4. 金属的塑性变形抗力金属的塑性变形抗力4.14.1塑性变形抗力的基本概念及测定方法塑性变形抗力的基本概念及测定方法塑性变形抗力的基本概念塑性变形抗力的基本概念变形力变形力: :塑性加工时塑性加工时, ,使金属发生塑性变形的外力使金属发生塑性变形的外力. .变形抗力变形抗力：n金属抵抗变形力之力金属抵抗变形力之力. .n材料在一定温度、速度和变形程度条件下，保持原有状材料在一定温度、速度和变形程度条件下，保持原有状态而抵抗塑性变形的能力。态而抵抗塑性变形的能力。n在所设定的变形条件下，所研究的变形物体或其单元体在所设定的变形条件下，所研究的变形物体或其单元体能够实现塑性变形的应力强度。能够实现塑性变形的应力强度。变形抗力与变形力数值相等变形抗力与变形力数值相等, ,方向相反方向相反. . 不同金属材料变形抗力不同不同金属材料变形抗力不同. .n同一金属材料同一金属材料, ,在一定变形温度、变形速度和变形程度下，在一定变形温度、变形速度和变形程度下，以单向压缩（或拉伸）时的以单向压缩（或拉伸）时的屈服应力（屈服应力（S S）的大小度量其的大小度量其变形抗力。变形抗力。n金属塑性加工过程都是复杂的应力状态，同一金属材料，金属塑性加工过程都是复杂的应力状态，同一金属材料，变形抗力比单向应力状态大得多。变形抗力比单向应力状态大得多。n实际测试的变形抗力实际测试的变形抗力P= P= S S +q +qS S- -材料在单向应力状态下的屈服应力材料在单向应力状态下的屈服应力 q q 反映材料受力状态（工具与变形物体外表面接触摩擦）反映材料受力状态（工具与变形物体外表面接触摩擦）所引起的附加抗力值。所引起的附加抗力值。n当屈服点不明显时，常以相对残余变形为当屈服点不明显时，常以相对残余变形为0.2%0.2%时的应力时的应力0.20.2作为屈服应力（变形抗力）。作为屈服应力（变形抗力）。4.1.2 4.1.2 变形抗力的测定方法变形抗力的测定方法 条件：简单应力状态下，应力状态在变形物体内均匀分布条件：简单应力状态下，应力状态在变形物体内均匀分布1.拉伸试验法拉伸试验法： 优点：变形较均匀优点：变形较均匀 缺点：均匀变形程度小，一般缺点：均匀变形程度小，一般2030%2.压缩试验法压缩试验法3. 4. 优点：能产生更大变形优点：能产生更大变形 5.5. 缺点：与拉伸相比，变形不均匀，由于接触摩擦，实测值较高。缺点：与拉伸相比，变形不均匀，由于接触摩擦，实测值较高。3.扭转试验法扭转试验法 圆柱试样：圆柱试样：4.4. 应力状态分布不均匀，为降低不均匀性，可取空心管试样，应力状态分布不均匀，为降低不均匀性，可取空心管试样， 数据数据换算到另外变形状态有困难，且在大变形时，纯剪切遭到破坏等原因，换算到另外变形状态有困难，且在大变形时，纯剪切遭到破坏等原因，未广泛应用。未广泛应用。化学成分对塑性变形抗力的影响化学成分对塑性变形抗力的影响n对于各种纯金属，原子间结合力大的，滑移阻力大，变形对于各种纯金属，原子间结合力大的，滑移阻力大，变形抗力也大。抗力也大。n同一种金属，纯度愈高，变形抗力愈小。同一种金属，纯度愈高，变形抗力愈小。n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。著影响。 原因：原因：1 1）溶入固溶体，基体金属点阵畸变增加；）溶入固溶体，基体金属点阵畸变增加； 2 2）形成化合物）形成化合物 3 3）形成第二相组织，使）形成第二相组织，使S S增加。增加。n合金元素使钢的再结晶温度升高，再结晶速度降低，因而合金元素使钢的再结晶温度升高，再结晶速度降低，因而硬化倾向性和速度敏感性增加，变形速度高硬化倾向性和速度敏感性增加，变形速度高, ,S S.n某些情况下某些情况下, ,改变合金的某主要成分的含量不会引起变形改变合金的某主要成分的含量不会引起变形抗力的太大变化抗力的太大变化. .4.24.2金属的化学成分及组织对塑性变形抗力的影响金属的化学成分及组织对塑性变形抗力的影响各种合金元素对塑性变形抗力影响各种合金元素对塑性变形抗力影响n碳碳：在较低温度下随钢中含碳量的增加在较低温度下随钢中含碳量的增加, ,钢的变形抗力升钢的变形抗力升高高, ,温度升高时影响变弱温度升高时影响变弱. .低温时影响远大于高温时低温时影响远大于高温时. .n氮氮：高强度低合金钢中氮含量的变化一般太小，以致于高强度低合金钢中氮含量的变化一般太小，以致于不会引起热变形抗力显著改变，但氮可以通过如氮化铝不会引起热变形抗力显著改变，但氮可以通过如氮化铝或氮化钛等氮化物的形成而引起奥氏体晶粒细化，从而或氮化钛等氮化物的形成而引起奥氏体晶粒细化，从而影响热变形抗力。影响热变形抗力。n置换式固溶元素置换式固溶元素：在置换型合金中使用的元素通过固溶在置换型合金中使用的元素通过固溶强化、沉淀硬化和晶粒细化来达到强化目的，其强化方强化、沉淀硬化和晶粒细化来达到强化目的，其强化方式同钢在室温下的强化方式相类似。式同钢在室温下的强化方式相类似。MnMn、SiSi、CrCr、NiNi。n复合添加复合添加: :变形抗力提高变形抗力提高。不同变形温度和变形速度下，含不同变形温度和变形速度下，含C C量对碳钢变形抗力的影响量对碳钢变形抗力的影响静压缩，静压缩，动压缩动压缩组织对塑性变形抗力的影响组织对塑性变形抗力的影响1.1.基体金属基体金属2.2.原子间结合力大，原子间结合力大，S S大。大。3.3.2.2.单相组织和多相组织单相组织和多相组织4.4.单相：合金含量越高，单相：合金含量越高，S S越大。原因：晶格畸变。越大。原因：晶格畸变。5.5.单相单相SS 平辊轧制；平辊轧制；模锻模锻 平锤头锻造；平锤头锻造；压应力状态越强，变形抗力越大。压应力状态越强，变形抗力越大。挤压应力状态：三向压挤压应力状态：三向压拉拔应力状态：一拉二压拉拔应力状态：一拉二压挤压挤压 拉拔拉拔静水压力的影响静水压力的影响n金属的变形抗力在很大程度上取决于静水压力金属的变形抗力在很大程度上取决于静水压力. .静水压力静水压力从从0 0增加到增加到5000MPa5000MPa时时, ,变形抗力可增加一倍变形抗力可增加一倍. .n使金属变得致密使金属变得致密, ,消除可能产生的完整性的破坏消除可能产生的完整性的破坏, ,既提高金既提高金属塑性属塑性, ,又提高变形抗力又提高变形抗力. .金属越倾向于脆性状态金属越倾向于脆性状态, ,静水压静水压力的影响越显著力的影响越显著. .n静水压力可使金属内的空位数减少静水压力可使金属内的空位数减少, ,使塑性变形困难使塑性变形困难. .变形变形速度大时速度大时, ,影响大影响大; ;空位数多时空位数多时, ,影响大影响大. .4.44.4温度对塑性变形抗力的影响温度对塑性变形抗力的影响变形抗力随温度变形抗力随温度的的变化情况：变化情况：1) 1) 一类金属一类金属: :变形抗力变形抗力,例：例：CuCu2) 2) 另一类情况较复杂另一类情况较复杂, ,如如: :钢钢温度温度，屈服应力，屈服应力，屈服延伸，屈服延伸，至，至400400消失。消失。300 300 300 ：抗拉强度：抗拉强度，塑性，塑性。不同温度下钢的拉伸曲线不同温度下钢的拉伸曲线回复温度：（回复温度：（0.250.250.30.3）T TM M 再结晶温度：再结晶温度： 0.4T 0.4TM M从绝对零度到熔点从绝对零度到熔点T TM M可分为三个温度区间：可分为三个温度区间：n完全硬化区间：完全硬化区间：0 00.3T0.3TM Mn部分软化区间：部分软化区间：0.3T0.3TM M0.7T0.7TM Mn完全软化区间：完全软化区间：0.7T0.7TM M1.0T1.0TM M 温度越高和变形速度越小时，软化程度越大温度越高和变形速度越小时，软化程度越大。1)1)软化效应软化效应：发生了回复和再结晶：发生了回复和再结晶用中间停歇的反复载荷来拉用中间停歇的反复载荷来拉伸伸ZnZn时的变形抗力变化时的变形抗力变化温度升高，变形抗力降低的原因温度升高，变形抗力降低的原因0.3T0.3TM M：非晶机构非晶机构溶解沉淀机构溶解沉淀机构晶粒边界上的粘性流动机构晶粒边界上的粘性流动机构2)其它变形机构的参与其它变形机构的参与：0.3T0.3TM M：滑移机构（剪切机构）滑移机构（剪切机构）晶块间机构晶块间机构孪生机构孪生机构晶粒间的脆化机构晶粒间的脆化机构1.温度升高，原子动能大，结合力弱，临界切应力低，滑温度升高，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。移系增加，由于晶粒取向不一致对变形抗力影响减弱。2.温度升高，发生热塑性。温度升高，发生热塑性。3.晶界性质发生变化，有利于晶间变形，有利于晶间破坏晶界性质发生变化，有利于晶间变形，有利于晶间破坏的消除。的消除。4.组织发生变化，如相变。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：硬化随温度升高而降低的总效应决定于：1)1)回复和再结晶的软化作用回复和再结晶的软化作用2)2)随温度的升高，新塑性机构的参与作用随温度的升高，新塑性机构的参与作用3)3)剪切机构（基本塑性机构）特性的变化剪切机构（基本塑性机构）特性的变化镉与锌的真应力曲线镉与锌的真应力曲线温度温度，硬化程度，硬化程度，达到一定温度，平行于坐标轴，不，达到一定温度，平行于坐标轴，不继续硬化继续硬化。高温：变形程度很小时，仍有强烈硬化。高温：变形程度很小时，仍有强烈硬化。不发生物理化学变化合金的不发生物理化学变化合金的力学性能（力学性能（M)M)与相对温度关系与相对温度关系 发生物理化学变化合金的力发生物理化学变化合金的力学性能（学性能（M)M)与相对温度关系与相对温度关系塑性变形抗力随温度变化的定量关系式塑性变形抗力随温度变化的定量关系式（库尔纳科夫温度定律）（库尔纳科夫温度定律）P Pt1t1- - 温度温度t t1 1时塑性变形抗力的特征值（挤压压力、压入时的硬时塑性变形抗力的特征值（挤压压力、压入时的硬 度、拉伸时的强度极限、屈服极限、引起变形的应力强度）；度、拉伸时的强度极限、屈服极限、引起变形的应力强度）；PtPt2 2 温度温度t t2 2时上述各塑性变形抗力的特征值；时上述各塑性变形抗力的特征值；a a温度系数温度系数4.54.5变形速度对塑性变形抗力的影响变形速度对塑性变形抗力的影响1)1)每种金属在设定温度下都有其每种金属在设定温度下都有其特征变形速度特征变形速度, , 特征变形速度特征变形速度: :变形速度变形速度，变形抗力，变形抗力。2)变形速度变形速度，变形物体热效应，变形物体热效应。3)原因原因:为完全实现塑性变形的时间不够。为完全实现塑性变形的时间不够。为为实现软化过程的时间不够实现软化过程的时间不够:变形产生硬化变形产生硬化,回复和再回复和再结晶产生软化结晶产生软化,硬化速率超过软化速率硬化速率超过软化速率,使变形抗力使变形抗力升高升高.影响因素影响因素：塑性变形过程塑性变形过程 软化过程软化过程 热效应热效应4.64.6变形程度的影响变形程度的影响n变形程度变形程度，晶格畸变，晶格畸变，阻碍滑移，阻碍滑移，变形抗力，变形抗力。n通常变形程度在通常变形程度在30%30%以下时，变形抗力增加显著。当变以下时，变形抗力增加显著。当变形程度较大时，变形抗力增加变缓形程度较大时，变形抗力增加变缓. . n冷加工：温度低于再结晶温度，产生加工硬化。冷加工：温度低于再结晶温度，产生加工硬化。n热加工：若变形速度高，回复和再结晶来不及进行，热加工：若变形速度高，回复和再结晶来不及进行，也会加工硬化。也会加工硬化。对于热变形对于热变形：A A，n n，m m，BB取决于变形材料和变形条件的常数，取决于变形材料和变形条件的常数，由实验确定；由实验确定；其他因素其他因素: :接触摩擦接触摩擦等等: :接触摩擦接触摩擦,变形抗力变形抗力. 研究金属热变形抗力的意义研究金属热变形抗力的意义设计金属加工机械设备及电气设备的能力设计金属加工机械设备及电气设备的能力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）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）。的力学性能（组织性能预报）。影响热变形抗力的各种参数之间的内在联系影响热变形抗力的各种参数之间的内在联系热变形抗力热变形抗力化学成分化学成分微观组织：微观组织：晶粒细化晶粒细化相组成相组成应变积累应变积累变形条件：变形条件：温度温度应变应变应变速率应变速率4.6 4.6 加工硬化曲线加工硬化曲线n加工硬化曲线加工硬化曲线：金属的塑性变形抗力与变形程度间的关系曲线，表：金属的塑性变形抗力与变形程度间的关系曲线，表明不同变形程度下变形抗力的变化规律。明不同变形程度下变形抗力的变化规律。n加工硬化曲线可用拉伸、压缩或扭转法制定，常用拉伸法。加工硬化曲线可用拉伸、压缩或扭转法制定，常用拉伸法。n拉伸法中按变形程度表示方法不同，将硬化曲线分为三种：拉伸法中按变形程度表示方法不同，将硬化曲线分为三种：）曲线，曲线， 真应力，真应力， 延伸率延伸率） 曲线，曲线， 真应力，真应力， 断面收缩率，较常用。断面收缩率，较常用。 ） 曲线，曲线， 真应力，真应力， 真应变真应变