金属塑性变形抗力计算的意义及方法

金属塑性变形抗力计算的意义及方法
摘要：变形抗力作为材料的一种特性，反映了热变形过程中显微组织变化情况，因此，如果金属塑性变形中的变形抗力能够准确地测量出来，那么伴随变形过程的显微组织变化，就能够通过变形抗力的变化而预报出来。

从而能够在变形后不进行性能测试的情况下，预测工件的力学性能。

本文着重介绍金属塑性变形抗力及其计算的意义及方法。

关键词：塑性变形抗力；变形抗力；计算方法；意义
金属材料的变形抗力是指金属在一定的变形条件下进行塑性变形时，在单位横截面积上抵抗此变形的能力。

变形抗力是表征金属和合金压力加工性能的一个基本量。

变形抗力的研究起步很早，由于实验条件有限，20世纪40年代以前属于研究的萌芽阶段，20世纪40年代以后随着热模拟技术的应用对变形抗力的研究才有了很大的进步。

1 变形抗力的测定方法
简单应力状态下，应力状态在变形物体内均匀分布
1.1 拉伸试验法：
/pl P F ε= ()0ln /l l ε=
1.2 压缩试验法：
/pc P F ε= ()0ln /h h ε=
1.3 扭转试验法： 圆柱体试样4032M
r d τπ=⋅ 空心管试样02M F d τ=平
2 影响变形抗力的主要因素
2.1金属的化学成分及组织对塑性变形抗力的影响
2.1.1化学成分对塑性变形抗力的影响
对于各种纯金属，原子间结合力大的，滑移阻力大，变形抗力也大。

同一种金属，纯度愈高，变形抗力愈小。

合金元素的存在及其在基体中存在的形式对变形抗力有显著影响。

原因：1）溶入固溶体，基体金属点阵畸变增加；2）形成化合物；3）形成第二相组织，使变形抗力增加。

2.1.2组织对塑性变形抗力的影响
1）基体金属原子间结合力大，变形抗力大。

单相组织合金含量越高，S σ越大。

原因：晶格畸变。

单相组织变形抗力大于多相组织。

硬而脆第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散质点均匀分布，则S σ高。

2）第二相越细、分布越均匀、数量越多，则S σ越高。

质点阻碍滑移。

3）晶粒直径越大，变形抗力越大。

4）夹杂物的存在：变形抗力越大。

合金变形抗力大于纯金属。

2.2应力状态对塑性变形抗力的影响
挤压变形抗力大于轧制变形抗力；孔型中轧制变形抗力大于平辊轧制变形抗力；模锻变形抗力大于平锤头锻造变形抗力；压应力状态越强，变形抗力越大。

挤压下的变形抗力大于拉拔变形抗力。

金属的变形抗力在很大程度上取决于静水压力。

静水压力从0增加到5000MPa 时，变形抗力可增加一倍。

静水压力有明显影响的情况：1）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。

2）金属合金的流变行为与粘-塑性体行为相一致。

（在一定温度-速度条件下，特别是在温度接近熔点且变形速度不大时）。

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，既提高金属塑性，又提高变形抗力。

金属越倾向于脆性状态，静水压力的影响越显著；静水压力可使金属内的空位数减少，使塑性变形困难。

变形速度大时影响大；空位数多时影响大。

2.3温度对塑性变形抗力的影响
温度升高，变形抗力降低的原因主要有软化效应、某种物理-化学转变的发生及其它塑性变形机构的参与
1) 软化效应：发生了回复和再结晶
从绝对零度到熔点M T 可分为三个温度区间：完全硬化区间：0～0。

3M T 、部分软化区间：0.3M T ～0.7M T 、完全软化区间：0.7M T ～1.0M T 、回复温度：（0.25～0.3）M T 、再结晶温度：> 0.4M T 。

温度越高、变形速度越小，软化程度越大。

2) 某种物理-化学转变的发生
在某些情况下，由于某种物理-化学转变的发生，即使温度大大超过0。

3TM 的相应温度，金属也会发生硬化现象，且此硬化现象可以稳定保留下来。

3) 其它塑性变形机构的参与
温度升高，原子动能大，结合力弱，临界切应力低，滑移系增加，由于晶粒
取向不一致对变形抗力影响减弱。

温度升高，发生热塑性。

温度升高还使晶界性质发生变化，有利于晶间变形，有利于晶间破坏的消除。

组织发生变化，如相变。

硬化随温度升高而降低的总效应决定于：1)回复和再结晶的软化作用；2)随温度的升高，新塑性机构的参与作用；3)剪切机构（基本塑性机构）特性的变化。

2.4变形速度对塑性变形抗力的影响
每种金属在设定温度下都有其特征变形速度，小于特征变形速度：变形速度对变形过程没有影响；大于特征变形速度：变形速度增大，变形抗力增大。

同时使所有的软化过程、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。

原因：①为完全实现塑性变形的时间不够；②实现软化过程的时间不够，变形产生硬化，回复和再结晶产生软化，但回复和再结晶需要一定时间来完成，时间不够将使硬化速率超过软化速率，使变形抗力升高。

2.5变形程度的影响
变形程度增大则晶格畸变增大，阻碍滑移，变形抗力增大。

通常变形程度在30%以下时，变形抗力增加显著。

当变形程度较大时，变形抗力增加变缓。

冷加工时，温度低于再结晶温度，产生加工硬化。

热加工时，若变形速度高，回复和再结晶来不及进行，也会加工硬化。

加工硬化曲线为金属的塑性变形抗力与变形程度间的关系曲线，通过它可以看出在不同变形程度下变形抗力的变化规律。

加工硬化曲线可用拉伸、压缩或扭转的方法来制定，但常用者为拉伸方法。

3 变形抗力的计算
3.1 实验公式法
计算变形抗力的实验公式繁多，其中主要体现了与变形速度、变形程度和变形温度的关系。

目前在周纪华、管克智所著《金属塑性变形阻力》一书中有较详细的变形抗力的各种实验公式。

3.1.1 变形速度的影响关系式
当变形速度在较大范围内变化时，采用下述公式计算变形抗力可以得出较符合实际的结果。

m εσαε=
总的趋势是随着变形温度的降低，m 值减小。

这就说明，变形温度越高，变形速度的影响越大。

在低温和常温条件下，变形速度的影响减小。

3.1.2 变形程度的影响关系式
在变形过程中由于加工硬化的结果，随着变形程度的增大，变形抗力增大。

一般可采用下述关系式来确定。

n s σβε=
3.1.3 变形温度的影响关系式
/k A T t e σγ=
在上述诸式中，m 和n 分别为变形速度指数和加工硬化指数，α、β、γ为系数，k T 为变形物体的绝对温度，A 为常数。

变形速度、变形程度和变形温度共同影响的综合关系式
/k A T n m s K e σεε=
()/1k
A T m n s Ke
B σεε=+
1k A T n m s K e σεε-=
t A B n m s K e εσεε--= 3.2 计算图表法
变形抗力的计算图表法繁多，现仅就热力系数法予以讨论。

首先在变形的热力参数为某一中等值的条件下求出金属的变形抗力s0，并将它作为基础值。

然后再用热力参数修正系数来修正此基础值，得出在其它变形条件的变形抗力。

此热力参数的中等值是t =1000℃，e =101s -，e =0。

1。

各热力参数修正系数用kt 、ke 、ke 表示。

这样，在不同变形条件下的变形抗力便为：
0s t k k k εεσσ=
3.3 计算数据库
随着计算机及其应用的发展，变形抗力等金属的力学性能指标的计算也出现新的生机。

一些新模型的开发应用到生产中进行离线或在线计算。

包括神经元网络自适应计算、专家系统数据库、快速在线控制
4 研究金属变形抗力的意义
研究金属变形抗力有助于设计金属加工机械设备及电气设备。

在进行热变形过程的自动控制中，用于变形载荷的计算和变形工艺参数的精确设定（主要用于过程控制）。

变形抗力作为材料的一种特性，反映了热变形过程中显微组织变化情况，因此，如果热轧中的变形抗力能够准确地测量出来，那么伴随热轧过程的显微组织变化，就能够通过变形抗力的变化而预报出来。

从而能够在轧后不进行性能测试的情况下，预测轧材的力学性能（组织性能预报）。

参考文献
[1]王占学.塑性加工金属学[M].冶金工业出版社.2010;65-93
[2]李英.轧制变形抗力数学模型的发展与研究动态[J].钢铁研究.2009。