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鋼鐵材料的塑性變形

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發(fā)表于 2024-7-1 15:18:48 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式
  材料在外力作用下產(chǎn)生而在外力去除后不能恢復(fù)的那部分變形。材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變(即變形)。當應(yīng)力未超過材料的彈性極限時,產(chǎn)生的變形在外力去除后全部消除,材料恢復(fù)原狀,這種變形是可逆的彈性變形。當應(yīng)力超過材料的彈性極限,則產(chǎn)生的變形在外力去除后不能全部恢復(fù),而殘留一部分變形,材料不能恢復(fù)到原來的形狀,這種殘留的變形是不可逆的塑性變形。在鍛壓、軋制、拔制等加工過程中,產(chǎn)生的彈性變形比塑性變形要小得多,通常忽略不計。這類利用塑性變形而使材料成形的加工方法,統(tǒng)稱為塑性加工。

  機理  
       固態(tài)金屬是由大量晶粒組成的多晶體,晶粒內(nèi)的原子按照體心立方、面心立方或緊密六方等方式排列成有規(guī)則的空間結(jié)構(gòu)。由于多種原因,晶粒內(nèi)的原子結(jié)構(gòu)會存在各種缺陷。原子排列的線性參差稱為位錯。由于位錯的存在,晶體在受力后原子容易沿位錯線運動,降低晶體的變形抗力。通過位錯運動的傳遞,原子的排列發(fā)生滑移和孿晶(圖1)?;剖且徊糠志ЯQ卦优帕凶罹o密的平面和方向滑動,很多原子平面的滑移形成滑移帶,很多滑移帶集合起來就成為可見的變形。孿晶是晶粒一部分相對于一定的晶面沿一定方向相對移動,這個晶面稱為孿晶面。原子移動的距離和孿晶面的距離成正比。兩個孿晶面之間的原子排列方向改變,形成孿晶帶。滑移和孿晶是低溫時晶粒內(nèi)塑性變形的兩種基本方式。

  多晶體的晶粒邊界是相鄰晶粒原子結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)。晶粒越細,單位體積中的晶界面積越大,有利于晶間的移動和轉(zhuǎn)動。某些金屬在特定的細晶結(jié)構(gòu)條件下,通過晶粒邊界變形可以發(fā)生高達 300~3000%的延伸率而不破裂。

  對金屬組織和性能的影響
    金屬在室溫下的塑性變形,對金屬的組織和性能影響很大,常會出現(xiàn)加工硬化、內(nèi)應(yīng)力和各向異性等現(xiàn)象。
  加工硬化  塑性變形引起位錯增殖,位錯密度增加,不同方向的位錯發(fā)生交割,位錯的運動受到阻礙,使金屬產(chǎn)生加工硬化。加工硬化能提高金屬的硬度、強度和變形抗力,同時降低塑性,使以后的冷態(tài)變形困難。
  內(nèi)應(yīng)力  塑性變形在金屬體內(nèi)的分布是不均勻的,所以外力去除后,各部分的彈性恢復(fù)也不會完全一樣,這就使金屬體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互平衡的內(nèi)應(yīng)力,即殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力降低零件的尺寸穩(wěn)定性,增大應(yīng)力腐蝕的傾向。
  各向異性  金屬經(jīng)冷態(tài)塑性變形后,晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶或?qū)\晶帶。各晶粒還沿變形方向伸長和扭曲。當變形量很大(如70%或更大)而且是沿著一個方向時,晶粒內(nèi)原子排列的位向趨向一致,同時金屬內(nèi)部存在的夾雜物也被沿變形方向拉長形成纖維組織,使金屬產(chǎn)生各向異性。沿變形方向的強度、塑性和韌性都比橫向的高。當金屬在熱態(tài)下變形,由于發(fā)生了再結(jié)晶,晶粒的取向會不同程度地偏離變形方向,但夾雜物拉長形成的纖維方向不變,金屬仍有各向異性。
  再結(jié)晶和回復(fù)  經(jīng)過冷變形的金屬,如加熱到一定溫度并保持一定的時間,原子的激活能增加到足夠的活動力時,便會出現(xiàn)新的晶核,并成長為新的晶粒,這種現(xiàn)象稱為再結(jié)晶。經(jīng)過再結(jié)晶處理后,冷變形引起的晶?;円约坝纱艘鸬募庸び不堄鄳?yīng)力等都會完全消除。
  再結(jié)晶溫度  通常以經(jīng)一小時保溫完成再結(jié)晶的溫度為金屬的再結(jié)晶溫度。各種金屬的再結(jié)晶溫度,按絕對溫度(K)計大約相當于該金屬熔點的40~50%。 低碳鋼的再結(jié)晶溫度約460℃。當變形程度較小時,在再結(jié)晶過程中,尤其是當溫度偏高時,再結(jié)晶的晶粒特別粗大。因此如要晶粒細小,金屬材料在再結(jié)晶處理前會有較大的變形量。
  再結(jié)晶溫度對金屬材料的塑性加工非常重要。在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性加工和變形稱為熱加工和熱變形;在再結(jié)晶溫度以下進行的塑性加工和變形稱為冷加工和冷變形。熱變形時,金屬材料在變形過程中不斷地發(fā)生再結(jié)晶,不引起加工硬化,假如緩慢地冷卻,也不出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力。
  回復(fù)  冷變形后的金屬,當加熱到稍低于再結(jié)晶溫度時,通過原子的擴散會減少晶體的缺陷,降低晶體的畸變能,從而減小內(nèi)應(yīng)力;但是不出現(xiàn)新的晶粒,金屬仍保留加工硬化和各向異性,這就是金屬的回復(fù)。這樣的熱處理稱為去應(yīng)力退火。

  變形量和塑性  塑性變形變形量的大小,常依變形方式的不同用不同的指標來表示。有的用坯料變形前后截面積的變化表示,有的用某一方向長度的變化表示,扭轉(zhuǎn)時用轉(zhuǎn)角的大小表示。鐓粗和壓縮的變形量在工程上常用壓縮率表示。如坯料原始高H 0,鐓粗后高H1(圖2),則壓下量△H=H 0-H 1,壓縮率為

  金屬在鍛壓過程中所能承受的變形量有一定的限值。金屬能承受較大的變形量而不破裂的性能稱為塑性。金屬的塑性可由實驗測定(見鍛造性能試驗)。金屬塑性的好壞與化學(xué)成分、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、變形溫度和速度、變形方式等因素有關(guān)。純金屬和合金元素低的金屬(如鋁、紫銅、低碳鋼等)塑性好,高合金和含雜質(zhì)多的金屬塑性差。一般金屬在低溫時塑性差,高溫時塑性好。金屬的塑性還與變形方式有關(guān),例如在自由鍛鐓粗時,坯料的周圍向外凸出,材料受拉應(yīng)力,金屬的塑性低,容易開裂。擠壓時,坯料三向受壓,金屬的塑性高。在很小的變形下就開裂的金屬稱為脆性材料,如鑄鐵。脆性材料通常不宜鍛壓加工。
  變形力  在鍛壓過程中,坯料內(nèi)部一般處于三向應(yīng)力狀態(tài)。開始塑性變形的應(yīng)力不是由某一方向的應(yīng)力單獨確定的。用1、2、3代表坯料內(nèi)任意一點單元體上三個相互垂直方向的主應(yīng)力(圖3),實驗表明,如要這個單元體發(fā)生塑性變形,則三個主應(yīng)力所引起的彈性畸變能應(yīng)達到一定值。它的數(shù)學(xué)表達式為

式中Y為金屬的變形抗力,由抗拉試驗或抗壓試驗測定。上式表示金屬坯料內(nèi)任意一點開始塑性變形時三個方向主應(yīng)力所應(yīng)達到的條件,稱為屈服準則。在鍛壓過程中,坯料內(nèi)某些面上各點都會發(fā)生塑性變形,這時所加的外力稱為變形力。

  影響變形力P 的主要因素有4個,即

式中Y為金屬的靜載變形抗力,它與化學(xué)成分、溫度、變形過程等有關(guān)。低碳鋼的變形抗力低,高合金鋼的變形抗力高;低溫時變形抗力高,高溫時變形抗力低;室溫下的退火金屬在開始鍛壓時變形抗力低,經(jīng)過變形產(chǎn)生加工硬化后變形抗力增高。A為鍛件加力方向的橫截面積。α1為應(yīng)變速率系數(shù)。在慢速的液壓機上鍛壓時,α1=1~1.5;在應(yīng)變速率高的鍛錘上鍛壓時,α1埍3。α2為多余功系數(shù),它與變形方式有關(guān),例如自由鍛時壞料側(cè)表面不受約束,α 2=1~2.5;模鍛和擠壓時,金屬的流動受模膛約束,α2=2.5~6。另外,模膛表面的粗糙度和潤滑狀況也有影響,鍛模表面光潔且有良好的潤滑時α 2較??;模具表面粗糙且沒有潤滑時,α 2較大。


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