材料成型金属学ch05金属在塑性加工过程中的塑性行为

1、5.金属在塑性加工过程中的塑性行为金属在塑性加工过程中的塑性行为.1.1金属的塑性和塑性指标金属的塑性和塑性指标.1.1.1.1塑性的基本概念塑性的基本概念n塑性塑性： 金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。性的能力。n塑性是金属固有的一种性质塑性是金属固有的一种性质, ,反映材料产生塑性变形的能力。反映材料产生塑性变形的能力。 n影响金属塑性的因素：影响金属塑性的因素：内因：化学成分、组织结构等内因：化学成分、组织结构等外因：变形温度、变形速度、应力状态等外因：变形温度、变形速度、应力状态等n塑性与柔软性的区别塑性与

2、柔软性的区别：柔软性反映金属的软硬程度，指金属变形抗力的大小。柔软性反映金属的软硬程度，指金属变形抗力的大小。 塑性指金属的形变能力，用断裂前的变形程度的大小衡量。塑性指金属的形变能力，用断裂前的变形程度的大小衡量。 二者并不总是一致的二者并不总是一致的. . 讨论金属在塑性加工中的软硬程度不用柔软性讨论金属在塑性加工中的软硬程度不用柔软性, ,而用变形抗力而用变形抗力. .n塑性与粘性的区别塑性与粘性的区别： 塑性塑性: :金属在产生永久变形时金属在产生永久变形时, ,伴随有组织的变化伴随有组织的变化, ,但没有尺寸但没有尺寸数量级超过光的波长尺寸的完整性的破坏数量级超过光的波长尺寸的完整性

3、的破坏. . 粘性粘性: :物体虽也具有永久性变形物体虽也具有永久性变形, ,但无组织的变化和完整性的但无组织的变化和完整性的破坏破坏. .5.1.25.1.2塑性指标及其测量方法塑性指标及其测量方法n塑性指标塑性指标( (塑性极限塑性极限) ): : 金属在不同变形条件下允许的极限变形量。金属在不同变形条件下允许的极限变形量。n塑性指标与变形金属的材质和变形条件有关。塑性指标与变形金属的材质和变形条件有关。n测量方法：测量方法： 1 1）简单加载条件下塑性指标的测定）简单加载条件下塑性指标的测定 2 2）模拟塑性加工过程塑性指标的测定）模拟塑性加工过程塑性指标的测定 3 3）与应力状态无关的

4、通用的塑性指标的确定（如：古）与应力状态无关的通用的塑性指标的确定（如：古布金的确定平均塑性法）布金的确定平均塑性法） 4 4）绘制塑性图）绘制塑性图1 1）简单加载条件下塑性指标的测定）简单加载条件下塑性指标的测定 拉伸（拉伸（tension)tension)试验法试验法: : 延伸率延伸率(elongation): (elongation): 延伸率延伸率= =均匀变形均匀变形+ +局部集中变形局部集中变形 试样计算长度越长试样计算长度越长, ,集中变形比例越小，延伸越小集中变形比例越小，延伸越小. . 规定规定:L=10d:L=10d（10)10)或或L=5d(5) L=5d(5) 断面

5、收缩率断面收缩率(fractionalreduction in cross section area)(fractionalreduction in cross section area) 断面收缩率与试样计算长度无关断面收缩率与试样计算长度无关. . 压缩压缩(compression)(compression)试验法试验法: : 压下率：压下率： 影响因素：摩擦、散热、几何尺寸影响因素：摩擦、散热、几何尺寸 扭转扭转(torsion)(torsion)试验法试验法: : 破断前的扭转数破断前的扭转数n n或扭转角或扭转角, ,整个长度上均匀变形整个长度上均匀变形%100Ll%100FfF%1

6、00HhH2 2）模拟塑性加工过程塑性指标的测定）模拟塑性加工过程塑性指标的测定n条件条件: :基本应力状态图示与所模拟的塑性加工过程或所模基本应力状态图示与所模拟的塑性加工过程或所模拟的工序相同拟的工序相同. .n工艺塑性指标工艺塑性指标: :模拟塑性加工过程法测定的塑性指标模拟塑性加工过程法测定的塑性指标. .其名其名称与被确定塑性的该压力加工过程的名称相对应称与被确定塑性的该压力加工过程的名称相对应, ,如如: :轧制轧制性、锻造性、模锻性性、锻造性、模锻性. .n确定材料锻造钢锭法确定材料锻造钢锭法：镦粗光滑圆柱体试样或沿轮廓线带：镦粗光滑圆柱体试样或沿轮廓线带切口的圆柱体试样，在二斜

7、砧中锻造钢锭法。切口的圆柱体试样，在二斜砧中锻造钢锭法。n确定纵轧时材料的轧制性法确定纵轧时材料的轧制性法：平轧辊上轧制楔形试样法和：平轧辊上轧制楔形试样法和偏心轧辊上轧制矩形断面试样法。偏心轧辊上轧制矩形断面试样法。n确定板料冲压性的方法确定板料冲压性的方法：杯突试验法，锥形杯深延法及圆：杯突试验法，锥形杯深延法及圆形板坯冲压成柱形杯法。形板坯冲压成柱形杯法。塑性图及应用塑性图及应用n塑性图塑性图：塑性指标与变形温度的关系曲线图。：塑性指标与变形温度的关系曲线图。n作用作用：确定合理的热加工温度范围和应采取的变形程度。：确定合理的热加工温度范围和应采取的变形程度。n塑性图中常用塑性指标塑性图

8、中常用塑性指标：、k k、n n、，教材图教材图n正确确定正确确定 变形温度和变形程度，需要相图、再结晶图、变形温度和变形程度，需要相图、再结晶图、塑性图配合，即塑性图配合，即三图定温三图定温。5.25.2金属的化学成分及组织对塑性的影响金属的化学成分及组织对塑性的影响n纯金属具有较高塑性。纯金属具有较高塑性。n纯金属加入其它合金元素后成单相固溶体时也有较好塑性纯金属加入其它合金元素后成单相固溶体时也有较好塑性. .n若所含的元素形成化合物时，塑性降低。若所含的元素形成化合物时，塑性降低。n面心立方面心立方 体心立方体心立方 六方晶格六方晶格n合金的某元素与基体金属形成固溶体时，此二元合金的塑

9、性合金的某元素与基体金属形成固溶体时，此二元合金的塑性主要由基体元素的塑性决定，此情况也适用于三元合金。主要由基体元素的塑性决定，此情况也适用于三元合金。n合金成分中不溶于固溶体或部分溶于固溶体中元素将形成某合金成分中不溶于固溶体或部分溶于固溶体中元素将形成某种成分的过剩相存在于晶内或晶界，这些过剩相对其塑性有种成分的过剩相存在于晶内或晶界，这些过剩相对其塑性有非常大的影响。非常大的影响。5.2.1 5.2.1 化学成分的影响化学成分的影响5.2.25.2.2合金元素的影响合金元素的影响nFeFe化学纯铁塑性高，工业纯铁不完全高塑性。化学纯铁塑性高，工业纯铁不完全高塑性。nCC碳含量越高，钢的

10、塑性越差，热加工温度范围窄。碳含量越高，钢的塑性越差，热加工温度范围窄。nMnMn锰钢具有高加热速度敏感性。锰钢具有高加热速度敏感性。MnMn可消除或减轻可消除或减轻S S和和O O的有害作用，的有害作用，使塑性提高。使塑性提高。nSS仅微量溶于固溶体，以仅微量溶于固溶体，以FeSFeS、MnSMnS等硫化物形式存在于钢中。等硫化物形式存在于钢中。 含硫量较多，并存在有低熔点的硫的共晶体和化合物时，钢的塑性与变含硫量较多，并存在有低熔点的硫的共晶体和化合物时，钢的塑性与变形温度有关。加热温度高于硫的共晶体和化合物的熔点时，由于软化形温度有关。加热温度高于硫的共晶体和化合物的熔点时，由于软化或熔

11、化使晶间联系削弱，变形时易出现红脆。或熔化使晶间联系削弱，变形时易出现红脆。 网状包围晶粒形式的硫化物降低塑性。球状硫化物使塑性提高。网状包围晶粒形式的硫化物降低塑性。球状硫化物使塑性提高。nPP易出现冷脆。对热变形影响不大。易出现冷脆。对热变形影响不大。 nOO也会产生红脆。也会产生红脆。FeO FeO 、 Al2O3 Al2O3 、 SiO2,SiO2,熔点低分布在晶界的共熔点低分布在晶界的共晶体，由于软化或熔化使晶间联系减弱，出现红脆。晶体，由于软化或熔化使晶间联系减弱，出现红脆。nSiSi以固溶体形式存在：对塑性影响不大，含量过高，塑性下降。以固溶体形式存在：对塑性影响不大，含量过高，

12、塑性下降。 以硅化物形式存在：变形温度下不溶解，使塑性下降。以硅化物形式存在：变形温度下不溶解，使塑性下降。nNiNi、W W、MoMo：强度：强度，塑性，塑性nCrCr：塑性：塑性 ；nV V：强度：强度，塑性不变。含量高时，塑性，塑性不变。含量高时，塑性；nAlAl：晶界形成：晶界形成AlNAlN，塑性，塑性nCuCu：塑性：塑性，还原气氛中加热，塑性，还原气氛中加热，塑性；nB B： 0.02% 铸钢铸钢原因：网状碳化物破碎且均原因：网状碳化物破碎且均匀分布。匀分布。5.35.3变形的温度变形的温度- -速度条件对塑性的影响速度条件对塑性的影响n随变形温度随变形温度，塑性，塑性。 原因：

13、温度原因：温度，原子热运动的能量，原子热运动的能量，滑移系，滑移系，扩散性，扩散性质明显的塑性变形机构（非晶机构、溶解机构等）作用质明显的塑性变形机构（非晶机构、溶解机构等）作用。温度温度，软化作用，软化作用，变形过程中产生的破坏和缺陷的恢，变形过程中产生的破坏和缺陷的恢复复。n实际变形中，随温度变化而产生的相态和晶粒边界的变化实际变形中，随温度变化而产生的相态和晶粒边界的变化对塑性有影响。对塑性有影响。n通常，塑性与温度的关系曲线中会出现三个脆性区：低温通常，塑性与温度的关系曲线中会出现三个脆性区：低温脆性区、中温脆性区、高温脆性区。有时不只三个脆性区。脆性区、中温脆性区、高温脆性区。有时不

14、只三个脆性区。温度对塑性影响的典型示意图温度对塑性影响的典型示意图变形温度对碳钢的塑性的影响变形温度对碳钢的塑性的影响四个低塑性区四个低塑性区：区区：塑性极低。：塑性极低。-200-200时，接时，接近近0 0。原子热运动能力极低，也可能与原子热运动能力极低，也可能与晶粒边界的某些组织组成物的脆晶粒边界的某些组织组成物的脆化有关。化有关。区区：蓝脆区，：蓝脆区，200400 200400 ；区：区：800950 800950 ，与相变有，与相变有关。也有人认为与关。也有人认为与S S有关，称之有关，称之为红脆（热脆）区。为红脆（热脆）区。区区：温度接近熔化温度，易过：温度接近熔化温度，易过热或

15、过烧，使晶间强度减弱，塑热或过烧，使晶间强度减弱，塑性性。三个高塑性区三个高塑性区：1 1区：区：100200100200原因：原子热振动原因：原子热振动。2 2区：区：700800700800原因：发生再结晶、扩散。原因：发生再结晶、扩散。3 3区：区：95012509501250原因：具有均匀原因：具有均匀组织，充组织，充分软化。分软化。完全硬化条件下变形速度对塑性的影响：完全硬化条件下变形速度对塑性的影响：随变形速度的升高，塑性降低。随变形速度的升高，塑性降低。在非常低的变形速度下，塑性在非常低的变形速度下，塑性降低。降低。第一次第一次上升：上升：随变形速度随变形速度，晶粒边界上的粘性流

16、动消失，晶粒边界上的粘性流动消失，变形抗力变形抗力，滑移开始作用，滑移开始作用，塑性塑性。继续提高变形速度，塑性又开继续提高变形速度，塑性又开始下降始下降：随变形速度随变形速度，变形，变形抗力升高，达到相应于更小变抗力升高，达到相应于更小变形程度下的断裂抗力之值。形程度下的断裂抗力之值。第二次上升第二次上升：热效应起作用，：热效应起作用，温度温度 ，变形抗力下降。，变形抗力下降。第二次下降第二次下降：热效应极大，把：热效应极大，把金属加热到出现液相或大大降金属加热到出现液相或大大降低其晶间物质的强度。低其晶间物质的强度。粘性流动时变形速度对塑性的影响粘性流动时变形速度对塑性的影响不同变形温度区

17、间，温度不同变形温度区间，温度- -速度因素对塑性的影响：速度因素对塑性的影响：1 1）低温塑性变形（冷变形）低温塑性变形（冷变形） 范围：室温范围：室温 开始再结晶温度（纯金属：开始再结晶温度（纯金属：0.30.4Tm0.30.4Tm；合金：；合金：0.5Tm0.5Tm），）， 变形速度为变形速度为1010-4-41010-3-3s s-1-1时，塑性变形机构为滑移。时，塑性变形机构为滑移。 bccbcc、hcphcp：存在脆性转变温度，降低温度提高变形速度，：存在脆性转变温度，降低温度提高变形速度，滑移系减少，滑移作用滑移系减少，滑移作用，孪生作用，孪生作用，塑性，塑性。 fcc:fcc:

18、温度温度，塑性不，塑性不。 脆性转变温度区：宜低变形速度；脆性转变温度区：宜低变形速度； 冷脆点在室温：宜低速；冷脆点在室温：宜低速； 冷脆点高于室温：宜高速；（热效应）冷脆点高于室温：宜高速；（热效应）n中温塑性变形（温变形）：中温塑性变形（温变形）： 上限：开始再结晶温度。基本塑性变形机构：晶内滑移。上限：开始再结晶温度。基本塑性变形机构：晶内滑移。 bccbcc：塑性好，但变形速度：塑性好，但变形速度时，塑性时，塑性； fcc fcc 、hcphcp：由于相变，规律不同。：由于相变，规律不同。 形变时效：变形抗力形变时效：变形抗力，塑性，塑性。（钢的兰脆：。（钢的兰脆：400 400 金

19、属的硬化和塑性降低与析出化合物的高弥散质点有关，金属的硬化和塑性降低与析出化合物的高弥散质点有关， 变形速度，弥散硬化来不及形成，塑性不会变形速度，弥散硬化来不及形成，塑性不会。 变形温度，塑性无影响。变形温度，塑性无影响。高温塑性变形（热变形）高温塑性变形（热变形） 变形温度，塑性变形温度，塑性。 红脆红脆：0.50.8Tm0.50.8Tm，晶间断裂，塑性，晶间断裂，塑性。一般含较多。一般含较多O O、N N、H H、C C等夹杂。等夹杂。 成因：各种化合物在晶界上的偏析。夹杂偏析：扩散产生成因：各种化合物在晶界上的偏析。夹杂偏析：扩散产生红脆；易熔化合物偏析：晶界熔化、晶界强度红脆；易熔化

20、合物偏析：晶界熔化、晶界强度；脆性化；脆性化合物：合物：（难熔金属和合金）阻碍晶界滑移，晶界连续变形难熔金属和合金）阻碍晶界滑移，晶界连续变形遭破坏，导致晶间断裂。遭破坏，导致晶间断裂。变形速度变形速度，抑制红脆；抑制了控制晶间破坏的热活化扩散，抑制红脆；抑制了控制晶间破坏的热活化扩散过程，减少晶间变形对总变形的贡献。过程，减少晶间变形对总变形的贡献。5.45.4变形的力学条件对塑性的影响变形的力学条件对塑性的影响5.4.15.4.1应力状态的影响应力状态的影响n金属由单向拉应力状态过渡到三向拉应力状态时金属由单向拉应力状态过渡到三向拉应力状态时, ,其塑性有显著下降其塑性有显著下降. .n静

21、水压力值越大静水压力值越大, ,金属的塑性发挥得越好金属的塑性发挥得越好. .n按应力状态图的不同按应力状态图的不同, ,将其对塑性的影响程度排序将其对塑性的影响程度排序: : 三向压三向压 二压一拉二压一拉 二拉一压二拉一压 三向拉三向拉n静水压力提高塑性的原因静水压力提高塑性的原因: : 1) 1)体压缩能遏止晶粒边界的相对移动体压缩能遏止晶粒边界的相对移动, ,使晶间变形困难使晶间变形困难. 2) 2)体压缩能促进由于塑性变形和其它原因而破坏了的晶内联系的恢复体压缩能促进由于塑性变形和其它原因而破坏了的晶内联系的恢复. . 3) 3)体压缩能完全或局部地消除变形物体内数量很小的某些夹杂物

22、甚至体压缩能完全或局部地消除变形物体内数量很小的某些夹杂物甚至液相对塑性的不良影响液相对塑性的不良影响. . 4) 4)体压缩能完全抵偿或大胆降低由于不均匀变形所引起的拉伸附加应体压缩能完全抵偿或大胆降低由于不均匀变形所引起的拉伸附加应力力, ,减轻了拉应力的不良影响减轻了拉应力的不良影响. .5.4.25.4.2变形状态的影响变形状态的影响n主变形图中压缩分量越多主变形图中压缩分量越多, ,对充分发挥金属的塑性越有利对充分发挥金属的塑性越有利. .n主变形图排序主变形图排序: :二压一拉二压一拉 一压一二拉一压一压一二拉一压n原因原因: :实际变形物体中的缺陷实际变形物体中的缺陷: :如气孔

23、、夹杂、缩孔、空洞如气孔、夹杂、缩孔、空洞等等. .二拉一压时二拉一压时, ,向两个方向扩大暴露弱点向两个方向扩大暴露弱点, ,但二压一拉下但二压一拉下, ,可成为线缺陷可成为线缺陷, ,使危害减小使危害减小. .n变形物体内变形状态均匀分布时变形物体内变形状态均匀分布时, ,则因避免不均匀变形的则因避免不均匀变形的出现出现, ,使金属的塑性提高使金属的塑性提高. .n虽然三向压最有利于发挥塑性虽然三向压最有利于发挥塑性, ,但会使单位变形力增加但会使单位变形力增加, ,因因此此, ,选择加工方法时应视具体条件而定选择加工方法时应视具体条件而定. .5.55.5其它因素对塑性的影响其它因素对塑性的影响n分散变形：分散变形： 塑性；塑性； 原因：每次变形量小，远低于塑性指标，因此，产生应力原因：每次变形量小，远低于塑性指标，因此，产生应力小，不足以引起断裂。变形间隙中的软化，小，不足以引起断裂。变形间隙中的软化， 塑性。