材料成型金屬學ch05金屬在塑性加工過程中的塑性行為

1、5.金屬在塑性加工過程中的塑性行為金屬在塑性加工過程中的塑性行為.1.1金屬的塑性和塑性指標金屬的塑性和塑性指標.1.1.1.1塑性的基本概念塑性的基本概念n塑性塑性： 金屬在外力作用下，能穩(wěn)定地發(fā)生永久變形而不破壞其完整金屬在外力作用下，能穩(wěn)定地發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力。性的能力。n塑性是金屬固有的一種性質塑性是金屬固有的一種性質, ,反映材料產生塑性變形的能力。反映材料產生塑性變形的能力。 n影響金屬塑性的因素：影響金屬塑性的因素：內因：化學成分、組織結構等內因：化學成分、組織結構等外因：變形溫度、變形速度、應力狀態(tài)等外因：變形溫度、變形速度、應力狀態(tài)等n塑性與柔軟性的區(qū)別塑性與

2、柔軟性的區(qū)別：柔軟性反映金屬的軟硬程度，指金屬變形抗力的大小。柔軟性反映金屬的軟硬程度，指金屬變形抗力的大小。 塑性指金屬的形變能力，用斷裂前的變形程度的大小衡量。塑性指金屬的形變能力，用斷裂前的變形程度的大小衡量。 二者并不總是一致的二者并不總是一致的. . 討論金屬在塑性加工中的軟硬程度不用柔軟性討論金屬在塑性加工中的軟硬程度不用柔軟性, ,而用變形抗力而用變形抗力. .n塑性與粘性的區(qū)別塑性與粘性的區(qū)別： 塑性塑性: :金屬在產生永久變形時金屬在產生永久變形時, ,伴隨有組織的變化伴隨有組織的變化, ,但沒有尺寸但沒有尺寸數量級超過光的波長尺寸的完整性的破壞數量級超過光的波長尺寸的完整性

3、的破壞. . 粘性粘性: :物體雖也具有永久性變形物體雖也具有永久性變形, ,但無組織的變化和完整性的但無組織的變化和完整性的破壞破壞. .5.1.25.1.2塑性指標及其測量方法塑性指標及其測量方法n塑性指標塑性指標( (塑性極限塑性極限) ): : 金屬在不同變形條件下允許的極限變形量。金屬在不同變形條件下允許的極限變形量。n塑性指標與變形金屬的材質和變形條件有關。塑性指標與變形金屬的材質和變形條件有關。n測量方法：測量方法： 1 1）簡單加載條件下塑性指標的測定）簡單加載條件下塑性指標的測定 2 2）模擬塑性加工過程塑性指標的測定）模擬塑性加工過程塑性指標的測定 3 3）與應力狀態(tài)無關的

4、通用的塑性指標的確定（如：古）與應力狀態(tài)無關的通用的塑性指標的確定（如：古布金的確定平均塑性法）布金的確定平均塑性法） 4 4）繪制塑性圖）繪制塑性圖1 1）簡單加載條件下塑性指標的測定）簡單加載條件下塑性指標的測定 拉伸（拉伸（tension)tension)試驗法試驗法: : 延伸率延伸率(elongation): (elongation): 延伸率延伸率= =均勻變形均勻變形+ +局部集中變形局部集中變形 試樣計算長度越長試樣計算長度越長, ,集中變形比例越小，延伸越小集中變形比例越小，延伸越小. . 規(guī)定規(guī)定:L=10d:L=10d（10)10)或或L=5d(5) L=5d(5) 斷面

5、收縮率斷面收縮率(fractionalreduction in cross section area)(fractionalreduction in cross section area) 斷面收縮率與試樣計算長度無關斷面收縮率與試樣計算長度無關. . 壓縮壓縮(compression)(compression)試驗法試驗法: : 壓下率：壓下率： 影響因素：摩擦、散熱、幾何尺寸影響因素：摩擦、散熱、幾何尺寸 扭轉扭轉(torsion)(torsion)試驗法試驗法: : 破斷前的扭轉數破斷前的扭轉數n n或扭轉角或扭轉角, ,整個長度上均勻變形整個長度上均勻變形%100Ll%100FfF%1

6、00HhH2 2）模擬塑性加工過程塑性指標的測定）模擬塑性加工過程塑性指標的測定n條件條件: :基本應力狀態(tài)圖示與所模擬的塑性加工過程或所模基本應力狀態(tài)圖示與所模擬的塑性加工過程或所模擬的工序相同擬的工序相同. .n工藝塑性指標工藝塑性指標: :模擬塑性加工過程法測定的塑性指標模擬塑性加工過程法測定的塑性指標. .其名其名稱與被確定塑性的該壓力加工過程的名稱相對應稱與被確定塑性的該壓力加工過程的名稱相對應, ,如如: :軋制軋制性、鍛造性、模鍛性性、鍛造性、模鍛性. .n確定材料鍛造鋼錠法確定材料鍛造鋼錠法：鐓粗光滑圓柱體試樣或沿輪廓線帶：鐓粗光滑圓柱體試樣或沿輪廓線帶切口的圓柱體試樣，在二斜

7、砧中鍛造鋼錠法。切口的圓柱體試樣，在二斜砧中鍛造鋼錠法。n確定縱軋時材料的軋制性法確定縱軋時材料的軋制性法：平軋輥上軋制楔形試樣法和：平軋輥上軋制楔形試樣法和偏心軋輥上軋制矩形斷面試樣法。偏心軋輥上軋制矩形斷面試樣法。n確定板料沖壓性的方法確定板料沖壓性的方法：杯突試驗法，錐形杯深延法及圓：杯突試驗法，錐形杯深延法及圓形板坯沖壓成柱形杯法。形板坯沖壓成柱形杯法。塑性圖及應用塑性圖及應用n塑性圖塑性圖：塑性指標與變形溫度的關系曲線圖。：塑性指標與變形溫度的關系曲線圖。n作用作用：確定合理的熱加工溫度范圍和應采取的變形程度。：確定合理的熱加工溫度范圍和應采取的變形程度。n塑性圖中常用塑性指標塑性圖

8、中常用塑性指標：、k k、n n、，教材圖教材圖n正確確定正確確定 變形溫度和變形程度，需要相圖、再結晶圖、變形溫度和變形程度，需要相圖、再結晶圖、塑性圖配合，即塑性圖配合，即三圖定溫三圖定溫。5.25.2金屬的化學成分及組織對塑性的影響金屬的化學成分及組織對塑性的影響n純金屬具有較高塑性。純金屬具有較高塑性。n純金屬加入其它合金元素后成單相固溶體時也有較好塑性純金屬加入其它合金元素后成單相固溶體時也有較好塑性. .n若所含的元素形成化合物時，塑性降低。若所含的元素形成化合物時，塑性降低。n面心立方面心立方 體心立方體心立方 六方晶格六方晶格n合金的某元素與基體金屬形成固溶體時，此二元合金的塑

9、性合金的某元素與基體金屬形成固溶體時，此二元合金的塑性主要由基體元素的塑性決定，此情況也適用于三元合金。主要由基體元素的塑性決定，此情況也適用于三元合金。n合金成分中不溶于固溶體或部分溶于固溶體中元素將形成某合金成分中不溶于固溶體或部分溶于固溶體中元素將形成某種成分的過剩相存在于晶內或晶界，這些過剩相對其塑性有種成分的過剩相存在于晶內或晶界，這些過剩相對其塑性有非常大的影響。非常大的影響。5.2.1 5.2.1 化學成分的影響化學成分的影響5.2.25.2.2合金元素的影響合金元素的影響nFeFe化學純鐵塑性高，工業(yè)純鐵不完全高塑性?；瘜W純鐵塑性高，工業(yè)純鐵不完全高塑性。nCC碳含量越高，鋼的

10、塑性越差，熱加工溫度范圍窄。碳含量越高，鋼的塑性越差，熱加工溫度范圍窄。nMnMn錳鋼具有高加熱速度敏感性。錳鋼具有高加熱速度敏感性。MnMn可消除或減輕可消除或減輕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僅微量溶于固溶體，以僅微量溶于固溶體，以FeSFeS、MnSMnS等硫化物形式存在于鋼中。等硫化物形式存在于鋼中。 含硫量較多，并存在有低熔點的硫的共晶體和化合物時，鋼的塑性與變含硫量較多，并存在有低熔點的硫的共晶體和化合物時，鋼的塑性與變形溫度有關。加熱溫度高于硫的共晶體和化合物的熔點時，由于軟化形溫度有關。加熱溫度高于硫的共晶體和化合物的熔點時，由于軟化或熔

11、化使晶間聯系削弱，變形時易出現紅脆?；蛉刍咕чg聯系削弱，變形時易出現紅脆。 網狀包圍晶粒形式的硫化物降低塑性。球狀硫化物使塑性提高。網狀包圍晶粒形式的硫化物降低塑性。球狀硫化物使塑性提高。nPP易出現冷脆。對熱變形影響不大。易出現冷脆。對熱變形影響不大。 nOO也會產生紅脆。也會產生紅脆。FeO FeO 、 Al2O3 Al2O3 、 SiO2,SiO2,熔點低分布在晶界的共熔點低分布在晶界的共晶體，由于軟化或熔化使晶間聯系減弱，出現紅脆。晶體，由于軟化或熔化使晶間聯系減弱，出現紅脆。nSiSi以固溶體形式存在：對塑性影響不大，含量過高，塑性下降。以固溶體形式存在：對塑性影響不大，含量過高，

12、塑性下降。 以硅化物形式存在：變形溫度下不溶解，使塑性下降。以硅化物形式存在：變形溫度下不溶解，使塑性下降。nNiNi、W W、MoMo：強度：強度，塑性，塑性nCrCr：塑性：塑性 ；nV V：強度：強度，塑性不變。含量高時，塑性，塑性不變。含量高時，塑性；nAlAl：晶界形成：晶界形成AlNAlN，塑性，塑性nCuCu：塑性：塑性，還原氣氛中加熱，塑性，還原氣氛中加熱，塑性；nB B： 0.02% 鑄鋼鑄鋼原因：網狀碳化物破碎且均原因：網狀碳化物破碎且均勻分布。勻分布。5.35.3變形的溫度變形的溫度- -速度條件對塑性的影響速度條件對塑性的影響n隨變形溫度隨變形溫度，塑性，塑性。 原因：

13、溫度原因：溫度，原子熱運動的能量，原子熱運動的能量，滑移系，滑移系，擴散性，擴散性質明顯的塑性變形機構（非晶機構、溶解機構等）作用質明顯的塑性變形機構（非晶機構、溶解機構等）作用。溫度溫度，軟化作用，軟化作用，變形過程中產生的破壞和缺陷的恢，變形過程中產生的破壞和缺陷的恢復復。n實際變形中，隨溫度變化而產生的相態(tài)和晶粒邊界的變化實際變形中，隨溫度變化而產生的相態(tài)和晶粒邊界的變化對塑性有影響。對塑性有影響。n通常，塑性與溫度的關系曲線中會出現三個脆性區(qū)：低溫通常，塑性與溫度的關系曲線中會出現三個脆性區(qū)：低溫脆性區(qū)、中溫脆性區(qū)、高溫脆性區(qū)。有時不只三個脆性區(qū)。脆性區(qū)、中溫脆性區(qū)、高溫脆性區(qū)。有時不

14、只三個脆性區(qū)。溫度對塑性影響的典型示意圖溫度對塑性影響的典型示意圖變形溫度對碳鋼的塑性的影響變形溫度對碳鋼的塑性的影響四個低塑性區(qū)四個低塑性區(qū)：區(qū)區(qū)：塑性極低。：塑性極低。-200-200時，接時，接近近0 0。原子熱運動能力極低，也可能與原子熱運動能力極低，也可能與晶粒邊界的某些組織組成物的脆晶粒邊界的某些組織組成物的脆化有關?；嘘P。區(qū)區(qū)：藍脆區(qū)，：藍脆區(qū)，200400 200400 ；區(qū)：區(qū)：800950 800950 ，與相變有，與相變有關。也有人認為與關。也有人認為與S S有關，稱之有關，稱之為紅脆（熱脆）區(qū)。為紅脆（熱脆）區(qū)。區(qū)區(qū)：溫度接近熔化溫度，易過：溫度接近熔化溫度，易過熱或

15、過燒，使晶間強度減弱，塑熱或過燒，使晶間強度減弱，塑性性。三個高塑性區(qū)三個高塑性區(qū)：1 1區(qū)：區(qū)：100200100200原因：原子熱振動原因：原子熱振動。2 2區(qū)：區(qū)：700800700800原因：發(fā)生再結晶、擴散。原因：發(fā)生再結晶、擴散。3 3區(qū)：區(qū)：95012509501250原因：具有均勻原因：具有均勻組織，充組織，充分軟化。分軟化。完全硬化條件下變形速度對塑性的影響：完全硬化條件下變形速度對塑性的影響：隨變形速度的升高，塑性降低。隨變形速度的升高，塑性降低。在非常低的變形速度下，塑性在非常低的變形速度下，塑性降低。降低。第一次第一次上升：上升：隨變形速度隨變形速度，晶粒邊界上的粘性流

16、動消失，晶粒邊界上的粘性流動消失，變形抗力變形抗力，滑移開始作用，滑移開始作用，塑性塑性。繼續(xù)提高變形速度，塑性又開繼續(xù)提高變形速度，塑性又開始下降始下降：隨變形速度隨變形速度，變形，變形抗力升高，達到相應于更小變抗力升高，達到相應于更小變形程度下的斷裂抗力之值。形程度下的斷裂抗力之值。第二次上升第二次上升：熱效應起作用，：熱效應起作用，溫度溫度 ，變形抗力下降。，變形抗力下降。第二次下降第二次下降：熱效應極大，把：熱效應極大，把金屬加熱到出現液相或大大降金屬加熱到出現液相或大大降低其晶間物質的強度。低其晶間物質的強度。粘性流動時變形速度對塑性的影響粘性流動時變形速度對塑性的影響不同變形溫度區(qū)

17、間，溫度不同變形溫度區(qū)間，溫度- -速度因素對塑性的影響：速度因素對塑性的影響：1 1）低溫塑性變形（冷變形）低溫塑性變形（冷變形） 范圍：室溫范圍：室溫 開始再結晶溫度（純金屬：開始再結晶溫度（純金屬：0.30.4Tm0.30.4Tm；合金：；合金：0.5Tm0.5Tm），）， 變形速度為變形速度為1010-4-41010-3-3s s-1-1時，塑性變形機構為滑移。時，塑性變形機構為滑移。 bccbcc、hcphcp：存在脆性轉變溫度，降低溫度提高變形速度，：存在脆性轉變溫度，降低溫度提高變形速度，滑移系減少，滑移作用滑移系減少，滑移作用，孿生作用，孿生作用，塑性，塑性。 fcc:fcc:

18、溫度溫度，塑性不，塑性不。 脆性轉變溫度區(qū)：宜低變形速度；脆性轉變溫度區(qū)：宜低變形速度； 冷脆點在室溫：宜低速；冷脆點在室溫：宜低速； 冷脆點高于室溫：宜高速；（熱效應）冷脆點高于室溫：宜高速；（熱效應）n中溫塑性變形（溫變形）：中溫塑性變形（溫變形）： 上限：開始再結晶溫度?；舅苄宰冃螜C構：晶內滑移。上限：開始再結晶溫度?；舅苄宰冃螜C構：晶內滑移。 bccbcc：塑性好，但變形速度：塑性好，但變形速度時，塑性時，塑性； fcc fcc 、hcphcp：由于相變，規(guī)律不同。：由于相變，規(guī)律不同。 形變時效：變形抗力形變時效：變形抗力，塑性，塑性。（鋼的蘭脆：。（鋼的蘭脆：400 400 金

19、屬的硬化和塑性降低與析出化合物的高彌散質點有關，金屬的硬化和塑性降低與析出化合物的高彌散質點有關， 變形速度，彌散硬化來不及形成，塑性不會變形速度，彌散硬化來不及形成，塑性不會。 變形溫度，塑性無影響。變形溫度，塑性無影響。高溫塑性變形（熱變形）高溫塑性變形（熱變形） 變形溫度，塑性變形溫度，塑性。 紅脆紅脆：0.50.8Tm0.50.8Tm，晶間斷裂，塑性，晶間斷裂，塑性。一般含較多。一般含較多O O、N N、H H、C C等夾雜。等夾雜。 成因：各種化合物在晶界上的偏析。夾雜偏析：擴散產生成因：各種化合物在晶界上的偏析。夾雜偏析：擴散產生紅脆；易熔化合物偏析：晶界熔化、晶界強度紅脆；易熔化

20、合物偏析：晶界熔化、晶界強度；脆性化；脆性化合物：合物：（難熔金屬和合金）阻礙晶界滑移，晶界連續(xù)變形難熔金屬和合金）阻礙晶界滑移，晶界連續(xù)變形遭破壞，導致晶間斷裂。遭破壞，導致晶間斷裂。變形速度變形速度，抑制紅脆；抑制了控制晶間破壞的熱活化擴散，抑制紅脆；抑制了控制晶間破壞的熱活化擴散過程，減少晶間變形對總變形的貢獻。過程，減少晶間變形對總變形的貢獻。5.45.4變形的力學條件對塑性的影響變形的力學條件對塑性的影響5.4.15.4.1應力狀態(tài)的影響應力狀態(tài)的影響n金屬由單向拉應力狀態(tài)過渡到三向拉應力狀態(tài)時金屬由單向拉應力狀態(tài)過渡到三向拉應力狀態(tài)時, ,其塑性有顯著下降其塑性有顯著下降. .n靜

21、水壓力值越大靜水壓力值越大, ,金屬的塑性發(fā)揮得越好金屬的塑性發(fā)揮得越好. .n按應力狀態(tài)圖的不同按應力狀態(tài)圖的不同, ,將其對塑性的影響程度排序將其對塑性的影響程度排序: : 三向壓三向壓 二壓一拉二壓一拉 二拉一壓二拉一壓 三向拉三向拉n靜水壓力提高塑性的原因靜水壓力提高塑性的原因: : 1) 1)體壓縮能遏止晶粒邊界的相對移動體壓縮能遏止晶粒邊界的相對移動, ,使晶間變形困難使晶間變形困難. 2) 2)體壓縮能促進由于塑性變形和其它原因而破壞了的晶內聯系的恢復體壓縮能促進由于塑性變形和其它原因而破壞了的晶內聯系的恢復. . 3) 3)體壓縮能完全或局部地消除變形物體內數量很小的某些夾雜物

22、甚至體壓縮能完全或局部地消除變形物體內數量很小的某些夾雜物甚至液相對塑性的不良影響液相對塑性的不良影響. . 4) 4)體壓縮能完全抵償或大膽降低由于不均勻變形所引起的拉伸附加應體壓縮能完全抵償或大膽降低由于不均勻變形所引起的拉伸附加應力力, ,減輕了拉應力的不良影響減輕了拉應力的不良影響. .5.4.25.4.2變形狀態(tài)的影響變形狀態(tài)的影響n主變形圖中壓縮分量越多主變形圖中壓縮分量越多, ,對充分發(fā)揮金屬的塑性越有利對充分發(fā)揮金屬的塑性越有利. .n主變形圖排序主變形圖排序: :二壓一拉二壓一拉 一壓一二拉一壓一壓一二拉一壓n原因原因: :實際變形物體中的缺陷實際變形物體中的缺陷: :如氣孔

23、、夾雜、縮孔、空洞如氣孔、夾雜、縮孔、空洞等等. .二拉一壓時二拉一壓時, ,向兩個方向擴大暴露弱點向兩個方向擴大暴露弱點, ,但二壓一拉下但二壓一拉下, ,可成為線缺陷可成為線缺陷, ,使危害減小使危害減小. .n變形物體內變形狀態(tài)均勻分布時變形物體內變形狀態(tài)均勻分布時, ,則因避免不均勻變形的則因避免不均勻變形的出現出現, ,使金屬的塑性提高使金屬的塑性提高. .n雖然三向壓最有利于發(fā)揮塑性雖然三向壓最有利于發(fā)揮塑性, ,但會使單位變形力增加但會使單位變形力增加, ,因因此此, ,選擇加工方法時應視具體條件而定選擇加工方法時應視具體條件而定. .5.55.5其它因素對塑性的影響其它因素對塑性的影響n分散變形：分散變形： 塑性；塑性； 原因：每次變形量小，遠低于塑性指標，因此，產生應力原因：每次變形量小，遠低于塑性指標，因此，產生應力小，不足以引起斷裂。變形間隙中的軟化，小，不足以引起斷裂。變形間隙中的軟化， 塑性。