金属塑性变形原理

金属塑性变形原理

1、变形和应力

1．1塑性变形与弹性变形

金属晶格在受力时发生歪扭或拉长，当外力未超过原子之间的结合力时，去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态，也就是说，未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形。多晶体发生弹性变形时，各个晶粒的受力状态是不均匀的。

当加在晶体上的外力超过其弹性极限时，去掉外力之后歪扭的晶格和破碎的晶体不能恢复到原始状态，这种永久变形叫金属的塑性变形。金属发生塑性变形必然引起金属晶体组织结构的破坏，使晶格发生歪扭和紊乱，使晶粒破碎并且使晶粒形状发生变化，一般晶粒沿着受力方向被拉长或压缩。

1．2应力和应力集中

塑性变形时，作用于金属上的外力有作用力和反作用力。由于这两种外力的作用，在金属内部将产生与外力大小相平衡的内力。单位面积上的这种内力称为应力，以σ表示。

σ=P/S

式中σ——物体产生的应力，MPa：

Ｐ——作用于物体的外力，N；

Ｓ——承受外力作用的物体面积，mm2。

当金属内部存在应力，其表面又有尖角、尖缺口、结疤、折叠、划伤、裂纹等缺陷存在时，应力将在这些缺陷处集中分布，使这些缺陷部位的实际应力比正常应力高数倍。这种现象叫做应力集中。

金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物及残余应力等对应力的反应与物体的表面缺陷相同，在应力作用下，也会发生应力集中。

应力集中在很大程度上提高了金属的变形抗力，降低了金属的塑性，金属的破坏往往最先从应力集中的地方开始。

2、塑性变形基本定律

2．1体积不变定律

钢锭在头几道轧制中因其缩孔、疏松、气泡、裂纹等缺陷受压缩而致密，体积有所减少，此后各轧制道次的金属体积就不再发生变化。这种轧制前后体积不变的客观事实叫做体积不变定律。它是计算轧制变形前后的轧件尺寸的基本依据。

H、B、L——轧制前轧件的高、宽、长；h、b、l——轧制后轧件的高、宽、长。根据体积不变定律，轧件轧制前后体积相等，即

HBL=hbl

2．2最小阻力定律

钢在塑性变形时，金属沿着变形抵抗力最小的方向流动，这就叫做最小阻力定律。根据这个定律，在自由变形的情况下，金属的流动总是取最短的路线，因为最短的路线抵抗变形的阻力最小，这个最短的路线，即是从该动点到断面周界的垂线。

3、金属压力加工的摩擦

当轧件和轧辊相接触时，轧辊作用于轧件的力有N和T。垂直于轧辊表面的

力N叫正压力，沿轧辊表面切线方向的力T叫摩擦力。摩擦力与正压力的比值叫摩擦系数，以f表示，即

f=T/N

摩擦系数的大小与轧制温度、轧辊材质和轧辊表面状态等因素有关。轧钢生产中的摩擦系数一般根据下面的经验公式计算：

对钢轧辊f=1.05-0.0005t

轧

-0.056v

对铁轧辊f=0.94-0.0005t

轧

-0.056v

对表面粗糙度为5～20μm的磨光轧辊（包括钢轧辊和铁轧辊）

f=0.82-0.0005t轧-0.056v

式中f——摩擦系数；

t轧——轧制温度，℃；

v——轧制速度，m/s。

4、变形抗力

金属及合金的实际变形抗力取决于金属及合金的本性屈服极限σ

s

、轧制温度、轧制速度和变形程度的影响，下面分别予以简单的讨论。

（1）金属及合金屈服极限σ

s

的影响

通常用金属及合金的屈服极限σs来反映金属及合金本性对实际变形抗力的影响。但应注意，有些金属压缩时的屈服极限大于拉伸时的屈服极限。如钢压缩时的屈服极限比拉伸时约大10％；而有些金属压缩和拉伸时屈服极限相同。

因此，在选取σ

s

时，一般最好用压缩时的屈服极限，因它与轧制变形较接近。

对有些金属在静态机械性能实验中很难测出σs，尤其是在高温下更是困难，

这时可以用屈服强度σ

0.2

来代替。近年来由于热变形模拟试验机的出现，为各种

状态下的σ

s 的测定提供了有利条件。σ

s

是在一定条件下测得的，其值可查有关

资料。

（2）轧制温度的影响

轧制温度对金属屈服极限有很大影响。一般情况是随着轧制温度升高，屈服极限下降，这是由于降低了金属原子间的结合力。轧制温度对金属屈服极限的影

响用变形温度影响系数n T来表示。其值可由有关资料查得。

在确定温度影响系数时，一方面要有可靠的屈服极限与温度关系的资料，另一方面还要确定出金属热轧时的实际温度，也就是要确定热轧时温度的变化。

（3）变形程度的影响

变形程度影响系数可以分冷轧和热轧两种情况。冷轧时，金属的变形温度低于再结晶温度，因此金属只产生加工硬化现象，变形抗力提高。所以在冷轧时只需要考虑变形程度对变形抗力的影响。在一般情况下，这种影响是用金属屈服极限与压缩率关系曲线来判断的，其变化规律对不同金属是不同的，合金要比纯金属大些。

热轧时，金属虽然没有加工硬化，但实际上变形程度对屈服极限是有影响的。各种钢的实验表明，在较小变形程度时（一般在20%～30％以下），屈服极限随变形程度加大而剧烈提高，在中等变形程度时，即大于30％，屈服极限随变形程度加大，提高的速度开始减慢，在许多情况下，当继续增大变形程度时，屈服极限反而有些降低。所以在热轧时也必须考虑这种影响。

紫铜的变形温度、变形程度和变形速率对变形抗力的影响（4）变形速度的影响

根据研究可知，冷轧时由于变形速度的影响小，所以，变形速度影响系数n

μ可取为1。

而热轧时，由于在轧制过程中，同时发生加工硬化，恢复和再结晶现象，随变形速度的增加，后者进行得不完全，故使变形抗力提高，因而必须考虑变形速度的影响。

5、应力和变形的不均匀

金属塑性变形时变形不均匀及变形体内应力分布的不均匀，是最常见、最普遍的现象，它既影响产品的内外质量及其使用性能，也使塑性加工工艺复杂化。

5．1变形不均匀的原因

轧件内变形分布不均匀，主要是接触面的外摩擦、变形区几何尺寸因素、轧辊与坯料差异、轧件内温度不均匀、轧件材质不均匀等原因造成的。

5．1．1接触面的外摩擦

当轧辊和轧件接触面上有摩擦力存在时，它使接触面附近的金属变形流动困难，因而这部分金属的变形就比其它部分的小，造成了变形的不均匀。

5．1．2变形区几何尺寸因素

在存在外摩擦的情况下，变形的不均匀分布与变形区几何尺寸因素有密切关系。

5．1．3轧辊与轧件形状差异

有些产品形状很复杂，需要通过通过轧辊形状变化来改变产品形状。由于轧辊与轧件形状不一致，造成轧件各部分变形不一致，使变形不均匀，且二者不一致程度越大，变形越不均匀。

5．1．4温度不均匀

高温部分金属的变形抗力小，易变形，低温部分金属的变形抗力大，难变形，所以同一轧件内不同的温度区域内的变形程度就不同，变形就不均匀。

5．1．4轧件材质不均匀

轧件内部成分分布不均、组织不均、存在气团等，都促使轧件内变形分布和应力分布不均匀。

5．2变形不均匀的后果

（1）不均匀变形将产生附加应力，在变形过程中可能会改变应力状态类型，原本为压应力的可能变为拉应力，这样就会降低金属塑性，出项破坏；变形后附加应力可保留在金属内部形成残余应力，降低塑性、冲击韧性、疲劳强度等，使产品易破坏。

（2）变形不均使变形产生的形变组织结构不均匀，再结晶后组织也不均匀，使产品性能恶化。

（3）当某个方向上不同的变形量相差太大，轧件的完整性不能充分限制住不均匀变形的自由发展时，轧件的外形就将会发生歪扭，出现镰刀形、上翘下弯、鱼尾、波浪形等。