第6章 變形抗力

第六章金屬的變形抗力§6.1基本概念及測(cè)定方法§6.2影響塑性變形抗力的主要因素§6.3加工硬化曲線§6.4變形抗力的計(jì)算基本知識(shí)點(diǎn)：變形抗力及其測(cè)定方法、影響變形抗力的主要因素、加工硬化曲線、變形抗力的計(jì)算。重點(diǎn)：變形抗力及其測(cè)定方法、影響變形抗力的主要因素、加工硬化曲線。難點(diǎn)：影響變形抗力的主要因素、加工硬化曲線。4.1基本概念及測(cè)定方法

金屬的塑性變形抗力是指金屬在一定的變形條件下進(jìn)行塑性變形時(shí)于單位橫截面積上抵抗此變形的力。為排除復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的影響，變形抗力通常用單向應(yīng)力狀態(tài)（單向拉伸、單向壓縮）下所測(cè)定的流動(dòng)應(yīng)力來(lái)度量。有的書(shū)稱(chēng)此應(yīng)力為真實(shí)變形抗力。實(shí)際塑性加工時(shí)，如軋制、鍛壓、擠壓、拉拔等，多數(shù)是在三向或兩向應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的。因此，對(duì)同一種加工金屬材料，在主作用力方向上的單位變形力在數(shù)值上一般要比單向應(yīng)力狀態(tài)下所測(cè)定的變形抗力為大。其關(guān)系可用下式表示:

測(cè)定方法

測(cè)定金屬塑性變形抗力的基本方法有拉伸法、壓縮法和扭轉(zhuǎn)法。其中，最常用的前兩種方法。拉伸法在拉伸實(shí)驗(yàn)中通常使用的是圓柱體試樣。并認(rèn)為在拉伸過(guò)程中在試樣出現(xiàn)細(xì)頸以前，在其標(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(shí)，所測(cè)出的拉應(yīng)力σ便為變形物體在此變形條件下的變形抗力。

根據(jù)金屬在變形過(guò)程中的體積不變條件，可得：假設(shè)，在試樣標(biāo)距的工作部分內(nèi)金屬的變形也是均勻分布的。所以，此時(shí)變形物體的真實(shí)變形ε應(yīng)為P為試樣在拉伸某瞬間所承受的拉力，F(xiàn)、l分別為在該拉伸瞬間試樣工作部分的實(shí)際橫斷面積和長(zhǎng)度，F(xiàn)0、l0分別為拉伸試樣工作部分的原始橫斷面積和長(zhǎng)度。

在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)P和l變化，按公式便可算出其相應(yīng)的變形抗力和變形程度的變化。在此所得出的是平均變形抗力和平均變形程度。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)在試樣中的每個(gè)晶粒處所呈現(xiàn)的應(yīng)力和變形都可能有所差別。拉伸法所測(cè)出的變形抗力比較精確，且方法簡(jiǎn)單。但實(shí)驗(yàn)時(shí)的變形程度一般不應(yīng)大于20％~30％，否則實(shí)驗(yàn)時(shí)拉伸試樣會(huì)出現(xiàn)細(xì)頸，造成在細(xì)頸處呈現(xiàn)三向拉應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的分布不均。倘若必須計(jì)算此刻的變形抗力時(shí)，則必須對(duì)所測(cè)出的應(yīng)力加以修正。壓縮法§6.2影響塑性變形抗力的主要因素

1化學(xué)成分和顯微組織的影響碳：在較低的溫度下隨著鋼中含碳量的增加，鋼的塑性變形抗力升高。溫度升高時(shí)其影響減弱。圖6－1示出，在不同變形溫度和變形速度條件下，壓下率為30％時(shí)含碳量對(duì)變形抗力的影響?？梢?jiàn)，低溫時(shí)的影響比高溫時(shí)大得多。錳：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（15Mn~50Mn）的變形抗力稍高于具有相同含碳量的碳鋼，而高錳鋼（Mn12）有更高的變形抗力。圖6－1在不同變形溫度和變形速度條件下含碳量對(duì)碳鋼變形抗力的影響（實(shí)線為靜壓縮，虛線為動(dòng)壓縮）硅：鋼中含硅對(duì)塑性變形抗力有明顯的影響。用硅使鋼合金化時(shí)，可使鋼的變形抗力有較大的提高。例如，含硅量為1.5％~2.0％的結(jié)構(gòu)鋼（55Si260Si2）在一般的熱加工條件下，其變形抗力比中碳鋼約高出20％~25％。含硅量高達(dá)5％~6％以上時(shí)，熱加工較為困難。鉻：對(duì)含鉻為0.7％~1.0％的鉻鋼來(lái)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5％~10％。對(duì)高碳鉻鋼GCr6~GCr15（含鉻量0.45％~1.65％），其變形抗力雖稍高于碳鋼，但影響變形抗力的也主要是碳。鎳：鎳在鋼中可使變形抗力稍有提高。但對(duì)25NiA、30NiA和13Ni2A等鋼來(lái)講，其變形抗力與碳鋼相差不大。當(dāng)含鎳量較高時(shí)，例如Ni25~Ni28，其變形抗力與碳鋼相比有很大的差別。在鋼中同時(shí)加入幾種合金元素，例如同時(shí)加入鉻和鎳，這時(shí)鋼中的碳、鉻和鎳對(duì)變形抗力都要產(chǎn)生影響。Cr18Ni9Ti鋼的變形抗力比碳鋼高50%。金屬的變形抗力與其顯微組織有密切的關(guān)系。晶粒大小就是其中的一個(gè)重要因素。晶粒越細(xì)小，變形抗力越大。金屬中的夾雜物對(duì)變形抗力也有影響。在一般的情況下，夾雜物會(huì)使變形抗力升高。鋼中有第二相時(shí)，變形抗力也會(huì)相應(yīng)提高。2變形溫度的影響

從絕對(duì)零度到熔點(diǎn)Tm的整個(gè)溫度區(qū)間可分為三個(gè)溫度區(qū)間：①0~0.3Tm為完全硬化溫度區(qū)間；②0.3~0.7Tm為部分軟化溫度區(qū)間；③0.7~1.0Tm為完全軟化溫度區(qū)間。在不同溫度區(qū)間內(nèi)變形抗力不同。在0.3Tm溫度以下，基本的塑性變形機(jī)制為滑移、孿生和晶間脆化機(jī)制。當(dāng)溫度高于0.3Tm時(shí)，非晶機(jī)制的作用開(kāi)始變得明顯。之后，溶解－沉積機(jī)制和晶界上的粘性流動(dòng)機(jī)制等也都參與作用。此時(shí)，晶間脆化、孿生等機(jī)制的作用會(huì)消失或幾乎消失。隨溫度的升高，剪切機(jī)制，甚至晶塊間機(jī)制也會(huì)有明顯地改變其特征，其力學(xué)現(xiàn)象變得不明顯，開(kāi)始顯示出滑移的擴(kuò)散特性。隨著溫度的升高，硬化減小的總效應(yīng)決定于以下方面：回復(fù)和再結(jié)晶的軟化作用；隨溫度的升高，新的塑性變形機(jī)制的參與作用；剪切機(jī)制（基本塑性變形機(jī)制）特性的改變。圖6－2低碳鋼在不同溫度下的拉伸曲線圖6－3鎘與鋅的真應(yīng)力曲線拉伸試樣結(jié)果表明，變形抗力隨溫度的變化有兩種情況。一類(lèi)金屬（如銅）是隨溫度的升高，變形抗力指標(biāo)下降；另一類(lèi)金屬是，例如鋼，其變形抗力隨溫度的變化比較復(fù)雜。從圖中6－2中看出，加熱至100℃時(shí)，屈服延伸減小，與其相應(yīng)的應(yīng)力也減小。在400℃附近屈服延伸消失。關(guān)于真應(yīng)力的變化，可從圖6－3示出的在不同溫度條件下，用拉伸方法所測(cè)出的鎘與鋅的加工硬化曲線中看出。隨著溫度的升高，硬化減小；從一定溫度開(kāi)始，硬化曲線平行于橫坐標(biāo)軸，金屬不再繼續(xù)硬化。在高溫條件下，即使變形不大，金屬也有強(qiáng)烈的硬化。其大小取決于屈服應(yīng)力與出現(xiàn)細(xì)頸時(shí)應(yīng)力間的差異。當(dāng)注意，在坐標(biāo)軸上對(duì)應(yīng)出現(xiàn)細(xì)頸的一點(diǎn)，甚至在高溫下也不與坐標(biāo)原點(diǎn)相重合。總的來(lái)看，對(duì)于從0到1.0Tm整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)都沒(méi)有物理－化學(xué)變化的金屬，其變形抗力的對(duì)數(shù)值隨溫度的變化呈線性關(guān)系（圖6－4，a）。對(duì)伴隨有物理－化學(xué)變化的金屬，在發(fā)生此物理－化學(xué)變化的溫度，直線的斜率發(fā)生改變（圖6－4，b）。圖6－4變形抗力的對(duì)數(shù)值隨溫度的變化變形速度的影響對(duì)于每一種金屬材料，在設(shè)定的溫度條件下都有其特征變形速度。在小于此特征變形速度的范圍內(nèi)改變變形速度時(shí)，它對(duì)變形過(guò)程沒(méi)有影響。若變形速度大于此特征變形速度時(shí)，則提高變形速度會(huì)使變形抗力增大；同時(shí)也會(huì)使所有軟化過(guò)程，物理－化學(xué)過(guò)程和需要時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)有強(qiáng)烈擴(kuò)散性質(zhì)的塑性變形機(jī)制受到阻礙。在塑性變形過(guò)程中由于變形速度的增大，會(huì)引起變形物體的熱效應(yīng)。變形速度的影響

變形速度增大使變形抗力升高的原因是：為完全實(shí)現(xiàn)塑性變形的時(shí)間不夠彈性波是以聲速在變形物體內(nèi)傳播。當(dāng)對(duì)變形物體的加載速度小于聲速時(shí)，塑性變形在變形物體內(nèi)的傳播速度比彈性變形在此物體內(nèi)的傳播速度要小。此彈性變形與塑性變形傳播速度間的差異，取決于變形物體的成分、溫度和應(yīng)力狀態(tài)等因素。為實(shí)現(xiàn)軟化過(guò)程的時(shí)間不夠金屬在塑性變形過(guò)程中，由于塑性變形的進(jìn)行要發(fā)生硬化，由于回復(fù)和再結(jié)晶的作用又要發(fā)生軟化，但回復(fù)和再結(jié)晶需要一定的時(shí)間來(lái)完成。若此時(shí)間不夠，則將會(huì)使變形金屬的硬化速率大于軟化速率，結(jié)果使變形抗力升高。當(dāng)變形速度大于保證得到最大軟化的速度時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)軟化過(guò)程的時(shí)間不夠而使變形抗力升高和當(dāng)變形速度小于保證得到最大軟化的速度時(shí)，由于完全實(shí)現(xiàn)塑性變形的時(shí)間不夠而使變形抗力升高。變形程度的影響變形程度對(duì)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(shí)的變形溫度條件和變形速度有關(guān)。從圖6－5中可以看出，當(dāng)變形金屬處于完全硬化狀態(tài)時(shí)，隨著變形程度的增加，變形抗力增大（曲線1）。在高溫條件下，對(duì)某些鐵素體類(lèi)合金，因在變形過(guò)程中只產(chǎn)生動(dòng)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）。對(duì)奧氏體類(lèi)合金，當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，因有動(dòng)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(jiàn)，變形程度對(duì)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。金屬塑性變形過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變的幾種表述方法標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系定義式：

又稱(chēng)名義應(yīng)力或條件應(yīng)力

式中圖1低碳鋼的標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖2鋁合金的標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線真實(shí)應(yīng)力定義式：

又稱(chēng)真應(yīng)力式中三類(lèi)真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線金屬塑性變形真實(shí)應(yīng)力-對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線的確定金屬塑性變形真實(shí)應(yīng)力-對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線的確定均勻變形存在頸縮圖1真實(shí)應(yīng)力-對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線真實(shí)應(yīng)力-對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線與標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力-對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線的比較均勻變形存在頸縮——

真實(shí)應(yīng)力-對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線——標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力-對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線常用的幾種真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型

NWPU圖6－5拉伸時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線§6.3加工硬化曲線常用的硬化曲線可用拉伸、扭轉(zhuǎn)或壓縮的方法來(lái)確定，其中應(yīng)用較廣者為拉伸方法。由于變形程度的表示方式不同，硬化曲線可有多種形式，常用的有三種（圖6－6）即第一種σ－δ曲線，是真應(yīng)力與延伸率的關(guān)系曲線；第二種σ－ψ曲線，是真應(yīng)力與斷面收縮率的關(guān)系曲線；第三種σ－ε曲線，是真應(yīng)力與真應(yīng)變的關(guān)系曲線。這三種曲線，第二種在實(shí)際中應(yīng)用較多，故僅對(duì)其真應(yīng)力曲