金屬塑性變形理論變形抗力影響因素

1、2022-4-291金屬塑性變形理論Theory of metal plastic deformation 第十七講第十七講Lesson Seventeen張貴杰張貴杰Zhang GuijieTel-Mail： 河北理工大學金屬材料與加工工程系Department of Metal Material and Process EngineeringHebei Polytechnic University, Tangshan 0630092022-4-292第八章 金屬的塑性變形抗力主要內(nèi)容Main Content 變形抗力的概念及測定方法 影響變形抗力的主要因素 變形

2、抗力的計算 2022-4-2938.2 影響變形抗力的主要因素 化學成份化學成份 應力狀態(tài)應力狀態(tài) 組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 接觸摩擦接觸摩擦 變形溫度變形溫度 變形速度變形速度 變形程度變形程度 2022-4-294應力狀態(tài)應力狀態(tài) 在塑性加工過程中，變形物體所承受的應力狀態(tài)對在塑性加工過程中，變形物體所承受的應力狀態(tài)對其變形抗力有很大的影響。其變形抗力有很大的影響。 例如，擠壓時的變形抗力要比軋制時大；在孔型中例如，擠壓時的變形抗力要比軋制時大；在孔型中軋制時要比在平軋輥上軋制時大；模鍛時要比在平軋制時要比在平軋輥上軋制時大；模鍛時要比在平錘頭間鍛造時大等等。這些都表明，應力狀態(tài)對變錘頭間鍛造時大

3、等等。這些都表明，應力狀態(tài)對變形抗力有較明顯的影響。形抗力有較明顯的影響。 在圖示中壓應力狀態(tài)越強，變形抗力越大。擠壓時在圖示中壓應力狀態(tài)越強，變形抗力越大。擠壓時為三向壓應力狀態(tài)圖示，而拉拔時為單向拉伸和兩為三向壓應力狀態(tài)圖示，而拉拔時為單向拉伸和兩向壓縮的應力狀態(tài)圖示，所以擠壓時金屬的變形抗向壓縮的應力狀態(tài)圖示，所以擠壓時金屬的變形抗力就大于拉伸時的變形抗力。力就大于拉伸時的變形抗力。2022-4-295 金屬的變形抗力在很大程度上取決于靜水壓力。對金屬的變形抗力在很大程度上取決于靜水壓力。對許多金屬和合金來說，當靜水壓力從許多金屬和合金來說，當靜水壓力從0增加到增加到5000MPa時，其

4、變形抗力可增加一倍。時，其變形抗力可增加一倍。2022-4-296拉伸金屬和合金時徑向壓力的影響拉伸金屬和合金時徑向壓力的影響6.31.9203166525淬火并人工時效淬火并人工時效鑄造鑄造A5鋁合金鋁合金23.917.2461382470在水中淬火在水中淬火Al-Cu-Mg-Zn合金合金28.032.0331234在供應狀態(tài)下在供應狀態(tài)下MA2鎂合金鎂合金21.47.5254219360退火退火鎂鎂50.643.8571470800在水中淬火在水中淬火鈹青銅鈹青銅84.371.5217209600退火退火鋼鋼有徑向壓力有徑向壓力無徑向壓力無徑向壓力有徑向壓力有徑向壓力無徑向壓力無徑向壓力斷

5、裂時的斷面收縮率，斷裂時的斷面收縮率，強度極限，強度極限，MPa熱處理熱處理材料材料2022-4-297靜水壓力的影響通?？稍谙率銮闆r表現(xiàn)比較明顯：靜水壓力的影響通常可在下述情況表現(xiàn)比較明顯： 金屬合金中的已有組織或在塑性變形過程中發(fā)生的金屬合金中的已有組織或在塑性變形過程中發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變有脆性傾向。這時，靜水壓力可以使金屬組織轉(zhuǎn)變有脆性傾向。這時，靜水壓力可以使金屬變得致密，消除可能產(chǎn)生的完整性的破壞，從而既變得致密，消除可能產(chǎn)生的完整性的破壞，從而既提高了金屬的塑性，又提高了金屬的變形抗力。提高了金屬的塑性，又提高了金屬的變形抗力。通通常，金屬越傾向于脆性狀態(tài)，靜水壓力的影響越顯常，金屬越

6、傾向于脆性狀態(tài)，靜水壓力的影響越顯著。著。2022-4-298 金屬合金的流變行為與粘塑性體的行為相一致。金屬合金的流變行為與粘塑性體的行為相一致。對粘性體來講，變形速度和靜水壓力對其變形抗力對粘性體來講，變形速度和靜水壓力對其變形抗力有明顯的影響。對粘塑體來講也同樣是這樣。并有明顯的影響。對粘塑體來講也同樣是這樣。并且且粘性性質(zhì)越明顯，這種影響就越大粘性性質(zhì)越明顯，這種影響就越大。在一定的溫。在一定的溫度速度條件下度速度條件下(特別是在溫度接近熔點且變形速度特別是在溫度接近熔點且變形速度不大時不大時)，金屬合金的流動行為與粘塑性體的流變，金屬合金的流動行為與粘塑性體的流變行為相一致。此時，變

7、形速度和靜水壓力對金屬合行為相一致。此時，變形速度和靜水壓力對金屬合金便產(chǎn)生相應的影響。金便產(chǎn)生相應的影響。2022-4-299 關(guān)于靜水壓力對變形抗力產(chǎn)生影響原因尚需進一步關(guān)于靜水壓力對變形抗力產(chǎn)生影響原因尚需進一步研究。研究。 有人認為，變形速度對變形抗力的影響越大時，靜有人認為，變形速度對變形抗力的影響越大時，靜水壓力對變形抗力的影響也越大。由于靜水壓力的水壓力對變形抗力的影響也越大。由于靜水壓力的作用，可使金屬內(nèi)的空位減少，使塑性形變因難。作用，可使金屬內(nèi)的空位減少，使塑性形變因難。特別是當變形速度較大，實現(xiàn)塑性變形的時間不夠特別是當變形速度較大，實現(xiàn)塑性變形的時間不夠時更是如此。空位

8、的數(shù)量越大，靜水壓力對變形抗時更是如此。空位的數(shù)量越大，靜水壓力對變形抗力的影響也超大。力的影響也超大。2022-4-2910變形溫度變形溫度 在討論溫度對變形抗力的影響時必須注意到由于溫在討論溫度對變形抗力的影響時必須注意到由于溫度的升高所引起的軟化效應和其它變形機構(gòu)的參與度的升高所引起的軟化效應和其它變形機構(gòu)的參與作用。作用。 從絕對零度到熔點從絕對零度到熔點Tm，可分為三個溫度區(qū)間：，可分為三個溫度區(qū)間： 從從00.3 Tm為完全硬化區(qū)間為完全硬化區(qū)間 從從0.3 Tm0.7 Tm為部分軟化區(qū)間為部分軟化區(qū)間 從從0.7 Tm1.0 Tm為完全軟化區(qū)間為完全軟化區(qū)間 對純金屬當溫度高于對

9、純金屬當溫度高于(0.250.3) Tm時在變形金屬內(nèi)時在變形金屬內(nèi)產(chǎn)生回復，高于產(chǎn)生回復，高于0.4 Tm時有再結(jié)晶出現(xiàn)。時有再結(jié)晶出現(xiàn)。2022-4-2911鋅在室溫下帶有中間停歇的拉伸結(jié)果鋅在室溫下帶有中間停歇的拉伸結(jié)果2022-4-2912 在軟化溫度區(qū)間持續(xù)時間的長短對金屬的軟化程度在軟化溫度區(qū)間持續(xù)時間的長短對金屬的軟化程度也有影響。隨著溫度的升高，消除硬化所需的時間也有影響。隨著溫度的升高，消除硬化所需的時間越短。并且溫度越高，此縮短的程度就越大，這是越短。并且溫度越高，此縮短的程度就越大，這是因為軟化需要在一定的時間內(nèi)進行。由此可以看出，因為軟化需要在一定的時間內(nèi)進行。由此可以

10、看出，變形速度對金屬的軟化過程有很大的影響。隨著變變形速度對金屬的軟化過程有很大的影響。隨著變形速度的減小，軟化程度增大。因此，形速度的減小，軟化程度增大。因此，溫度越高和溫度越高和變形速度越小時，金屬的軟化程度就越大。變形速度越小時，金屬的軟化程度就越大。2022-4-2913 在在0.3 Tm溫度以下，塑性變形的基本機構(gòu)是滑移機溫度以下，塑性變形的基本機構(gòu)是滑移機構(gòu)構(gòu)(剪切機構(gòu)剪切機構(gòu))、晶塊間機構(gòu)、孿生機構(gòu)和晶粒間的、晶塊間機構(gòu)、孿生機構(gòu)和晶粒間的脆化機構(gòu)。當溫度高于脆化機構(gòu)。當溫度高于0.3 Tm時，非晶機構(gòu)開始變時，非晶機構(gòu)開始變得明顯，然后溶解沉淀機構(gòu)和晶粒邊界上的粘性流得明顯，然

11、后溶解沉淀機構(gòu)和晶粒邊界上的粘性流動機構(gòu)等參與作用。同時，像晶粒間脆化機構(gòu)和孿動機構(gòu)等參與作用。同時，像晶粒間脆化機構(gòu)和孿生機構(gòu)等機構(gòu)便會消除或幾乎消除。生機構(gòu)等機構(gòu)便會消除或幾乎消除。 溫度升高后，剪切機構(gòu)和甚至是晶塊間機構(gòu)都會大溫度升高后，剪切機構(gòu)和甚至是晶塊間機構(gòu)都會大大改變其特性。它們的變化是：隨著溫度的升高，大改變其特性。它們的變化是：隨著溫度的升高，伴隨上述機構(gòu)發(fā)生的力學現(xiàn)象變得不顯著，并開始伴隨上述機構(gòu)發(fā)生的力學現(xiàn)象變得不顯著，并開始清楚地顯示出滑移的擴散特性。清楚地顯示出滑移的擴散特性。2022-4-2914硬化隨溫度的升高而降低的總效應決定于：硬化隨溫度的升高而降低的總效應決

12、定于： 回復和再結(jié)晶的軟化作用；回復和再結(jié)晶的軟化作用； 隨著溫度的升高，新塑性機構(gòu)的參與作用隨著溫度的升高，新塑性機構(gòu)的參與作用 剪切機構(gòu)剪切機構(gòu)(基本塑性機構(gòu)基本塑性機構(gòu))特性的變化。特性的變化。2022-4-2915不同溫度下鋼的拉伸曲線不同溫度下鋼的拉伸曲線2022-4-2916鎘與鋅的真應力曲線鎘與鋅的真應力曲線2022-4-2917 總的來看，對于從總的來看，對于從0到到1的相對溫度區(qū)間的整個間隔內(nèi)都沒有的相對溫度區(qū)間的整個間隔內(nèi)都沒有物理化學變化的合金，其硬度、強度極限、屈服極限、變物理化學變化的合金，其硬度、強度極限、屈服極限、變形抗力等的對數(shù)值隨溫度的變化呈線性關(guān)系。形抗力等

13、的對數(shù)值隨溫度的變化呈線性關(guān)系。 對于有物理化學變化的合金，在相應此物理化學變對于有物理化學變化的合金，在相應此物理化學變化的溫度，直線的斜度發(fā)生改變。化的溫度，直線的斜度發(fā)生改變。2022-4-2918 庫爾納科夫溫度定律庫爾納科夫溫度定律)(1221ttattePP式中式中Pt1溫度溫度t1時塑性變形抗力的特征值時塑性變形抗力的特征值(擠壓壓力、壓入擠壓壓力、壓入時的硬度、拉伸時的強度極限、屈服極限、引起變形的應力時的硬度、拉伸時的強度極限、屈服極限、引起變形的應力強度強度)； Pt2溫度溫度t2時上述各塑性變形抗力的特征值；時上述各塑性變形抗力的特征值； a溫度系數(shù)。溫度系數(shù)。2022-

14、4-2919 如果合金的變形抗力對數(shù)直線的進程在從如果合金的變形抗力對數(shù)直線的進程在從0到到1的相的相對溫度區(qū)間有對溫度區(qū)間有n次變化，那么該合金在此溫度區(qū)間次變化，那么該合金在此溫度區(qū)間就將有就將有n十十1次變態(tài)。每一次溫度變態(tài)都可用該改變次變態(tài)。每一次溫度變態(tài)都可用該改變態(tài)的溫度系數(shù)態(tài)的溫度系數(shù)a，對應變態(tài)開始溫度，對應變態(tài)開始溫度Tk的開始變形的開始變形抗力抗力Pk和對應變態(tài)終了溫度和對應變態(tài)終了溫度Tz的終了變形抗力的終了變形抗力Pz。 對于每一次變態(tài)，溫度系數(shù)可由下式確定：對于每一次變態(tài)，溫度系數(shù)可由下式確定：kzzkTTPPalnln2022-4-2920 對于每一溫度變態(tài)，庫爾納

15、科夫定律可以寫成如下對于每一溫度變態(tài)，庫爾納科夫定律可以寫成如下的近似形式：的近似形式：212)(AAPePePPzzzztAtttatt2022-4-2921 在在0.70.95相對溫度相對溫度范圍內(nèi)的強度極限范圍內(nèi)的強度極限2)95. 0()95. 0(12tTatTaMMbTbtbT溫度為溫度為0.95TM和拉伸速度為和拉伸速度為4050mm/min時的強度極限時的強度極限對純金屬對純金屬a0.008；對單相系和多相系合金；對單相系和多相系合金a0.0085；對固溶體；對固溶體a0.0080.012。對鎳和鎳基合金以及其它耐熱合金，溫度系數(shù)應相應提高對鎳和鎳基合金以及其它耐熱合金，溫度系

16、數(shù)應相應提高2025%。2022-4-2922變形速度變形速度 對于每種金屬材料，在設(shè)定的溫度條件下都有其自對于每種金屬材料，在設(shè)定的溫度條件下都有其自己的特征變形速度。在小于特征變形速度數(shù)值的范己的特征變形速度。在小于特征變形速度數(shù)值的范圍內(nèi)改變變形速度，對變形過程沒有影響。如果變圍內(nèi)改變變形速度，對變形過程沒有影響。如果變形速度高于此特征速度，則很高變形速度會引起變形速度高于此特征速度，則很高變形速度會引起變形抗力的升高，同時也會使所有的軟化過程、物理形抗力的升高，同時也會使所有的軟化過程、物理化學過程和需要時間來實現(xiàn)有強烈擴散性質(zhì)的塑性化學過程和需要時間來實現(xiàn)有強烈擴散性質(zhì)的塑性變形機構(gòu)

17、受到阻礙。變形機構(gòu)受到阻礙。 此外，在變形過程中由于變形速度的升高，會引起此外，在變形過程中由于變形速度的升高，會引起變形物體的熱效應。變形物體的熱效應。2022-4-2923 為完全實現(xiàn)塑性變形的時間不夠。為完全實現(xiàn)塑性變形的時間不夠。 彈性波是以聲速在變形物體內(nèi)傳播。當對變形物體的加載速彈性波是以聲速在變形物體內(nèi)傳播。當對變形物體的加載速度小于聲速時，塑性變形在變形物體內(nèi)的傳播速度比彈性變度小于聲速時，塑性變形在變形物體內(nèi)的傳播速度比彈性變形在此同一物體內(nèi)的傳播速度慢。此彈性變形與塑性變形的形在此同一物體內(nèi)的傳播速度慢。此彈性變形與塑性變形的傳播速度間的差異，取決于變形物體的成分、溫度和應

18、力狀傳播速度間的差異，取決于變形物體的成分、溫度和應力狀態(tài)等。態(tài)等。 塑性機構(gòu)的擴散性質(zhì)越明顯，塑性變形速度滯后于彈性變形塑性機構(gòu)的擴散性質(zhì)越明顯，塑性變形速度滯后于彈性變形的效應就表現(xiàn)得越強烈。因為自擴散過程需要時間來實現(xiàn)。的效應就表現(xiàn)得越強烈。因為自擴散過程需要時間來實現(xiàn)。因此，非晶塑性機構(gòu)在這方面應顯示出最大的效應。因此，非晶塑性機構(gòu)在這方面應顯示出最大的效應。2022-4-2924 假設(shè)，以稍低于聲速的速度拉伸方桿，經(jīng)過非常小假設(shè)，以稍低于聲速的速度拉伸方桿，經(jīng)過非常小的時間其長度增加的時間其長度增加50，并在此變形條件下和時間，并在此變形條件下和時間間隔內(nèi)，所設(shè)定的變形速度只能保證變

19、形物體具有間隔內(nèi)，所設(shè)定的變形速度只能保證變形物體具有5的殘余延伸。這樣，方桿將具有的殘余延伸。這樣，方桿將具有45的彈性變的彈性變形和形和5的塑性變形。因此，在方桿內(nèi)產(chǎn)生的應力的塑性變形。因此，在方桿內(nèi)產(chǎn)生的應力便可用相當于便可用相當于45彈性變形的縱坐標彈性變形的縱坐標aa來確定。來確定。若增加此產(chǎn)生若增加此產(chǎn)生50延伸的變形時間，即減小拉伸速延伸的變形時間，即減小拉伸速度，使在變形物體內(nèi)具有更大的殘余延伸，例如度，使在變形物體內(nèi)具有更大的殘余延伸，例如30，那么，在方桿中的應力數(shù)值便可用相當于，那么，在方桿中的應力數(shù)值便可用相當于30彈性延伸的縱坐標彈性延伸的縱坐標bb來確定，等等。來確

20、定，等等。2022-4-2925 在設(shè)定的總變形數(shù)值下在設(shè)定的總變形數(shù)值下變形速度對應力的影響變形速度對應力的影響2022-4-2926 為實現(xiàn)軟化過程的時間不夠。為實現(xiàn)軟化過程的時間不夠。 金屬在變形過程中由于塑性變形的進行金屬要發(fā)生硬化，又金屬在變形過程中由于塑性變形的進行金屬要發(fā)生硬化，又由于回復和再結(jié)晶的作用變形金屬又要發(fā)生軟化。但回復和由于回復和再結(jié)晶的作用變形金屬又要發(fā)生軟化。但回復和再結(jié)晶需要一定的時間來完成，若此時間不夠，則將會使變再結(jié)晶需要一定的時間來完成，若此時間不夠，則將會使變形金屬的硬化速率超過軟化速率，結(jié)果使變形抗力升高。形金屬的硬化速率超過軟化速率，結(jié)果使變形抗力升

21、高。 從上面的情況可以認為，當所取的變形速度超過保證得到最從上面的情況可以認為，當所取的變形速度超過保證得到最大軟化的速度時，由于實現(xiàn)軟化過程的時間不夠，而使應力大軟化的速度時，由于實現(xiàn)軟化過程的時間不夠，而使應力提高；所取的變形速度低于保證得到最大軟化的速實時，又提高；所取的變形速度低于保證得到最大軟化的速實時，又可由于完全實現(xiàn)塑性變形的時間不夠，而使應力提高?？捎捎谕耆珜崿F(xiàn)塑性變形的時間不夠，而使應力提高。2022-4-2927 由于熱效應使變形物體的溫度升高。由于熱效應使變形物體的溫度升高。 例如，用例如，用50kg的錘頭從的錘頭從3m的高度上沖擊直徑和高的高度上沖擊直徑和高度為度為11

22、.1mm的硬鋁試樣，變形程度為的硬鋁試樣，變形程度為89.2%時，時，發(fā)現(xiàn)試樣的溫度從發(fā)現(xiàn)試樣的溫度從13升高到升高到317。 變形速度使變形抗力相對降低的最大影響出現(xiàn)在完變形速度使變形抗力相對降低的最大影響出現(xiàn)在完全硬化變形的溫度區(qū)間。例如，在拉拔金屬過程中，全硬化變形的溫度區(qū)間。例如，在拉拔金屬過程中，當拉拔速度為每秒幾十米時，可使拉拔力下降，其當拉拔速度為每秒幾十米時，可使拉拔力下降，其原因就是拉拔時產(chǎn)生的熱效應的結(jié)果。原因就是拉拔時產(chǎn)生的熱效應的結(jié)果。2022-4-2928溫度對速度效應的影響溫度對速度效應的影響2022-4-2929 溫度越高塑性機構(gòu)的擴散特性表現(xiàn)得越明顯。同時溫度越

23、高塑性機構(gòu)的擴散特性表現(xiàn)得越明顯。同時非晶機理在塑性變形過程中起的作用越大，速度效非晶機理在塑性變形過程中起的作用越大，速度效應也越大。實現(xiàn)非晶塑性機構(gòu)需要一定的時間。此應也越大。實現(xiàn)非晶塑性機構(gòu)需要一定的時間。此時間的長短取決于金屬的材質(zhì)和溫度。如果時間不時間的長短取決于金屬的材質(zhì)和溫度。如果時間不夠，非晶機構(gòu)就不能實現(xiàn)。這時，在晶體中，它將夠，非晶機構(gòu)就不能實現(xiàn)。這時，在晶體中，它將被在較高抗力下能夠?qū)崿F(xiàn)的其它機構(gòu)所代替。在非被在較高抗力下能夠?qū)崿F(xiàn)的其它機構(gòu)所代替。在非晶體中，它將被彈性變形所代替。晶體中，它將被彈性變形所代替。2022-4-2930 在完全軟化變形的溫度范圍內(nèi)，任何速度下

24、的硬化在完全軟化變形的溫度范圍內(nèi)，任何速度下的硬化曲線都平行于橫坐標軸，即不發(fā)生硬化。在此溫度曲線都平行于橫坐標軸，即不發(fā)生硬化。在此溫度范圍內(nèi)，在晶粒邊界上的粘性流動機構(gòu)為實現(xiàn)蠕變范圍內(nèi)，在晶粒邊界上的粘性流動機構(gòu)為實現(xiàn)蠕變提供了很大的可能性。溫度越高，粘性流動抗力越提供了很大的可能性。溫度越高，粘性流動抗力越小。晶粒邊界上的粘性流動抗力與其它塑性機構(gòu)抗小。晶粒邊界上的粘性流動抗力與其它塑性機構(gòu)抗力相比，其值是最小的。在此溫度范圍內(nèi)熱效應的力相比，其值是最小的。在此溫度范圍內(nèi)熱效應的影響不大。影響不大。2022-4-2931 在不完全硬化變形的溫度范圍內(nèi)，非晶機構(gòu)實際上在不完全硬化變形的溫度

25、范圍內(nèi)，非晶機構(gòu)實際上是不能實現(xiàn)的。在此溫度區(qū)間，產(chǎn)生速度效應的基是不能實現(xiàn)的。在此溫度區(qū)間，產(chǎn)生速度效應的基本原因是實現(xiàn)復原的時間不夠。速度效應本原因是實現(xiàn)復原的時間不夠。速度效應(變形抗力變形抗力的提高的提高)、松弛和蠕變在此溫度區(qū)間表現(xiàn)的程度，比、松弛和蠕變在此溫度區(qū)間表現(xiàn)的程度，比在不完全軟化變形的溫度區(qū)間要小得多。在不完全軟化變形的溫度區(qū)間要小得多。 熱效應在不完全硬化變形的溫度區(qū)間比在不完全軟熱效應在不完全硬化變形的溫度區(qū)間比在不完全軟化變形的溫度區(qū)間要大，但后者的熱效應要比在完化變形的溫度區(qū)間要大，但后者的熱效應要比在完全軟化變形的溫度區(qū)間要大。全軟化變形的溫度區(qū)間要大。2022

26、-4-2932 在完全硬化變形的溫度區(qū)間，速度效應最小且只取在完全硬化變形的溫度區(qū)間，速度效應最小且只取決于復原的時間不夠。在此溫度區(qū)間，熱效應最大，決于復原的時間不夠。在此溫度區(qū)間，熱效應最大，并且溫度越低，熱效應越大。并且溫度越低，熱效應越大。 速度效應的變化是，溫度越低，速度效應越小。由速度效應的變化是，溫度越低，速度效應越小。由于熱效應的作用，在許多情況下，變形抗力可在很于熱效應的作用，在許多情況下，變形抗力可在很大的速度范圍內(nèi)保持不變，甚至使之隨著變形速度大的速度范圍內(nèi)保持不變，甚至使之隨著變形速度的增大而減小。的增大而減小。2022-4-2933變形程度變形程度 變形程度對變形抗力的影響，除其本身大小的影響變形程度對變形抗力的影響，除其本身大小的影響外，還與變形物體的材質(zhì)，當時的變形溫度條件和外，還與變形物體的材質(zhì)，當時的變形溫度條件和變形速度條件有關(guān)。變形速度條件有關(guān)。2022-4-2934 當變形金屬處于