1、5.金屬在塑性加工過程中的塑性行為,.1金屬的塑性和塑性指標,.1.1塑性的基本概念 塑性（Plasticity)： 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。 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。 影響金屬塑性的因素： 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,塑性與柔軟性的區(qū)別： 柔軟性：反映金屬的軟硬程度，指金屬變形抗力的大小。 塑性：金屬的形變能力，用斷裂前的變形程度的大小來衡量。 二者并不總是一致的. 塑性與柔軟性一致時： 例1：通常熱變形溫度范圍內，總的趨勢是隨著溫度的升高，金屬的塑性升高，柔軟性增加，即變形抗力下降。

2、例2：有些金屬固有性質就是高塑性、低抗力（柔軟性好），如室溫下鉛。 塑性與柔軟性不一致時： 例1：室溫下奧氏體不銹鋼：塑性好但具有很大變形抗力，即柔軟性并不好。 例2：過燒的金屬，柔軟性很好，但塑性很低，甚至完全失去塑性變形能力。 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.,塑性與粘性的區(qū)別：,塑性:金屬在產生永久變形時,伴隨有組織的變化,但沒有尺寸數量級超過光的波長尺寸的完整性的破壞. 粘性:物體雖也具有永久性變形,但無組織的變化和完整性的破壞.,5.1.2塑性指標及其測量方法,塑性指標(塑性極限): 金屬在斷裂前產生的最大變形程度。 塑性指標與變形金屬的材質和變形條件有關。

3、測量方法： 1）簡單加載條件下塑性指標的測定 2）模擬實際塑性加工過程塑性指標的測定 3）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） 4）繪制塑性圖,1）簡單加載條件下塑性指標的測定,拉伸（tension)試驗法 壓縮(compression)試驗法 扭轉(torsion)試驗法,拉伸（tension)試驗法: 設備：材料拉伸試驗機、Gleeble試驗機； 塑性指標：延伸率（）和斷面收縮率（） 延伸率(elongation): 式中，L試樣上原始計算長度；l斷裂前后計算長度的絕對伸長量，即變形后計算長度與變形前計算長度之差。 斷面收縮率(fractional reduc

4、tion in cross section area) 式中，F試樣的原始斷面積；f試樣斷口處的斷面積。,延伸率=均勻變形+局部集中變形，因此，延伸率大小與試樣的原始計算長度有關，試樣計算長度越長,集中變形比例越小，延伸越小.因此必須固定計算長度與試樣計算部分的直徑（或斷面積）之比。 對圓柱體，規(guī)定:L=10d（10)或L=5d(5) d為試樣計算部分的原始直徑。 斷面收縮率的大小與試樣原始計算長度無關.因此，得出的數值較穩(wěn)定。,壓縮(compression)試驗法: 塑性指標： 壓下率 式中，H試樣的原始高度；h試樣變形后開始出現第一條裂紋時的高度。 影響因素：摩擦、散熱、幾何尺寸,扭轉(t

5、orsion)試驗法: 設備：扭轉試驗機 圓柱體試樣一端固定，另一端扭轉。塑性指標：破斷前的扭轉數（n）或扭轉角,特點：整個長度上均勻變形,2）模擬塑性加工過程塑性指標的測定,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擬的工序相同. 工藝塑性指標:模擬塑性加工過程法測定的塑性指標.其名稱與被確定塑性的該壓力加工過程的名稱相對應,如:軋制性、鍛造性、模鍛性. 不能僅用模擬塑性加工過程的基本應力狀態(tài)圖示所得到的某塑性指標來代表此塑性加工過程中所有生產方式的塑性指標。因此，所有塑性加工過程都應同時存在幾個塑性指標的測定方法。 例： 確定材料鍛造性的方法：鐓粗光滑圓柱體試樣或沿輪廓線帶切口的圓

6、柱體試樣，在二斜砧中鍛造鋼錠法。 確定縱軋時材料的軋制性的方法：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。 確定板料沖壓性的方法：杯突試驗法，錐形杯深延法及圓形板坯沖壓成柱形杯法。,平輥軋制楔形試樣 偏心軋輥軋制矩形斷面試樣 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） 塑性圖法：建立塑性指標與應力狀態(tài)的定量關系,模擬縱軋過程測定塑性指標的方法,式中，h最先出現裂紋處壓下量；H最先出現裂紋處軋前的原始高度。 此法不需要制備特殊軋輥，但確定極限變形量較困難，因為軋后軋件高度是均一得，除在原始試樣側表面上刻痕，大致測出最先出現裂紋處對應的軋件原始高度外，難以找出該

7、處所對應的原始高度。,平輥軋制楔形試樣 楔形試樣經具有一定輥縫值的二平輥軋制后，由于軋件原始高度不同，沿軋件長度方向上產生不同的壓下率。最先發(fā)生裂紋處的壓下率即為試驗材料的塑性指標。,偏心軋輥軋制矩形斷面試樣,式中，h最先出現裂紋處壓下量；H最先出現裂紋處軋前的原始高度。 因軋前試樣原始高度已知，較前一方法容易確定。,因軋輥偏心，所以在軋制過程中二軋輥間的輥縫值變化（逐漸減小或逐漸增大）。軋前沿試樣長度方向上高度均一的試樣，軋后便成為楔形，即沿長度方向壓下率不同。根據軋后試樣上裂紋分布找出最先出現的裂紋，測出該處裂紋高度。,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）,基

8、本思想：在一定的正負靜水壓力下的簡單試驗中測出各單一塑性指標，并保證其成對性。然后以這些單一塑性的算術平均值作為材料的近似平均塑性。,塑性圖法：建立塑性指標與應力狀態(tài)的定量關系,塑性圖：塑性指標與變形溫度的關系曲線圖。 作用：確定合理的熱加工溫度范圍和應采取的變形程度。 塑性圖中常用塑性指標：、k、n、等。 正確確定變形溫度和變形程度，需要相圖、再結晶圖、塑性圖配合，即三圖定溫。,最佳變形溫度：9501050 ； 最大變形程度：40%或更高。,5.2金屬的化學成分及組織對塑性的影響,純金屬具有較高塑性。 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. 若所含的元素形成化合物時，塑性降低。

9、 塑性：面心立方體心立方六方晶格,5.2.1 化學成分的影響,合金僅含有形成固溶體的元素，而不含有其他元素時： 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。 例：Fe-Ni合金可形成連續(xù)固溶體，Fe、Ni任意比例下塑性都很高。因為Fe和Ni都具有高塑性。 此情況也適用于三元合金。 例：Fe-Ni-Cr中，Cr含量不超過8%時，塑性與純鐵塑性相差不大。 當對純的固溶體進行塑性加工時，合金的塑性與基體元素的塑性相近。 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非常大的影響。例：碳化物形成元素、形成金屬間

10、化合物元素、S、Al、Si、Pb、Sn等.,5.2.2合金元素的影響,Fe化學純鐵塑性高，工業(yè)純鐵不完全高塑性。 C碳含量越高，鋼的塑性越差，熱加工溫度范圍窄。 Mn錳鋼具有高加熱速度敏感性。Mn可消除或減輕S和O的有害作用，使塑性提高。 S僅微量溶于固溶體，以FeS、MnS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，由于軟化或熔化使晶間聯(lián)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。,P易出現冷脆，嚴重影響冷變形。對熱變形影響不大。 O也會產生紅脆。FeO 、

11、 Al2O3 、 SiO2,熔點低分布在晶界的共晶體，由于軟化或熔化使晶間聯(lián)系減弱，出現紅脆。,Si：以固溶體形式存在：對塑性影響不大，含量過高，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。 Ni、W、Mo：強度，塑性 Cr：塑性 ； V：強度，塑性不變。含量高時，塑性； Al：晶界形成AlN，塑性 Cu：塑性，還原氣氛中加熱，塑性； B： 0.02% ，塑性好， 達到0.1%，塑性。多余B在晶界形成熔點低共晶體，降低塑性。,鉛、錫、砷、銻、鉍：低熔點元素，在鋼種溶解度低，其中未溶解而剩余的元素，分布在晶界，加熱時熔化，使金屬失去塑性。高溫合金中影響特別嚴重，稱為“五害”。,H：

12、含量少無影響；含量多冷速快時，白點； N：含量少無影響；含量多時紅脆。 稀土：塑性。 原因：減低氣體含量； 與有害雜質形成高熔點化合物抵消有害作用； 含硫量降低。 加入量應適當。恰好抵消雜質的有害作用時，才能使塑性改善。過多時低熔點多余稀土元素聚集在晶界處起破壞作用。,5.2.3金屬組織的影響,一、金屬宏觀組織的影響 對鑄態(tài)金屬：如鋼錠：宏觀組織由三部分組成：表面層的細晶粒層、垂直于鋼錠冷卻表面的柱狀晶、鋼錠中心部分的粗大等軸晶。但對于不同化學成分的鑄態(tài)組織，各部分組成有可能不同。例：奧氏體不銹鋼：明顯橫晶宏觀組織；鐵素體鋼：等軸晶粒；高速鋼：細小的等軸晶、 通常，鑄態(tài)組織塑性變形組織，原因：

13、鑄態(tài)組織含有粗大結晶組織和組織結構的不均。 對變形后的金屬：細晶組織具有更高的塑性。,二、金屬微觀組織的影響,在熱加工條件下具有單一的奧氏體組織，而不存在其它過剩相時，將具有較高的塑性。 有過剩相存在時，或多或少會使鋼與合金的塑性下降: 1)加熱時熔解于固溶體中，降低塑性; 2)加熱過程中仍然保存下來，降低塑性。,碳鋼的延伸率和斷面收縮率與溫度的關系,800 鋼的塑性低，因為此時具有鐵素體和奧氏體雙相組織； 網狀碳化物對塑性有害，可通過熱加工變形消除。 塑性：鍛造過的高速鋼鑄態(tài) 原因：網狀碳化物破碎且均勻分布。,5.3變形的溫度-速度條件對塑性的影響,上述現象只是在一定條件下才是正確的，實際變

14、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。 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)。 脆性區(qū)產生的原因是多方面的。,隨變形溫度，塑性。 原因：溫度，原子熱運動的能量，滑移系，擴散性質明顯的塑性變形機構（非晶機構、溶解機構等）作用。同時，溫度，軟化作用，變形過程中產生的破壞和缺陷的恢復。,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,四個低塑性區(qū) 區(qū)：塑性極低。-200時，接近0。 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化有關。 區(qū)：藍脆區(qū)，200400 ；位錯拉著Cottrell氣團運動。當溫度上升時，擴散速

15、度增大，因此這種拉拽阻力也變大。 區(qū)：800950 ，與相變有關，產生不均勻變形，塑性降低。也有人認為與S有關，并稱之為紅脆（熱脆）區(qū)。 區(qū)：溫度接近熔化溫度，易過熱或過燒，使晶間強度減弱，塑性。,有時不只三個脆性區(qū)。例：鋼的四個低塑性區(qū)和三個高塑性區(qū)。,三個高塑性區(qū)：1區(qū)：100200原因：原子熱振動。2區(qū)：700800原因：發(fā)生再結晶、擴散。3區(qū)：9501250原因：具有均勻組織，充分軟化。,變形溫度對碳鋼的塑性的影響,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。,變形速度對塑性的影響,在非常低的變形速度下，塑性降低。第一次上升：隨變形速度，晶粒邊界上的粘性流動消失，變

16、形抗力，滑移開始作用，塑性。繼續(xù)提高變形速度，塑性又開始下降：因為隨變形速度，變形抗力升高，達到相應于更小變形程度下的斷裂抗力之值。第二次上升：熱效應起作用，溫度 ，變形抗力下降。第二次下降：熱效應極大，把金屬加熱到出現液相或大大降低其晶間物質的強度。,粘性流動時變形速度對塑性的影響,不同變形溫度區(qū)間，溫度-速度因素對塑性的影響：,一、低溫塑性變形（冷變形） 范圍：室溫開始再結晶溫度（純金屬：0.30.4Tm；合金：0.5Tm）， 變形速度為10-410-3s-1時，塑性變形機構為滑移。 bcc、hcp：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，孿生作用，塑性。 fcc:

17、即使在更低溫度變形，金屬也不會變脆。 脆性轉變溫度區(qū)：宜低變形速度； 冷脆點在室溫：宜低速；若變形金屬的冷脆點在室溫附近，低速變形可使冷脆點向更低溫度移動； 冷脆點高于室溫：宜增加變形速度；增加道次壓下率能使塑性升高，（熱效應使軋件溫度升高，超越了冷脆點）,二、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。 bcc：塑性明顯提高，但變形速度，塑性； fcc 、hcp：由于相變，規(guī)律不同。 呈現形變時效現象，使變形抗力，塑性。 例：1）鋼的蘭脆：400 ； 2）難熔金屬中特別是含過多O、N、C時，也出現形變時效。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

18、形速度，彌散硬化來不及形成，塑性不會。 變形溫度，對fcc（如Cu、Ni、Al)，滑移系數變化較小，對塑性無影響。變形速度時，塑性不明顯。,三、高溫塑性變形（熱變形）,變形溫度，塑性。 紅脆：0.50.8Tm，晶間斷裂，塑性。這種高于再結晶溫度時所出現的塑性下降現象稱為紅脆。一般含較多O、N、H、C夾雜。 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（氧化物、硫化物）偏析：晶界熔化、晶界強度； 脆性化合物：（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。,變形速度，抑制紅脆； 因為：抑制了控制晶間破壞的熱活化擴散過程和減少晶間變形對總變形的貢獻。在

19、低變形速度和在紅脆溫度區(qū)間的具有最低塑性的溫度條件下，雜質原子在應力的作用下的遷移加速。雜質沿晶界偏析，促使晶間斷裂。,溫度為0.60.85TM（對鋼為8001200 ），塑性有最大值。超過此最大值后，由于過熱（晶粒長大）使塑性下降。再繼續(xù)升高溫度，又由于過燒（晶界熔化和氧化）使塑性進一步下降。此溫度區(qū)間，當變形速度為10-310-4秒-1時，塑性與變形速度關系曲線也有最大值。當繼續(xù)增大變形速度，由于抑制擴散，塑性下降。,5.4變形的力學條件對塑性的影響,5.4.1應力狀態(tài)的影響 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. 例：光滑試樣細頸前為單向拉，細頸后細頸處為弱三向拉

20、，延性斷裂，面縮率82.5%；而帶圓周切口的試樣拉伸時，切口處為顯著三向拉，脆性斷裂，面縮率28.9%。 當變形過渡到鐓粗時，塑性提高。 例：鋅室溫沖擊拉伸時，脆性斷裂，面縮率3.37%,開口鐓粗至73.6%時延性斷裂，閉口鐓粗時至90%才延性斷裂。,卡爾曼大理石和紅砂石試驗,白色大理石和紅砂石制成圓柱形試樣，在專門儀器中鐓粗。 大理石和紅砂石本為脆性物，壓縮試驗中再加上側面壓力后，塑性大為提高。,當只有一個軸向壓力時，由于顯著的不均勻變形狀態(tài)，壓縮率很??；但當加上側面壓力后，壓縮率增加。,從大理石的變形組織變化中看出：當只有一個軸向壓力時，晶間變形很明顯，由于無軟化作用，物體迅速破壞。當有側

21、壓時，產生晶內變形，出現機械孿生。 結論：金屬在塑性變形中承受的應力狀態(tài)對其塑性的發(fā)揮有顯著的影響，靜水壓力值越大,金屬的塑性發(fā)揮得越好.,按應力狀態(tài)圖的不同,將其對塑性的影響程度排序: 三向壓二壓一拉二拉一壓三向拉 實際塑性加工中，即使應力狀態(tài)圖相同，塑性也可能不同。例：擠壓、圓柱體在兩平板間壓縮、板材軋制等，應力狀態(tài)圖都為三向壓，但塑性完全不同：靜水壓力越大，金屬塑性越大。,靜水壓力提高塑性的原因:,1) 遏止晶粒邊界的相對移動,使晶間變形困難.在沒有修復機構（再結晶機構和溶解沉積機構）時，晶間變形會使晶間顯微破壞得到積累，進而迅速引起多晶體的破壞； 2) 促進由于塑性變形和其它原因而破壞

22、了的晶內聯(lián)系的恢復.金屬更加致密，各種顯微破壞得到修復，甚至宏觀破壞（組織缺陷）也得到修復； 3) 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. 4) 完全抵償或大大降低由于不均勻變形所引起的拉伸附加應力,減輕了拉應力的不良影響.,5.4.2變形狀態(tài)的影響,由于壓縮變形有利于塑性的發(fā)揮，而延伸變形有損于塑性，因此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. 按主變形圖排序塑性:兩向壓縮一向延伸一向壓縮一向延伸兩向延伸一向壓縮 原因:實際變形物體中不可避免存在各種缺陷，如氣孔、夾雜、縮孔、空洞等.二拉一壓時,向兩個方向擴大暴露弱點,但二壓一拉下,可成為線缺陷,

23、使危害減小.,由于主變形圖會影響變形體內雜質分布，因此實際加工中往往會因加工方法的不同（主變形圖不同）而使金屬產生各向異性。 例：1)拉拔和擠壓時，主變形圖：兩向壓縮一向延伸，因此隨變形程度的增加，內部塑性夾雜（如MnS)會拉成條狀或線狀，脆性夾雜（如Al2O3)會被破碎成串鏈狀，從而引起橫向塑性指標和沖擊韌性的下降。 2）鐓粗和帶寬展的軋制時，主變形圖為兩向延伸一向壓縮，易造成雜質沿厚度方向成層狀排列，使厚度方向性能惡化。軋制厚度25mm的沸騰鋼鋼板時，會使厚度方向性能下降，因此一般多采用偏析較少的鎮(zhèn)靜鋼。,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出現,使金屬的塑性提高. 由三向壓

24、縮主應力圖和兩向壓縮一向延伸的主變形圖相組合的變形力學圖最利于發(fā)揮金屬塑性。實際生產中擠壓就具備這種變形力學圖。 雖然三向壓最有利于發(fā)揮塑性,但會使單位變形力增加,因此,選擇加工方法時應視具體條件而定.,5.5其它因素對塑性的影響,分散變形： 是塑性的有效方法，特別適宜于低塑性鋼與合金； 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， 塑性。 對于易產生過熱和過燒的鋼和合金，高溫時采用分散小變形有利于提高塑性：采用一次大變形，不僅所產生的應力較大，且主要是變形中由于熱效應使變形金屬的局部溫度升高到過熱或過燒溫度；而多次小變形產生應力小，在變形中呈現的熱

25、效應也小，同樣溫度下實際溫度不易達到過熱或過燒溫度。,尺寸因素,隨物體體積，塑性，達到一定值后不變。 1）組織因素：體積，缺陷分布不均勻性，應力分布不均勻性，引起塑性降低； 2）表面因素： 體積越小，表面積（或接觸表面積）與體積的比值越大，塑性越好； 也取決于表面層和內層的力學狀態(tài)和物理-化學狀態(tài)。,周圍介質,1）金屬表面形成脆性相，塑性 ； 2）金屬表層腐蝕，塑性 ； 3）金屬表面形成吸附潤滑層，塑性,5.6金屬的超塑性（super plasticity)5.6.1基本概念,超塑性：材料的延伸率超過100%。 超塑性材料：凡具有能超過100%延伸率的材料。 超塑性材料的延伸率最大可超過1000%，有的可達2000%。 根據超塑性效應的表現，可分為兩大類： 1）組織超塑性: 條件：超細晶粒；T0.4Tm,變形速度：慢； 成因：擴散蠕變、晶界滑動、位錯滑移、晶界遷移等。 2）相變超塑性（變態(tài)超塑性）： 條件：不一定超細晶粒；應力作用下多次循環(huán)相變。,5.6.2力學特性,一、流動應力 式中： 真實應力； 真實應變速率； m應變速率敏感性系數； K決定于試驗條件的常