第14講-塑性影響因素

金屬塑性變形理論

Theoryofmetalplasticdeformation

第十四講LessonFourteen張貴杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092/1/20231第七章金屬的塑性主要內(nèi)容MainContent塑性的概念及塑性指標(biāo)影響塑性的主要因素超塑性現(xiàn)象2/1/202327.2影響塑性的主要因素金屬的化學(xué)成分及組織變形的溫度—速度條件變形的力學(xué)條件其它因素2/1/202337.2.2變形的溫度—速度條件變形溫度和變形速度皆為決定金屬塑性大小的重要因素。變形過程中金屬的硬化和軟化同時(shí)存在，所以在研究對(duì)塑性的影響時(shí)應(yīng)對(duì)變形溫度和變形速度進(jìn)行綜合考慮。但在分析此問題時(shí)，為突出其各自的作用，往往將此二因素加以分別討論。2/1/20234通常隨著軋制溫度的升高，金屬的塑性增加變形過程中所產(chǎn)生的破壞和缺陷得到恢復(fù)變形溫度升高原子熱運(yùn)動(dòng)的能量增加出現(xiàn)新的滑移系統(tǒng)非晶機(jī)構(gòu)、溶解機(jī)構(gòu)的參與有利于軟化過程的發(fā)展2/1/20235變形溫度對(duì)碳鋼的塑性的影響2009-10-19-22/1/20236四低三高Ⅰ區(qū)：在此區(qū)域內(nèi)金屬的塑性極低，到-200℃時(shí)塑性幾乎完全消失，這大概是由于原子熱運(yùn)動(dòng)能力極低的緣故。Ⅱ區(qū)：位于200-400℃的范圍內(nèi)，此區(qū)域?yàn)樗{(lán)脆區(qū)。由于時(shí)效的原因，柯氏氣團(tuán)釘扎住位錯(cuò)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，使得塑性降低。2/1/20237Ⅲ區(qū)：800-950℃。此區(qū)域的出現(xiàn)與相變有關(guān)。在相變時(shí)由于鐵素體和奧氏體的共存，使金屬產(chǎn)生不均勻的變形，塑性降低。也有人認(rèn)為，此區(qū)域的出現(xiàn)與硫的影響有關(guān)，并稱此區(qū)域?yàn)榧t脆(熱脆)區(qū)。Ⅳ區(qū)：因此區(qū)域的溫度過高，使金屬的溫度接近熔化溫度，可能產(chǎn)生過熱或過燒的現(xiàn)象，使晶間強(qiáng)度減弱，塑性大為降低。2/1/202381區(qū)：位于l00-200℃范圍內(nèi)，其塑性的逐漸增加，是由于原子熱振動(dòng)增加的緣故。2區(qū)：位于700-800℃的范圍，由于再結(jié)晶和擴(kuò)散過程的發(fā)生，使金屬的塑性升高。3區(qū)：位于950-1250℃的范圍，在此區(qū)域內(nèi)金屬具有均勻的奧氏體組織，產(chǎn)生充分的軟化效應(yīng)。2/1/202392/1/2023102/1/202311一般隨著變形速度的提高，塑性是下降的(a)(b)2/1/202312圖(a)是反映金屬在某溫度條件下，即使以非常小的變形速度進(jìn)行變形時(shí)，金屬也會(huì)發(fā)生完全加工硬化。因此，這種曲線是此變形溫度所特有的一種曲線，從中看出，塑性隨變形速度的升高而降低。2/1/202313圖(b)中的曲線也是某溫度所特有的。在此溫度下，金屬以非常小的變形速度進(jìn)行變形時(shí)，在其晶粒邊界上可能有粘性流動(dòng)出現(xiàn)，并通常會(huì)引起脆性的晶間破壞。這就說明，在非常低的變形速度下，金屬的塑性是降低的。隨著變形速度的升高，晶粒邊界上的粘性流動(dòng)消失，這時(shí)變形抗力升高和另一種變形機(jī)理(滑移)開始作用，結(jié)果使塑性升高。當(dāng)再繼續(xù)提高變形速度時(shí)，塑性又開始下降。這是因?yàn)?，隨著變形速度的增加，變形抗力升高，結(jié)果使變形抗力達(dá)到了相應(yīng)于更小的變形程度下的斷裂抗力之值。2/1/202314在某些情況下，還要增加變形速度時(shí)，塑性又開始提高。這是因?yàn)樵诤艽蟮淖冃嗡俣认?，熱效?yīng)開始作用，使變形物體的溫度升高和變形抗力下降。當(dāng)變形速度非常高時(shí)，熱效應(yīng)可能達(dá)到這樣大的作用，以致把金屬加熱到出現(xiàn)液相或大大降低其晶間物質(zhì)的強(qiáng)度。因此，在非常高的變形速度下，隨著變形速度的增加，金屬的塑性急劇下降。2/1/202315鋁合金冷擠壓時(shí)因熱效應(yīng)所增加的溫度合金號(hào)擠壓系數(shù)擠壓速度（毫米/秒）金屬溫度℃L411150158~195LD211~16150294~315LY1111~16150340~350LY1131653082/1/202316變形溫度－變形速度的聯(lián)合作用低溫塑性變形（冷變形）金屬于室溫，甚至直至開始再結(jié)晶溫度(對(duì)純金屬為0.3—0.4TM，對(duì)合金為＞0.5TM，TM為熔點(diǎn)的絕對(duì)溫度)條件下變形，當(dāng)變形速度為10-3－10-4秒-1時(shí)，其塑性變形機(jī)構(gòu)為滑移。對(duì)許多體心立方金屬來講，在此溫度區(qū)域內(nèi)存在有脆性轉(zhuǎn)變溫度。降低變形溫度和提高變形速度時(shí)，滑移系統(tǒng)的數(shù)目減少，使滑移的作用減小，孿生變形的作用增大，結(jié)果導(dǎo)致金屬的塑性大為下降。六方晶格金屬也有類似的現(xiàn)象，但對(duì)面心立方金屬來講，甚至在更低的溫度下變形金屬也不會(huì)變脆。2/1/202317在脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，應(yīng)以低變形速度為佳。若變形金屬的冷脆點(diǎn)在室溫附近時(shí)，低速變形可使冷脆點(diǎn)向更低的方向移動(dòng)。若冷脆點(diǎn)高于室溫時(shí)，則增加變形速度為宜。此時(shí)增加道次壓下率能促使金屬的塑性升高，這是因?yàn)闊嵝?yīng)使變形金屬溫度升高的緣故。例如，在高速軋機(jī)上軋制變壓器鋼時(shí)，增大壓下量可使軋件溫度升高到100－300℃，使鋼超越了冷脆點(diǎn)(在高速變形下低于100℃)。2/1/202318中溫塑性變形（溫變形）溫變形溫度區(qū)間的上限是開始再結(jié)晶溫度。此時(shí)基本的塑性變形機(jī)構(gòu)為晶內(nèi)滑移。對(duì)鋼來講，高溫塑性變形機(jī)構(gòu)如擴(kuò)散機(jī)構(gòu)、晶間滑動(dòng)機(jī)構(gòu)等特征現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在高于開始再結(jié)晶溫度的100－200℃。增加變形速度時(shí)會(huì)使高溫變形機(jī)構(gòu)的溫度邊界向更高的溫度方向移動(dòng)。2/1/202319在溫加工溫度區(qū)間通常呈現(xiàn)形變時(shí)效現(xiàn)象，使金屬的變形抗力升高和塑性下降。在鋼中形變時(shí)效出現(xiàn)的溫度為400℃左右(蘭脆現(xiàn)象)，在難熔金屬中，特別是含過多的氧、氮和碳時(shí)，也出現(xiàn)形變時(shí)效現(xiàn)象。金屬的硬化和塑性的降低是與析出這些元素化合物的高彌散質(zhì)點(diǎn)有關(guān)。若因提高變形速度使彌散硬化來不及形成時(shí)，將不出現(xiàn)金屬塑性的下降。2/1/202320高溫塑性變形（熱變形）在此溫度區(qū)間提高變形溫度會(huì)使金屬的塑性升高。但在0.5－0.8Tm的溫度范圍內(nèi)的某一較窄的溫度區(qū)間可觀察到由于晶間斷裂而使塑性明顯下降的現(xiàn)象。這種高于再結(jié)晶溫度時(shí)所出現(xiàn)的塑性下降現(xiàn)象稱為紅脆。2/1/202321紅脆是各種化合物在晶界上的偏析所造成，如易熔化合物(氧化物、硫化物)，易熔金屬(鉛、錫、銻)，脆性化合物(碳化物、氮化物)等的偏析。紅脆斷裂的性質(zhì)是相同的，但機(jī)理不同。夾雜的偏析屬于擴(kuò)散過程，有助于擴(kuò)散的因素皆會(huì)促使紅脆的產(chǎn)生。易熔化合物的偏析會(huì)引起晶界熔化和使晶界的強(qiáng)度下降，因此在斷裂時(shí)形成光澤的熔化表面。脆性化合物是引起難熔金屬和合金紅脆的原因，硬的脆性化合物阻礙晶界滑移，使沿晶界的連續(xù)變形遭到破壞，導(dǎo)致晶間斷裂。2/1/202322當(dāng)變形速度升高時(shí)，會(huì)抑制“紅脆”的出現(xiàn)。這是因?yàn)橐种屏丝刂凭чg破壞的熱活化擴(kuò)散過程和減少了晶間變形對(duì)總變形的貢獻(xiàn)。在低變形速度和在紅脆溫度區(qū)間的具有最低塑性的溫度條件下，雜質(zhì)原子在應(yīng)力作用下的遷移加速。雜質(zhì)沿晶界產(chǎn)生偏析，促使晶間斷裂。2/1/202323雖然金屬的塑性和變形溫度、變形速度的關(guān)系非常復(fù)雜，但在金屬塑性加工的實(shí)際中，當(dāng)變形速度在0.001－100秒-1的區(qū)間時(shí)，仍可找出一定的基本規(guī)律。如下圖所示。2/1/202324變形溫度分別為(a):T=(0.9～1.0)Tm、(b):T=(0.5～0.9)Tm、(c):T=(0.2～0.5)Tm、(d):T=(0.0～0.2)Tm（Tm是金屬的熔點(diǎn)溫度）2/1/202325在＞0.9Tm的溫度區(qū)間，提高溫度會(huì)使金屬的塑性急劇下降(過熱和過燒)。對(duì)具有高變形抗力的鋼和合金來講，提高變形速度會(huì)產(chǎn)生不好的效果。這是因?yàn)橛捎跓嵝?yīng)稍使變形金屬的溫度升高，就會(huì)促使晶間的低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化，出現(xiàn)晶間斷裂(圖a)。從相應(yīng)的顯微照片中可以看到沿晶界有低熔共晶體和內(nèi)部氧化(過燒)的痕跡。2/1/202326對(duì)于某些合金，其中包括鎳基的彌散強(qiáng)化合金，其高塑性區(qū)(0.7－0.9)Tm的溫度界限是很窄的。在此溫度區(qū)間大多數(shù)鋼在各種變形速度下都有高塑性。在紅脆區(qū)(0.5－0.8)Tm，純的細(xì)晶變態(tài)鋼和合金具有較高的塑性，并隨變形速度的增加變化甚小(圖b1)。工業(yè)純的粗晶粒鋼和合金呈現(xiàn)出紅脆性，當(dāng)變形速度升高時(shí)，其塑性有所改善(圖b3)，并可阻止晶間裂紋的擴(kuò)展。2/1/202327在溫加工溫度區(qū)間(0.2－0.5)Tm，晶內(nèi)滑移占優(yōu)勢(shì)。當(dāng)變形溫度接近上限時(shí)，金屬的塑性有明顯的升高。在絕熱過程中，在變形速度非常高的情況下，變形速度的增加使金屬的塑性升高(圖c)；或者在帶有彌散強(qiáng)化的金屬中，在低速情況下，隨著變形速度的升高，金屬的塑性也增加，其對(duì)變形溫升敏感。2/1/202328在冷變形溫度區(qū)間(0－0.2)Tm，也出現(xiàn)類似溫加工時(shí)的現(xiàn)象。其區(qū)別是在高速變形中金屬的熱效應(yīng)更大些(圖d)。在體心立方金屬中，隨著變形速度的升高，由于滑移機(jī)構(gòu)被孿生機(jī)構(gòu)所代替，金屬的塑性下降。這一點(diǎn)與溫加工變形類此只不過更強(qiáng)烈些。對(duì)面心立方金屬來講，隨著變形速度的升高，金屬塑性下降得稍差些。2/1/2023297.2.3變形的力學(xué)條件應(yīng)力狀態(tài)是影響金屬塑性的重要因素。實(shí)踐證明，當(dāng)金屬由單向拉應(yīng)力狀態(tài)過渡到三向拉應(yīng)力狀態(tài)時(shí)其塑性有顯著下降，在某些情況下可能發(fā)生脆性斷裂。金屬在塑性變形中所承受的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其塑性的發(fā)揮有顯著的影響，靜水壓力值越大，金屬的塑性發(fā)揮得越好。

2/1/2023302/1/202331按應(yīng)力狀態(tài)圖的不同，可將其對(duì)金屬塑性的影響順序做這樣的排列：三向壓應(yīng)力狀態(tài)圖最好，兩向壓一向拉次之，兩向拉一向壓更次，三向拉應(yīng)力狀態(tài)圖為最次。在塑性加工的實(shí)際中，即使其應(yīng)力狀態(tài)圖相同，但對(duì)金屬塑性的發(fā)揮也可能不同。例如，金屬的擠壓，圓柱體在兩平板間壓縮和板材的軋制等，其基本的應(yīng)力狀態(tài)圖皆為三向壓應(yīng)力狀態(tài)圖，但對(duì)塑性的影響程度卻不完全一樣。這就要根據(jù)其靜水壓力的大小來判斷。靜水壓力越大，變形金屬所呈現(xiàn)的塑性越大。2/1/202332靜水壓力提高金屬塑性的原因：（1）體壓縮能夠遏止晶粒邊界的相對(duì)移動(dòng)，使晶間變形困難。因?yàn)樵谒苄约庸?shí)際中，有時(shí)是不允許晶間變形存在的。在沒有修復(fù)機(jī)構(gòu)(再結(jié)晶機(jī)構(gòu)和溶解沉積機(jī)構(gòu))時(shí)，晶間變形會(huì)使晶間顯微破壞得到積累，進(jìn)而迅速地引起多晶體的破壞。2/1/202333（2）體壓縮能促進(jìn)由于塑性變形和其它原因而破壞了的晶內(nèi)聯(lián)系的恢復(fù)。這樣，隨著明顯的體壓縮的增加，使金屬變得更為致密，其各種顯微破壞得到修復(fù)，甚至其宏觀破壞(組織缺陷)也得到修復(fù)。（3）體壓縮能完全或局部地消除變形物體內(nèi)數(shù)量很小的某些夾雜物甚至液相對(duì)塑性的不良影響。（4）體壓縮能完全抵償或者大大降低由于不均勻變形所引起的拉伸附加應(yīng)力，從而減輕了拉應(yīng)力的不良影響。2/1/202334變形狀態(tài)對(duì)塑性的影響因?yàn)閴嚎s變形有利于塑性的發(fā)揮而延伸變形有損于塑性，所以主變形圖中壓縮分量越多，對(duì)充分發(fā)揮金屬的塑性越有利。按此原則可將主變形圖排列為：兩向壓縮一向延伸的主變形最好，一向壓縮一向延伸次之，兩向延伸一向壓縮的主變形圖最差。2/1/202335主變形圖對(duì)金屬中缺陷形態(tài)的影響2/1/202336由三向壓縮主應(yīng)力圖和兩向壓縮一向延伸的主變形圖相組合的變形力學(xué)圖是易利于發(fā)揮金屬塑性。在實(shí)際的壓力加工生產(chǎn)中擠壓就具備了這種變形力學(xué)圖。雖然三向壓應(yīng)力狀態(tài)最能發(fā)揮金屬的塑性，但在塑性加工時(shí)會(huì)使單位變形力增加。因此，在選擇加工方法時(shí)應(yīng)視具體條件而定。2/1/2023377.2.4其它因素分散變形的影響

尺寸因素的影響

周圍介質(zhì)的影響

2/1/202338分散變形的影響由于在分散變形中每次所給予的變形量都比較小，遠(yuǎn)低于塑性指標(biāo)，有：變形金屬內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力較小，不足以引起金屬的斷裂。在各次變形的間隙時(shí)間內(nèi)由于軟化的發(fā)生，使塑性在一定程度上得以恢復(fù)。對(duì)其組織有一定的改善。所有這些都為進(jìn)一步加工創(chuàng)造了有利的條件，結(jié)果使斷裂前可能發(fā)生的總變形程度大大提高。2/1/202339尺寸因素的影響一般是隨著物體體積的增大，塑性下降，但當(dāng)體積增大到一定程度后，塑性不再減小。組織因素的影響。在實(shí)際的變形金屬內(nèi)，一般都存在大量的組織缺陷。這些組織缺陷在變形物體內(nèi)是不均勻分布的。在單位體積內(nèi)平均缺陷數(shù)量相同的條件下，變形物體的體積越大，它們的分布越不均勻，使其應(yīng)力的分布也越不均勻，因而引起金屬塑性的降低。因此，大鋼錠的塑性總比小鋼錠的塑性低。表面因素的影響。表面因素可用物體的表面積與體積之比來表示，有時(shí)也用接觸表面積與體積之比來表示。變形物體的體積越小，上述比值越大，對(duì)塑性越有利