金属材料的塑性变形

1.3金属材料的塑性变形1.3.1屈服强度及其影响因素1.屈服标准工程上常用的屈服标准有三种：(1)比例极限应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力，国际上常采用σp表示，超过σp时即认为材料开始屈服。(2)弹性极限试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。国际上通常以σel表示。应力超过σel时即认为材料开始屈服。(3)屈服强度以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为σ0.2或σys。2.影响屈服强度的因素影响屈服强度的内在因素有：结合键、组织、结构、原子本性。如将金属的屈服强度与陶瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的。从组织结构的影响来看，可以有四种强化机制影响金属材料的屈服强度，这就是：(1)固溶强化；(2)形变强化；(3)沉淀强化和弥散强化；(4)晶界和亚晶强化。沉淀强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度的最常用的手段。在这几种强化机制中，前三种机制在提高材料强度的同时，也降低了塑性，只有细化晶粒和亚晶，既能提高强度又能增加塑性。影响屈服强度的外在因素有：温度、应变速率、应力状态。随着温度的降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。应力状态的影响也很重要。虽然屈服强度是反映材料的内在性能的一个本质指标，但应力状态不同，屈服强度值也不同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。3.屈服强度的工程意义传统的强度设计方法，对塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=σys/n，安全系数n一般取2或更大，对脆性材料，以抗拉强度为标准，规定许用应力[σ]=σb/n，安全系数n一般取6。需要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的抗脆断强度在降低，材料的脆断危险性增加了。屈服强度不仅有直接的使用意义，在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标。1.3.2加工硬化和真应力－应变曲线1.真实应力-应变曲线材料开始屈服以后，继续变形将产生加工硬化。但材料的加工硬化行为，不能用条件的应力-应变曲线来描述。因为条件应力σ=F/A,条件应变。应力的变化是以不变的原始截面积来计量，而应变是以初始的试样标距长度来度量。但实际上在变形过程的每一瞬时试样的截面积和长度都在变化，这样，自然不能真实反映变形过程中的应力和应变的变化，而必须采用真实应力-应变曲线。真实应力-应变曲线也叫流变曲线。真实应力S=F/A，真实应变。由图1－4可以看出，真实应变与条件应变相比有两个明显的特点。第一，条件应变往往不能真实反映或度量应变。第二，真实应变可以叠加，可以不计中间的加载历史，只需要知道试样的初始长度和最终长度。条件应变总大于真应变，在条件应变为0.1左右时，两者相差不多，随着应变量的增加，两者的相差越来越大。2.真应力－应变关系从试样开始屈服到发生颈缩，这一段应变范围中真实应力和应变的关系,可用以下方程描述式中n称为加工硬化指数或应变硬化指数，K叫做强度系数。如取对数,则有在双对数的坐标中真应力和真应变成线性关系,直线的斜率即为n，而K相当于ε=1.0时的真应力，见图1－5。理想的弹性体和理想的塑性体限定了一般材料加工硬化指数n的变化范围，如用S=Kεn方程描述，则在图1－6中，理想弹性体n=1为-45。斜线，理想塑性体n=0为一水平直线，n=1/2的为一抛物线。3.加工硬化指数n的实际意义加工硬化指数n反应了材料开始屈服以后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。n还决定了材料能够产生的最大均匀应变量（见1.3.3内容），这一数值在冷加工成型工艺中是很重要的。对于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力，否则，在偶然过载的情况下，会产生过量的塑性变形，甚至有局部的不均匀变形或断裂，因此材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保证。形变硬化是提高材料强度的重要手段。不锈钢有很大的加工硬化指数n=0.5，因而也有很高的均匀变形量。不锈钢的屈服强度不高，但如用冷变形可以成倍地提高。高碳钢丝经过铅浴等温处理后拉拔，可以达到2000MPa以上。但是，传统的形变强化方法只能使强度提高，而塑性损失了很多。现在研制的一些新材料中，注意到当改变了显微组织和组织的分布时，变形中既能提高强度又能提高塑性，见图1－7。1.3.3颈缩条件和抗拉强度1.颈缩条件应力-应变曲线上的应力达到最大值时即开始出现颈缩。在颈缩前变形沿整个试样长度是均匀的，发生颈缩后变形则主要集中在局部区域，在此区域内横截面越来越细，局部应力越来越高，直至不能承受外加载荷而断裂。出现颈缩时正是相当于负荷-变形曲线上的最大载荷处，因此，应有dF=0dF=d(S·A)=AdS+SdA=0即-dA/A=dS/S又按体积不变定理有dL/L=-dA/A=dε故有dS/dε=S这就是出现颈缩的条件，即当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。依据颈缩条件，倘若已有真应力-应变曲线，并作出相应的应变硬化速率和应变的关系，这两个曲线的交点即表示在该应变量下将要开始颈缩，在交点的左方dS/dεS，硬化作用较强，足以补偿因截面之减小所引起的应力升高，而在交点的右方dS/dεS，加工硬化的能力已经失去或已十分微弱，导致颈缩发生。在发生颈缩时所对应的均匀真应变量εm在数值上等于n(见图1-8)。因为从n的定义得出dS/dε=nS/ε颈缩条件为dS/dε=S代入上式得n=εm2.抗拉强度在材料不产生颈缩时抗拉强度代表断裂抗力。脆性材料用于产品设计时，其许用应力是以抗拉强度为依据的。抗拉强度对一般的塑性材料有什么意义呢？虽然抗拉强度只代表产生最大均匀塑性变形抗力，但它表示了材料在静拉伸条件下的极限承载能力。对应于抗拉强度σb的外载荷，是试样所能承受的最大载荷，尽管此后颈缩在不断发展，实际应力在不断增加，但外载荷却是在很快下降的。1.3.4塑性的测量及其实际意义1.塑性的测量工程上常用条件塑性而不是真实塑性。拉伸时条件塑性以延伸率和断面收缩率表示(点击察看动画演示)。;;为均匀变形阶段的最大延伸率；为局集变形时的延伸率；断裂时总延伸率为，相应地断面收缩率；；；；表示断裂时的最小截面积。2.塑性指标间的关系塑性指标间的关系要区分颈缩前和颈缩后的这两种情况。对于颈缩前，由于变形前后体积不变于是得到条件塑性与断面收缩率之间的关系有可以看出均匀变形时恒大于。如研究均匀变形阶段真实塑性和条件塑性间的关系可以看出条件塑性恒大于真实塑性。在发生颈缩后，由于局部变形的结果，条件塑性和已不能建立关系，真实塑性。但是真实塑性仍可按照颈缩区域体积不变，求得和条件塑性之间的关系因此，在断裂时可通过测量，求得真实塑性3.塑性的实际意义试样拉断时所测得的条件延伸率主要反映了材料均匀变形的能力，而断面收缩率则主要反映了材料局部变形的能力。如试样的，说明拉断时不产生颈缩，反之发生颈缩的试样，其。1.3.5静力韧度材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。严格的说，它应该是真应力-应变曲线下所包围的面积也就是工程上为了简化方便，近似地采取：对塑性材料静力韧度是一个强度与塑性的综合指标。单纯的高强度材料象弹簧钢，其静力韧度不高，而只具有很好塑性的低碳钢也没有高的静力韧度，只有经淬火高温回火的中碳(合金)结构钢才具有最高的静力韧度(动画演示)。上一节下一节