5金属的塑性与变形抗力-新解析

2 、 变形状态的影响
主变形图中压缩分量越多，对充分发挥金属的塑 性越有利。 两向压缩一向延伸的变形图最素对塑性的影响
1、不连续变形的影响 当热变形时，不连续变形可提高金属的塑性。 2、尺寸（体积）因素的影响
随着物体体积的增大塑性有所降低，但降低一定 程度后，体积再增加其影响减小。
（ 4 ）在双相和多相的钢与合金中，第二相组织成粗 大的夹杂物，常常分布在晶粒边界上。
二、 变形温度、速度对塑性的影响
1、变形温度的影响 一般是随着温度的升高，塑性增加。但并不是直 线上升的。
现以温度对碳钢塑性的影响的一般规律分析说明：
温度对碳素钢塑性的影响
用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示塑性降低区，
1、2、3表示塑性增高区 。
（5）镍
镍在钢中可使变形抗力稍有提高。但对 25NiA 、 30NiA和13Ni2A等钢来讲，其变形抗力与碳钢相差不 大。当含镍量较高时，例如Ni25～Ni28钢，其变形抗 力与碳钢相比有很大的差别。
2、
金属的变形抗力与其显微组织有密切关系
（1）一般情况时，晶粒越细小，变形抗力越大
（2）单相组织比多相组织的变形抗力要低；
5
金属的塑性与变形抗力
5.1 金属塑性的概念及测定方法
一、 金属塑性的基本概念
所谓塑性，是指金属在外力作用下，能稳定地 产生永久变形而不破坏其完整性的能力。 金属塑性的大小，用金属在断裂前产生的最大变 形程度来表示。它表示塑性加工时金属塑性变形的限 度，叫“塑性极限”或“塑性指标”。
注意： 不能把塑性和柔软性混淆起来。
（2）锰
由于钢中含锰量的增多，可使钢成为中锰钢和高 锰钢。其中中锰结构钢（15Mn～50Mn）的变形抗力 稍高于具有相同含碳量的碳钢，而高锰钢（Mnl2） 有更高的变形抗力。
（3）硅
钢中含硅对塑性变形抗力有明显的影响。用硅使 钢合金化时，可使钢的变形抗力有较大的提高。例如 ，含硅量为1.5％～2.0％的结构钢（55Si2、60Si2）在 一般的热加工条件下，其变形抗力比中碳钢约高出20 ％～25％，含硅量高达5％～6％以上时，热加工较为 困难。
（2）压缩法
变形程度为：
H ln h
由此所测得得变形抗力为：
P P e F F0
特点： 能允许式样具有比拉伸更大的变形，但完全保证 试样处于单向压应力状态较困难。一般取H/D<2~2.5
三、 变形抗力的确定
要计算金属塑性变形过程中所需的外力，必须知道 变形抗力的值。 先在变形的热力参数为某一种等值的条件下求出金 属的变形抗力，并将它作为基础值。然后再用热力参 数修正系数来修正此基础值。
室温下的铅，塑性很高而变形抗力又小。
二、 金属塑性指标及测定方法
1、塑性指标
表示金属与合金塑性变形性能的主要指标有：
1）拉伸试验时延伸率（％）与断面收缩率（％）
2）扭转试验的扭转周数。
3）冲击试验时的冲击韧性 4）锻造及轧制时刚出现裂纹瞬间的相对压下量 5）深冲试验时的压进深度，损坏前的弯折次数。
h——试样的变形后高度，mm。
2）楔形轧制试验
一种是在平辊上将楔形试样轧成扁平带状。 轧后观察测量首先出现裂纹处的变形量(Δ h/H） 此变形量就表示塑性大小。
另一种方法是在偏心辊上将矩形轧件轧成楔形。
根据厚度变化的楔形件最初出现裂纹处的变形 量Δ h/H来确定其塑性大小。
3 、塑性图
(1)定义
（4）铬
对含铬量为0.7％～1.0％的铬钢来讲，影响其变形 抗力的主要不是铬，而是钢中的含碳量，这些钢的变 形抗力仅比具有相应含碳量的碳钢高 5 ％～ 10 ％。对 高碳铬钢GCr6～GCrl5（含铬量0.45％～1.65％），其 变形抗力虽稍高于碳钢，但影响变形抗力的也主要是 碳。高铬钢1Cr13～ 4Cr13， Cr17 ，Cr23 等在高速下变 形时，其变形抗力大为提高。特别对含碳量较高的铬 钢（如Crl2等）更是如此。
3 、 铸造组织的影响
铸坯的塑性低、性能不均匀。 造成原因： （1）铸态材料的密度较低，因为在接近铸锭的头部 和轴心部分，分布有宏观和微观的孔隙，沸腾钢钢锭 有皮下气泡。 （2）用一般方法熔炼的钢锭，经常发现有害杂 质（如硫、磷等）的很大偏析，特别是在铸锭的头部 和轴心部分。
（3）对于大钢锭，枝晶偏析会有较大的发展。
塑性指标与变形温度关系的曲线图，称之为塑性 图。
(2)用途 1）由热拉伸、热扭转等机械性能试验法测绘的 塑性图，可确定变形温度范围；
2）由顶锻和楔形轧制的塑性图，不仅可以确定 变形温度范围，还可以分别确定自由锻造和轧制时的 许用最大变形量。
W18Cr4V高速钢的塑性图
GHl30合金塑性图
5.2 影响塑性的因素及提高塑性的途径
Ⅰ区——钢的塑性很低，在零下200℃时塑性几乎 完全丧失，这大概是由于原子热运动能力极低所致。 Ⅱ区——位于200～400℃之间，此区域亦称为兰 脆区，即在钢材的断裂部分呈现兰色的氧化色，因此 称为“兰脆”。
Ⅲ区——位于800～950℃之间，称为热脆区。 Ⅳ区——接近于金属的熔化温度，此时晶粒迅速 长大，晶间强度逐渐削弱，继续加热有可能使金属产 生过热或过烧现象。
如1200℃时
则1100℃时 1000℃时 800℃时 常温时
变形抗力为1.0
变形抗力为2.7 变形抗力为4.0 变形抗力为6.7 变形抗力为20
温度升高，金属变形抗力降低的原因有以下几个 方面：
（1）发生了回复与再结晶 ， （2）临界剪应力降低 ， （3）金属的组织结构发生变化， （4）随温度的升高，新的塑性变形机制参与作用
三、 变形速度的影响
在热变形时，通常随变形速度的提高变形抗力增大
。
根据加工硬化和恢复理论，认为塑性变形过程中在 变形金属内部有两个相反的过程——强化和软化过程 （恢复和再结晶）同时存在。由于软化过程以一定速 度在进行，变形速度愈大软化过程愈来不及进行（轧 制时的平均变形速度一般为 l～103s），金属强化的愈 严重。因此随变形速度的提高变形抗力增大，
试验时，将圆柱形试样的—端固定，另一端扭转， 用破断前扭转的转数（n）表示塑性的大小。
图5-1 W18Cr4V高速钢破断前扭转转数与试验温度的关系
3）冲击弯曲试验。
冲击韧性值aK 不完全是一种塑性指标，它是弯曲 变形抗力和试样弯曲挠度的综合指标。
（2）模拟试验法
1）顶锻试验：也称镦粗试验
是将圆柱形试样在压力机或落锤上镦粗，把试样 侧面出现第—条可见裂纹时的变形量，作为塑性指标 即 H h 100% H 式中 H ——试样的原始高度，mm。
2、变形速度的影响
变形速度对塑性的影响
Ⅰ区，即变形速度小于临界变形速度，该区随变 形速度的增加，塑性是随之下降的。 Ⅱ区，是在大于临界变形速度的情况下，随变形 速度的增加，塑性是增加的。
三、 变形力学条件对塑性的影响
1、 应力状态的影响 在进行压力加工的应力状态中，压应力个数越多， 数值越大（即静水压力越大），金属塑性越高。
s k k kt 0
0的获得条件 ：t=1000°C; =0.1 =10s-1

5.4 影响变形抗力的主要因素
一、化学成分和显微组织的影响 1、化学成分的影响
（1）碳
在较低的温度下随着钢中含碳量的增加，钢的变 形抗力升高。温度升高时其影响减弱。
在不同变形温度和变形速度下含碳量对碳钢变形抗力的影响 （实线为静压缩，虚线为动压缩）
大致可分三个方面： 金属的自然性质 变形的温度、速度条件 变形的力学条件
一、 金属的自然性质对塑性的影响
1、组织状态的影响
（1）纯金属有最好的塑性
（2）单相组织（纯金属或固溶体）比多相组织塑性 好 （3）晶粒细化有利于提高金属的塑性
（4）化合物杂质呈球状分布对塑性较好；呈片状、 网状分布在晶界上时，使金属的塑性下降
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。 不要认为： 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。 例如： 室温下奥氏体不锈钢的塑性很好，能经受很大的 变形而不破坏，但它的变形抗力却非常大； 过热和过烧的金属与合金，其塑性很小，甚至完 全失去塑性变形的能力，而变形抗力也很小；
三向压应力状态图最好，两压一拉次之，三向拉应 力最坏。 其影响原因归纳如下：
（1）三向压应力状态能遏止晶间相对移动，使晶间 变形困难。
（2）三向压应力状态能促使由塑性变形和其它原因 而破坏了的晶内和晶间联系得到修复。 （3）三向压应力状态能完全或局部地消除变形体内 数量很少的某些夹杂物甚至液相对塑性不良的影响； （4）三向压应力状态可以完全抵消或大大降低由不 均匀变形而引起的附加拉力，使附加拉应力所造成的 破坏作用减轻。
五、 提高塑性的途径
提高塑性的主要途径有以下几个方面： （1）控制金属的化学成份，改善组织结构。 （2）采用合适的变形温度-速度制度。 （3）选用三向压应力较强的变形过程。 （4）尽量造成均匀的变形过程。 （5）避免加热和加工时周围介质的不良影响。
5.3 变形抗力
一、 变形抗力概念
所谓变形抗力，是指金属地抗塑性变形的能力。
（5）经过热加工后的金属比铸态金属的塑性高
2 、 化学成分的影响
（1）铁、硫、锰
化学纯铁具有很高的塑性，工业纯铁在9000C左 右时，塑性突然下降。 硫是钢中有害杂质，易产生“红脆”现象
锰可提高钢的塑性，但锰钢对过热的敏感性强， 在加热过程中晶粒容易粗大，使钢的塑性降低。
各种硫化物和共晶体熔点
（2）碳
碳在碳钢中含碳量越高，塑性越差，热加工温 度范围越窄。当C<1.4%时，有很好的塑性。 （3）镍 镍能提高钢的强度和塑性，减慢钢在加热时晶粒 的长大。 （4）铬
铬能使钢的塑性和导热性降低。
（5）钨、钼、钒
都能使塑性降低。
（6）硅、铝
在奥氏体钢中，Si>0.5%时，对塑性不利， Si>2.0%时,钢的塑性降低， Si>4.5%时，在冷状态下 塑性很差。 铝对钢的塑性有害。
（3）晶粒体积相同时，晶粒细长者较等轴晶粒 结构的变形抗力为大； （4）晶粒尺寸不均匀时，又较均匀晶粒结构时为 大； （5）金属中的夹杂物对变形抗力也有影响，在一 般情况下，夹杂物会使变形抗力升高；钢中有第二相 时，变形抗力也会相应提高。
二、变形温度的影响
在加热及轧制过程中，温度对钢的变形抗力影响非 常大。随着钢的加热温度的升高，变形抗力降低。 钢的变形抗力和温度的关系如下：
二、测定方法
基本方法有：拉伸法、压缩法和扭转法。
（1）拉伸法
使用圆柱试样，认为在拉伸过程中在试样出现细 颈前，在其标距内工作部分的应力状态为均匀分布的 单向拉应力状态。这时，所测出的拉应力便为变形物 体在此变形条件下的变形抗力。

F
此时变形物体的真实变形应为：
ln l
L
特点： 测量精确，方法简单，但变形程度不应大于 20%~30%。
1区——位于100～200℃之间，塑性增加是由于在 冷变形时原子动能增加的缘故（热振动）。 2区——位于700～800℃之间，由于有再结晶和扩 散过程发生，这两个过程对塑性都有好的作用。
3区——位于950～1250℃的范围内，在此区域中 没有相变，钢的组织是均匀一致的奥氏体。
热轧时应尽可能地使变形在3区温度范围内进 行，而冷加工的温度则应为1区。
变形速度对碳钢变形抗力的影响 压下率：-50％；-10％；-2％
四、 变形程度对变形抗力的影响
（7）磷
钢中P<1~1.5%时，在热加工范围内对塑性影响不 大。 在冷状态下，磷使钢的强度增加塑性降低，产生 “冷脆”现象。
（8）铅、锡、砷、锑、铋
钢中五大有害元素，它们在加热时熔化，使金属 失去塑性。 （9）氧、氮、氢 氧能使钢的塑性降低，氮也会使钢的塑性变差， 氢对钢的塑性无明显的影响。 （10）稀土元素 适当加入一些，能使钢的塑性得到改善。
2、金属塑性的测定方法
测定金属塑性的方法最常用的有机械性能试验方 法和模拟试验法两大类。 （1）机械性能试验法 1）拉伸试验：是在材料试验机上进行的。 在拉伸试验中可确定延伸率和断面收缩率两个塑 性指标，这两个指标越高，说明金属的塑性越好。
lL % L
F0 F % F0
2）扭转试验：是在专用的扭转试验机上进行的。