材料成型金属学第5章金属在塑性加工过程中的塑性行为.ppt

1、5.金属在塑性加工过程中的塑性行为,.1金属的塑性和塑性指标,.1.1塑性的基本概念 塑性（Plasticity)： 金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。 塑性是金属固有的一种性质,反映材料产生塑性变形的能力。 影响金属塑性的因素： 内因：化学成分、组织结构等 外因：变形温度、变形速度、应力状态等,塑性与柔软性的区别： 柔软性：反映金属的软硬程度，指金属变形抗力的大小。 塑性：金属的形变能力，用断裂前的变形程度的大小来衡量。 二者并不总是一致的. 塑性与柔软性一致时： 例1：通常热变形温度范围内，总的趋势是随着温度的升高，金属的塑性升高，柔软性增加，即变形抗力下降。

2、例2：有些金属固有性质就是高塑性、低抗力（柔软性好），如室温下铅。 塑性与柔软性不一致时： 例1：室温下奥氏体不锈钢：塑性好但具有很大变形抗力，即柔软性并不好。 例2：过烧的金属，柔软性很好，但塑性很低，甚至完全失去塑性变形能力。 讨论金属在塑性加工中的软硬程度不用柔软性,而用变形抗力.,塑性与粘性的区别：,塑性:金属在产生永久变形时,伴随有组织的变化,但没有尺寸数量级超过光的波长尺寸的完整性的破坏. 粘性:物体虽也具有永久性变形,但无组织的变化和完整性的破坏.,5.1.2塑性指标及其测量方法,塑性指标(塑性极限): 金属在断裂前产生的最大变形程度。 塑性指标与变形金属的材质和变形条件有关。

3、测量方法： 1）简单加载条件下塑性指标的测定 2）模拟实际塑性加工过程塑性指标的测定 3）与应力状态无关的通用的塑性指标的确定（如：古布金的确定平均塑性法） 4）绘制塑性图,1）简单加载条件下塑性指标的测定,拉伸（tension)试验法 压缩(compression)试验法 扭转(torsion)试验法,拉伸（tension)试验法: 设备：材料拉伸试验机、Gleeble试验机； 塑性指标：延伸率（）和断面收缩率（） 延伸率(elongation): 式中，L试样上原始计算长度；l断裂前后计算长度的绝对伸长量，即变形后计算长度与变形前计算长度之差。 断面收缩率(fractional reduc

4、tion in cross section area) 式中，F试样的原始断面积；f试样断口处的断面积。,延伸率=均匀变形+局部集中变形，因此，延伸率大小与试样的原始计算长度有关，试样计算长度越长,集中变形比例越小，延伸越小.因此必须固定计算长度与试样计算部分的直径（或断面积）之比。 对圆柱体，规定:L=10d（10)或L=5d(5) d为试样计算部分的原始直径。 断面收缩率的大小与试样原始计算长度无关.因此，得出的数值较稳定。,压缩(compression)试验法: 塑性指标： 压下率 式中，H试样的原始高度；h试样变形后开始出现第一条裂纹时的高度。 影响因素：摩擦、散热、几何尺寸,扭转(t

5、orsion)试验法: 设备：扭转试验机 圆柱体试样一端固定，另一端扭转。塑性指标：破断前的扭转数（n）或扭转角,特点：整个长度上均匀变形,2）模拟塑性加工过程塑性指标的测定,条件:基本应力状态图示与所模拟的塑性加工过程或所模拟的工序相同. 工艺塑性指标:模拟塑性加工过程法测定的塑性指标.其名称与被确定塑性的该压力加工过程的名称相对应,如:轧制性、锻造性、模锻性. 不能仅用模拟塑性加工过程的基本应力状态图示所得到的某塑性指标来代表此塑性加工过程中所有生产方式的塑性指标。因此，所有塑性加工过程都应同时存在几个塑性指标的测定方法。 例： 确定材料锻造性的方法：镦粗光滑圆柱体试样或沿轮廓线带切口的圆

6、柱体试样，在二斜砧中锻造钢锭法。 确定纵轧时材料的轧制性的方法：平轧辊上轧制楔形试样法和偏心轧辊上轧制矩形断面试样法。 确定板料冲压性的方法：杯突试验法，锥形杯深延法及圆形板坯冲压成柱形杯法。,平辊轧制楔形试样 偏心轧辊轧制矩形断面试样 与应力状态无关的通用的塑性指标的确定（如：古布金的确定平均塑性法） 塑性图法：建立塑性指标与应力状态的定量关系,模拟纵轧过程测定塑性指标的方法,式中，h最先出现裂纹处压下量；H最先出现裂纹处轧前的原始高度。 此法不需要制备特殊轧辊，但确定极限变形量较困难，因为轧后轧件高度是均一得，除在原始试样侧表面上刻痕，大致测出最先出现裂纹处对应的轧件原始高度外，难以找出该

7、处所对应的原始高度。,平辊轧制楔形试样 楔形试样经具有一定辊缝值的二平辊轧制后，由于轧件原始高度不同，沿轧件长度方向上产生不同的压下率。最先发生裂纹处的压下率即为试验材料的塑性指标。,偏心轧辊轧制矩形断面试样,式中，h最先出现裂纹处压下量；H最先出现裂纹处轧前的原始高度。 因轧前试样原始高度已知，较前一方法容易确定。,因轧辊偏心，所以在轧制过程中二轧辊间的辊缝值变化（逐渐减小或逐渐增大）。轧前沿试样长度方向上高度均一的试样，轧后便成为楔形，即沿长度方向压下率不同。根据轧后试样上裂纹分布找出最先出现的裂纹，测出该处裂纹高度。,与应力状态无关的通用的塑性指标的确定（如：古布金的确定平均塑性法）,基

8、本思想：在一定的正负静水压力下的简单试验中测出各单一塑性指标，并保证其成对性。然后以这些单一塑性的算术平均值作为材料的近似平均塑性。,塑性图法：建立塑性指标与应力状态的定量关系,塑性图：塑性指标与变形温度的关系曲线图。 作用：确定合理的热加工温度范围和应采取的变形程度。 塑性图中常用塑性指标：、k、n、等。 正确确定变形温度和变形程度，需要相图、再结晶图、塑性图配合，即三图定温。,最佳变形温度：9501050 ； 最大变形程度：40%或更高。,5.2金属的化学成分及组织对塑性的影响,纯金属具有较高塑性。 纯金属加入其它合金元素后成单相固溶体时也有较好塑性. 若所含的元素形成化合物时，塑性降低。

9、 塑性：面心立方体心立方六方晶格,5.2.1 化学成分的影响,合金仅含有形成固溶体的元素，而不含有其他元素时： 合金的某元素与基体金属形成固溶体时，此二元合金的塑性主要由基体元素的塑性决定。 例：Fe-Ni合金可形成连续固溶体，Fe、Ni任意比例下塑性都很高。因为Fe和Ni都具有高塑性。 此情况也适用于三元合金。 例：Fe-Ni-Cr中，Cr含量不超过8%时，塑性与纯铁塑性相差不大。 当对纯的固溶体进行塑性加工时，合金的塑性与基体元素的塑性相近。 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的过剩相存在于晶内或晶界，这些过剩相对其塑性有非常大的影响。例：碳化物形成元素、形成金属间

10、化合物元素、S、Al、Si、Pb、Sn等.,5.2.2合金元素的影响,Fe化学纯铁塑性高，工业纯铁不完全高塑性。 C碳含量越高，钢的塑性越差，热加工温度范围窄。 Mn锰钢具有高加热速度敏感性。Mn可消除或减轻S和O的有害作用，使塑性提高。 S仅微量溶于固溶体，以FeS、MnS等硫化物形式存在于钢中。 含硫量较多，并存在有低熔点的硫的共晶体和化合物时，钢的塑性与变形温度有关。加热温度高于硫的共晶体和化合物的熔点时，由于软化或熔化使晶间联系削弱，变形时易出现红脆。 网状包围晶粒形式的硫化物降低塑性。球状硫化物使塑性提高。,P易出现冷脆，严重影响冷变形。对热变形影响不大。 O也会产生红脆。FeO 、

11、 Al2O3 、 SiO2,熔点低分布在晶界的共晶体，由于软化或熔化使晶间联系减弱，出现红脆。,Si：以固溶体形式存在：对塑性影响不大，含量过高，塑性下降。以硅化物形式存在：变形温度下不溶解，使塑性下降。 Ni、W、Mo：强度，塑性 Cr：塑性 ； V：强度，塑性不变。含量高时，塑性； Al：晶界形成AlN，塑性 Cu：塑性，还原气氛中加热，塑性； B： 0.02% ，塑性好， 达到0.1%，塑性。多余B在晶界形成熔点低共晶体，降低塑性。,铅、锡、砷、锑、铋：低熔点元素，在钢种溶解度低，其中未溶解而剩余的元素，分布在晶界，加热时熔化，使金属失去塑性。高温合金中影响特别严重，称为“五害”。,H：

12、含量少无影响；含量多冷速快时，白点； N：含量少无影响；含量多时红脆。 稀土：塑性。 原因：减低气体含量； 与有害杂质形成高熔点化合物抵消有害作用； 含硫量降低。 加入量应适当。恰好抵消杂质的有害作用时，才能使塑性改善。过多时低熔点多余稀土元素聚集在晶界处起破坏作用。,5.2.3金属组织的影响,一、金属宏观组织的影响 对铸态金属：如钢锭：宏观组织由三部分组成：表面层的细晶粒层、垂直于钢锭冷却表面的柱状晶、钢锭中心部分的粗大等轴晶。但对于不同化学成分的铸态组织，各部分组成有可能不同。例：奥氏体不锈钢：明显横晶宏观组织；铁素体钢：等轴晶粒；高速钢：细小的等轴晶、 通常，铸态组织塑性变形组织，原因：

13、铸态组织含有粗大结晶组织和组织结构的不均。 对变形后的金属：细晶组织具有更高的塑性。,二、金属微观组织的影响,在热加工条件下具有单一的奥氏体组织，而不存在其它过剩相时，将具有较高的塑性。 有过剩相存在时，或多或少会使钢与合金的塑性下降: 1)加热时熔解于固溶体中，降低塑性; 2)加热过程中仍然保存下来，降低塑性。,碳钢的延伸率和断面收缩率与温度的关系,800 钢的塑性低，因为此时具有铁素体和奥氏体双相组织； 网状碳化物对塑性有害，可通过热加工变形消除。 塑性：锻造过的高速钢铸态 原因：网状碳化物破碎且均匀分布。,5.3变形的温度-速度条件对塑性的影响,上述现象只是在一定条件下才是正确的，实际变

14、形中，随温度变化而产生的相态和晶粒边界的变化对塑性有影响。 通常，塑性与温度的关系曲线中会出现三个脆性区：低温脆性区、中温脆性区、高温脆性区。 脆性区产生的原因是多方面的。,随变形温度，塑性。 原因：温度，原子热运动的能量，滑移系，扩散性质明显的塑性变形机构（非晶机构、溶解机构等）作用。同时，温度，软化作用，变形过程中产生的破坏和缺陷的恢复。,温度对塑性影响的典型示意图,变形温度对碳钢的塑性的影响,四个低塑性区 区：塑性极低。-200时，接近0。 原子热运动能力极低，也可能与晶粒边界的某些组织组成物的脆化有关。 区：蓝脆区，200400 ；位错拉着Cottrell气团运动。当温度上升时，扩散速

15、度增大，因此这种拉拽阻力也变大。 区：800950 ，与相变有关，产生不均匀变形，塑性降低。也有人认为与S有关，并称之为红脆（热脆）区。 区：温度接近熔化温度，易过热或过烧，使晶间强度减弱，塑性。,有时不只三个脆性区。例：钢的四个低塑性区和三个高塑性区。,三个高塑性区：1区：100200原因：原子热振动。2区：700800原因：发生再结晶、扩散。3区：9501250原因：具有均匀组织，充分软化。,变形温度对碳钢的塑性的影响,完全硬化条件下变形速度对塑性的影响：随变形速度的升高，塑性降低。,变形速度对塑性的影响,在非常低的变形速度下，塑性降低。第一次上升：随变形速度，晶粒边界上的粘性流动消失，变

16、形抗力，滑移开始作用，塑性。继续提高变形速度，塑性又开始下降：因为随变形速度，变形抗力升高，达到相应于更小变形程度下的断裂抗力之值。第二次上升：热效应起作用，温度 ，变形抗力下降。第二次下降：热效应极大，把金属加热到出现液相或大大降低其晶间物质的强度。,粘性流动时变形速度对塑性的影响,不同变形温度区间，温度-速度因素对塑性的影响：,一、低温塑性变形（冷变形） 范围：室温开始再结晶温度（纯金属：0.30.4Tm；合金：0.5Tm）， 变形速度为10-410-3s-1时，塑性变形机构为滑移。 bcc、hcp：存在脆性转变温度，降低温度提高变形速度，滑移系减少，滑移作用，孪生作用，塑性。 fcc:

17、即使在更低温度变形，金属也不会变脆。 脆性转变温度区：宜低变形速度； 冷脆点在室温：宜低速；若变形金属的冷脆点在室温附近，低速变形可使冷脆点向更低温度移动； 冷脆点高于室温：宜增加变形速度；增加道次压下率能使塑性升高，（热效应使轧件温度升高，超越了冷脆点）,二、中温塑性变形（温变形）： 上限：开始再结晶温度。基本塑性变形机构：晶内滑移。 bcc：塑性明显提高，但变形速度，塑性； fcc 、hcp：由于相变，规律不同。 呈现形变时效现象，使变形抗力，塑性。 例：1）钢的兰脆：400 ； 2）难熔金属中特别是含过多O、N、C时，也出现形变时效。金属的硬化和塑性降低与析出化合物的高弥散质点有关， 变

18、形速度，弥散硬化来不及形成，塑性不会。 变形温度，对fcc（如Cu、Ni、Al)，滑移系数变化较小，对塑性无影响。变形速度时，塑性不明显。,三、高温塑性变形（热变形）,变形温度，塑性。 红脆：0.50.8Tm，晶间断裂，塑性。这种高于再结晶温度时所出现的塑性下降现象称为红脆。一般含较多O、N、H、C夹杂。 成因：各种化合物在晶界上的偏析。 夹杂偏析：扩散产生红脆； 易熔化合物（氧化物、硫化物）偏析：晶界熔化、晶界强度； 脆性化合物：（难熔金属和合金），阻碍晶界滑移，晶界连续变形遭破坏，导致晶间断裂。,变形速度，抑制红脆； 因为：抑制了控制晶间破坏的热活化扩散过程和减少晶间变形对总变形的贡献。在

19、低变形速度和在红脆温度区间的具有最低塑性的温度条件下，杂质原子在应力的作用下的迁移加速。杂质沿晶界偏析，促使晶间断裂。,温度为0.60.85TM（对钢为8001200 ），塑性有最大值。超过此最大值后，由于过热（晶粒长大）使塑性下降。再继续升高温度，又由于过烧（晶界熔化和氧化）使塑性进一步下降。此温度区间，当变形速度为10-310-4秒-1时，塑性与变形速度关系曲线也有最大值。当继续增大变形速度，由于抑制扩散，塑性下降。,5.4变形的力学条件对塑性的影响,5.4.1应力状态的影响 金属由单向拉应力状态过渡到三向拉应力状态时,其塑性有显著下降. 例：光滑试样细颈前为单向拉，细颈后细颈处为弱三向拉

20、，延性断裂，面缩率82.5%；而带圆周切口的试样拉伸时，切口处为显著三向拉，脆性断裂，面缩率28.9%。 当变形过渡到镦粗时，塑性提高。 例：锌室温冲击拉伸时，脆性断裂，面缩率3.37%,开口镦粗至73.6%时延性断裂，闭口镦粗时至90%才延性断裂。,卡尔曼大理石和红砂石试验,白色大理石和红砂石制成圆柱形试样，在专门仪器中镦粗。 大理石和红砂石本为脆性物，压缩试验中再加上侧面压力后，塑性大为提高。,当只有一个轴向压力时，由于显著的不均匀变形状态，压缩率很小；但当加上侧面压力后，压缩率增加。,从大理石的变形组织变化中看出：当只有一个轴向压力时，晶间变形很明显，由于无软化作用，物体迅速破坏。当有侧

21、压时，产生晶内变形，出现机械孪生。 结论：金属在塑性变形中承受的应力状态对其塑性的发挥有显著的影响，静水压力值越大,金属的塑性发挥得越好.,按应力状态图的不同,将其对塑性的影响程度排序: 三向压二压一拉二拉一压三向拉 实际塑性加工中，即使应力状态图相同，塑性也可能不同。例：挤压、圆柱体在两平板间压缩、板材轧制等，应力状态图都为三向压，但塑性完全不同：静水压力越大，金属塑性越大。,静水压力提高塑性的原因:,1) 遏止晶粒边界的相对移动,使晶间变形困难.在没有修复机构（再结晶机构和溶解沉积机构）时，晶间变形会使晶间显微破坏得到积累，进而迅速引起多晶体的破坏； 2) 促进由于塑性变形和其它原因而破坏

22、了的晶内联系的恢复.金属更加致密，各种显微破坏得到修复，甚至宏观破坏（组织缺陷）也得到修复； 3) 完全或局部地消除变形物体内数量很小的某些夹杂物甚至液相对塑性的不良影响. 4) 完全抵偿或大大降低由于不均匀变形所引起的拉伸附加应力,减轻了拉应力的不良影响.,5.4.2变形状态的影响,由于压缩变形有利于塑性的发挥，而延伸变形有损于塑性，因此主变形图中压缩分量越多,对充分发挥金属的塑性越有利. 按主变形图排序塑性:两向压缩一向延伸一向压缩一向延伸两向延伸一向压缩 原因:实际变形物体中不可避免存在各种缺陷，如气孔、夹杂、缩孔、空洞等.二拉一压时,向两个方向扩大暴露弱点,但二压一拉下,可成为线缺陷,

23、使危害减小.,由于主变形图会影响变形体内杂质分布，因此实际加工中往往会因加工方法的不同（主变形图不同）而使金属产生各向异性。 例：1)拉拔和挤压时，主变形图：两向压缩一向延伸，因此随变形程度的增加，内部塑性夹杂（如MnS)会拉成条状或线状，脆性夹杂（如Al2O3)会被破碎成串链状，从而引起横向塑性指标和冲击韧性的下降。 2）镦粗和带宽展的轧制时，主变形图为两向延伸一向压缩，易造成杂质沿厚度方向成层状排列，使厚度方向性能恶化。轧制厚度25mm的沸腾钢钢板时，会使厚度方向性能下降，因此一般多采用偏析较少的镇静钢。,变形物体内变形状态均匀分布时,则因避免不均匀变形的出现,使金属的塑性提高. 由三向压

24、缩主应力图和两向压缩一向延伸的主变形图相组合的变形力学图最利于发挥金属塑性。实际生产中挤压就具备这种变形力学图。 虽然三向压最有利于发挥塑性,但会使单位变形力增加,因此,选择加工方法时应视具体条件而定.,5.5其它因素对塑性的影响,分散变形： 是塑性的有效方法，特别适宜于低塑性钢与合金； 原因：每次变形量小，远低于塑性指标，因此，产生应力小，不足以引起断裂。变形间隙中的软化， 塑性。 对于易产生过热和过烧的钢和合金，高温时采用分散小变形有利于提高塑性：采用一次大变形，不仅所产生的应力较大，且主要是变形中由于热效应使变形金属的局部温度升高到过热或过烧温度；而多次小变形产生应力小，在变形中呈现的热

25、效应也小，同样温度下实际温度不易达到过热或过烧温度。,尺寸因素,随物体体积，塑性，达到一定值后不变。 1）组织因素：体积，缺陷分布不均匀性，应力分布不均匀性，引起塑性降低； 2）表面因素： 体积越小，表面积（或接触表面积）与体积的比值越大，塑性越好； 也取决于表面层和内层的力学状态和物理-化学状态。,周围介质,1）金属表面形成脆性相，塑性 ； 2）金属表层腐蚀，塑性 ； 3）金属表面形成吸附润滑层，塑性,5.6金属的超塑性（super plasticity)5.6.1基本概念,超塑性：材料的延伸率超过100%。 超塑性材料：凡具有能超过100%延伸率的材料。 超塑性材料的延伸率最大可超过1000%，有的可达2000%。 根据超塑性效应的表现，可分为两大类： 1）组织超塑性: 条件：超细晶粒；T0.4Tm,变形速度：慢； 成因：扩散蠕变、晶界滑动、位错滑移、晶界迁移等。 2）相变超塑性（变态超塑性）： 条件：不一定超细晶粒；应力作用下多次循环相变。,5.6.2力学特性,一、流动应力 式中： 真实应力； 真实应变速率； m应变速率敏感性系数； K决定于试验条件的常