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1、张贵杰张贵杰Tel：E-Mail： 河北联合大学金属材料及加工工程系河北联合大学金属材料及加工工程系金属塑性变形理论金属塑性变形理论第十七讲第十七讲9/21/20241Lesson SeventeenLesson Seventeen第八章 金属的塑性变形抗力主要内容Main Content变形抗力的概念及测定方法影响变形抗力的主要因素 变形抗力的计算 9/21/20242Lesson SeventeenLesson Seventeen8.2 影响变形抗力的主要因素化学成份化学成份应力状态应力状态组织结构组织结构接触摩擦接触摩擦变形温度变形温度变形速度变形速度变形程度变形程度9/21/20243
2、Lesson SeventeenLesson Seventeen应力状态应力状态在在塑塑性性加加工工过过程程中中，变变形形物物体体所所承承受受的的应应力力状状态态对其变形抗力有很大的影响。对其变形抗力有很大的影响。例例如如，挤挤压压时时的的变变形形抗抗力力要要比比轧轧制制时时大大；在在孔孔型型中中轧轧制制时时要要比比在在平平轧轧辊辊上上轧轧制制时时大大；模模锻锻时时要要比比在在平平锤锤头头间间锻锻造造时时大大等等等等。这这些些都都表表明明，应应力力状状态对变形抗力有较明显的影响。态对变形抗力有较明显的影响。在在图图示示中中压压应应力力状状态态越越强强，变变形形抗抗力力越越大大。挤挤压压时时为为
3、三三向向压压应应力力状状态态图图示示，而而拉拉拔拔时时为为单单向向拉拉伸伸和和两两向向压压缩缩的的应应力力状状态态图图示示，所所以以挤挤压压时时金金属属的的变形抗力就大于拉伸时的变形抗力。变形抗力就大于拉伸时的变形抗力。9/21/20244Lesson SeventeenLesson Seventeen金金属属的的变变形形抗抗力力在在很很大大程程度度上上取取决决于于静静水水压压力力。对对许许多多金金属属和和合合金金来来说说，当当静静水水压压力力从从0增增加加到到5000MPa时，其变形抗力可增加一倍。时，其变形抗力可增加一倍。9/21/20245Lesson SeventeenLesson S
4、eventeen拉伸金属和合金时径向压力的影响拉伸金属和合金时径向压力的影响203166525淬火并人工淬火并人工时效效铸造造A5铝合金合金461382470在水中淬火在水中淬火Al-Cu-Mg-Zn合金合金331234在供在供应状状态下下MA2镁合金合金254219360退火退火镁571470800在水中淬火在水中淬火铍青青铜217209600退火退火钢有径向有径向压力力无径向无径向压力力有径向有径向压力力无径向无径向压力力断裂断裂时的断面收的断面收缩率，率，强强度极限，度极限，MPa热处理理材料材料9/21/20246Lesson SeventeenLesson Seventeen静水压力
5、的影响通常可在下述情况表现比较明显：静水压力的影响通常可在下述情况表现比较明显：金金属属合合金金中中的的已已有有组组织织或或在在塑塑性性变变形形过过程程中中发发生生的的组组织织转转变变有有脆脆性性倾倾向向。这这时时，静静水水压压力力可可以以使使金金属属变变得得致致密密，消消除除可可能能产产生生的的完完整整性性的的破破坏坏，从从而而既既提提高高了了金金属属的的塑塑性性，又又提提高高了了金金属属的的变变形形抗抗力力。通通常常，金金属属越越倾倾向向于于脆脆性性状状态态，静静水水压压力力的影响越显著。的影响越显著。9/21/20247Lesson SeventeenLesson Seventeen金金
6、属属合合金金的的流流变变行行为为与与粘粘塑塑性性体体的的行行为为相相一一致致。对对粘粘性性体体来来讲讲，变变形形速速度度和和静静水水压压力力对对其其变变形形抗抗力力有有明明显显的的影影响响。对对粘粘塑塑体体来来讲讲也也同同样样是是这这样样。并并且且粘粘性性性性质质越越明明显显，这这种种影影响响就就越越大大。在在一一定定的的温温度度速速度度条条件件下下(特特别别是是在在温温度度接接近近熔熔点点且且变变形形速速度度不不大大时时)，金金属属合合金金的的流流动动行行为为与与粘粘塑塑性性体体的的流流变变行行为为相相一一致致。此此时时，变变形形速速度度和和静静水压力对金属合金便产生相应的影响。水压力对金属
7、合金便产生相应的影响。9/21/20248Lesson SeventeenLesson Seventeen关关于于静静水水压压力力对对变变形形抗抗力力产产生生影影响响原原因因尚尚需需进进一一步研究。步研究。有有人人认认为为，变变形形速速度度对对变变形形抗抗力力的的影影响响越越大大时时，静静水水压压力力对对变变形形抗抗力力的的影影响响也也越越大大。由由于于静静水水压压力力的的作作用用，可可使使金金属属内内的的空空位位减减少少，使使塑塑性性形形变变因因难难。特特别别是是当当变变形形速速度度较较大大，实实现现塑塑性性变变形形的的时时间间不不够够时时更更是是如如此此。空空位位的的数数量量越越大大，静静
8、水水压压力对变形抗力的影响也超大。力对变形抗力的影响也超大。9/21/20249Lesson SeventeenLesson Seventeen变形温度变形温度在讨论温度对变形抗力的影响时必须注意到由于在讨论温度对变形抗力的影响时必须注意到由于温度的升高所引起的软化效应和其它变形机构的温度的升高所引起的软化效应和其它变形机构的参与作用。参与作用。从绝对零度到熔点从绝对零度到熔点Tm，可分为三个温度区间：，可分为三个温度区间： 从从00.3 Tm为完全硬化区间为完全硬化区间 从从0.3 Tm0.7 Tm为部分软化区间为部分软化区间 从从0.7 Tm1.0 Tm为完全软化区间为完全软化区间对纯金属
9、当温度高于对纯金属当温度高于(0.250.3) Tm时在变形金时在变形金属内产生回复，高于属内产生回复，高于0.4 Tm时有再结晶出现。时有再结晶出现。9/21/202410Lesson SeventeenLesson Seventeen锌在室温下带有中间停歇的拉伸结果锌在室温下带有中间停歇的拉伸结果9/21/202411Lesson SeventeenLesson Seventeen在在软软化化温温度度区区间间持持续续时时间间的的长长短短对对金金属属的的软软化化程程度度也也有有影影响响。随随着着温温度度的的升升高高，消消除除硬硬化化所所需需的的时时间间越越短短。并并且且温温度度越越高高，此此
10、缩缩短短的的程程度度就就越越大大，这这是是因因为为软软化化需需要要在在一一定定的的时时间间内内进进行行。由由此此可可以以看看出出，变变形形速速度度对对金金属属的的软软化化过过程程有有很很大大的的影影响响。随随着着变变形形速速度度的的减减小小，软软化化程程度度增增大大。因因此此，温温度度越越高高和和变变形形速速度度越越小小时时，金金属属的的软软化化程程度度就就越大。越大。2009-4-20-39/21/202412Lesson SeventeenLesson Seventeen在在0.3 Tm温度以下，塑性变形的基本机构是滑移温度以下，塑性变形的基本机构是滑移机构机构(剪切机构剪切机构)、晶块间
11、机构、孪生机构和晶粒、晶块间机构、孪生机构和晶粒间的脆化机构。当温度高于间的脆化机构。当温度高于0.3 Tm时，非晶机构时，非晶机构开始变得明显，然后溶解沉淀机构和晶粒边界上开始变得明显，然后溶解沉淀机构和晶粒边界上的粘性流动机构等参与作用。同时，像晶粒间脆的粘性流动机构等参与作用。同时，像晶粒间脆化机构和孪生机构等机构便会消除或几乎消除。化机构和孪生机构等机构便会消除或几乎消除。温度升高后，剪切机构和甚至是晶块间机构都会温度升高后，剪切机构和甚至是晶块间机构都会大大改变其特性。它们的变化是：随着温度的升大大改变其特性。它们的变化是：随着温度的升高，伴随上述机构发生的力学现象变得不显著，高，伴
12、随上述机构发生的力学现象变得不显著，并开始清楚地显示出滑移的扩散特性。并开始清楚地显示出滑移的扩散特性。9/21/202413Lesson SeventeenLesson Seventeen硬化随温度的升高而降低的总效应决定于：硬化随温度的升高而降低的总效应决定于：回复和再结晶的软化作用；回复和再结晶的软化作用；随着温度的升高，新塑性机构的参与作用随着温度的升高，新塑性机构的参与作用剪切机构剪切机构(基本塑性机构基本塑性机构)特性的变化。特性的变化。9/21/202414Lesson SeventeenLesson Seventeen不同温度下钢的拉伸曲线不同温度下钢的拉伸曲线9/21/202
13、415Lesson SeventeenLesson Seventeen镉与锌的真应力曲线镉与锌的真应力曲线9/21/202416Lesson SeventeenLesson Seventeen总总的的来来看看，对对于于从从0到到1的的相相对对温温度度区区间间的的整整个个间间隔隔内内都都没没有有物物理理化化学学变变化化的的合合金金，其其硬硬度度、强强度度极极限限、屈屈服服极极限限、变变形抗力等的对数值随温度的变化呈线性关系。形抗力等的对数值随温度的变化呈线性关系。对对于于有有物物理理化化学学变变化化的的合合金金，在在相相应应此此物物理理化化学学变变化的温度，直线的斜度发生改变。化的温度，直线的斜
14、度发生改变。2009-10-26-29/21/202417Lesson SeventeenLesson Seventeen库尔纳科夫温度定律库尔纳科夫温度定律式式中中Pt1温温度度t1时时塑塑性性变变形形抗抗力力的的特特征征值值(挤挤压压压压力力、压压入入时时的的硬硬度度、拉拉伸伸时时的的强强度度极极限限、屈屈服服极极限限、引引起起变变形形的的应应力力强度强度)； Pt2温度温度t2时上述各塑性变形抗力的特征值；时上述各塑性变形抗力的特征值； a温度系数。温度系数。9/21/202418Lesson SeventeenLesson Seventeen如如果果合合金金的的变变形形抗抗力力对对数数
15、直直线线的的进进程程在在从从0到到1的的相相对对温温度度区区间间有有n次次变变化化，那那么么该该合合金金在在此此温温度度区区间间就就将将有有n十十1次次变变态态。每每一一次次温温度度变变态态都都可可用用该该改改变变态态的的温温度度系系数数a，对对应应变变态态开开始始温温度度Tk的的开开始始变变形形抗抗力力Pk和和对对应应变变态态终终了了温温度度Tz的的终终了了变变形抗力形抗力Pz。对于每一次变态，温度系数可由下式确定：对于每一次变态，温度系数可由下式确定：9/21/202419Lesson SeventeenLesson Seventeen对对于于每每一一温温度度变变态态，库库尔尔纳纳科科夫夫
16、定定律律可可以以写写成成如如下下的近似形式：的近似形式：9/21/202420Lesson SeventeenLesson Seventeen在相对温度范围内在相对温度范围内的强度极限的强度极限温温 度度 为为M和和 拉拉 伸伸 速速 度度 为为4050mm/min时的强度极限时的强度极限对纯金属对纯金属a；对单相系和多相系合金；对单相系和多相系合金a；对固溶体；对固溶体a。对镍和镍基合金以及其它耐热合金，温度系数应相应提高对镍和镍基合金以及其它耐热合金，温度系数应相应提高2025%。9/21/202421Lesson SeventeenLesson Seventeen变形速度变形速度对对于于
17、每每种种金金属属材材料料，在在设设定定的的温温度度条条件件下下都都有有其其自自己己的的特特征征变变形形速速度度。在在小小于于特特征征变变形形速速度度数数值值的的范范围围内内改改变变变变形形速速度度，对对变变形形过过程程没没有有影影响响。如如果果变变形形速速度度高高于于此此特特征征速速度度，则则很很高高变变形形速速度度会会引引起起变变形形抗抗力力的的升升高高，同同时时也也会会使使所所有有的的软软化化过过程程、物物理理化化学学过过程程和和需需要要时时间间来来实实现现有有强强烈烈扩扩散性质的塑性变形机构受到阻碍。散性质的塑性变形机构受到阻碍。此此外外，在在变变形形过过程程中中由由于于变变形形速速度度
18、的的升升高高，会会引引起变形物体的热效应。起变形物体的热效应。9/21/202422Lesson SeventeenLesson Seventeen为完全实现塑性变形的时间不够。为完全实现塑性变形的时间不够。弹弹性性波波是是以以声声速速在在变变形形物物体体内内传传播播。当当对对变变形形物物体体的的加加载载速速度度小小于于声声速速时时，塑塑性性变变形形在在变变形形物物体体内内的的传传播播速速度度比比弹弹性性变变形形在在此此同同一一物物体体内内的的传传播播速速度度慢慢。此此弹弹性性变变形形与与塑塑性性变变形形的的传传播播速速度度间间的的差差异异，取取决决于于变变形形物物体体的的成成分分、温温度度和
19、应力状态等。和应力状态等。塑性机构的扩散性质越明显，塑性变形速度滞后于弹性变塑性机构的扩散性质越明显，塑性变形速度滞后于弹性变形的效应就表现得越强烈。因为自扩散过程需要时间来实形的效应就表现得越强烈。因为自扩散过程需要时间来实现。因此，非晶塑性机构在这方面应显示出最大的效应。现。因此，非晶塑性机构在这方面应显示出最大的效应。9/21/202423Lesson SeventeenLesson Seventeen假假设设，以以稍稍低低于于声声速速的的速速度度拉拉伸伸方方杆杆，经经过过非非常常小小的的时时间间其其长长度度增增加加50，并并在在此此变变形形条条件件下下和和时时间间间间隔隔内内，所所设设
20、定定的的变变形形速速度度只只能能保保证证变变形形物物体体具具有有5的的残残余余延延伸伸。这这样样，方方杆杆将将具具有有45的的弹弹性性变变形形和和5的的塑塑性性变变形形。因因此此，在在方方杆杆内内产产生生的的应应力力便便可可用用相相当当于于45弹弹性性变变形形的的纵纵坐坐标标aa来来确确定定。若若增增加加此此产产生生50延延伸伸的的变变形形时时间间，即即减减小小拉拉伸伸速速度度，使使在在变变形形物物体体内内具具有有更更大大的的残残余余延延伸伸，例例如如30，那那么么，在在方方杆杆中中的的应应力力数数值值便便可可用用相相当当于于30弹弹性性延延伸伸的的纵纵坐坐标标bb来来确确定定，等等。等等。9
21、/21/202424Lesson SeventeenLesson Seventeen在在设设定定的的总总变变形形数数值值下下变变形形速速度度对对应应力力的的影响影响9/21/202425Lesson SeventeenLesson Seventeen为实现软化过程的时间不够。为实现软化过程的时间不够。金金属属在在变变形形过过程程中中由由于于塑塑性性变变形形的的进进行行金金属属要要发发生生硬硬化化，又又由由于于回回复复和和再再结结晶晶的的作作用用变变形形金金属属又又要要发发生生软软化化。但但回回复复和和再再结结晶晶需需要要一一定定的的时时间间来来完完成成，若若此此时时间间不不够够，则则将将会会使
22、使变变形形金金属属的的硬硬化化速速率率超超过过软软化化速速率率，结结果果使使变变形形抗抗力力升高。升高。从上面的情况可以认为，当所取的变形速度超过保证得到从上面的情况可以认为，当所取的变形速度超过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，而使最大软化的速度时，由于实现软化过程的时间不够，而使应力提高；所取的变形速度低于保证得到最大软化的速实应力提高；所取的变形速度低于保证得到最大软化的速实时，又可由于完全实现塑性变形的时间不够，而使应力提时，又可由于完全实现塑性变形的时间不够，而使应力提高。高。9/21/202426Lesson SeventeenLesson Seventeen由
23、于热效应使变形物体的温度升高。由于热效应使变形物体的温度升高。例例如如，用用50kg的的锤锤头头从从3m的的高高度度上上冲冲击击直直径径和和高高度度为为的的硬硬铝铝试试样样，变变形形程程度度为为89.2%时时，发发现现试样的温度从试样的温度从13升高到升高到317。变变形形速速度度使使变变形形抗抗力力相相对对降降低低的的最最大大影影响响出出现现在在完完全全硬硬化化变变形形的的温温度度区区间间。例例如如，在在拉拉拔拔金金属属过过程程中中，当当拉拉拔拔速速度度为为每每秒秒几几十十米米时时，可可使使拉拉拔拔力力下降，其原因就是拉拔时产生的热效应的结果。下降，其原因就是拉拔时产生的热效应的结果。9/2
24、1/202427Lesson SeventeenLesson Seventeen温度对速度效应的影响温度对速度效应的影响9/21/202428Lesson SeventeenLesson Seventeen温温度度越越高高塑塑性性机机构构的的扩扩散散特特性性表表现现得得越越明明显显。同同时时非非晶晶机机理理在在塑塑性性变变形形过过程程中中起起的的作作用用越越大大，速速度度效效应应也也越越大大。实实现现非非晶晶塑塑性性机机构构需需要要一一定定的的时时间间。此此时时间间的的长长短短取取决决于于金金属属的的材材质质和和温温度度。如如果果时时间间不不够够，非非晶晶机机构构就就不不能能实实现现。这这时时
25、，在在晶晶体体中中，它它将将被被在在较较高高抗抗力力下下能能够够实实现现的的其其它它机机构构所代替。在非晶体中，它将被弹性变形所代替。所代替。在非晶体中，它将被弹性变形所代替。9/21/202429Lesson SeventeenLesson Seventeen在在完完全全软软化化变变形形的的温温度度范范围围内内，任任何何速速度度下下的的硬硬化化曲曲线线都都平平行行于于横横坐坐标标轴轴，即即不不发发生生硬硬化化。在在此此温温度度范范围围内内，在在晶晶粒粒边边界界上上的的粘粘性性流流动动机机构构为为实实现现蠕蠕变变提提供供了了很很大大的的可可能能性性。温温度度越越高高，粘粘性性流流动动抗抗力力越
26、越小小。晶晶粒粒边边界界上上的的粘粘性性流流动动抗抗力力与与其其它它塑塑性性机机构构抗抗力力相相比比，其其值值是是最最小小的的。在在此此温温度度范范围内热效应的影响不大。围内热效应的影响不大。9/21/202430Lesson SeventeenLesson Seventeen在在不不完完全全硬硬化化变变形形的的温温度度范范围围内内，非非晶晶机机构构实实际际上上是是不不能能实实现现的的。在在此此温温度度区区间间，产产生生速速度度效效应应的的基基本本原原因因是是实实现现复复原原的的时时间间不不够够。速速度度效效应应(变变形形抗抗力力的的提提高高)、松松弛弛和和蠕蠕变变在在此此温温度度区区间间表表
27、现现的的程程度度，比比在在不不完完全全软软化化变变形形的的温温度度区区间间要要小小得多。得多。热效应在不完全硬化变形的温度区间比在不完全热效应在不完全硬化变形的温度区间比在不完全软化变形的温度区间要大，但后者的热效应要比软化变形的温度区间要大，但后者的热效应要比在完全软化变形的温度区间要大。在完全软化变形的温度区间要大。9/21/202431Lesson SeventeenLesson Seventeen在在完完全全硬硬化化变变形形的的温温度度区区间间，速速度度效效应应最最小小且且只只取取决决于于复复原原的的时时间间不不够够。在在此此温温度度区区间间，热热效效应应最大，并且温度越低，热效应越大
28、。最大，并且温度越低，热效应越大。速速度度效效应应的的变变化化是是，温温度度越越低低，速速度度效效应应越越小小。由由于于热热效效应应的的作作用用，在在许许多多情情况况下下，变变形形抗抗力力可可在在很很大大的的速速度度范范围围内内保保持持不不变变，甚甚至至使使之之随随着着变变形速度的增大而减小。形速度的增大而减小。9/21/202432Lesson SeventeenLesson Seventeen变形程度变形程度变变形形程程度度对对变变形形抗抗力力的的影影响响，除除其其本本身身大大小小的的影影响响外外，还还与与变变形形物物体体的的材材质质，当当时时的的变变形形温温度度条条件和变形速度条件有关。
29、件和变形速度条件有关。9/21/202433Lesson SeventeenLesson Seventeen当当变变形形金金属属处处于于完完全全硬硬化化状状态态时时，随随着着变变形形程程度度的的增增加加，变变形形抗抗力力增增大大(曲曲线线1)。但但在在高高温温条条件件下下，对对某某些些铁铁素素体体类类合合金金，因因在在变变形形过过程程中中只只产产生生动动态态回回复复，所所以以当当变变形形达达到到一一定定程程度度后后，其其应应力力保保持持不不变变(曲曲线线2)，而而对对奥奥氏氏体体类类合合金金，当当变变形形达达到到一一定定程程度度后后，因因有有动动态态再再结结晶晶的的出出现现，使使应应力力下下降
30、降，直直到到达达到到平平衡衡阶阶段段(曲曲线线3)。由由此此可可见见，变变形形程程度度对对变变形形抗抗力力的的影影响响应应随随变变形形物物体体的的材材质质和和变变形条件的不同而异。形条件的不同而异。9/21/202434Lesson SeventeenLesson Seventeen9/21/202435Lesson SeventeenLesson Seventeen接触摩擦接触摩擦塑性加工中摩擦的主要特点：塑性加工中摩擦的主要特点：在高压下产生的摩擦。在高压下产生的摩擦。 较高温度下的摩擦。较高温度下的摩擦。 不断增加新的接触表面，不断增加新的接触表面， 摩擦副（金属与工具）的性质相差大摩擦
31、副（金属与工具）的性质相差大 9/21/202436Lesson SeventeenLesson Seventeen接触摩擦是金属塑性加工时的重要变形条件。接触摩擦是金属塑性加工时的重要变形条件。接接触触摩摩擦擦不不仅仅决决定定着着金金属属变变形形时时应应力力与与变变形形的的分分布布，而而且且还还影影响响着着金金属属的的塑塑性性、变变形形抗抗力力以以及及金金属的内部组织与性能。属的内部组织与性能。摩摩擦擦一一般般会会改改变变变变形形过过程程的的应应力力状状态态，因因而而对对变变形抗力产生影响。形抗力产生影响。9/21/202437Lesson SeventeenLesson Seventeen影响摩擦的主要因素影响摩擦的主要因素金属的种类和化学成分金属的种类和化学成分 工具材料及其表面状态工具材料及其表面状态 接触面上的单位压力接触面上的单位压力 变形温度变形温度 变形速度变形速度 润滑状态润滑状态9/21/202438Lesson SeventeenLesson Seventeen课后作业Homework习题集P44习题12、13、149/21/202439
