第5章塑性教学教案

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1、第5章 金属的塑性 1 金属塑性的概念和测定方法 2 影响金属塑性的主要因素和提高塑性的途径3 金属的超塑性l基本知识点：塑性的概念；描述塑性的指标；影响塑性的主要因素；超塑性；超塑性的种类、力学特征和组织特征。l重点：描述塑性的指标；影响塑性的主要因素；超塑性的种类及力学特征和组织特征。l难点：测定塑性的方法；影响塑性的主要因素；超塑性的变形机制。5. 1 金属塑性的概念和测定方法 1 塑性的基本概念 2 塑性指标及其测量方法 3 塑性状态图及其应用 试件在弹性极限范围内的变形将完全恢复到原来的形状。 试件变形达到其弹性极限后，如果继续加载，将发生不可恢复的变形，称为塑性变形。 对超过弹性极

2、限载荷的金属金属试件卸载，卸载曲线近似于弹性曲线。 试件完全卸载后，残留部分不可恢复的变形P,即塑性变形。塑性变形1 塑性的基本概念l什么是塑性？ 塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。l塑性与柔软性的区别是什么？ 塑性反映材料产生永久变形的能力。 柔软性反映材料抵抗变形的能力。塑性与柔软性的对立统一l铅-塑性好，变形抗力小l不锈钢-塑性好，但变形抗力高l白口铸铁-塑性差，变形抗力高l结论：塑性与柔软性不是同一概念为什么要研究金属的塑性？l探索塑性变化规律l寻求改善塑性途径l选择合理加工方法l确定最佳工艺制度l提高产品质量2 塑性指标及其测量方法l塑性指标l塑性指标的测量方

3、法塑性指标概 念： 金属在破坏前产生的最大变 形程度，即极限变形量。表示方法： 断面收缩率 延伸率 冲击韧性 最大压缩率 扭转角（或扭转数） 弯曲次数塑性指标的测量方法l拉伸试验法l压缩试验法l扭转试验法l轧制模拟试验法拉伸试验电子拉伸试验机标准试件试件断口拉伸试验的力学条件与塑性指标拉伸速度一般液压机的速度范畴锻锤变形速度的下限可确定以下塑性指标：拉伸试验l延伸率表示金属在拉伸轴方向上断裂前的最大变形。l延伸率大小与试样的原始计算长度有关，试样越长，集中变形数值的作用越小，延伸率就越小。作为塑性指标时，必须把计算长度固定下来才能相互比较。对圆柱形试样，规定有和两种标准试样(d是试样的原始直径

4、)。l断面收缩率试样的原始计算长度无关，因此在塑性材料中用作塑性指标，可以得出比极稳定的数值，有其优越性。 镦粗试验压缩试验法l镦粗时，由于出现鼓形，试样中部受三向压应力状态。此方法可反映应力状态与锻压变形过程(自由锻、冷镦等)相近。l实验资料指出，对于同一金属在一定的温度和速度条件下进行镦粗时，可能得出不同的塑性指标，这将取决于接触表面上外摩擦的条件和试样的原始尺寸。为使所得结果能进行比较，必须定出相应的规程，说明试验的具体条件。 l镦粗试验的缺点，是在高温下对塑性较高的金属，变形程度很大试样侧表面也不出现裂纹，因而得不到塑性极限。实际上，在顶锻过程中形成裂纹，有时是由于表面存在缺陷造成的。

5、扭转试验 材料的塑性指标用试样破断前的扭转角或扭转圈数表示。 材料扭转时的应力状态：优点： 无颈缩、鼓形扭转试验法 对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形（ ） 。 式中：R试样工作段的半径； L0试样工作段的长度； n试样破坏前的总转数。 扭转试验l 扭转试验是在专用的扭转试验机上进行。试验时将圆柱形试样一端固定另一端扭转，用破断前的扭转转数(n)表示塑性的大小。在这种测定方法中，试样受纯剪力，切应力在试样断面中心为零，而在表面有最大值。纯剪时一个主应力为拉应力，另一个主应力为压应力。这种变形过程所确定的塑性指标，可反映材料受数值相等的拉应力和压应力同时作用时的塑性

6、高低。l扭转试验在许多国家被广泛用于金属与合金的塑性研究上。斜轧穿孔时，轧件在变形区内受扭转作用，也有些人用扭转试验来确定合适的穿孔温度。 轧制模拟试验法 在平辊间轧制楔形试件，用偏心轧辊轧制矩形试样，找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压下量作为轧制过程的塑性指标。 偏心轧辊偏心轧辊轧制后的试样形状 (铸态W18Cr4V钢，原始断面为3636mm， 试验温度为890。开始发生裂纹的相对压下量约为58)l一是在平辊上将楔形试样轧成扁平带状，测量首先发生裂纹处的变形量，此变形量就表示塑性的大小。此法不需要制备特殊的轧辊，但确定极限变形量较困难，因试样轧后高度是均匀的，伸长后，原来一定高度的位置发

7、生了变化，除非在原试样的侧面上刻竖痕，否则轧后便不易确定原始高度的位置，因而也就不好确定极限变形量。l另一是在偏心辊上将矩形轧件轧成楔形件。此法是齐日柯夫于1948年提出的，采用上轧辊有刻槽，下轧辊是平的(图5-1)，由于楔形的轧槽使两辊间距离在轧制过程中是个变量，所以轧后得出厚度变化的楔形试样(图5-2)，用最初出现目视裂纹的变形量来确定其塑性的大小。l用偏心辊试验的方法优越，可以准确地定出极限变形量，免除了试样加工的麻烦。但单辊刻槽，造成上下辊工作直径不等，在两辊转数相同时，在上下辊之间产生轧制速度差，可能导致轧件表面损坏，同时也使变形力学条件发生一定变化，这对测定结果会产生一定影响。 W

8、18Cr4V钢的塑性图(在300轧机偏心辊上轧制) 1一电渣锭；2一扁锭表面；3一扁锭中心双辊刻槽轧成楔形件的轧辊5. 2 影响金属塑性的因素 1 影响塑性的内部因素 2 影响金属塑性的外部因素 3 提高金属塑性的主要途径 1 影响塑性的内部因素 1）组织结构2）化学成分 （1）杂质 （2）合金元素对塑性的影响 1) 组织结构的影响l纯金属有最好的塑性。形成单相固溶体，则有较好的塑性；形成化合物，则使塑性降低。 l常见的双相钢与合金基本上有两种类型：一是两相固溶体的混合物；二是单相固溶体的基体上分布有硬质点过剩相。 l单相钢或具有少量第二相的钢塑性较大，而含第二相数量较多时，使塑性大为降低。脆

9、性第二相和易熔组成物以球雏晶或单独夹杂物形式集中在晶粒边界上，要比以一定厚度的夹层或连续的链状形式其塑性降低的程度小.相结构晶粒度铸造组织2) 化学成分对金属塑性的影响碳 : 碳塑性（渗碳体）杂质: 杂质塑性 磷冷脆性。强度、硬度 塑性 硫热热脆性。硫化物和共晶体分布晶界，熔点低 氮时时效脆性、即兰脆。温度氮化物析出 氢氢氢脆，间隙固溶体。白点，扩散聚集微缺陷处 氧热热脆性。氧化物、易溶共晶体分布晶界，熔点低合金元素: 合金元素加入塑性抗力一般规律：金属的塑性主要取决于基体金属。碳和杂质元素2 外部因素-1）温度对金属塑性的影响一般趋势：温度塑性塑 性-20020004006001000120

10、08001400温度/碳钢的塑性随温度的变化曲线lI、表塑性降低 ，1、2、3表塑性增高。lI区中金属塑性极低，到200时塑性几乎完全丧失，是由于原子热运动能力极低所致。例如含磷高于0.08和含砷高于0.3的钢轨，在零下4060已经变成脆性。l区域，位于200400的范围内，此区为蓝脆区。l区域，位于800950，此区的出现与相变有关。在相变区有铁素体和奥氏体共存，产生了变形的不均匀性，出现附加拉应力，使塑性降低。由于硫的影响，故称此区为红脆(热脆)区。l区域，接近于金属的熔化温度，此时晶粒迅速长大，晶间强度逐渐削弱，当再加热时可能发生金属的过热和过烧现象。l区1位于100200，冷变形时原子

11、动能增加的缘故。l区2位于700800的范围，由440到700800，有再结晶和扩散过程发生。l区域3位于9001250，此区域中没有相变，均匀一致的奥氏体。l温度对各种金属与合金塑性的影响规律并不是一致的。金属的加工性能包括变形抗力和塑性两个方面，变形抗力小、塑性大的材料，可以判断其加工性能好。2）应变速率对金属塑性的影响该问题比较复杂，有关认识仍待深入。一般性的机理分析：1、应变速率 真实应力 塑性变形不能充分扩展 较早地达到断裂阶段 塑性；2、应变速率 无足够时间回复或再结晶 软化作用 塑性；3、应变速率 温度效应 温度 塑性。应变速率对金属塑性的影响塑 性 指 标应变速率应变速率对塑性

12、的影响的示意曲线变形速度的影响l(I区)，由于加工硬化及位错受阻而形成内裂所致。此阶段虽然由于热效应可能促进软化过程，但在变形过程中，加工硬化发生的速度仍然超过软化进行的速度。l(区)，由于热效应引起变形金属的温度升高，使硬化得到消除和变形扩散机制参与作用以及位错能借攀移而重新起动等所致。此阶段内，金属的软化过程比加工硬化过程进行得要快。 压力柱塞试样试验腔室卡尔曼试验保解仪器的工作部分高压液体注入孔3）应力状态对金属塑性的影响0 1 2 3 4 5 6 7 8 9破坏破坏压缩程度（）10002000300040005000破坏压缩程度（）0 1 2 3 4 5 6 7100020003000

13、40005000破坏卡尔曼试验应力状态影响金属塑性的机理应力状态对塑性起影响作用的是应力球张量。 三向压缩应力状态图最好，两压一拉次之，两拉一压更次，三向拉应力图是最坏的。 l静水压力提高金属塑性变形的解释：l1、静水压力 晶间变形困难金属塑性 l2、三向压缩应力有利于愈合塑性变形过程中产生的各种损伤；l3、三向压缩作用能抑制变形体内存在的少量的对塑性不利的杂质、液相态或组织缺陷；l4、增大静水压应力，可抵消由不均匀变形引起的附加拉应力，从而减轻附加拉应力所造成的拉裂作用。4）应力状态对金属塑性的影响 主变形图对金属中缺陷形状的影响 （a）未变形的情况；（b）经两向压缩向延伸变形后的情况； （

14、c）经向压缩两向延伸后的情况 l由于主变形图影响到变形物体内的杂质分布情况，这会造成金属的各向异性。例如，若按两向压缩一向延伸主变形图(如拉制、挤压等)变形，则随变形程度的增加，对塑性夹杂(如MnS等)被延伸成条状或线状；l对脆性夹杂(如Al2O3等)被拉成串链状。这时会引起横向的塑性指标和冲击韧性下降。若按两向延伸一向压缩主变形图(如镦粗和带宽展的轧制等)变形，会使杂质沿厚度方向成层排列，而使厚度方向的性能变坏。3 提高金属塑性的基本途径 1、提高材料的成份和组织均匀性；2、合理选择选择 变形温度和应变速率；3、选择选择 三向压缩性较较强的变变形方式；4、减少变变形的不均匀性。 单击此处编辑

15、母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*475.3 金属的超塑性变变形l一九二0年德国人W.罗森汉（Rosenhain）发现Zn-Cu-Al三元共晶组织冷轧后具有类似玻璃或沥青般的非晶材料特征。 l近年来，在各种金属中（包括有色金属、钢铁及合金材料），具备超塑性的合金组织和控制条件正愈来愈多地被发掘出来。当金属具备超塑性时，就可使形状复杂，不易加工的零件，在经过一次或几次模腔后而精密成形。 1 超塑性的概念超塑性的一般理解： 金属和合金具有超常的均匀变形能力，其伸长率可以达到百分之几百、甚至百分之几千。 至今仍无物理本质上的确切定义。超塑性变形的一般特点： 1、大伸长率； 2、无缩颈； 3、低

16、流动应力； 4、易成形。2 超塑性成形实例 Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸率现象（1950），左为拉伸前的试样。3 超塑性现象的种类细晶超塑性 是指在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所呈现的细晶超塑性。又称为结构超塑性或恒温超塑性。主要控制因素：晶粒超细化（m0.3，一般约在0.5左右。而且，大体上说m值越大，塑性越好，延伸率越高。M值较大，表示应力对应变速率敏感。 超塑性材料工程应力应变曲线超塑性材料真应力真应变曲线 金属组织特征l细晶超塑性材料的显微组织要求具有极细、等轴、双相及稳定的晶粒。因为双相材料中，第二相能阻止母相晶粒长大，反过来母相也能阻止第二相的长大；l要求稳定，是指在变形过程中要求晶粒长大的速度要慢。以便在保持小晶粒的条件下有充分的热变形持续时间。l超塑性变形过程中，起控制机理作用的是晶间滑动机理，晶界起着很重要的作用，晶界的比例大，晶界越平坦，越易于滑动，所以细小、等轴晶粒有利于超塑性变形，最好晶粒尺寸在5m以下。l超塑性变形组织的另一特点是：超塑性变形以后，虽然获得巨大的延伸率，但晶粒根本没有被拉长，仍然保持着等轴状态；沿晶界