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塑性的基本概念和塑性指标

时间: 2011-07-12 15:01 来源: 作者: 点击:

(1)塑性的基本概念
所谓塑性,是指金属在外力作用下,能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力,它是金属的一种重要的加工性能。
(2)塑性指标
为了衡量金属材料塑性的好坏,需要有一种数量上的指标,称为塑性指标。塑性指标是以材料开始破坏时的塑性变形量来表示,它可以借助于各种实验方法来测定。
 
1) 拉伸试验
  动态图
在拉伸试验中可以确定两个塑性指标—伸长率δ( % )和断面收缩率ψ( % ),即
δ=(LK-LO)/LO×100%
ψ=(AO-AK)/AO×100%

式中 LO—拉伸试样原始标距长度;

LK—拉伸试样破断后标距的长度;

AO—拉伸试样原始断面积;

AK —拉伸试样破断处的断面积。
 
2)镦粗试验
  动态图
将圆柱体试样在压力机或落锤上进行镦粗,试样的高度一般为直径DO 的 1.5 倍(例如 HO=30mm, DO=20mm),试样侧表面出现第一条裂纹时的压缩程度ε作为塑性指标,即
εc =(HO-HK)/HO×100%

式中 HK—镦粗试样侧表面出现第一条裂纹时的高度。
 
3)扭转试验
 
4)杯突试验
常用的胀形试验为杯突试验,试验时,将试样置于凹模与压边圈之间夹紧,球状冲头向上运动使试样胀成凸包,直到凸包产生裂纹为止,测出此时的凸包高度 IE 记为杯空试验值。
  杯突试验 动态图
 

2.4.2 金属的化学成分和组织对塑性的影响

 
(1)化学成分的影响
1)碳钢中碳和杂质元素的影响
  碳含量对碳钢力学性能的影响
  氢在钢中的溶解度与温度的关系
2)合金元素对钢的塑性的影响
  合金元素对铁素体伸长率和韧性的影响

 

 

锡和铅对wc=0.2%-0.25%碳钢热成形性能的影响
(2) 组织的影响
1)相组成的影响
单相组织(纯金属或固溶体)比多相组织塑性好。
2)晶粒度的影响
细晶组织比粗晶组织具有更好的塑性。
3) 铸造组织的影响
  Cr-Ni-Mo钢铸造组织和锻造组织塑性的差别
 

2.4.3 变形温度对金属塑性的影响

 
变形温度对金属的塑性有重大的影响。就大部分金属来言,其总的趋势是:随着温度的升高,塑性增加,但是这种增加并非简单的线性上升。
  碳钢的塑性随温度的变化曲线
 

2.4.4反应速率对金属塑性的影响

 
现有塑性成形设备的工作速度差别很大,水压机约 1-10cm/s ,机械压力机约 30-100cm/s ,通用锻锤约 500-900cm/s 。
 
(1)热效应与温度效应
从能量的观点看,塑性变形时金属所吸收的能量,绝大部分转化为热能,这种现象称为热效应。在 20 塑性压缩的情况下,对镁、铝、铜和铁等金属,塑性变形热能约占变形体所吸收能量的 85%-90% ;而上述金属的合金约占 75%-85% 。
塑性变形热能,除一部分散失到周围介质中,其余的使变形体温度升高,这种由于塑性变形过程中所产生的热量而使变形体温度升高,这种由于塑性变形过程中所产生的热量而使变形体温度升高的现象,称为温度效应
(2)应变速率对塑性的影响机理
(3) 应变速率对金属塑性的影响的一些基本结论
  应变速率对塑性的影响的示意曲线
   
从工艺性能的角度来看,提高应变速率会在以下几个方面起有利作用:第一,降低摩擦系数,从而降低金属的流动阻力、改善金属的充填性及变形的不均匀性;第二,减少热成形时的热量损失,从而减少毛坯温度的下降和温度分布的不均匀性,这对于工件形状复杂(如具有薄壁,高筋等)且材料的锻造温度范围又较窄的生产场合是有利的;第三,出现所谓“惯性流动效应”,从而改善金属的充填性,这对于象薄辐板类齿轮、叶片等复杂工件的模锻成形是有利的。
 
(4) 塑性图
  三种铝合金的塑性图
  GH镍基高温合金的塑性图
 
为了具体掌握不同变形条件下,金属的塑性随温度变化的情形,需要用实验方法绘制其塑性 - 温度曲线,简称塑性图
 

2.4.5变形力学条件对金属塑性的影响

 
研究变形力学条件对塑性的影响,实质上就是研究应力状态和应变状态对塑性的影响。
(1) 应力状态的影响
 

卡尔曼试验仪器的工作部分 动态图

大理石和红砂石三向受压的试验结果

 

最能清楚显示应力状态对塑性的影响的则是卡尔曼的大理石和红砂石实验。卡尔曼将圆柱形大理石和红砂石试样置于特制仪器中进行压缩,该仪器除了轴向加压外,还可以对试样施加侧向压力(用甘油注入仪器的试验腔内)。试验表明,在只有侧向压力同时作用下,却表现出一定的塑性,侧向压力越大,变形所需的轴向压力和材料的塑性也越高。卡尔曼试验仪器的工作部分和试验的结果如图所示。

由于受到当时试验条件的限制,卡尔曼所得到的大理石压缩程度约为 8%-9% ,红砂石的约为 6%-7% ,后人在更大的侧向压力下进行大理石压缩试验,获得了高达 78% 的压缩程度。
应力状态对塑性的影响去实际作用的是其应力球张量部分,它反映了质点三向均等受压(或受拉)的程度。应力球张量的每个分量称为平均应力或静水应力,它的负值称为静水压力。这样,应力状态对塑性的影响就最终归结为其静水压力对塑性的影响。当静水压力越大,也即在主应力状态下压应力个数越多、数值越大时,金属的塑性就越好;反之,如拉应力个数越多、数值越大 ,即静水压力越小时,则金属的塑性越差。
 
静水压力越大金属的塑性会越高
1)拉伸应力会促进晶间变形、加速晶界的破坏;而压缩应力能阻止或减少晶间变形,随着静水压力的增大,晶间变形越加困难,因而提高了金属的塑性。
2)三向压缩应力有利于愈合塑性变形过程中产生的各种损伤;而拉应力则相反,它促使损伤的发展。例如,在某晶粒的滑移面上,由于滑移变形而产生一显微缺陷,若此时滑移面上作用着拉应力,则会促使原子层的彼此分离,加速晶粒的破坏;反之,若作用着压应力,则有利于该缺陷的闭合和消除。
滑移面上的显微缺陷受拉应力和压应力作用示意
  动态图
3)当变形体内原先存在着少量对塑性不利的杂质、液态相或组织缺陷时,三向压缩作用能抑制这些缺陷,全部或部分地消除其危害;反之,在拉应力作用下,将在这些地方产生应力集中,促进金属的破坏。
4)增大静水压力能抵消由于不均匀变形引起的附加拉应力,从而减轻了附加拉应力所造成的拉裂作用。
 
在塑性加工中,人们通过改变应力状态来提高金属的塑性,以保证生产的顺利进行,并促进工艺的发展。例如,在平毡上拨长合金钢时,容易在毛坯心部产生裂纹,改用 V 型毡后,由于工具侧面压力的作用,减少了毛坯心部的拉应力,从而可避免裂纹的产生。某些有色合金和耐热合金,由于塑性差需要采用挤压方法进行开坯或成形;但即使是这样,有时仍不能避免毛坯挤出端的开裂,为此可采用加反挤压或包套挤压等方法,来进一步提高静水压力,以防止裂纹的产生。在板料冲裁和棒料切断工序中,由于剪裂纹的产生而降低剪切面的质量。若对毛坯(或剪切区)施加强大的压应力,则可提高金属塑性,抑制剪裂纹的产生,使塑性剪变位能延续到剪切的全过程,从而获得光滑的剪切面。具有强大齿圈压板的精密冲裁和施加轴向压力的棒料精密剪切就是依据这个原理
 

型毡拔长圆断面毛坯

加反压力挤压

包套挤压

精密冲裁

轴向加压剪切

 

动态画

动态图

动态画

动态画

 
(2) 应变状态的影响
  主应变图对金属中缺陷形态的影响
应变状态对金属的塑性亦有一定的影响。一般认为,压缩应变有利于塑性的发挥,而拉伸应变则对塑性不利。因此,在三种主应变状态图中,两向压缩一向拉伸为最好,一向压缩一向拉伸为次之,而一向压缩两向拉伸的为最差。这是因为金属(特别是铸锭)中不可避免地存在着气孔、夹杂物等缺陷,这些缺陷在一向拉伸、两向拉伸应变条件下,有可能向两个方向扩展而变为面缺陷;反之,在两向压缩一向拉伸应变条件下,则可收缩成线缺陷,其对塑性的危害性减小。这些情况可以用图形象化地表示。

具有三向压缩主应力图和两向压缩一向拉伸主应变图的塑性加工方法,最有利于发挥金属的塑性。挤压或反压力挤压、闭式模锻等即属于此。

 

2.4.6 其他因素对金属塑性的影响

 
(1)不连续变形的影响
  Cr13钢不连续扭转的实验结果
在不连续变形(或多次分散变形)的情况下,金属的塑性亦能得到提高,特别是低塑性金属热变形时更为明显。
 
(2)尺寸(体积)因素的影响
变形体的尺寸(体积)会影响金属的塑性。尺寸越大,塑性越低;但当变形体的尺寸(体积)达到某一临界值时,塑性将不再随体积的增大而降低
  变形体体积对塑性的影响

2.4.7 提高金属塑性的基本途径

(1) 提高材料成分和组织的均匀性
(2) 合理选择变形温度和应变速率
(3) 选择三向压缩性较强的变形方式
(4) 减小变形的不均匀性

不均匀变形会引起附加应力,促使裂纹的产生。

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