第6章 变形抗力
6 金属塑性变形与流动问题
附加应力定律：任何塑性变形物体内部，在变形过程中均
有自相平衡的附加应力。
6. 2. 2 变形条件对金属塑性的影响
一、变形温度
碳钢的塑性随温度变化图
就大部分金属来言，其总的趋势是：随着温 度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的 线性上升。
2．变形速度
塑 性
Ⅰ Ⅱ
变形速度，1/秒 图5-18 变形速度对塑性的影响
3．变形程度
冷变形时，变形程度越大，塑性越低；热变 形时，变形程度越大，塑性越高。
变形过程中，物体各质点将 向着阻力最小的方向移动。即 做最少的功，走最短的路。
图3-1 开式模锻的金属流动
图3-2 最小周边法则
拔长效率较低，主 要用于修正尺寸
拔长效率较高
6. 2 影响金属塑性、塑性变形和流动的 因素
6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 塑性、塑性指标和塑性图 变形条件对金属塑性的影响 其他因素对塑性的影响 提高金属塑性的途径 摩擦对金属塑性变形和流动的影响 工具形状对金属塑性变形和流动的影响 金属各部分之间关系对塑性变形和流动的影响 金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响
三、残余应力
定义：引起应力的外因去除后在物体内仍残存的应力。 特点：残余应力是弹性应力，它不超过材料的屈服极限。 分类： （１）第一类残余应力：存在于变形体各大区之间； （２）第二类残余应力：存在于各晶粒之间； （３）第三类残余应力：存在于晶粒内部。 残余应力产生的原因： （１）塑性变形不均匀。残余应力的符号与引起该残余应力 的塑性应变符号相反。 （２）温度不均匀（加热／冷却不均匀）引起的热应力。 （３）相变过程引起的组织应力。
变形抗力概念及测定方法课件
在材料科学中的应用
金属材料 高分子材料
在工程结构中的应用
桥梁和建筑结构
在桥梁和建筑结构的稳定性分析中，变形抗力是评估结构承载能力和安全性的重要参数，通过分析结构在不同受 力状态下的变形抗力，可以确保结构的稳定性和安全性。
机械装备
在机械装备中，如机床、发动机等，变形抗力对设备的性能和使用寿命具有重要影响，通过优化材料的变形抗力 可以提高设备的稳定性和可靠性。
具体操作时，将试样放置在试验机上，施加逐渐增大的外力，记录试样在不同外 力下的变形情况，绘制应力-应变曲线，从而确定材料的变形抗力。
间接测定法
综合测定法
材料的种类和状态
金属材料
金属材料的变形抗力与其种类、纯度、 晶粒大小、热处理状态等有关。例如， 不锈钢、钛合金等高强度合金的变形 抗力较大。非金属材料Fra bibliotek复合材料
由两种或多种材料组成，其变形抗力 取决于各组成材料的性质、比例以及 复合方式。
如塑料、橡胶等非金属材料的变形抗 力受其化学结构、分子量、添加剂等 因素影响。
温度和湿度
温度 湿度
应变速率
应变速率
动态加载
在动态加载条件下，由于惯性效应和 应力波传播的影响，材料的变形抗力 可能会表现出不同的规律。
• 变形抗力基本概念 • 变形抗力的测定方法 • 变形抗力的影响因素 • 变形抗力的应用 • 变形抗力的研究进展
变形抗力的定义 01 02
变形抗力的物理意义
变形抗力的大小决定了材料在受力过 程中是否容易发生屈服、断裂等现象。
变形抗力与材料性质的关系
直接测定法
直接测定法是通过直接对材料施加外力，观察其变形程度和承载能力来测定变形 抗力。这种方法简单直观，适用于各种材料和不同形状的试样。
机械制造基础教学课件庄佃霞崔朝英第六章习题答案
思考题与习题1．锻压生产有何特点？试举例说明它的应用。
答：（1）改善金属组织，提高金属的力学性能金属经过锻压可使其晶粒细化，使铸件中的气孔、微裂纹、缩松压合，提高组织的致密度；锻压还可形成金属的纤维方向，使其合理分布，提高零件的力学性能。
（2）适用范围广，生产效率高锻压产品适用范围广泛，模锻和冲压加工有较高的生产率。
（3）节省材料，减少切削加工工时锻压件的力学性能比铸件高，可相对减少零件的截面尺寸，减轻零件的重量。
此外，一些锻压加工的新工艺（如精密模锻）可以生产出尺寸精度和表面粗糙度接近或达到成品零件的要求，可做到少切削或无切削。
锻压的缺点是难以获得形状复杂的零件。
锻压主要用于加工金属制件，也可用于加工某些非金属，如工程塑料、橡胶、陶瓷坯、砖坯以及复合材料的成形等。
2．金属塑性变形分哪几类？它们之间有何区别？答：金属塑性变形根据温度不同分为冷变形和热变形两种。
冷、热变形的界限是再结晶温度，在再结晶温度以下的变形是冷变形，此时的变形只有加工硬化现象无再结晶现象，因此随着变形的进行，变形抗力增高、塑性降低，最终将导致金属破裂。
所以，变形量不宜过大。
冷变形具有尺寸精度高，表面质量好，生产率高，强度、硬度高等优点。
热变形是再结晶温度以上的变形，在热变形过程中既产生加工硬化，又有再结晶现象，且加工硬化现象被随之而来的再结晶所消除，热变形后的组织是再结晶后的组织，具有良好的塑性，较低的变形抗力。
因此，金属的锻压加工主要采用热变形来进行。
但热变形的生产率和锻件尺寸精度低，表面质量和劳动条件差，需配备相应的加热设备。
3．什么是加工硬化？它在生产中有什么实用意义？答：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象，称为加工硬化，又称冷作硬化。
它标志金属抗塑性变形能力的增强。
加工硬化在生产中的作用是：①经过冷拉、滚压和喷丸等工艺，能显著提高金属材料、零件和构件的表面强度；②零件受力后，某些部位局部应力常超过材料的屈服极限，引起塑性变形，由于加工硬化限制了塑性变形的继续发展，可提高零件和构件的安全度；③金属零件或构件在冲压时，其塑性变形处伴随着强化，使变形转移到其周围未加工硬化部分。
材料科学基础第六章1
• 面心立方金属的的孪晶面为(111)，它与 (110)的交割线为[112]，此方向即为孪晶方 向。
• 以(110)为纸面作图(b)可以看出：晶体变形 后，变形区域作均匀切变，每层(111)都相 对与其相邻晶面沿[112]方向位移了d112/3。 表明孪生时每层晶面的位错是借一个不全 位错的移动造成的，在本例中，b=a[112]/6。
• 应力达到σb后，材料均匀变形结束， σb叫材料的 抗拉强度(tensile strength )，是材料极限承载能 力的标志。
• 4 应力达到σb时，材料开始发生不均匀变形，形 成颈缩。应力随之迅速下降，达到σk时材料短裂。 σk叫条件断裂强度 (rupture strength ) 。
• 断裂后的试样残余变形量Δl=(lk-l0)与原始长 度l0的百分比称为延伸率δ(percentage of elongtation ) ：
• 本章主要讨论金属材料的变形方式和塑性 变形机制，简单介绍陶瓷和高分子材料的 变形特点。
• 6.1 金属的应力-应变曲线 • 6.1.1 工程应力-应变曲线(以低碳钢为例) • 1 当应力低于σe时，应力与应变成正比：
σ=Eε • E称为弹性模量， • 表示材料的刚性。 • 此应力范围内撤 • 去应力则变形完 • 全消失，称为弹 • 性变形。
• τk=σsm 或：σs=τk/m
(6-7)
• m称为取向因子或斯密特(Schmid)因子。
m越大，分切应力越大，越有利于滑移。
• 当滑移面法线、滑移方向和外力轴处于同 一平面且φ=45º时，
• m=cosφcos(90º-φ)=sin2φ/2=0.5。
• 此时m值最大，σs最小，最有利于滑移， 称为软取向；外力与滑移面平行(φ=90º)或 垂直(φ=0)时,σs，晶体不能滑移，此种 取向称为硬取向。
材料科学基础-第6章塑性变形
8．位错的交割与塞积 在多系滑移时，由于各滑移面相交，因而在不同滑移面上运动着的位错必然相遇，发生交割。此外，在滑移面上运动着的位错还要与晶体中原有的以不同角度穿过滑移面的位错相交割。 不在原位错线的滑移面上的位错线，故称之为割阶。有的割阶的产生并不影响位错的运动，但由于增加了位错线的长度、需消耗一定的能量。除此之外，还会发生刃型位错与螺型位错、螺型位错与螺型位错的交割，交割的结果都要形成割阶，这一方面增加了位错线的长度，另一方面还可能形成一种难以运动的固定割阶，成为后续位错运动的障碍，造成位错缠结，从而产生较强的加工硬化效果。
图6－11 两个垂直刃型位错交割
图6-12 位错塞积 图6-13 不锈钢晶界前位错塞积的透射电镜图像
孪生是在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(孪晶面或孪生面)与晶向(孪生方向)产生一定角度的均匀切变。
孪生
孪生所需的临界切应力远远高于滑移时的临界切应力。因此，只有在滑移难以进行的条件下，晶体才发生孪生变形，如一些HCP结构的金属，，常以孪生方式进行塑性变形；而BCC结构的金属滑移系较多，如α-Fe等，只有在室温以下或受到冲击裁荷作用时，才发生孪生变形；而FCC结构的金属，由于其对称性高，滑移系多，所以很少发生孪生变形。
图6－4 镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系
已知Al的临界分切应力为0.24MPa，计算要使 面上产生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？
对立方晶系，晶面（h1k1l1）法线和晶向[h2k2l2]的夹角为
同理，滑移方向[101]和拉力轴[001]的夹角为
Example 6.1 SOLUTION
02
晶粒越细，晶界越曲折，越不利于裂纹沿晶界的传播，从而在断裂过程中可以吸收更多的能量，表现出较高的韧性。
变形抗力和屈服强度的关系
变形抗力和屈服强度的关系
变形抗力和屈服强度是材料力学中常用的两个指标，它们之间存在一定的关系。
变形抗力是指材料在受到外力作用下，开始发生塑性变形时所承受的最大应力。
在材料的应力-应变曲线上，变形抗力对应的应变点称为屈服点。
屈服点之前，材料呈现线性弹性的变形特性，屈服点之后，材料呈现非线性的塑性变形特性。
屈服强度是指材料在受到外力作用下，开始发生塑性变形时所承受的应力值。
它可以用应力-应变曲线上的屈服点处的应力值来表示。
变形抗力和屈服强度之间的关系可以用以下公式表示：
变形抗力 = 屈服强度×截面积
其中，截面积是指材料在受力时所受到的横截面积。
这个公式说明了，变形抗力和屈服强度之间存在着一定的比例关系。
如果材料的屈服强度越高，那么在相同的截面积下，它的变形抗力也会相应地变高。
总之，变形抗力和屈服强度是材料力学中非常重要的指标，它们之间的关系可以帮助我们更好地了解材料的力学性质。
- 1 -。
金属材料与热处理第六章答案
1 滑移与孪生的区别及它们在塑性变形过程中的作用。
答：滑移与孪生的区别：（1）滑移是晶体两部分发生相对滑动，不改变晶体位向，孪生是晶体一部分相对另一部分发生均匀切变，发生位向的改变，孪生面两侧原子呈镜面对称。
（2）滑移面上的原子移动的距离是原子间距的整数倍，而孪生方向移动的原子不是原子间距的整数倍。
（3）滑移是个缓慢的过程，孪生产生速度极快。
（4）滑移是在晶体内各晶粒内部产生不均匀，而孪生在整个孪生区内部都是均匀的切变。
作用：晶体产生塑性变形过程主要依靠滑移机制来完成的；孪生所需的临界应力要高很多，对塑性变形的贡献比滑移小得多，但孪生改变了部分晶体的空间取向，使原来处于不利取向的滑移系转变为新的有利取向，激发晶体滑移。
2面心立方、体心立方、密排六方金属的主要塑性变形方式是什么？温度、变形速度对其有何影响？铝、铁、鎂中哪种金属的塑性最好？哪种最差？答：面心立方、体心立方有较多的滑移系，塑性变形以滑移为主，而密排六方金属对称性低，滑移系少，塑性变形方式主要是孪生。
变形温度越高，滑移越容易，孪生产生的几率越小，反之变形温度越高，滑移越困难，产生孪晶的几率越大。
变形速度越大，滑移常来不及产生足够大的变形，因此导致切应力增大，产生孪晶的几率也增大。
铝为面心立方结构、铁为体心立方结构、镁为密排六方结构，因此铝的塑性最好，镁的塑性最差。
3绘图说明常见fcc、bcc结构金属的滑移系有哪些？这两种晶体结构的密排面、密排方向是哪些？与滑移系之间有何关系？答：FCC晶格：滑移面就是最密排面：｛111｝包括(111), (111), (111), (111);滑移方向就是最密排方向：〈110〉每个滑移面上有三个，如图中箭头所示。
一个滑移面与滑移面上的一个滑移方向构成一个滑移系，因此滑移系数: 4×3=12BCC晶格：滑移面：｛110｝(110), (011), (101), (110), (011), (101)共6个滑移方向：〈111〉，每个滑移面上两个，如图箭头所示。
第6章超塑性及超塑变形机理
第6章 超塑性及超塑变形机理6.1 超塑性的概念6．1．1 超塑性及其宏观变形特点关于超塑性的概念，目前尚未有一个严格确切的描述。
通常以为超塑性是指材料在拉伸条件下，表现出异样高的伸长率而不产生缩颈与断裂现象。
当伸长率≥δ100％时，即可称为超塑性。
事实上，有的超塑材料其伸长率可达到百分之几百，乃至达到百分之几千，如在超塑拉伸条件下Sn-Bi 共晶合金可取得1950％的伸长率，Zn-AI 共晶合金的伸长率可达3200％以上。
也有人用应变速度灵敏性指数m 值来概念超塑性，当材料的m 值大于0．3时，材料即具有超塑性。
超塑性的产生第一取决于材料的内在条件，如化学成份、晶体结构、显微组织(包括晶粒大小、形状及散布等)及是不是具有固态相变(包括同素异晶转变，有序-无序转变及固溶-脱溶转变等)能力。
在上述内在条件知足必然要求的情形下，在适当的外在条件(通常指变形条件)下将会产生超塑性。
金属材料在超塑性状态下的宏观变形特点，可用大变形、小应力、无缩颈、易成形等来描述。
1) 大变形 超塑性材料在单向拉伸时伸长率占极高，目前已有占达8000％以上的报导。
超塑性材料塑性变形的稳固性、均匀性要比一般材料好得多，这就使材料成形性能大为改善，能够使许多形状复杂，难以成形构件的一次成形变成可能。
2) 小应力 材料在超塑性变形进程中的变形抗力很小，它往往具有粘性或半粘性流动的特点，在最正确超塑变形条件下，超塑流变应力σ一般是常规变形的几分之一乃至几十分之一。
例如，Zn-22％Al 合金在超塑变形时的流动应力不超过2MPa ，钛合金板料超塑成形时，其流动应力也只有几十兆帕乃至几兆帕。
3) 无缩颈 一样具有必然塑性变形能力的材料在拉伸变形进程中，当显现初期缩颈后，由于应力集中效应使缩颈继续进展，致使提早断裂。
超塑性材料的塑性流变类似于粘性流动，没有(或很小)应变硬化效应，但对变形速度灵敏，有所谓“应变速度硬化效应”，即变形速度增加时，材料的变形抗力增大(强化)。
材料科学基础 第6章 材料的塑性变形与再结晶
两三个晶粒的拉伸试验表明：晶界处 的变形能力差，呈竹节状
2)晶界对材料的强化作用机理
晶界对材料的强化作用是通过晶界对位错 的阻塞作用实现的。塑性变形是通过位错在滑 移面上的滑移产生的，晶界可以阻止位错的滑 移，因此位错在晶界处形成阻塞，位错处阻塞 位错的数量越多，对位错源形成位错的反作用 力越大，当增大的某一数值，位错源停止形成 新的位错，因此滑移面停止进行，要使相邻晶 粒发生滑移须增大外应力，以启动其位错源动 作。这就是晶界的强化作用。
滑移方向 〈110〉 〈110〉
〈111〉
〈111〉 〈111〉 〈111〉 〈111〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1123〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1010〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1120〉
3.位错滑移时受到的点阵阻力
由于原子排列的周 期性，位错在滑移过程 中，位错中心的能量将 发生周期性变化，当位 错从位置1移动到位置2 时需要越过一个势垒， 即阻力，其大小如右图 所示。
切应力
2.晶体结构引起的加工硬化曲线的差异
6.1.2多晶体的塑性变形
通常使用的材料多为多晶材料，多晶材料变形 有以下特点： ①每个晶粒的变形行为方式与其单晶相同； ②每个晶粒的变形受其周围晶粒的影响；主要涉及 到晶粒之间的方位及取向关系； ③整个材料体的变形是通过各晶粒变形相互配合与 协调实现的。 因此多晶材料的屈服强度明显高于同类材料的 单晶体；并且晶粒越细，强度越高。
0 10 20 40 60 80 276 497 566 593 607 662
抗拉强度 （Mpa）
456 518 580 656 704 792
延伸率 断面收缩率 （% ） （% ）
34 20 17 16 14 7 70 65 63 60 54 26
金属学及热处理课后习题答案解析第六章
⾦属学及热处理课后习题答案解析第六章第六章⾦属及合⾦的塑性变形和断裂2）求出屈服载荷下的取向因⼦，作出取向因⼦和屈服应⼒的关系曲线，说明取向因⼦对屈服应⼒的影响。
答：1）需临界临界分切应⼒的计算公式：τk=σs cosφcosλ，σs为屈服强度=屈服载荷/截⾯积需要注意的是：在拉伸试验时，滑移⾯受⼤⼩相等，⽅向相反的⼀对轴向⼒的作⽤。
当载荷与法线夹⾓φ为钝⾓时，则按φ的补⾓做余弦计算。
2）c osφcosλ称作取向因⼦，由表中σs和cosφcosλ的数值可以看出，随着取向因⼦的增⼤，屈服应⼒逐渐减⼩。
cosφcosλ的最⼤值是φ、λ均为45度时，数值为0.5，此时σs为最⼩值，⾦属最易发⽣滑移，这种取向称为软取向。
当外⼒与滑移⾯平⾏（φ=90°）或垂直（λ=90°）时，cosφcosλ为0，则⽆论τk数值如何，σs均为⽆穷⼤，表⽰晶体在此情况下根本⽆法滑移，这种取向称为硬取向。
6-2 画出铜晶体的⼀个晶胞，在晶胞上指出：1）发⽣滑移的⼀个滑移⾯2）在这⼀晶⾯上发⽣滑移的⼀个⽅向3）滑移⾯上的原⼦密度与{001}等其他晶⾯相⽐有何差别4）沿滑移⽅向的原⼦间距与其他⽅向有何差别。
答：解答此题⾸先要知道铜在室温时的晶体结构是⾯⼼⽴⽅。
1）发⽣滑移的滑移⾯通常是晶体的密排⾯，也就是原⼦密度最⼤的晶⾯。
在⾯⼼⽴⽅晶格中的密排⾯是{111}晶⾯。
2）发⽣滑移的滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度最⼤的晶向，在{111}晶⾯中的密排⽅向<110>晶向。
3）{111}晶⾯的原⼦密度为原⼦密度最⼤的晶⾯，其值为2.3/a2，{001}晶⾯的原⼦密度为1.5/a24）滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度⾼于其他晶向，原⼦排列紧密，原⼦间距⼩于其他晶向，其值为1.414/a。
6-3 假定有⼀铜单晶体，其表⾯恰好平⾏于晶体的（001）晶⾯，若在[001]晶向施加应⼒，使该晶体在所有可能的滑移⾯上滑移，并在上述晶⾯上产⽣相应的滑移线，试预计在表⾯上可能看到的滑移线形貌。
第6章 塑性及超塑变形机理
第6章 超塑性及超塑变形机理6.1 超塑性的概念6．1．1 超塑性及其宏观变形特征关于超塑性的定义，目前尚未有一个严格确切的描述。
通常认为超塑性是指材料在拉伸条件下，表现出异常高的伸长率而不产生缩颈与断裂现象。
当伸长率≥δ100％时，即可称为超塑性。
实际上，有的超塑材料其伸长率可达到百分之几百，甚至达到百分之几千，如在超塑拉伸条件下Sn-Bi 共晶合金可获得1950％的伸长率，Zn-AI 共晶合金的伸长率可达3200％以上。
也有人用应变速率敏感性指数m 值来定义超塑性，当材料的m 值大于0．3时，材料即具有超塑性。
超塑性的产生首先取决于材料的内在条件，如化学成分、晶体结构、显微组织(包括晶粒大小、形状及分布等)及是否具有固态相变(包括同素异晶转变，有序-无序转变及固溶-脱溶变化等)能力。
在上述内在条件满足一定要求的情况下，在适当的外在条件(通常指变形条件)下将会产生超塑性。
金属材料在超塑性状态下的宏观变形特征，可用大变形、小应力、无缩颈、易成形等来描述。
1) 大变形 超塑性材料在单向拉伸时伸长率占极高，目前已有占达8000％以上的报道。
超塑性材料塑性变形的稳定性、均匀性要比普通材料好得多，这就使材料成形性能大为改善，可以使许多形状复杂，难以成形构件的一次成形变为可能。
2) 小应力 材料在超塑性变形过程中的变形抗力很小，它往往具有粘性或半粘性流动的特点，在最佳超塑变形条件下，超塑流变应力σ通常是常规变形的几分之一乃至几十分之一。
例如，Zn-22％Al 合金在超塑变形时的流动应力不超过2MPa ，钛合金板料超塑成形时，其流动应力也只有几十兆帕甚至几兆帕。
3) 无缩颈 一般具有一定塑性变形能力的材料在拉伸变形过程中，当出现早期缩颈后，由于应力集中效应使缩颈继续发展，导致提前断裂。
超塑性材料的塑性流变类似于粘性流动，没有(或很小)应变硬化效应，但对变形速度敏感，有所谓“应变速率硬化效应”，即变形速度增加时，材料的变形抗力增大(强化)。
第六章金属塑性成形工艺理论基础
3）冲压件尺寸精度高，质量稳定，互换性好， 一般不需机械加工即可作零件使用。 4）冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机 械化和自动化。
5）可以冲压形状复杂的零件，废料少。
6）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用 高，只适用于大批量生产。
坯料在锻造过程中，除与上下抵铁或其它辅 助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形 不受限制，锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保 证，所用设备与工具通用性强。
自由锻主要用于单件、小批生产，也是生产 大型锻件的唯一方法。
1) 自由锻设备
空气锤 它由电动机直接驱动，打击速度快，锤击能量小，适
用于小型锻件；65~750Kg
挤压成形是使坯料在外力作用下，使模具内的金属坯 料产生定向塑性变形，并通过模具上的孔型，而获得 具有一定形状和尺寸的零件的加工方法。
图6-3 挤压
挤压的优点：
1）可提高成形零件的尺寸精度，并减小表面粗糙 度。 2）具有较高的生产率，并可提高材料的利用率。 3）提高零件的力学性能。 4）挤压可生产形状复杂的管材、型材及零件。
3）精整工序：修整锻件的最后尺寸和形状，消除表面的不 平和歪扭，使锻件达到图纸要求的工序。如修整鼓形、平 整端面、校直弯曲。
3）自由锻的特点
优点：
1）自由锻使用工具简单，不需要造价昂贵的模具；
2）可锻造各种重量的锻件，对大型锻件，它是唯一方法
3）由于自由锻的每次锻击坯料只产生局部变形，变形金属 的流动阻力也小，故同重量的锻件，自由锻比模锻所需的 设备吨位小。
实例：
当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与 杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力 顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱(如图示 )。
第6章 超塑性及超塑变形机理
第6章 超塑性及超塑变形机理6.1 超塑性的概念6．1．1 超塑性及其宏观变形特征关于超塑性的定义，目前尚未有一个严格确切的描述。
通常认为超塑性是指材料在拉伸条件下，表现出异常高的伸长率而不产生缩颈与断裂现象。
当伸长率≥δ100％时，即可称为超塑性。
实际上，有的超塑材料其伸长率可达到百分之几百，甚至达到百分之几千，如在超塑拉伸条件下Sn-Bi 共晶合金可获得1950％的伸长率，Zn-AI 共晶合金的伸长率可达3200％以上。
也有人用应变速率敏感性指数m 值来定义超塑性，当材料的m 值大于0．3时，材料即具有超塑性。
超塑性的产生首先取决于材料的内在条件，如化学成分、晶体结构、显微组织(包括晶粒大小、形状及分布等)及是否具有固态相变(包括同素异晶转变，有序-无序转变及固溶-脱溶变化等)能力。
在上述内在条件满足一定要求的情况下，在适当的外在条件(通常指变形条件)下将会产生超塑性。
金属材料在超塑性状态下的宏观变形特征，可用大变形、小应力、无缩颈、易成形等来描述。
1) 大变形 超塑性材料在单向拉伸时伸长率占极高，目前已有占达8000％以上的报道。
超塑性材料塑性变形的稳定性、均匀性要比普通材料好得多，这就使材料成形性能大为改善，可以使许多形状复杂，难以成形构件的一次成形变为可能。
2) 小应力 材料在超塑性变形过程中的变形抗力很小，它往往具有粘性或半粘性流动的特点，在最佳超塑变形条件下，超塑流变应力σ通常是常规变形的几分之一乃至几十分之一。
例如，Zn-22％Al 合金在超塑变形时的流动应力不超过2MPa ，钛合金板料超塑成形时，其流动应力也只有几十兆帕甚至几兆帕。
3) 无缩颈 一般具有一定塑性变形能力的材料在拉伸变形过程中，当出现早期缩颈后，由于应力集中效应使缩颈继续发展，导致提前断裂。
超塑性材料的塑性流变类似于粘性流动，没有(或很小)应变硬化效应，但对变形速度敏感，有所谓“应变速率硬化效应”，即变形速度增加时，材料的变形抗力增大(强化)。
第6章 变形抗力
随着温度的升高，硬化减小的总效应决定于以下 方面：
回复和再结晶的软化作用； 随温度的升高，新的塑性变形机制的参与作用； 剪切机制（基本塑性变形机制）特性的改变。
图6－2 低碳钢在不同温度下 的拉伸曲线
图6－3 镉与锌的真应力曲线
拉伸试样结果表明，变形抗力随温度的 变化有两种情况。一类金属（如铜）是 随温度的升高，变形抗力指标下降；另 一类金属是，例如钢，其变形抗力随温 度的变化比较复杂。从图中6－2中看出， 加热至100℃时，屈服延伸减小，与其 相应的应力也减小。在400℃附近屈服 延伸消失。
图6－6 三种真应力曲线
图6－7 拉伸指示图
图6-8 第二种真应力曲线
图6－9 近似的真应力曲线
图6－10 近似的真应力曲线
§6.4 变形抗力的计算
其关系可用下式表示:
测定方法
测定金属塑性变形抗力的基本方法有拉伸法、压缩法和 扭转法。其中，最常用的前两种方法。 拉伸法 在拉伸实验中通常使用的是圆柱体试样。并认为在拉伸 过程中在试样出现细颈以前，在其标距内工作部分的应 力状态为均匀分布的单向拉应力状态。这时，所测出的 拉应力σ便为变形物体在此变形条件下的变形抗力。
4.1 基本概念及测定方法
金属的塑性变形抗力是指金属在一定的变形条 件下进行塑性变形时于单位横截面积上抵抗此 变形的力。 为排除复杂应力状态的影响，变形抗力通常用 单向应力状态（单向拉伸、单向压缩）下所测 定的流动应力来度量。有的书称此应力为真实 变形抗力。
实际塑性加工时，如轧制、锻压、挤压、拉拔等，多数是 在三向或两向应力状态下进行的。因此，对同一种加工金 属材料，在主作用力方向上的单位变形力在数值上一般要 比单向应力状态下所测定的变形抗力为大。
图6－1 在不同变形温度和变形速度条件下 含碳量对碳钢变形抗力的影响（实线为静压缩，虚线为动压缩）
锻造工艺学第六章 模锻成形工序分析_OK
模具或芯轴
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§6-2 开式模锻
• 一、概念
开式模锻是变形金属的流动不完全
受模腔限制的一种锻造方式。开式模锻 时，多余的金属沿垂直于作用力的方向 流动边槽的作用
1．增大径向阻力，迫使金属充满模膛； 2．容纳多余的金属；
1．控制锻件的形状和尺寸：（终锻模膛，终成形模具） 为保证锻件的形状和尺寸精度，设计模具时应注意以下 两点： (1) 热锻时应考虑锻件和模具的热收缩； (2) 精密成形时还应考虑模具的弹性变形。
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2．控制金属的流动方向 塑性变形的金属主要沿最大主应力增大的方向流动。 在三向压应力情况下，金属主要沿最小阻力（增大）
压应力σR也愈大。 这个阶段的变形对闭式模锻有害无益，是不希
望出现的。
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由此：
⑴ 闭式模锻变形过程宜在第
Ⅱ阶段刚完成，即形成纵向毛
刺之前结束。
⑵ 模壁的受力情况与锻件的
H/D有关，H/D越小，模壁受
力情况越好。
⑶ 坯料体积的精确性对锻件
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§6-3 挤压
• 正挤压 • 反挤压 • 径向挤压 • 复合挤压
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适用范围： 适用于轴对称变形或近似对称变形。目前用的
最多的是短轴类回转体。
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一、闭式模锻的变形过程分析
闭式模锻的变形过程，可分为三个阶段： ①第Ⅰ阶段是基本成形阶段； ②第Ⅱ阶段是充满阶段；
③第Ⅲ阶段是形成纵向飞边阶段。
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1．第Ⅰ阶段──基本成形阶段 由开始变形至金属基本充满型槽，此阶段变形 力的增加相对较慢。金属变形可能是镦粗、压入、 冲孔或挤压成形；有可能是整体变形，也可能是
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关于真应力的变化，可从图6－3示出的在不同温度条 件下，用拉伸方法所测出的镉与锌的加工硬化曲线中 看出。随着温度的升高，硬化减小； 从一定温度开始，硬化曲线平行于横坐标轴，金属不 再继续硬化。 在高温条件下，即使变形不大，金属也有强烈的硬化。 其大小取决于屈服应力与出现细颈时应力间的差异。 当注意，在坐标轴上对应出现细颈的一点，甚至在高 温下也不与坐标原点相重合。
图6－1 在不同变形温度和变形速度条件下 含碳量对碳钢变形抗力的影响（实线为静压缩，虚线为动压缩）
硅：钢中含硅对塑性变形抗力有明显的影响。用硅使钢合 金化时，可使钢的变形抗力有较大的提高。例如，含硅量 为1.5％~2.0％的结构钢（55Si2 60Si2）在一般的热加工条 件下，其变形抗力比中碳钢约高出20％~25％。含硅量高 达5％~6％以上时，热加工较为困难。
第六章 金属的变形抗力
§6.1 基本概念及测定方法 §6.2 影响塑性变形抗力的主要因素 §6.3 加工硬化曲线 §6.4 变形抗力的计算
基本知识点：变形抗力及其测定方法、影响 变形抗力的主要因素、加工硬化曲线、变形 抗力的计算。 重点：变形抗力及其测定方法、影响变形抗 力的主要因素、加工硬化曲线。 难点：影响变形抗力的主要因素、加工硬化 曲线。
总的来看，对于从0到1.0Tm整个温度区间内都没有物理－化学变化的 金属，其变形抗力的对数值随温度的变化呈线性关系（图6－4，a）。
铬：对含铬为0.7％~1.0％的铬钢来讲，影响其变形抗力的 主要不是铬，而是钢中的含碳量。这些钢的变形抗力仅比 具有相应含碳量的碳钢高5％~10％。对高碳铬钢GCr6~ GCr15（含铬量0.45％~1.65％），其变形抗力虽稍高于碳 钢，但影响变形抗力的也主要是碳。
镍：镍在钢中可使变形抗力稍有提高。但对25NiA、30 NiA和13 Ni2A等钢来讲，其变形抗力与碳钢相差不大。当含镍量较高时， 例如Ni25~ Ni28，其变形抗力与碳钢相比有很大的差别。
P
F
根据金属在变形过程中的体积不变条件，可得：
F
F0
l0 l
假设，在试样标距的工作部分内金属的变形也是均
匀分布的。所以，此时变形物体的真实变形ε应为
ln l
l0
P为试样在拉伸某瞬间所承受的拉力，F、l分别为
在该拉伸瞬间试样工作部分的实际横断面积和长度，
F0、l0分别为拉伸试样工作部分的原始横断面积和
在钢中同时加入几种合金元素，例如同时加入铬和镍，这时钢中 的碳、铬和镍对变形抗力都要产生影响。Cr18Ni9Ti钢的变形抗 力比碳钢高50%。
金属的变形抗力与其显微组织有密切的关系。晶粒大小就是其中 的一个重要因素。晶粒越细小，变形抗力越大。金属中的夹杂物 对变形抗力也有影响。在一般的情况下，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。
4.1 基本概念及测定方法
金属的塑性变形抗力是指金属在一定的变形条 件下进行塑性变形时于单位横截面积上抵抗此 变形的力。 为排除复杂应力状态的影响，变形抗力通常用 单向应力状态（单向拉伸、单向压缩）下所测 定的流动应力来度量。有的书称此应力为真实 变形抗力。
实际塑性加工时，如轧制、锻压、挤压、拉拔等，多数是 在三向或两向应力状态下进行的。因此，对同一种加工金 属材料，在主作用力方向上的单位变形力在数值上一般要 比单向应力状态下所测定的变形抗力为大。
其关系可用下式表示:
测定方法
测定金属塑性变形抗力的基本方法有拉伸法、压缩法和 扭转法。其中，最常用的前两种方法。 拉伸法 在拉伸实验中通常使用的是圆柱体试样。并认为在拉伸 过程中在试样出现细颈以前，在其标距内工作部分的应 力状态为均匀分布的单向拉应力状态。这时，所测出的 拉应力σ便为变形物体在此变形条件下的变形抗力。
随着温度的升高，硬化减小的总效应决定于以下 方面：
回复和再结晶的软化作用； 随温度的升高，新的塑性变形机制的参与作用； 剪切机制（基本塑性变形机制）特性的改变。
图6－2 低碳钢在不同温度下 的拉伸曲线
图6－3 镉与锌的真应力曲线
拉伸试样结果表明，变形抗力随温度的 变化有两种情况。一类金属（如铜）是 随温度的升高，变形抗力指标下降；另 一类金属是，例如钢，其变形抗力随温 度的变化比较复杂。从图中6－2中看出， 加热至100℃时，屈服延伸减小，与其 相应的应力也减小。在400℃附近屈服 延伸消失。
压缩法
§6.2 影响塑性形抗力的主要因素
1 化学成分和显微组织的影响 碳：在较低的温度下随着钢中含碳量的增加，钢的塑性 变形抗力升高。温度升高时其影响减弱。图6－1示出， 在不同变形温度和变形速度条件下，压下率为30％时含 碳量对变形抗力的影响。可见，低温时的影响比高温时 大得多。 锰：由于钢中含锰量的增多，可使钢成为中锰钢和高锰 钢。其中中锰结构钢（15Mn~50Mn）的变形抗力稍 高于具有相同含碳量的碳钢，而高锰钢（Mn12）有更 高的变形抗力。
长度。
在实验中，根据P和l变化，按公式便可算出其相应的变形 抗力和变形程度的变化。在此所得出的是平均变形抗力和 平均变形程度。因为实验时在试样中的每个晶粒处所呈现 的应力和变形都可能有所差别。
拉伸法所测出的变形抗力比较精确，且方法简单。但实验 时的变形程度一般不应大于20％~30％，否则实验时拉伸 试样会出现细颈，造成在细颈处呈现三向拉应力状态和应 力状态的分布不均。倘若必须计算此刻的变形抗力时，则 必须对所测出的应力加以修正。
2 变形温度的影响
从绝对零度到熔点Tm的整个温度区间可分为三个温度区间：①0~0.3Tm 为完全硬化温度区间；②0.3~0.7Tm为部分软化温度区间；③0.7~1.0Tm 为完全软化温度区间。在不同温度区间内变形抗力不同。 在0.3Tm温度以下，基本的塑性变形机制为滑移、孪生和晶间脆化机制。 当温度高于0.3Tm时，非晶机制的作用开始变得明显。之后，溶解－沉 积机制和晶界上的粘性流动机制等也都参与作用。此时，晶间脆化、孪 生等机制的作用会消失或几乎消失。随温度的升高，剪切机制，甚至晶 块间机制也会有明显地改变其特征，其力学现象变得不明显，开始显示 出滑移的扩散特性。