第16講 變形抗力概念及測(cè)定方法

1、金屬塑性變形理論Theory of metal plastic deformation 第十六講第十六講Lesson Sixteen變形抗力概念及影響方法變形抗力概念及影響方法2022-5-272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(cè)定方法變形抗力的概念及測(cè)定方法 影響變形抗力的主要因素影響變形抗力的主要因素 變形抗力的計(jì)算變形抗力的計(jì)算 2022-5-2738.1 變形抗力的概念及測(cè)定方法 變形抗力的概念變形抗力的概念 變形抗力的測(cè)定方法變形抗力的測(cè)定方法2022-5-2748.1.1 變形抗力的概念 金屬的塑性變形抗力是指金屬在一定的變形條件下金屬的

2、塑性變形抗力是指金屬在一定的變形條件下進(jìn)行塑性變形時(shí)于單位橫截面積上抵抗此變形的力。進(jìn)行塑性變形時(shí)于單位橫截面積上抵抗此變形的力。 為排除復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的影響，變形抗力通常用單向?yàn)榕懦龔?fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的影響，變形抗力通常用單向應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)(單向拉伸、單向壓縮單向拉伸、單向壓縮)下所測(cè)定的流動(dòng)應(yīng)下所測(cè)定的流動(dòng)應(yīng)力來表示。有的書稱此應(yīng)力為真實(shí)變形抗力。力來表示。有的書稱此應(yīng)力為真實(shí)變形抗力。2022-5-275 實(shí)際塑性加工時(shí)，如軋制、鍛壓、擠壓、拉拔等，實(shí)際塑性加工時(shí)，如軋制、鍛壓、擠壓、拉拔等，多數(shù)是在三向或兩相應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的。因此，對(duì)多數(shù)是在三向或兩相應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的。因此，對(duì)同一種加工金屬

3、材料，在主作用力方向上的單位變同一種加工金屬材料，在主作用力方向上的單位變形力在數(shù)值上一般要比單向應(yīng)力狀態(tài)下所測(cè)定的變形力在數(shù)值上一般要比單向應(yīng)力狀態(tài)下所測(cè)定的變形抗力為大。其關(guān)系可用下式表示：形抗力為大。其關(guān)系可用下式表示：snp式中式中 主作用力方向上的平均單位變形力；主作用力方向上的平均單位變形力； 在單向應(yīng)力狀態(tài)下所測(cè)定的變形抗力；在單向應(yīng)力狀態(tài)下所測(cè)定的變形抗力； 應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù)。一般應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù)。一般 1。pnsn2022-5-276 因塑性加工時(shí)所需的變形力因塑性加工時(shí)所需的變形力 (其中其中F為接觸為接觸面積在與面積在與P垂直方向上的投影垂直方向上的投影)，所以，在計(jì)算變

4、形，所以，在計(jì)算變形力時(shí)必須首先要求出金屬的變形抗力力時(shí)必須首先要求出金屬的變形抗力 。FpPs2022-5-2778.1.2 變形抗力的測(cè)定方法 這里所介紹的變形抗力測(cè)定方法是指在簡(jiǎn)單應(yīng)力狀這里所介紹的變形抗力測(cè)定方法是指在簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力狀態(tài)在變形物體內(nèi)均勻分布時(shí)的變形抗態(tài)下，應(yīng)力狀態(tài)在變形物體內(nèi)均勻分布時(shí)的變形抗力測(cè)定。力測(cè)定。 測(cè)定方法有：測(cè)定方法有： （1） 拉伸試驗(yàn)法拉伸試驗(yàn)法 （2） 壓縮試驗(yàn)法壓縮試驗(yàn)法 （3） 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法2022-5-278拉伸試驗(yàn)法拉伸試驗(yàn)法 拉伸試驗(yàn)中所用的試樣通常為圓柱體，在拉伸變形體積內(nèi)的拉伸試驗(yàn)中所用的試樣通常為圓柱體，在拉伸變形體積內(nèi)

5、的應(yīng)力狀態(tài)為單向拉伸，并均勻分布。應(yīng)力狀態(tài)為單向拉伸，并均勻分布。 拉應(yīng)力：拉應(yīng)力： 應(yīng)變：應(yīng)變：FPpl0lnll2022-5-279 在選擇拉伸試樣材質(zhì)時(shí)，很難保證其內(nèi)部組織均勻，在選擇拉伸試樣材質(zhì)時(shí)，很難保證其內(nèi)部組織均勻，其內(nèi)部各晶粒，甚至一個(gè)晶粒內(nèi)部的各質(zhì)點(diǎn)的變形其內(nèi)部各晶粒，甚至一個(gè)晶粒內(nèi)部的各質(zhì)點(diǎn)的變形和應(yīng)力也不可能完全均一。所示，在此試驗(yàn)中所測(cè)和應(yīng)力也不可能完全均一。所示，在此試驗(yàn)中所測(cè)定的應(yīng)力和變形為其平均值。定的應(yīng)力和變形為其平均值。 但從拉伸變形的總體來看，是能夠保證得到比較均但從拉伸變形的總體來看，是能夠保證得到比較均勻的拉伸變形的，其不均勻變形程度要比壓縮變形勻的拉伸

6、變形的，其不均勻變形程度要比壓縮變形小得多。小得多。 用拉伸法不足之處在于其所得到的均勻變形程度一用拉伸法不足之處在于其所得到的均勻變形程度一般不超過般不超過2030。2022-5-2710壓縮試驗(yàn)法壓縮試驗(yàn)法 壓縮變形時(shí)，變形金屬所承受的單向壓應(yīng)力，即變形抗力為：壓縮變形時(shí)，變形金屬所承受的單向壓應(yīng)力，即變形抗力為： 應(yīng)變：應(yīng)變：FPpc0lnhh2022-5-2711 在壓縮試驗(yàn)中完全消除接觸摩擦的影響是很困難的，在壓縮試驗(yàn)中完全消除接觸摩擦的影響是很困難的，所以，所測(cè)出的應(yīng)力值稍偏高。所以，所測(cè)出的應(yīng)力值稍偏高。 在試驗(yàn)中為消除或減小接觸摩擦的影響可采取在試在試驗(yàn)中為消除或減小接觸摩擦的

7、影響可采取在試樣的端部涂潤(rùn)滑劑，加柔軟墊片等措施。增大樣的端部涂潤(rùn)滑劑，加柔軟墊片等措施。增大Hd值也可使接觸摩擦對(duì)變形過程的影響減小。但通常值也可使接觸摩擦對(duì)變形過程的影響減小。但通常不能使不能使Hd大于大于22.5，否則在壓縮時(shí)試樣容易彎，否則在壓縮時(shí)試樣容易彎曲而使壓縮不穩(wěn)定。對(duì)于曲而使壓縮不穩(wěn)定。對(duì)于Hd2的試樣，當(dāng)變形的試樣，當(dāng)變形程度較小時(shí)，接觸摩擦對(duì)變形過程的影響不大。程度較小時(shí)，接觸摩擦對(duì)變形過程的影響不大。 壓縮法的優(yōu)點(diǎn)在于它能使試樣產(chǎn)生更大的變形。壓縮法的優(yōu)點(diǎn)在于它能使試樣產(chǎn)生更大的變形。2022-5-2712扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，在圓柱體試樣的兩端加以大小相等

8、、方向相反扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，在圓柱體試樣的兩端加以大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩M，在此二轉(zhuǎn)矩，在此二轉(zhuǎn)矩M的作用下試樣產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角的作用下試樣產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角f f。在試驗(yàn)。在試驗(yàn)中測(cè)定中測(cè)定f f值。值。 在試樣中的應(yīng)力狀態(tài)為純剪切。但此應(yīng)力狀態(tài)的分布是不均在試樣中的應(yīng)力狀態(tài)為純剪切。但此應(yīng)力狀態(tài)的分布是不均勻的，其分布規(guī)律是：勻的，其分布規(guī)律是：rdM40322022-5-2713 在試樣的軸心處在試樣的軸心處r0，則，則 0。 的最大值出現(xiàn)在試樣的表面處，即的最大值出現(xiàn)在試樣的表面處，即 所產(chǎn)生的剪切變形為：所產(chǎn)生的剪切變形為：3016dMf002ld2022-5-2714 為了使應(yīng)力狀態(tài)趨向均勻，

9、可取扭轉(zhuǎn)試樣為空心的為了使應(yīng)力狀態(tài)趨向均勻，可取扭轉(zhuǎn)試樣為空心的管狀試樣。此時(shí)，試樣的壁厚越薄，應(yīng)力狀態(tài)越均管狀試樣。此時(shí)，試樣的壁厚越薄，應(yīng)力狀態(tài)越均勻。此時(shí)剪切應(yīng)力為：勻。此時(shí)剪切應(yīng)力為： 扭轉(zhuǎn)法應(yīng)用不廣扭轉(zhuǎn)法應(yīng)用不廣平dFM022022-5-27158.2 影響變形抗力的主要因素 化學(xué)成份化學(xué)成份 應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài) 組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 變形溫度變形溫度 接觸摩擦接觸摩擦 變形速度變形速度 變形程度變形程度 2022-5-27168.2.1 8.2.1 化學(xué)成份對(duì)變形抗力的影響化學(xué)成份對(duì)變形抗力的影響 化學(xué)成份對(duì)變形抗力的影響非常復(fù)雜。一般情況下，化學(xué)成份對(duì)變形抗力的影響非常復(fù)雜。一般情況下

10、，對(duì)于各種純金屬，因原子間相互作用不同，變形抗對(duì)于各種純金屬，因原子間相互作用不同，變形抗力也不同。同一種金屬，純度愈高，變形抗力愈小。力也不同。同一種金屬，純度愈高，變形抗力愈小。 合金元素對(duì)變形抗力的影響，主要取決于合金元素合金元素對(duì)變形抗力的影響，主要取決于合金元素的原子與基體原子間相互作用特性、原子體積的大的原子與基體原子間相互作用特性、原子體積的大小以及合金原子在基體中的分布情況。合金元素引小以及合金原子在基體中的分布情況。合金元素引起基體點(diǎn)陣畸變程度愈大，變形抗力也越大。起基體點(diǎn)陣畸變程度愈大，變形抗力也越大。2022-5-2717圖圖(a)是形成無限固溶的二元合金之硬度隨成分而變

11、化的圖示，它表明固溶體的硬度是形成無限固溶的二元合金之硬度隨成分而變化的圖示，它表明固溶體的硬度比純金屬的高。變形抗力的最大值對(duì)應(yīng)于固溶體的最大飽和度，從而對(duì)應(yīng)于點(diǎn)陣的比純金屬的高。變形抗力的最大值對(duì)應(yīng)于固溶體的最大飽和度，從而對(duì)應(yīng)于點(diǎn)陣的最大畸變。最大畸變。 圖圖(b)指出了形成共晶體二元合金的硬度隨成分變化的情況。共晶體混合物可由指出了形成共晶體二元合金的硬度隨成分變化的情況。共晶體混合物可由純金屬構(gòu)成，也可由其他化合物或固溶體構(gòu)成。純金屬構(gòu)成，也可由其他化合物或固溶體構(gòu)成。 圖圖(c)是形成化合物的二元合金的硬度隨成分變化的圖示。是形成化合物的二元合金的硬度隨成分變化的圖示。2022-5

12、-2718 碳碳 在較低的溫度下隨著鋼中在較低的溫度下隨著鋼中含碳量的增加，鋼的塑性含碳量的增加，鋼的塑性變形抗力升高。溫度升高變形抗力升高。溫度升高時(shí)其影響減弱。圖中示出，時(shí)其影響減弱。圖中示出，在不同變形溫度和變形速在不同變形溫度和變形速度條件下，壓下率為度條件下，壓下率為30時(shí)含碳量對(duì)變形抗力的影時(shí)含碳量對(duì)變形抗力的影響。可見，低溫時(shí)的影響響?？梢姡蜏貢r(shí)的影響比高溫時(shí)大得多。比高溫時(shí)大得多。2022-5-27192022-5-2720 硅硅 鋼中含硅對(duì)塑性變形抗力有明顯的影響。用硅使鋼鋼中含硅對(duì)塑性變形抗力有明顯的影響。用硅使鋼合金化時(shí)，可使鋼的變形抗力有較大的提高。例如，合金化時(shí)，可

13、使鋼的變形抗力有較大的提高。例如，含硅量為含硅量為1.52.0的結(jié)構(gòu)鋼的結(jié)構(gòu)鋼(55Si2、60Si2)在在一般的熱加工條件下，其變形抗力比中碳鋼約高出一般的熱加工條件下，其變形抗力比中碳鋼約高出2025。含硅量高達(dá)。含硅量高達(dá)56以上時(shí)，熱加工以上時(shí)，熱加工較為困難。較為困難。2022-5-2721 鉻鉻 對(duì)含鉻量為對(duì)含鉻量為0.71.0的鉻鋼來講，影響其變形抗的鉻鋼來講，影響其變形抗力的不是鉻，而是鋼中的含碳量。這些鋼的變形抗力的不是鉻，而是鋼中的含碳量。這些鋼的變形抗力僅比其相應(yīng)含碳量的碳鋼高力僅比其相應(yīng)含碳量的碳鋼高510。 高碳鉻鋼高碳鉻鋼GCr6GCrl5(含鉻量含鉻量0.451.

14、65)的變形抗力雖稍的變形抗力雖稍高于碳鋼，但影響變形抗力的主要因素也是碳。高高于碳鋼，但影響變形抗力的主要因素也是碳。高鉻鋼鉻鋼1Crl34Crl3、Crl7、Cr23等在高速下變形時(shí)等在高速下變形時(shí)其變形抗力大為提高。其變形抗力大為提高。2022-5-2722 鎳鎳 鎳在鋼中可使變形抗力稍有提高。但是，對(duì)鎳在鋼中可使變形抗力稍有提高。但是，對(duì)25NiA，30NiA和和13Ni2A等來講，其變形抗力與碳鋼相差不等來講，其變形抗力與碳鋼相差不大。含鎳量較高的鋼大。含鎳量較高的鋼(Ni25Ni28)，這種差別是很，這種差別是很大的。大的。 在許多情況下，在鋼中同時(shí)加入幾種合金元素，例在許多情況下

15、，在鋼中同時(shí)加入幾種合金元素，例如在鋼中加入鉻和鎳。這時(shí)，鋼中的碳、鉻和鎳對(duì)如在鋼中加入鉻和鎳。這時(shí)，鋼中的碳、鉻和鎳對(duì)變形抗力都要產(chǎn)生影響。變形抗力都要產(chǎn)生影響。12CrNi3A鋼的變形抗力鋼的變形抗力比比45號(hào)碳鋼高出號(hào)碳鋼高出20。Cr18Ni9Ti鋼的變形抗力比鋼的變形抗力比碳鋼提高碳鋼提高50。2022-5-27238.2.2 8.2.2 組織結(jié)構(gòu)對(duì)變形抗力的影響組織結(jié)構(gòu)對(duì)變形抗力的影響 晶粒大小晶粒大小 結(jié)構(gòu)變化結(jié)構(gòu)變化 單相組織和多相組織單相組織和多相組織2022-5-2724晶粒大小晶粒大小 金屬的變形抗力與其組織有密切關(guān)系，其中晶粒大金屬的變形抗力與其組織有密切關(guān)系，其中晶粒

16、大小是一個(gè)重要因素。小是一個(gè)重要因素。 試驗(yàn)結(jié)果表明，晶粒越細(xì)小變形抗力越大。試驗(yàn)結(jié)果表明，晶粒越細(xì)小變形抗力越大。 也有人認(rèn)為，當(dāng)晶粒變小時(shí)，晶粒的表面積相對(duì)增也有人認(rèn)為，當(dāng)晶粒變小時(shí)，晶粒的表面積相對(duì)增大，從而使表面力（表面張力和周圍晶粒影響所產(chǎn)大，從而使表面力（表面張力和周圍晶粒影響所產(chǎn)生的力生的力)增大，結(jié)果使變形抗力升高。增大，結(jié)果使變形抗力升高。2022-5-2725 在變形金屬中夾雜物的存在也會(huì)影響到變形抗力。在變形金屬中夾雜物的存在也會(huì)影響到變形抗力。在一般情況下，夾雜物會(huì)使物體的變形抗力升高。在一般情況下，夾雜物會(huì)使物體的變形抗力升高。合金的變形抗力通常高于純金屬的變形抗力的

17、原因合金的變形抗力通常高于純金屬的變形抗力的原因就在于此。就在于此。 雜質(zhì)含量對(duì)變形抗力有影響，含量增大，抗力顯著雜質(zhì)含量對(duì)變形抗力有影響，含量增大，抗力顯著增大。增大。2022-5-2726 雜質(zhì)的性質(zhì)與分布對(duì)變形抗力構(gòu)成影響。雜質(zhì)原子雜質(zhì)的性質(zhì)與分布對(duì)變形抗力構(gòu)成影響。雜質(zhì)原子與基體組元組成固溶體時(shí)，會(huì)引起基體組元點(diǎn)陣畸與基體組元組成固溶體時(shí)，會(huì)引起基體組元點(diǎn)陣畸變，從而提高變形抗力。雜質(zhì)元素在周期表中離基變，從而提高變形抗力。雜質(zhì)元素在周期表中離基體愈遠(yuǎn)，則雜質(zhì)的硬化作用愈強(qiáng)烈，因而變形抗力體愈遠(yuǎn)，則雜質(zhì)的硬化作用愈強(qiáng)烈，因而變形抗力提高愈顯著。提高愈顯著。 若雜質(zhì)以單獨(dú)夾雜物的形式彌散

18、分布在晶粒內(nèi)或晶若雜質(zhì)以單獨(dú)夾雜物的形式彌散分布在晶粒內(nèi)或晶粒之間，則對(duì)變形抗力的影響較小。若雜質(zhì)元素形粒之間，則對(duì)變形抗力的影響較小。若雜質(zhì)元素形成脆性的網(wǎng)狀?yuàn)A雜物，則使變形抗力下降。成脆性的網(wǎng)狀?yuàn)A雜物，則使變形抗力下降。2022-5-2727結(jié)構(gòu)變化結(jié)構(gòu)變化 金屬與合金的性質(zhì)取決于結(jié)構(gòu)，即取決于原子間的金屬與合金的性質(zhì)取決于結(jié)構(gòu)，即取決于原子間的結(jié)合方式和原子在空間排布情況。當(dāng)原子的排列方結(jié)合方式和原子在空間排布情況。當(dāng)原子的排列方式發(fā)生變化時(shí)，即發(fā)生了相變，則抗力也會(huì)發(fā)生一式發(fā)生變化時(shí)，即發(fā)生了相變，則抗力也會(huì)發(fā)生一定的變化。定的變化。 組織狀態(tài)不同，抗力值也有差異，如退火態(tài)與加工組織狀態(tài)不同，抗力值也有差異，如退火態(tài)與加工態(tài)，抗力明顯不同。態(tài)，抗力明顯不同。2022-5-2728單相組織與多相組織單相組織與多相組織 當(dāng)合金是單相組織時(shí)，變形抗力的提高是晶格畸變當(dāng)合金是單相組織時(shí)，變形抗力的提高是晶格畸變的結(jié)果。當(dāng)合金為多相組織時(shí)，第二相的性質(zhì)、大的結(jié)果。當(dāng)合金