第16讲变形抗力概念及测定方法

1、2022-2-221张贵杰张贵杰Tel-Mail： 河北联合大学金属材料及加工工程系河北联合大学金属材料及加工工程系金属塑性变形理论金属塑性变形理论第十六讲第十六讲2022-2-222第八章 金属的塑性变形抗力主要内容Main Content 变形抗力的概念及测定方法变形抗力的概念及测定方法 影响变形抗力的主要因素影响变形抗力的主要因素 变形抗力的计算变形抗力的计算 2022-2-2238.1 变形抗力的概念及测定方法 变形抗力的概念变形抗力的概念 变形抗力的测定方法变形抗力的测定方法2022-2-2248.1.1 变形抗力的概念 金属的塑性变形抗力是指金属在一定的变

2、形条件金属的塑性变形抗力是指金属在一定的变形条件下进行塑性变形时于单位横截面积上抵抗此变形下进行塑性变形时于单位横截面积上抵抗此变形的力。的力。 为排除复杂应力状态的影响，变形抗力通常用单为排除复杂应力状态的影响，变形抗力通常用单向应力状态向应力状态(单向拉伸、单向压缩单向拉伸、单向压缩)下所测定的流下所测定的流动应力来表示。有的书称此应力为真实变形抗力。动应力来表示。有的书称此应力为真实变形抗力。2022-2-225 实际塑性加工时，如轧制、锻压、挤压、拉拔等，实际塑性加工时，如轧制、锻压、挤压、拉拔等，多数是在三向或两相应力状态下进行的。因此，多数是在三向或两相应力状态下进行的。因此，对同

3、一种加工金属材料，在主作用力方向上的单对同一种加工金属材料，在主作用力方向上的单位变形力在数值上一般要比单向应力状态下所测位变形力在数值上一般要比单向应力状态下所测定的变形抗力为大。其关系可用下式表示：定的变形抗力为大。其关系可用下式表示：snp式中式中 主作用力方向上的平均单位变形力；主作用力方向上的平均单位变形力； 在单向应力状态下所测定的变形抗力；在单向应力状态下所测定的变形抗力； 应力状态影响系数。一般应力状态影响系数。一般 1。pnsn2022-2-226 因塑性加工时所需的变形力因塑性加工时所需的变形力 (其中其中F为接为接触面积在与触面积在与P垂直方向上的投影垂直方向上的投影)，

4、所以，在计算，所以，在计算变形力时必须首先要求出金属的变形抗力变形力时必须首先要求出金属的变形抗力 。FpPs2022-2-2278.1.2 变形抗力的测定方法 这里所介绍的变形抗力测定方法是指在简单应力这里所介绍的变形抗力测定方法是指在简单应力状态下，应力状态在变形物体内均匀分布时的变状态下，应力状态在变形物体内均匀分布时的变形抗力测定。形抗力测定。 测定方法有：测定方法有： （1） 拉伸试验法拉伸试验法 （2） 压缩试验法压缩试验法 （3） 扭转试验法扭转试验法2012-10-182022-2-228拉伸试验法拉伸试验法 拉伸试验中所用的试样通常为圆柱体，在拉伸变形体积拉伸试验中所用的试样

5、通常为圆柱体，在拉伸变形体积内的应力状态为单向拉伸，并均匀分布。内的应力状态为单向拉伸，并均匀分布。 拉应力：拉应力： 应变：应变：FPpl0lnll2022-2-229 在选择拉伸试样材质时，很难保证其内部组织均在选择拉伸试样材质时，很难保证其内部组织均匀，其内部各晶粒，甚至一个晶粒内部的各质点匀，其内部各晶粒，甚至一个晶粒内部的各质点的变形和应力也不可能完全均一。所示，在此试的变形和应力也不可能完全均一。所示，在此试验中所测定的应力和变形为其平均值。验中所测定的应力和变形为其平均值。 但从拉伸变形的总体来看，是能够保证得到比较但从拉伸变形的总体来看，是能够保证得到比较均匀的拉伸变形的，其不

6、均匀变形程度要比压缩均匀的拉伸变形的，其不均匀变形程度要比压缩变形小得多。变形小得多。 用拉伸法不足之处在于其所得到的均匀变形程度用拉伸法不足之处在于其所得到的均匀变形程度一般不超过一般不超过2030。2022-2-2210压缩试验法压缩试验法 压缩变形时，变形金属所承受的单向压应力，即变形抗压缩变形时，变形金属所承受的单向压应力，即变形抗力为：力为： 应变：应变：FPpc0lnhh2022-2-2211 在压缩试验中完全消除接触摩擦的影响是很困难在压缩试验中完全消除接触摩擦的影响是很困难的，所以，所测出的应力值稍偏高。的，所以，所测出的应力值稍偏高。 在试验中为消除或减小接触摩擦的影响可采取

7、在在试验中为消除或减小接触摩擦的影响可采取在试样的端部涂润滑剂，加柔软垫片等措施。增大试样的端部涂润滑剂，加柔软垫片等措施。增大Hd值也可使接触摩擦对变形过程的影响减小。值也可使接触摩擦对变形过程的影响减小。但通常不能使但通常不能使Hd大于大于22.5，否则在压缩时试，否则在压缩时试样容易弯曲而使压缩不稳定。对于样容易弯曲而使压缩不稳定。对于Hd2的试的试样，当变形程度较小时，接触摩擦对变形过程的样，当变形程度较小时，接触摩擦对变形过程的影响不大。影响不大。 压缩法的优点在于它能使试样产生更大的变形。压缩法的优点在于它能使试样产生更大的变形。2022-2-2212扭转试验法扭转试验法 扭转试验

8、时，在圆柱体试样的两端加以大小相等、方向扭转试验时，在圆柱体试样的两端加以大小相等、方向相反的转矩相反的转矩M，在此二转矩，在此二转矩M的作用下试样产生扭转角的作用下试样产生扭转角f f。在试验中测定在试验中测定f f值。值。 在试样中的应力状态为纯剪切。但此应力状态的分布是在试样中的应力状态为纯剪切。但此应力状态的分布是不均匀的，其分布规律是：不均匀的，其分布规律是：rdM40322022-2-2213 在试样的轴心处在试样的轴心处r0，则，则 0。 的最大值出现在试样的表面处，即的最大值出现在试样的表面处，即 所产生的剪切变形为：所产生的剪切变形为：3016dMf002ld2022-2-2

9、214 为了使应力状态趋向均匀，可取扭转试样为空心为了使应力状态趋向均匀，可取扭转试样为空心的管状试样。此时，试样的壁厚越薄，应力状态的管状试样。此时，试样的壁厚越薄，应力状态越均匀。此时剪切应力为：越均匀。此时剪切应力为： 扭转法应用不广扭转法应用不广平dFM022022-2-22158.2 影响变形抗力的主要因素 化学成份化学成份 应力状态应力状态 组织结构组织结构 变形温度变形温度 接触摩擦接触摩擦 变形速度变形速度 变形程度变形程度 2022-2-22168.2.1 8.2.1 化学成份对变形抗力的影响化学成份对变形抗力的影响 化学成份对变形抗力的影响非常复杂。一般情况化学成份对变形抗

10、力的影响非常复杂。一般情况下，对于各种纯金属，因原子间相互作用不同，下，对于各种纯金属，因原子间相互作用不同，变形抗力也不同。同一种金属，纯度愈高，变形变形抗力也不同。同一种金属，纯度愈高，变形抗力愈小。抗力愈小。 合金元素对变形抗力的影响，主要取决于合金元合金元素对变形抗力的影响，主要取决于合金元素的原子与基体原子间相互作用特性、原子体积素的原子与基体原子间相互作用特性、原子体积的大小以及合金原子在基体中的分布情况。合金的大小以及合金原子在基体中的分布情况。合金元素引起基体点阵畸变程度愈大，变形抗力也越元素引起基体点阵畸变程度愈大，变形抗力也越大。大。2022-2-2217图图(a)是形成无

11、限固溶的二元合金之硬度随成分而变化的图示，它表明固溶体的硬度是形成无限固溶的二元合金之硬度随成分而变化的图示，它表明固溶体的硬度比纯金属的高。变形抗力的最大值对应于固溶体的最大饱和度，从而对应于点阵的比纯金属的高。变形抗力的最大值对应于固溶体的最大饱和度，从而对应于点阵的最大畸变。最大畸变。 图图(b)指出了形成共晶体二元合金的硬度随成分变化的情况。共晶体混合物可由指出了形成共晶体二元合金的硬度随成分变化的情况。共晶体混合物可由纯金属构成，也可由其他化合物或固溶体构成。纯金属构成，也可由其他化合物或固溶体构成。 图图(c)是形成化合物的二元合金的硬度随成分变化的图示。是形成化合物的二元合金的硬

12、度随成分变化的图示。2022-2-2218 碳碳 在较低的温度下随着钢中在较低的温度下随着钢中含碳量的增加，钢的塑性含碳量的增加，钢的塑性变形抗力升高。温度升高变形抗力升高。温度升高时其影响减弱。图中示出，时其影响减弱。图中示出，在不同变形温度和变形速在不同变形温度和变形速度条件下，压下率为度条件下，压下率为30时含碳量对变形抗力的影时含碳量对变形抗力的影响。可见，低温时的影响响。可见，低温时的影响比高温时大得多。比高温时大得多。2022-2-22192022-2-2220 硅硅 钢中含硅对塑性变形抗力有明显的影响。用硅使钢中含硅对塑性变形抗力有明显的影响。用硅使钢合金化时，可使钢的变形抗力有

13、较大的提高。钢合金化时，可使钢的变形抗力有较大的提高。例如，含硅量为例如，含硅量为1.52.0的结构钢的结构钢(55Si2、60Si2)在一般的热加工条件下，其变形抗力比中在一般的热加工条件下，其变形抗力比中碳钢约高出碳钢约高出2025。含硅量高达。含硅量高达56以以上时，热加工较为困难。上时，热加工较为困难。2022-2-2221 铬铬 对含铬量为对含铬量为0.71.0的铬钢来讲，影响其变形的铬钢来讲，影响其变形抗力的不是铬，而是钢中的含碳量。这些钢的变抗力的不是铬，而是钢中的含碳量。这些钢的变形抗力仅比其相应含碳量的碳钢高形抗力仅比其相应含碳量的碳钢高510。 高高碳铬钢碳铬钢GCr6GC

14、rl5(含铬量含铬量0.451.65)的变形的变形抗力虽稍高于碳钢，但影响变形抗力的主要因素抗力虽稍高于碳钢，但影响变形抗力的主要因素也是碳。高铬钢也是碳。高铬钢1Crl34Crl3、Crl7、Cr23等在等在高速下变形时其变形抗力大为提高。高速下变形时其变形抗力大为提高。2022-2-2222 镍镍 镍在钢中可使变形抗力稍有提高。但是，对镍在钢中可使变形抗力稍有提高。但是，对25NiA，30NiA和和13Ni2A等来讲，其变形抗力与等来讲，其变形抗力与碳钢相差不大。含镍量较高的钢碳钢相差不大。含镍量较高的钢(Ni25Ni28)，这种差别是很大的。这种差别是很大的。 在许多情况下，在钢中同时加

15、入几种合金元素，在许多情况下，在钢中同时加入几种合金元素，例如在钢中加入铬和镍。这时，钢中的碳、铬和例如在钢中加入铬和镍。这时，钢中的碳、铬和镍对变形抗力都要产生影响。镍对变形抗力都要产生影响。12CrNi3A钢的变钢的变形抗力比形抗力比45号碳钢高出号碳钢高出20。Cr18Ni9Ti钢的变钢的变形抗力比碳钢提高形抗力比碳钢提高50。2022-2-22238.2.2 8.2.2 组织结构对变形抗力的影响组织结构对变形抗力的影响 晶粒大小晶粒大小 结构变化结构变化 单相组织和多相组织单相组织和多相组织2022-2-2224晶粒大小晶粒大小 金属的变形抗力与其组织有密切关系，其中晶粒金属的变形抗力

16、与其组织有密切关系，其中晶粒大小是一个重要因素。大小是一个重要因素。 试验结果表明，晶粒越细小变形抗力越大。试验结果表明，晶粒越细小变形抗力越大。 也有人认为，当晶粒变小时，晶粒的表面积相对也有人认为，当晶粒变小时，晶粒的表面积相对增大，从而使表面力（表面张力和周围晶粒影响增大，从而使表面力（表面张力和周围晶粒影响所产生的力所产生的力)增大，结果使变形抗力升高。增大，结果使变形抗力升高。2022-2-2225 在变形金属中夹杂物的存在也会影响到变形抗力。在变形金属中夹杂物的存在也会影响到变形抗力。在一般情况下，夹杂物会使物体的变形抗力升高。在一般情况下，夹杂物会使物体的变形抗力升高。合金的变形

17、抗力通常高于纯金属的变形抗力的原合金的变形抗力通常高于纯金属的变形抗力的原因就在于此。因就在于此。 杂质含量对变形抗力有影响，含量增大，抗力显杂质含量对变形抗力有影响，含量增大，抗力显著增大。著增大。2022-2-2226 杂质的性质与分布对变形抗力构成影响。杂质原杂质的性质与分布对变形抗力构成影响。杂质原子与基体组元组成固溶体时，会引起基体组元点子与基体组元组成固溶体时，会引起基体组元点阵畸变，从而提高变形抗力。杂质元素在周期表阵畸变，从而提高变形抗力。杂质元素在周期表中离基体愈远，则杂质的硬化作用愈强烈，因而中离基体愈远，则杂质的硬化作用愈强烈，因而变形抗力提高愈显著。变形抗力提高愈显著。

18、 若杂质以单独夹杂物的形式弥散分布在晶粒内或若杂质以单独夹杂物的形式弥散分布在晶粒内或晶粒之间，则对变形抗力的影响较小。若杂质元晶粒之间，则对变形抗力的影响较小。若杂质元素形成脆性的网状夹杂物，则使变形抗力下降。素形成脆性的网状夹杂物，则使变形抗力下降。2022-2-2227结构变化结构变化 金属与合金的性质取决于结构，即取决于原子间金属与合金的性质取决于结构，即取决于原子间的结合方式和原子在空间排布情况。当原子的排的结合方式和原子在空间排布情况。当原子的排列方式发生变化时，即发生了相变，则抗力也会列方式发生变化时，即发生了相变，则抗力也会发生一定的变化。发生一定的变化。 组织状态不同，抗力值也有差异，如退火态与加组织状态不同，抗力值也有差异，如退火态与加工态，抗力明显不同。工态，抗力明显不同。2022-2-2228单相组织与多相组织单相组织与多相组织 当合金是单相组织时，变形抗力的提高是晶格畸当合金是单相组织时，变形抗力的提高是晶格畸变的结果。当合金为多相组织时，第二相的性质、变的结果。当合金为