影响碳钢的变形抗力和塑性的因素分析.docx
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影响碳钢的变形抗力和塑性的因素分析
影响碳钢的变形抗力和塑性的因素分析
一、金属的塑性与变形抗力
1.1金属之所以能进行压力加工主要是由于金属具有塑性这一特点。
所谓塑性，是指金属在外力作用下，能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力。
金属塑性的大小，可用金属在断裂前产生的最大变形程度来表示。
一般通常称压力加工时金属塑性变形的限度，或“塑性极限”为塑性指标。
应当指出，不能把塑性和柔软性混淆起来。
不能认为金属比较软，在塑性加工过程中就不易破裂。
柔软性反映金属的软硬程度，它用变形抗力的大小来衡量，表示变形的难易。
不要认为变形抗力小的金属塑性就好，或是变形抗力大的金属塑性就差。
例如：
室温下奥氏体不锈钢的塑性很好，能经受很大的变形而不破坏，但它的变形抗力却非常大；工业纯铁的变形抗力很低，柔软性很好，对于过热和过烧的金属与合金来说，其塑性很小，甚至完全失去塑性变形的能力，而变形抗力也很小；也有些金属塑性很高而变形抗力又小，如室温下的铅等。
金属的塑性不仅受金属内在的化学成分与组织结构的影响，也和外在的变形条件有密切关系。
同一金属或合金，由于变形条件不同，可能表现有不同的塑性，甚至由塑性物体变为脆性物体，或由脆性物体转变为塑性物体。
例如受单位拉伸的大理石是脆性物体，但在较强的平均应力下压缩时，却能产生明显的塑性变形而不破坏。
对金属与合金塑性的研究，是压力加工理论与实践的重要课题之一。
研究的目的在于选择合适的变形方法，确定合理的变形温度、速度条件以及采用的最大变形量，以便使低塑性难变形的金属与合金能顺利实现成型过程。
1.2金属塑性的测定方法
由于变形力条件对金属的塑性有很大影响，所以目前还没有一种实验方法能测出可表示所有压力加工方式下金属塑性的指标。
为了正确选择变形温度、速度条件和最大变形量，必须测定金属在不同条件下允许的极限变形量—塑性指标。
每种实验方法测定的塑性指标，虽然只能表明金属在该变形过程中所具有的塑性，但也不应否定一般测定方法的应用价值，因为这些实验可以得到相对的和可比较的塑性指标。
这些数据可定性地说明在一定变形条件下，各种金属塑性的高低；对同一金属，能反映哪种变形条件下的塑性高。
这对正确选择变形温度、速度和变形量的范围都有直接参考价值。
表示金属与合金塑性变形性能的主要指标有：
（1）拉伸试验时的伸长率与断面收缩率
（2）冲击试验时的冲击韧性
（3）扭转试验的扭转转速
（4）锻造及轧制时刚出现裂纹瞬间的相对压下量
（5）深冲试验时的压进深度，损坏前的弯折次数
1.3金属塑性的测定方法
测定金属塑性的方法是常用的有力学性能试验方法和模拟试验法（模仿某种加工变形过程的一般条件，用小试样进行试验的方法）两大类。
A力学性能试验
（1）拉伸试验是在材料试验上进行的。
相当于一般液压机的变形速度。
相当于蒸汽锤、线材轧机、宽带钢轧机变形速度的下限。
如果要求更高或变化范围更大的变形速度，需设计制造专门的高速变形机。
在拉伸试验中可以确定伸长率和断面收缩率两个塑性指标，金属材料的伸长率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。
一般把伸长率大于百分之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把伸长率小于百分之五的金属材料称为脆性材料。
塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零件的安全使用。
此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、矫直等。
因此，选择金属材料作机械零件时，必须满足一定的塑性指标。
伸长率表示金属沿拉伸轴方向上在断裂前的最大变形。
由试验得知，一般塑性较高的金属，拉伸变形到一定阶段开始出现细劲，使变形集中在试样的局部区域直到拉断；同时，在细劲出现以前试样受单位拉应力，细劲出现以后使该处受三响拉应力。
由此可见，试样断裂前的伸长率，包括了均匀变形和集中的局部两部分，反映了在单向拉应力和三向拉应力作用下两个阶段的塑性总和。
伸长率大小于试样的原始计算长度有关，试样越长，集中变形数值的作用越小，伸长率就越小。
因此，&作塑性指标时，必须把计算长度固定下来才能相互比较。
对圆柱形试样规定有两种标准试样。
断面收缩率也反映在单向拉应力和三向拉应力作用下塑性指标，它与试样的原始计算长度无关。
因此在塑性材料中用作塑性指标，可以得出比较稳定的数值，故有其优越性。
（2）冲击弯曲试验。
冲击韧性值ak不完全是一种塑性指标，它是弯曲变形抗力和试样弯曲的综合指标。
因此，同样的ak值，塑性可能很不相同。
有时由于弯曲变形抗力很大，尽管破断前的弯曲变形程度较小。
反之，虽然破断前弯曲变形程度较大，但变形抗力很小，ak值也可能较小。
由于试样有切口（切口处受拉应力作用），并受冲击作用，因此所得的ak值能较敏感地反映材料的脆性倾向；如果试样中有组织结构的变化、夹杂物的不利分布、晶粒过分粗大和晶间物物质熔化等，可较明显地反映出来。
例如，在合金结构钢中，若二次碳化物由均匀分布状态变为沿境界成网状形式分布时，这种变化虽然在拉伸试验中，塑性指标不改变，而在冲击弯曲试验中，却使ak值降低了0.5-1倍；在某些合金中，由于脱氧不良也会使塑性降低，不过在拉伸试验中反映不出来，但其ak值在这种情况下却降低了1-2倍。
为了判明ak值的急剧变化是否由于塑性急剧变化而引起的，最好配合参与在试验条件下的强度极限变化情况。
例如，当变化不大或有所降低而ak值显著增大，这表明是由塑性急剧增高而引起的；而在ak值较高的温度范围内值很高，则不能证明在此度范围内塑性最好。
因此，按ak值来决定最好的热加工温度范围，就要具体分析，否则会得出不正确的结论。
（3）扭曲试验是在专用的扭转试验上进行的。
试验时，将圆柱形试样的一端固定，另一端扭转，用破断前的转数（n）表示塑性的大小。
试样将受纯剪力，切应力在试样断面中心为零，而在表面有最大值。
纯剪时一个主应力为拉应力，另一个主应力为压应力；这种变形所确定的塑性指标能反映材料同时受数值相等的拉应力和压应力作用时的塑性。
所以扭转试验，被广泛用于金属与合金的塑性研究。
在斜轧穿孔时，轧件在变形区内受扭转作用，所以，有人用扭转试验来确定合适的穿孔温度。
扭转试验结果可用如图5-1所示的曲线表示。
观察、测量首先出现裂纹处的变形量，此变形量就表示塑性大小。
此方法不需制备特殊轧辊，但确定极限变形量比较困难，因为试样轧后高度是均匀的，而伸长后原来一定高度的位置发生了变化，除非在原试样的侧面上刻竖痕；否则轧后便不易确定原始高度的位置，因而也就不好确定极限变形量。
另一种方法是在偏心辊上将矩形轧件轧成楔形件。
这种方法采用的上轧辊有刻槽，下轧辊是平的，由于切制的轧槽使两辊间距在轧制过程中产生变化，所B模拟试验法
（1）顶锻试验也称镦粗试验，是将圆柱形试样在压力机或落锤上镦粗，把试样侧面出现第一条可见裂纹时的变形量，作为塑性指标，此种试验方法反映了应力状态与此相近的锻压变形过程（自由锻、冷镦等）的塑性大小。
在压力机上镦粗，相当于液压机和初轧机上的变形速度；而落锤试验，相当于锻锤上锻压变形过程的加工温度范围时，最好分别在压力机和落锤上进行顶锻试验。
试验表明，对同一金属在一定温度和速度条件下进行镦粗时，可能得出不同的塑性指标，这将取决于接触表面上外摩擦的条件和试样的原始尺寸。
因此，为使所得结果能进行比较，对顶锻试验必须定出相应的规程，说明进行试验的具体条件。
镦粗试验的缺点是在高温下对塑性较高的金属，尽管变形程度很大，试样侧面也可能不出现裂纹，因而得不出塑性极限。
不过在顶锻过程形成裂纹，有时因表面缺陷造成的，这在试验时是应注意的。
（2）楔形轧制试验有两种不同的做法，一种是在平辊上将楔形试样轧成扁平带状。
轧后以轧后根据厚度变化的楔形件来确定其塑性大小。
用此法测得的极限变形量与实验温度的关系曲线如图5-2所示
用偏心辊试验方法比前一种优越，主要是可以准确地定出极限变形量，也免除了加工试样的麻烦。
但应指出，由于单辊刻槽造成上下辊之间产生轧制速度差。
这种速度差，既可能导致轧件表面损坏，也使变形力学条件发生一定变化，故对测定结果产生一定影响。
为克服上述缺点，近年来多采用双辊刻槽轧成楔形以测定塑性的大小。
双辊刻槽法其辊形如图5-3所示
楔形轧制试验法的优点是：
一次试验便可得到相当大的压下率范围，因此往往只需要进行一次试验便可以确定极限变形量；其次是试验条件可以很好地模拟轧制时的情况。
因此，这种方法广泛用于确定金属与合金轧制过程的塑性。
5.2影响塑性的因素及提高塑性的途径
5.2.1金属的自然性质
金属的自然性质即化学成分和组织状态对塑性的影响。
实际上这方面的问题很复杂，至今人们对这方面的了解还不全面。
下面以钢为研究对象，分析化学成分和组织对塑性的影响。
5.2.1.1化学成分的影响
在碳钢中，Fe和C是基本元素。
在合金钢中，除Fe和C外还含有合金元素，常见的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Co、Ti等。
此外由于矿石和加工等方面的原因，在各类钢中还含有一些杂质，如P、S、N、H、O等。
一般的影响规律是随着碳和杂质含量的增加，金属的塑性降低。
A碳
碳对碳钢的性能影响最大，碳能固定于铁形成铁素体和奥氏体，它们都具有良好的塑性和降低的变形抗力。
当碳的含量超过铁的溶碳能力时，多余的碳便与铁形成化合物Fe3C，该化合物称为渗碳体。
渗碳体具有很高的硬度而塑性几乎为零，使碳钢的塑性降低，抗力提高。
随着含碳量的增加，渗碳体的数量也增加，塑性的降低与变形抗力的提高就更明显，对于冷成形的碳钢，含碳量应较低；在热成形时，虽然碳能全部溶于奥氏体中，但碳含量越高，碳钢的熔化温度越低，热加工的温度范围也越窄，奥氏体晶粒长大的倾向也越大，再结晶速度也越慢，这些热成形都是不利的。
B磷
磷一般说来是钢中有害杂质，磷能溶于铁素体中，使钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性则显著降低。
这种脆化现象在低温时更为严重，故称为冷脆。
一般希望冷脆转变温度低于工件的工作温度，以免发生冷脆。
冷脆对在高寒地带和其他低温条件下工作的结构件具有严重的危害性。
在某些情况下，磷也起有益作用，如增加耐腐蚀性，提高磁性，减少叠轧薄板黏结等。
钢材中的炮弹钢就是在钢中有意多添加磷，让钢含磷量高，使炮弹在爆炸的时候尽量炸出的弹片，增大炮弹的杀伤力。
C硫
硫是钢中有害杂质，它在钢中几乎不溶解，而与铁形成FeS，FeS与Fe的共晶体其熔点很低，呈网状分布晶界上。
由于晶界处硫化铁共晶体塑性低或发生熔化而导致加工件开裂，这种现象称为热脆（或红脆）。
图5-4说明硫对低碳钢塑性的影响。
但当钢中含有足够数量的锰便可消除硫的有害作用。
锰的硫化物熔点较高，并且它在钢中不是以网状包围晶粒，而是以球状形式存在，从而使钢的塑性提高。
另外，硫化物夹杂促使钢中带状组织形成，恶化冷轧板的深冲性能，降低钢的塑性。
D氮
590℃时，氮在铁素体中的溶解度最大，约为0.42%；但在室温时则降低至0.01%以下。
若将含氮量较高的钢自高温较快地冷却时，会使铁素体中的氮过饱和，并在室温或高温度下，氮将逐渐以Fe4N形式析出，造成钢的强度、硬度提高，塑性、韧性大大降低，使钢变脆，这种现象称为时效脆性。
E氢
氢在钢中的溶解度随温度降低而降低。
氢对热加工时钢的塑性没有明显的影响，因为当加热到1000℃左右，氢原子就部分地从钢中析出。
但对于某些含氢量较多的钢种，热加工后又较快冷却，会使从固溶体析出的氢原子来不及向钢表面扩散，而集中在晶界、缺陷和显微空隙等处而形成氢分子并产生相当大的应力。
在组织应力、温度应力和氢析出所造成的内应力的共同作用下会出现微细裂纹，即所谓白点，该现象在合金钢中尤为严重。
所以，在实际生产中，容易出现白点的钢种的连铸坯原则上不能采用热送热装，要等连铸坯中的氢原子充分地向钢表面扩散后，才能送往加热炉加热、轧制。
F氧
氧在铁素体中溶解度很小，主要是以Fe3O4、FeO、Mno、SiO2、Al2O3等杂质物形式存在。
沿晶界分布的氧化物共晶体，随温度的升高会软化或熔化，因此削热了晶粒之间的联系而出现红脆现象。
G铜
实践表明，钢中含钢量达到0.15%-0.30%时，钢表面会在热加工中龟裂。
一般认为，含铜钢表面的铁在热加工过程先进行氧化，使该处的浓度逐渐增加，当加热温度超过富铜相当的熔点时，表面的富铜相便发生熔化，渗入金属内部晶粒边界，削弱了晶粒间的联系，在外力作用下便发生龟裂。
为此，应尽量缩短在高温下的加热时间，适当降低加热温度。
H硅
硅在钢中大部分溶于铁素体，使铁素体强化，特别是能显著地提高弹性极限。
由于加强了形成铁素体的趋势，对塑性产生不良影响。
此外，由于硅钢促使石墨化，加热时脱碳比较严重。
I铝
铝对钢及低合金钢的塑性起有害作用。
这可能是由于在晶界处形成氮化所致。
铝作为合金元素加入钢中使为了得到特殊性能。
含铝量较高的铬铝合金，在冷状态下塑性较低。
5.2.2变形温度对塑性的影响
温度是影响塑性的最主要的因素之一。
在确定新钢种压力加工工艺制度时的最主要内容之一，便是确定最好的热加工温度范围，一般是采用塑性最高的温度范围而避开低塑性的温度范围。
5.2.3变形速度的影响
变形速度对塑性的影响一般认为在目前所能达到的变形速度，即变形速度不大时，随变形速度的提高塑性降低，5-11中的实线部分所示，原因可能是加工硬化的速度超过了软化进行的速度。
如果在很高速度下，随着变形速度提高塑性增加，如图中的虚线部分所示，这主要是考虑到变形速度越高，所以造成对再结晶过程的促进。
但在目前情况下，要达到这样高的变形速度，不是一件容易的事情。
5.3变形抗力
5.3.1.1变形抗力的概念
由1.1节的力和变形关系可知，欲使大量的原子定向地由原来的稳定平衡位置移向新的稳定平衡位置，必须在物体内引起一定的应力场以克服力图使原子回到原来平衡位置上去的弹性力，可见，物体有保持其原有形状而抵抗变形的能力。
度量物体这种抵抗变形能力的力学指标称为变形抗力，通常以单位拉伸实验时的屈服极限值来表示，因此又称为静变形抗力。
在一定变形温度、变形速度和变形程度下的变形抗力指标，称为真实变形抗力。
5.3.2影响变形抗力的因素
影响变形抗力的因素主要有：
金属或合金的化学成分、组织结构、变形温度、变形速度及变形程度等因素。
这些因素的影响，都是通过改变金属或合金内部性质而使其变形抗力增大或减小的。
5.3.2.1化学成分的影响
A碳钢中的碳和磷的影响
碳能够固溶与铁形成铁素体和奥氏体固溶体，它们都具有低的变形抗力。
当碳的含量超过铁的溶碳能力时，多余的碳便于铁形成渗碳体（Fe3C），渗碳体具有很高的硬度，使得钢的变形抗力提高，随着含碳量的增加，渗碳体的数量也就增加，变形抗力提高更大。
磷能溶于铁素体中，使得钢的强度、硬度显著提高，钢的变形抗力增加。
B合金元素的影响
合金元素加入钢中使变形抗力提高。
原因有三：
（1）合金元素溶于固溶体（铁素体、奥氏体）中，使铁原子的晶体点阵发生不同程度的畸变而使变形抗力提高。
（2）合金元素与钢中的碳形成脆而硬的碳化物，使钢的变形抗力提高。
碳化物的影响还与它的形状、大小和分布状况有密切关系。
Nb、Ti、V等元素的碳化物在钢中形成高度分散的极小颗粒，起弥散强化作用，使钢的变形抗力显著提高。
在热态下大量碳化物溶于奥氏体，减弱了碳化物对钢的强化作用。
但对于那些含有大量W、Mo、Ti、Cr、和C的高合金钢，在热成型温度范围内碳化物不是全部都能溶于奥氏体中，加上大量合金元素溶于奥氏体所引起的固溶强化作用，所以其高温变形抗力要比同碳量的碳钢高出许多。
（3）合金元素造成钢中组织出现多相，从而使得钢的变形抗力提高。
合金元素一般都使钢的再结晶温度提高，再结晶速度降低，因而使钢的硬化倾向性和速度敏感性增加，在高的变形速度时，钢会表现出比变形速度低时更高的变形抗力。
5.3.3.2冷轧时的真实变形抗力
冷轧时的真实变形抗力由各个钢种的加工硬化曲线，根据该道次的平均总压下率来查找。
冷轧时以退火带坯为原料，要在一个轧程内轧制几道次才退火。
一个轧程内各道次的加工硬化被积累起来。
而且每道次从变形区入口到出口的变形程度都是逐渐变化的，因而变形抗力也随之变化。
随着应力的增加，变形抗力也增加。
结束语：
参考书：
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