塑性概念及指标

塑性概念及指标塑性与柔软性得区别就是什么？塑性反映材料产生永久变形得能力。柔软性反映材料抵抗变形得能力。不锈钢--塑性好,变形抗力高铅--塑性好,变形抗力低结论:塑性与柔软性不就是同一概念白口铸铁--塑性差,变形抗力高研究塑性得意义金属与合金在压力加工过程中可能出现断裂。而一但出现断裂,加工过程就很难进行下去。为了顺利地加工,就要求金属或合金具有在外力作用下,能发生永久变形而不破坏其完整性得能力。这就就是所谓塑性。塑性好坏用金属在断裂前产生得最大变形程度来表示。她同断裂强度、冲击韧性一样,也就是金属抵抗断裂性能得一种量度。因为塑性反映出了金属断裂前得最大变形量,所以她表示出了压力加工时金属允许加工量得限度,就是金属重要得加工性能。同时,在使用条件下,如果金属具有良好得塑性,在发生断裂前能产生适当得塑性变形,就能避免突然得脆性断裂,所以她同样就是重要得使用性能。塑性与其她得断裂性能指标一样,也与金属材料得化学成份、组织结构、变形温度、应变速率、应力状态等因素有非常密切得关系。塑性随着这些因素得变化而变化。研究塑性就是为了改善塑性与选择合适得变形方法,为了确定最合适得变形温度、应变速率、应力状态及许用得最大变形量。研究塑性就要:探索塑性变化规律寻求改善塑性途径选择合理加工方法确定最佳工艺制度提高产品质量二、塑性指标塑性得大小可以由金属在不同变形条件下允许得极限变形量来表示。此极限变形量称为塑性指标。由于影响因素复杂,很难找出一种通用得指标来描述塑性。目前只能采用力学及工艺性能得方法来确定各种具体条件下得塑性指标。常用得塑性指标有:

延伸率断面收缩率扭转数或扭转角极限压缩率冲击韧性塑性指标得测量方法拉伸试验法压缩试验法扭转试验法轧制模拟试验法1、延伸率式中L——试样上原始计算长度;

ΔL——断裂前后计算长度得绝对伸长量,即变形后计算长度与变形前计算长度之差。

延伸率包括了试样得均匀变形与集中得局部变形两部分得变形总与。所以,延伸率得大小与试样得原始计算长度有关,试样越长,集中变形数值得比值越小,延伸率就越小。对圆柱体试样,规定L＝10d或L＝5d

2、断面收缩率式中F0——试样得原始断面积;

F1——试样断口处得断面积。

断面收缩率得大小与试样得原始计算长度无关。因此,用断面收缩率作为衡量材料塑性大小指标,得出得数值比较稳定,有其优越性。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静3、扭转数或扭转角扭转数(n),表示金属在扭转变形条件下,破坏前得最大扭转数。对于一定尺寸得试件来说,扭转数(n)越大,其塑性越好。扭转数可在冷、热扭转实验机上测定、可在不同得温度与速度条件下进行实验。试验时圆柱体试样得一端固定,另一端扭转。试验中试样受到外加扭力得作用,随着试样扭转数得不断增加,最后将发生断裂。材料得塑性指标用破断前得扭转数(n)或扭转角来表示。扭转数(n)最能反映载荷就是以剪切应力为主得塑性变形能力。4、极限压缩率(镦粗率)式中H——试样原始高度;

h——经压缩后试样出现第一条裂纹时得高度。三、塑性图在实际中为了确定合理得热加工温度范围与应采取得变形程度,通常把所测得得塑性指标用温度函数形式表示,也就就是绘制出塑性指标与变形温度得关系曲线图,并称之为塑性图。塑性图得应用:合理选择加工方法制定冷热变形工艺GH130高温合金塑性图变形镁合金MB5得塑性图ak

－冲击韧性;eM

－慢力作用下得最大压缩率,eC

－冲击力作用下得最大压缩率;φ

－断面收缩率,a－弯曲角度试验温度,℃从塑性图上获取得信息慢速加工,温度为350~400℃时,φ值与εM都有最大值,不论轧制或挤压,都可在此温度范围内以较慢得速度加工。锻锤下加工,在350℃左右有突变,变形温度应选择在400~450℃。工件形状比较复杂,变形时易发生应力集中,应根据αK曲线来判定。从图中可知,在相变点270℃附近突然降低,因此,锻造或冲压时得工作温度应在250℃以下进行为佳。§2-7影响塑性得主要因素金属得化学成分及组织变形温度变形速度变形得力学条件其她因素一、金属得化学成分及组织化学成分得影响合金元素得影响金属组织得影响(一)化学成分得影响一般认为,纯金属具有较高得塑性,当加入其她合金元素后成单相固溶体时也有较好得塑性。若所含得元素形成化合物时使塑性降低。面心立方晶体,如Al,Ni,Pb,Au,Ag等具有较高得塑性。体心立方晶体,如Fe,Cr,W,Mo,P－黄铜等得塑性居次。塑性较低得就是六方晶格金属,如Zr,Hf,Ti等。在合金成分中不溶于固溶体或部分溶于固溶体中元素将形成某种成分得过剩相存在于晶内或晶界。属于这类得元素有碳化物形成元素,形成金属间化合物元素,以及硫、铝、硅、铅、锡等等。在固溶体中过剩相,对其塑性有非常大得影响。磷—→冷脆性;硫—→热脆性;碳、氮—→时效脆性;氢—→氢脆现象,白点合金元素得影响铁化学纯铁具有非常大得塑性,但工业纯铁,例如阿姆克铁,其塑性却不完全如此。铸态得阿姆克铁在1000℃左右,塑性急剧下降。碳在碳钢中碳得含量越高,钢得塑性越差,热加工温度范围越窄。实验证明,含碳量小于1、4％得铸钢,可以很好地经受锻造与轧制。当含碳量高于1、4％时,由于析出自由渗碳体与莱氏体,使塑性下降。从铁碳平衡图中可以看出,具有1、4—1、7％得碳钢在很窄得温度范围内形成固溶体。而当含碳量高于1、7％时,其塑性将由钢中得渗碳体与莱氏体得影响程度而定。对于含碳量很高得铸铁,只有在特殊条件下才能进行塑性加工。锰奥氏体锰钢,由于低得导热性与大得膨胀系数,使之具有高得加热速度敏感性。对于大断面得高锰钢来讲,若加热速度过快,可能使之产生内裂。锰钢得过热敏感性强,对其加热制度应进行严格控制。当在钢中含有较多得硫与氧时,锰还会起到消除或减轻硫与氧得有害作用,使钢得塑性提高。硫硫在固溶体内得溶解度甚微。硫在钢中以FeS、MnS等硫化物夹杂得形式存在。如钢中含有合金元素时,还会形成镍、钼与其她合金元素得硫化物。一般硫化物具有较高得熔点温度,但某些硫化物得共晶体与化合物得熔点温度较低。显然,如果在钢中得含硫量越多,并存在有低熔点得硫得共晶体与化合物时,则钢得塑性将与变形温度有关。若加热温度高于硫得共晶体与化合物得熔点时,则这种钢在变形时会发生断裂,即产生红脆现象。硅纯硅不能进行塑性变形。当在钢与合金中得硅以固溶体形式存在时,她对该金属得塑性影响不大。例如,在变压器钢中,当含硅量达3％时仍然有高得可轧性能。含硅量过高时钢得塑性下降。当钢中得硅以硅化物(如SiO2)存在时,因在变形温度条件下不溶解,使钢得塑性下降。镍纯镍具有高塑性,镍可提高纯铁体得强度与塑性,能减缓钢在加热时晶粒得长大。当在碳钢与低合金钢中,含镍量在5%以下时,可改善钢在热变形时得塑性。镍可与硫形成硫化物以薄膜形式存在于晶粒得边界上。因此在含镍得钢中提高硫得含量会引起钢得红脆现象。铬工业用得纯铬为脆性材料,在铬中含有氧化物与氮化物得有害夹杂,这些夹杂分布在晶界上降低晶粒间得结合强度。铬为铁素体形成元素,在一系列得奥氏体合金中,含有一定量得铬时会产生铁素体得过剩相使钢得塑性下降。铁素体得高铬合金于再结晶时具有很大得晶粒长大倾向性。因此,为得到所需得组织必须严格控制加工温度范围。在钢中加入铬时可使其导热性下降,因此为避免在加热时出现裂纹应在较低得温度下进行缓慢而均匀得加热。特别对导热能力低、膨胀系数大得高铬钢(如Cr25、Cr28)加热时更应注意。钨、钼、钒这些元素都就是碳化物形成元素,她们所形成得碳化物极为稳定,为使其溶于基体中需要更高得加热温度与足够得加热时间,这些碳化物能阻止奥氏体在加热时得晶粒长大,减小钢得过热敏感性。使钢得强度升高,但塑性下降。铝、铜、硼磷铅、锡、砷、锑、铋氢、氮稀土元素(二)金属组织得影响金属宏观组织得影响关于宏观组织对金属塑性得影响,对铸态组织来讲由于含有粗大结晶组织与组织排列得不均,通常具有比变形组织更低得塑性。对经变形后得金属来讲,通常细晶组织具有更高得塑性。金属微观组织得影响若钢与合金在热加工条件下具有单一得奥氏体(对铁素体钢为单一得铁素体)组织,而不存在其她过剩相时,则具有较高得塑性,如有过剩相存在,或多或少地会使钢与合金得塑性下降。这种过剩相在轧前得加热过程中将会发生变化,有些过剩相在加热时溶解于固溶体中,对塑性不产生影响,而有些过剩相在加热过程中仍然保存下来,影响金属得塑性。二、变形温度1、通常随着变形温度得升高,金属得塑性增加。变形过程中所产生得破坏与缺陷得到恢复变形温度升高原子热运动得能量增加出现新得滑移系统非晶机构、溶解机构得参与有利于软化过程得发展变形温度对碳钢得塑性得影响2、但就是,这种塑性增加不就是直线上升。Ⅰ区:位于200-400℃得范围内,此区域为蓝脆区。由于时效得原因,柯氏气团钉扎住位错,位错运动受阻,使得塑性降低。Ⅱ区:800-950℃。此区域得出现与相变有关。在相变时由于铁素体与奥氏体得共存,使金属产生不均匀得变形,塑性降低。也有人认为,此区域得出现与硫得影响有关,并称此区域为红脆(热脆)区。Ⅲ区:因此区域得温度过高,使金属得温度接近熔化温度,可能产生过热或过烧得现象,使晶间强度减弱,塑性大为降低。此区域为高温脆区。一般随着变形速度得提高,塑性就是下降得(a)(b)三、变形速度图(a)就是反映金属在某温度条件下,即使以非常小得变形速度进行变形时,金属也会发生完全加工硬化。因此,这种曲线就是此变形温度所特有得一种曲线,从中看出,塑性随变形速度得升高而降低。图(b)中得曲线也就是某温度所特有得。在此温度下,金属以非常小得变形速度进行变形时,在其晶粒边界上可能有粘性流动出现,并通常会引起脆性得晶间破坏。这就说明,在非常低得变形速度下,金属得塑性就是降低得。随着变形速度得升高,晶粒边界上得粘性流动消失,这时变形抗力升高与另一种变形机理(滑移)开始作用,结果使塑性升高。当再继续提高变形速度时,塑性又开始下降。这就是因为,随着变形速度得增加,变形抗力升高,结果使变形抗力达到了相应于更小得变形程度下得断裂抗力之值。在某些情况下,还要增加变形速度时,塑性又开始提高。这就是因为在很大得变形速度下,热效应开始作用,使变形物体得温度升高与变形抗力下降。当变形速度非常高时,热效应可能达到这样大得作用,以致把金属加热到出现液相或大大降低其晶间物质得强度。因此,在非常高得变形速度下,随着变形速度得增加,金属得塑性急剧下降。铝合金冷挤压时因热效应所增加得温度合金号挤压系数挤压速度（毫米/秒）金属温度℃L411150158~195LD211~16150294~315LY1111~16150340~350LY113165308变形温度－变形速度得联合作用低温塑性变形(冷变形)金属于室温,甚至直至开始再结晶温度(对纯金属为0、3—0、4TM,对合金为＞0、5TM,TM为熔点得绝对温度)条件下变形,当变形速度为10-3－10-4秒-1时,其塑性变形机构为滑移。对许多体心立方金属来讲,在此温度区域内存在有脆性转变温度。降低变形温度与提高变形速度时,滑移系统得数目减少,使滑移得作用减小,孪生变形得作用增大,结果导致金属得塑性大为下降。六方晶格金属也有类似得现象,但对面心立方金属来讲,甚至在更低得温度下变形金属也不会变脆。1、主应力图:定性地分析物体变形区得受力情况(应力状态)得图。四、变形得力学条件2、卡尔曼实验:密闭试验腔,可以施加三向压力。3、结论:塑性与应力状态(受力状况)有关。压应力数目越多,数值越大,塑性越好。按应力状态图得不同,可将其对金属塑性得影响顺序做这样得排列:三向压应力状态图最好,两向压一向拉次之,两向拉一向压更次,三向拉应力状态图为最次。在塑性加工得实际中,即使其应力状态图相同,但对金属塑性得发挥也可能不同。例如,金属得挤压,圆柱体在两平板间压缩与板材得轧制等,其基本得应力状态图皆为三向压应力状态图,但对塑性得影响程度却不完全一样。这就要根据其静水压力得大小来判断。静水压力越大,变形金属所呈现得塑性越大。4、静水压力提高金属塑性得原因:(1)体压缩能够遏止晶粒边界得相对移动,使晶间变形困难。因为在塑性加工实际中,有时就是不允许晶间变形存在得。在没有修复机构(再结晶机构与溶解沉积机构)时,晶间变形会使晶间显微破坏得到积累,进而迅速地引起多晶体得破坏。

(2)体压缩能促进由于塑性变形与其她原因而破坏了得晶内联系得恢复。这样,随着明显得体压缩得增加,使金属变得更为致密,其各种显微破坏得到修复,甚至其宏观破坏(组织缺陷)也得到修复。(3)体压缩能完全或局部地消除变形物体内数量很小得某些夹杂物甚至液相对塑性得不良影响。(4)体压缩能完全抵偿或者大大降低由于不均匀变形所引起得拉伸附加应力,从而减轻了拉应力得不良影响。5、举例(1)圆柱体径向加压变形——平砧上拔长合金钢(2)挤压(3)圆柱体镦粗五、提高金属塑性得主要途径提高塑性得主要途径有以下几个方面:(1)控制化学成分、改善组织结构,提高材料得成分与组织得均匀性;(2)采用合适得变形温度—速度制度;(3)选用三向压应力较强得变形过程,减小变形得不均匀性,尽量造成均匀得变形状态;(4)避免加热与加工时周围介质得不良影响。§2-8超塑性现象纳米铜得室温超塑性在不同温度下ZnAl22得拉伸变形(250℃时延伸率)Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大得延伸率()高温合金INCONEL718得超塑性成形航天器件双相不锈钢超塑性成形得航天器件超塑成形得波形膨胀节用TC4钛合金波纹管超塑性得概念超塑性得力学特征超塑性得组织特征超塑性得机理超塑性得应用超塑性得概念超塑性就是指材料在一定得内部(组织)条件(如晶粒形状及尺寸、相变等)与外部(环境)条件下(如温度、应变速率等),呈现出异常低得流变抗力、异常高得流变性能(例如大得延伸率)得现象。一般说来,如果材料得延伸率超过100％,就可称为超塑性。凡具有能超过100％延伸率得材料,则称之为超塑性材料。现代已知得超塑性材料之延伸率最大可超过1000％,有得甚至可达2000％超塑性得分类组织超塑性或恒温超塑性。根据材料得组织形态特点也称之为微细晶粒超塑性。特点就是材料具有微细得等轴晶粒组织。温度:Ts≥0、5Tm(Ts与Tm分别为超塑变形与材料熔点温度得绝对温度)变形速度:10-4~10-1/s。微细晶粒尺寸其范围在0、5～5μm之间。一般来说,晶粒越细越有利于塑性得发展,但对有些材料来说(例如Ti合金)晶粒尺寸达几十微米时仍有很好得超塑性能。由于超塑性变形就是在一定得温度区间进行得,因此即使初始组织具有微细晶粒尺寸,如果热稳定性差,在变形过程中晶粒迅速长大得话,仍不能获得良好得超塑性。相变超塑性或变态超塑性这类超塑性,并不要求材料有超细晶粒,而就是在一定得温度与负荷条件下,经过多次得循环相变或同素异形转变获得大延伸。如碳素钢与低合金钢,加以一定得负荷,同时于A1、3温度上下施以反复得一定范围得加热与冷却,每一次循环发生(a

g)得两次转变,可以得到两次均匀延伸。D、Oelschlägel等用AISI1018、1045、1095、52100等钢种试验表明,延伸率可达到500%以上。变形得特点:初期时每一次循环得变形量比较小,而在一定次数之后,例如几十次之后,每一次循环可以得到逐步加大得变形,到断裂时,可以累积为大延伸。有相变得金属材料,不但在扩散相变过程中具有很大得塑性,淬火过程中奥氏体向马氏体转变、回火过程中残余奥氏体向马氏体单向转变过程,也可以获得异常高得塑性。如果在马氏体开始转变点(Ms)以上得一定温度区间加工变形,可以促使奥氏体向马氏体逐渐转变,在转变过程中也可以获得异常高得延伸,塑性大小与转变量得多少,变形温度及变形速度有关。这种过程称为"转变诱发塑性"。即所谓"TRIP"现象。Fe-Ni合金,Fe-Mn-C等合金都具有这种特性。其她超塑性在消除应力退火过程中,在应力作用下可以得到超塑性。Al-5%Si及Al-4%Cu合金在溶解度曲线上下施以循环加热可以得到超塑性,根据Johnson试验,在具有异向性热膨胀得材料如U,Zr等,加热时可有超塑性,称为异向超塑性。有人把a-U在有负荷及照射下得变形也称为超塑性。球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也可以得到超塑性。超塑性得历史及发展

超塑性现象最早得报道就是在1920年,德国人罗申汉(N、Rosenhaim)等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时,可以弯曲近180度。1934年,英国得C、P、Pearson发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%得延伸率。1945年前苏联得A、A、Bochvar等发现Zn-Al共析合金具有异常高得延伸率并提出“超塑性”这一名词。1964年,美国得W、A、Backofen对Zn-Al合金进行了系统得研究,并提出了应变速率敏感性指数－m值这个新概念,为超塑性研究奠定了基础。上世纪六十年代后期及七十年代,世界上形成了超塑性研究得高潮。

特别引人注意得就是,近几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛得应用。一些超塑性得Zn合金、Al合金、Ti合金、Cu合金以及黑色金属等正以她们优异得变形性能与材质均匀等特点,在航空航天以及汽车得零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件与一些复杂形状构件得生产中起到了不可替代得作用。近年来超塑性在我国与世界上主要得发展方向主要有如下三个方面:先进材料超塑性得研究,这主要就是指金属基复合材料、金属间化合物、陶瓷等材料超塑性得开发,因为这些材料具有若干优异得性能,在高技术领域具有广泛得应用前景。然而这些材料一般加工性能较差,开发这些材料得超塑性对于其应用具有重要意义;高速超塑性得研究,提高超塑变形得速率,目得在于提高超塑成形得生产率;研究非理想超塑材料(例如供货态工业合金)得超塑性变形规律,探讨降低对超塑变形材料得苛刻要求,而提高成形件得质量,目得在于扩大超塑性技术得应用范围,使其发挥更大得效益。典型得超塑性材料

目前已知得超塑性金属及合金已有数百种,按基体区分,有Zn、Al、Ti、Mg、Ni、Pb、Sn、Zr、Fe基等合金。其中包括共析合金、共晶、多元合金、高级合金等类型得合金。部分典型得超塑性合金见下表合金成分(Wt%)m延伸率δ(%)变形温度(℃)共析合金

Zn-22Al0、5>1500200~300共晶合金

Zn-5Al0、48～0、5300200～360

Al-33Cu0、9500440～520Al-Si－120450Cu-Ag0、53500675Mg-33Al0、852100350～400Sn-38Pb0、59108020Bi-44Sn－195020～30Pb-Cd0、35800100m为应变速率敏感性指数Al基合金

Al-6Cu-0、5Zr0、51800～2000390～500Al-25、2Cu-5、2Si0、431310500Al-4、2Zn-1、55Mg0、9100530Al-10、72Zn-0、93Mg-0、42Zr0、91550550Al-8Zn-1Mg-0、5Zr－>1000－Al-33Cu-7Mg0、72>600420～480Al-Zn-Ca－

267500Cu基合金

Cu-9、5Al-4Fe0、64770800Cu-40Zn0、64515600Fe-C合金(钢铁)

Fe-0、8C

－210～250680Fe-(1、3,1、6,1、9)C

－470530～640GCr150、42540700Fe-1、5C-1、5Cr

－1200650Fe-1、37C-1、04Mn-0、12V

－817650AISI01(0、8C)0、51200650521600、61220650高级合金

901－400900～950Ti-6Al-4V0、85>1000800～1000高级合金

IN744Fe-6、5Ni-26Cr0、51000950Ni-26、2Fe-34、9Cr-0、58Ti0、5>1000795～855IN1000、510001093纯金属

Zn(商业用)0、240020～70Ni－

225820U7000、4210001035Zr合金0、5200900Al商业用)－6000(扭转)377～577超塑性得力学特征流动应力在超塑性材料中,流动应力特别敏感于应变速率。如图所示,用对数坐标表示得流动应力与应变速率得关系曲线呈“S”形。Mg-Al共晶合金得应变速率与(a)流动应力(b)敏感系数m得关系应变速度敏感性系数:

应变速率与流动应力曲线可划分为三个区域,即低应变速率区Ⅰ、高应变速率区Ⅱ与超塑性区Ⅲ,在Ⅰ区与Ⅲ区中m<0、3,在Ⅱ区中m>0、3。流动应力对温度十分敏感。提高变形温度将发生如图所示得变化随着温度得升高:流动应力得水平将普遍下降,但在高应变速率时得变化不如低应变时显著m得最大峰值升高,并移向高应变速率区在最大应变速率与最小应变速率这两端,m值对温度得敏感性较差,即在接近蠕变变形区及普通热加工区,m值对温度得敏感性较差Ⅰ/Ⅱ区与Ⅲ/Ⅱ区之间得过渡向高应变速率方向移动晶粒得大小对流动应力及m值也有明显得影响。一般来说,具有良好超塑性得起始晶粒度一般应＜10μm,最好就是＜5μm。晶粒越细小:除Ⅲ区外,在所有应变速率条件下,流动应力都下降,特别就是在低应变速率下更为明显;Ⅱ区与Ⅲ区得过渡推向高应变速率范围;m得最大峰值增加,并移向高应变速率区应变速率敏感性指数m得物理意义应变速率敏感性指数m就是材料超塑性得一个重要参数,她表征金属抵抗颈缩得能力,高得m值使抵抗颈缩得能力增加。其理论意义就是:产生颈缩得部位应变速率增加,由于高得流动应力应变速率敏感性,需要更高得应力。在试样其余部分没有继续塑性变形得情况下,外加应力不足以使颈缩发展。超塑性得组织特征试验研究结果表明,于超塑性变形时晶粒得等轴性保持不变,并在变形后通常可以看到晶粒有些长大。在正常微细晶粒超塑性显微组织中在500％得应变下晶粒尺寸可能增加50％或100％。有人在Sn－5％Bi合金上发现,延伸率达1000％时,晶粒仍保持等轴并发现晶粒长大了好几倍。对某些材料,如a／b黄铜、Al黄铜,AI-Zn-Mg-Cr合金等得超塑性拉伸中也发现有空洞出现。试验证明,空洞得数量与尺寸随应变速率得增大而增多。随着真实应变得增加,空洞数目也增多。一般认为空洞就是由晶界滑移引起得,所以在Ⅱ区内因晶界滑移对塑性变形得作用最大,其空洞速率也就最大。试验结果还