4力学冶金讲稿3.13

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1、3.塑性加工时金属材料的性质和特征塑性加工时金属材料的性质和特征3.1 引言材料的加工性： 由代表着加工工艺和加工过程的应力、应变、速率和温度等条件和材料内部组织条件的综合作用而决定的。在加工过程中材料的性质影响到变形过程边界条件产品的性能力能参数成形极限指标坯料的性质包括几何学特性屈服应力可加工性能3.2金属材料的屈服应力金属材料的屈服应力（1）屈服应力是确定加工过程能力参数的主要）屈服应力是确定加工过程能力参数的主要参数参数（2）影响屈服应力的因素）影响屈服应力的因素与变形过程紧密相关的因素：与变形过程无关的因素：化学成分，冶金组织，晶粒大小，偏析，变形历史（3）确定屈服应力的实验方法）确

2、定屈服应力的实验方法 简单拉伸，简单压缩，平面应变压缩， 纯扭转，静液胀形3.3金属的塑性及可加工性金属的塑性及可加工性3.3.1 塑性变形 塑性变形：塑性变形：物体受力作用后，移去外力后，保留在变形物体内的永久变形。弹塑性：恢复与否塑脆性：同一概念区别：发生破坏时变形量的大小 加工性和成型性：加工性和成型性：与加工条件相联系的材料塑性变形能力。3.3.2金属材料的塑性金属材料的塑性变形极限：变形极限：给定的工艺和变形的几何学，变形极限随材料的不同而变化的。应力值：应力值：破坏时的应力值也与材料密切相关。工艺设计：工艺设计：把材料塑性变形的潜能发挥出来。的不同而变化的。：挤压变形时心部开裂的值

3、，针对不同材料将不同。（1）塑性指标）塑性指标拉 伸 实 验延伸率面缩率总延伸率总延伸率缩颈出现瞬时的均匀延伸 缩颈开始时的局部延伸局部延伸的影响程度局部延伸的影响程度试样的均匀延伸程度与冶金条件、实样尺寸效应、缩颈发展形状有关。断裂时试样的延伸量表示为： 均匀延伸率为：均匀延伸量为：试样的总延伸率为:(试样断裂)(3.3-1)(3.3-2) 几何相似的试样产生几何相似的缩颈区域。根据Barba法则： 由（3.32）式：对于板试样对于棒试样几何因子 或 必需保持为常数（3.33）几何因子取值范围几何因子取值范围美国为4.0英国为5.0德国为10.0国内有 和 两种 即： 5或10 延伸率和面缩

4、率延伸率：延伸率：受均匀延伸的影响主要与材料的应变硬化能力有关面缩率：面缩率：断裂时所要求的变形量它主要来源于缩颈过程，由于缩颈处存在复杂的应力状态，面缩率的数值与试样的几何学和变形行为有关，它仍不应作为真正的材料性能标志。 面缩率是结构敏感的数值。块状金属成型性是有延性破坏限制的。拉丝是一个例外，拉丝的成型是由道次最大面缩率所限定的。 一旦引起面缩就无法承受拉丝的载荷。因此由形成缩颈所限定的变形量与拉拔性能无太多的关系。脆性破坏也限定了成型的极限。在许多成型过程中的成型极限同拉伸实验中测得的面缩率有十分密切的关系。 拉伸时的面缩率的关系拉伸时的面缩率的关系0.81.21.60.42.42.0

5、00.40.81.21.62.02.42.8拉伸时的面缩率（断裂）冷轧时出现边部裂纹 时的厚度变形量直边带材园边带材（2）冶金组织与金属材料塑性）冶金组织与金属材料塑性金属的塑性受到基体和夹杂这两者的性能的强烈影响。夹杂在延性破坏中起着支配的作用。 夹杂的体积百分数性质形状和分布是主要的。硫化物对钢的拉伸塑性的影响硫化物对钢的拉伸塑性的影响横向塑性较低的原因是夹杂物沿轧制方向被拉伸 1 2 31.51.00.5 0硫化物体积含量，拉伸断裂时的真应变轴向横向 1 2 31.51.00.5 0杂质体积含量，塑性 1 2 3210杂质体积含量，拉伸试验断裂应变铜中第二相质点的体积含量对拉伸塑性的影响

6、表明铜的拉伸塑性随着随着人工加入夹杂数量的增加而降低，某些第二相质点比其它杂质有更大的危害性固有的杂质体积含量对钢的拉伸塑性的影响表明钢中的氧化物、硫化物和碳化物具有相似的倾向性 分布状态：压力加工倾向于使夹杂物在延伸的方向上被拉长并成为一字形，这种机械纤维降低了垂直于主应力方向上的断裂强度和塑性。可锻铸铁就是一个极端例子，虽然它不是商业产品。裂纹的路径遵循着玻璃状的硅酸盐夹杂物而形成“木纹状”断裂，易于产生纵裂。延性断口产生的原因延性断口产生的原因 夹杂周围的空穴或孔隙的扩展夹杂周围的空穴或孔隙的扩展经过冷轧的1018钢在拉伸试验中最终断裂前出现的在缩颈中心附近的裂纹拉伸试验时延性裂纹的形成

7、：夹杂上的孔隙被拉长以及孔隙之间的缩颈 d 延性断裂也可能由局部剪切而产生，拉伸试验的延性杯锥断裂上的剪切唇就是一个例子夹杂物周围的空隙连接在一起从而形成剪切的延性裂纹（3）静水压力与金属材料的塑性）静水压力与金属材料的塑性 高的静水压应力抑制了孔隙的长大，从而延迟了断裂。通常静水拉伸应力加速孔隙的成长，降低塑性。如图所示： 在锻造和墩粗时，自由表面上鼓形引起的拉伸的周向应力，产生 裂纹。如图： F （4）热加工的塑性）热加工的塑性 热脆产生的一般原因是液相的存在。它的产生是由于加热温度进入到液固两相区，造成部分融化所致。 低熔点的低熔点的 共晶硫化物共晶硫化物： Cu、Sn：热加工时会引起表

8、面裂纹。浓缩于固溶体中并恰好存在于氧化皮的下面。浓缩超过了固溶能力，一个单独的液相就会形成，它和界面湿润并导致塑性降低。 夹杂物夹杂物：垂直被拉长的夹杂物加工，影响材料塑性。 3.3.3金属材料的成型性能（1）块料的成型性能）块料的成型性能 可加工性是可加工性是：金属加工过程中 产生变形而不形成裂纹的变形程度。 可加工性是个复杂的技术概念技术概念。它不仅取决于材料的断裂阻力（塑性），而且也同工艺过程的特定条件，诸如变形量、摩擦、温度和应变速率等有关。 块状金属加工过程中产生的裂纹可分为三种主要的类型：（a）墩粗时自由表面的裂纹）墩粗时自由表面的裂纹（b）挤压时接触面上高摩擦下形成的表面裂纹）挤

9、压时接触面上高摩擦下形成的表面裂纹（c）拉拔棒材时中心破裂或箭样裂纹）拉拔棒材时中心破裂或箭样裂纹（c）裂纹产生的原因：裂纹产生的原因： （1） 附加拉伸应力的结果，尤其是当h/L较大时； （2）工件内常产生温度梯度； （3）局部的不变形区，难变形区和易变形区两种区域存在导致了剪切带的形成。加工极限加工极限：块状金属的加工极限是以表面出现裂纹为标准。断裂的判据断裂的判据： Cockcroft和Latham提出的判据是以应力和应变的某种组合为根据的，并且最大的局部拉伸应力（*)最为重要。 * d常数实际应用：实际应用： 每一种材料在断裂时的拉伸应变和压缩应变之间存在着一种单一关系形式的断裂判据。

10、如图所示：条件：条件：理想的没有摩擦的墩粗。 当断裂处的拉伸应变和压缩应变之应变比处在斜度为1/2的线上时断裂产生。0.80.60.20.40.20.40.60.81.00拉伸应变压缩应变1020钢303不锈钢Shiro kobayashi（小林次郎）：（小林次郎）： 使用数值法计算出在室温下低速锻造钢圆柱体时的参数，所得到的可加工性如图所示：807050600.10.20.30.40.50高度压下率%摩擦因子，m10090Avitzur：研究了挤压和拉拔时中心破裂或箭形裂纹的形成。 他的研究预测了为防止这类裂纹所必须避免的模具角和面缩率的范围。 2.01.50.51.020406080800

11、压缩比半模具角，3.02.53.54.04.5安全区危险区m=1.0m=0m=0.5m=0.7（2）板料的成型性能）板料的成型性能 板料成型时：板料成型时：例如深拉，拉伸变形是主要的，并且在变形区的金属，常有一个或两个表面是自由表面。成型时横截面积基本不变，几何形状的变化是主要的。 块状金属成型时块状金属成型时：压缩变形是主要的，变形区内金属的自由表面是很少的。块状金属成型时，不但几何形状变化，而且横截面积的变化也是很明显的。 因此，板料金属成型时的应力和应变分布具有一定的特殊性。如图所示：杯拉延成形深冲过程的分析深冲过程的分析金属承受三种不同形式的变形：金属承受三种不同形式的变形： 应力和变

12、形取决于不同的部位（1）在底部（）在底部（A）：）：由于冲头的作用，承受由于冲头的作用，承受双向拉伸应力双向拉伸应力（2）在圆周外边沿处（）在圆周外边沿处（C) 周长周长D0坯料坯料 成成 形杯形杯D ， 连续变化化 圆周要周要经受受压缩应变（即（即环方向上）方向上） 径向径向-拉伸拉伸应变 这两个主两个主应变作用的作用的结果，使果，使环边沿在向沿在向下深冲。下深冲。变形形过程中，程中，坯坯边的厚度在不断增加。的厚度在不断增加。ABCD径向径向（c）（3）金属在进入凹模时，在拉伸应力作用下，经过首先弯曲再变直。 在D处：在拉伸应力作用下， 在沿上产生的增厚的结果， 在窄环上又被减薄。（4）在B

13、处 如果“环壁厚度”大于凹凸模的间距（是由在沿伸缩进入凹模时增厚所致的），则受到的应变如图上所示。厚度上受压将减薄，使得环壁厚度均匀。（一般有1020的厚度减薄量）环上拉伸应力D两种极端的情形：两种极端的情形：一是平面应变状态。在板平面的主应力中，一个是拉伸变一是平面应变状态。在板平面的主应力中，一个是拉伸变 形，形，一个是压缩变形，厚度的变形很小可忽略不计，近乎于平一个是压缩变形，厚度的变形很小可忽略不计，近乎于平面应变条件。面应变条件。 二是平面主应力状态。板平面上的两个主应力为拉伸应力，二是平面主应力状态。板平面上的两个主应力为拉伸应力，厚度上的应力近乎为零，接近于平面拉伸应力状态。厚度

14、上的应力近乎为零，接近于平面拉伸应力状态。 大多数的真实成型过程是介于这两种极端情形之间。大多数的真实成型过程是介于这两种极端情形之间。板料的成型极限：板料的成型极限：由拉伸失稳而不是由破裂决定的。板料的成型过程中，其应力状态接近于平面拉伸应力状态。 在双向拉伸条件下失稳发生前的最大应变量大于单向拉在双向拉伸条件下失稳发生前的最大应变量大于单向拉伸时的最大应变量。伸时的最大应变量。（单向拉伸时 ，双向拉伸时 ）板料的成型性能：板料的成型性能： 采用双向拉伸试验比单向拉伸试验更为合适。 双向拉应力状态，通常用静液胀形试验来定成。如下图所示：根据长轴和短轴的测量值d2 和d1， 可计算出两个主应变1和2dd1d2由计算和多次试验可作出下面的成型极限图：长轴主变短轴主变成型极限图 拉压主变状态 拉拉 主变状态 影响板料成型性能的主要指标：影响板料成型性能的主要指标： 材料的应变硬化指数n，它决定成型极限的大小，以及平均应变比R，它表示板的法向各向异性指标 。 它表征了板料的成型性能的好坏。