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1、第六章 金属的变形 抗力l6.1 基本概念及测定方法 l6.2 影响塑性变形抗力的主要因素 l6.3 加工硬化曲线 l6.4 变形抗力的计算 l基本知识点：变形抗力及其测定方法、影响变形抗力的主要因素、加工硬化曲线、变形抗力的计算。l重点：变形抗力及其测定方法、影响变形抗力的主要因素、加工硬化曲线。l难点：影响变形抗力的主要因素、加工硬化曲线。4.1 基本概念及测定方法 l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的力。l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（单向拉伸、单向压缩）下所测定的流动应力来度量。有的书称此应力为真实变形抗力。l
2、实际塑性加工时，如轧制、锻压、挤压、拉拔等，多数是在三向或两向应力状态下进行的。因此，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定的变形抗力为大。l其关系可用下式表示:测定方法 l测定金属塑性变形抗力的基本方法有拉伸法、压缩法和 扭转法。其中，最常用的前两种方法。l拉伸法在拉伸实验中通常使用的是圆柱体试样。并认为在拉伸过程中在试样出现细颈以前，在其标距内工作部分的 应力状态为均匀分布的单向拉应力状态。这时，所测出 的拉应力便为变形物体在此变形条件下的变形抗力。l根据金属在变形过程中的体积不变条件，可得：l假设，在试样标距的工作部分内金属的变形也是均匀分
3、布的。所以，此时变形物体的真实变形应为lP为试样在拉伸某瞬间所承受的拉力，F、l分别为在该拉伸瞬间试样工作部分的实际横断面积和长度，F0、l0分别为拉伸试样工作部分的原始横断面积和长度。l在实验中，根据P和l变化，按公式便可算出其相应的变形抗力和变形程度的变化。在此所得出的是平均变形抗力和平均变形程度。因为实验时在试样中的每个晶粒处所呈现的应力和变形都可能有所差别。l拉伸法所测出的变形抗力比较精确，且方法简单。但实验时的变形程度一般不应大于2030，否则实验时拉伸试样会出现细颈，造成在细颈处呈现三向拉应力状态和应力状态的分布不均。倘若必须计算此刻的变形抗力时，则必须对所测出的应力加以修正。 压
4、缩法6.2 影响塑性变形抗力的主要 因素 l1 化学成分和显微组织的影响 l碳：在较低的温度下随着钢中含碳量的增加，钢的塑性变形抗力升高。温度升高时其影响减弱。图61示出，在不同变形温度和变形速度条件下，压下率为30时含碳量对变形抗力的影响。可见，低温时的影响比高温时大得多。l锰：由于钢中含锰量的增多，可使钢成为中锰钢和高锰钢。其中中锰结构钢（15Mn50Mn）的变形抗力稍高于具有相同含碳量的碳钢，而高锰钢（Mn12）有更高的变形抗力。图61 在不同变形温度和变形速度条件下含碳量对碳钢变形抗力的影响（实线为静压缩，虚线为动压缩）l硅：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
5、的变形抗力有较大的提高。例如，含硅量为1.52.0的结构钢（55Si2 60Si2）在一般的热加工条件下，其变形抗力比中碳钢约高出2025。含硅量高达56以上时，热加工较为困难。l铬：对含铬为0.71.0的铬钢来讲，影响其变形抗力的主要不是铬，而是钢中的含碳量。这些钢的变形抗力仅比具有相应含碳量的碳钢高510。对高碳铬钢GCr6 GCr15（含铬量0.451.65），其变形抗力虽稍高于碳钢，但影响变形抗力的也主要是碳。l镍：镍在钢中可使变形抗力稍有提高。但对25NiA、30 NiA和13 Ni2A等钢来讲，其变形抗力与碳钢相差不大。当含镍量较高时，例如Ni25 Ni28，其变形抗力与碳钢相比有
6、很大的差别。l在钢中同时加入几种合金元素，例如同时加入铬和镍，这时钢中的碳、铬和镍对变形抗力都要产生影响。Cr18Ni9Ti钢的变形抗力比碳钢高50%。l金属的变形抗力与其显微组织有密切的关系。晶粒大小就是其中的一个重要因素。晶粒越细小，变形抗力越大。金属中的夹杂物对变形抗力也有影响。在一般的情况下，夹杂物会使变形抗力升高。钢中有第二相时，变形抗力也会相应提高。2 变形温度的影响 l从绝对零度到熔点Tm的整个温度区间可分为三个温度区间：00.3Tm为完全硬化温度区间；0.30.7Tm为部分软化温度区间；0.71.0Tm为完全软化温度区间。在不同温度区间内变形抗力不同。 l在0.3Tm温度以下，
7、基本的塑性变形机制为滑移、孪生和晶间脆化机制。当温度高于0.3Tm时，非晶机制的作用开始变得明显。之后，溶解沉积机制和晶界上的粘性流动机制等也都参与作用。此时，晶间脆化、孪生等机制的作用会消失或几乎消失。随温度的升高，剪切机制，甚至晶块间机制也会有明显地改变其特征，其力学现象变得不明显，开始显示出滑移的扩散特性。l随着温度的升高，硬化减小的总效应决定于以下方面：回复和再结晶的软化作用；随温度的升高，新的塑性变形机制的参与作用；剪切机制（基本塑性变形机制）特性的改变。图62 低碳钢在不同温度下 的拉伸曲线图63 镉与锌的真应力曲线l拉伸试样结果表明，变形抗力随温度的变化有两种情况。一类金属（如铜
8、）是随温度的升高，变形抗力指标下降；另一类金属是，例如钢，其变形抗力随温度的变化比较复杂。从图中62中看出，加热至100时，屈服延伸减小，与其相应的应力也减小。在400附近屈服延伸消失。l关于真应力的变化，可从图63示出的在不同温度条件下，用拉伸方法所测出的镉与锌的加工硬化曲线中看出。随着温度的升高，硬化减小；l从一定温度开始，硬化曲线平行于横坐标轴，金属不再继续硬化。l在高温条件下，即使变形不大，金属也有强烈的硬化。其大小取决于屈服应力与出现细颈时应力间的差异。l当注意，在坐标轴上对应出现细颈的一点，甚至在高温下也不与坐标原点相重合。l总的来看，对于从0到1.0Tm整个温度区间内都没有物理化
9、学变化的金属，其变形抗力的对数值随温度的变化呈线性关系（图64，a）。对伴随有物理化学变化的金属，在发生此物理化学变化的温度，直线的斜率发生改变（图64，b）。图64 变形抗力的对数值随温度的变化变形速度的影响 l对于每一种金属材料，在设定的温度条件下都有其特征变形速度。l在小于此特征变形速度的范围内改变变形速度时，它对变形过程没有影响。若变形速度大于此特征变形速度时，则提高变形速度会使变形抗力增大；同时也会使所有软化过程，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制受到阻碍。l在塑性变形过程中由于变形速度的增大，会引起变形物体的热效应。变形速度的影响 l变形速度增大使变形抗力升高
10、的原因是：l为完全实现塑性变形的时间不够弹性波是以声速在变形物体内传播。当对变形物体的加载速度小于声速时，塑性变形在变形物体内的传播速度比弹性变形在此物体内的传播速度要小。此弹性变形与塑性变形传播速度间的差异，取决于变形物体的成分、温度和应力状态等因素。l为实现软化过程的时间不够金属在塑性变形过程中，由于塑性变形的进行要发生硬化，由于回复和再结晶的作用又要发生软化，但回复和再结晶需要一定的时间来完成。若此时间不够，则将会使变形金属的硬化速率大于软化速率，结果使变形抗力升高。l当变形速度大于保证得到最大软化的速度时，由于实现软化过程的时间不够而使变形抗力升高和当变形速度小于保证得到最大软化的速度
11、时，由于完全实现塑性变形的时间不够而使变形抗力升高。变形程度的影响l变形程度对变形抗力的影响，除其本身大小的影响外，还与变形物体的材质，当时的变形温度条件和变形速度有关。l从图65中可以看出，当变形金属处于完全硬化状态时，随着变形程度的增加，变形抗力增大（曲线1）。l在高温条件下，对某些铁素体类合金，因在变形过程中只产生动态回复，所以当变形达到一定程度后，其应力保持不变（曲线2）。l对奥氏体类合金，当变形达到一定程度后，因有动态再结晶的出现，使应力下降，直到达到平衡阶段（曲线3）。l由此可见，变形程度对变形抗力的影响应随变形物体的材质和变形条件的不同而异。金属塑性变形过程中应力 与应变的几种表
12、述方法标称应力-应变关系定义式： 又称名义应力或条件应力 式中图1 低碳钢的标称应力-应变曲线图2 铝合金的标称应力-应变曲线真实应力-应变曲线 真实应力定义式： 又称真应力式中三类真实应力-应变曲线金属塑性变形真实应力-对数应 变曲线的确定金属塑性变形真实应力-对数应 变曲线的确定均匀变形存在颈缩图1 真实应力-对数应变曲线真实应力-对数应变曲线与标称应 力-对数应变曲线的比较均匀变形存在颈缩 真实应力-对数应变曲线 标称应力-对数应变曲线常用的几种真实应力应变关系模型 NWPU图65 拉伸时的应力应变曲线6.3 加工硬化曲线l常用的硬化曲线可用拉伸、扭转或压缩的方法来确定，其中应用较广者为拉伸方法。l由于变形程度的表示方式不同，硬化曲线可有多种形式，常用的有三种（图66）即第一种曲线，是真应力与延伸率的关系曲线；第二种曲线，是真应力与断面收缩率的关系曲线；第三种曲线，是真应力与真应变的关系曲线。l这三种曲线，第二种在实际中应用较多，故仅对其真应力曲线的作法和性质加以介绍。 图66 三种真应力曲线图67 拉伸指示图图图6-8 6-8 第二种真应力曲线第二种真应力曲线图69 近似的真应力曲线图610 近似的真应力曲线6.4 变形抗力的计算
