第17讲 变形抗力影响因素
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2014-7-30 17
Lesson Seventeen
库尔纳科夫温度定律
P t1 P t2 e
a (t2 t1 )
式中 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)； Pt2——温度t2时上述各塑性变形抗力的特征值； a——温度系数。
2014-7-30 10
Lesson Seventeen
锌在室温下带有中间停歇的拉伸结果
2014-7-30
11
Lesson Seventeen
在软化温度区间持续时间的长短对金属的软化程度 也有影响。随着温度的升高，消除硬化所需的时间 越短。并且温度越高，此缩短的程度就越大，这是 因为软化需要在一定的时间内进行。由此可以看出， 变形速度对金属的软化过程有很大的影响。随着变 形速度的减小，软化程度增大。因此，温度越高和 变形速度越小时，金属的软化程度就越大。
对纯金属a＝0.008；对单相系和多相系合金 a＝0.0085；对固溶体a＝0.008~0.012。 对镍和镍基合金以及其它耐热合金，温度系数应相应提高20~25%。
2014-7-30 21
Lesson Seventeen
变形速度
对于每种金属材料，在设定的温度条件下都有其自 己的特征变形速度。在小于特征变形速度数值的范 围内改变变形速度，对变形过程没有影响。如果变 形速度高于此特征速度，则很高变形速度会引起变 形抗力的升高，同时也会使所有的软化过程、物理 化学过程和需要时间来实现有强烈扩散性质的塑性 变形机构受到阻碍。 此外，在变形过程中由于变形速度的升高，会引起 变形物体的热venteen
8.2 影响变形抗力的主要因素
化学成份 组织结构 应力状态 变形温度 变形速度 变形程度 接触摩擦
2014-7-30
……
3
Lesson Seventeen
应力状态
在塑性加工过程中，变形物体所承受的应力状态对 其变形抗力有很大的影响。 例如，挤压时的变形抗力要比轧制时大；在孔型中 轧制时要比在平轧辊上轧制时大；模锻时要比在平 锤头间锻造时大等等。这些都表明，应力状态对变 形抗力有较明显的影响。 在图示中压应力状态越强，变形抗力越大。挤压时 为三向压应力状态图示，而拉拔时为单向拉伸和两 向压缩的应力状态图示，所以挤压时金属的变形抗 力就大于拉伸时的变形抗力。
2014-7-30
23
Lesson Seventeen
假设，以稍低于声速的速度拉伸方杆，经过非常小 的时间其长度增加50％，并在此变形条件下和时间 间隔内，所设定的变形速度只能保证变形物体具有 5 ％的残余延伸。这样，方杆将具有 45 ％的弹性变 形和 5 ％的塑性变形。因此，在方杆内产生的应力 便可用相当于 45 ％弹性变形的纵坐标 aa‘ 来确定。 若增加此产生50％延伸的变形时间，即减小拉伸速 度，使在变形物体内具有更大的残余延伸，例如30 ％，那么，在方杆中的应力数值便可用相当于30％ 弹性延伸的纵坐标bb’来确定，等等。
Lesson Seventeen
镉与锌的真应力曲线
2014-7-30 16
Lesson Seventeen
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。
2014-7-30 4
Lesson Seventeen
金属的变形抗力在很大程度上取决于静水压力。对 许多金属和合金来说，当静水压力从0增加到 5000MPa时，其变形抗力可增加一倍。
2014-7-30
5
Lesson Seventeen
拉伸金属和合金时径向压力的影响
强度极限，MPa
材料 热处理 无径向压力 钢 铍青铜 镁 600℃退火 800℃在水中淬火 360℃退火 209 470 219 有径向压力 217 571 254 无径向压力 71.5 43.8 7.5 有径向压力 84.3 50.6 21.4
2014-7-30 13
Lesson Seventeen
硬化随温度的升高而降低的总效应决定于：
回复和再结晶的软化作用； 随着温度的升高，新塑性机构的参与作用 剪切机构(基本塑性机构)特性的变化。
2014-7-30
14
Lesson Seventeen
不同温度下钢的拉伸曲线
2014-7-30 15
2014-7-30
8
Lesson Seventeen
关于静水压力对变形抗力产生影响原因尚需进一步 研究。 有人认为，变形速度对变形抗力的影响越大时，静 水压力对变形抗力的影响也越大。由于静水压力的 作用，可使金属内的空位减少，使塑性形变因难。 特别是当变形速度较大，实现塑性变形的时间不够 时更是如此。空位的数量越大，静水压力对变形抗 力的影响也超大。
2014-7-30 24
Lesson Seventeen
在设定的总变形数值下 变形速度对应力的影响
2014-7-30
25
Lesson Seventeen
为实现软化过程的时间不够。
金属在变形过程中由于塑性变形的进行金属要发生硬化，又 由于回复和再结晶的作用变形金属又要发生软化。但回复和 再结晶需要一定的时间来完成，若此时间不够，则将会使变 形金属的硬化速率超过软化速率，结果使变形抗力升高。 从上面的情况可以认为，当所取的变形速度超过保证得到最 大软化的速度时，由于实现软化过程的时间不够，而使应力 提高；所取的变形速度低于保证得到最大软化的速实时，又 可由于完全实现塑性变形的时间不够，而使应力提高。
金属塑性变形理论
Theory of metal plastic deformation
第十七讲 Lesson Seventeen
变形抗力影响因素
Lesson Seventeen
第八章 金属的塑性变形抗力
主要内容
Main Content 变形抗力的概念及测定方法 影响变形抗力的主要因素
变形抗力的计算
ln Pk ln Pz a Tz Tk
2014-7-30 19
Lesson Seventeen
对于每一温度变态，库尔纳科夫定律可以写成如下 的近似形式：
a ( t z t )
Pt Pt z e
A Pt z e Pt z 1 A 2
2014-7-30 22
Lesson Seventeen
为完全实现塑性变形的时间不够。
弹性波是以声速在变形物体内传播。当对变形物体的加载速 度小于声速时，塑性变形在变形物体内的传播速度比弹性变 形在此同一物体内的传播速度慢。此弹性变形与塑性变形的 传播速度间的差异，取决于变形物体的成分、温度和应力状 态等。 塑性机构的扩散性质越明显，塑性变形速度滞后于弹性变形 的效应就表现得越强烈。因为自扩散过程需要时间来实现。 因此，非晶塑性机构在这方面应显示出最大的效应。
2014-7-30
18
Lesson Seventeen
如果合金的变形抗力对数直线的进程在从 0到1的相 对温度区间有 n 次变化，那么该合金在此温度区间 就将有n十1次变态。每一次温度变态都可用该改变 态的温度系数 a ，对应变态开始温度 Tk 的开始变形 抗力Pk和对应变态终了温度Tz的终了变形抗力Pz。 对于每一次变态，温度系数可由下式确定：
2014-7-30
9
Lesson Seventeen
变形温度
在讨论温度对变形抗力的影响时必须注意到由于温 度的升高所引起的软化效应和其它变形机构的参与 作用。 从绝对零度到熔点Tm，可分为三个温度区间： 从0～0.3 Tm为完全硬化区间 从0.3 Tm～0.7 Tm为部分软化区间 从0.7 Tm～1.0 Tm为完全软化区间 对纯金属当温度高于(0.25~0.3) Tm时在变形金属内 产生回复，高于0.4 Tm时有再结晶出现。
2014-7-30
27
Lesson Seventeen
温度对速度效应的影响
2014-7-30 28
Lesson Seventeen
温度越高塑性机构的扩散特性表现得越明显。同时 非晶机理在塑性变形过程中起的作用越大，速度效 应也越大。实现非晶塑性机构需要一定的时间。此 时间的长短取决于金属的材质和温度。如果时间不 够，非晶机构就不能实现。这时，在晶体中，它将 被在较高抗力下能够实现的其它机构所代替。在非 晶体中，它将被弹性变形所代替。
2014-7-30
7
Lesson Seventeen
金属合金的流变行为与粘－塑性体的行为相一致。 对粘性体来讲，变形速度和静水压力对其变形抗力 有明显的影响。对粘－塑体来讲也同样是这样。并 且粘性性质越明显，这种影响就越大。在一定的温 度－速度条件下(特别是在温度接近熔点且变形速度 不大时)，金属合金的流动行为与粘－塑性体的流变 行为相一致。此时，变形速度和静水压力对金属合 金便产生相应的影响。
2014-7-30
26
Lesson Seventeen
由于热效应使变形物体的温度升高。 例如，用 50kg 的锤头从 3m 的高度上冲击直径和高 度为 11.1mm 的硬铝试样，变形程度为 89.2% 时， 发现试样的温度从13℃升高到317℃。 变形速度使变形抗力相对降低的最大影响出现在完 全硬化变形的温度区间。例如，在拉拔金属过程中， 当拉拔速度为每秒几十米时，可使拉拔力下降，其 原因就是拉拔时产生的热效应的结果。
2014-7-30
30
Lesson Seventeen
在不完全硬化变形的温度范围内，非晶机构实际上 是不能实现的。在此温度区间，产生速度效应的基 本原因是实现复原的时间不够。速度效应(变形抗力 的提高)、松弛和蠕变在此温度区间表现的程度，比 在不完全软化变形的温度区间要小得多。 热效应在不完全硬化变形的温度区间比在不完全软 化变形的温度区间要大，但后者的热效应要比在完 全软化变形的温度区间要大。
2 A
2014-7-30
20
Lesson Seventeen
在0.7～0.95相对温度 范围内的强度极限
2 a (0.95TM t ) bt bT 1 a(0.95TM t ) 2 温 度 为 0.95TM 和 拉 伸 速 度 为 bT
40~50mm/min时的强度极限
2014-7-30
12
Lesson Seventeen
在0.3 Tm温度以下，塑性变形的基本机构是滑移机 构(剪切机构)、晶块间机构、孪生机构和晶粒间的 脆化机构。当温度高于0.3 Tm时，非晶机构开始变 得明显，然后溶解沉淀机构和晶粒边界上的粘性流 动机构等参与作用。同时，像晶粒间脆化机构和孪 生机构等机构便会消除或几乎消除。 温度升高后，剪切机构和甚至是晶块间机构都会大 大改变其特性。它们的变化是：随着温度的升高， 伴随上述机构发生的力学现象变得不显著，并开始 清楚地显示出滑移的扩散特性。
2014-7-30
29
Lesson Seventeen
在完全软化变形的温度范围内，任何速度下的硬化 曲线都平行于横坐标轴，即不发生硬化。在此温度 范围内，在晶粒边界上的粘性流动机构为实现蠕变 提供了很大的可能性。温度越高，粘性流动抗力越 小。晶粒边界上的粘性流动抗力与其它塑性机构抗 力相比，其值是最小的。在此温度范围内热效应的 影响不大。
断裂时的断面收缩率，％
MA2镁合金
Al-Cu-Mg-Zn合金 铸造AД5铝合金 2014-7-30
在供应状态下
470℃在水中淬火 525℃淬火并人工时效
234
382 166
331
461 203
32.0
17.2 1.9
28.0
23.9 6.3 6
Lesson Seventeen
静水压力的影响通常可在下述情况表现比较明显： 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。这时，静水压力可以使金属 变得致密，消除可能产生的完整性的破坏，从而既 提高了金属的塑性，又提高了金属的变形抗力。通 常，金属越倾向于脆性状态，静水压力的影响越显 著。
Lesson Seventeen
库尔纳科夫温度定律
P t1 P t2 e
a (t2 t1 )
式中 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)； Pt2——温度t2时上述各塑性变形抗力的特征值； a——温度系数。
2014-7-30 10
Lesson Seventeen
锌在室温下带有中间停歇的拉伸结果
2014-7-30
11
Lesson Seventeen
在软化温度区间持续时间的长短对金属的软化程度 也有影响。随着温度的升高，消除硬化所需的时间 越短。并且温度越高，此缩短的程度就越大，这是 因为软化需要在一定的时间内进行。由此可以看出， 变形速度对金属的软化过程有很大的影响。随着变 形速度的减小，软化程度增大。因此，温度越高和 变形速度越小时，金属的软化程度就越大。
对纯金属a＝0.008；对单相系和多相系合金 a＝0.0085；对固溶体a＝0.008~0.012。 对镍和镍基合金以及其它耐热合金，温度系数应相应提高20~25%。
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变形速度
对于每种金属材料，在设定的温度条件下都有其自 己的特征变形速度。在小于特征变形速度数值的范 围内改变变形速度，对变形过程没有影响。如果变 形速度高于此特征速度，则很高变形速度会引起变 形抗力的升高，同时也会使所有的软化过程、物理 化学过程和需要时间来实现有强烈扩散性质的塑性 变形机构受到阻碍。 此外，在变形过程中由于变形速度的升高，会引起 变形物体的热venteen
8.2 影响变形抗力的主要因素
化学成份 组织结构 应力状态 变形温度 变形速度 变形程度 接触摩擦
2014-7-30
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Lesson Seventeen
应力状态
在塑性加工过程中，变形物体所承受的应力状态对 其变形抗力有很大的影响。 例如，挤压时的变形抗力要比轧制时大；在孔型中 轧制时要比在平轧辊上轧制时大；模锻时要比在平 锤头间锻造时大等等。这些都表明，应力状态对变 形抗力有较明显的影响。 在图示中压应力状态越强，变形抗力越大。挤压时 为三向压应力状态图示，而拉拔时为单向拉伸和两 向压缩的应力状态图示，所以挤压时金属的变形抗 力就大于拉伸时的变形抗力。
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Lesson Seventeen
假设，以稍低于声速的速度拉伸方杆，经过非常小 的时间其长度增加50％，并在此变形条件下和时间 间隔内，所设定的变形速度只能保证变形物体具有 5 ％的残余延伸。这样，方杆将具有 45 ％的弹性变 形和 5 ％的塑性变形。因此，在方杆内产生的应力 便可用相当于 45 ％弹性变形的纵坐标 aa‘ 来确定。 若增加此产生50％延伸的变形时间，即减小拉伸速 度，使在变形物体内具有更大的残余延伸，例如30 ％，那么，在方杆中的应力数值便可用相当于30％ 弹性延伸的纵坐标bb’来确定，等等。
Lesson Seventeen
镉与锌的真应力曲线
2014-7-30 16
Lesson Seventeen
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。
2014-7-30 4
Lesson Seventeen
金属的变形抗力在很大程度上取决于静水压力。对 许多金属和合金来说，当静水压力从0增加到 5000MPa时，其变形抗力可增加一倍。
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Lesson Seventeen
拉伸金属和合金时径向压力的影响
强度极限，MPa
材料 热处理 无径向压力 钢 铍青铜 镁 600℃退火 800℃在水中淬火 360℃退火 209 470 219 有径向压力 217 571 254 无径向压力 71.5 43.8 7.5 有径向压力 84.3 50.6 21.4
2014-7-30 13
Lesson Seventeen
硬化随温度的升高而降低的总效应决定于：
回复和再结晶的软化作用； 随着温度的升高，新塑性机构的参与作用 剪切机构(基本塑性机构)特性的变化。
2014-7-30
14
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不同温度下钢的拉伸曲线
2014-7-30 15
2014-7-30
8
Lesson Seventeen
关于静水压力对变形抗力产生影响原因尚需进一步 研究。 有人认为，变形速度对变形抗力的影响越大时，静 水压力对变形抗力的影响也越大。由于静水压力的 作用，可使金属内的空位减少，使塑性形变因难。 特别是当变形速度较大，实现塑性变形的时间不够 时更是如此。空位的数量越大，静水压力对变形抗 力的影响也超大。
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在设定的总变形数值下 变形速度对应力的影响
2014-7-30
25
Lesson Seventeen
为实现软化过程的时间不够。
金属在变形过程中由于塑性变形的进行金属要发生硬化，又 由于回复和再结晶的作用变形金属又要发生软化。但回复和 再结晶需要一定的时间来完成，若此时间不够，则将会使变 形金属的硬化速率超过软化速率，结果使变形抗力升高。 从上面的情况可以认为，当所取的变形速度超过保证得到最 大软化的速度时，由于实现软化过程的时间不够，而使应力 提高；所取的变形速度低于保证得到最大软化的速实时，又 可由于完全实现塑性变形的时间不够，而使应力提高。
金属塑性变形理论
Theory of metal plastic deformation
第十七讲 Lesson Seventeen
变形抗力影响因素
Lesson Seventeen
第八章 金属的塑性变形抗力
主要内容
Main Content 变形抗力的概念及测定方法 影响变形抗力的主要因素
变形抗力的计算
ln Pk ln Pz a Tz Tk
2014-7-30 19
Lesson Seventeen
对于每一温度变态，库尔纳科夫定律可以写成如下 的近似形式：
a ( t z t )
Pt Pt z e
A Pt z e Pt z 1 A 2
2014-7-30 22
Lesson Seventeen
为完全实现塑性变形的时间不够。
弹性波是以声速在变形物体内传播。当对变形物体的加载速 度小于声速时，塑性变形在变形物体内的传播速度比弹性变 形在此同一物体内的传播速度慢。此弹性变形与塑性变形的 传播速度间的差异，取决于变形物体的成分、温度和应力状 态等。 塑性机构的扩散性质越明显，塑性变形速度滞后于弹性变形 的效应就表现得越强烈。因为自扩散过程需要时间来实现。 因此，非晶塑性机构在这方面应显示出最大的效应。
2014-7-30
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Lesson Seventeen
如果合金的变形抗力对数直线的进程在从 0到1的相 对温度区间有 n 次变化，那么该合金在此温度区间 就将有n十1次变态。每一次温度变态都可用该改变 态的温度系数 a ，对应变态开始温度 Tk 的开始变形 抗力Pk和对应变态终了温度Tz的终了变形抗力Pz。 对于每一次变态，温度系数可由下式确定：
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变形温度
在讨论温度对变形抗力的影响时必须注意到由于温 度的升高所引起的软化效应和其它变形机构的参与 作用。 从绝对零度到熔点Tm，可分为三个温度区间： 从0～0.3 Tm为完全硬化区间 从0.3 Tm～0.7 Tm为部分软化区间 从0.7 Tm～1.0 Tm为完全软化区间 对纯金属当温度高于(0.25~0.3) Tm时在变形金属内 产生回复，高于0.4 Tm时有再结晶出现。
2014-7-30
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Lesson Seventeen
温度对速度效应的影响
2014-7-30 28
Lesson Seventeen
温度越高塑性机构的扩散特性表现得越明显。同时 非晶机理在塑性变形过程中起的作用越大，速度效 应也越大。实现非晶塑性机构需要一定的时间。此 时间的长短取决于金属的材质和温度。如果时间不 够，非晶机构就不能实现。这时，在晶体中，它将 被在较高抗力下能够实现的其它机构所代替。在非 晶体中，它将被弹性变形所代替。
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Lesson Seventeen
金属合金的流变行为与粘－塑性体的行为相一致。 对粘性体来讲，变形速度和静水压力对其变形抗力 有明显的影响。对粘－塑体来讲也同样是这样。并 且粘性性质越明显，这种影响就越大。在一定的温 度－速度条件下(特别是在温度接近熔点且变形速度 不大时)，金属合金的流动行为与粘－塑性体的流变 行为相一致。此时，变形速度和静水压力对金属合 金便产生相应的影响。
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Lesson Seventeen
由于热效应使变形物体的温度升高。 例如，用 50kg 的锤头从 3m 的高度上冲击直径和高 度为 11.1mm 的硬铝试样，变形程度为 89.2% 时， 发现试样的温度从13℃升高到317℃。 变形速度使变形抗力相对降低的最大影响出现在完 全硬化变形的温度区间。例如，在拉拔金属过程中， 当拉拔速度为每秒几十米时，可使拉拔力下降，其 原因就是拉拔时产生的热效应的结果。
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Lesson Seventeen
在不完全硬化变形的温度范围内，非晶机构实际上 是不能实现的。在此温度区间，产生速度效应的基 本原因是实现复原的时间不够。速度效应(变形抗力 的提高)、松弛和蠕变在此温度区间表现的程度，比 在不完全软化变形的温度区间要小得多。 热效应在不完全硬化变形的温度区间比在不完全软 化变形的温度区间要大，但后者的热效应要比在完 全软化变形的温度区间要大。
2 A
2014-7-30
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Lesson Seventeen
在0.7～0.95相对温度 范围内的强度极限
2 a (0.95TM t ) bt bT 1 a(0.95TM t ) 2 温 度 为 0.95TM 和 拉 伸 速 度 为 bT
40~50mm/min时的强度极限
2014-7-30
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Lesson Seventeen
在0.3 Tm温度以下，塑性变形的基本机构是滑移机 构(剪切机构)、晶块间机构、孪生机构和晶粒间的 脆化机构。当温度高于0.3 Tm时，非晶机构开始变 得明显，然后溶解沉淀机构和晶粒边界上的粘性流 动机构等参与作用。同时，像晶粒间脆化机构和孪 生机构等机构便会消除或几乎消除。 温度升高后，剪切机构和甚至是晶块间机构都会大 大改变其特性。它们的变化是：随着温度的升高， 伴随上述机构发生的力学现象变得不显著，并开始 清楚地显示出滑移的扩散特性。
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Lesson Seventeen
在完全软化变形的温度范围内，任何速度下的硬化 曲线都平行于横坐标轴，即不发生硬化。在此温度 范围内，在晶粒边界上的粘性流动机构为实现蠕变 提供了很大的可能性。温度越高，粘性流动抗力越 小。晶粒边界上的粘性流动抗力与其它塑性机构抗 力相比，其值是最小的。在此温度范围内热效应的 影响不大。
断裂时的断面收缩率，％
MA2镁合金
Al-Cu-Mg-Zn合金 铸造AД5铝合金 2014-7-30
在供应状态下
470℃在水中淬火 525℃淬火并人工时效
234
382 166
331
461 203
32.0
17.2 1.9
28.0
23.9 6.3 6
Lesson Seventeen
静水压力的影响通常可在下述情况表现比较明显： 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。这时，静水压力可以使金属 变得致密，消除可能产生的完整性的破坏，从而既 提高了金属的塑性，又提高了金属的变形抗力。通 常，金属越倾向于脆性状态，静水压力的影响越显 著。