金属塑性变形理论变形抗力影响因素

1、2022-4-291金属塑性变形理论Theory of metal plastic deformation 第十七讲第十七讲Lesson Seventeen张贵杰张贵杰Zhang GuijieTel-Mail： 河北理工大学金属材料与加工工程系Department of Metal Material and Process EngineeringHebei Polytechnic University, Tangshan 0630092022-4-292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

2、抗力的计算 2022-4-2938.2 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 2022-4-294应力状态应力状态 在塑性加工过程中，变形物体所承受的应力状态对在塑性加工过程中，变形物体所承受的应力状态对其变形抗力有很大的影响。其变形抗力有很大的影响。 例如，挤压时的变形抗力要比轧制时大；在孔型中例如，挤压时的变形抗力要比轧制时大；在孔型中轧制时要比在平轧辊上轧制时大；模锻时要比在平轧制时要比在平轧辊上轧制时大；模锻时要比在平锤头间锻造时大等等。这些都表明，应力状态对变锤头间锻造时大

3、等等。这些都表明，应力状态对变形抗力有较明显的影响。形抗力有较明显的影响。 在图示中压应力状态越强，变形抗力越大。挤压时在图示中压应力状态越强，变形抗力越大。挤压时为三向压应力状态图示，而拉拔时为单向拉伸和两为三向压应力状态图示，而拉拔时为单向拉伸和两向压缩的应力状态图示，所以挤压时金属的变形抗向压缩的应力状态图示，所以挤压时金属的变形抗力就大于拉伸时的变形抗力。力就大于拉伸时的变形抗力。2022-4-295 金属的变形抗力在很大程度上取决于静水压力。对金属的变形抗力在很大程度上取决于静水压力。对许多金属和合金来说，当静水压力从许多金属和合金来说，当静水压力从0增加到增加到5000MPa时，其

4、变形抗力可增加一倍。时，其变形抗力可增加一倍。2022-4-296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6.31.9203166525淬火并人工时效淬火并人工时效铸造铸造A5铝合金铝合金23.917.2461382470在水中淬火在水中淬火Al-Cu-Mg-Zn合金合金28.032.0331234在供应状态下在供应状态下MA2镁合金镁合金21.47.5254219360退火退火镁镁50.643.8571470800在水中淬火在水中淬火铍青铜铍青铜84.371.5217209600退火退火钢钢有径向压力有径向压力无径向压力无径向压力有径向压力有径向压力无径向压力无径向压力断

5、裂时的断面收缩率，断裂时的断面收缩率，强度极限，强度极限，MPa热处理热处理材料材料2022-4-297静水压力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： 金属合金中的已有组织或在塑性变形过程中发生的金属合金中的已有组织或在塑性变形过程中发生的组织转变有脆性倾向。这时，静水压力可以使金属组织转变有脆性倾向。这时，静水压力可以使金属变得致密，消除可能产生的完整性的破坏，从而既变得致密，消除可能产生的完整性的破坏，从而既提高了金属的塑性，又提高了金属的变形抗力。提高了金属的塑性，又提高了金属的变形抗力。通通常，金属越倾向于脆性状态，静水压力的影响越显常，金属越

6、倾向于脆性状态，静水压力的影响越显著。著。2022-4-298 金属合金的流变行为与粘塑性体的行为相一致。金属合金的流变行为与粘塑性体的行为相一致。对粘性体来讲，变形速度和静水压力对其变形抗力对粘性体来讲，变形速度和静水压力对其变形抗力有明显的影响。对粘塑体来讲也同样是这样。并有明显的影响。对粘塑体来讲也同样是这样。并且且粘性性质越明显，这种影响就越大粘性性质越明显，这种影响就越大。在一定的温。在一定的温度速度条件下度速度条件下(特别是在温度接近熔点且变形速度特别是在温度接近熔点且变形速度不大时不大时)，金属合金的流动行为与粘塑性体的流变，金属合金的流动行为与粘塑性体的流变行为相一致。此时，变

7、形速度和静水压力对金属合行为相一致。此时，变形速度和静水压力对金属合金便产生相应的影响。金便产生相应的影响。2022-4-299 关于静水压力对变形抗力产生影响原因尚需进一步关于静水压力对变形抗力产生影响原因尚需进一步研究。研究。 有人认为，变形速度对变形抗力的影响越大时，静有人认为，变形速度对变形抗力的影响越大时，静水压力对变形抗力的影响也越大。由于静水压力的水压力对变形抗力的影响也越大。由于静水压力的作用，可使金属内的空位减少，使塑性形变因难。作用，可使金属内的空位减少，使塑性形变因难。特别是当变形速度较大，实现塑性变形的时间不够特别是当变形速度较大，实现塑性变形的时间不够时更是如此。空位

8、的数量越大，静水压力对变形抗时更是如此。空位的数量越大，静水压力对变形抗力的影响也超大。力的影响也超大。2022-4-2910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温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参与度的升高所引起的软化效应和其它变形机构的参与作用。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 对纯金属当温度高于对

9、纯金属当温度高于(0.250.3) Tm时在变形金属内时在变形金属内产生回复，高于产生回复，高于0.4 Tm时有再结晶出现。时有再结晶出现。2022-4-2911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2022-4-2912 在软化温度区间持续时间的长短对金属的软化程度在软化温度区间持续时间的长短对金属的软化程度也有影响。随着温度的升高，消除硬化所需的时间也有影响。随着温度的升高，消除硬化所需的时间越短。并且温度越高，此缩短的程度就越大，这是越短。并且温度越高，此缩短的程度就越大，这是因为软化需要在一定的时间内进行。由此可以看出，因为软化需要在一定的时间内进行。由此可以

10、看出，变形速度对金属的软化过程有很大的影响。随着变变形速度对金属的软化过程有很大的影响。随着变形速度的减小，软化程度增大。因此，形速度的减小，软化程度增大。因此，温度越高和温度越高和变形速度越小时，金属的软化程度就越大。变形速度越小时，金属的软化程度就越大。2022-4-2913 在在0.3 Tm温度以下，塑性变形的基本机构是滑移机温度以下，塑性变形的基本机构是滑移机构构(剪切机构剪切机构)、晶块间机构、孪生机构和晶粒间的、晶块间机构、孪生机构和晶粒间的脆化机构。当温度高于脆化机构。当温度高于0.3 Tm时，非晶机构开始变时，非晶机构开始变得明显，然后溶解沉淀机构和晶粒边界上的粘性流得明显，然

11、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，像晶粒间脆化机构和孪动机构等参与作用。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。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大温度升高后，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：随着温度的升高，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，并开始伴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。清楚地显示出滑移的扩散特性。2022-4-2914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

12、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。2022-4-2915不同温度下钢的拉伸曲线不同温度下钢的拉伸曲线2022-4-2916镉与锌的真应力曲线镉与锌的真应力曲线2022-4-2917 总的来看，对于从总的来看，对于从0到到1的相对温度区间的整个间隔内都没有的相对温度区间的整个间隔内都没有物理化学变化的合金，其硬度、强度极限、屈服极限、变物理化学变化的合金，其硬度、强度极限、屈服极限、变形抗力等的对数值随温度的变化呈线性关系。形抗力等

13、的对数值随温度的变化呈线性关系。 对于有物理化学变化的合金，在相应此物理化学变对于有物理化学变化的合金，在相应此物理化学变化的温度，直线的斜度发生改变。化的温度，直线的斜度发生改变。2022-4-2918 库尔纳科夫温度定律库尔纳科夫温度定律)(1221ttattePP式中式中Pt1温度温度t1时塑性变形抗力的特征值时塑性变形抗力的特征值(挤压压力、压入挤压压力、压入时的硬度、拉伸时的强度极限、屈服极限、引起变形的应力时的硬度、拉伸时的强度极限、屈服极限、引起变形的应力强度强度)； 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。2022-

14、4-2919 如果合金的变形抗力对数直线的进程在从如果合金的变形抗力对数直线的进程在从0到到1的相的相对温度区间有对温度区间有n次变化，那么该合金在此温度区间次变化，那么该合金在此温度区间就将有就将有n十十1次变态。每一次温度变态都可用该改变次变态。每一次温度变态都可用该改变态的温度系数态的温度系数a，对应变态开始温度，对应变态开始温度Tk的开始变形的开始变形抗力抗力Pk和对应变态终了温度和对应变态终了温度Tz的终了变形抗力的终了变形抗力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：kzzkTTPPalnln2022-4-2920 对于每一温度变态，库尔纳

15、科夫定律可以写成如下对于每一温度变态，库尔纳科夫定律可以写成如下的近似形式：的近似形式：212)(AAPePePPzzzztAtttatt2022-4-2921 在在0.70.95相对温度相对温度范围内的强度极限范围内的强度极限2)95. 0()95. 0(12tTatTaMMbTbtbT温度为温度为0.95TM和拉伸速度为和拉伸速度为4050mm/min时的强度极限时的强度极限对纯金属对纯金属a0.008；对单相系和多相系合金；对单相系和多相系合金a0.0085；对固溶体；对固溶体a0.0080.012。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

16、数应相应提高2025%。2022-4-2922变形速度变形速度 对于每种金属材料，在设定的温度条件下都有其自对于每种金属材料，在设定的温度条件下都有其自己的特征变形速度。在小于特征变形速度数值的范己的特征变形速度。在小于特征变形速度数值的范围内改变变形速度，对变形过程没有影响。如果变围内改变变形速度，对变形过程没有影响。如果变形速度高于此特征速度，则很高变形速度会引起变形速度高于此特征速度，则很高变形速度会引起变形抗力的升高，同时也会使所有的软化过程、物理形抗力的升高，同时也会使所有的软化过程、物理化学过程和需要时间来实现有强烈扩散性质的塑性化学过程和需要时间来实现有强烈扩散性质的塑性变形机构

17、受到阻碍。变形机构受到阻碍。 此外，在变形过程中由于变形速度的升高，会引起此外，在变形过程中由于变形速度的升高，会引起变形物体的热效应。变形物体的热效应。2022-4-2923 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。 弹性波是以声速在变形物体内传播。当对变形物体的加载速弹性波是以声速在变形物体内传播。当对变形物体的加载速度小于声速时，塑性变形在变形物体内的传播速度比弹性变度小于声速时，塑性变形在变形物体内的传播速度比弹性变形在此同一物体内的传播速度慢。此弹性变形与塑性变形的形在此同一物体内的传播速度慢。此弹性变形与塑性变形的传播速度间的差异，取决于变形物体的成分、温度和应

18、力状传播速度间的差异，取决于变形物体的成分、温度和应力状态等。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形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现。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。因此，非晶塑性机构在这方面应显示出最大的效应。2022-4-2924 假设，以稍低于声速的速度拉伸方杆，经过非常小假设，以稍低于声速的速度拉伸方杆，经过非常小的时间其长度增加的时间其长度增加50，并在此变形条件下和时间，并在此变形条件下和时间间隔内，所设定的变形速度只能保证变

19、形物体具有间隔内，所设定的变形速度只能保证变形物体具有5的残余延伸。这样，方杆将具有的残余延伸。这样，方杆将具有45的弹性变的弹性变形和形和5的塑性变形。因此，在方杆内产生的应力的塑性变形。因此，在方杆内产生的应力便可用相当于便可用相当于45弹性变形的纵坐标弹性变形的纵坐标aa来确定。来确定。若增加此产生若增加此产生50延伸的变形时间，即减小拉伸速延伸的变形时间，即减小拉伸速度，使在变形物体内具有更大的残余延伸，例如度，使在变形物体内具有更大的残余延伸，例如30，那么，在方杆中的应力数值便可用相当于，那么，在方杆中的应力数值便可用相当于30弹性延伸的纵坐标弹性延伸的纵坐标bb来确定，等等。来确

20、定，等等。2022-4-2925 在设定的总变形数值下在设定的总变形数值下变形速度对应力的影响变形速度对应力的影响2022-4-2926 为实现软化过程的时间不够。为实现软化过程的时间不够。 金属在变形过程中由于塑性变形的进行金属要发生硬化，又金属在变形过程中由于塑性变形的进行金属要发生硬化，又由于回复和再结晶的作用变形金属又要发生软化。但回复和由于回复和再结晶的作用变形金属又要发生软化。但回复和再结晶需要一定的时间来完成，若此时间不够，则将会使变再结晶需要一定的时间来完成，若此时间不够，则将会使变形金属的硬化速率超过软化速率，结果使变形抗力升高。形金属的硬化速率超过软化速率，结果使变形抗力升

21、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最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，而使应力大软化的速度时，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时，又提高；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，而使应力提高。可由于完全实现塑性变形的时间不够，而使应力提高。2022-4-2927 由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。 例如，用例如，用50kg的锤头从的锤头从3m的高度上冲击直径和高的高度上冲击直径和高度为度为11

22、.1mm的硬铝试样，变形程度为的硬铝试样，变形程度为89.2%时，时，发现试样的温度从发现试样的温度从13升高到升高到317。 变形速度使变形抗力相对降低的最大影响出现在完变形速度使变形抗力相对降低的最大影响出现在完全硬化变形的温度区间。例如，在拉拔金属过程中，全硬化变形的温度区间。例如，在拉拔金属过程中，当拉拔速度为每秒几十米时，可使拉拔力下降，其当拉拔速度为每秒几十米时，可使拉拔力下降，其原因就是拉拔时产生的热效应的结果。原因就是拉拔时产生的热效应的结果。2022-4-2928温度对速度效应的影响温度对速度效应的影响2022-4-2929 温度越高塑性机构的扩散特性表现得越明显。同时温度越

23、高塑性机构的扩散特性表现得越明显。同时非晶机理在塑性变形过程中起的作用越大，速度效非晶机理在塑性变形过程中起的作用越大，速度效应也越大。实现非晶塑性机构需要一定的时间。此应也越大。实现非晶塑性机构需要一定的时间。此时间的长短取决于金属的材质和温度。如果时间不时间的长短取决于金属的材质和温度。如果时间不够，非晶机构就不能实现。这时，在晶体中，它将够，非晶机构就不能实现。这时，在晶体中，它将被在较高抗力下能够实现的其它机构所代替。在非被在较高抗力下能够实现的其它机构所代替。在非晶体中，它将被弹性变形所代替。晶体中，它将被弹性变形所代替。2022-4-2930 在完全软化变形的温度范围内，任何速度下

24、的硬化在完全软化变形的温度范围内，任何速度下的硬化曲线都平行于横坐标轴，即不发生硬化。在此温度曲线都平行于横坐标轴，即不发生硬化。在此温度范围内，在晶粒边界上的粘性流动机构为实现蠕变范围内，在晶粒边界上的粘性流动机构为实现蠕变提供了很大的可能性。温度越高，粘性流动抗力越提供了很大的可能性。温度越高，粘性流动抗力越小。晶粒边界上的粘性流动抗力与其它塑性机构抗小。晶粒边界上的粘性流动抗力与其它塑性机构抗力相比，其值是最小的。在此温度范围内热效应的力相比，其值是最小的。在此温度范围内热效应的影响不大。影响不大。2022-4-2931 在不完全硬化变形的温度范围内，非晶机构实际上在不完全硬化变形的温度

25、范围内，非晶机构实际上是不能实现的。在此温度区间，产生速度效应的基是不能实现的。在此温度区间，产生速度效应的基本原因是实现复原的时间不够。速度效应本原因是实现复原的时间不够。速度效应(变形抗力变形抗力的提高的提高)、松弛和蠕变在此温度区间表现的程度，比、松弛和蠕变在此温度区间表现的程度，比在不完全软化变形的温度区间要小得多。在不完全软化变形的温度区间要小得多。 热效应在不完全硬化变形的温度区间比在不完全软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在完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。全软化变形的温度区间要大。2022

26、-4-2932 在完全硬化变形的温度区间，速度效应最小且只取在完全硬化变形的温度区间，速度效应最小且只取决于复原的时间不够。在此温度区间，热效应最大，决于复原的时间不够。在此温度区间，热效应最大，并且温度越低，热效应越大。并且温度越低，热效应越大。 速度效应的变化是，温度越低，速度效应越小。由速度效应的变化是，温度越低，速度效应越小。由于热效应的作用，在许多情况下，变形抗力可在很于热效应的作用，在许多情况下，变形抗力可在很大的速度范围内保持不变，甚至使之随着变形速度大的速度范围内保持不变，甚至使之随着变形速度的增大而减小。的增大而减小。2022-4-2933变形程度变形程度 变形程度对变形抗力的影响，除其本身大小的影响变形程度对变形抗力的影响，除其本身大小的影响外，还与变形物体的材质，当时的变形温度条件和外，还与变形物体的材质，当时的变形温度条件和变形速度条件有关。变形速度条件有关。2022-4-2934 当变形金属处于