金属塑性变形理论,第十六讲 Lesson Sixteen,张贵杰 Zhang Guijie Tel：0315-2592155 E-Mail： zhguijievip.sina.com 河北理工大学金属材料与加工工程系 Department of Metal Material and Process Engineering Hebei Polytechnic University, Tangshan 063009,2019/3/3,2,第八章 金属的塑性变形抗力,主要内容 Main Content 变形抗力的概念及测定方法 影响变形抗力的主要因素 变形抗力的计算,2019/3/3,3,8.1 变形抗力的概念及测定方法,变形抗力的概念 变形抗力的测定方法,2019/3/3,4,8.1.1 变形抗力的概念,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表示。有的书称此应力为真实变形抗力。,2019/3/3,5,实际塑性加工时，如轧制、锻压、挤压、拉拔等，多数是在三向或两相应力状态下进行的。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：,式中 主作用力方向上的平均单位变形力； 在单向应力状态下所测定的变形抗力； 应力状态影响系数。一般 1。,2019/3/3,6,因塑性加工时所需的变形力 (其中F为接触面积在与P垂直方向上的投影)，所以，在计算变形力时必须首先要求出金属的变形抗力 。,2019/3/3,7,8.1.2 变形抗力的测定方法,这里所介绍的变形抗力测定方法是指在简单应力状态下，应力状态在变形物体内均匀分布时的变形抗力测定。 测定方法有： （1） 拉伸试验法 （2） 压缩试验法 （3） 扭转试验法,2019/3/3,8,拉伸试验法 拉伸试验中所用的试样通常为圆柱体，在拉伸变形体积内的应力状态为单向拉伸，并均匀分布。 拉应力： 应变：,2019/3/3,9,在选择拉伸试样材质时，很难保证其内部组织均匀，其内部各晶粒，甚至一个晶粒内部的各质点的变形和应力也不可能完全均一。所示，在此试验中所测定的应力和变形为其平均值。 但从拉伸变形的总体来看，是能够保证得到比较均匀的拉伸变形的，其不均匀变形程度要比压缩变形小得多。 用拉伸法不足之处在于其所得到的均匀变形程度一般不超过2030。,2019/3/3,10,压缩试验法 压缩变形时，变形金属所承受的单向压应力，即变形抗力为： 应变：,2019/3/3,11,在压缩试验中完全消除接触摩擦的影响是很困难的，所以，所测出的应力值稍偏高。 在试验中为消除或减小接触摩擦的影响可采取在试样的端部涂润滑剂，加柔软垫片等措施。增大Hd值也可使接触摩擦对变形过程的影响减小。但通常不能使Hd大于22.5，否则在压缩时试样容易弯曲而使压缩不稳定。对于Hd2的试样，当变形程度较小时，接触摩擦对变形过程的影响不大。 压缩法的优点在于它能使试样产生更大的变形。,2019/3/3,12,扭转试验法 扭转试验时，在圆柱体试样的两端加以大小相等、方向相反的转矩M，在此二转矩M的作用下试样产生扭转角f。在试验中测定f值。 在试样中的应力状态为纯剪切。但此应力状态的分布是不均匀的，其分布规律是：,2019/3/3,13,在试样的轴心处r0，则t0。 t的最大值出现在试样的表面处，即 所产生的剪切变形为：,2019/3/3,14,为了使应力状态趋向均匀，可取扭转试样为空心的管状试样。此时，试样的壁厚越薄，应力状态越均匀。此时剪切应力为： 扭转法应用不广,2019/3/3,15,8.2 影响变形抗力的主要因素,化学成份,应力状态,组织结构,变形温度,接触摩擦,变形速度,变形程度,2019/3/3,16,8.2.1 化学成份对变形抗力的影响,化学成份对变形抗力的影响非常复杂。一般情况下，对于各种纯金属，因原子间相互作用不同，变形抗力也不同。同一种金属，纯度愈高，变形抗力愈小。 合金元素对变形抗力的影响，主要取决于合金元素的原子与基体原子间相互作用特性、原子体积的大小以及合金原子在基体中的分布情况。合金元素引起基体点阵畸变程度愈大，变形抗力也越大。,2019/3/3,17,图(a)是形成无限固溶的二元合金之硬度随成分而变化的图示，它表明固溶体的硬度比纯金属的高。变形抗力的最大值对应于固溶体的最大饱和度，从而对应于点阵的最大畸变。 图(b)指出了形成共晶体二元合金的硬度随成分变化的情况。共晶体混合物可由纯金属构成，也可由其他化合物或固溶体构成。 图(c)是形成化合物的二元合金的硬度随成分变化的图示。,2019/3/3,18,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。图中示出，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。,2019/3/3,19,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(15Mn50Mn)的变形抗力稍高于具有相同含碳量的碳钢，而高锰钢(Mnl2)有更高的变形抗力。,2019/3/3,20,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1.52.0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2025。含硅量高达56以上时，热加工较为困难。,2019/3/3,21,铬 对含铬量为0.71.0的铬钢来讲，影响其变形抗力的不是铬，而是钢中的含碳量。这些钢的变形抗力仅比其相应含碳量的碳钢高510。 高碳铬钢GCr6GCrl5(含铬量0.451.65)的变形抗力虽稍高于碳钢，但影响变形抗力的主要因素也是碳。高铬钢1Crl34Crl3、Crl7、Cr23等在高速下变形时其变形抗力大为提高。,2019/3/3,22,镍 镍在钢中可使变形抗力稍有提高。但是，对25NiA，30NiA和13Ni2A等来讲，其变形抗力与碳钢相差不大。含镍量较高的钢(Ni25Ni28)，这种差别是很大的。 在许多情况下，在钢中同时加入几种合金元素，例如在钢中加入铬和镍。这时，钢中的碳、铬和镍对变形抗力都要产生影响。12CrNi3A钢的变形抗力比45号碳钢高出20。Cr18Ni9Ti钢的变形抗力比碳钢提高50。,2019/3/3,23,8.2.2 组织结构对变形抗力的影响,晶粒大小 结构变化 单相组织和多相组织,2019/3/3,24,晶粒大小 金属的变形抗力与其组织有密切关系，其中晶粒大小是一个重要因素。 试验结果表明，晶粒越细小变形抗力越大。 也有人认为，当晶粒变小时，晶粒的表面积相对增大，从而使表面力（表面张力和周围晶粒影响所产生的力)增大，结果使变形抗力升高。,2019/3/3,25,在变形金属中夹杂物的存在也会影响到变形抗力。在一般情况下，夹杂物会使物体的变形抗力升高。合金的变形抗力通常高于纯金属的变形抗力的原因就在于此。 杂质含量对变形抗力有影响，含量增大，抗力显著增大。,2019/3/3,26,杂质的性质与分布对变形抗力构成影响。杂质原子与基体组元组成固溶体时，会引起基体组元点阵畸变，从而提高变形抗力。杂质元素在周期表中离基体愈远，则杂质的硬化作用愈强烈，因而变形抗力提高愈显著。 若杂质以单独夹杂物的形式弥散分布在晶粒内或晶粒之间，则对变形抗力的影响较小。若杂质元素形成脆性的网状夹杂物，则使变形抗力下降。,2019/3/3,27,结构变化 金属与合金的性质取决于结构，即取决于原子间的结合方式和原子在空间排布情况。当原子的排列方式发生变化时，即发生了相变，则抗力也会发生一定的变化。 组织状态不同，抗力值也有差异，如退火态与加工态，抗力明显不同。,2019/3/3,28,单相组织与多相组织 当合金是单相组织时，变形抗力的提高是晶格畸变的结果。当合金为多相组织时，第二相的性质、大小、形状、数量与分布状况对变形抗力都有影响。一般而言，硬而脆的第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散分布，合金的抗力就高。第二相越细，分布越均匀，数量越多，则变形抗力越高。,2019/3/3,29,典型两相合金的两类显微组织 a聚合型，b弥散分布型,2019/3/3,30,课后作业 Homework,为什么金属材料内所含的杂质及第二相越多，其变形抗力就越大？,