金属的塑性变形抗力

1、4. 金属的塑性变形抗力,4.1塑性变形抗力的基本概念及测定方法4.1.1塑性变形抗力的基本概念,变形力:塑性加工时,使金属发生塑性变形的外力. 变形抗力： 金属抵抗变形力之力. 材料在一定温度、速度和变形程度条件下，保持原有状态而抵抗塑性变形的能力。 在所设定的变形条件下，所研究的变形物体或其单元体能够实现塑性变形的应力强度。 变形抗力与变形力数值相等,方向相反. 不同金属材料变形抗力不同.,金属塑性加工过程都是复杂的应力状态，同一金属材料，变形抗力比单向应力状态大得多。 实际测试的变形抗力P= S +q S-材料在单向应力状态下的屈服应力 q 反映材料受力状态（工具与变形物体外表面接触摩擦

2、）所引起的附加抗力值。 变形抗力的数学表达式： 单向拉伸： _单向拉伸应力,同一金属材料,在一定变形温度、变形速度和变形程度下，以单向压缩（或拉伸）时的屈服应力（S）的大小度量其变形抗力。 当屈服点不明显时，常以相对残余变形为0.2%时的应力0.2作为屈服应力（变形抗力）。,4.1.2 变形抗力的测定方法,条件：简单应力状态下，应力状态在变形物体内均匀分布 拉伸试验法： 压缩试验法 扭转试验法,1.拉伸试验法： 试样：圆柱体，应力状态：单向拉伸，并均匀分布。所测出的拉应力即为变形抗力: 式中，F测定时试样的横断面积；P作用在F上的力。 拉伸过程中的变形分布：均匀。当将试样的l0长度均匀拉伸至l

3、时，其变形为： 优点：变形较均匀，其不均匀变形程度比压缩变形小得多。 缺点：均匀变形程度小，一般2030%,2.压缩试验法,应力状态：单向压缩；变形抗力为： 式中，P压缩时变形金属所承受的压力； F试样在承受P力作用时所具有的横断面积。 试样由高度h0压缩到h时，所产生的变形为： 优点：能产生更大变形 缺点：与拉伸相比，变形更不均匀，由于接触摩擦，实测值稍偏高。 消除或减小接触摩擦对变形的影响可采取的措施： 1）试样端部涂润滑剂，加柔软垫片等； 2）适当增大H/d值，但不能使H/d22.5，否则压缩过程中试样易弯曲而使压缩不稳定。,3.扭转试验法,在圆柱体试样的两端加以大小相等、方向相反的转矩

4、M，在此作用下试样产生扭转角。在试验中测定值。 应力状态：纯剪切。但此应力状态的分布不均匀： 式中，d0圆柱体试样工作部分的直径；r所测点至试样轴线的距离。 变形中随r的变化不呈线性关系，而是取决于函数（）的复杂规律变化。为降低不均匀性，可取空心管试样 式中， F0环的面积（试样断面积）；d平环平均直径。 数据换算到另外变形状态有困难，且在大变形时，纯剪切遭到破坏等原因，未广泛应用。,4.2.1化学成分对塑性变形抗力的影响 对于各种纯金属，原子间结合力大的，滑移阻力大，变形抗力也大。 同一种金属，纯度愈高，变形抗力愈小。 合金元素的存在及其在基体中存在的形式对变形抗力有显著影响。 原因：1）溶

5、入固溶体，基体金属点阵畸变增加； 2）形成化合物 3）形成第二相组织，使S增加。,4.2金属的化学成分及组织对塑性变形抗力的影响,间隙固溶强化,C、N等溶质原子嵌入-Fe晶格的八面体间隙中,使晶格产生不对称正方性畸变造成强化效应.铁基体屈服强度随间隙原子含量增加而变大.,铁的屈服应力和含C量的关系,碳：在较低温度下随钢中含碳量的增加,钢的变形抗力升高,温度升高时影响变弱.低温时影响远大于高温时.,不同变形温度和变形速度下，含C量对碳钢变形抗力的影响 静压缩，动压缩,氮：高强度低合金钢中氮含量的变化一般太小，以致于不会引起热变形抗力显著改变，但氮可以通过如氮化铝或氮化钛等氮化物的形成而引起奥氏体

6、晶粒细化，从而影响热变形抗力。 置换式固溶元素：在置换型合金中使用的元素通过固溶强化、沉淀硬化和晶粒细化来达到强化目的，其强化方式同钢在室温下的强化方式相类似。Mn、Si、Cr、Ni。 复合添加:变形抗力提高。,4.2.2组织对塑性变形抗力的影响,基体金属 原子间结合力大，S大。 2.单相组织和多相组织 单相：合金含量越高，S越大。原因：晶格畸变。 单相S纯金属。,屈服强度与晶粒直径的关系,1-Al; 2-钢；3-Ni; 4-碳钢（0.05C); 5-碳钢（0.2%C）； 6-Mo,4.3应力状态对塑性变形抗力的影响,变形抗力： 挤压轧制； 孔型中轧制平辊轧制； 模锻平锤头锻造； 压应力状态越

7、强，变形抗力越大。 挤压应力状态：三向压 拉拔应力状态：一拉二压 挤压拉拔,C.U.帕特涅尔拉伸试验：加以220MPa的径向应力可使变形抗力和塑性明显升高。,静水压力：金属的变形抗力在很大程度上取决于静水压力.静水压力从0增加到5000MPa时,变形抗力可增加一倍. 静水压力有明显影响的情况： 1）金属合金中的已有组织或在塑性变形过程中发生的组织转变有脆性倾向。 2）金属合金的流变行为与粘-塑性体行为相一致。（在一定温度-速度条件下，特别是在温度接近熔点且变形速度不大时）。,静水压力的作用：,使金属变得致密,消除可能产生的完整性的破坏,既提高金属塑性,又提高变形抗力.金属越倾向于脆性状态,静水

8、压力的影响越显著； 静水压力可使金属内的空位数减少,使塑性变形困难.变形速度大时,影响大;空位数多时,影响大。,4.4温度对塑性变形抗力的影响温度升高，变形抗力降低的原因：,1)软化效应,2)某种物理-化学转变的发生,3)其它塑性变形机构的参与,从绝对零度到熔点TM可分为三个温度区间： 完全硬化区间：00.3TM 部分软化区间：0.3TM0.7TM 完全软化区间：0.7TM1.0TM 回复温度：（0.250.3）TM 再结晶温度： 0.4TM 温度越高、变形速度越小，软化程度越大。,1)软化效应：发生了回复和再结晶,用中间停歇的反复载荷来拉伸Zn时的变形抗力变化,回复软化作用,2）某种物理-化

9、学转变的发生 在某些情况下，由于某种物理-化学转变的发生，即使温度大大超过0.3TM的相应温度，金属也会发生硬化现象，且此硬化现象可以稳定保留下来。,0.3TM时的基本变形机构： 非晶机构 溶解沉淀机构 晶粒边界上的粘性流动机构 孪生机构和晶粒间的脆化机构消除。,3)其它塑性变形机构的参与：,0.3TM时的基本变形机构： 滑移机构（剪切机构） 晶块间机构 孪生机构 晶粒间的脆化机构,温度升高，原子动能大，结合力弱，临界切应力低，滑移系增加，由于晶粒取向不一致对变形抗力影响减弱。 温度升高，发生热塑性。 晶界性质发生变化，有利于晶间变形，有利于晶间破坏的消除。 组织发生变化，如相变。,硬化随温度

10、升高而降低的总效应决定于：,1)回复和再结晶的软化作用2)随温度的升高，新塑性机构的参与作用3)剪切机构（基本塑性机构）特性的变化,变形抗力随温度的变化情况：,1) 一类金属:变形抗力,例：Cu 2) 另一类情况较复杂,如:钢 温度，屈服应力，屈服延伸，至400屈服延伸消失。 300 ：抗拉强度，塑性。,不同温度下钢的拉伸曲线,变形抗力的温度特性和应力-应变曲线的对应关系,基本类型：曲线A和B，随温度的上升，变形抗力减少；,基本类型是该图中曲线 A 和 B 那种关系，即随温度上升，变形抗力减小。 关于发生由曲线 A 偏离开来的蓝脆区的现象，可以用位错与溶质原子的相互作用来解释。这里，考虑碳和氮

11、等间隙型的溶质原子。由于外力作用产生位错及由于扩散，在位错周围聚集溶质原子，形成柯氏（Cottrell）气团。位错必须拉着它的气团运动。这种拉拽阻力的大小依赖于溶质原子的扩散速度和位错的速度。当温度上升时，扩散速度增大，因此这种阻力也变大（蓝脆性），在某个温度达到其峰值后变小。因此，发生由曲线 A 的暂时偏离（曲线 D ）。若应变速度增大，则峰值温度向高温侧移动。 在相变区，由于 和 的结晶构造不同，在相同温度下， 的变形抗力高所以依相变率用曲线C连接起来,镉与锌的真应力曲线,温度，硬化程度，达到一定温度，平行于坐标轴，不继续硬化。 高温：变形程度很小时，仍有强烈硬化。决定于屈服应力与细颈应力

12、间的差异。,总的来看，对于从0到1的相对温度区间的整个间隔内都没有物理-化学变化的合金，其硬度、强度极限、屈服极限、变形抗力等的对数值随温度的变化呈线性关系。对于有物理-化学变化的合金，在相应此物理-化学变化的温度，直线的斜度发生改变。,不发生物理化学变化合金的力学性能（M)与相对温度关系,发生物理化学变化合金的力学性能（M)与相对温度关系,塑性变形抗力随温度变化的定量关系式 （库尔纳科夫温度定律）,Pt1- 温度t1时塑性变形抗力的特征值（挤压压力、压入时的硬 度、拉伸时的强度极限、屈服极限、引起变形的应力强度）； Pt2 温度t2时上述各塑性变形抗力的特征值； a 温度系数,不同合金成分对

13、变形抗力的影响：温度高于0.5Tm时，除Pb和Ni外，其他各金属的曲线几乎重合。,含碳量为0.71.2%的各碳素工具钢：虽然含碳量不同，但在同一温度下变形抗力大致相同。,4.5变形速度对塑性变形抗力的影响,每种金属在设定温度下都有其特征变形速度, 特征变形速度:变形速度，变形抗力。同时使所有的软化过程、物理化学过程和需要时间来实现有强烈扩散性质的塑性变形机构受到阻碍。 原因:为完全实现塑性变形的时间不够。为实现软化过程的时间不够:变形产生硬化,回复和再结晶产生软化,但回复和再结晶需要一定时间来完成，时间不够将使硬化速率超过软化速率,使变形抗力升高.,速度效应：变形速度，变形抗力。 热效应：变形

14、速度，温度升高，变形抗力。,如图，温度越高，塑性机构的扩散特性越明显。非晶机制作用越大，速度效应也越大。实现非晶机制需要一定时间，此时间的长短取决于金属的材质和温度。,不同温度范围变形速度对变形抗力的影响不同（四个变形温度范围：完全硬化、不完全硬化、不完全软化、完全软化） 速度效应：完全软化温度区不完全软化温度区不完全硬化温度区完全硬化温度区; 热效应:完全硬化温度区不完全硬化温度区不完全软化温度区完全软化温度区,4.6变形程度的影响,变形程度，晶格畸变，阻碍滑移，变形抗力。 通常变形程度在30%以下时，变形抗力增加显著。当变形程度较大时，变形抗力增加变缓. 冷加工：温度低于再结晶温度，产生加

15、工硬化。 热加工：若变形速度高，回复和再结晶来不及进行，也会加工硬化。,加工硬化曲线,金属的塑性变形抗力与变形程度间的关系曲线 可用拉伸、压缩或扭转法制定，常用拉伸法。 拉伸法中按变形程度表示方法不同，将硬化曲线分为三种： ）曲线： 真应力， 延伸率 ） 曲线： 真应力， 断面收缩率 ） 曲线： 真应力， 真应变,常用的加工硬化曲线,对于热变形：,A，n，m，B取决于变形材料和变形条件的常数，由实验确定； 其他因素: 接触摩擦等: 接触摩擦,变形抗力.,实验研究设备,美国动态系统公司(DSI) ：Gleeble系列热力模拟实验机,日本富士电波工机株式会社：Thermecmastor、Press

16、热力加工模拟设备,法国SETARAM公司：高温扭转试验机,实验过程,以Gleeble 热模拟实验机试验为例。 Gleeble 热模拟实验机它具有两个突出的优点： 一是实验过程的控制、数据采集均由计算机来进行，使得实验过程的参数控制非常精确，数据处理方便迅捷； 二是装备了先进的液压楔技术，可以模拟多道次高速轧钢过程，并同时实现应变速率，应变量的精确控制。 压缩方法、拉伸方法和扭转。,研究金属热变形抗力的意义 设计金属加工机械设备及电气设备的能力 在进行热变形过程的自动控制中，用于变形载荷的计算和变形工艺参数的精确设定（主要用于过程控制） 变形抗力作为材料的一种特性，反映了热变形过程中显微组织变化

17、情况，因此，如果热轧中的变形抗力能够准确地测量出来，那么伴随热轧过程的显微组织变化，就能够通过变形抗力的变化而预报出来。从而能够在轧后不进行性能测试的情况下，预测轧材的力学性能（组织性能预报）。,影响热变形抗力的各种参数之间的内在联系,热变形抗力,化学成分,微观组织： 晶粒细化 相组成 应变积累,变形条件： 温度 应变 应变速率,变形抗力的金属学研究,金属材料（此处着眼于碳钢）的塑性变形是由于位错的运动产生的。所以，由外部给出的应变和应变速度引起位错开始运动，变形抗力就是由抵抗这种运动的阻力决定的。 变形使位错增多，因而其密度增大，这样一来，位错之间相互作用的应力场（静的）使位错的运动变小（加工硬化）。这种阻力称为