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1、第1章金属的塑性第3节影响塑性的因素1第1页，共40页，编辑于2022年，星期一第一章第一章 第第3 3节节 影响塑性变形的因素影响塑性变形的因素2第2页，共40页，编辑于2022年，星期一可锻性可锻性常用金属材料在经受压力加工产生塑性变形的工艺性能来表示。常用金属材料在经受压力加工产生塑性变形的工艺性能来表示。塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形，而不破坏其完整性的能是指金属材料在外力作用下产生永久变形，而不破坏其完整性的能力。力。变形抗力变形抗力是指金属对变形的抵抗力。是指金属对变形的抵抗力。材料的性质材料的性质(内因内因)加工条件加工条件(外因外因)化学成分的影响化学成分的影响组
2、织结构的影响组织结构的影响变形温度的影响变形温度的影响变形程度的影响变形程度的影响变形速度的影响变形速度的影响应力状态的影响应力状态的影响接触摩擦等的影响接触摩擦等的影响3第3页，共40页，编辑于2022年，星期一1.1.杂质的影响杂质的影响例例3.铁中的杂质：铁中的杂质：磷磷冷脆性；冷脆性；硫硫热脆性；热脆性；碳、氮碳、氮时效脆性；时效脆性；氢氢氢脆现象，白点氢脆现象，白点(细小裂纹细小裂纹)一般而言，金属的塑性是随纯度的提高而增加的一般而言，金属的塑性是随纯度的提高而增加的 例例2.化学纯铁具有非常大的塑性，但工业纯铁，例如阿化学纯铁具有非常大的塑性，但工业纯铁，例如阿姆克铁，其塑性却不完
3、全如此。铸态的阿姆克铁在姆克铁，其塑性却不完全如此。铸态的阿姆克铁在1000左右，塑性急剧下降。左右，塑性急剧下降。例例1.纯铝：纯度纯铝：纯度99.96%，延伸率，延伸率45%98%，延伸率，延伸率30%一、化学成分的影响一、化学成分的影响4第4页，共40页，编辑于2022年，星期一钢铁材料5第5页，共40页，编辑于2022年，星期一2.2.合金元素的影响合金元素的影响一般而言，合金元素对塑性的影响程度取决于合金一般而言，合金元素对塑性的影响程度取决于合金元素的特性、加入数量和元素间的相互作用。元素的特性、加入数量和元素间的相互作用。50403020100246810 12020406080
4、100,%,b,10MPaHB,公公斤斤/毫毫米米2,%,b,10MPaHB,10MPa2520151050246810020406080100Al,%Zn,%Mg-Al-Zn系变形镁合金中的铝、锌含量对塑性和强度有影响 6第6页，共40页，编辑于2022年，星期一铁碳合金相图铁碳合金相图PaFe3C亚共析钢共析钢过共析钢7第7页，共40页，编辑于2022年，星期一8第8页，共40页，编辑于2022年，星期一二、组织结构的影响二、组织结构的影响晶粒大小结构变化单组织和多组织9第9页，共40页，编辑于2022年，星期一晶粒大小晶粒大小 金属和合金的晶粒愈细，同一体积内的晶界愈多。在室温下由于晶界
5、强度金属和合金的晶粒愈细，同一体积内的晶界愈多。在室温下由于晶界强度高于晶内，所以金属和合金的变形抗力就高。高于晶内，所以金属和合金的变形抗力就高。晶粒度级别晶粒度级别晶粒度级别越高，晶粒越细。工业中常用的细晶粒是晶粒度级别越高，晶粒越细。工业中常用的细晶粒是7-8级，级，晶粒尺寸为晶粒尺寸为0.022mm左右左右10第10页，共40页，编辑于2022年，星期一结构变化结构变化 金属和合金的性质取决于结构，即取决于原子间的结合方式金属和合金的性质取决于结构，即取决于原子间的结合方式和原子在空间排布情况。当原子的排布方式发生变化时，即发生和原子在空间排布情况。当原子的排布方式发生变化时，即发生了
6、相变，则抗力也会发生一定的变化了相变，则抗力也会发生一定的变化.11第11页，共40页，编辑于2022年，星期一单组织和多组织单组织和多组织当合金为单相组织时，单相固溶体中合金当合金为单相组织时，单相固溶体中合金元素含量愈高元素含量愈高，变形抗力则愈变形抗力则愈高高，这是晶格崎变的后果，当合金为多相组织时，第二相的性质、大小、，这是晶格崎变的后果，当合金为多相组织时，第二相的性质、大小、形状、数量与分布状况对变形抗力都有影响。形状、数量与分布状况对变形抗力都有影响。一般而言，硬而脆的一般而言，硬而脆的第二相第二相在基本相晶粒内呈颗粒状弥散分布，合在基本相晶粒内呈颗粒状弥散分布，合金的抗力就高。
7、第二相越细，分布越均匀，数量越多，则变形抗力金的抗力就高。第二相越细，分布越均匀，数量越多，则变形抗力越高。越高。举例：举例：1.两相黄铜（两相黄铜（Cu-Zn合金）中，若合金）中，若 相（软相）以细针状分布于相（软相）以细针状分布于 晶粒的基体中，则有较大的塑性；若晶粒的基体中，则有较大的塑性；若 相以细小圆形夹杂物形相以细小圆形夹杂物形态析出，则黄铜的塑性较低。态析出，则黄铜的塑性较低。2.钢中的碳化物，呈板状渗碳体，则加工性能不好，当经过球钢中的碳化物，呈板状渗碳体，则加工性能不好，当经过球化热处理使其呈球状分布时，则提高了塑性化热处理使其呈球状分布时，则提高了塑性 12第12页，共40
8、页，编辑于2022年，星期一三、变形温度的影响三、变形温度的影响温度升高：温度升高：（1 1）回复再结晶）回复再结晶（2 2）多相组织变为单相组织，滑移系可能增多）多相组织变为单相组织，滑移系可能增多（3)3)晶界的临界剪切应力降低，使晶界滑动容易进行晶界的临界剪切应力降低，使晶界滑动容易进行(4)(4)原子热振动加剧，晶格中的原子处于一种不稳定状态，产生热原子热振动加剧，晶格中的原子处于一种不稳定状态，产生热塑性（扩散塑性）塑性（扩散塑性）几乎所有金属与合金的变形抗力都随温度升高而降低。几乎所有金属与合金的变形抗力都随温度升高而降低。但是但是对于那些随对于那些随温度变化产生物理化学变化和相变
9、的金属与合金，则存在例外。温度变化产生物理化学变化和相变的金属与合金，则存在例外。13第13页，共40页，编辑于2022年，星期一塑性指标温度，K温度对塑性影响的典型曲线低温脆性区、中温脆性区低温脆性区、中温脆性区 高温脆性区高温脆性区一般金属有1-2个脆性区14第14页，共40页，编辑于2022年，星期一其塑性随温度而变化的曲线图，称为其塑性随温度而变化的曲线图，称为塑性图塑性图。塑性图表明了该金属最有利。塑性图表明了该金属最有利的加工温度范围，是拟定热变形规程的必备资料之一的加工温度范围，是拟定热变形规程的必备资料之一 纯铝无氧铜几种铝合金及铜合金的塑性图 15第15页，共40页，编辑于2
10、022年，星期一在370420的温度范围内进行热轧时，不但塑性较好，而且变形抗力也较小 塑性温度，碳钢的塑性随温度变化图塑塑性性16第16页，共40页，编辑于2022年，星期一 变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形和流动变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形和流动的差异。变形首先发生在那些变形抗力最小的部分。一般，在的差异。变形首先发生在那些变形抗力最小的部分。一般，在同一变形物体中高温部分的变形抗力低，低温部分的变形抗力。同一变形物体中高温部分的变形抗力低，低温部分的变形抗力。轧制前使两者的温度不同，可减小弯曲程度17第17页，共40页，编辑于2022年，星期一四、变形程度的影响四
11、、变形程度的影响 无论在室温或高温条件下，只要回复和再结晶过程来不无论在室温或高温条件下，只要回复和再结晶过程来不及进行，则随着变形程度的增加必然产生加工硬化，使变及进行，则随着变形程度的增加必然产生加工硬化，使变形抗力增大，通常变形程度在形抗力增大，通常变形程度在3030以下时，变形抗力增加显以下时，变形抗力增加显著。当变形程度较大时，变形抗力增加缓慢，这是因为变形程度著。当变形程度较大时，变形抗力增加缓慢，这是因为变形程度的进一步增加，晶格崎变能增加，促进了回复与再结晶过程的发的进一步增加，晶格崎变能增加，促进了回复与再结晶过程的发生与发展，也使变形热效应增加。生与发展，也使变形热效应增加
12、。伴随加工硬化过程和回复再结晶过程伴随加工硬化过程和回复再结晶过程18第18页，共40页，编辑于2022年，星期一五、变形速度的影响五、变形速度的影响变形速度对塑性的影响，实质上是加工硬化和变形速度对塑性的影响，实质上是加工硬化和变形热效应变形热效应的共同的共同作用。作用。热效应：热效应：金属在塑性变形时塑性变形能转化为热能的现象。金属在塑性变形时塑性变形能转化为热能的现象。温度效应：温度效应：塑性变形过程中，因金属发热而促使温度升高的效应塑性变形过程中，因金属发热而促使温度升高的效应铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度合 金 号挤压系数挤压速度（毫米/秒）金属
13、温度 L411150158195LD21116150294315LY111116150340350LY11316530819第19页，共40页，编辑于2022年，星期一变形温度、变形速度对塑性和变形抗力的影响应统一考虑，通常称为变形温度、变形速度对塑性和变形抗力的影响应统一考虑，通常称为温度温度-速度条件速度条件。20第20页，共40页，编辑于2022年，星期一冲头冲头试样试样试验腔室试验腔室液体注入口液体注入口1-2大气压1-2大气压（a）大理石；（b）红砂石；脆性材料的各向压缩曲线轴向压力；侧向压力 卡尔曼仪器 五、应力状态的影响五、应力状态的影响21第21页，共40页，编辑于2022年，
14、星期一 变形抗力是一个与应力状态有关的量。例如，假设棒材挤压与拉拔变形抗力是一个与应力状态有关的量。例如，假设棒材挤压与拉拔的变形量一样，但变形力肯定不一样。从主应力图与主应变图上可知，的变形量一样，但变形力肯定不一样。从主应力图与主应变图上可知，挤压力为挤压力为 ，拉拔抗力也为，拉拔抗力也为 ，由，由 TrescaTresca屈服准则屈服准则:22第22页，共40页，编辑于2022年，星期一应变状态：压缩应变有利于塑性的发挥，拉伸应变对塑性应变状态：压缩应变有利于塑性的发挥，拉伸应变对塑性不利。不利。23第23页，共40页，编辑于2022年，星期一锤头坯料偏心轴 在包套内压缩 高速精锻机 平
15、砧拔长圆形截面坯料时的变形区和横向应力的分布型砧拔长24第24页，共40页，编辑于2022年，星期一六、摩擦因素六、摩擦因素 实际变形抗力还受接触摩擦影响，一般摩擦力愈大，实际实际变形抗力还受接触摩擦影响，一般摩擦力愈大，实际变形抗力愈大。实际上摩擦的存在使应力状态发生变化，三向变形抗力愈大。实际上摩擦的存在使应力状态发生变化，三向压应力更大，导致变形抗力增大。压应力更大，导致变形抗力增大。摩擦影响的实质：由于摩擦力的作用，在一定程度上摩擦影响的实质：由于摩擦力的作用，在一定程度上 改变了金属的流动特性并使应力分改变了金属的流动特性并使应力分 布受到影响。布受到影响。25第25页，共40页，编
16、辑于2022年，星期一摩擦力的分析要点 塑性加工过程中摩擦的特点 a.伴随有变形金属的塑性流动 b.各处摩擦力方向可能不同 c.接触面上压强高 d.真实接触面积大 e.不断有新的摩擦面产生塑性体镦粗时的摩擦26第26页，共40页，编辑于2022年，星期一 摩擦对塑性加工过程的影响 有利的一面：轧制咬入、开式模锻金属充填、板料拉深防裂 27第27页，共40页，编辑于2022年，星期一 不利的一面：a.改变应力状态，增加变形抗力，影响金属流动性及其充填过程 b.加剧模具的磨损，降低了模具的寿命 c.增加能量消耗 d.引起变形不均匀28第28页，共40页，编辑于2022年，星期一力学性能12体积变形
17、物体体积对力学性能的影响1塑性；2变形抗力；3临界体积点3七、尺寸因素、周边介质等七、尺寸因素、周边介质等29第29页，共40页，编辑于2022年，星期一 提高金属塑性的主要途径提高金属塑性的主要途径为提高金属的塑性，必须设法促进对塑性有利的因素，同为提高金属的塑性，必须设法促进对塑性有利的因素，同时要减小或避免不利的因素。时要减小或避免不利的因素。1.控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；的均匀性；2.采用合适的变形温度采用合适的变形温度速度制度；速度制度；3.选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀选用三向压应力较强
18、的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；性，尽量造成均匀的变形状态；4.避免加热和加工时周围介质的不良影响等，在分析解避免加热和加工时周围介质的不良影响等，在分析解决具体问题时应当综合考虑所有因素，要根据具体决具体问题时应当综合考虑所有因素，要根据具体情况来采取相应的有效措施。情况来采取相应的有效措施。30第30页，共40页，编辑于2022年，星期一第四节第四节 屈服准则1.屈服准则的概念 描述不同应力状态下变形体进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的条件。单向拉伸：s复杂应力状态：f（1，2，3）C f（J1，J2，J3）C 31第31页，共40页，编辑于2022年，星
19、期一2.Tresca屈服准则 最大剪应力准则根据单向拉伸实验，材料进入屈服时 则有：32第32页，共40页，编辑于2022年，星期一3.Mises屈服准则 能量屈服准则单向拉伸屈服时：1 s，230，C2s2纯剪屈服时：1-3K，20，C6K233第33页，共40页，编辑于2022年，星期一 J2(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2/6Mises屈服准则又可表示为：J2 s2/3另外，塑性变形时单元金属体积的单位形状变化弹性位能Uf34第34页，共40页，编辑于2022年，星期一4.屈服准则的几何表示35第35页，共40页，编辑于2022年，星期一36第36页，共40页，编辑于2022年，
20、星期一小结：1.两个屈服面实际相差不多，最大误差15.5。2.屈服面内为弹性区，屈服面上为塑性区。3.当物体承受三向等拉或三向等压应力状态时（OE线），不管其绝对值多大，都不可能发生塑性变形。37第37页，共40页，编辑于2022年，星期一例1：一个两端封闭的薄管经受到的内压力为35MPa，薄壁管的平均半径为300mm。（1）如果材料的s700MPa，根据Tresca屈服准则，为保证薄壁管处于弹性状态，管壁最小的厚度为多少？（2）如果材料的剪切屈服极限为K280MPa，根据Tresca准则，管壁的最小厚度应是多少？例2：用Mises准则解上题。38第38页，共40页，编辑于2022年，星期一5.屈服准则在塑性加工中的实际应用（1）关于屈服准则的正确选用问题对于Mises准则，通常选用其简化表达式：1 3 s （为应力修正系数）在单向受拉或受压及轴对称应力状态，1；在纯切状态和平面应变状态，1.1539第39页，共40页，编辑于2022年，星期一（2）关于控制变形在所需要的部位产生的实例40第40页，共40页，编辑于2022年，星期一