響的示意曲線一般性規(guī)律分析一般性規(guī)律分析ab段，由于溫度效應(yīng)所引起的塑性增加，小于其

11、他機(jī)理所引起的塑性降低，所以最終表現(xiàn)為塑性降低；bc段，溫度效應(yīng)更為顯著，使得塑性基本上不再隨著應(yīng)變速率增加而降低；cd段，由于溫度效應(yīng)更大，其對塑性的有利影響超過其他機(jī)理對塑性的不利影響，因而最終使得塑性回升。de段，溫度效應(yīng)過大，進(jìn)入高溫脆區(qū)，金屬塑性急劇下降華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心2. 對于具有脆性轉(zhuǎn)變的金屬，如果應(yīng)變速率增加，由于溫度效應(yīng)作用加強(qiáng)而使金屬由塑性區(qū)進(jìn)人脆性區(qū)，則金屬的塑性降低；反之，如果溫度效應(yīng)的作用恰好使金屬由脆性區(qū)進(jìn)人塑性區(qū)，則對提高金屬塑性有利。3. 提高應(yīng)變速率會在以下幾個方面起有利作用：n降低摩擦系數(shù)n減少熱成形時的熱量損失n慣性流動效應(yīng)4. 在非常高的應(yīng)變速率

12、(如爆炸成形、電液成形、電磁成形等)下，材料的塑性變形能力大為提高（機(jī)理還不太清楚）五、應(yīng)變速率對金屬塑性的影吶華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心(四)塑性圖 為了具體掌握不同變形條件下，金屬的塑性隨溫度變化的情形，需要用試驗方法繪制其塑性溫度曲線，簡稱塑性圖。 它是擬定變形溫度和速度規(guī)范的重要依據(jù)。五、應(yīng)變速率對金屬塑性的影吶GH4037鎳基高溫合金的塑性圖華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心六、應(yīng)力狀態(tài)對金屬塑性的影響卡爾曼試驗 儀器的工作部分壓力柱塞試樣試驗腔室高壓液體注入孔卡爾曼試驗中大理石和紅砂石三向受壓的試驗結(jié)果0 1 2 3 4 5 6 7 8 9破壞破壞壓縮程度（）20235500685845165

13、02490326010002000300040005000512/10 Paa) 大理石破壞壓縮程度（）0 1 2 3 4 5 6 7202755551550247510002000300040005000512/10 Pab) 紅砂石破壞卡爾曼試驗 1 2華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心n當(dāng)靜水壓力越大，也即在主應(yīng)力狀態(tài)下壓應(yīng)力個數(shù)越多、數(shù)值越大時，金屬的塑性越好n壓縮應(yīng)力阻止或減小晶間變形，因而提高了金屬的塑性n三向壓縮應(yīng)力有利于愈合塑性變形過程中產(chǎn)生的各種損傷n三向壓縮作用能抑制對塑性不利的雜質(zhì)、液態(tài)相或組織缺陷1.增大靜水壓力能抵消由于不均勻變形引起的附加拉應(yīng)力六、應(yīng)力狀態(tài)對金屬塑性的影響華僑

14、大學(xué)模具技術(shù)研究中心n在塑性加工中，人們通過改變應(yīng)力狀態(tài)來提高金屬的塑性六、應(yīng)力狀態(tài)對金屬塑性的影響型砧拔長圓斷面毛坯加反壓力擠壓包套擠壓華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心精密沖裁六、應(yīng)力狀態(tài)對金屬塑性的影響軸向加壓剪切華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心七、應(yīng)變狀態(tài)對金屬塑性的影響n一般認(rèn)為，壓縮應(yīng)變有利于塑性的發(fā)揮，而拉伸應(yīng)變則對塑性不利。n三種主應(yīng)變狀態(tài)中，兩向壓縮一向拉伸的為最好，一向壓縮一向拉伸的次之，而一向壓縮兩向拉仲的為最差。n綜合應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)對塑性的影響可知，具有三向壓縮主應(yīng)力圖和兩向壓縮一向拉伸主應(yīng)變圖的塑性加工方法，最有利于發(fā)揮金屬的塑性。擠壓或加反壓力擠壓、閉式模鍛等即屬于此。華僑大學(xué)模

15、具技術(shù)研究中心八、其他因素對金屬塑性的影響(一)不連續(xù)變形的影響 不連續(xù)變形(或多次分散變形)的情況下，金屬的塑性亦能得到提高，特別是低塑性金屬熱變形時更為明顯。(二)尺寸(體積)因素的影響 尺寸越大，塑性越低；但當(dāng)變形體的尺寸(體積)達(dá)到某一臨界值對，塑性將不再隨體積的增大而降低。變形體體積對塑性的影響華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心九、材料的力學(xué)性能對金屬塑性的影響n 抗剪強(qiáng)度 分離工序的重要參數(shù)之一n 屈服強(qiáng)度 成形工序的重要參數(shù)之一n 抗拉強(qiáng)度 均勻變形狀態(tài)下所能承受的拉力n 屈強(qiáng)比 越小材料塑性變形區(qū)間越大，塑性變形性能越好n 均勻伸長率 發(fā)生均勻塑性變形的能力n 硬化指數(shù) 值越大，沖壓變形區(qū)內(nèi)各部分變形程度趨于均勻，致使總變形程度增加，對拉伸類沖壓成形有利。n 各項異性系數(shù)rnbs/bs華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心十、提高金屬塑性的基本途徑n提高材料成分和組織的均勻性n合理選擇變形