5金属的塑性与变形抗力-新解析PPT课件
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第五章 金属的塑性
§5.3.1 影响塑性的内部因素
（2）合金元素 取决于加入元素的特性， 加入数量、元素之间的相互 作用。 当加入的合金元素与基体 作用使在加工温度范围内形 成单相固溶体时，则有较好 塑性；如形成过剩相(尤其是 脆性相)，或使在加工温度范 围内两相共存，则塑性降低。
2．组织结构
外加应力低于原子间结合力极限
正应力使晶格沿应力方向伸长，切应力使晶格沿某晶面和晶向相对移动， 外力去除后晶格恢复原状
外加应力大于原子间结合力极限
正应力使晶体发生断裂，切应力使晶体的原子沿某晶面和晶向迁移到新 的平衡位置，外力去除原子停留在新的平衡位置
为什么金属晶体能够产生相对移动而不发生破坏呢？
金属原子之间特殊的结合方式 — 金属键
第三篇 塑性变形材料学基础
第5章 金属的塑性
§5.1 金属的塑性 §5.2 金属多晶体塑性变形的主要机制
§5.3 影响金属塑性的因素
§5.4 金属的超塑性
§5.1 金属的塑性
§5.1.1 塑性的基本概念 §5.1.2 塑性指标及其测量方法
§5.1.3 塑性状态图及其应用
§5.1.1 塑性的基本概念
(4)滑移的临界分切应力
F 横截面积 A
某一滑移系上的分切应力
F cos A / cos
滑 移 方 向
M
滑 移 面 法 向
F cos cos A
cos cos
滑移面
取向因子
F 分切应力计算分析图
cos cos
其中任何一个角度为90°时，分切应力为零，晶体不可能 滑移 当两个角度都为45°时，取向因子最大（为0.5），该滑 移系处于最有利取向 只有当分切应力τ≥临界分切应力τk时，滑移才能开始
第五章 金属的塑性变形及再结晶
四、金属的热加工
1．热变形加工与冷变形加工的区别
从金属学的观点来看，热加工和冷加工的区别是以再结晶温 度为界限。在再结晶温度之下进行的变形加工，在变形的同时没 有发生再结晶，这种变形加工称之为冷变形加工。而金属在再结 晶温度以上进行塑性变形就称为热加工。
2．热变形加工对金属组织与性能的影响
（1）改善铸态组织 热变形加工可以使金属铸锭中的组织缺陷显 著减少，如气孔、显微裂纹等，从而提高材料的致密度，使金属 的力学性能得到提高。
在工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热既消除应为去应力退火力稳定组织同时又保留了加工硬化性能这种热处理方法称1再结晶过程变形后的金属在较高温度加热时原子活动能力较强时会在变形随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进使新晶核不断消耗原晶粒而长大
金属材料及热处理
第五章 金属的塑性变形及再结晶
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
2．冷塑性变形对组织结构的影响 1）产生“纤维组织”
塑性变形使金属的晶粒形状发生了变化，即随着金属外形的 压扁或拉长。当变形量较大时，各晶粒将被拉长成细条状或纤维 状，晶界变得模糊不清，形成所谓的“纤维组织”。
2）产生变形织构
由于在滑移过程中晶体的转动和旋转，当塑性变形量很大时， 各晶粒某一位向，大体上趋于一致了，这种现象称择优取向。 这种由于塑性变形引起的各个晶粒的晶格位向趋于一致的晶粒 结构称为变形织构。
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
3．产生残余内应力
经过塑性变形，外力对金属所做的功，约90%以上在使金属变 形的过程中变成了热，使金属的温度升高，随后散掉；部分功转 化为内应力残留于金属中，使金属的内能增加。残余的内应力就 是指平衡于金属内部的应力，它主要是金属在外力的作用下所产 生的内部变形不均匀而引起的。 第一类内应力，又称宏观内应力。它是由于金属材料各部分变形 不均匀而造成的宏观范围内的残余应力。 第二类内应力，又称微观残余应力。它是平衡于晶粒之间的内应 力或亚晶粒之间的内应力。 第三类内应力，又称晶格畸变内应力。其作用范围很小，只是在 晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡。
课件塑性加工原理塑性与变形总课件参考.ppt
1．镦粗时组合件的变形特点 2．基本应力的分布特点 3．第一类附加应力的分布特点
*
上课课件
3. 4. 2 平辊轧制时金属的应力及变形特点
1．基本应力特点 2．变形区内金属质点流动特点 3．平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点
*
上课课件
3. 4. 3 棒材挤压时的应力及变形特点
1．棒材挤压时的基本应力状态 2 ．棒材挤压时的金属流动规律 3 ．棒材挤压时的附加应力
变形程度ε
应力σ
σsb
σsn
图3-25 拉伸时真应力与变形程度的关系 1)无缺口试样拉伸时的真应力的曲线 2）有缺口样拉伸的真应力曲线
*
上课课件
3. 3. 4 残余应力
1．残余应力的来源 2．变形条件对残余应力的影响 3．残余应力所引起的后果 4．减小或消除残余应力的措施 5．研究残余应力的主要方法
*
上课课件
2．最大摩擦条件 当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状 态时，单位摩擦力（ ）等于变形金属流动 时的临界切应力k，即： = k 3．摩擦力不变条件 认为接触面间的摩擦力，不随正压力大小而变。其单位摩擦力是常数，即常摩擦力定律，其表达式为： =m·k 式中，m为摩擦因子
第3章 金属塑性加工的宏观规律
§3. 1 塑性流动规律（最小阻力定律） §3. 2 影响金属塑性流动和变形的因素 §3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力 §3. 4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点 §3. 5 塑性加工过程的断裂与可加工性
*
上课课件
§3.1 塑性流动规律（最小阻力定律）
上课课件
3. 2. 2 变形区的几何因素的影响
变形区的几何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影响变形和应力分布很重要的因素。
金属塑性成形PPT课件
密排六方 （Close-package Hexagonal）
(Mg、Zn、Cd、α-Ti)
3.2塑性成 形机理
滑移
3 金属塑性 成形
滑移带 500倍
26
3.2塑性成 形机理 滑移
3 金属塑性 成形
27
3.2塑性成 形机理 滑
移
3 金属塑性 成形
28
3.2塑性成 形机理 滑移
3 金属塑性 成形
辊锻，楔横轧， 辗环，辊弯
7
3.1塑性成 形概述
塑性成形类型
3 金属塑性 成形
8
3.1塑性成 形概述
3 金属塑性 成形
体积成形
体积成形主要是指那些利用锻压设备和工、模具 ，对金属坯料（块料）进行体积重新分配的塑性 变形，得到所需形状、尺寸及性能的制件。
主要包括锻造（Forging）和挤压（Extrusion ）两大类。
日 常 用 品
3
汽 车 覆 盖 件
飞
冲压成形产品示例—— 高科技产品
机 蒙 皮
4
5
6
3.1塑性成 形概述
3 金属塑性 成形
锻压3塑（性Met成al 形for分gin类g and stamping）
1.体积成形 (Bulk Metal Forming):
1.1 锻造 (Forging)
1.1.1自由锻造 1.1.2模锻
用伸长率δ、断面收缩率ψ表示：
δ= （L1-L0）/ L0 ×100% ψ=（ S0-S1）/S0×100%
22
3.2塑性成
3 金属塑性
形机理
成形
2.金属塑性变形的实质
金 体—属——原—子显微组织——晶 典型晶格结构:
(Mg、Zn、Cd、α-Ti)
3.2塑性成 形机理
滑移
3 金属塑性 成形
滑移带 500倍
26
3.2塑性成 形机理 滑移
3 金属塑性 成形
27
3.2塑性成 形机理 滑
移
3 金属塑性 成形
28
3.2塑性成 形机理 滑移
3 金属塑性 成形
辊锻，楔横轧， 辗环，辊弯
7
3.1塑性成 形概述
塑性成形类型
3 金属塑性 成形
8
3.1塑性成 形概述
3 金属塑性 成形
体积成形
体积成形主要是指那些利用锻压设备和工、模具 ，对金属坯料（块料）进行体积重新分配的塑性 变形，得到所需形状、尺寸及性能的制件。
主要包括锻造（Forging）和挤压（Extrusion ）两大类。
日 常 用 品
3
汽 车 覆 盖 件
飞
冲压成形产品示例—— 高科技产品
机 蒙 皮
4
5
6
3.1塑性成 形概述
3 金属塑性 成形
锻压3塑（性Met成al 形for分gin类g and stamping）
1.体积成形 (Bulk Metal Forming):
1.1 锻造 (Forging)
1.1.1自由锻造 1.1.2模锻
用伸长率δ、断面收缩率ψ表示：
δ= （L1-L0）/ L0 ×100% ψ=（ S0-S1）/S0×100%
22
3.2塑性成
3 金属塑性
形机理
成形
2.金属塑性变形的实质
金 体—属——原—子显微组织——晶 典型晶格结构:
5 金属的塑性变形、回复和再结晶
第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属 强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度 降低。
内应力的存在，使金属
耐蚀性下降，引起零件
加工、淬火过程中的变
形和开裂。因此，金属 在塑性变形后，通常要 进行退火处理，以消除 或降低内应力。
晶界位错塞积所 引起的应力集中
5.4 回复与再结晶
定加工工艺。
5.1 金属的塑性变形
一、单晶体金属的塑性变形
单晶体受力后，外力在 任何晶面上都可分解为正应 力和切应力。正应力只能引 起弹性变形及解理断裂。只 有在切应力的作用下金属晶 体才能产生塑性变形。
外 力 在 晶 面 上 的 分 解 切 应 力 作 用 下 的 变 形 锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
因原子密度最大的晶面和
晶向之间原子间距最大，
结合力最弱，产生滑移所
需切应力最小。
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑 移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
一个滑移面和其上的一个滑 移方向构成一个滑移系。 三种典型金属晶格的滑移系
体心立方晶格 面心立方晶格
滑移系示意图
密排六方晶格
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。 因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格， 体心立方晶格好于密排六方晶格。
加工硬化是强化金属的重要
手段之一，对于不能热处理
强化的金属和合金尤为重要。
变形20%纯铁中的位错网
三、残余内应力
内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,
内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时，外
力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中。
金属的超塑性变形PPT课件
金属的超塑性变形PPT 课件
目 录
• 引言 • 金属的超塑性变形概述 • 金属的超塑性变形机理 • 超塑性变形工艺 • 超塑性变形的影响因素 • 超塑性变形的应用实例 • 未来展望与研究方向
引言
01
主题简介
金属的超塑性变形是一种特殊的 材料行为，指金属在特定条件下
展现出极高的塑性变形能力。
这种能力使得金属在变形过程中 不会引发断裂或过多的能量耗散。
超塑性变形在金属加工、制造和 材料科学等领域具有广泛的应用
前景。
目的和意义
了解超塑性变形的原理和机制，有助于更好地应用这种材料行为，优化金属制品的 性能。
研究超塑性变形有助于推动材料科学的发展，为新材料的研发和应用提供理论支持。
通过深入探讨超塑性变形的机理，可以揭示金属材料的内在特性，为金属加工和制 造提供新的思路和方法。
织结构和性能。
应用
广泛应用于钛合金、铝合金、镁 合金等轻质合金的加工和性能优
化。
超塑性变形的影响因
05
素
材料成分与组织
材料成分
超塑性变形的性能与金属材料的成分密切相关。例如，某些合金元素可以提高超 塑性变形的稳定性和延伸率。
组织结构
材料的微观组织结构对超塑性变形行为具有显著影响。细晶、孪晶、相变等结构 特征可以增强超塑性变形能力。
应力状态的影响
超塑性变形通常在较低的应力状态下进行，这有助于材料在变形过程中保持较 好的延展性。
温度的影响
超塑性变形的温度范围通常较高，这有助于原子扩散和晶界滑移等过程，从而 促进材料的塑性变形。
超塑性变形工艺
04
热超塑性变形
定义
热超塑性变形是一种在高温下进行的塑性变形过程，金属 在特定的温度范围内表现出良好的延展性和低流变应力， 从而能够实现大塑性变形而不破裂。
目 录
• 引言 • 金属的超塑性变形概述 • 金属的超塑性变形机理 • 超塑性变形工艺 • 超塑性变形的影响因素 • 超塑性变形的应用实例 • 未来展望与研究方向
引言
01
主题简介
金属的超塑性变形是一种特殊的 材料行为，指金属在特定条件下
展现出极高的塑性变形能力。
这种能力使得金属在变形过程中 不会引发断裂或过多的能量耗散。
超塑性变形在金属加工、制造和 材料科学等领域具有广泛的应用
前景。
目的和意义
了解超塑性变形的原理和机制，有助于更好地应用这种材料行为，优化金属制品的 性能。
研究超塑性变形有助于推动材料科学的发展，为新材料的研发和应用提供理论支持。
通过深入探讨超塑性变形的机理，可以揭示金属材料的内在特性，为金属加工和制 造提供新的思路和方法。
织结构和性能。
应用
广泛应用于钛合金、铝合金、镁 合金等轻质合金的加工和性能优
化。
超塑性变形的影响因
05
素
材料成分与组织
材料成分
超塑性变形的性能与金属材料的成分密切相关。例如，某些合金元素可以提高超 塑性变形的稳定性和延伸率。
组织结构
材料的微观组织结构对超塑性变形行为具有显著影响。细晶、孪晶、相变等结构 特征可以增强超塑性变形能力。
应力状态的影响
超塑性变形通常在较低的应力状态下进行，这有助于材料在变形过程中保持较 好的延展性。
温度的影响
超塑性变形的温度范围通常较高，这有助于原子扩散和晶界滑移等过程，从而 促进材料的塑性变形。
超塑性变形工艺
04
热超塑性变形
定义
热超塑性变形是一种在高温下进行的塑性变形过程，金属 在特定的温度范围内表现出良好的延展性和低流变应力， 从而能够实现大塑性变形而不破裂。
5金属的塑性与变形抗力-新解析
Ⅳ区——接近于金属的熔化温度，此时晶粒快速 长大，晶间强度渐渐减弱，连续加热有可能使金属产 生过热或过烧现象。
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原因〔热振动〕。
2区——位于700～800℃之间，由于有再结晶和集 中过程发生，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 ，钢的组织是均匀全都的奥氏体。
热轧时应尽可能地使变形在3区温度范围内进展，而冷加工 的温度则应为1区。
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状况下，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
钢的变形抗力和温度的关系如下：
如1200℃时
变形抗力为1.0
则1100℃时
变形抗力为2.7
1000℃时
变形抗力为4.0
800℃时
变形抗力为6.7
常温时
变形抗力为20
温度上升，金属变形抗力降低的缘由有以下几个方 面： 〔1〕发生了回复与再结晶 ，
〔2〕临界剪应力降低 ，
〔3〕金属的组织构造发生变化，
〔2〕单相组织比多相组织的变形抗力要低；
〔3〕晶粒体积一样时，晶粒瘦长者较等轴晶粒构造的变 形抗力为大；
〔4〕晶粒尺寸不均匀时，又较均匀晶粒构造时为大；
〔5〕金属中的夹杂物对变形抗力也有影响，在一般状况 下，夹杂物会使变形抗力上升；钢中有其次相时，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特 别大。随着钢的加热温度的上升，变形抗力降低。
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原因〔热振动〕。
2区——位于700～800℃之间，由于有再结晶和集 中过程发生，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 ，钢的组织是均匀全都的奥氏体。
热轧时应尽可能地使变形在3区温度范围内进展，而冷加工 的温度则应为1区。
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状况下，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
钢的变形抗力和温度的关系如下：
如1200℃时
变形抗力为1.0
则1100℃时
变形抗力为2.7
1000℃时
变形抗力为4.0
800℃时
变形抗力为6.7
常温时
变形抗力为20
温度上升，金属变形抗力降低的缘由有以下几个方 面： 〔1〕发生了回复与再结晶 ，
〔2〕临界剪应力降低 ，
〔3〕金属的组织构造发生变化，
〔2〕单相组织比多相组织的变形抗力要低；
〔3〕晶粒体积一样时，晶粒瘦长者较等轴晶粒构造的变 形抗力为大；
〔4〕晶粒尺寸不均匀时，又较均匀晶粒构造时为大；
〔5〕金属中的夹杂物对变形抗力也有影响，在一般状况 下，夹杂物会使变形抗力上升；钢中有其次相时，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特 别大。随着钢的加热温度的上升，变形抗力降低。
第五章金属的塑性和变形抗力
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。
材料成形工艺基础最新精品课件第五章金属塑性成形理论基础
图5-3孪生变形示意图
2. 多晶体的塑性变形
多晶体的塑性变形是由于晶界的存在和 各晶粒晶格位向的不同，其塑性变形过程比 单晶体的塑性变形复杂得多。在外力作用下， 多晶体的塑性变形首先在晶格方向有利于滑 移的晶粒A内开始，然后，才在晶格方向较 为不利的晶粒B、C内滑移。由于多晶体中 各晶粒的晶格位向不同，滑移方向不一致， 各晶粒间势必相互牵制阻扰。为了协调相邻 晶粒之间的变形，使滑移得以继续进行，便 图5-4 多晶体塑性变形过程示意图 会出现晶粒彼此间相对的移动和转动。因此， 多晶体的塑性变形，除晶粒内部的滑移和转 动外，晶粒与晶粒之间也存在滑移和转动。
图5-6 回复和再结晶示意图
（3）晶粒长大 在结晶退火后的金属组织一般为细小均匀的等 轴晶。如果温度继续升高，或延长保温时间，则在结晶后的晶粒 又会长大而形成粗大晶粒，从而使金属的强度、硬度和塑性降低。 所以要正确选择再结晶温度和加热时间的长短。
5.2.2 冷变形和热变形后金属的组织与性能
金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷变形，在再结晶以 上进行的塑性变形称为热变形。
图5-7 冲压件的制耳
（4）残余内应力 残余内应力是指去除外力后，残留在金属内 部的应力，它主要是由于金属在外力作用下变形不均匀而造成的。 残余内应力的存在，使金属原子处于一种高能状态，具有自发恢 复到平衡状态的倾向。在低温下，原子活动能力较低，这种恢复 现象难以觉察，但是，当温度升高到某一程度后，金属原子获得 热能而加剧运动。金属组织和性能将会发生一系列变化。
1. 锻造比 锻造比是锻造生产中代表金属变形程度大小的一个参数，一 般是用锻造过程中的典型工序的变形程度来表示（Y）。如拔长时， 锻造比Y拔=F0/F；镦粗时，锻造比Y镦=H0/H。（式中，H0、F0分别为坯 料变形前的高度和横截面积，H、F分别为坯料变形后的高度和横截面 积）。
2. 多晶体的塑性变形
多晶体的塑性变形是由于晶界的存在和 各晶粒晶格位向的不同，其塑性变形过程比 单晶体的塑性变形复杂得多。在外力作用下， 多晶体的塑性变形首先在晶格方向有利于滑 移的晶粒A内开始，然后，才在晶格方向较 为不利的晶粒B、C内滑移。由于多晶体中 各晶粒的晶格位向不同，滑移方向不一致， 各晶粒间势必相互牵制阻扰。为了协调相邻 晶粒之间的变形，使滑移得以继续进行，便 图5-4 多晶体塑性变形过程示意图 会出现晶粒彼此间相对的移动和转动。因此， 多晶体的塑性变形，除晶粒内部的滑移和转 动外，晶粒与晶粒之间也存在滑移和转动。
图5-6 回复和再结晶示意图
（3）晶粒长大 在结晶退火后的金属组织一般为细小均匀的等 轴晶。如果温度继续升高，或延长保温时间，则在结晶后的晶粒 又会长大而形成粗大晶粒，从而使金属的强度、硬度和塑性降低。 所以要正确选择再结晶温度和加热时间的长短。
5.2.2 冷变形和热变形后金属的组织与性能
金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷变形，在再结晶以 上进行的塑性变形称为热变形。
图5-7 冲压件的制耳
（4）残余内应力 残余内应力是指去除外力后，残留在金属内 部的应力，它主要是由于金属在外力作用下变形不均匀而造成的。 残余内应力的存在，使金属原子处于一种高能状态，具有自发恢 复到平衡状态的倾向。在低温下，原子活动能力较低，这种恢复 现象难以觉察，但是，当温度升高到某一程度后，金属原子获得 热能而加剧运动。金属组织和性能将会发生一系列变化。
1. 锻造比 锻造比是锻造生产中代表金属变形程度大小的一个参数，一 般是用锻造过程中的典型工序的变形程度来表示（Y）。如拔长时， 锻造比Y拔=F0/F；镦粗时，锻造比Y镦=H0/H。（式中，H0、F0分别为坯 料变形前的高度和横截面积，H、F分别为坯料变形后的高度和横截面 积）。
第五章金属的塑性与变形抗力
第五章⾦属的塑性与变形抗⼒第五章⾦属的塑性与变形抗⼒1、⾦属塑性的概念所谓塑性，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，可⽤⾦属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2、塑性和柔软性应当指出，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。
3、塑性指标表⽰⾦属与合⾦塑性变形性能的主要指标有：（1）拉伸试验时的延伸率（δ）与断⾯收缩率（ψ）。
（2）冲击试验时的冲击韧性αk 。
（3）扭转试验的扭转周数n 。
（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。
4、⼀些因素对塑性的影响规律A 化学成分的影响（1）碳随着含碳量的增加，渗碳体的数量也增加，塑性的降低（2）磷磷⼀般说来是钢中有害杂质，磷能溶于铁素体中，使钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性则显著降低。
这种脆化现象在低温时更为严重，故称为冷脆。
（3）硫硫是钢中有害杂质，它在钢中⼏乎不溶解，⽽与铁形成FeS ，FeS 与Fe 的共晶体其熔点很低，呈⽹状分布于晶界上。
当钢在800～1200℃范围内进⾏塑性加⼯时，由于晶界处的硫化铁共晶体塑性低或发⽣熔化⽽导致加⼯件开裂，这种现象称为热脆（或红脆）。
另外，硫化物夹杂促使钢中带状组织形成，恶化冷%L L l -=δ%00F F F -=ψ轧板的深冲性能，降低钢的塑性。
（4）氮590℃时，氮在铁素体中的溶解度最⼤，约为0.42％；但在室温时则降⾄0.01％以下。
若将含氮量较⾼的钢⾃⾼温较快地冷却时，会使铁素体中的氮过饱和，并在室温或稍⾼温度下，氮将逐渐以Fe4N形式析出，造成钢的强度、硬度提⾼，塑性、韧性⼤⼤降低，使钢变脆，这种现象称为时效脆性。
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一般是随着温度的升高，塑性增加。但并不是直 线上升的。
2020年9月28日
20
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
2020年9月28日
21
用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示塑性降低区，
1、2、3表示塑性增高区 。 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
2020年9月28日
3
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
2020年9月28日
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。
2020年9月28日
9
W18Cr4V高速钢的塑性图
2020年9月28日
10
GHl30合金塑性图
2020年9月28日
11
5.2 影响塑性的因素及提高塑性的途径
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
2020年9月28日
12
（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
（5）经过热加工后的金属比铸态金属的塑性高
2020年9月28日
15
（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。
2020年9月28日
16
（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。
（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。
2020年9月28日
17
（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
（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。
2020年9月28日
19
（3）对于大钢锭，枝晶偏析会有较大的发展。 （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
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”。
2020年9月28日
2020年9月28日
13
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。
2020年9月28日
14
各种硫化物和共晶体熔点
轧后观察测量首先出现裂纹处的变形量(Δh/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Δh/H来确定其塑性大小。
2020年9月28日
8
3 、塑性图
(1)定义
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；
1
注意：不能把塑性和柔软性混淆起来。
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；
室温下的铅，塑性很高而变形抗力又小。
2020年9月28日
2
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。
2020年9月28日
6
（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
Hh100%
H
式中 H ——试样的原始高度，mm。 h——试样的变形后高度，mm。
2020年9月28日
7
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。
氧能使钢的塑性降低，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。
2020年9月28日
18
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。
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。
4
2）扭转试验：是在专用的扭转试验机上进行的。
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
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5
3）冲击弯曲试验。
冲击韧性值a K 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。
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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
2020年9月28日
21
用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示塑性降低区，
1、2、3表示塑性增高区 。 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
2020年9月28日
3
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
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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。
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W18Cr4V高速钢的塑性图
2020年9月28日
10
GHl30合金塑性图
2020年9月28日
11
5.2 影响塑性的因素及提高塑性的途径
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
2020年9月28日
12
（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
（5）经过热加工后的金属比铸态金属的塑性高
2020年9月28日
15
（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。
2020年9月28日
16
（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。
（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。
2020年9月28日
17
（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
（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。
2020年9月28日
19
（3）对于大钢锭，枝晶偏析会有较大的发展。 （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
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”。
2020年9月28日
2020年9月28日
13
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。
2020年9月28日
14
各种硫化物和共晶体熔点
轧后观察测量首先出现裂纹处的变形量(Δh/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Δh/H来确定其塑性大小。
2020年9月28日
8
3 、塑性图
(1)定义
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；
1
注意：不能把塑性和柔软性混淆起来。
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；
室温下的铅，塑性很高而变形抗力又小。
2020年9月28日
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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。
2020年9月28日
6
（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
Hh100%
H
式中 H ——试样的原始高度，mm。 h——试样的变形后高度，mm。
2020年9月28日
7
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。
氧能使钢的塑性降低，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。
2020年9月28日
18
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。
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。
4
2）扭转试验：是在专用的扭转试验机上进行的。
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
2020年9月28日
5
3）冲击弯曲试验。
冲击韧性值a K 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。