塑性和變形抗力

塑性和變形抗力第一頁，共二十九頁，2022年，8月28日塑性指標(biāo)：

為衡量金屬塑性的高低而確定的數(shù)量上的指標(biāo)，一般以金屬材料開始發(fā)生破壞時(shí)的塑性變形量來表示。常用的塑性指標(biāo)：拉伸試驗(yàn)伸長率δ(％)

斷面收縮率Ψ（％）δ＝100％Ψ＝100％為試樣的原始標(biāo)準(zhǔn)間距和試樣斷裂后標(biāo)距間長度；、、為試樣的原始橫截面積和試樣斷裂處的最小橫截面積。第二頁，共二十九頁，2022年，8月28日

塑性指標(biāo)還可以用鐓粗實(shí)驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)測定。鐓粗試驗(yàn)（試樣的高度為直徑的1.5倍）中，以出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)的變形程度為塑性指標(biāo)：注：只有相同的指標(biāo)才能相互比較100％

＝、試樣原始高度和表面出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)的高度

第三頁，共二十九頁，2022年，8月28日鐓粗試驗(yàn)原始樣出現(xiàn)裂紋后的試樣第四頁，共二十九頁，2022年，8月28日塑性圖：

在不同的變形速度下，以不同溫度下的各種塑性指標(biāo)（、、、、ak等）為縱坐標(biāo)、以溫度為橫坐標(biāo)繪制成的函數(shù)曲線。碳鋼塑性圖第五頁，共二十九頁，2022年，8月28日二、對(duì)塑性的影響因素

內(nèi)部因素：化學(xué)成分組織結(jié)構(gòu)外部因素：變形溫度應(yīng)變速度應(yīng)力狀態(tài)第六頁，共二十九頁，2022年，8月28日（一）化學(xué)成分和合金成分對(duì)金屬塑性的影響金屬的塑性隨其純度的提高而增加，如純鋁99.96％伸長率為45％，98％伸長率為30％使合金產(chǎn)生脆化現(xiàn)象，冷熱變形都非常困難。如碳鋼中：P(磷)——冷脆S——熱脆N——時(shí)效脆性H——?dú)浯嚯s質(zhì)的存在狀態(tài)、分布情況和形狀不同，對(duì)塑性的影響也不同；不溶于金屬—————降低金屬塑性溶于金屬—————塑性變化不大單質(zhì)或化合物形成固溶體第七頁，共二十九頁，2022年，8月28日雜質(zhì)元素之間相互作用對(duì)金屬的塑性產(chǎn)生影響；硫+Fe——FeS（熔點(diǎn)1190℃），熱脆+Mn——MnS（熔點(diǎn)1600℃），塑性提高。

合金元素特性、數(shù)量、元素之間的相互作用及分布等對(duì)金屬的塑性產(chǎn)生影響。

碳：形成單相固溶體（fcc）——鐵素體和奧氏體——有較好的塑性；形成脆性過剩相——滲碳體——塑性降低。鉻、鎢、鉬、鈦、釩：形成硬而脆的碳化物——塑性下降。鈦、釩：形成高度彌散的碳化物細(xì)小顆粒——對(duì)塑性影響不大。注：對(duì)冷加工用鋼而言，含碳量應(yīng)盡量低。第八頁，共二十九頁，2022年，8月28日

下面以碳鋼為例，分析碳及雜質(zhì)元素（P、S、N、H、o）對(duì)塑性的影響1、碳

碳對(duì)碳鋼性能的影響最大1）碳能固溶于鐵，形成鐵素體和奧氏體，它們具有良好的塑性。2）當(dāng)鐵中的碳含量超過其溶碳能力時(shí)，多余的碳便以滲碳體Fe3C形式出現(xiàn)，它具有很高的硬度，而塑性幾乎為零。含碳量越高，滲碳體的數(shù)量越多，金屬的塑性也越差。

見下圖例子不講!

第九頁，共二十九頁，2022年，8月28日碳含量對(duì)碳鋼力學(xué)性能的影響第十頁，共二十九頁，2022年，8月28日2、磷

鋼中有害雜質(zhì)，在鋼中有很大的溶解度，易溶于鐵素體，使鋼的塑性降低，在低溫時(shí)更為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象稱為冷脆性。

此外，磷具有極大的偏析傾向，能促使奧氏體晶粒長大。3、硫

鋼中有害物質(zhì)，主要與鐵形成FeS，與其它元素形成硫化物。硫化物及其共晶體（Fe-FeS），通常分布于晶界上，在鋼的鍛造溫度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生變形開裂，即“熱脆”現(xiàn)象。

在鋼中加入適量錳，生成MnS，硫化錳及其共晶體的熔點(diǎn)高于鋼的鍛、軋溫度，不會(huì)產(chǎn)生熱脆性，從而消除硫的危害。

第十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日4、氮

在鋼中主要以氮化物Fe4N形式存在。當(dāng)含量較小時(shí)，對(duì)鋼的塑性影響較?。划?dāng)含量增加時(shí)，鋼的塑性下降。

當(dāng)含氮量較高的鋼從高溫快冷至低溫時(shí)，α鐵被過飽和，隨后以Fe4N形式析出，使鋼的塑性、韌性大大下降，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效脆性。5、氫

鋼中溶氫，會(huì)使鋼的塑性、韌性下降，造成所謂“氫脆”（白點(diǎn)）。6、氧

在鋼中溶解度很小，主要以氧化物的形式出現(xiàn)，降低鋼的塑性。與其它夾雜物形成共晶體，分布于晶界處，造成鋼的熱脆性。第十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日7、其它元素：主要是降低鋼的塑性，提高變形抗力合金元素對(duì)鐵素體伸長率和韌性的影響第十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日（二）組織狀態(tài)對(duì)金屬塑性的影響晶格類型的影響面心立方——12個(gè)滑移系，同一滑移面上3個(gè)滑移方向，塑性最好，如鋁、銅和鎳等。體心立方——12個(gè)滑移系，同一滑移面上2個(gè)滑移方向，塑性較好，如釩、鎢、鉬等。密排六方——3個(gè)滑移系，塑性最差，如鎂、鋅、鈣等。晶粒度的影響晶粒度越小，越均勻，塑性越高。第十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日相組成的影響單相組織塑性好；多相組織塑性差。（晶界、晶內(nèi)；硬相、軟相）鑄造組織的影響鑄造組織具有粗大的柱狀晶粒，具有偏析、夾雜、氣泡、疏松等缺陷，因而塑性較差。第十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日（三）變形溫度對(duì)金屬塑性的影響

對(duì)大多數(shù)金屬而言，總的趨勢是隨著溫度升高，塑性增加。原因:1）發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，消除了加工硬化；2）原子動(dòng)能增加，位錯(cuò)活動(dòng)加劇，出現(xiàn)新的滑移系，改善晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性。3）晶間滑移作用增強(qiáng)：晶界切變抗力降低；晶界滑移引起的微裂紋被消除。4）金屬的組織、結(jié)構(gòu)的變化：多相——單相；晶格的結(jié)構(gòu)改變，如鈦：室溫hcp(密排六方)——bcc(體心立方)第十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日在加熱的某些溫度區(qū)間，由于相態(tài)或晶界狀態(tài)的變化而出現(xiàn)脆性區(qū)，使金屬的塑性降低。藍(lán)脆區(qū)：中溫（200-400℃）區(qū)，由于氧化物、氮化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出；熱脆區(qū)：高溫（800-950℃）區(qū)，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，使得鐵素體和奧氏體共存，另外，晶界處可能析出FeS-FeO低熔點(diǎn)的共晶體；高溫脆區(qū)：加熱溫度超過1250℃后，由于過熱、過燒，晶粒粗大，晶界出現(xiàn)氧化物和低熔物質(zhì)的局部熔化第十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日碳鋼的塑性隨溫度的變化曲線18第十八頁，共二十九頁，2022年，8月28日（四）應(yīng)變速率對(duì)塑性的影響

一方面，隨變形速率的增大，金屬的塑性降低：沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行回復(fù)或再結(jié)晶，軟化過程進(jìn)行得不充分。另一方面，隨著變形速率的增加，在一定程度上使金屬的溫度升高，溫度效應(yīng)顯著，從而提高金屬的塑性。但對(duì)于有脆性轉(zhuǎn)變的金屬，則應(yīng)變速率的增加可能引起塑性的下降。影響是雙方面的:第十九頁，共二十九頁，2022年，8月28日（五）應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性的影響

主應(yīng)力圖：

自變形體中某點(diǎn)取一立方微單元體，用箭頭表示作用在該單元體主應(yīng)力，稱為主應(yīng)力圖，主應(yīng)力圖只表示出應(yīng)力的個(gè)數(shù)和方向，并不表示應(yīng)力的大小。主應(yīng)力圖有九種：單向主應(yīng)力圖：二向主應(yīng)力圖：

三向主應(yīng)力圖：第二十頁，共二十九頁，2022年，8月28日應(yīng)力狀態(tài)不同對(duì)塑性的影響也不同：主應(yīng)力圖中壓應(yīng)力個(gè)數(shù)越多，數(shù)值越大，則金屬的塑性越高；拉應(yīng)力個(gè)數(shù)越多，數(shù)值越大，則金屬的塑性就越低。

原因:這是由于拉應(yīng)力促進(jìn)晶間變形，加速晶界破壞，而壓應(yīng)力阻止或減小晶間變形；另外，三向壓應(yīng)力有利于抑制或消除晶體中由于塑性變形而引起的各種微觀破壞，而拉應(yīng)力則相反，它使各種破壞發(fā)展，擴(kuò)大。

第二十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日變形抗力：

金屬在發(fā)生塑性變形時(shí)，產(chǎn)生抵抗變形的能力，稱為變形抗力，一般用接觸面上平均單位面積變形力表示變形抗力大小

取決于材料在一定變形條件下的真實(shí)應(yīng)力，還取決于塑性加工時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)、接觸摩擦狀態(tài)和變形體的尺寸因素等。注：只有在單向應(yīng)力狀態(tài)下，材料的變形抗力才等于材料在該變形條件下的真實(shí)應(yīng)力。第二十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日注：塑性和變形抗力是兩個(gè)不同的概念

塑性——反映材料塑性變形的能力變形抗力——反映塑性變形的難易程度/強(qiáng)度!

塑性好不一定變形抗力低，反之亦然。第二十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日變形抗力的影響因素

（一）化學(xué)成分的影響

金屬純度越高，變形抗力越小。合金元素的原子與基體原子間相互作用的特性、原子體積的大小以及合金原子在基體中的分布等。（基體點(diǎn)陣畸變）雜質(zhì)的含量、雜質(zhì)的性質(zhì)及其在基體中的分布特性。第二十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日（二）組織結(jié)構(gòu)的影響結(jié)構(gòu)變化：組織狀態(tài)不同，變形抗力不同；組織結(jié)構(gòu)的變化（相變），變形抗力也發(fā)生變化。晶粒大?。壕ЯＴ郊?xì)，同一體積內(nèi)的晶界越多，變形抗力就高（室溫晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)）。第二十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日單相組織和多相組織：單相組織合金元素含量越高，晶格畸變越嚴(yán)重，變形抗力越大。單相組織比多相組織的變形抗力小。

多相組織中第二相的性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量和分布狀況對(duì)變形抗力都有影響:硬而脆的第二相在基體相晶粒內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時(shí)，合金的變形抗力就高；第二相越細(xì)，分布越均勻，數(shù)量越多，變形抗力就越大。第二十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日（三）變形溫度的影響

幾乎所有的金屬和合金，變形抗力都隨溫度的升高而降低；但是當(dāng)金屬和合金隨著溫度的變化而發(fā)生物理-化學(xué)變化和相變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相反的情況，如鋼在加熱過程中發(fā)生的藍(lán)脆和熱脆現(xiàn)象。（四）變形程度的影響隨變形程度的增加，會(huì)產(chǎn)生加工硬化，使繼續(xù)變形發(fā)生困難，因而變形抗力增加。當(dāng)變形程度較高時(shí)，促進(jìn)了回復(fù)與再結(jié)晶過程的發(fā)生與發(fā)展，變形抗力的增加變得比較緩慢。第二十七頁，共二十九頁，2022年