1、金屬塑性變形理論Theory of metal plastic deformation 第十七講Lesson Seventeen變形抗力影響因素2022-3-82第八章 金屬的塑性變形抗力主要內容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 變形抗力的計算 2022-3-838.2 影響變形抗力的主要因素 化學成份 應力狀態應力狀態 組織結構組織結構 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 2022-3-84應力狀態 在塑性加工過程中，變形物體所承受的應力狀態對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；在孔型中軋

2、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，應力狀態對變形抗力有較明顯的影響。 在圖示中壓應力狀態越強，變形抗力越大。擠壓時為三向壓應力狀態圖示，而拉拔時為單向拉伸和兩向壓縮的應力狀態圖示，所以擠壓時金屬的變形抗力就大于拉伸時的變形抗力。2022-3-85 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0增加到5000MPa時，其變形抗力可增加一倍。2022-3-86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

3、-Cu-Mg-Zn合金合金28.032.0331234在供應狀態下在供應狀態下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2022-3-87靜水壓力的影響通常可在下述情況表現比較明顯： 金屬合金中的已有組織或在塑性變形過程中發生的組織轉變有脆性傾向。這時，靜水壓力可以使金屬變得致密，消除可能產生的完整性

4、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。通常，金屬越傾向于脆性狀態，靜水壓力的影響越顯著。2022-3-88 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有明顯的影響。對粘塑體來講也同樣是這樣。并且粘性性質越明顯，這種影響就越大。在一定的溫度速度條件下(特別是在溫度接近熔點且變形速度不大時)，金屬合金的流動行為與粘塑性體的流變行為相一致。此時，變形速度和靜水壓力對金屬合金便產生相應的影響。2022-3-89 關于靜水壓力對變形抗力產生影響原因尚需進一步研究。 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

5、靜水壓力的作用，可使金屬內的空位減少，使塑性形變因難。特別是當變形速度較大，實現塑性變形的時間不夠時更是如此。空位的數量越大，靜水壓力對變形抗力的影響也超大。2022-3-810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度的升高所引起的軟化效應和其它變形機構的參與作用。 從絕對零度到熔點Tm，可分為三個溫度區間： 從00.3 Tm為完全硬化區間 從0.3 Tm0.7 Tm為部分軟化區間 從0.7 Tm1.0 Tm為完全軟化區間 對純金屬當溫度高于(0.250.3) Tm時在變形金屬內產生回復，高于0.4 Tm時有再結晶出現。2022-3-811鋅在室溫下帶有中間停歇的拉伸結果伸長率

6、，伸長率，%，10MPa2022-3-812 在軟化溫度區間持續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進行。由此可以看出，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，溫度越高和變形速度越小時，金屬的軟化程度就越大。2022-3-813 在0.3 Tm溫度以下，塑性變形的基本機構是滑移機構(剪切機構)、晶塊間機構、孿生機構和晶粒間的脆化機構。當溫度高于0.3 Tm時，非晶機構開始變得明顯，然后溶解沉淀機構和晶粒邊界上的粘性流動機構等參與作用。同時，像晶粒間脆化機

7、構和孿生機構等機構便會消除或幾乎消除。 溫度升高后，剪切機構和甚至是晶塊間機構都會大大改變其特性。它們的變化是：隨著溫度的升高，伴隨上述機構發生的力學現象變得不顯著，并開始清楚地顯示出滑移的擴散特性。2022-3-814硬化隨溫度的升高而降低的總效應決定于： 回復和再結晶的軟化作用； 隨著溫度的升高，新塑性機構的參與作用 剪切機構(基本塑性機構)特性的變化。2022-3-815不同溫度下鋼的拉伸曲線2022-3-816鎘與鋅的真應力曲線鎘與鋅的真應力曲線相對變形真實應力真實應力,10MPa2022-3-817 總的來看，對于從0到1的相對溫度區間的整個間隔內都沒有物理化學變化的合金，其硬度、強

8、度極限、屈服極限、變形抗力等的對數值隨溫度的變化呈線性關系。 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，直線的斜度發生改變。相應溫度相應溫度M的相對數M的相對數2022-3-818 庫爾納科夫溫度定律)(1221ttattePP式中Pt1溫度t1時塑性變形抗力的特征值(擠壓壓力、壓入時的硬度、拉伸時的強度極限、屈服極限、引起變形的應力強度)； Pt2溫度t2時上述各塑性變形抗力的特征值； a溫度系數。2022-3-819 如果合金的變形抗力對數直線的進程在從0到1的相對溫度區間有n次變化，那么該合金在此溫度區間就將有n十1次變態。每一次溫度變態都可用該改變態的溫度系數a，對應變態開

9、始溫度Tk的開始變形抗力Pk和對應變態終了溫度Tz的終了變形抗力Pz。 對于每一次變態，溫度系數可由下式確定：kzzkTTPPalnln2022-3-820 對于每一溫度變態，庫爾納科夫定律可以寫成如下的近似形式：212)(AAPePePPzzzztAtttatt2022-3-821 在0.70.95相對溫度范圍內的強度極限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a0.008；對單相系和多相系合金a0.0085；對固溶體a0.0080.012。對鎳和鎳基合金以及其它耐熱合金

10、，溫度系數應相應提高2025%。2022-3-822變形速度 對于每種金屬材料，在設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值的范圍內改變變形速度，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有強烈擴散性質的塑性變形機構受到阻礙。 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。2022-3-823 為完全實現塑性變形的時間不夠。 彈性波是以聲速在變形物體內傳播。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的傳播速度比彈性變形在此同一物體內的傳播速度慢。此彈

11、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、溫度和應力狀態等。 塑性機構的擴散性質越明顯，塑性變形速度滯后于彈性變形的效應就表現得越強烈。因為自擴散過程需要時間來實現。因此，非晶塑性機構在這方面應顯示出最大的效應。2022-3-824 假設，以稍低于聲速的速度拉伸方桿，經過非常小的時間其長度增加50，并在此變形條件下和時間間隔內，所設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45的彈性變形和5的塑性變形。因此，在方桿內產生的應力便可用相當于45彈性變形的縱坐標aa來確定。若增加此產生50延伸的變形時間，即減小拉伸速度，使在變形物體內具有更大的殘余延伸，例如30

12、，那么，在方桿中的應力數值便可用相當于30彈性延伸的縱坐標bb來確定，等等。2022-3-825 在設定的總變形數值下變形速度對應力的影響2022-3-826 為實現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生硬化，又由于回復和再結晶的作用變形金屬又要發生軟化。但回復和再結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，結果使變形抗力升高。 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大軟化的速度時，由于實現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，又可由于完全實現塑性變形的時間不夠，而使應力提高。

13、2022-3-827 由于熱效應使變形物體的溫度升高。 例如，用50kg的錘頭從3m的高度上沖擊直徑和高度為11.1mm的硬鋁試樣，變形程度為89.2%時，發現試樣的溫度從13升高到317。 變形速度使變形抗力相對降低的最大影響出現在完全硬化變形的溫度區間。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，其原因就是拉拔時產生的熱效應的結果。2022-3-828溫度對速度效應的影響2022-3-829 溫度越高塑性機構的擴散特性表現得越明顯。同時非晶機理在塑性變形過程中起的作用越大，速度效應也越大。實現非晶塑性機構需要一定的時間。此時間的長短取決于金屬的材質和溫度。如果時間不夠

14、，非晶機構就不能實現。這時，在晶體中，它將被在較高抗力下能夠實現的其它機構所代替。在非晶體中，它將被彈性變形所代替。2022-3-830 在完全軟化變形的溫度范圍內，任何速度下的硬化曲線都平行于橫坐標軸，即不發生硬化。在此溫度范圍內，在晶粒邊界上的粘性流動機構為實現蠕變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抗力相比，其值是最小的。在此溫度范圍內熱效應的影響不大。2022-3-831 在不完全硬化變形的溫度范圍內，非晶機構實際上是不能實現的。在此溫度區間，產生速度效應的基本原因是實現復原的時間不夠。速度效應(變形抗力的提高)、松弛和蠕變在此溫度區間

15、表現的程度，比在不完全軟化變形的溫度區間要小得多。 熱效應在不完全硬化變形的溫度區間比在不完全軟化變形的溫度區間要大，但后者的熱效應要比在完全軟化變形的溫度區間要大。2022-3-832 在完全硬化變形的溫度區間，速度效應最小且只取決于復原的時間不夠。在此溫度區間，熱效應最大，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保持不變，甚至使之隨著變形速度的增大而減小。2022-3-833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外，還與變形物體的材質，當時的變形溫度條件和變形速度條件有關。2022-3-834 當變形金屬處于完全硬化狀態時，隨著變形程度的增加，變形抗力增大(曲線1)。但在高溫條件下，對某些鐵素體類合金，因在變形過程中只產生動態回復，所以當變形達到一定程度后，其應力保持不變(曲線2)，而對奧氏體類合金，當變形達到一定程度后，因有動態再結晶的出現，使應力下降，直到達到平衡階段(曲線3)。由此可見，變形程度對變形抗力的影響應隨變形物體的材質和變形條件的不同而異。2022-3-835應力應力應變應變2022-3-836接觸摩擦塑性加工中摩擦的主要特點： 在高壓下產生的摩擦。 較高溫度下的摩擦。