第2[1].4章+塑性加工过程塑性行为

1、金属塑性成形原理 第二章 金属塑性变形的物理基础 第四节 金属塑性加工过程的塑性行为主讲：刘华主讲：刘华华侨大学模具技术研究中心华侨大学模具技术研究中心华侨大学模具技术研究中心第四节 金属在塑性加工过程的塑性行为n塑性指标n金属化学成分对金属塑性的影响n组织结构对金属塑性的影响n变形温度对金属塑性的影响n应变速率对塑性的影响n应力状态对金属塑性的影响n应变状态对金属塑性的影响n其他因素对金属塑性的影响n材料的力学性能对金属塑性的影响n提高金属塑性的基本途径n对变形抗力的影响因素华侨大学模具技术研究中心一、塑性指标 为了衡量金属塑性的高低，需要有一种可以量化的指标，称为塑性指标。 金属在发生塑性

2、变形时，产生抵抗变形的能力，称为变形抗力。0(1)拉伸试验 伸长率 断面收缩率%100001lll%100010AAA%5为塑性材料%5为脆性材料低碳钢的%3020%60为塑性材料华侨大学模具技术研究中心一、塑性指标(2) 镦粗试验 压缩程度%10000HHHKc塑性材料（低碳钢）的压缩塑性材料（低碳钢）的压缩p 拉伸与压缩在屈服阶段拉伸与压缩在屈服阶段以前完全相同。以前完全相同。屈服极限屈服极限S比例极限比例极限弹性极限弹性极限eE E - - 弹性摸量弹性摸量华侨大学模具技术研究中心一、塑性指标(3)扭转试验(4)胀形试验 (杯突试验)(5)扩孔试验(6)拉深试验(7)弯曲试验(8)轧制试

3、验偏心轧辊轧制矩形试样示意杯突试验华侨大学模具技术研究中心二、金属化学成分对金属塑性的影响1.碳和杂质元素的影响 碳 固溶于铁，形成铁素体和奥氏体，具有良好的塑性 当碳的含量超过铁的溶碳能力时，多余的碳便与铁形成渗碳体，渗碳体具有很高的硬度，而塑性几乎为零碳含量对碳钢力学性能的影响华侨大学模具技术研究中心磷 n有害杂质它在铁中有相当大的溶解度，使钢的强度、硬度提高，而塑性、韧性降低，在冷变形时影响更为严重，此称冷脆性。硫 n有害杂质. 硫很少固镕于铁中，在钢中和其他元素组成硫化物后熔点一般都较高，但当组成共晶体时，熔点就降得很低。这些硫化物及其共晶体，通常分布于晶界上，当温度达到其熔点时，它们

4、就会先熔化；因此会导致钢热变形时的开裂，这种现象称为热脆性。n锰可消除硫的的热脆性危害，MnS熔点高二、金属化学成分对金属塑性的影响华侨大学模具技术研究中心氮n氮在钢中除少量固溶外，以氮化物形式存在。n氮化物的质量分数较小(0.002-0.005)时，对钢的塑性无明显的影响；但随着氮化物的质量分数的增加，钢的塑性将降低，导致钢变脆。n时效脆性 氮溶解度在高温和低温时相差很大，温度降低氮会以Fe4N析出，使钢的塑性韧性大为降低。n兰脆（250-300度加工时）二、金属化学成分对金属塑性的影响华侨大学模具技术研究中心氢p 氢脆（氢溶入钢中使钢的塑性韧性下降）p “白点”（从固溶体中析出的氢原子聚集

5、在钢内显微缺陷处形成氢分子，产生局部高压，受到应力作用会产生裂纹） 对钢材的强度影响不太大，但会显著降低钢的塑 性和韧性思考：为什么铸件的白点倾向比锻、轧件低？二、金属化学成分对金属塑性的影响华侨大学模具技术研究中心二、金属化学成分对金属塑性的影响氧 p氧在铁中的溶解度很小，主要是以氧化物的形式存在于钢中，会使钢的塑性显著降低，因为它在钢中起着空穴和微裂纹的作用。p氧化物与其他夹杂物形成易熔共晶体分布于晶界处，造成钢的热脆性。华侨大学模具技术研究中心2.合金元素对钢的塑性的影响（塑性降低、变形抗力提高）二、金属化学成分对金属塑性的影响合金元素对铁素体伸长率和韧性的影响华侨大学模具技术研究中心二

6、、金属化学成分对金属塑性的影响合金元素都能不同程度地溶入铁中形成固溶体，使铁原子的晶格点阵发生不同程度的畸变，从而使钢的变形抗力提高，而塑性有不同程度的降低。许多合金元素会与钢中的碳形成硬而脆的碳化物，使钢的强度提高，而塑性下降。 碳化物的影响还与它的形状、大小和分布状况有密切关系当合金元素与钢中的氧、硫形成氧化物或硫化物夹杂时，会造成钢的热脆性，给热成形带来困难。华侨大学模具技术研究中心合金元素会改变钢中相的组成，造成组织的多相性，从而使钢的塑性降低。有些合金元素会影响钢的铸造组织和钢材加热时晶粒长大的倾向，从而影响钢的塑性。合金元素一般都使钢的再结晶温度提高、再结晶速度降低，因而使钢的硬化

7、倾向增加，塑性降低。低熔点元素几乎都不溶于基体金属，而以纯金属相存在于晶界，造成钢的热脆性。二、金属化学成分对金属塑性的影响华侨大学模具技术研究中心相组成的影响 单相组织(纯金属或固溶体)比多相组织塑性好。多相组织由于各相性能不同，变形难易程度不同，导致变形和内应力的不均匀分布，因而塑性降低。晶粒度的影响 细晶组织比粗晶组织具有更好的塑性铸造组织的影响 铸造组织由于具有粗大的柱状晶粒和偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，故使金属塑性降低。晶格类型的影响三、组织结构对金属塑性的影响华侨大学模具技术研究中心四、变形温度对金属塑性的影响碳钢的塑性随温度的变化曲线n总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但这

8、种增加并非简单的线性上升蓝脆区热脆区高温脆区氮化物、氧化物在晶界、滑移面上沉淀析出，类似于时效硬化珠光体转变，形成两相共存；或是晶界处出现低熔共晶体发生过热、过烧。（晶粒粗大化、晶界出现氧化物和低熔点物质的局部熔化）IIIIII123塑 性-2002000400600100012008001400温度/低温脆区超低温时，塑性几乎完全丧失。原子热振动能力极低，晶界组成物脆化华侨大学模具技术研究中心n温度升高使金属塑性增加的原因？1）发生回复或再结晶2）原子动能增加，使位错活动性提高、滑移系增多，从而改善了晶粒之间变形的协调性3）金属的组织、结构发生变化4 ）扩散蠕变机理起作用5 ）晶间滑移作用增

9、强四、变形温度对金属塑性的影响华侨大学模具技术研究中心五、应变速率对金属塑性的影呐(一)热效应与温度效应n 从能量观点看，塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分转化为热能，这种现象称为热效应n 塑性变形热能，除一部分散失到周围介质中，其余的使变形体温度升高，这种由于塑性变形过程中所产生的热量而使变形体温度升高的现象，称为温度效应。n变形温度高，温度效应小n应变速率大，温度效应大n变形程度大，温度效应大华侨大学模具技术研究中心n(二)应变速率对塑性的影响机理n增加应变速率会使金属的真实应力升高n增加应变速率，没有足够的时间进行回复或再结晶，因而软化过程不充分而使金属的塑性降低(高温明显)n增加应变

10、速率，会使温度效应增大和金属的温度升高n综上，应变速率的增加，既有使金属塑性降低的一面，又有使金属塑性增加的一面；热变形时应变速率对金属塑性的影响较之冷变形时的大，再者，随着变形温度的不同，应变速率对塑性的各影响机理所起的作用也不相同；在分析应变速率对金属塑性的影响时，应将温度、速度二者联系起来考虑。五、应变速率对金属塑性的影呐华侨大学模具技术研究中心n(三)应变速率对金属塑性的影响的一些基本结论1. 应变速率对塑性的影响的一般趋势 五、应变速率对金属塑性的影呐bacde塑 性 指 标应变速率应变速率对塑性的影响的示意曲线一般性规律分析一般性规律分析ab段，由于温度效应所引起的塑性增加，小于其

11、他机理所引起的塑性降低，所以最终表现为塑性降低；bc段，温度效应更为显著，使得塑性基本上不再随着应变速率增加而降低；cd段，由于温度效应更大，其对塑性的有利影响超过其他机理对塑性的不利影响，因而最终使得塑性回升。de段，温度效应过大，进入高温脆区，金属塑性急剧下降华侨大学模具技术研究中心2. 对于具有脆性转变的金属，如果应变速率增加，由于温度效应作用加强而使金属由塑性区进人脆性区，则金属的塑性降低；反之，如果温度效应的作用恰好使金属由脆性区进人塑性区，则对提高金属塑性有利。3. 提高应变速率会在以下几个方面起有利作用：n降低摩擦系数n减少热成形时的热量损失n惯性流动效应4. 在非常高的应变速率

12、(如爆炸成形、电液成形、电磁成形等)下，材料的塑性变形能力大为提高（机理还不太清楚）五、应变速率对金属塑性的影呐华侨大学模具技术研究中心(四)塑性图 为了具体掌握不同变形条件下，金属的塑性随温度变化的情形，需要用试验方法绘制其塑性温度曲线，简称塑性图。 它是拟定变形温度和速度规范的重要依据。五、应变速率对金属塑性的影呐GH4037镍基高温合金的塑性图华侨大学模具技术研究中心六、应力状态对金属塑性的影响卡尔曼试验 仪器的工作部分压力柱塞试样试验腔室高压液体注入孔卡尔曼试验中大理石和红砂石三向受压的试验结果0 1 2 3 4 5 6 7 8 9破坏破坏压缩程度（）20235500685845165

13、02490326010002000300040005000512/10 Paa) 大理石破坏压缩程度（）0 1 2 3 4 5 6 7202755551550247510002000300040005000512/10 Pab) 红砂石破坏卡尔曼试验 1 2华侨大学模具技术研究中心n当静水压力越大，也即在主应力状态下压应力个数越多、数值越大时，金属的塑性越好n压缩应力阻止或减小晶间变形，因而提高了金属的塑性n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n三向压缩作用能抑制对塑性不利的杂质、液态相或组织缺陷1.增大静水压力能抵消由于不均匀变形引起的附加拉应力六、应力状态对金属塑性的影响华侨

14、大学模具技术研究中心n在塑性加工中，人们通过改变应力状态来提高金属的塑性六、应力状态对金属塑性的影响型砧拔长圆断面毛坯加反压力挤压包套挤压华侨大学模具技术研究中心精密冲裁六、应力状态对金属塑性的影响轴向加压剪切华侨大学模具技术研究中心七、应变状态对金属塑性的影响n一般认为，压缩应变有利于塑性的发挥，而拉伸应变则对塑性不利。n三种主应变状态中，两向压缩一向拉伸的为最好，一向压缩一向拉伸的次之，而一向压缩两向拉仲的为最差。n综合应力状态和应变状态对塑性的影响可知，具有三向压缩主应力图和两向压缩一向拉伸主应变图的塑性加工方法，最有利于发挥金属的塑性。挤压或加反压力挤压、闭式模锻等即属于此。华侨大学模

15、具技术研究中心八、其他因素对金属塑性的影响(一)不连续变形的影响 不连续变形(或多次分散变形)的情况下，金属的塑性亦能得到提高，特别是低塑性金属热变形时更为明显。(二)尺寸(体积)因素的影响 尺寸越大，塑性越低；但当变形体的尺寸(体积)达到某一临界值对，塑性将不再随体积的增大而降低。变形体体积对塑性的影响华侨大学模具技术研究中心九、材料的力学性能对金属塑性的影响n 抗剪强度 分离工序的重要参数之一n 屈服强度 成形工序的重要参数之一n 抗拉强度 均匀变形状态下所能承受的拉力n 屈强比 越小材料塑性变形区间越大，塑性变形性能越好n 均匀伸长率 发生均匀塑性变形的能力n 硬化指数 值越大，冲压变形区内各部分变形程度趋于均匀，致使总变形程度增加，对拉伸类冲压成形有利。n 各项异性系数rnbs/bs华侨大学模具技术研究中心十、提高金属塑性的基本途径n提高材料成分和组织的均匀性n合理选择变形