论述碳钢变形抗力塑性的影响因素.docx

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论述碳钢变形抗力塑性的影响因素

论述碳素钢变形抗力、塑性的影响因素

摘要：

从金属成形工艺的角度出发，我们总希望变形的金属和合金具有高的塑性和低的变形抗力。

随着生产的发展，出现了许多低塑性、高强度的新材料，需要采用相应的新工艺进行加工。

因此研究金属的塑性和变形抗力，是一个十分重要的问题。

本文的目的在于阐明塑性和变形抗力的概念，讨论各种因素对它们的影响。

关键词：

合金碳钢塑性变形抗力

前言

碳钢是近代工业中使用最早、用量最大的基本材料。

世界各工业国家，在努力增加低合金高强度钢和合金钢产量的同时，也非常注意改进碳素钢质量，扩大品种和使用范围。

目前碳钢的产量在各国钢总产量中的比重，约保持在80%左右，它不仅广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和各种机械制造工业，而且在近代的石油化学工业、海洋开发等方面，也得到大量使用。

因此研究碳钢的影响因素，提高碳钢的质量有着重要的意义。

本文主要论述碳钢变形抗力、塑性的影响因素，通过对影响因素内因、外因的分析，从而保证碳钢的质量，提高碳钢的性能。

一．塑性

<一>塑性的概念

塑性：

金属在外力作用下产生永久变形而不被破坏其完整性的能力

塑性反映了材料产生塑性变形的能力；塑性不是一成不变的，同一种材料，在不同的变形条件下，会反映出不同的塑性。

<二>影响金属塑性的因素

内因：

化学成分、组织状态。

外因：

变形温度、变形速度、应力状态。

1.内因

<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、Ni、W、Mo、V、Co、Ti等。

此外由于矿石的加工等方面的原因，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。

碳

碳对碳钢的性能影响最大，碳能固溶于铁形成铁素体和奥氏体，它们都具有良好的塑性和较低的变形抗力。

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，即形成渗碳体。

渗碳体具有很高的硬度而塑性几乎为零，故使碳钢的塑性降低，变形抗力提高。

含碳量越高，渗碳体的数量越多，金属的属性会越差（如图1）。

图1碳含量对碳钢力学性能的影响

磷

磷一般来说是钢中的有害杂质，能溶于铁素体，使钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性则显著降低。

这种现象称为冷脆。

此外，磷具有极大的偏析倾向，能促使奥氏体晶粒长大。

在某些情况下，磷也起有益作用，如增加耐蚀性，提高磁性，减少叠轧薄板黏结等。

硫

硫是钢中的有害杂质，而与铁形成FeS，FeS与Fe的共晶体熔点很低，呈网状分布于晶界上。

当钢在800-1200℃范围内进行塑性加工时，由于晶界处的硫化铁共晶体塑性低或发生熔化而导致加工开裂，这种现象称为热脆（或红脆）。

图2硫对低碳钢塑性的影响

图

（2）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。

锰和硫有较强的亲和力，在硫中加入锰就可以形成硫化锰而取代易引起红脆性的硫化铁等。

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，硫化物夹杂不是钢中带状组织形成，恶化冷轧板的深冲性能，降低钢的塑性。

氮

590℃时，氮在铁素体中的溶解度最大，约0.42%；但在室温时则将至0.01%以下。

若将含氮量较高的钢自高温较快的冷却时，会使铁素体中的氮过饱和，并在室温或稍高温度下，氮将逐渐以Fe4N形式析出，完成钢的强度、硬度提高，塑性、韧性大大降低，使钢变脆，这种现象称为实效脆性。

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，因为当加热温度到1000℃左右，氢原子就部分的从钢中析出。

但对于某些高氢量较多的钢种（即每100g钢中含氢达2ml时就能降低钢的塑性），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、缺陷或显微空隙等处而形成氢分子并产生较大的应力。

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细微裂纹，即所谓白点，白点会使钢的塑性、韧性下降。

氧

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，分布在晶界处，造成钢的红脆现象（热脆性）。

其他元素：

主要是降低钢的塑性，提高变形抗力（如图3）。

图3合金元素对铁素体伸长率和韧性的影响

<2>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，同意滑移面上三个滑移方向，塑性最好，如铝，铜等；

体心立方——12个滑移系，同意滑移面上两个滑移方向，塑性较好，如钒，钨等；

密排六方——三个滑移系，塑性最差，如镁，锌等。

晶粒大小的影响

晶粒细化有利于提高金属的塑性。

因为在一定的体积内，金属细晶粒数目必然比粗晶粒金属的多，塑性变形时位向有利于滑移的晶粒也越多，故变形能较均匀地分到各个晶粒。

另外，从每个晶粒的应变分布来看，细晶粒的晶界影响萌遍及整个晶粒，使晶粒中心的应变和靠近晶界处的应变差异就小。

总之，细晶粒金属的变形不均匀性和因变形不均匀性所引起的应力集中均较小。

所以，开裂的机会也少，断裂前可承受的塑性变形量增加。

相组成的影响

单相组织（纯金属或固熔体）比多相组织塑性好。

多相组织由于各相性能不同而使变形不均匀，使基本相往往被另一相机械地分割，导致塑性降低。

这时第二相的性质、形状、大小、质量和分布将起重要作用。

若金属内两相变形性能相近，金属的塑性为两相的平均值；当两相性能差别很大时，一相的塑性很好而另一相硬而脆，则变形主要在塑性好的相内进行，另一相对变形起阻碍作用。

铸态组织的影响

铸态组织具有粗大的柱状晶粒，具有偏析，夹杂，疏松等缺陷，因而塑性较差。

（偏析：

合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象；夹杂：

复合材料在生产过程中，无意之中夹带的形状大小不等的外来物；疏松又称为显微缩松,是铸件凝固缓慢的区域因微观补缩通道堵塞而在枝晶间及枝晶的晶臂之间形成的细小空洞。

）

2.外因

<1>变形温度对塑性的影响

对多大数金属而言，总的趋势是随着温度升高，塑性增加。

发生回复与再结晶，消除加工硬化；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；晶粒滑移作用增强：

晶界切变抗力降低，晶界滑移引起的微裂纹被消除；

图4碳钢的塑性随温度的变化曲线

在加热的某些温度区间由于相态或晶界状态的改变而出现脆性区，使金属的塑性降低（如图4）。

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，使得铁素体与奥氏体共存，另外，晶界处可能析出FeS-FeO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溶组织的局部溶化

<2>变形速度对塑性的影响

图5变形速度对塑性的影响

变形速度（表示变形的快慢程度）对塑性的影响可用图5所示的曲线概括。

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，如图5实线部分所示，原因可能是加工硬化发生的速度超过了软化进行的速度。

如果在很高速度下，随着变形速度的提高塑性增加，如图中虚线部分所示，这主要考虑到变形速度越高，通过热效应是变形金属的温度增加得越高，所以造成对再结晶过程的促进。

<3>变形力学条件对塑性的影响

应力状态的影响

图6应力状态图示

在进行压力加工的应力状态中，压应力个数越多，数值越大（即平均应力越大），金属塑性越易发挥。

反之拉应力个数越多、数值越大（平均应力越小），金属塑性越差（三向压应力状态金属塑性最好,即图6中T1状态塑性最好）。

变形状态的影响

图7变形图示

压缩变形有利于塑性的发挥，而延伸变形相反。

所以变形图中压缩分量越多，对充分发挥金属的塑性越有利。

按此原则可将变形图（图7）排列为：

两向压缩一向延伸变形图（D3）的塑性最好，一向压缩一向延伸变形图（D2）的塑性次之，两向压缩变形图（D1）的塑性最差。

二变形抗力

<一>变形抗力的概念

金属发生塑性变形时，产生抵抗变形能力的力学指标称为变形抗力。

<二>影响变形抗力的因素:

内因：

化学成分、组织状态;

外因：

变形温度、变形速度、变形程度、应力状态。

1.内因

<1>化学成分的影响

碳钢中碳和磷的影响

碳能固溶与铁形成铁素体和奥氏体固溶体，他们都具有低的变形抗力。

当碳的含量超过铁的溶碳能力时，多余的碳与铁形成渗碳体，渗碳体具有较高的硬度，使钢的变形抗力提高，随着含碳量的增加，渗碳体的数量也就增加，变形抗力随之提高。

磷能溶于铁素体中，使钢的强度、硬度显著提高，钢的变形抗力增加。

合金元素的影响

合金元素加入钢中会使变形抗力提高。

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；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；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。

<2>组织的影响

晶粒越细小，晶界越多，变形抗力越大。

多相组织晶界较紊乱，影响金属的力学性能，降低变形抗力，故单向组织比多向组织的变形抗力要低。

晶粒体积相同时，晶粒越细长，越容易产生纤维组织，从而使力学性能降低，故晶粒细长者较等轴晶粒结构的变形抗力为大。

晶粒尺寸不均匀时，又较均匀晶粒的结构变形抗力大；金属中的夹杂物对变形抗力也有影响，在一般情况下，夹杂物会使变形抗力升高；钢中有第二相时，变形抗力也会相应提高。

2.外因

<1>变形温度的影响

随着加热温度的升高，金属发生一系列的变化，如发生回复与再结晶：

回复使变形金属得到一定程度的软化，与冷成型后的金属相比，金属的变形抗力有所降低。

再结晶则完全消除了加工硬化，变形抗力显著降低。

临界剪应力降低：

滑移的抗力起源于金属晶体中原子间的结合力，温度越高原子的动能越大，原子间的结合力就越弱，也即临界剪应力越低。

金属的组织结构发生变化：

这时变形金属可能由多相组织转变为单相组织，变形抗力明显下降。

同是随温度的升高，新的塑性变形机制参与作用。

故几乎所有的金属和合金，变形抗力都随着温度的升高而降低。

但当金属和合金随着温度的变化发生物理-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。

<2>变形速度的影响               

热变形时变形速度增加，变形抗力增加显著；而冷变形时变形速度增加，变形抗力增加不大。

热变形时，一方面在某一变形程度时，由于变形速度增加，使软化过程（回复和再结晶）不能充分地进行，加工硬化过程不能完全消除，使变形抗力升高。

另一方面，由于热加工时温度较高，变形抗力小，热效应也小，由此热量引起的温度升高同该物体本身的温度相比也是较少的。

所以在热加工温度范围内，由塑性变形的热效应使变形抗力下降的影响是必要的，由变形速度上升使变形抗力升高的影响是主要的。

相反的也说明了冷加工变形速度增加时，变形抗力增加不大。

<3>变形程度的影响

变形程度是影响变形抗力的一个重要因素。

冷状态时，随着变形程度的增加，变形抗力也显著提高。

金属的加工硬化通常认为是由于在塑性变形过程中，金属的晶粒产生弹性畸变所引起的。

变形抗力随变形程度增加而增加的速度，常用强化强度来度量。

同样的变形程度下，对不同的金属，强化强度不同。

一般纯金属和高塑性金属的强化程度，小于合金和低塑性金属的强化程度。

金属在热状态下亦有强化产生。

如图8可以看出变形抗力与变形程度具有如下关系：

在20%～30%以下，随变形程度的增加，变形抗力增加比较显著，即强化强度较大；当变形程度较高时，随变形程度增加，变形抗力增加缓慢，即强化程度减小；有时，由于热效应作用，变形抗力反而有下降趋势。

图8在不同温度下，采用不同的变形速度和变形程度时低碳钢的加工硬化曲线

<4>应力状态的影响

图9应力状态图示

（a）异号应力状态；（b）同号应力状态

由图9可知，同号应力状态的两个主应力σ1和σ3再斜面上引起的切应力τ'和τ''方向相反，而两者合起来的τn就小，但切应力必须达到极限值τs时才产生屈服。

所以要使τn达到τs，必须加大单位变应力（在工具作用方向上单位面积所受的力）。

而异号应力状态由于σ1和σ3在斜面上引起的τ'和τ''方向相同，合起来τn就大，这时用较小的单位变形力就可使τn达到τs。

因此可得出结论：

同号主应力图示的变形抗力大于异号主应力图示的变形抗力，而在同号主应力图示中，随着应力绝对值的增加，变形抗力也增加。

结语

塑性、变形抗力是研究碳钢质量的两个重要指标，但往往又是碳钢生产过程中较为棘手的问题，对影响碳钢塑性、变形抗力的因素的探讨一直是碳钢生产的热点。

本文在查阅大量文献资料的基础上阐述了几种经典的影响碳钢塑性、变形抗力的因素。

通过对碳钢的化学成分、组织状态、变形温度、变形速度、应力状态等进行控制调节，从而控制碳钢塑性、变形抗力，从而生产出不同规格的碳钢，扩大了碳钢的产品类型，保证了碳钢的质量，降低成本，提高了生产效益。

参考文献

1袁志学，王淑平，塑性变形与轧制原理，冶金工业出版社，2008.9;

2孟延军，关昕，金属学及热处理，冶金工业出版社，2008.3

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