第九章--金属塑性变形抗力

1金属塑性变形抗力的影响因素学生姓名黄文博学号20130603218班级13材控2学院名称机电工程学院专业名称材料成型及控制工程指导教师宋美娟2金属的塑性和变形抗力从金属成形工艺的角度出发，我们总希望变形的金属或合金具有高的塑性和低的变形抗力。随着生产的发展，出现了许多低塑性、高强度的新材料，需要采取相应的新工艺进行加工。因此研究金属的塑性和变形抗力，是一个十分重要的问题。本章的目的在于阐明金属塑性和变形抗力的概念，讨论各种因素对它们的影响。1.塑性、塑性指标、塑性图和变形抗力的概念所谓塑性，是指固体材料在外力作用下发生永久变形而又不破坏其完整性的能力。人们常常容易把金属的塑性和硬度看作成反比的关系，即认为凡是硬度高的金属其塑性就差。当然，有些金属是这样的，但并非都是如此，例如下列金属的情况：FeHB＝80ψ＝80％NiHB＝60ψ＝60％MgHB＝8ψ＝3％SbHB＝30ψ＝0％可见Fe、Ni不但硬度高，塑性也很好；而Mg、Sb虽然硬度低，但塑性也很差。塑性是和硬度无关的一种性能。同样，人们也常把塑性和材料的变形抗力对立起来，认为变形抗力高塑性就低，变形抗力低塑性就高，这也是和事实不符合的。例如奥氏体不锈钢在室温下可以经受很大的变形而不破坏，既这种钢具有很高的塑性，但是使它变形却需要很大的压力，即同时它有很高的变形抗力。可见，塑性和变形抗力是两个独立的指标。为了衡量金属塑性的高低，需要一种数量上的指标来表示，称塑性指标。塑性指标是以金属材料开始破坏时的塑性变形量来表示。常用的塑性指标是拉伸试验时的延伸率δ和断面缩小率ψ，δ和ψ由下式确定：式中l0、F0——试样的原始标距长度和原始横截面积；lK、FK——试样断裂后标距长度和试样断裂处最小横截面积。实际上，这两个指标只能表示材料在单向拉伸条件下的塑性变形能力，金属的塑性指标除了用拉伸试验之外，还可以用镦粗试验、扭转试验等来测定。镦粗试验由于比较接近锻压加工的变形方式，是经常采用的一种方法。试件做成圆柱体，高度H。为直径D。的l.5倍(例如D0＝20mm，H0＝20mm)。取一组试样在压力机或锤上进行镦粗，分别依次镦粗到预定的变形程度，第一个出现表面裂纹3的试样的变形程度ε，即为塑性指标：式中H0－试样原始高度；HK－第一个出现裂纹的试样镦粗后高度。为了减少试样的数量和试验工作量，可做一个楔形块当作试样(图5.2)。这样。一个楔形块镦粗后便可获得预定的各种变形程度，以代替一组圆柱形试样。只要计算出第—条裂纹处的变形程度ε，就是材料镦粗时的塑性指标。如果把若干组试样(或者若干楔形块)分别加热到不同的预定温度，进行镦粗试验，则可测定金属和合金在不同温度下的塑性指标。镦粗试验时试样裂纹的出现，是由于侧表面处拉应力作用的结果。工具与试样接触表面的摩擦力、散热条件、试样的几何尺寸等因素，都会影响到拉应力的大小。因此，用镦粗试验测定塑性指标时，为便于比较，必须制定相应的规程，说明试验的具体条件。通常根据镦粗试验的塑性指标ε,材料可如下分类：ε＞60～80％，为高塑性；ε＝40～60％，为中塑性；ε＝20～40％，为低塑性。塑性指标ε在20％以下，该材料实际上难以锻压加工。钮转试验的塑性指标，是以试样扭断时的扭转角(在试样标距l0起点和终点两个截面间的相对扭转角)或扭转圈数来表示。由于扭转时应力状态近于零静水压，且试样从试验开始到破坏止，在其整个长度上塑性变形均匀地进行，始终保持均匀的圆柱形，不象拉伸试验时会出现颈缩和镦粗实验时会出现鼓形，从而消除了变形不均匀性的影响，这对塑性理论的研究无疑是很重要的。将不同温度时，在各种试验条件下得到塑性指标(δ、ψ、ε及αK等)，以温度为横坐标，以塑性指标为纵坐标，绘成函数曲线，这种曲线图，4称为塑性图。图5.3是碳钢的塑性图。一个完整的塑性图，应该给出压缩时的变形程度ε、拉伸时的强度极限σb、延伸率δ、断面缩小率ψ、钮转时的钮角或转数、以及冲击韧性αK等机械性能和试验温度的关系，它是确定金属塑性加工热力规范的重要依据。塑性加工时，使金属发生塑性变形的外力，称为变形力。金属抵抗变形之力，称为变形抗力。变形抗力和变形力数值相等，方向相反，一般用平均单位面积变形力表示其大小。当压缩变形时，变形抗力即是作用于施压工具表面的单位面积压力，故亦称单位流动压力。变形抗力和塑性，如上所述，是两个不同的慨念，塑性反映材料变形的能力，变形抗力则反应材料变形的难易程度。变形抗力的大小，不仅决定于材料的真实应力(流动应力)，而且也决定于塑性成形时的应力状态、接触摩擦以及变形体的相对尺寸等因素(见下文)。只有在单向拉伸(或压缩)时，变形抗力等于材料在该变形温度、变形速度、变形程度下的真实应力。因此，离开上述具体的加工方法等条件所决定的应力状态、接触摩擦等因素，就无法评论金属和合金的变形抗力。为了研究问题时的方便，我们在讨论各种因素对变形抗力的影响时，在某些情况下姑且把单向拉伸(或压缩)时的真实应力（或强度极限)当作衡量变形抗力大小的指标。实际上也可以认为，塑性成形时变形抗力的大小，主要决定于材料本身的真实应力(或强度极限)。但是它们之间的概念不同，它们的数值在极大多数情况下也不相等。2.金属的化学成分和组织状态对塑性和变形抗力的影响2.1化学成分的影响在碳钢中，铁和碳是基本元素。在合金钢中，除了铁和碳外，还有合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。此外，由于矿石、冶炼加工等方面的原因，在各类钢中还有一些杂质，如P、S、N、H、O等。下面先以碳钢为例，讨论化学成分的影响。这些影响在其他各类钢中也大体相似。碳碳对钢性能的影响最大。碳能固溶到铁里，形成铁素体和奥氏体，它们都具有良好的塑性和低的强度。当含碳量增大时，超过铁的溶解能力，多余的碳和铁形成化合物Fe3C，称渗碳体。它有很高的硬度，塑性几乎为零，对基体的塑性变形起阻碍作用，因而使碳钢的塑性降低，强度提高。随着含碳量的增大，渗碳体的数量也增加，塑性的降低和强度的提高也更甚(图5.11)。磷一般说，磷是钢中有害杂质。磷能溶于铁素体中，使钢的强度、硬度显著提高，塑性、韧性显著降低。当含磷量达0.3％时，钢完全变脆，冲击韧性接近于零，5称冷脆性。当然钢中含磷不会如此之多，但要注意，磷具有极大的偏析能力，会使钢中局部地区达到较高的磷含量而变脆。钢中加入合金元素，不仅改变钢的使用性能，也改变钢的塑性和真实应力。由于各种合金元素对钢塑性和真实应力的影响十分复杂，需要结合具体钢种根据变形条件作具体的分析，不宜作一般性概括。2.2组织状态的影响金属材料的组织状态和其化学成分有密切关系，但也不是完全由化学成分所决定，它还和制造工艺(如冶炼、浇铸、锻轧、热处理)有关。组织状态的影响分下面几点说明。2.2.1基体金属对塑性，前己指出，基体金属是面心立方晶格(A1、Cu、γ—Fе、Ni)，塑性最好；是体心立方晶格(α－Fe、Cr、W、V、Mo)，塑性其次；是密排六方晶格(Mg、Zn、Cd、α－Ti)，塑性较差。因为密排六方晶格只有三个滑移系，而面心立方晶格和体心立方晶格各有12个滑移系；又面心立方晶格每一滑移面上的滑移方向数比体心立方晶格每一滑移面上的滑移方向数多一个(参阅图2.20)，故其塑性最好。对真实应力，基体金属元素的类别，决定了原子间结合力的大小，对于各种纯金属，一般说原子间结合力大的，滑移阻力便大，真实应力也就大。2.2.2单相组织和多相组织合金元素以固溶体形式存在只是一种方式，在很多情况下形成多相组织。单相固溶体比多相组织塑性好，例如护环钢(50Mnl8Cr4)在高温冷却时，700℃左右会析出碳化物，成为多相组织，使塑性降低，常要进行固溶处理。即锻后加热到1050～1100℃并保温，使碳化物固溶到奥氏体中，然后用水和空气交替冷却，使迅速通过碳化物析出的温度区间，最后单相固溶体的护环钢δ＞50％。而45号钢虽然合金元素含最少得多，但因是两相组织，δ＝16％，塑性比护环钢低。对真实应力来说，则单相固溶体中合金元素的含量越高，真实应力便越高。这是因为，无论是间隙固溶体(例如碳在铁中)还是置换固溶体(例如镍、铬在铁中)，都引起晶格的畸变。加入的量越多，引起的晶格畸变越严重，金属的真实应力也就越大。单相固溶体和多相组织相比，一般说真实应力较低。当多相组织时，对于塑性的影响，如果合金各相的塑性接近时，则影响不大；如果各相的性能差别很大，则使得合金变形不均匀，塑性降低；这时，第二相的性质、形状、大小、数量和分布状况起着重要的作用。如果第二相为低溶点化合物且分布于晶界时，例如FeS和FeO的共晶体，则是发生热脆的根源；如果第二相是硬而脆的化合物，则塑性变形主要在塑性好的基体相内进行，第二相对变形起阻碍作用，这6时如果第二相呈网状分布，分布在塑性相的晶界上，则塑性相被脆性相分割包围，其变形能力难以发挥，变形时易在晶界处产生应力集力，很快导致产生裂纹，使合金的塑性大大降低。脆性相数量越多，网的连续性越严重，合金的塑性就越差。如果硬而脆的第二相呈片状层状，分布于第一相晶粒内部，则合金塑性有一定程度的降低，对合金塑性变形的危害性较小。如果硬而跪的第二相呈细颗粒状弥散质点，均匀分布于第一相晶粒内，则对合金的塑性影响最小，因为如此分布的脆性相，几乎不影响基体的连续性，它可以随基体的变形而“流动”，本会导致明显的应力集中。对于真实应力的影响，在多相组织中，也和对塑性的影响相似，第二相的性质、形状、大小、数量和分布状况，起着重要的作用。一般说，硬而脆的第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散质点均匀分布，合金的真实应力就高；第二相越细、越弥散、数量越多，则真实应力越高。因为这样，大量弥散均匀的细质点成为塑性变形的障碍物，阻碍着滑移过程的进行，使合金的真实应力显著提高。例如，硬铝LYl2在退火状态下强度为24公斤／毫米2，淬火并时效后强度达到41.5公斤／毫米2，主要原因是，在退火状态第二相集聚为较大颗粒，在淬火时效状态，则第二相以弥散质点分布在基体上。2.2.3晶粒大小金属和合金晶粒越细化，塑性越好，原因是晶粒越细，在同一体积内晶粒数目越多，于是在一定变形数量下，变形分散在许多晶粒内进行，变形比较均匀，这样，比起粗晶粒的材抖，由于某些局部地区应力集中而出观裂纹以致断裂这一过程会发生得迟些，即在断裂前可以承受较大的变形量。同样，金属和合金晶粒越细化，同一体积内晶界就越多，由于室温时晶界强度高于晶内，所以金属和合金的真实应力就高。但在高温时，由于能发生晶界粘性流动，细晶粒的材料反而真实应力较低。3.变形温度、变形速度对塑性和变形抗力的影响3.1变形温度的影响变形温度对金属和合金的塑性和变形抗力，有着重要影响。就大多数金属和合金来说，总的趋势是：随着温度升高，塑性增加，真实应力降低。但在升温过程中，在某些温度区间，某些合金的塑性会降低，真实应力会提高。由于金属和合金的种类繁多，很难用一种统一的规律，来概括各种材料在不同温度下的塑性和真实应力的变化情况。下面举几个例子来说明。7图5.13表明了碳钢延伸率δ和强度极限σb随温度变化的情形。在大约-100℃时，钢的塑性几乎完全消失，因为是在钢的脆性转变温度以下。从室温开始，随着温度的上升，δ有些增加，σb有些下降。大约200～350℃温度范围内发生相反的现象，δ明显下降，σb明显上升，这个温度范围一般称为蓝脆区。这时钢的性能变坏，易于脆断，断口呈兰色。其原因说法不一，一般认为是由于氮化物、氧化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出所致。随后δ又继续增加，σb继续降低，直至大约800℃一950℃范围，又一次出现相反的现象，即塑性稍有下降，强度稍有上升，这个温度范围称为热脆区。有的学者认为这与相变有关，钢由珠光体转变为奥氏体，由体心立方晶格转变为面心立方晶格，要引起体积收缩，产生组织应力；有的学者认为，这是由于分布在晶界的FeS与FeO形成的低熔点共晶体所致。过了热脆区，塑性继续上升，强度继续下降。一般当温度超过1250℃，由于钢产生过热，甚至过烧，δ和σb均急剧降低，此区称为高温脆区。图5.14是高速钢的强度极限σ