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1、4. 金属的塑性变形抗力 Plastic Deformation Resistance of Metals 4.1塑性变形抗力的基本概念及测定方法 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. 4.1.1塑性变形抗力的基本概念 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 +
2、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） 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 1. 拉伸试验法： 2. 压缩试验法 3. 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
3、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 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
4、/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： 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 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
5、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
6、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 1.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)
7、; 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，
8、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。 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
9、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 1. 温度升高，原子动能
10、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。 2. 温度升高，发生热塑性。 3. 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。 4. 组织发生变化，如相变。 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。 n300 ：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变形抗力的温度特性和应力- -应变曲线的对应关系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
11、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
12、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。 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） Pt 1 温度t 1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
13、应力强度）； Pt 2 温度t 2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
14、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：变形速度，温度升高，变形抗力。 温度越高，塑性机构的扩散特性越明显，速度效应也越大 。 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
15、缓. 冷加工：温度低于再结晶温度，产生加工硬化。 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
16、株式会社： Thermecmastor、Press热力加工 模拟设备 法国SETARAM公司：高温扭转试 验机 实验过程 Gleeble 热模拟实验机试验为 例。 优点： 1）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； 2）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
