金屬塑性變形理論

Theoryofmetalplasticdeformation

第十七講LessonSeventeen張貴杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092/2/20231第八章金屬的塑性變形抗力主要內(nèi)容MainContent變形抗力的概念及測定方法影響變形抗力的主要因素變形抗力的計(jì)算2/2/202328.2影響變形抗力的主要因素化學(xué)成份應(yīng)力狀態(tài)組織結(jié)構(gòu)接觸摩擦變形溫度變形速度變形程度……2/2/20233應(yīng)力狀態(tài)在塑性加工過程中，變形物體所承受的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其變形抗力有很大的影響。例如，擠壓時(shí)的變形抗力要比軋制時(shí)大；在孔型中軋制時(shí)要比在平軋輥上軋制時(shí)大；模鍛時(shí)要比在平錘頭間鍛造時(shí)大等等。這些都表明，應(yīng)力狀態(tài)對(duì)變形抗力有較明顯的影響。在圖示中壓應(yīng)力狀態(tài)越強(qiáng)，變形抗力越大。擠壓時(shí)為三向壓應(yīng)力狀態(tài)圖示，而拉拔時(shí)為單向拉伸和兩向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)圖示，所以擠壓時(shí)金屬的變形抗力就大于拉伸時(shí)的變形抗力。2/2/20234金屬的變形抗力在很大程度上取決于靜水壓力。對(duì)許多金屬和合金來說，當(dāng)靜水壓力從0增加到5000MPa時(shí)，其變形抗力可增加一倍。2/2/20235拉伸金屬和合金時(shí)徑向壓力的影響6.31.9203166525℃淬火并人工時(shí)效鑄造AД5鋁合金23.917.2461382470℃在水中淬火Al-Cu-Mg-Zn合金28.032.0331234在供應(yīng)狀態(tài)下MA2鎂合金21.47.5254219360℃退火鎂50.643.8571470800℃在水中淬火鈹青銅84.371.5217209600℃退火鋼有徑向壓力無徑向壓力有徑向壓力無徑向壓力斷裂時(shí)的斷面收縮率，％強(qiáng)度極限，MPa熱處理材料2/2/20236靜水壓力的影響通?？稍谙率銮闆r表現(xiàn)比較明顯：金屬合金中的已有組織或在塑性變形過程中發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變有脆性傾向。這時(shí)，靜水壓力可以使金屬變得致密，消除可能產(chǎn)生的完整性的破壞，從而既提高了金屬的塑性，又提高了金屬的變形抗力。通常，金屬越傾向于脆性狀態(tài)，靜水壓力的影響越顯著。2/2/20237金屬合金的流變行為與粘－塑性體的行為相一致。對(duì)粘性體來講，變形速度和靜水壓力對(duì)其變形抗力有明顯的影響。對(duì)粘－塑體來講也同樣是這樣。并且粘性性質(zhì)越明顯，這種影響就越大。在一定的溫度－速度條件下(特別是在溫度接近熔點(diǎn)且變形速度不大時(shí))，金屬合金的流動(dòng)行為與粘－塑性體的流變行為相一致。此時(shí)，變形速度和靜水壓力對(duì)金屬合金便產(chǎn)生相應(yīng)的影響。2/2/20238關(guān)于靜水壓力對(duì)變形抗力產(chǎn)生影響原因尚需進(jìn)一步研究。有人認(rèn)為，變形速度對(duì)變形抗力的影響越大時(shí)，靜水壓力對(duì)變形抗力的影響也越大。由于靜水壓力的作用，可使金屬內(nèi)的空位減少，使塑性形變因難。特別是當(dāng)變形速度較大，實(shí)現(xiàn)塑性變形的時(shí)間不夠時(shí)更是如此?？瘴坏臄?shù)量越大，靜水壓力對(duì)變形抗力的影響也超大。2/2/20239變形溫度在討論溫度對(duì)變形抗力的影響時(shí)必須注意到由于溫度的升高所引起的軟化效應(yīng)和其它變形機(jī)構(gòu)的參與作用。從絕對(duì)零度到熔點(diǎn)Tm，可分為三個(gè)溫度區(qū)間：從0～0.3Tm為完全硬化區(qū)間從0.3Tm～0.7Tm為部分軟化區(qū)間從0.7Tm～1.0Tm為完全軟化區(qū)間對(duì)純金屬當(dāng)溫度高于(0.25~0.3)Tm時(shí)在變形金屬內(nèi)產(chǎn)生回復(fù)，高于0.4Tm時(shí)有再結(jié)晶出現(xiàn)。2/2/202310鋅在室溫下帶有中間停歇的拉伸結(jié)果2/2/202311在軟化溫度區(qū)間持續(xù)時(shí)間的長短對(duì)金屬的軟化程度也有影響。隨著溫度的升高，消除硬化所需的時(shí)間越短。并且溫度越高，此縮短的程度就越大，這是因?yàn)檐浕枰谝欢ǖ臅r(shí)間內(nèi)進(jìn)行。由此可以看出，變形速度對(duì)金屬的軟化過程有很大的影響。隨著變形速度的減小，軟化程度增大。因此，溫度越高和變形速度越小時(shí)，金屬的軟化程度就越大。2/2/202312在0.3Tm溫度以下，塑性變形的基本機(jī)構(gòu)是滑移機(jī)構(gòu)(剪切機(jī)構(gòu))、晶塊間機(jī)構(gòu)、孿生機(jī)構(gòu)和晶粒間的脆化機(jī)構(gòu)。當(dāng)溫度高于0.3Tm時(shí)，非晶機(jī)構(gòu)開始變得明顯，然后溶解沉淀機(jī)構(gòu)和晶粒邊界上的粘性流動(dòng)機(jī)構(gòu)等參與作用。同時(shí)，像晶粒間脆化機(jī)構(gòu)和孿生機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)便會(huì)消除或幾乎消除。溫度升高后，剪切機(jī)構(gòu)和甚至是晶塊間機(jī)構(gòu)都會(huì)大大改變其特性。它們的變化是：隨著溫度的升高，伴隨上述機(jī)構(gòu)發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象變得不顯著，并開始清楚地顯示出滑移的擴(kuò)散特性。2/2/202313硬化隨溫度的升高而降低的總效應(yīng)決定于：回復(fù)和再結(jié)晶的軟化作用；隨著溫度的升高，新塑性機(jī)構(gòu)的參與作用剪切機(jī)構(gòu)(基本塑性機(jī)構(gòu))特性的變化。2/2/202314不同溫度下鋼的拉伸曲線2/2/202315鎘與鋅的真應(yīng)力曲線2/2/202316總的來看，對(duì)于從0到1的相對(duì)溫度區(qū)間的整個(gè)間隔內(nèi)都沒有物理－化學(xué)變化的合金，其硬度、強(qiáng)度極限、屈服極限、變形抗力等的對(duì)數(shù)值隨溫度的變化呈線性關(guān)系。對(duì)于有物理－化學(xué)變化的合金，在相應(yīng)此物理－化學(xué)變化的溫度，直線的斜度發(fā)生改變。2/2/202317庫爾納科夫溫度定律式中Pt1——溫度t1時(shí)塑性變形抗力的特征值(擠壓壓力、壓入時(shí)的硬度、拉伸時(shí)的強(qiáng)度極限、屈服極限、引起變形的應(yīng)力強(qiáng)度)；Pt2——溫度t2時(shí)上述各塑性變形抗力的特征值；a——溫度系數(shù)。2/2/202318如果合金的變形抗力對(duì)數(shù)直線的進(jìn)程在從0到1的相對(duì)溫度區(qū)間有n次變化，那么該合金在此溫度區(qū)間就將有n十1次變態(tài)。每一次溫度變態(tài)都可用該改變態(tài)的溫度系數(shù)a，對(duì)應(yīng)變態(tài)開始溫度Tk的開始變形抗力Pk和對(duì)應(yīng)變態(tài)終了溫度Tz的終了變形抗力Pz。對(duì)于每一次變態(tài)，溫度系數(shù)可由下式確定：2/2/202319對(duì)于每一溫度變態(tài)，庫爾納科夫定律可以寫成如下的近似形式：2/2/202320在0.7～0.95相對(duì)溫度范圍內(nèi)的強(qiáng)度極限溫度為0.95TM和拉伸速度為40~50mm/min時(shí)的強(qiáng)度極限對(duì)純金屬a＝0.008；對(duì)單相系和多相系合金a＝0.0085；對(duì)固溶體a＝0.008~0.012。對(duì)鎳和鎳基合金以及其它耐熱合金，溫度系數(shù)應(yīng)相應(yīng)提高20~25%。2/2/202321變形速度對(duì)于每種金屬材料，在設(shè)定的溫度條件下都有其自己的特征變形速度。在小于特征變形速度數(shù)值的范圍內(nèi)改變變形速度，對(duì)變形過程沒有影響。如果變形速度高于此特征速度，則很高變形速度會(huì)引起變形抗力的升高，同時(shí)也會(huì)使所有的軟化過程、物理化學(xué)過程和需要時(shí)間來實(shí)現(xiàn)有強(qiáng)烈擴(kuò)散性質(zhì)的塑性變形機(jī)構(gòu)受到阻礙。此外，在變形過程中由于變形速度的升高，會(huì)引起變形物體的熱效應(yīng)。2/2/202322為完全實(shí)現(xiàn)塑性變形的時(shí)間不夠。彈性波是以聲速在變形物體內(nèi)傳播。當(dāng)對(duì)變形物體的加載速度小于聲速時(shí)，塑性變形在變形物體內(nèi)的傳播速度比彈性變形在此同一物體內(nèi)的傳播速度慢。此彈性變形與塑性變形的傳播速度間的差異，取決于變形物體的成分、溫度和應(yīng)力狀態(tài)等。塑性機(jī)構(gòu)的擴(kuò)散性質(zhì)越明顯，塑性變形速度滯后于彈性變形的效應(yīng)就表現(xiàn)得越強(qiáng)烈。因?yàn)樽詳U(kuò)散過程需要時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。因此，非晶塑性機(jī)構(gòu)在這方面應(yīng)顯示出最大的效應(yīng)。2/2/202323假設(shè)，以稍低于聲速的速度拉伸方桿，經(jīng)過非常小的時(shí)間其長度增加50％，并在此變形條件下和時(shí)間間隔內(nèi)，所設(shè)定的變形速度只能保證變形物體具有5％的殘余延伸。這樣，方桿將具有45％的彈性變形和5％的塑性變形。因此，在方桿內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力便可用相當(dāng)于45％彈性變形的縱坐標(biāo)aa‘來確定。若增加此產(chǎn)生50％延伸的變形時(shí)間，即減小拉伸速度，使在變形物體內(nèi)具有更大的殘余延伸，例如30％，那么，在方桿中的應(yīng)力數(shù)值便可用相當(dāng)于30％彈性延伸的縱坐標(biāo)bb’來確定，等等。2/2/202324在設(shè)定的總變形數(shù)值下變形速度對(duì)應(yīng)力的影響2/2/202325為實(shí)現(xiàn)軟化過程的時(shí)間不夠。金屬在變形過程中由于塑性變形的進(jìn)行金屬要發(fā)生硬化，又由于回復(fù)和再結(jié)晶的作用變形金屬又要發(fā)生軟化。但回復(fù)和再結(jié)晶需要一定的時(shí)間來完成，若此時(shí)間不夠，則將會(huì)使變形金屬的硬化速率超過軟化速率，結(jié)果使變形抗力升高。從上面的情況可以認(rèn)為，當(dāng)所取的變形速度超過保證得到最大軟化的速度時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)軟化過程的時(shí)間不夠，而使應(yīng)力提高；所取的變形速度低于保證得到最大軟化的速實(shí)時(shí)，又可由于完全實(shí)現(xiàn)塑性變形的時(shí)間不夠，而使應(yīng)力提高。2/2/202326由于熱效應(yīng)使變形物體的溫度升高。例如，用50kg的錘頭從3m的高度上沖擊直徑和高度為11.1mm的硬鋁試樣，變形程度為89.2%時(shí)，發(fā)現(xiàn)試樣的溫度從13℃升高到317℃。變形速度使變形抗力相對(duì)降低的最大影響出現(xiàn)在完全硬化變形的溫度區(qū)間。例如，在拉拔金屬過程中，當(dāng)拉拔速度為每秒幾十米時(shí)，可使拉拔力下降，其原因就是拉拔時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)的結(jié)果。2/2/202327溫度對(duì)速度效應(yīng)的影響2/2/202328溫度越高塑性機(jī)構(gòu)的擴(kuò)散特性表現(xiàn)得越明顯。同時(shí)非晶機(jī)理在塑性變形過程中起的作用越大，速度效應(yīng)也越大。實(shí)現(xiàn)非晶塑性機(jī)構(gòu)需要一定的時(shí)間。此時(shí)間的長短取決于金屬的材質(zhì)和溫度。如果時(shí)間不夠，非晶機(jī)構(gòu)就不能實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，在晶體中，它將被在較高抗力下能夠?qū)崿F(xiàn)的其它機(jī)構(gòu)所代替。在非晶體中，它將被彈性變形所代替。2/2/202329在完全軟化變形的溫度范圍內(nèi)，任何速度下的硬化曲線都平行于橫坐標(biāo)軸，即不發(fā)生硬化。在此溫度范圍內(nèi)，在晶粒邊界上的粘性流動(dòng)機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)蠕變提供了很大的可能性。溫度越高，粘性流動(dòng)抗力越小。晶粒邊界上的粘性流動(dòng)抗力與其它塑性機(jī)構(gòu)抗力相比，其值是最小的。在此溫度范圍內(nèi)熱效應(yīng)的影響不大。2/2/202330在不完全硬化變形的溫度范圍內(nèi)，非晶機(jī)構(gòu)實(shí)際上是不能實(shí)現(xiàn)的。在此溫度區(qū)間，產(chǎn)生速度效應(yīng)的基本原因是實(shí)現(xiàn)復(fù)原的時(shí)間不夠。速度效應(yīng)(變形抗力的提高)、松弛和蠕變在此溫度區(qū)間表現(xiàn)的程度，比在不完全軟化變形的溫度區(qū)間要小得多。熱效應(yīng)在不完全硬化變形的溫度區(qū)間比在不完全軟化變形的溫度區(qū)間要大，但后者的熱效應(yīng)要比在完全軟化變形的溫度區(qū)間要大。2/2/202331在完全硬化變形的溫度區(qū)間，速度效應(yīng)最小且只取決于復(fù)原的時(shí)間不夠。在此溫度區(qū)間，熱效應(yīng)最大，并且溫度越低，熱效應(yīng)越大。速度效應(yīng)的變化是，溫度越低，速度效應(yīng)越小。由于熱效應(yīng)的作用，在許多情況下，變形抗力可在很大的速度范圍內(nèi)保持不變，甚至使之隨著變形速度的增大而減小。2/2/202332變形程度變形程度對(duì)變形抗力的影響，除其本身大小的影響外，還與變形物體的材質(zhì)，當(dāng)時(shí)的變形溫度條件和變形速度條件有關(guān)。2/2/202333當(dāng)變形金屬處于完全硬化狀態(tài)時(shí)，隨著變形程度的增加，變形抗力增大(曲線1)。但在高溫條件下，對(duì)某些鐵素體類合金，因在變形過程中只產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，所以當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，其應(yīng)力保持不變(曲線2)，而對(duì)奧氏體類合金，當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，因有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的出現(xiàn)，使應(yīng)力下降，直到達(dá)到平衡階段(曲線3)。由此可見，變形程度對(duì)變形抗力的影響應(yīng)隨變形物體的材質(zhì)和變形條件的不同而異。2/2/2023342/2/202335接觸摩擦塑性加工中摩擦的主要特點(diǎn)：在高壓下產(chǎn)生的摩擦。較高溫度下的摩擦。不斷增加新的接觸表面，摩擦副（金屬