第16講 變形抗力概念及測定方法

金屬塑性變形理論

Theoryofmetalplasticdeformation

第十六講LessonSixteen張貴杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092/5/20231第八章金屬的塑性變形抗力主要內(nèi)容MainContent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2/5/202328.1變形抗力的概念及測定方法變形抗力的概念變形抗力的測定方法2/5/202338.1.1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進行塑性變形時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應(yīng)力狀態(tài)(單向拉伸、單向壓縮)下所測定的流動應(yīng)力來表示。有的書稱此應(yīng)力為真實變形抗力。2/5/20234實際塑性加工時，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)下進行的。因此，對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)下所測定的變形抗力為大。其關(guān)系可用下式表示：式中——主作用力方向上的平均單位變形力；——在單向應(yīng)力狀態(tài)下所測定的變形抗力；——應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù)。一般＞1。2/5/20235因塑性加工時所需的變形力(其中F為接觸面積在與P垂直方向上的投影)，所以，在計算變形力時必須首先要求出金屬的變形抗力。2/5/202368.1.2變形抗力的測定方法這里所介紹的變形抗力測定方法是指在簡單應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力狀態(tài)在變形物體內(nèi)均勻分布時的變形抗力測定。測定方法有：（1）拉伸試驗法（2）壓縮試驗法（3）扭轉(zhuǎn)試驗法2/5/20237拉伸試驗法拉伸試驗中所用的試樣通常為圓柱體，在拉伸變形體積內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)為單向拉伸，并均勻分布。拉應(yīng)力：應(yīng)變：2/5/20238在選擇拉伸試樣材質(zhì)時，很難保證其內(nèi)部組織均勻，其內(nèi)部各晶粒，甚至一個晶粒內(nèi)部的各質(zhì)點的變形和應(yīng)力也不可能完全均一。所示，在此試驗中所測定的應(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勻的拉伸變形的，其不均勻變形程度要比壓縮變形小得多。用拉伸法不足之處在于其所得到的均勻變形程度一般不超過20～30％。2/5/20239壓縮試驗法壓縮變形時，變形金屬所承受的單向壓應(yīng)力，即變形抗力為：應(yīng)變：2/5/202310在壓縮試驗中完全消除接觸摩擦的影響是很困難的，所以，所測出的應(yīng)力值稍偏高。在試驗中為消除或減小接觸摩擦的影響可采取在試樣的端部涂潤滑劑，加柔軟墊片等措施。增大H／d值也可使接觸摩擦對變形過程的影響減小。但通常不能使H／d大于2～2.5，否則在壓縮時試樣容易彎曲而使壓縮不穩(wěn)定。對于H／d＞2的試樣，當(dāng)變形程度較小時，接觸摩擦對變形過程的影響不大。壓縮法的優(yōu)點在于它能使試樣產(chǎn)生更大的變形。2/5/202311扭轉(zhuǎn)試驗法扭轉(zhuǎn)試驗時，在圓柱體試樣的兩端加以大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩M，在此二轉(zhuǎn)矩M的作用下試樣產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角f。在試驗中測定f值。在試樣中的應(yīng)力狀態(tài)為純剪切。但此應(yīng)力狀態(tài)的分布是不均勻的，其分布規(guī)律是：2/5/202312在試樣的軸心處r＝0，則t＝0。t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：2/5/202313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，試樣的壁厚越薄，應(yīng)力狀態(tài)越均勻。此時剪切應(yīng)力為：扭轉(zhuǎn)法應(yīng)用不廣2/5/2023148.2影響變形抗力的主要因素化學(xué)成份應(yīng)力狀態(tài)組織結(jié)構(gòu)變形溫度接觸摩擦變形速度變形程度……2/5/2023158.2.1化學(xué)成份對變形抗力的影響化學(xué)成份對變形抗力的影響非常復(fù)雜。一般情況下，對于各種純金屬，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。合金元素對變形抗力的影響，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陣畸變程度愈大，變形抗力也越大。2/5/202316圖(a)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應(yīng)于固溶體的最大飽和度，從而對應(yīng)于點陣的最大畸變。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。共晶體混合物可由純金屬構(gòu)成，也可由其他化合物或固溶體構(gòu)成。圖(c)是形成化合物的二元合金的硬度隨成分變化的圖示。2/5/202317碳在較低的溫度下隨著鋼中含碳量的增加，鋼的塑性變形抗力升高。溫度升高時其影響減弱。圖中示出，在不同變形溫度和變形速度條件下，壓下率為30％時含碳量對變形抗力的影響?？梢?，低溫時的影響比高溫時大得多。2/5/202318錳由于鋼中含錳量的增多，可使鋼成為中錳鋼和高錳鋼。其中中錳結(jié)構(gòu)鋼(15Mn～50Mn)的變形抗力稍高于具有相同含碳量的碳鋼，而高錳鋼(Mnl2)有更高的變形抗力。2/5/202319硅鋼中含硅對塑性變形抗力有明顯的影響。用硅使鋼合金化時，可使鋼的變形抗力有較大的提高。例如，含硅量為1.5％～2.0％的結(jié)構(gòu)鋼(55Si2、60Si2)在一般的熱加工條件下，其變形抗力比中碳鋼約高出20％～25％。含硅量高達5％～6％以上時，熱加工較為困難。2/5/202320鉻對含鉻量為0.7～1.0％的鉻鋼來講，影響其變形抗力的不是鉻，而是鋼中的含碳量。這些鋼的變形抗力僅比其相應(yīng)含碳量的碳鋼高5～10％。高碳鉻鋼GCr6～GCrl5(含鉻量0.45～1.65％)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。高鉻鋼1Crl3～4Crl3、Crl7、Cr23等在高速下變形時其變形抗力大為提高。2/5/202321鎳鎳在鋼中可使變形抗力稍有提高。但是，對25NiA，30NiA和13Ni2A等來講，其變形抗力與碳鋼相差不大。含鎳量較高的鋼(Ni25~Ni28)，這種差別是很大的。在許多情況下，在鋼中同時加入幾種合金元素，例如在鋼中加入鉻和鎳。這時，鋼中的碳、鉻和鎳對變形抗力都要產(chǎn)生影響。12CrNi3A鋼的變形抗力比45號碳鋼高出20％。Cr18Ni9Ti鋼的變形抗力比碳鋼提高50％。2/5/2023228.2.2組織結(jié)構(gòu)對變形抗力的影響晶粒大小結(jié)構(gòu)變化單相組織和多相組織2/5/202323晶粒大小金屬的變形抗力與其組織有密切關(guān)系，其中晶粒大小是一個重要因素。試驗結(jié)果表明，晶粒越細小變形抗力越大。也有人認為，當(dāng)晶粒變小時，晶粒的表面積相對增大，從而使表面力（表面張力和周圍晶粒影響所產(chǎn)生的力)增大，結(jié)果使變形抗力升高。2/5/202324在變形金屬中夾雜物的存在也會影響到變形抗力。在一般情況下，夾雜物會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原因就在于此。雜質(zhì)含量對變形抗力有影響，含量增大，抗力顯著增大。2/5/202325雜質(zhì)的性質(zhì)與分布對變形抗力構(gòu)成影響。雜質(zhì)原子與基體組元組成固溶體時，會引起基體組元點陣畸變，從而提高變形抗力。雜質(zhì)元素在周期表中離基體愈遠，則雜質(zhì)的硬化作用愈強烈，因而變形抗力提高愈顯著。若雜質(zhì)以單獨夾雜物的形式彌散分布在晶粒內(nèi)或晶粒之間，則對變形抗力的影響較小。若雜質(zhì)元素形成脆性的網(wǎng)狀夾雜物，則使變形抗力下降。2/5/202326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，即發(fā)生了相變，則抗力也會發(fā)生一定的變化。組織狀態(tài)不同，抗力值也有差異，如退火態(tài)與加工態(tài)，抗力明顯不同。2/5/202327單相組織與多相組織當(dāng)合金是單相組織時，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，第二相的性質(zhì)、