第2章塑性和变形抗力

第一节金属的塑性和变形抗力一、塑性、塑性指标和塑性图塑性：金属在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。1、塑性反映了材料产生塑性变形的能力；2、塑性不是固定不变的，同一种材料，在不同的变形条件下，会表现出不同的塑性。3、影响金属塑性的因素主要有两方面：1）内因：金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等；2）外因：变形时外部条件，如变形温度和受力状况等。塑性指标：为衡量金属塑性的高低而确定的数量上的指标，一般以金属材料开始发生破坏时的塑性变形量来表示。常用的塑性指标：拉伸试验伸长率δ(％)断面收缩率Ψ（％）δ＝100％Ψ＝100％00AAAk为试样的原始标准间距和试样断裂后标距间长度；kL0L、0A、kA为试样的原始横截面积和试样断裂处的最小横截面积。塑性指标还可以用镦粗实验和扭转试验测定。镦粗试验（试样的高度为直径的1.5倍）中，以出现第一条裂纹时的变形程度为塑性指标：注：只有相同的指标才能相互比较c00HHHk100％＝、试样原始高度和表面出现第一条裂纹时的高度镦粗试验原始样出现裂纹后的试样塑性图：在不同的变形速度下，以不同温度下的各种塑性指标（、、、、ak等）为纵坐标、以温度为横坐标绘制成的函数曲线。碳钢塑性图二、对塑性的影响因素内部因素：化学成分组织结构外部因素：变形温度应变速度应力状态（一）化学成分和合金成分对金属塑性的影响•金属的塑性随其纯度的提高而增加，如纯铝99.96％伸长率为45％，98％伸长率为30％•使合金产生脆化现象，冷热变形都非常困难。如碳钢中：P(磷)——冷脆S——热脆N——时效脆性H——氢脆•杂质的存在状态、分布情况和形状不同，对塑性的影响也不同；不溶于金属—————降低金属塑性溶于金属—————塑性变化不大单质或化合物形成固溶体•杂质元素之间相互作用对金属的塑性产生影响；硫+Fe——FeS（熔点1190℃），热脆+Mn——MnS（熔点1600℃），塑性提高。•合金元素特性、数量、元素之间的相互作用及分布等对金属的塑性产生影响。碳：形成单相固溶体（fcc）——铁素体和奥氏体——有较好的塑性；形成脆性过剩相——渗碳体——塑性降低。铬、钨、钼、钛、钒：形成硬而脆的碳化物——塑性下降。钛、钒：形成高度弥散的碳化物细小颗粒——对塑性影响不大。注：对冷加工用钢而言，含碳量应尽量低。下面以碳钢为例，分析碳及杂质元素（P、S、N、H、o）对塑性的影响1、碳碳对碳钢性能的影响最大1）碳能固溶于铁，形成铁素体和奥氏体，它们具有良好的塑性。2）当铁中的碳含量超过其溶碳能力时，多余的碳便以渗碳体Fe3C形式出现，它具有很高的硬度，而塑性几乎为零。含碳量越高，渗碳体的数量越多，金属的塑性也越差。见下图例子不讲!碳含量对碳钢力学性能的影响2、磷钢中有害杂质，在钢中有很大的溶解度，易溶于铁素体，使钢的塑性降低，在低温时更为严重，这种现象称为冷脆性。此外，磷具有极大的偏析倾向，能促使奥氏体晶粒长大。3、硫钢中有害物质，主要与铁形成FeS，与其它元素形成硫化物。硫化物及其共晶体（Fe-FeS），通常分布于晶界上，在钢的锻造温度范围内会发生变形开裂，即“热脆”现象。在钢中加入适量锰，生成MnS，硫化锰及其共晶体的熔点高于钢的锻、轧温度，不会产生热脆性，从而消除硫的危害。4、氮在钢中主要以氮化物Fe4N形式存在。当含量较小时，对钢的塑性影响较小；当含量增加时，钢的塑性下降。当含氮量较高的钢从高温快冷至低温时，α铁被过饱和，随后以Fe4N形式析出，使钢的塑性、韧性大大下降，这种现象称为时效脆性。5、氢钢中溶氢，会使钢的塑性、韧性下降，造成所谓“氢脆”（白点）。6、氧在钢中溶解度很小，主要以氧化物的形式出现，降低钢的塑性。与其它夹杂物形成共晶体，分布于晶界处，造成钢的热脆性。7、其它元素：主要是降低钢的塑性，提高变形抗力合金元素对铁素体伸长率和韧性的影响（二）组织状态对金属塑性的影响•晶格类型的影响面心立方——12个滑移系，同一滑移面上3个滑移方向，塑性最好，如铝、铜和镍等。体心立方——12个滑移系，同一滑移面上2个滑移方向，塑性较好，如钒、钨、钼等。密排六方——3个滑移系，塑性最差，如镁、锌、钙等。•晶粒度的影响晶粒度越小，越均匀，塑性越高。•相组成的影响单相组织塑性好；多相组织塑性差。（晶界、晶内；硬相、软相）•铸造组织的影响铸造组织具有粗大的柱状晶粒，具有偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，因而塑性较差。（三）变形温度对金属塑性的影响•对大多数金属而言，总的趋势是随着温度升高，塑性增加。原因:1）发生回复与再结晶，消除了加工硬化；2）原子动能增加，位错活动加剧，出现新的滑移系，改善晶粒之间变形的协调性。3）晶间滑移作用增强：晶界切变抗力降低；晶界滑移引起的微裂纹被消除。4）金属的组织、结构的变化：多相——单相；晶格的结构改变，如钛：室温hcp(密排六方)——bcc(体心立方)•在加热的某些温度区间，由于相态或晶界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。蓝脆区：中温（200-400℃）区，由于氧化物、氮化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出；热脆区：高温（800-950℃）区，珠光体转变为奥氏体，使得铁素体和奥氏体共存，另外，晶界处可能析出FeS-FeO低熔点的共晶体；高温脆区：加热温度超过1250℃后，由于过热、过烧，晶粒粗大，晶界出现氧化物和低熔物质的局部熔化碳钢的塑性随温度的变化曲线（四）应变速率对塑性的影响•一方面，随变形速率的增大，金属的塑性降低：没有足够的时间进行回复或再结晶，软化过程进行得不充分。•另一方面，随着变形速率的增加，在一定程度上使金属的温度升高，温度效应显著，从而提高金属的塑性。但对于有脆性转变的金属，则应变速率的增加可能引起塑性的下降。影响是双方面的:（五）应力状态对塑性的影响主应力图：自变形体中某点取一立方微单元体，用箭头表示作用在该单元体主应力，称为主应力图，主应力图只表示出应力的个数和方向，并不表示应力的大小。主应力图有九种：单向主应力图：二向主应力图：三向主应力图：图13-27九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列）图13-27九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列）图13-27九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列）图13-27九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列）图13-27九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列）图13-27九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列）图13-27九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列）图13-27九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列）图13-27九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列）•应力状态不同对塑性的影响也不同：主应力图中压应力个数越多，数值越大，则金属的塑性越高；拉应力个数越多，数值越大，则金属的塑性就越低。原因:这是由于拉应力促进晶间变形，加速晶界破坏，而压应力阻止或减小晶间变形；另外，三向压应力有利于抑制或消除晶体中由于塑性变形而引起的各种微观破坏，而拉应力则相反，它使各种破坏发展，扩大。变形抗力：金属在发生塑性变形时，产生抵抗变形的能力，称为变形抗力，一般用接触面上平均单位面积变形力表示变形抗力大小取决于材料在一定变形条件下的真实应力，还取决于塑性加工时的应力状态、接触摩擦状态和变形体的尺寸因素等。注：只有在单向应力状态下，材料的变形抗力才等于材料在该变形条件下的真实应力。注：塑性和变形抗力是两个不同的概念塑性——反映材料塑性变形的能力变形抗力——反映塑性变形的难易程度/强度!塑性好不一定变形抗力低，反之亦然。变形抗力的影响因素（一）化学成分的影响•金属纯度越高，变形抗力越小。•合金元素的原子与基体原子间相互作用的特性、原子体积的大小以及合金原子在基体中的分布等。（基体点阵畸变）•杂质的含量、杂质的性质及其在基体中的分布特性。（二）组织结构的影响•结构变化：组织状态不同，变形抗力不同；组织结构的变化（相变），变形抗力也发生变化。•晶粒大小：晶粒越细，同一体积内的晶界越多，变形抗力就高（室温晶界强度高于晶内）。•单相组织和多相组织：单相组织合金元素含量越高，晶格畸变越严重，变形抗力越大。单相组织比多相组织的变形抗力小。多相组织中第二相的性质、形状、大小、数量和分布状况对变形抗力都有影响:硬而脆的第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散分布时，合金的变形抗力就高；第二相越细，分布越均匀，数量越多，变形抗力就越大。（三）变形温度的影响几乎所有的金属和合金，变形抗力都随温度的升高而降低；但是当金属和合金随着温度的变化而发生物理-化学变化和相变时，会出现相反的情况，如钢在加热过程中发生的蓝脆和热脆现象。（四）变形程度的影响随变形程度的增加，会产生加工硬化，使继续变形发生困难，因而变形抗力增加。当变形程度较高时，促进了回复与再结晶过程的发生与发展，变形抗力的增加变得比较缓慢。（五）变形速度的影响一般情况下，随着变形速度的增加，变形抗力提高（特别热变形）。原因:一方面，变形速度提高，单位时间内的发热率增加，使变形抗力降低。另一方面，变形速度提高也缩短了变形时间，使位错运动的发展时间不足（滑移来不及进行），促使变形抗力增加。（六）应力状态的影响应力状态不同，变形抗力不同。如挤压时金属处于三向压应力状态，拉拔时金属处于一向受拉二向受压的应力状态。挤压时的变形抗力远比拉拔时变形抗力大。拉拔和挤压时不同的应力状态和变形抗力