第14讲 塑性影响因素

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7.2 影响塑性的主要因素
金属的化学成分及组织 变形的温度—速度条件 变形的力学条件 其它因素
7.2.2 变形的温度—速度条件
变形温度和变形速度皆为决定金属塑性大小 的重要因素。 变形过程中金属的硬化和软化同时存在，所 以在研究对塑性的影响时应对变形温度和变 形速度进行综合考虑。但在分析此问题时， 为突出其各自的作用，往往将此二因素加以 分别讨论。
高温塑性变形（热变形）
在此温度区间提高变形温度会使金属的塑性升高。 但在0.5 0 5－0.8T 0 8Tm的温度范围内的某一较窄的温度区 的温度范围内的某 较窄的温度区 间可观察到由于晶间断裂而使塑性明显下降的现象。 这种高于再结晶温度时所出现的塑性下降现象称为 红脆。
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金属塑性变形理论
Theory of metal plastic deformation
第七章 金属的塑性
主要内容
Main Content 塑性的概念及塑性指标 影响塑性的主要因素 超塑性现象
第十四讲 Lesson Fourteen
塑性影响因素
在冷变形温度区间 (0－ 0.2)Tm ，也出现类似温加工 时的现象。其区别是在高速变形中金属的热效应更 大些。在体心立方金属中，随着变形速度的升高， 由于滑移机构被孪生机构所代替，金属的塑性下降。 这一点与温加工变形类比只不过更强烈些。对面心 立方金属来讲，随着变形速度的升高，金属塑性下 降得稍差些。
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一般随着变形速度的提高，塑性是下降的
图(a)是反映金属在某温度条件下，即使以非常小的 变形速度进行变形时，金属也会发生完全加工硬化。 因此，这种曲线是此变形温度所特有的一种曲线， 从中看出，塑性随变形速度的升高而降低。 从中看出，塑性随变形速度的升高而降低
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挤压系数 11 11~16 11~16 31
挤压速度 （毫米/秒） 150 150 150 65
金属温度 ℃ 158~195 294~315 340~350 308
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在脆性转变温度区间，应以低变形速度为佳。若变 形金属的冷脆点在室温附近时，低速变形可使冷脆 点向更低的方向移动。若冷脆点高于室温时，则增 加变形速度为宜。此时增加道次压下率能促使金属 的塑性升高 这是因为热效应使变形金属温度升高 的塑性升高，这是因为热效应使变形金属温度升高 的缘故。例如，在高速轧机上轧制变压器钢时，增 大压下量可使轧件温度升高到100－300℃，使钢超 越了冷脆点(在高速变形下低于100℃)。
(a)
(b)
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图(b)中的曲线也是某温度所特有的。 在此温度下，金属以非常小的变形速度进行变形时，在 其晶粒边界上可能有粘性流动出现，并通常会引起脆性 的晶间破坏。这就说明，在非常低的变形速度下，金属 的塑性是降低的 的塑性是降低的。 随着变形速度的升高，晶粒边界上的粘性流动消失，这 时变形抗力升高和另一种变形机理(滑移)开始作用，结 果使塑性升高。 当再继续提高变形速度时，塑性又开始下降。这是因为， 随着变形速度的增加，变形抗力升高，结果使变形抗力 达到了相应于更小的变形程度下的断裂抗力之值。
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在某些情况下，还要增加变形速度时，塑性又开始 提高。这是因为在很大的变形速度下，热效应开始 作用，使变形物体的温度升高和变形抗力下降。 当变形速度非常高时，热效应可能达到这样大的作 用，以致把金属加热到出现液相或大大降低其晶间 物质的强度。因此，在非常高的变形速度下，随着 变形速度的增加，金属的塑性急剧下降。
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虽然金属的塑性和变形温度、变形速度的关 系非常复杂，但在金属塑性加工的实际中， 当变形速度在 0.001 － 100 秒 -1 的区间时，仍 可找出 定的基本规律 如下图所示 可找出一定的基本规律。如下图所示。
变形温度分别为(a):T=(0.9～1.0)Tm、(b):T=(0.5～0.9)Tm、 (c):T=(0.2～0.5)Tm、(d):T=(0.0～0.2)Tm（Tm是金属的熔点温度）
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Ⅲ区： 800-950℃。此区域的出现与相变有关。在相变时由 于铁素体和奥氏体的共存，使金属产生不均匀的变形，塑性 降低。也有人认为，此区域的出现与硫的影响有关，并称此 区域为红脆(热脆)区。 Ⅳ区：因此区域的温度过高，使金属的温度接近熔化温度， 可能产生过热或过烧的现象，使晶间强度减弱，塑性大为降 低。
变形温度对碳钢的塑性的影响
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变形温度对碳钢的塑性的影响
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变形温度对碳钢的塑性的影响
四低三高 Ⅰ区：在此区域内金属的塑性极低，到-200℃时塑性几乎完 全消失，这大概是由于原子热运动能力极低的缘故。 Ⅱ区：位于 200-400℃的范围内，此区域为蓝脆区。由于时 效的原因，柯氏气团钉扎住位错，位错运动受阻，使得塑性 降低。
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通常随着轧制温度的升高， 金属的塑性增加
原子热运动的能量增加 出现新的滑移系统 变形温度升高 非晶机构、溶解机构的参与 有利于软化过程的发展 变形过程中所产生的破坏和缺陷得到恢复
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对于某些合金，其中包括镍基的弥散强化合金，其 高塑性区 (0.7 － 0.9)Tm 的温度界限是很窄的。在此 温度区间大多数钢在各种变形速度下都有高塑性。 在红脆区(0.5－0.8) Tm，纯的细晶变态钢和合金具 有较高的塑性，并随变形速度的增加变化甚小。工 业纯的粗晶粒钢和合金呈现出红脆性，当变形速度 升高时，其塑性有所改善，并可阻止晶间裂纹的扩 展。
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7.2.3 变形的力学条件
应力状态是影响金属塑性的重要因素。实践证明， 当金属由单向拉应力状态过渡到三向拉应力状态时 其塑性有显著下降，在某些情况下可能发生脆性断 裂。 金属在塑性变形中所承受的应力状态对其塑性的发 挥有显著的影响，静水压力值越大，金属的塑性发 挥得越好。
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在温加工温度区间(0.2－0.5) Tm，晶内滑移占优势。 当变形温度接近上限时，金属的塑性有明显的升高。 在绝热过程中，在变形速度非常高的情况下，变形 速度的增加使金属的塑性升高(图c)；或者在带有弥 散强化的金属中，在低速情况下，随着变形速度的 升高，金属的塑性也增加，其对变形温升敏感。
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按应力状态图的不同，可将其对金属塑性的影响顺 序做这样的排列： 三向压应力状态图最好，两向压一向拉次之，两向 拉一向压更次，三向拉应力状态图为最次。 在塑性加工的实际中，即使其应力状态图相同，但 在塑性加工的实际中 即使其应力状态图相同 但 对金属塑性的发挥也可能不同。例如，金属的挤压， 圆柱体在两平板间压缩和板材的轧制等，其基本的 应力状态图皆为三向压应力状态图，但对塑性的影 响程度却不完全一样。这就要根据其静水压力的大 小来判断。静水压力越大，变形金属所呈现的塑性 越大。
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铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度
合 金 号 L4 LD2 LY11 LY11
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变形温度－变形速度的联合作用
低温塑性变形（冷变形）
金属于室温，甚至直至开始再结晶温度 (对纯金属为 0.3— 0.4TM，对合金为＞ 对合金为 0.5TM， TM为熔点的绝对温度 ) 条件下 变形，当变形速度为 10-3 － 10-4 秒 -1时，其塑性变形机制为 滑移。对许多体心立方金属来讲，在此温度区域内存在有 脆性转变温度。降低变形温度和提高变形速度时，滑移系 统的数目减少，使滑移的作用减小，孪生变形的作用增大， 结果导致金属的塑性大为下降。六方晶格金属也有类似的 现象，但对面心立方金属来讲，甚至在更低的温度下变形 金属也不会变脆。
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在温加工温度区间通常呈现形变时效现象，使金属 的变形抗力升高和塑性下降。在钢中形变时效出现 的温度为400℃左右(兰脆现象)，在难熔金属中，特 别是含过多的氧、氮和碳时，也出现形变时效现象。 金属的硬化和塑性的降低是与析出这些元素化合物 的高弥散质点有关。若因提高变形速度使弥散硬化 来不及形成时，将不出现金属塑性的下降。
中温塑性变形（温变形）
温变形温度区间的上限是开始再结晶温度。此时基 本的塑性变形机构为晶内滑移 对钢来讲 高温塑 本的塑性变形机构为晶内滑移。对钢来讲，高温塑 性变形机构如扩散机构、晶间滑动机构等特征现象， 一般出现在高于开始再结晶温度的100－200℃。增 加变形速度时会使高温变形机构的温度边界向更高 的温度方向移动。
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在＞ 0.9Tm 的温度区间，提高温度会使金属的塑性 急剧下降 (过热和过烧 ) 。对具有高变形抗力的钢和 合金来讲，提高变形速度会产生不好的效果。这是 因为由于热效应稍使变形金属的温度升高，就会促 使晶间的低熔点物质熔化，出现晶间断裂。从相应 的显微照片中可以看到沿晶界有低熔共晶体和内部 氧化(过烧)的痕迹。
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红脆是各种化合物在晶界上的偏析所造成，如易熔 化合物(氧化物、硫化物)，易熔金属(铅、锡、锑)， 脆性化合物(碳化物、氮化物)等的偏析。 红脆断裂的性质是相同的，但机理不同。夹杂的偏 析属于扩散过程 有助于扩散的因素皆会促使红脆 析属于扩散过程，有助于扩散的因素皆会促使红脆 的产生。 易熔化合物的偏析会引起晶界熔化和使晶界的强度 下降，因此在断裂时形成光泽的熔化表面。 脆性化合物是引起难熔金属和合金红脆的原因，硬 的脆性化合物阻碍晶界滑移，使沿晶界的连续变形 遭到破坏，导致晶间断裂。
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当变形速度升高时，会抑制“红脆”的出现。这是 因为抑制了控制晶间破坏的热活化扩散过程和减少 了晶间变形对总变形的贡献。 在低变形速度和在红脆温度区间的具有最低塑性的 温度条件下，杂质原子在应力作用下的迁移加速。 杂质沿晶界产生偏析，促使晶间断裂。
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1 区：位于 l00-200℃范围内，其塑性的逐渐 增加，是由于原子热振动增加的缘故。 2 区：位于700-800℃的范围，由于再结晶和 扩散过 的发生 使金 的塑性 高 扩散过程的发生，使金属的塑性升高。 3 区：位于 950-1250℃的范围，在此区域内 金属具有均匀的奥氏体组织，产生充分的软 化效应。