1、金属塑性变形理论第十三讲Lesson Thirteen张贵杰Zhang GuijieTel：0315-2592155E-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 063009Lesson ThirteenLesson Thirteen*2第七章 金属的塑性主要内容Main Content 塑性的概念及塑性指标 影响塑性的主要因素 超塑性现象Lesson ThirteenLesson Thirteen*37.1 塑
2、性的概念及塑性指标 塑性的概念 塑性指标Lesson ThirteenLesson Thirteen*47.1.1 塑性的概念 什么是塑性？ 所谓塑性，是指固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力。Lesson ThirteenLesson Thirteen*5 塑性与柔软性的区别是什么？ 塑性反映材料产生永久变形的能力。 柔软性反映材料抵抗变形的能力。Lesson ThirteenLesson Thirteen*6不锈钢-塑性好，变形抗力高铅-塑性好，变形抗力低结论：塑性与柔软性不是同一概念白口铸铁-塑性差，变形抗力高Lesson ThirteenLesson Thir
3、teen*7 塑性与粘性的区别 塑性是指金属在产生永久变形时，伴随有组织的变化，但没有尺寸数量级超过光的波长的完整性的破坏，而粘性是指物体虽然也具有永久性变形，但无组织的变化和完整性的破坏。 Lesson ThirteenLesson Thirteen*8 研究塑性的意义 金属和合金在压力加工过程中可能出现断裂。而一但出现断裂，加工过程就很难进行下去。为了顺利地加工，就要求金属或合金具有在外力作用下，能发生永久变形而不破坏其完整性的能力。这就是所谓塑性。Lesson ThirteenLesson Thirteen*9 塑性好坏用金属在断裂前产生的最大变形程度来表示。它同断裂强度、冲击韧性一样，
4、也是金属抵抗断裂性能的一种量度。因为塑性反映出了金属断裂前的最大变形量，所以它表示出了压力加工时金属允许加工量的限度，是金属重要的加工性能。 同时，在使用条件下，如果金属具有良好的塑性，在发生断裂前能产生适当的塑性变形，就能避免突然的脆性断裂，所以它同样是重要的使用性能。Lesson ThirteenLesson Thirteen*10 塑性和其它的断裂性能指标一样，也和金属材料的化学成份、组织结构、变形温度、应变速率、应力状态等因素有非常密切的关系。塑性随着这些因素的变化而变化。 研究塑性是为了改善塑性和选择合适的变形方法，为了确定最合适的变形温度、应变速率、应力状态及许用的最大变形量。Le
5、sson ThirteenLesson Thirteen*11研究塑性就要： 探索塑性变化规律 寻求改善塑性途径 选择合理加工方法 确定最佳工艺制度 提高产品质量Lesson ThirteenLesson Thirteen*127.1.2 塑性指标 塑性的大小可以由金属在不同变形条件下允许的极限变形量来表示。此极限变形量称为塑性指标。 由于影响因素复杂，很难找出一种通用的指标来描述塑性。目前只能采用力学及工艺性能的方法来确定各种具体条件下的塑性指标。常用的塑性指标有： 延伸率 断面收缩率 扭转数或扭转角 极限压缩率 冲击韧性Lesson ThirteenLesson Thirteen*13塑性
6、指标的测量方法 拉伸试验法 压缩试验法 扭转试验法 轧制模拟试验法Lesson ThirteenLesson Thirteen*14延伸率式中L试样上原始计算长度； L断裂前后计算长度的绝对伸长量，即变形后计算长度与变形前计算长度之差。 延伸率包括了试样的均匀变形和集中的局部变形两部分的变形总和。所以，延伸率的大小与试样的原始计算长度有关，试样越长，集中变形数值的比值越小，延伸率就越小。 对圆柱体试样，规定L10d 或 L5d Lesson ThirteenLesson Thirteen*15 断面收缩率式中F0试样的原始断面积； F1试样断口处的断面积。 断面收缩率的大小与试样的原始计算长度
7、无关。因此，用断面收缩率作为衡量材料塑性大小指标，得出的数值比较稳定，有其优越性。Lesson ThirteenLesson Thirteen*16扭转数或扭转角 扭转数(n)，表示金属在扭转变形条件下，破坏前的最大扭转数。对于一定尺寸的试件来说，扭转数(n)越大，其塑性越好。扭转数可在冷、热扭转实验机上测定、可在不同的温度和速度条件下进行实验。 试验时圆柱体试样的一端固定，另一端扭转。试验中试样受到外加扭力的作用，随着试样扭转数的不断增加，最后将发生断裂。材料的塑性指标用破断前的扭转数(n)或扭转角来表示。 扭转数(n) 最能反映载荷是以剪切应力为主的塑性变形能力。Lesson Thirte
8、enLesson Thirteen*17极限压缩率式中H 试样原始高度； h经压缩后试样出现第一条裂纹时的高度。Lesson ThirteenLesson Thirteen*18工艺塑性指标 在模拟具体的塑性加工过程，来确定材料的塑性指标时，必须使其基本应力状态图示与所模拟的塑性加工过程或所模拟的工序相似。用这种方法所测定的塑性指标，通常称为工艺塑性指标（或简称为工艺塑性）。 在一般情况下，这些塑性指标的名称是与被确定塑性的该压力加工过程的名称相对应，例如轧制性，锻造性、模锻性和冲压性等。Lesson ThirteenLesson Thirteen*19 所有的塑性加工过程都同时存在几个塑性指
9、标的测定方法。 确定材料锻造性的方法：镦粗光滑圆柱体试样或沿轮廓线带切口的圆柱体试样，在二斜砧中锻造钢锭的方法等 确定纵轧时材料的轧制性的方法：在平轧辊上轧制楔形试样的方法和在偏心轧辊上轧制矩形断面试样的方法； 确定板料冲压性的方法：杯突试验法，锥形杯深延法以及圆形板坯冲压成柱形杯的方法等。Lesson ThirteenLesson Thirteen*20 轧制模拟试验法 如图所示，楔形试样经具有一定辊缝值的二平辊轧制后，由于轧件原始高度的不同沿轧件长度方向上产生不同的压下率。此时，最先发生裂纹处的压下率便为试验材料的塑性指标。Lesson ThirteenLesson Thirteen*21
10、 如图所示，因轧辊偏心，所以在轧制过程中二轧辊间的辊缝值在不断地变化。因此，轧前沿试样长度方向高度均一的试样，经轧制后便成为楔形，沿其长度方向产生不同的压下率。这样，可根据轧后试样上裂纹的分布找到最初出现的裂纹，测出该处试样的高度，并根据下式确定材料的塑性指标。Lesson ThirteenLesson Thirteen*22 平均塑性 在一定的正和负的静水压力下的简单试验中测出各单一塑性指标，并保证其成对性。然后以这些单一塑性的算术平均值作为材料的近似平均塑性指标。Lesson ThirteenLesson Thirteen*23塑性图 在实际中为了确定合理的热加工温度范围和应采取的变形程度
11、，通常把所测得的塑性指标用温度函数形式表示，也就是绘制出塑性指标与变形温度的关系曲线图，并称之为塑性图。 Lesson ThirteenLesson Thirteen*24塑性图的应用：合理选择加工方法制定冷热变形工艺GH130高温合金塑性图 Lesson ThirteenLesson Thirteen*25变形镁合金MB5的塑性图ak 冲击韧性；eM 慢力作用下的最大压缩率，eC 冲击力作用下的最大压缩率； 断面收缩率，a弯曲角度 试验温度，Lesson ThirteenLesson Thirteen*26 从塑性图上获取的信息 慢速加工，温度为350400时,值和M都有最大值，不论轧制或挤
12、压，都可在此温度范围内以较慢的速度加工。 锻锤下加工，在350左右有突变，变形温度应选择在400450。 工件形状比较复杂，变形时易发生应力集中，应根据K曲线来判定。从图中可知，在相变点270附近突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在250以下进行为佳。Lesson ThirteenLesson Thirteen*277.2 影响塑性的主要因素 金属的化学成分及组织 变形的温度速度条件 变形的力学条件 其它因素Lesson ThirteenLesson Thirteen*287.2.1 金属的化学成分及组织 化学成分的影响 合金元素的影响 金属组织的影响 Lesson ThirteenLe
13、sson Thirteen*29化学成分的影响 一般认为，纯金属具有较高的塑性，当加入其它合金元素后成单相固溶体时也有较好的塑性。 若所含的元素形成化合物时使塑性降低。 面心立方晶体，如Al，Ni，Pb，Au，Ag等具有较高的塑性。体心立方晶体，如Fe，Cr，W，Mo，P黄铜等的塑性居次。塑性较低的是六方晶格金属，如Zr，Hf，Ti等。Lesson ThirteenLesson Thirteen*30 在合金成分中不溶于固溶体或部分溶于固溶体中元素将形成某种成分的过剩相存在于晶内或晶界。属于这类的元素有碳化物形成元素，形成金属间化合物元素，以及硫、铝、硅、铅、锡等等。在固溶体中过剩相，对其塑性
14、有非常大的影响。 磷冷脆性；硫热脆性；碳、氮时效脆性；氢氢脆现象，白点Lesson ThirteenLesson Thirteen*31合金元素的影响 铁 化学纯铁具有非常大的塑性，但工业纯铁，例如阿姆克铁，其塑性却不完全如此。铸态的阿姆克铁在1000左右，塑性急剧下降。 Lesson ThirteenLesson Thirteen*32 碳 在碳钢中碳的含量越高，钢的塑性越差，热加工温度范围越窄。实验证明，含碳量小于1.4的铸钢，可以很好地经受锻造和轧制。当含碳量高于1.4时，由于析出自由渗碳体和莱氏体，使塑性下降。从铁碳平衡图中可以看出，具有1.41.7的碳钢在很窄的温度范围内形成固溶体。
15、而当含碳量高于1.7时，其塑性将由钢中的渗碳体和莱氏体的影响程度而定。对于含碳量很高的铸铁，只有在特殊条件下才能进行塑性加工。Lesson ThirteenLesson Thirteen*33 锰 奥氏体锰钢，由于低的导热性和大的膨胀系数，使之具有高的加热速度敏感性。对于大断面的高锰钢来讲，若加热速度过快，可能使之产生内裂。锰钢的过热敏感性强，对其加热制度应进行严格控制。 当在钢中含有较多的硫和氧时，锰还会起到消除或减轻硫和氧的有害作用，使钢的塑性提高。Lesson ThirteenLesson Thirteen*34 硫 硫在固溶体内的溶解度甚微。硫在钢中以FeS、MnS等硫化物夹杂的形式存
16、在。如钢中含有合金元素时，还会形成镍、钼和其它合金元素的硫化物。 一般硫化物具有较高的熔点温度，但某些硫化物的共晶体和化合物的熔点温度较低。显然，如果在钢中的含硫量越多，并存在有低熔点的硫的共晶体和化合物时，则钢的塑性将与变形温度有关。若加热温度高于硫的共晶体和化合物的熔点时，则这种钢在变形时会发生断裂，即产生红脆现象。Lesson ThirteenLesson Thirteen*35Lesson ThirteenLesson Thirteen*36 硅 纯硅不能进行塑性变形。当在钢和合金中的硅以固溶体形式存在时，它对该金属的塑性影响不大。例如，在变压器钢中，当含硅量达3时仍然有高的可轧性能。
17、含硅量过高时钢的塑性下降。当钢中的硅以硅化物(如SiO2)存在时，因在变形温度条件下不溶解，使钢的塑性下降。 Lesson ThirteenLesson Thirteen*37 镍 纯镍具有高塑性，镍可提高纯铁体的强度和塑性，能减缓钢在加热时晶粒的长大。当在碳钢和低合金钢中，含镍量在5%以下时，可改善钢在热变形时的塑性。镍可与硫形成硫化物以薄膜形式存在于晶粒的边界上。因此在含镍的钢中提高硫的含量会引起钢的红脆现象。Lesson ThirteenLesson Thirteen*38 铬 工业用的纯铬为脆性材料，在铬中含有氧化物和氮化物的有害夹杂，这些夹杂分布在晶界上降低晶粒间的结合强度。 铬为铁
18、素体形成元素，在一系列的奥氏体合金中，含有一定量的铬时会产生铁素体的过剩相使钢的塑性下降。铁素体的高铬合金于再结晶时具有很大的晶粒长大倾向性。因此，为得到所需的组织必须严格控制加工温度范围。在钢中加入铬时可使其导热性下降，因此为避免在加热时出现裂纹应在较低的温度下进行缓慢而均匀的加热。特别对导热能力低、膨胀系数大的高铬钢(如Cr25、Cr28)加热时更应注意。Lesson ThirteenLesson Thirteen*39 钨、钼、钒 这些元素都是碳化物形成元素，它们所形成的碳化物极为稳定，为使其溶于基体中需要更高的加热温度和足够的加热时间，这些碳化物能阻止奥氏体在加热时的晶粒长大，减小钢的
19、过热敏感性。 使钢的强度升高，但塑性下降。Lesson ThirteenLesson Thirteen*40 铝、铜、硼 磷 铅、锡、砷、锑、铋 氢、氮 稀土元素Lesson ThirteenLesson Thirteen*41金属组织的影响 金属宏观组织的影响 关于宏观组织对金属塑性的影响，对铸态组织来讲由于含有粗大结晶组织和组织排列的不均，通常具有比变形组织更低的塑性。对经变形后的金属来讲，通常细晶组织具有更高的塑性。 Lesson ThirteenLesson Thirteen*42 金属微观组织的影响 若钢与合金在热加工条件下具有单一的奥氏体(对铁素体钢为单一的铁素体)组织，而不存在其它过剩相时，则具有较高的塑性，如有过剩相存在，或多或少地会使钢与合金的塑性下降。这种过剩相在轧前的加热过程中将会发生变化，有些过剩相在加热时溶解于固溶体中，对塑性不产生影响，而有些过剩相在加热过程中仍然保存下来，影响金属的塑性。 Lesson ThirteenLesson Thirteen*43课后作业Homework 习题集P42第1、2、5、6题
