第2章塑性和变形抗力

3）晶间滑移作用增强：晶界切变抗力降低；晶界滑移引起的微裂纹被消
除。 4）金属的组织、结构的变化：多相——单相；晶格的结构改变，如钛： 室温hcp(密排六方)——bcc (体心立方)
• 在加热的某些温度区间，由于相态或晶界状态的 变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。
蓝脆区：中温（200-400℃）区，由于氧化物、氮化物以 沉淀形式在晶界、滑移面上析出； 热脆区：高温（800-950℃）区，珠光体转变为奥氏体， 使得铁素体和奥氏体共存，另外，晶界处可能析出FeSFeO低熔点的共晶体；
高温脆区：加热温度超过1250℃后，由于过热、过烧，
晶粒粗大，晶界出现氧化物和低熔物质的局部熔化
碳钢的塑性随温度的变化曲线
（四）应变速率对塑性的影响
影响是双方面的:
• 一方面，随变形速率的增大，金属的塑性降低：没有足
够的时间进行回复或再结晶，软化过程进行得不充分。 • 另一方面，随着变形速率的增加，在一定程度上使金属 的温度升高，温度效应显著，从而提高金属的塑性。但 对于有脆性转变的金属，则应变速率的增加可能引起塑 性的下降。
（三）变形温度的影响
几乎所有的金属和合金，变形抗力都随温度的升 高而降低； 但是当金属和合金随着温度的变化而发生物理-化 学变化和相变时，会出现相反的情况，如钢在加热过 程中发生的蓝脆和热脆现象。
（四）变形程度的影响
随变形程度的增加，会产生加工硬化，使继续变 形发生困难，因而变形抗力增加。 当变形程度较高时，促进了回复与再结晶过程的 发生与发展，变形抗力的增加变得比较缓慢。• • • • • •
2）外因：变形时外部条件，如变形温度和受力状况等。
塑性指标：
为衡量金属塑性的高低而确定的数量上的指标， 一般以金属材料开始发生破坏时的塑性变形量来表 示。 常用的塑性指标： 拉伸试验伸长率δ(％) δ＝ 100％
断面收缩率Ψ（％）
A0 Ak Ψ ＝ A0
L0、 Lk

100％
为试样的原始标准间距和试样断裂后标距间长度； 为试样的原始横截面积和试样断裂处的最小横截面积。
碳钢塑性图
二、对塑性的影响因素
内部因素：化学成分 组织结构
外部因素：变形温度 应变速度 应力状态
（一）化学成分和合金成分对金属塑性的影响
• 金属的塑性随其纯度的提高而增加，如纯铝99.96％伸长率为45％， 98％伸长率为30 ％ • 使合金产生脆化现象，冷热变形都非常困难。如碳钢中： P(磷)——冷脆 S——热脆 N——时效脆性 H——氢脆 • 杂质的存在状态、分布情况和形状不同，对塑性的影响也不同； 不溶于金属单质或化合物 ————— 降低金属塑性 形成固溶体 塑性变化不大 溶于金属 —————
7、其它元素：主要是降低钢的塑性，提高变形抗力
合金元素对铁素体伸长率和韧性的影响
（二）组织状态对金属塑性的影响
• 晶格类型的影响 面心立方——12个滑移系，同一滑移面上3个滑移方向， 塑性最好，如铝、铜和镍等。 体心立方——12个滑移系，同一滑移面上2个滑移方向， 塑性较好，如钒、钨、钼等。 密排六方——3个滑移系，塑性最差，如镁、锌、钙等。 • 晶粒度的影响 晶粒度越小，越均匀，塑性越高。
图 13-27 九种主应力图（按塑性发挥的有利顺 九种主应力图（按塑性发挥的有利顺
图 13-27 九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列） 九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列） 图 13-27
•
应力状态不同对塑性的影响也不同： 主应力图中压应力个数越多，数值越大，则金属的塑性 越高；拉应力个数越多，数值越大，则金属的塑性就越低。 原因:
• 杂质的含量、杂质的性质及其在基体中的分布特性。
（二）组织结构的影响
• 结构变化： 组织状态不同，变形抗力不同； 组织结构的变化（相变），变形抗力也发生变化。 • 晶粒大小： 晶粒越细，同一体积内的晶界越多，变形抗力就高（室 温晶界强度高于晶内）。
• 单相组织和多相组织： 单相组织合金元素含量越高，晶格畸变越严重， 变形抗力越大。单相组织比多相组织的变形抗力小。 多相组织中第二相的性质、形状、大小、数量和 分布状况对变形抗力都有影响: 硬而脆的第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散分布时， 合金的变形抗力就高； 第二相越细，分布越均匀，数量越多，变形抗力就越 大。
见下图
碳 含 量 对 碳 钢 力 学 性 能 的 影 响
2、磷 钢中有害杂质，在钢中有很大的溶解度，易溶 于铁素体，使钢的塑性降低，在低温时更为严重， 这种现象称为冷脆性。 此外，磷具有极大的偏析倾向，能促使奥氏体晶 粒长大。 3、硫 钢中有害物质，主要与铁形成FeS，与其它元 素形成硫化物。 硫化物及其共晶体（ Fe-FeS ），通常分布于晶 界上，在钢的锻造温度范围内会发生变形开裂，即 “热脆”现象。 在钢中加入适量锰，生成MnS，硫化锰及其共 晶体的熔点高于钢的锻、轧温度，不会产生热脆性， 从而消除硫的危害。
• 相组成的影响 单相组织塑性好；多相组织塑性差。（晶界、晶内； 硬相、软相） • 铸造组织的影响 铸造组织具有粗大的柱状晶粒，具有偏析、夹杂、 气泡、疏松等缺陷，因而塑性较差。
（三）变形温度对金属塑性的影响
• 对大多数金属而言，总的趋势是随着温度升高，塑性增加。
原因:
1）发生回复与再结晶，消除了加工硬化； 2）原子动能增加，位错活动加剧，出现新的滑移系，改善晶粒之间变形 的协调性。
例子不讲!
下面以碳钢为例，分析碳及杂质元素（P、 S、 N、 H、 o）对塑性的影响
1、碳 碳对碳钢性能的影响最大 1）碳能固溶于铁，形成铁素体和奥氏体，它们具有良好
的塑性。
2）当铁中的碳含量超过其溶碳能力时，多余的碳便以渗 碳体Fe3C形式出现，它具有很高的硬度，而塑性几乎为 零。 含碳量越高，渗碳体的数量越多，金属的塑性也越差。
A0 、Ak
塑性指标还可以用镦粗实验和扭转试验测定。 镦粗试验（试样的高度为直径的1.5倍）中，以出现
第一条裂纹时的变形程度为塑性指标：
c
、
H0 Hk ＝ H0

100％
试样原始高度和表面出现第一条裂纹 时的高度
注样
镦粗试验
塑性图： 在不同的变形速度下，以不同温度下的各 种塑性指标（ 、 、 、 、ak等）为纵坐标、 以温度为横坐标绘制成的函数曲线。
• 杂质元素之间相互作用对金属的塑性产生影响； 硫 +Fe —— FeS（熔点1190℃ ），热脆 +Mn —— MnS （熔点1600℃ ），塑性提高。 • 合金元素特性、数量、元素之间的相互作用及分布等对金属 的塑性产生影响。 碳：形成单相固溶体（fcc）——铁素体和奥氏体——有较好 的塑性； 形成脆性过剩相——渗碳体——塑性降低。 铬、钨、钼、钛、钒：形成硬而脆的碳化物——塑性下降。 钛、钒：形成高度弥散的碳化物细小颗粒——对塑性影响 不大。 注：对冷加工用钢而言，含碳量应尽量低。
第一节 金属的塑性和变形抗力
一、塑性、塑性指标和塑性图 塑性：金属在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的
能力。
1、塑性反映了材料产生塑性变形的能力； 2、塑性不是固定不变的，同一种材料，在不同的变形条件 下，会表现出不同的塑性。 3、影响金属塑性的因素主要有两方面：
1）内因：金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等；
4、氮 在钢中主要以氮化物Fe4N形式存在。当含量较小 时，对钢的塑性影响较小；当含量增加时，钢的塑性 下降。 当含氮量较高的钢从高温快冷至低温时，α铁被 过饱和，随后以Fe4N形式析出，使钢的塑性、韧性大 大下降，这种现象称为时效脆性。 5、氢 钢中溶氢，会使钢的塑性、韧性下降，造成所谓 “氢脆” （白点） 。 6、氧 在钢中溶解度很小，主要以氧化物的形式出现， 降低钢的塑性。与其它夹杂物形成共晶体，分布于晶 界处，造成钢的热脆性。
这是由于拉应力促进晶间变形，加速晶界破坏，而压应力
阻止或减小晶间变形； 另外，三向压应力有利于抑制或消除晶体中由于塑性变形 而引起的各种微观破坏，而拉应力则相反，它使各种破坏 发展，扩大。
变形抗力： 金属在发生塑性变形时，产生抵抗变形的能力，称为 变形抗力，一般用接触面上平均单位面积变形力表示 变形抗力大小 取决于材料在一定变形条件下的真实应力，还取决于 塑性加工时的应力状态、接触摩擦状态和变形体的尺寸 因素等。 注：只有在单向应力状态下，材料的变形抗力才等于材料 在该变形条件下的真实应力。
注：塑性和变形抗力是两个不同的概念 塑性 —— 反映材料塑性变形的能力 变形抗力 —— 反映塑性变形的难易程度/强度! 塑性好不一定变形抗力低，反之亦然。
变形抗力的影响因素
（一）化学成分的影响 • 金属纯度越高，变形抗力越小。
• 合金元素的原子与基体原子间相互作用的特性、原子 体积的大小以及合金原子在基体中的分布等。（基体 点阵畸变）
拉拔和挤压时不同的应力状态和变形抗力
（五）应力状态对塑性的影响
主应力图： 自变形体中某点取一立方微单元体，用箭头表示作用 在该单元体主应力，称为主应力图，主应力图只表示出 应力的个数和方向，并不表示应力的大小。 主应力图有九种： 单向主应力图：
二向主应力图：
图 13-27 九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列） 图 13-27 图 13-27 九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列） 图 13-27 九种主应力图（按塑性发挥的有利顺序排列） 三向主应力图：
（五）变形速度的影响
一般情况下，随着变形速度的增加，变形抗 力提高（特别热变形）。 原因:
一方面，变形速度提高，单位时间内的发热率增加， 使变形抗力降低。
另一方面，变形速度提高也缩短了变形时间，使位错 运动的发展时间不足（滑移来不及进行） ，促使变形抗 力增加。
（六）应力状态的影响
应力状态不同，变形抗力不同。如挤压时金属处于三 向压应力状态，拉拔时金属处于一向受拉二向受压的应 力状态。挤压时的变形抗力远比拉拔时变形抗力大。