第17讲变形抗力影响因素

金属塑性变形理论

Theoryofmetalplasticdeformation

第十七讲LessonSeventeen张贵杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大学金属材料与加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092/2/20231第八章金属的塑性变形抗力主要内容MainContent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2/2/202328.2影响变形抗力的主要因素化学成份应力状态组织结构接触摩擦变形温度变形速度变形程度……2/2/20233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力就大于拉伸时的变形抗力。2/2/20234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0增加到5000MPa时，其变形抗力可增加一倍。2/2/20235拉伸金属和合金时径向压力的影响6.31.9203166525℃淬火并人工时效铸造AД5铝合金23.917.2461382470℃在水中淬火Al-Cu-Mg-Zn合金28.032.0331234在供应状态下MA2镁合金21.47.5254219360℃退火镁50.643.8571470800℃在水中淬火铍青铜84.371.5217209600℃退火钢有径向压力无径向压力有径向压力无径向压力断裂时的断面收缩率，％强度极限，MPa热处理材料2/2/20236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，从而既提高了金属的塑性，又提高了金属的变形抗力。通常，金属越倾向于脆性状态，静水压力的影响越显著。2/2/20237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有明显的影响。对粘－塑体来讲也同样是这样。并且粘性性质越明显，这种影响就越大。在一定的温度－速度条件下(特别是在温度接近熔点且变形速度不大时)，金属合金的流动行为与粘－塑性体的流变行为相一致。此时，变形速度和静水压力对金属合金便产生相应的影响。2/2/20238关于静水压力对变形抗力产生影响原因尚需进一步研究。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。2/2/20239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度的升高所引起的软化效应和其它变形机构的参与作用。从绝对零度到熔点Tm，可分为三个温度区间：从0～0.3Tm为完全硬化区间从0.3Tm～0.7Tm为部分软化区间从0.7Tm～1.0Tm为完全软化区间对纯金属当温度高于(0.25~0.3)Tm时在变形金属内产生回复，高于0.4Tm时有再结晶出现。2/2/202310锌在室温下带有中间停歇的拉伸结果2/2/202311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，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，温度越高和变形速度越小时，金属的软化程度就越大。2/2/202312在0.3Tm温度以下，塑性变形的基本机构是滑移机构(剪切机构)、晶块间机构、孪生机构和晶粒间的脆化机构。当温度高于0.3Tm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。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，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。2/2/202313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；随着温度的升高，新塑性机构的参与作用剪切机构(基本塑性机构)特性的变化。2/2/202314不同温度下钢的拉伸曲线2/2/202315镉与锌的真应力曲线2/2/202316总的来看，对于从0到1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、变形抗力等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－化学变化的温度，直线的斜度发生改变。2/2/202317库尔纳科夫温度定律式中Pt1——温度t1时塑性变形抗力的特征值(挤压压力、压入时的硬度、拉伸时的强度极限、屈服极限、引起变形的应力强度)；Pt2——温度t2时上述各塑性变形抗力的特征值；a——温度系数。2/2/202318如果合金的变形抗力对数直线的进程在从0到1的相对温度区间有n次变化，那么该合金在此温度区间就将有n十1次变态。每一次温度变态都可用该改变态的温度系数a，对应变态开始温度Tk的开始变形抗力Pk和对应变态终了温度Tz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：2/2/202319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：2/2/202320在0.7～0.95相对温度范围内的强度极限温度为0.95TM和拉伸速度为40~50mm/min时的强度极限对纯金属a＝0.008；对单相系和多相系合金a＝0.0085；对固溶体a＝0.008~0.012。对镍和镍基合金以及其它耐热合金，温度系数应相应提高20~25%。2/2/202321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受到阻碍。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。2/2/202322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。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。因此，非晶塑性机构在这方面应显示出最大的效应。2/2/202323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50％，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形物体具有5％的残余延伸。这样，方杆将具有45％的弹性变形和5％的塑性变形。因此，在方杆内产生的应力便可用相当于45％弹性变形的纵坐标aa‘来确定。若增加此产生50％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30％，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bb’来确定，等等。2/2/202324在设定的总变形数值下变形速度对应力的影响2/2/202325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，则将会使变形金属的硬化速率超过软化速率，结果使变形抗力升高。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时，又可由于完全实现塑性变形的时间不够，而使应力提高。2/2/202326由于热效应使变形物体的温度升高。例如，用50kg的锤头从3m的高度上冲击直径和高度为11.1mm的硬铝试样，变形程度为89.2%时，发现试样的温度从13℃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，其原因就是拉拔时产生的热效应的结果。2/2/202327温度对速度效应的影响2/2/202328温度越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。在非晶体中，它将被弹性变形所代替。2/2/202329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影响不大。2/2/202330在不完全硬化变形的温度范围内，非晶机构实际上是不能实现的。在此温度区间，产生速度效应的基本原因是实现复原的时间不够。速度效应(变形抗力的提高)、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。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全软化变形的温度区间要大。2/2/202331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，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的增大而减小。2/2/202332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。2/2/202333当变形金属处于完全硬化状态时，随着变形程度的增加，变形抗力增大(曲线1)。但在高温条件下，对某些铁素体类合金，因在变形过程中只产生动态回复，所以当变形达到一定程度后，其应力保持不变(曲线2)，而对奥氏体类合金，当变形达到一定程度后，因有动态再结晶的出现，使应力下降，直到达到平衡阶段(曲线3)。由此可见，变形程度对变形抗力的影响应随变形物体的材质和变形条件的不同而异。2/2/2023342/2/202335接触摩擦塑性加工中摩擦的主要特点：在高压下产生的摩擦。较高温度下的摩擦。不断增加新的接触表面，摩擦副（金属