塑性影响因素

金属塑性及其影响因素

从生产工艺角度出发，总是希望变形金属具有高的塑性，随着科学技术的发展，有越来越多的低塑性、高强度材料需要进行塑性成型，以适应生产的需要。塑性是材料力学性能中的一项重要指标，测定某一材料合不合格，对其塑性有严格的标准规定。人们往往只认识到材料力学性能中强度这一项，而对塑性没有足够的重视。然而在生产实际中，从各种机械零件到巨大的船舶、桥梁、容器等在使用过程中都有不少因塑性不够而发生脆断的例子。因此研究如何提高金属塑性的问题无疑具有重要意义。

1金属塑性和塑性指标

所谓塑性，是指固体材料在外力作用下发生永久变形，而不破坏其完整性的能力。为了衡量金属塑性的高低，需要有一种数量上的指标，称为塑性指标。塑性指标是以材料开始破坏时的塑性变形量来表示，它可借助于各种实验方法来测定，如拉伸、墩粗和扭转实验等。通常情况我们用拉伸实验测定金属的塑性指标，对应于拉伸实验的塑性指标，用延伸率a表示。a的数值由下式确定:

一Lo)/Lo x100%

δ=(L

k

一拉伸试样原始标距间长度

式中:L

k

一拉伸试样破断后标距间的长度

L

k

对应于不同材料，对其塑性有不同的标准规定，如标准铃轧扭钢筋》(JG3046一1998)中规定冷轧扭钢筋的延伸率8应符合吕I。)4.5%;标准伽筋混凝土用热轧光圆钢脚(GB13013一91)中规定钢筋的延伸率吕应符合吕5)25%。因此严格测定材料的塑性对判定材料是否符合标准要求起着重要的作用，并且塑性指标对于正确拟定产品加工工艺具有重要的参考价值。

那么，什么影响着金属塑性的高低呢?影响金属塑性高低的主要因素有两方面，一方面是内因，即金属本身的化学成分、组织等;另一方面是外因，即变形时的外部条件，如变形温度、变形速度等。下面将对这两方面因素是如何影响金属塑性的高低做具体分析。

2化学成分和组织对金属塑性的影响

金属本身的化学成分和组织对塑性的影响非常明显，但也很复杂。现以钢(碳钢和合金钢)为主要对象，分析其化学成分和组织对金属塑性的影响。

2.1化学成介对金属塑性的影响

(l)碳钢中碳和杂质元素对金属塑性的影响碳钢中碳对其性能的影响最大。碳能固溶于铁，形成铁素体和奥氏体固溶体，它们都具有良好的塑性。当碳的含量超过铁的

溶碳能力时，多余的碳便与铁形成化合物Fe

C，称为渗碳体。渗碳体具有很高的硬度，

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而塑性几乎为零，对基体的塑性变形起阻碍作用，而使碳钢的塑性降低。随着碳含量的增加，渗碳体的数量亦增加，塑性的降低就更甚。碳钢中杂质元素磷是有害杂质，磷能溶于铁素体中，其固溶强化能力很强。磷溶人铁素体后，使钢的强度、硬度显著提高，塑性、韧性显著降低，尤其在低温时更为严重，这种现象称为冷脆性。故对冷变形钢应严格控制磷的含量。

碳钢中杂质元素硫是有害杂质，它在钢中几乎不溶解，而与铁形成FeS。FeS与铁形成易熔共晶体，其熔点为985℃;分布于晶界。当钢在800℃一1200℃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，而导致锻件开裂，这种现象称为热脆性。

(2)合金元素对钢塑性的影响

合金元素加人钢中，不仅改变钢的使用性能，而且改变钢的塑性成形性能。主要表现为:塑性降低、变形抗力提高。这一现象可从以下几个方面来解释:·合金元素溶人固溶体中，将使原子的晶体点阵发生不同程度的畸变，从而使钢的抗力提高，塑性降合金元素与钢中的碳形成硬而脆的碳化物，使的强度提高，塑性降低。

·合金元素改变钢中相的组成，造成组织的多相，从而使钢的塑性下降。

·合金元素与钢中的氧、硫形成氧化物或硫化物杂，造成钢的热脆性，给热成形带来困难。

·合金元素一般都使钢的再结晶温度提高，再结速度降低，因而使钢的硬化倾向增加，塑性降低。

·若钢中含有低熔点元素(如铅、锡、砷等)，这些元素几乎都不溶于基体金属，而以纯金属

式存在于晶界，造成钢的热脆性，使塑性降低。以看出，化学成分对金属材料的塑性起着重要作。但是对于同一种成分的金属材料，其内部的组结构不同，塑性亦不同。

2.2组织对金属塑性的影响

(l)单相组织与多相组织对金属塑性的影响单相组织(纯金属或固熔体)比多相组

织塑性。多相组织由于各相性能不同，使得变形不均匀，时基体相往往被另一相机械地分割，故塑性降低。时，第二相的性质、形状、大小、数量和分布状起着重要作用。若金属内两相变形性能接近，则属的塑性为两相的平均值。当两相性能差别很大，譬如一相的塑性很好，而另一相硬而脆，则变主要在塑性好的相内进行，另一相对变形起阻碍用。硬而脆的相的形状、大小和分布状况不同，金属塑性影响的程度亦不同。如果硬而脆的第二呈连续或不连续的网状分布在塑性相的晶界上，塑性相的晶粒被脆性相包围分割，其变形能力难发挥，变形时在晶界处易产生严重的应力集中，很快地导致裂纹的产生，使金属的塑性大大降低。性相的数量越多，网的连续性越严重，金属的塑也越差。如果硬而脆的第二相呈片状或层状分布晶粒内部，则对塑性变形的危害性较小，一般使性有一定程度的降低。如果硬而脆的第二相呈颗状或弥散质点，均

匀分布于晶粒内部，则对金属塑性影响不大。因为如此分布的脆性相，几乎不响基体相的连续性，它可随基体相的变形而“流”，不会造成明显的应力集中。

(2)晶粒细化程度对金属塑性的影响

细晶粒组织有利于提高金属的塑性。在一定体积内，细晶粒金属的晶粒数目必然比粗晶粒金属的多，塑性变形时向上能够滑移的晶粒也较多，故变形能较均匀地分散到各个晶粒。另外，从每个晶粒的应变分布来看，细晶粒组织的变形能遍及整个晶粒，故晶粒中部的应变和外部的应变差异较小，晶粒中变形的分布较均匀。总之，细晶粒金属的变形不均匀性和由于变形不均匀性所引起的应力集中均较小，故开裂的机会也少，断裂前可承受的塑性变形量增加，金属塑性显著提高。

因此，金属材料本身的化学成分和组织对金属塑性的影响很大，杂质元素的存在大大降低了金属的塑性;合金元素的加人使得金属材料的强度升高，塑性降低;金属材料内部组织结构的均匀化，使得其塑性大幅度提高，所有这些对金属塑性的影响，在制定生产工艺的过程中都必须考虑进去。

3变形温度、变形速度对金属塑性的影响

3.1变形温度对金属塑性的影响

变形温度对金属的塑性有着重大影响，就大多数金属而言，其总的趋势是:随着温度的升高，塑胜增加。温度升高时，金属塑性增加的原因归纳起来有以下几方面: (l)温度升高时，金属发生回复与再结晶。回复使变形金属得到一定程度的软化，再结晶则完全消除了加工硬化效应，使金属的塑性显著提高。

(2)温度升高时，金属的临界剪应力降低，滑移系增加。温度越高，原子的动能越大，原子间的结合力就越弱，也即临界剪应力越低。再者，对于不同的滑移系，随着温度的升高，临界剪应力降低的速度不同，因此在高温时，可能出现新的滑移系。新的滑移系参与到滑移中，金属的塑性亦增加。

(3)温度升高时，金属的组织结构发生了变化。这时变形金属可能由多相组织转变为单相组织，也可能由对塑性不利的晶格转变为有利的晶格，明显地改变了金属的塑性。

(4)温度升高时，晶界滑动(或切变)作用加强。随着温度的升高，晶界的切变抗力显著降低，使得晶界滑动易于进行;又由于扩散作用的加强，及时消除了晶界滑动所引起的裂纹，因此晶界滑动量可以很大。晶界滑动成为一种重要的变形机制。另外，晶界滑动的结果，能够松弛相邻两晶粒间由于不均匀变形所引起的应力集中，这些都促使金属在高温下具有良好的塑性。

3.2变形速度对金属塑性的影响

变形速度对金属塑性的影响，简单从以下两方面进行分析:

(l)增加变形速度会使金属晶体的临界剪应力升高，是因为一方面要驱使数目更多的位错同时运动;另一方面要求位错运动的速度增大。临界剪应力的升高就意味着屈服强度的增加，但是研究证明，在许多情况下，变形速度对金属的断裂抗力基本上没有