2012金属的塑性变形抗力

金属的塑性变形、纤维组织及其对金属性能的影响一、金属的塑性变形金属受力时，其原子的相对位置发生改变，宏观上表现为形状、尺寸的变化，此种现象称为变形。

金属变形按其性质分为弹性变形和塑性变形。

当受力不大时，去除外力后原子立即恢复到原来的平衡位置，变形立即消失，这种变形称为弹性变形。

当应力超过一定值时（≥бs），金属在弹性变形的同时还会产生塑性变形。

1、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形，主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动，滑动后原子处于新的稳定位置，不再回到原来位置。

研究表明，滑移总是优先沿晶体中一定的晶面和晶向发生，晶体中能够发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。

滑移面和滑移方向越多，金属的塑性越好。

晶体的滑移是借助于位错的移动来实现的。

大量的位错移出晶体表面，就产生了宏观的塑性变形。

2、多晶体的塑性变形常用金属材料都是多晶体。

每个晶粒内的塑性变形主要仍以滑移方式进行。

但多晶体中各相邻晶粒的位向不同，各晶粒之间有一晶界相连接，因此，具有下列特点：（1）晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利位置。

产生滑移的晶粒必然会受到周围位向不同晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。

所以多晶体的塑性变形是逐步扩展和不均匀的，其结果之一便是产生内应力。

（2）晶界的作用晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。

试样在晶界附近不易发生变形，出现所谓“竹节”现象。

这是因为晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移的缘故。

很显然，晶界越多，多晶体的塑性变形抗力越大。

（3）晶粒大小的影响在一定体积的晶体内晶粒数目越多，晶粒越细，晶界越多，不同位向的晶粒也越多。

因而塑性变形抗力也就越大，表现出较好的塑性和韧性。

故生产中都尽一切努力细化晶粒。

二、金属的冷塑性变形对性能的影响冷塑性变形对金属性能的主要影响是造成加工硬化，即随着变形度的增加，金属强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。

第五章 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。

§5.1 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： Fe HB ＝80 ψ＝80％Ni HB ＝60 ψ＝60％Mg HB ＝8 ψ＝3％Sb HB ＝30 ψ＝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： %100l l l 00k ×−=δ （5.1） %100F F F 0K 0×−=ψ (5.2) 式中l 0、F 0——试样的原始标距长度和原始横截面积；l K 、F K ——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。

σ-
1
此时所测得的平均单位压力p 即为平面变形抗力K 值。

实际上，即使润滑良好，还是存在轻微摩擦，所以应对上面的K 值加以修正，即 1
fl h
p fl K h
e =
⨯
-
式中，f 为摩擦系数。

考虑轻微摩擦时，f ＝ 0.02～0.04。

三、实验设备和材料
(1) 材料试验机。

(2)刻线打点机。

(3)平面变形压缩装置 (4)千分尺、游标卡尺
(5)Q235标准试样各一个，100mmx4Ommx6mm 铝试样4块。

四、实验方法和步骤
(1) 用卡尺和千分尺测定好标准试样尺寸，并标好计算长度。

(2) 在刻线打点机上将标准试样计算长度分距划线。

(3)准备好材料试验机，将记录纸和笔装好备用。

(4)夹好标准试样，进行拉申实验，注意分段加载，并记录载荷值。

(5)根据拉伸曲线计算出相应试样0.2σ的，及伸长率已填人表1内。

金属塑性变形对组织和性能的影响多晶体金属经塑性变形后，除了在晶粒内出现滑移带和孪晶等组织特征外，还具有以下组织结构的变化：①形成纤维组织，塑性变形后，晶粒沿变形方向逐渐伸长，变形量越大，晶粒伸长的程度也越大。

当变形量很大时，晶粒呈现出一片如纤维状的条纹，称为纤维组织．当金属中有杂质存在时，杂质也沿变形方向拉长为细带状（塑性杂质）或粉碎成链状（脆性杂质）．②形变亚结构的形成及细化．●形变亚结构的形成机理：在切应力作用下，位错源所产生的大量位错沿滑移面运动时，将遇到各种阻碍位错运动的障碍物，如晶界、亚晶界、第二相颗粒及割阶等，造成位错缠结．这样，金属中便出现了由高密度的缠结位错分隔开的位错密度较低的区域，即形变亚结构。

●亚结构的细化，形变亚结构的边界是严重晶格畸变区，堆积大量位错，而内部的晶格则相对完整，仅有稀疏的位错网络，这种亚结构也称为胞状亚结构或形变胞．（内部完整，外部包满位错）③产生变形织构，与单晶体一样，多晶体在塑性变形时也伴随着晶体的转动过程，故当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而趋于一致，这种现象称为晶粒的择优取向，这种由于金属塑性变形使晶粒具有择优取向的组织叫做形变织构。

同种材料随着加工方式的不同，可能出现不同类型的织构：●丝织构：在拉拔时形成，其特征是各晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行。

●板织构：在轧制时形成，其特征是各晶粒的某一晶面与平行于轧制平面，而某一晶向平行于轧制方向。

性能特点：显示出各向异性。

塑性变形对金属性能的影响金属产生加工硬化（也称形变强化）在塑性变形过程中，随着金属内部组织的变化，金属的力学性能也将产生明显的变化，即随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，这一现象即为加工硬化或形变硬化。

加工硬化的原因：与位错的交互作用有关。

随着塑性变形的进行，位错密度不断增大，位错运动时的相互交割加剧，产生固定割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大．引起形变抗力的增加，金属的强度提高．加工硬化的是强化金属材料的方法之一。

金属塑性变形抗力计算的意义及方法摘要：变形抗力作为材料的一种特性，反映了热变形过程中显微组织变化情况，因此，如果金属塑性变形中的变形抗力能够准确地测量出来，那么伴随变形过程的显微组织变化，就能够通过变形抗力的变化而预报出来。

从而能够在变形后不进行性能测试的情况下，预测工件的力学性能。

本文着重介绍金属塑性变形抗力及其计算的意义及方法。

关键词：塑性变形抗力；变形抗力；计算方法；意义金属材料的变形抗力是指金属在一定的变形条件下进行塑性变形时，在单位横截面积上抵抗此变形的能力。

变形抗力是表征金属和合金压力加工性能的一个基本量。

变形抗力的研究起步很早，由于实验条件有限，20世纪40年代以前属于研究的萌芽阶段，20世纪40年代以后随着热模拟技术的应用对变形抗力的研究才有了很大的进步。

1 变形抗力的测定方法简单应力状态下，应力状态在变形物体内均匀分布1.1 拉伸试验法：/pl P F ε= ()0ln /l l ε=1.2 压缩试验法：/pc P F ε= ()0ln /h h ε=1.3 扭转试验法： 圆柱体试样4032Mr d τπ=⋅ 空心管试样02M F d τ=平2 影响变形抗力的主要因素2.1金属的化学成分及组织对塑性变形抗力的影响2.1.1化学成分对塑性变形抗力的影响对于各种纯金属，原子间结合力大的，滑移阻力大，变形抗力也大。

同一种金属，纯度愈高，变形抗力愈小。

合金元素的存在及其在基体中存在的形式对变形抗力有显著影响。

原因：1）溶入固溶体，基体金属点阵畸变增加；2）形成化合物；3）形成第二相组织，使变形抗力增加。

2.1.2组织对塑性变形抗力的影响1）基体金属原子间结合力大，变形抗力大。

单相组织合金含量越高，S σ越大。

原因：晶格畸变。

单相组织变形抗力大于多相组织。

硬而脆第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散质点均匀分布，则S σ高。

2）第二相越细、分布越均匀、数量越多，则S σ越高。

质点阻碍滑移。

3）晶粒直径越大，变形抗力越大。

金属塑性变形对组织和性能的影响（一）变形程度的影响塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。

变形程度过小，不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的；变形程度过大，不仅不会使力学性能再增高，还会出现纤维组织，增加金属的各向异性，当超过金属允许的变形极限时，将会出现开裂等缺陷。

对不同的塑性成形加工工艺，可用不同的参数表示其变形程度。

锻造比Y锻：锻造加工工艺中，用锻造比Y锻来表示变形程度的大小。

拔长：Y锻=S0/S（S0、S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）；镦粗：Y锻=H0/H（H0、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。

碳素结构钢的锻造比在2~3范围选取，合金结构钢的锻造比在3~4范围选取，高合金工具钢（例如高速钢）组织中有大块碳化物，需要较大锻造比（Y锻=5~12），采用交叉锻，才能使钢中的碳化物分散细化。

以钢材为坯料锻造时，因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善，锻造比一般取1.1~1.3即可。

表示变形程度的技术参数：相对弯曲半径（r/t）、拉深系数（m）、翻边系数（k）等。

挤压成形时则用挤压断面缩减率（εp）等参数表示变形程度。

（二）纤维组织的利用纤维组织：在金属铸锭组织中的不溶于金属基体的夹杂物（如FeS等），随金属晶粒的变形方向被拉长或压扁呈纤维状。

当金属再结晶时，被压碎的晶粒恢复为等轴细晶粒，而夹杂物无再结晶能力，仍然以纤维状保留下来，形成纤维组织。

纤维组织形成后，不能用热处理方法消除，只能通过锻造方法使金属在不同方向变形，才能改变纤维的方向和分布。

纤维组织的存在对金属的力学性能，特别是冲击韧度有一定影响，在设计和制造零件时，应注意以下两点：（1）零件工作时的正应力方向与纤维方向应一致，切应力方向与纤维方向垂直。

（2）纤维的分布与零件的外形轮廓应相符合，而不被切断。

例如，锻造齿轮毛坯，应对棒料镦粗加工，使其纤维呈放射状，有利于齿轮的受力；曲轴毛坯的锻造，应采用拔长后弯曲工序，使纤维组织沿曲轴轮廓分布，这样曲轴工作时不易断裂(三）冷变形与热变形通常将塑性变形分为冷变形和热变形。

2.2金属的塑性与变形抗力金属的塑性的概念及测定方法金属塑之所以能进行压力加工主要是由于金属具有塑性这一特点。

所谓塑性，是指金属在外力作用下，能够稳定的产生不可恢复的永久变形而不破坏其完整性的能力。

金属塑性的大小用其在断裂前产生的最大变形程度来表示，一般通常称压力加工时金属塑性变形的限度，或“塑性极限”为塑性指标。

应当指出，不能把塑性和柔软性混淆起来。

不能认为金属比较软，在塑性加工过程中就不易破裂。

柔软性反映金属的软硬程度，它用变形抗力的大小来衡量，表示变形的难易，不能认为变形抗力小的金属塑性就好，或是变形抗力大的金属塑性就差。

金属的塑性不仅受金属内在的化学成分与组织结构的影响，也和外在的变性条件有密切的关系。

对于研究金属塑性的目的，在于选择合适的变形方法，确定合理的变形温度、速度条件以及采用的最大变形量，以便使低塑性难变形金属能顺利实现成形过程。

表示金属塑性变形性能的主要指标有：a、拉伸试验时的延伸率（δ％）与断面收缩率（％）；b、冲击试验时的冲击韧性аk；c、扭转试验的扭转周数n；d、锻造及轧制时刚出现裂纹瞬间的压下量；e、深冲试验时的压进深度，损坏前的弯折次数。

影响塑性的因素及提高塑性的途径1、化学成分的影响金属的塑性直接决定于它的化学成分。

纯金属的塑性最好，若其中另外含有一种或几种元素，其塑性将随各种元素的种类和含量而变化。

例如：（1）碳素钢中随碳含量的增加，塑性相应降低。

（2）磷磷引起钢的冷脆。

（3）硫、氧引起钢的热脆（或火红脆）。

（4）氮造成钢的实效脆性。

（5）氢在钢中造成白点。

（6）镍含量在5%以下时能改善钢在热加工时的强度和塑性，而含量超过9%就会降低钢热加工时的塑性。

（7）铬是铁素体形成元素，一定的含铬量下会出现铁素体过剩相，使材料塑性降低。

（8）钨、钼、钒都是碳化物形成元素，且碳化物极为稳定；能阻止奥氏体在加热时的晶粒长大，使钢对过热的敏感性变小。

图2-5 合金元素对铁素体伸长率和韧性的影响2、组织对塑性的影响钢的化学成分一定而组织不同时，塑性也有很大差别。