2012金属的塑性变形抗力

不同温度下钢的拉伸曲线
变形抗力的温度特性和应力-应变曲线的对应关系
低温变形区域 蓝脆性区域 相高温 变形区域 → 两相区 相区
D
变形抗力
A C B
温度
加工硬化
加工硬化+动态回复
加工硬化+动态再结晶
基本类型：曲线A和B，随温度的上升，变形抗力减少；

基本类型是该图中曲线 A 和 B 那种关系，即随温度上升， 变形抗力减小。 关于发生由曲线 A 偏离开来的蓝脆区的现象，可以用位错 与溶质原子的相互作用来解释。这里，考虑碳和氮等间隙 型的溶质原子。由于外力作用产生位错及由于扩散，在位 错周围聚集溶质原子，形成柯氏（Cottrell）气团。位错 必须拉着它的气团运动。这种拉拽阻力的大小依赖于溶质 原子的扩散速度和位错的速度。当温度上升时，扩散速度 增大，因此这种阻力也变大（蓝脆性），在某个温度达到 其峰值后变小。因此，发生由曲线 A 的暂时偏离（曲线 D ）。若应变速度增大，则峰值温度向高温侧移动。 在相变区，由于 和 的结晶构造不同，在相同温度下， 的变形抗力高．所以依相变率用曲线C连接起来
4.2金属的化学成分及组织对塑性变形抗力的 影响
4.2.1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ຫໍສະໝຸດ 4.2.2组织对塑性变形抗力的影响
1. 基体金属 原子间结合力大，σS大。 2.单相组织和多相组织 单相：合金含量越高，σS越大。原因：晶格畸变。 单相σS<多相： 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 σS高。 第二相越细、分布越均匀、数量越多，则σS越高。 原因：质点阻碍滑移。 例：退火时第二相聚集为较大颗粒；淬火时弥散分布在基体上。 3.晶粒大小：d↓,变形抗力↑。 4.夹杂物的存在：变形抗力↑。合金变形抗力>纯金属。
Pt2—— 温度t2时上述各塑性变形抗力的特征值； a —— 温度系数
不同合金成分对变形抗力的影响：
温度高于0.5Tm时，除Pb和Ni外，其他各金属的曲线几乎重合。
含碳量为0.7~1.2%的各碳素工具钢：虽然含碳量不同，但在 同一温度下变形抗力大致相同。
4.5变形速度对塑性变形抗力的影响
每种金属在设定温度下都有其特征变形速度, <特征变形速度:变形速度对变形过程没有影响；

变形抗力与变形力数值相等,方向相反.
不同金属材料变形抗力不同.


金属塑性加工过程都是复杂的应力状态，同一金属材料， 变形抗力比单向应力状态大得多。 实际测试的变形抗力P= σS +q σS-材料在单向应力状态下的屈服应力 q –反映材料受力状态（工具与变形物体外表面接触摩擦） 所引起的附加抗力值。 变形抗力的数学表达式：



加工硬化曲线

金属的塑性变形抗力与变形程度间的关系曲线 可用拉伸、压缩或扭转法制定，常用拉伸法。 拉伸法中按变形程度表示方法不同，将硬化曲线分为三种：
l l0 100% l0
σ－真应力， δ－延伸率
１）σ－δ曲线：
２） σ－ψ曲线：
F0 F 100% σ－真应力， ψ－断面收缩率 F0
不发生物理－化学变化合金的 力学性能（M)与相对温度关系
发生物理－化学变化合金的力 学性能（M)与相对温度关系
塑性变形抗力随温度变化的定量关系式 （库尔纳科夫温度定律）
Pt1 Pt 2e
a ( t2 t1 )
Pt1-—— 温度t1时塑性变形抗力的特征值（挤压压力、压入时的硬 度、拉伸时的强度极限、屈服极限、引起变形的应力强度）；
◆屈服强度与晶粒直径的关系
s 0 K yd

1 2
1-Al; 2-钢；3-Ni; 4-碳钢（0.05C); 5-碳钢（0.2%C）； 6-Mo
4.3应力状态对塑性变形抗力的影响
变形抗力：
挤压>轧制； 孔型中轧制>平辊轧制； 模锻>平锤头锻造；
压应力状态越强，变形抗力越大。
挤压应力状态：三向压 拉拔应力状态：一拉二压
4. 金属的塑性变形抗力
4.1塑性变形抗力的基本概念及测定方法
4.1.1塑性变形抗力的基本概念
变形力:塑性加工时,使金属发生塑性变形的外力. 变形抗力：

金属抵抗变形力之力. 材料在一定温度、速度和变形程度条件下，保持原有 状态而抵抗塑性变形的能力。 在所设定的变形条件下，所研究的变形物体或其单元 体能够实现塑性变形的应力强度。
32M r 4 d 0
式中，d0—圆柱体试样工作部分的直径；r—所测点至试样轴线的距离。
变形中τ随r的变化不呈线性关系，而是取决于函数τ（γ） 的复杂规律变化。为降低不均匀性，可取空心管试样
2M F0 d平
式中， F0—环的面积（试样断面积）；d平—环平均直径。
数据换算到另外变形状态有困难，且在大变形时，纯剪切遭 到破坏等原因，未广泛应用。
2)某种物理-化学转变的发生 3)其它塑性变形机构的参与
1)软化效应：发生了回复和再结晶
从绝对零度到熔点TM可分为三个温度区间：

完全硬化区间：0～0.3TM 部分软化区间：0.3TM～0.7TM 完全软化区间：0.7TM～1.0TM
回复温度：（0.25～0.3）TM
再结晶温度：> 0.4TM 温度越高、变形速度越小，软化程度越大。
速度效应：变形速度↑，变形抗力↑。 热效应：变形速度↑，温度升高，变形抗力↓。
如图，温度越高，塑性机构的扩散特性越明显。非晶机制 作用越大，速度效应也越大。实现非晶机制需要一定时间， 此时间的长短取决于金属的材质和温度。

不同温度范围变形速度对变形抗力的影响不同（四个变形温
度范围：完全硬化、不完全硬化、不完全软化、完全软化）


▲温度↑，硬化程度↓，达到一定温度，平行于坐标轴，不
继续硬化。 ▲高温：变形程度很小时，仍有强烈硬化。决定于屈服应 力与细颈应力间的差异。
镉与锌的真应力曲线
总的来看，对于从0到1的相对温度区间的整个间隔内都 没有物理-化学变化的合金，其硬度、强度极限、屈服极限 、变形抗力等的对数值随温度的变化呈线性关系。对于有物 理-化学变化的合金，在相应此物理-化学变化的温度，直线 的斜度发生改变。
ln
l0
优点：变形较均匀，其不均匀变形程度比压缩变形小得多。 缺点：均匀变形程度小，一般≤20~30%
2.压缩试验法
应力状态：单向压缩；变形抗力为： pc
P F
式中，P—压缩时变形金属所承受的压力； F—试样在承受P力作用时所具有的横断面积。
h0 试样由高度h0压缩到h时，所产生的变形为： ln h
挤压>拉拔
C.U.帕特涅尔拉伸试验：加以220MPa的径向应力可使变形抗
力和塑性明显升高。
静水压力：
金属的变形抗力在很大程度上取决于静水压力.静水压力
从0增加到5000MPa时,变形抗力可增加一倍.
静水压力有明显影响的情况：
1）金属合金中的已有组织或在塑性变形过程中发生的组织 转变有脆性倾向。 2）金属合金的流变行为与粘-塑性体行为相一致。（在一定 温度-速度条件下，特别是在温度接近熔点且变形速度不 大时）。
静水压力的作用：

使金属变得致密,消除可能产生的完整性的破坏,既提高金 属塑性,又提高变形抗力.金属越倾向于脆性状态,静水压
力的影响越显著；

静水压力可使金属内的空位数减少,使塑性变形困难.变形 速度大时,影响大;空位数多时,影响大。
4.4温度对塑性变形抗力的影响
温度升高，变形抗力降低的原因： 1)软化效应
优点：能产生更大变形 缺点：与拉伸相比，变形更不均匀，由于接触摩擦，实测 值稍偏高。 消除或减小接触摩擦对变形的影响可采取的措施：
1）试样端部涂润滑剂，加柔软垫片等； 2）适当增大H/d值，但不能使H/d>2~2.5，否则压缩过程中试样易弯曲 而使压缩不稳定。
3.扭转试验法
在圆柱体试样的两端加以大小相等、方向相反的转矩M，在 此作用下试样产生扭转角φ。在试验中测定φ值。 应力状态：纯剪切。但此应力状态的分布不均匀：
硬化随温度升高而降低的总效应决定于：
1)回复和再结晶的软化作用 2)随温度的升高，新塑性机构的参与作用 3)剪切机构（基本塑性机构）特性的变化
变形抗力随温度↑的变化情况：
1) 一类金属:变形抗力↓,例：Cu 2) 另一类情况较复杂,如:钢 温度↑，屈服应力↓，屈服延伸↓，至400℃屈服延伸消失。 <300 ℃：温度↑，抗拉强度↑，塑性↓ >300 ℃：抗拉强度↓，塑性↑。
单向拉伸：
r pl
pl __单向拉伸应力
•同一金属材料,在一定变形温度、变形速度和变形程度下，以 单向压缩（或拉伸）时的屈服应力（σS）的大小度量其变形抗 力。 •当屈服点不明显时，常以相对残余变形为0.2%时的应力σ0.2作 为屈服应力（变形抗力）。
4.1.2 变形抗力的测定方法
3）形成第二相组织，使σS增加。
间隙固溶强化
C、N等溶质原子 嵌入α-Fe晶格的八面 体间隙中,使晶格产生 不对称正方性畸变造 成强化效应.铁基体屈 服强度随间隙原子含 量增加而变大.
铁的屈服应力和含C量的关系

碳：在较低温度下随钢中含碳量的增加,钢的变形抗力升 高,温度升高时影响变弱.低温时影响远大于高温时.
用中间停歇的反复载荷来 拉伸Zn时的变形抗力变化
回复—软化作用
2）某种物理-化学转变的发生