第17講變形抗力影響因素

金屬塑性變形理論

Theoryofmetalplasticdeformation

第十七講LessonSeventeen張貴杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092/2/20231第八章金屬的塑性變形抗力主要內(nèi)容MainContent變形抗力的概念及測定方法影響變形抗力的主要因素變形抗力的計算2/2/202328.2影響變形抗力的主要因素化學(xué)成份應(yīng)力狀態(tài)組織結(jié)構(gòu)接觸摩擦變形溫度變形速度變形程度……2/2/20233應(yīng)力狀態(tài)在塑性加工過程中，變形物體所承受的應(yīng)力狀態(tài)對其變形抗力有很大的影響。例如，擠壓時的變形抗力要比軋制時大；在孔型中軋制時要比在平軋輥上軋制時大；模鍛時要比在平錘頭間鍛造時大等等。這些都表明，應(yīng)力狀態(tài)對變形抗力有較明顯的影響。在圖示中壓應(yīng)力狀態(tài)越強(qiáng)，變形抗力越大。擠壓時為三向壓應(yīng)力狀態(tài)圖示，而拉拔時為單向拉伸和兩向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)圖示，所以擠壓時金屬的變形抗力就大于拉伸時的變形抗力。2/2/20234金屬的變形抗力在很大程度上取決于靜水壓力。對許多金屬和合金來說，當(dāng)靜水壓力從0增加到5000MPa時，其變形抗力可增加一倍。2/2/20235拉伸金屬和合金時徑向壓力的影響6.31.9203166525℃淬火并人工時效鑄造AД5鋁合金23.917.2461382470℃在水中淬火Al-Cu-Mg-Zn合金28.032.0331234在供應(yīng)狀態(tài)下MA2鎂合金21.47.5254219360℃退火鎂50.643.8571470800℃在水中淬火鈹青銅84.371.5217209600℃退火鋼有徑向壓力無徑向壓力有徑向壓力無徑向壓力斷裂時的斷面收縮率，％強(qiáng)度極限，MPa熱處理材料2/2/20236靜水壓力的影響通常可在下述情況表現(xiàn)比較明顯：金屬合金中的已有組織或在塑性變形過程中發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變有脆性傾向。這時，靜水壓力可以使金屬變得致密，消除可能產(chǎn)生的完整性的破壞，從而既提高了金屬的塑性，又提高了金屬的變形抗力。通常，金屬越傾向于脆性狀態(tài)，靜水壓力的影響越顯著。2/2/20237金屬合金的流變行為與粘－塑性體的行為相一致。對粘性體來講，變形速度和靜水壓力對其變形抗力有明顯的影響。對粘－塑體來講也同樣是這樣。并且粘性性質(zhì)越明顯，這種影響就越大。在一定的溫度－速度條件下(特別是在溫度接近熔點且變形速度不大時)，金屬合金的流動行為與粘－塑性體的流變行為相一致。此時，變形速度和靜水壓力對金屬合金便產(chǎn)生相應(yīng)的影響。2/2/20238關(guān)于靜水壓力對變形抗力產(chǎn)生影響原因尚需進(jìn)一步研究。有人認(rèn)為，變形速度對變形抗力的影響越大時，靜水壓力對變形抗力的影響也越大。由于靜水壓力的作用，可使金屬內(nèi)的空位減少，使塑性形變因難。特別是當(dāng)變形速度較大，實現(xiàn)塑性變形的時間不夠時更是如此?？瘴坏臄?shù)量越大，靜水壓力對變形抗力的影響也超大。2/2/20239變形溫度在討論溫度對變形抗力的影響時必須注意到由于溫度的升高所引起的軟化效應(yīng)和其它變形機(jī)構(gòu)的參與作用。從絕對零度到熔點Tm，可分為三個溫度區(qū)間：從0～0.3Tm為完全硬化區(qū)間從0.3Tm～0.7Tm為部分軟化區(qū)間從0.7Tm～1.0Tm為完全軟化區(qū)間對純金屬當(dāng)溫度高于(0.25~0.3)Tm時在變形金屬內(nèi)產(chǎn)生回復(fù)，高于0.4Tm時有再結(jié)晶出現(xiàn)。2/2/202310鋅在室溫下帶有中間停歇的拉伸結(jié)果2/2/202311在軟化溫度區(qū)間持續(xù)時間的長短對金屬的軟化程度也有影響。隨著溫度的升高，消除硬化所需的時間越短。并且溫度越高，此縮短的程度就越大，這是因為軟化需要在一定的時間內(nèi)進(jìn)行。由此可以看出，變形速度對金屬的軟化過程有很大的影響。隨著變形速度的減小，軟化程度增大。因此，溫度越高和變形速度越小時，金屬的軟化程度就越大。2/2/202312在0.3Tm溫度以下，塑性變形的基本機(jī)構(gòu)是滑移機(jī)構(gòu)(剪切機(jī)構(gòu))、晶塊間機(jī)構(gòu)、孿生機(jī)構(gòu)和晶粒間的脆化機(jī)構(gòu)。當(dāng)溫度高于0.3Tm時，非晶機(jī)構(gòu)開始變得明顯，然后溶解沉淀機(jī)構(gòu)和晶粒邊界上的粘性流動機(jī)構(gòu)等參與作用。同時，像晶粒間脆化機(jī)構(gòu)和孿生機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)便會消除或幾乎消除。溫度升高后，剪切機(jī)構(gòu)和甚至是晶塊間機(jī)構(gòu)都會大大改變其特性。它們的變化是：隨著溫度的升高，伴隨上述機(jī)構(gòu)發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象變得不顯著，并開始清楚地顯示出滑移的擴(kuò)散特性。2/2/202313硬化隨溫度的升高而降低的總效應(yīng)決定于：回復(fù)和再結(jié)晶的軟化作用；隨著溫度的升高，新塑性機(jī)構(gòu)的參與作用剪切機(jī)構(gòu)(基本塑性機(jī)構(gòu))特性的變化。2/2/202314不同溫度下鋼的拉伸曲線2/2/202315鎘與鋅的真應(yīng)力曲線2/2/202316總的來看，對于從0到1的相對溫度區(qū)間的整個間隔內(nèi)都沒有物理－化學(xué)變化的合金，其硬度、強(qiáng)度極限、屈服極限、變形抗力等的對數(shù)值隨溫度的變化呈線性關(guān)系。對于有物理－化學(xué)變化的合金，在相應(yīng)此物理－化學(xué)變化的溫度，直線的斜度發(fā)生改變。2/2/202317庫爾納科夫溫度定律式中Pt1——溫度t1時塑性變形抗力的特征值(擠壓壓力、壓入時的硬度、拉伸時的強(qiáng)度極限、屈服極限、引起變形的應(yīng)力強(qiáng)度)；Pt2——溫度t2時上述各塑性變形抗力的特征值；a——溫度系數(shù)。2/2/202318如果合金的變形抗力對數(shù)直線的進(jìn)程在從0到1的相對溫度區(qū)間有n次變化，那么該合金在此溫度區(qū)間就將有n十1次變態(tài)。每一次溫度變態(tài)都可用該改變態(tài)的溫度系數(shù)a，對應(yīng)變態(tài)開始溫度Tk的開始變形抗力Pk和對應(yīng)變態(tài)終了溫度Tz的終了變形抗力Pz。對于每一次變態(tài)，溫度系數(shù)可由下式確定：2/2/202319對于每一溫度變態(tài)，庫爾納科夫定律可以寫成如下的近似形式：2/2/202320在0.7～0.95相對溫度范圍內(nèi)的強(qiáng)度極限溫度為0.95TM和拉伸速度為40~50mm/min時的強(qiáng)度極限對純金屬a＝0.008；對單相系和多相系合金a＝0.0085；對固溶體a＝0.008~0.012。對鎳和鎳基合金以及其它耐熱合金，溫度系數(shù)應(yīng)相應(yīng)提高20~25%。2/2/202321變形速度對于每種金屬材料，在設(shè)定的溫度條件下都有其自己的特征變形速度。在小于特征變形速度數(shù)值的范圍內(nèi)改變變形速度，對變形過程沒有影響。如果變形速度高于此特征速度，則很高變形速度會引起變形抗力的升高，同時也會使所有的軟化過程、物理化學(xué)過程和需要時間來實現(xiàn)有強(qiáng)烈擴(kuò)散性質(zhì)的塑性變形機(jī)構(gòu)受到阻礙。此外，在變形過程中由于變形速度的升高，會引起變形物體的熱效應(yīng)。2/2/202322為完全實現(xiàn)塑性變形的時間不夠。彈性波是以聲速在變形物體內(nèi)傳播。當(dāng)對變形物體的加載速度小于聲速時，塑性變形在變形物體內(nèi)的傳播速度比彈性變形在此同一物體內(nèi)的傳播速度慢。此彈性變形與塑性變形的傳播速度間的差異，取決于變形物體的成分、溫度和應(yīng)力狀態(tài)等。塑性機(jī)構(gòu)的擴(kuò)散性質(zhì)越明顯，塑性變形速度滯后于彈性變形的效應(yīng)就表現(xiàn)得越強(qiáng)烈。因為自擴(kuò)散過程需要時間來實現(xiàn)。因此，非晶塑性機(jī)構(gòu)在這方面應(yīng)顯示出最大的效應(yīng)。2/2/202323假設(shè)，以稍低于聲速的速度拉伸方桿，經(jīng)過非常小的時間其長度增加50％，并在此變形條件下和時間間隔內(nèi)，所設(shè)定的變形速度只能保證變形物體具有5％的殘余延伸。這樣，方桿將具有45％的彈性變形和5％的塑性變形。因此，在方桿內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力便可用相當(dāng)于45％彈性變形的縱坐標(biāo)aa‘來確定。若增加此產(chǎn)生50％延伸的變形時間，即減小拉伸速度，使在變形物體內(nèi)具有更大的殘余延伸，例如30％，那么，在方桿中的應(yīng)力數(shù)值便可用相當(dāng)于30％彈性延伸的縱坐標(biāo)bb’來確定，等等。2/2/202324在設(shè)定的總變形數(shù)值下變形速度對應(yīng)力的影響2/2/202325為實現(xiàn)軟化過程的時間不夠。金屬在變形過程中由于塑性變形的進(jìn)行金屬要發(fā)生硬化，又由于回復(fù)和再結(jié)晶的作用變形金屬又要發(fā)生軟化。但回復(fù)和再結(jié)晶需要一定的時間來完成，若此時間不夠，則將會使變形金屬的硬化速率超過軟化速率，結(jié)果使變形抗力升高。從上面的情況可以認(rèn)為，當(dāng)所取的變形速度超過保證得到最大軟化的速度時，由于實現(xiàn)軟化過程的時間不夠，而使應(yīng)力提高；所取的變形速度低于保證得到最大軟化的速實時，又可由于完全實現(xiàn)塑性變形的時間不夠，而使應(yīng)力提高。2/2/202326由于熱效應(yīng)使變形物體的溫度升高。例如，用50kg的錘頭從3m的高度上沖擊直徑和高度為11.1mm的硬鋁試樣，變形程度為89.2%時，發(fā)現(xiàn)試樣的溫度從13℃升高到317℃。變形速度使變形抗力相對降低的最大影響出現(xiàn)在完全硬化變形的溫度區(qū)間。例如，在拉拔金屬過程中，當(dāng)拉拔速度為每秒幾十米時，可使拉拔力下降，其原因就是拉拔時產(chǎn)生的熱效應(yīng)的結(jié)果。2/2/202327溫度對速度效應(yīng)的影響2/2/202328溫度越高塑性機(jī)構(gòu)的擴(kuò)散特性表現(xiàn)得越明顯。同時非晶機(jī)理在塑性變形過程中起的作用越大，速度效應(yīng)也越大。實現(xiàn)非晶塑性機(jī)構(gòu)需要一定的時間。此時間的長短取決于金屬的材質(zhì)和溫度。如果時間不夠，非晶機(jī)構(gòu)就不能實現(xiàn)。這時，在晶體中，它將被在較高抗力下能夠?qū)崿F(xiàn)的其它機(jī)構(gòu)所代替。在非晶體中，它將被彈性變形所代替。2/2/202329在完全軟化變形的溫度范圍內(nèi)，任何速度下的硬化曲線都平行于橫坐標(biāo)軸，即不發(fā)生硬化。在此溫度范圍內(nèi)，在晶粒邊界上的粘性流動機(jī)構(gòu)為實現(xiàn)蠕變提供了很大的可能性。溫度越高，粘性流動抗力越小。晶粒邊界上的粘性流動抗力與其它塑性機(jī)構(gòu)抗力相比，其值是最小的。在此溫度范圍內(nèi)熱效應(yīng)的影響不大。2/2/202330在不完全硬化變形的溫度范圍內(nèi)，非晶機(jī)構(gòu)實際上是不能實現(xiàn)的。在此溫度區(qū)間，產(chǎn)生速度效應(yīng)的基本原因是實現(xiàn)復(fù)原的時間不夠。速度效應(yīng)(變形抗力的提高)、松弛和蠕變在此溫度區(qū)間表現(xiàn)的程度，比在不完全軟化變形的溫度區(qū)間要小得多。熱效應(yīng)在不完全硬化變形的溫度區(qū)間比在不完全軟化變形的溫度區(qū)間要大，但后者的熱效應(yīng)要比在完全軟化變形的溫度區(qū)間要大。2/2/202331在完全硬化變形的溫度區(qū)間，速度效應(yīng)最小且只取決于復(fù)原的時間不夠。在此溫度區(qū)間，熱效應(yīng)最大，并且溫度越低，熱效應(yīng)越大。速度效應(yīng)的變化是，溫度越低，速度效應(yīng)越小。由于熱效應(yīng)的作用，在許多情況下，變形抗力可在很大的速度范圍內(nèi)保持不變，甚至使之隨著變形速度的增大而減小。2/2/202332變形程度變形程度對變形抗力的影響，除其本身大小的影響外，還與變形物體的材質(zhì)，當(dāng)時的變形溫度條件和變形速度條件有關(guān)。2/2/202333當(dāng)變形金屬處于完全硬化狀態(tài)時，隨著變形程度的增加，變形抗力增大(曲線1)。但在高溫條件下，對某些鐵素體類合金，因在變形過程中只產(chǎn)生動態(tài)回復(fù)，所以當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，其應(yīng)力保持不變(曲線2)，而對奧氏體類合金，當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，因有動態(tài)再結(jié)晶的出現(xiàn)，使應(yīng)力下降，直到達(dá)到平衡階段(曲線3)。由此可見，變形程度對變形抗力的影響應(yīng)隨變形物體的材質(zhì)和變形條件的不同而異。2/2/2023342/2/202335接觸摩擦塑性加工中摩擦的主要特點：在高壓下產(chǎn)生的摩擦。較高溫度下的摩擦。不斷增加新的接觸表面，摩擦副（金屬