5金属的塑性与变形抗力-新

1、5 5 金属的塑性与变形抗力金属的塑性与变形抗力5.1 金属塑性的概念及测定方法金属塑性的概念及测定方法 一、 金属塑性的基本概念 所谓塑性，是指金属在外力作用下，能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力。 金属塑性的大小，用金属在断裂前产生的最大变形程度来表示。它表示塑性加工时金属塑性变形的限度，叫“塑性极限”或“塑性指标”。不能把塑性和柔软性混淆起来。 柔软性反映金属的软硬程度，它用变形抗力的大小来衡量，表示变形的难易。 室温下的铅，塑性很高而变形抗力又小。变形抗力小的金属塑性就好，或是变形抗力大的金属塑性就差。例如：例如： 过热和过烧的金属与合金，其塑性很小，甚至完全失去塑性变形的能力

2、，而变形抗力也很小； 室温下奥氏体不锈钢的塑性很好，能经受很大的变形而不破坏，但它的变形抗力却非常大；不要认为：注意：二、二、 金属塑性指标及测定方法金属塑性指标及测定方法 1 1、塑性指标、塑性指标 表示金属与合金塑性变形性能的主要指标有： 1）拉伸试验时延伸率（）与断面收缩率（） 2）扭转试验的扭转周数。 4）锻造及轧制时刚出现裂纹瞬间的相对压下量 5）深冲试验时的压进深度，损坏前的弯折次数。 3）冲击试验时的冲击韧性 2 2、金属塑性的测定方法、金属塑性的测定方法 测定金属塑性的方法最常用的有机械性能试验方法和模拟试验法两大类。 （1）机械性能试验法）机械性能试验法 1）拉伸试验：是在材

3、料试验机上进行的。lL%L00FF%F 在拉伸试验中可确定延伸率和断面收缩率两个塑性指标，这两个指标越高，说明金属的塑性越好。2）扭转试验：是在专用的扭转试验机上进行的。 试验时，将圆柱形试样的端固定，另一端扭转，用破断前扭转的转数（n）表示塑性的大小。图5-1 W18Cr4V高速钢破断前扭转转数与试验温度的关系 3）冲击弯曲试验。 冲击韧性值 不完全是一种塑性指标，它是弯曲变形抗力和试样弯曲挠度的综合指标。Ka式中 H 试样的原始高度，mm。 h试样的变形后高度，mm。100Hh%H（2）模拟试验法）模拟试验法 1）顶锻试验：也称镦粗试验 是将圆柱形试样在压力机或落锤上镦粗，把试样侧面出现第

4、条可见裂纹时的变形量，作为塑性指标即 2）楔形轧制试验 一种是在平辊上将楔形试样轧成扁平带状。 另一种方法是在偏心辊上将矩形轧件轧成楔形。 轧后观察测量首先出现裂纹处的变形量(h/H）此变形量就表示塑性大小。 根据厚度变化的楔形件最初出现裂纹处的变形量h/H来确定其塑性大小。 3 3 、塑性图、塑性图 塑性指标与变形温度关系的曲线图，称之为塑性图。 (1)定义 (2)用途 1）由热拉伸、热扭转等机械性能试验法测绘的塑性图，可确定变形温度范围； 2）由顶锻和楔形轧制的塑性图，不仅可以确定变形温度范围，还可以分别确定自由锻造和轧制时的许用最大变形量。W18Cr4V高速钢的塑性图高速钢的塑性图 GH

5、l30合金塑性图5.2 影响塑性的因素及提高塑性的途径一、 金属的自然性质对塑性的影响金属的自然性质对塑性的影响 大致可分三个方面： 金属的自然性质 变形的温度、速度条件变形的力学条件1、组织状态、组织状态的影响的影响 （2）单相组织（纯金属或固溶体）比多相组织塑性好 （1）纯金属有最好的塑性 （3）晶粒细化有利于提高金属的塑性 （4）化合物杂质呈球状分布对塑性较好；呈片状、网状分布在晶界上时，使金属的塑性下降 （5）经过热加工后的金属比铸态金属的塑性高2 、 化学成分的影响化学成分的影响 （1）铁、硫、锰 化学纯铁具有很高的塑性，工业纯铁在9000C左右时，塑性突然下降。 硫是钢中有害杂质，

6、易产生“红脆”现象 锰可提高钢的塑性，但锰钢对过热的敏感性强，在加热过程中晶粒容易粗大，使钢的塑性降低。 各种硫化物和共晶体熔点各种硫化物和共晶体熔点（2）碳 碳在碳钢中含碳量越高，塑性越差，热加工温度范围越窄。当C0.5%时，对塑性不利， Si2.0%时,钢的塑性降低， Si4.5%时，在冷状态下塑性很差。 铝对钢的塑性有害。（7）磷 钢中P11.5%时，在热加工范围内对塑性影响不大。 在冷状态下，磷使钢的强度增加塑性降低，产生“冷脆”现象。（8）铅、锡、砷、锑、铋 钢中五大有害元素，它们在加热时熔化，使金属失去塑性。（9）氧、氮、氢 氧能使钢的塑性降低，氮也会使钢的塑性变差，氢对钢的塑性无

7、明显的影响。（10）稀土元素 适当加入一些，能使钢的塑性得到改善。3 、 铸造组织的影响铸造组织的影响 铸坯的塑性低、性能不均匀。 （1）铸态材料的密度较低，因为在接近铸锭的头部和轴心部分，分布有宏观和微观的孔隙，沸腾钢钢锭有皮下气泡。造成原因： （2）用一般方法熔炼的钢锭，经常发现有害杂质（如硫、磷等）的很大偏析，特别是在铸锭的头部和轴心部分。（3）对于大钢锭，枝晶偏析会有较大的发展。（4）在双相和多相的钢与合金中，第二相组织成粗大的夹杂物，常常分布在晶粒边界上。二、 变形温度、速度对塑性的影响 1、变形温度的影响、变形温度的影响 一般是随着温度的升高，塑性增加。但并不是直线上升的。 温度对

8、碳素钢塑性的影响 现以温度对碳钢塑性的影响的一般规律分析说明：用、表示塑性降低区， 1、2、3表示塑性增高区 。 区区钢的塑性很低，在零下200时塑性几乎完全丧失，这大概是由于原子热运动能力极低所致。 区区位于200400之间，此区域亦称为兰脆区，即在钢材的断裂部分呈现兰色的氧化色，因此称为“兰脆”。 区区位于800950之间，称为热脆区。 区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，继续加热有可能使金属产生过热或过烧现象。 1区位于100200之间，塑性增加是由于在冷变形时原子动能增加的缘故（热振动）。 2区位于700800之间，由于有再结晶和扩散过程发生，这两个过程对塑性都

9、有好的作用。 3区位于9501250的范围内，在此区域中没有相变，钢的组织是均匀一致的奥氏体。 热轧时应尽可能地使变形在3区温度范围内进行，而冷加工的温度则应为1区。 2 2、变形速度的影响、变形速度的影响 变形速度对塑性的影响变形速度对塑性的影响 区，即变形速度小于临界变形速度，该区随变形速度的增加，塑性是随之下降的。 区，是在大于临界变形速度的情况下，随变形速度的增加，塑性是增加的。 三、 变形力学条件对塑性的影响 1、 应力状态的影响应力状态的影响 在进行压力加工的应力状态中，压应力个数越多，数值越大（即静水压力越大），金属塑性越高。其影响原因归纳如下：其影响原因归纳如下： 三向压应力状

10、态图最好，两压一拉次之，三向拉应力最坏。（1）三向压应力状态能遏止晶间相对移动，使晶间变形困难。（2）三向压应力状态能促使由塑性变形和其它原因而破坏了的晶内和晶间联系得到修复。 （3）三向压应力状态能完全或局部地消除变形体内数量很少的某些夹杂物甚至液相对塑性不良的影响； （4）三向压应力状态可以完全抵消或大大降低由不均匀变形而引起的附加拉力，使附加拉应力所造成的破坏作用减轻。 2 、 变形状态的影响 主变形图中压缩分量越多，对充分发挥金属的塑性越有利。 两向压缩一向延伸的变形图最好，一向压缩一向延伸次之，两向延伸一向压缩的主变形图最差。四、其他因素对塑性的影响 1、不连续变形的影响 当热变形时

11、，不连续变形可提高金属的塑性。 2、尺寸（体积）因素的影响 随着物体体积的增大塑性有所降低，但降低一定程度后，体积再增加其影响减小。 （3）选用三向压应力较强的变形过程。五、 提高塑性的途径 提高塑性的主要途径有以下几个方面： （1）控制金属的化学成份，改善组织结构。 （2）采用合适的变形温度-速度制度。 （4）尽量造成均匀的变形过程。 （5）避免加热和加工时周围介质的不良影响。5.3 变形抗力 一、 变形抗力概念 所谓变形抗力，是指金属地抗塑性变形的能力。 二、测定方法二、测定方法 基本方法有：拉伸法、压缩法和扭转法。（1）拉伸法）拉伸法 使用圆柱试样，认为在拉伸过程中在试样出现细颈前，在其

12、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。F 此时变形物体的真实变形应为：llnL特点：特点： 测量精确，方法简单，但变形程度不应大于20%30%。（2）压缩法）压缩法 变形程度为：Hlnh 由此所测得得变形抗力为：0PPeFF特点：特点： 能允许式样具有比拉伸更大的变形，但完全保证试样处于单向压应力状态较困难。一般取H/D22.5 三、 变形抗力的确定 要计算金属塑性变形过程中所需的外力，必须知道变形抗力的值。 先在变形的热力参数为某一种等值的条件下求出金属的变形抗力，并将它作为基础值。然后再用热力参数修正系数来修正此基础值

13、。 0stk k k0的获得条件 ：t=1000C; =0.1 =10s-1 5.4 影响变形抗力的主要因素 一、化学成分和显微组织的影响一、化学成分和显微组织的影响 1、化学成分的影响（1）碳 在较低的温度下随着钢中含碳量的增加，钢的变形抗力升高。温度升高时其影响减弱。在不同变形温度和变形速度下含碳量对碳钢变形抗力的影响在不同变形温度和变形速度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）（实线为静压缩，虚线为动压缩）（2）锰（3）硅 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（Mnl2）有更高

14、的变形抗力。 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。（4）铬 对含铬量为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GCr6GCrl5（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。高铬钢1Cr134Cr13，Cr17，Cr23等在高速下变形时，其变形抗力大为提高。特别对含碳量较高

15、的铬钢（如Crl2等）更是如此。（5）镍 镍在钢中可使变形抗力稍有提高。但对25NiA、30NiA和13Ni2A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Ni25Ni28钢，其变形抗力与碳钢相比有很大的差别。2、 金属的变形抗力与其显微组织有密切关系 （2）单相组织比多相组织的变形抗力要低； （3）晶粒体积相同时，晶粒细长者较等轴晶粒结构的变形抗力为大； （4）晶粒尺寸不均匀时，又较均匀晶粒结构时为大； （5）金属中的夹杂物对变形抗力也有影响，在一般情况下，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。 （1）一般情况时，晶粒越细小，变形抗力越大 二、变形温度的影

16、响 在加热及轧制过程中，温度对钢的变形抗力影响非常大。随着钢的加热温度的升高，变形抗力降低。钢的变形抗力和温度的关系如下： 如1200时 变形抗力为1.0则1100时 变形抗力为2.7 1000时 变形抗力为4.0 800时 变形抗力为6.7 常温时 变形抗力为20 温度升高，金属变形抗力降低的原因有以下几个方面：（1）发生了回复与再结晶 ，（2）临界剪应力降低 ， （3）金属的组织结构发生变化， （4）随温度的升高，新的塑性变形机制参与作用三、 变形速度的影响 在热变形时，通常随变形速度的提高变形抗力增大。 根据加工硬化和恢复理论，认为塑性变形过程中在变形金属内部有两个相反的过程强化和软化过程（恢复和再结晶）同时存在。由于软化过程以一定速度在进行，变形速度愈大软化过程愈来不及进行（轧制时的平均变形速度一般为l103s），金属强化的愈严重。因此随变形速度的提高变形抗力增大， 变形速度对碳钢变形抗力的影响变形速度对碳钢变形抗力的影响压下率：压下率：-50；-10；-2四、 变形程度对