第五章--金属的塑性与变形抗力

金属的塑性变形抗力摘要：塑性加工时，使金属发生塑性变形的外力，称为变形力。

金属抵抗变形之力，称为变形抗力。

变形抗力和变形力数值相等，方向相反，一般用平均单位面积变形力表示其大小。

当压缩变形时，变形抗力即是作用于施压工具表面的单位面积压力，故亦称单位流动压力。

关键字：塑性 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%L L l -=δ%00F F F -=ψ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。

（5）氢对于某些含氢量较多的钢种（即每１００克钢中含氢达２毫升时就能降低钢的塑性），热加工后又较快冷却，会使从固溶体析出的氢原子来不及向钢表面扩散，而集中在晶界、缺陷和显微空隙等处而形成氢分子（在室温下原子氢变为分子氢，这些分子氢不能扩散）并产生相当大的应力。

在组织应力、温度应力和氢析出所造成的内应力的共同作用下会出现微细裂纹，即所谓白点，该现象在中合金钢中尤为严重。

（6）铜实践表明，钢中含铜量达到0.15％～0.30％时，钢表面会在热加工中龟裂。

（7）硅含硅量在0.5％以上时，由于加强了形成铁素体的趋势，对塑性产生不良影响。

在硅钢中，当含硅量大于2.0％时，使钢的塑性降低。

当含硅量达到4.5％时，在冷状态下钢已变的很脆，如果加热到100℃左右，塑性就有显著改善。

一般冷轧硅钢片的含硅量都限定在3.5%左右。

（8）铝铝对钢及低合金钢的塑性起有害作用。

这可能是由于在晶界处形成氮化铝所致。

铝作为合金元素加入钢中是为了得到特殊性能。

含铝量较高的铬铝合金，在冷状态下塑性较低。

B 组织的影响（1）单相组织（纯金属或固溶体）比多相组织塑性好（2）晶粒细化有利于提高金属的塑性（3）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。

（4）经过热加工后的金属比铸态金属的塑性高。

C 变形温度对不同的钢种塑性的影响（1）温度对合金钢塑性的影响将温度对典型合金钢塑性的影响归纳成五种基本规律，如图5-9所示。

图5-9 温度对合金钢塑性的影响曲线1 表示金属塑性随温度升高而增加，温度超过1200℃以后，其塑性直线下降。

大多数工业用钢诸如各种碳素钢与合金结构钢都属于这一类型。

曲线2 表示金属的塑性随温度升高而降低，温度超过900℃以后，下降趋势更加显著。

这一曲线只适用于少数高合金钢，如1Cr25Ni20Si2不锈钢属于这一类。

显然对这种合金钢加工非常困难。

曲线3 表示随温度升高塑性很少变化，滚动轴承钢GCr15就属于这种类型。

曲线4 表示在某一中间温度金属的塑性下降，而温度更高些或较低时都有较好的塑性，工业纯铁属于这一类。

曲线5 表示温度升高至某—中间温度时塑性较高，继续升高温度时塑性降低，如1Cr18Ni9 Ti不锈钢就属于这种类型。

图5-9 温度对合金钢塑性的影（2）温度对碳素钢塑性的影响规律总的趋势是随温度的升高，塑性是增加的。

但是，在温度升高的全过程中，在某一温度范围内，塑性则是下降的，如图5-10所示。

为了便于分析说明，用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示塑性降低区，1、2、3表示塑性增高区。

图5-10 温度对碳素钢塑性的影响在塑性降低区中：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。

此区与相变发生有关。

Ⅳ区——接近于金属的熔化温度，此时晶粒迅速长大，晶间强度逐渐削弱，继续加热有可能使金属产生过热或过烧现象。

在塑性增加区：1区——位于100～200℃之间，塑性增加是由于在冷加工时原子动能增加的缘故（热振动）。

2区——位于700～800℃之间，由于有再结晶和扩散过程发生，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，钢的组织是均匀一致的奥氏体。

由图5-10以定性的关系说明了由低温至高温碳素钢塑性变化的过程，这对我们来说是很有参考价值的。

例如热轧时我们应尽可能地使变形在3区温度范围内进行，而冷加工的温度则应为1区。

D 变形速度的影响变形速度（表示变形的快慢程度）对塑性的影响可用图5-11所示的曲线概括之。

一般认为在目前所能达到的变形速度，即变形速度不大时，随变形速度的提高塑性降低，如图中的实线部分所示。

如果在很高速度下，随着变形速度的提高塑性增加，如图中的虚线部分所示。

E 应力状态的影响在进行压力加工的应力状态中，压应力个数越多，数值越大，金属塑性越高。

反之拉应力个数愈多、数值愈大，金属塑性愈低。

F 变形状态的影响因为压缩变形有利于塑性的发挥，而延伸变形则相反。

所以主变形图中压缩分量越多，对充分发挥金属的塑性越有利。

G 不连续变形的影响实验结果表明，在不连续变形（或多次变形）的情况下，可以提高金属的塑性。

这是由于不连续的变形，每次的变形量小，产生的应力小，不容易超过金属的塑性极限；同时，在各次变形的间隙时间内，可以发生软化过程，使得金属的塑性在一定程度上得到恢复。

H 尺寸（体积）因素的影响实践证明，随着金属体积的增大，金属的塑性有所降低。

I 变形不均匀的影响由于接触面上摩擦作用，被加工金属性能的不均匀、工具形状和坯料形状的不一致等原因造成的变形不均匀，使得在金属内部产生附加应力，其中的附加拉应力会促使裂纹产生，降低金属的塑性。

5、提高塑性的途径（1）控制金属的化学成分，即将对塑性有害的元素含量降到最下限，加入适量有利于塑性提高的元素。

（2）控制金属的组织结构。

尽可能在单相区内进行压力加工，采取适当工艺措施，使组织结构均匀，形成细小晶粒，对铸态组织的成分偏析、组织不均匀应采用合适的工艺来加以改善。

（3）采用合适的变形温度-速度制度。

其原则是使塑性变形在高塑性区内进行，对热加工来说应保证在加工过程中再结晶得以充分进行。

当然，对某些特殊的加工过程，如控制轧制，有的要在未再结晶区进行轧制。

（4）选择合适的变形力学状态。

在生产过程中，对某些塑性较低的金属，应选用具有强烈三向压应力状态的加工方式，并限制附加拉应力的出现。

（5）降低接触面上的摩擦，减小变形的不均匀性，减小金属内部产生的附加拉应力提高金属的塑性。

金属变形抗力（1）静变形抗力：度量物体这种抵抗变形能力的力学指标称为变形抗力，通常以单向拉伸实验时的屈服极限值 来表示，因此又称为静变形抗力。

（2）真实变形抗力：在一定变形温度、变形速度和变形程度下的变形抗力指标，称为真实变形抗力，用 表示。

2、金属硬度的概念硬度实际上反映了金属材料的塑性变形抗力大小。

3、一些因素对钢变形抗力的影响规律A 化学成分的影响sσϕσ（1）碳钢中的碳和磷的影响随着含碳量的增加，渗碳体的数量也就增加，变形抗力提高更大。

磷能溶于铁素体中，使得钢的强度、硬度显著提高，钢的变形抗力增加。

（2）合金元素的影响合金元素加入钢中使变形抗力提高。

B 显微组织的影响一般情况时，晶粒越细小，变形抗力越大；单相组织比多相组织的变形抗力要低；晶粒体积相同时，晶粒细长者较等轴晶粒结构的变形抗力为大；晶粒尺寸不均匀时，又较均匀晶粒结构时为大；金属中的夹杂物对变形抗力也有影响，在一般情况下，夹杂物会使变形抗力升高；钢中有第二相时，变形抗力也会相应提高。

C变形温度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2.71000℃时变形抗力为4.0800℃时变形抗力为6.7常温时变形抗力为20D 变形速度对变形抗力的影响热变形时变形速度增加，变形抗力增加显著；而冷变形时变形速度增加，变形抗力增加不大。

E 变形程度对变形抗力的影响冷状态时，随变形程度的增加，变形抗力显著提高。

在热状态下变形抗力与变形程度具有如下关系：变形程度在20%～30%以下，随变形程度的增加，变形抗力增加比较显著，当变形程度较高时，随变形程度增加，变形抗力增加缓慢。

F 应力状态对变形抗力的影响同号应力图示比异号应力图示的变形抗力大。

4、热轧时真实变形抗力的确定热轧时的真实变形抗力根据变形时的温度、平均变形速度和变形程度的值，由实验方法得到的变形抗力曲线来确定。

图5-15为不锈钢1Cr18Ni9Ti 的变形抗力曲线。

图中的各条曲线是在不同变形温度下，压下率为30％时的变形抗力随平均变形速度变化的曲线。

在知道某个轧制道次的平均变形速度和轧制温度后，可由曲线找出ε=30％时的变形抗力 ，对于其他的变形程度可按图5-15中左上角的修正曲线，由实际变形程度找出修正系数C 。

这样该道次的变形抗力为式中 ——压下率为30％时的变形抗力； C ——与实际压下率有关的修正系数。

图5-15 不锈钢1Cr18Ni9Ti 的变形温度、变形速度对变形抗力的影响ε=30%）5、冷轧时的真实变形抗力的确定冷轧时的真实变形抗力由各个钢种的加工硬化曲线，根据该道次的平均总压下率来确定。

冷轧时以退火带坯为原料，要在一个轧程内轧制几道后才退火。