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