第三章 金属的塑性

1. 第三章 金属的塑性 主讲人：王仲奇 西北工业大学机电学院 航空宇航制造工程系

2. 主要内容 • 金属的塑性 • 金属的塑性指标 • 影响金属塑性的主要因素 • 提高金属塑性的基本途径 • 金属的超塑性

3. 金属的塑性及其指标

4. 碳钢标准试件 应力-应变曲线 3.1 金属的塑性 金属在外力作用下发生不可恢复的变形而保持其完整性不被破坏的性质称为金属的塑性。

5. 3.1 金属的塑性 试件在弹性极限范围内的变形将完全恢复到原来的形状。

6. 3.1 金属的塑性 试件变形达到其弹性极限后，如果继续加载，将发生不可恢复的变形，称为塑性变形。

7. 3.1 金属的塑性 对超过弹性极限载荷的金属金属试件卸载，卸载曲线近似于弹性曲线。

8. 塑性变形 3.1 金属的塑性 试件完全卸载后，残留部分不可恢复的变形εP,即塑性变形。

9. 拉伸实验 测定塑性指标的实验方法 镦粗实验 扭转实验 3.2 金属的塑性指标 衡量金属材料塑性好坏的数量指标，称为塑性指标，一般以材料开始破坏时的塑性变形量来表示。

10. 标准试件 电子拉伸试验机 试件断口 3.2.1 拉伸试验

11. 一般液压机的速度范畴 拉伸速度 锻锤变形速度的下限 可确定以下塑性指标： 拉伸试验的力学条件与塑性指标

12. 3.2.2 镦粗试验

13. 材料扭转时的应力状态： 优点： 无颈缩、鼓形 3.2.3 扭转试验 材料的塑性指标用试样破断前的扭转角或扭转圈数表示。

14. 金属塑性变形过程中应力与应变的几种表述方法金属塑性变形过程中应力与应变的几种表述方法

15. 图1 低碳钢的标称应力-应变曲线 式中 图2 铝合金的标称应力-应变曲线 3.3.1 标称应力-应变关系 (p134) 又称名义应力或条件应力 定义式：

16. 式中 三类真实应力-应变曲线 3.3.2 真实应力-应变曲线 又称真应力 真实应力定义式：

17. 3.3.3 金属塑性变形真实应力-对数应变曲线的确定

18. 均匀变形 存在颈缩 图1 真实应力-对数应变曲线 3.3.3 金属塑性变形真实应力-对数应变曲线的确定

19. 均匀变形 存在颈缩 ——真实应力-对数应变曲线 —— 标称应力-对数应变曲线 3.3.4 真实应力-对数应变曲线与标称应力-对数应变曲线的比较

20. NWPU 3.3.5 常用的几种真实应力应变关系模型

21. 标称应力（又称名义应力，条件应力 ） 真实应力（又称真应力） 相对应变（又称名义应变，工程应变 ） 对数应变（又称自然应变，真实应变，真应变 ） 断面收缩率 3.3.6 塑性变形应力应变表述小结 应力表述 应变表述

22. 影响金属塑性的主要因素

23. 3.4.1 化学成分对金属塑性的影响 一般规律： 金属的塑性主要取决于基体金属。 碳:碳↑－→塑性↓（渗碳体） 杂质: 杂质↑－→塑性↓ 磷－→冷脆性。强度、硬度↑ 塑性↓ 硫－→热脆性。硫化物和共晶体分布晶界，熔点低 氮－→时效脆性、即兰脆。温度↓氮化物析出↑ 氢－→氢脆，间隙固溶体。白点，扩散聚集微缺陷处 氧－→热脆性。氧化物、易溶共晶体分布晶界，熔点低 合金元素:合金元素加入－→塑性↓－→抗力↑ 碳和杂质元素

24. 相结构 晶粒度 铸造组织 3.4.2 组织对金属塑性的影响

25. 塑 性 -200 0 400 800 1000 1200 1400 200 600 温度/℃ 3.4.3 温度对金属塑性的影响 一般趋势：温度↑－→塑性↑ 碳钢的塑性随温度的变化曲线

26. 3.4.4 温度影响金属塑性的机理 • 发生回复或再结晶； • 原子动能增加，位错活动性提高、滑移系增多； • 金属的组织、结构发生变化：多相组织→单相组织，或者，对塑性不利的晶格→对塑性有利的晶格； • 扩散蠕变机理起作用； • 晶间滑移作用增强。

27. 3.4.5 应变速率对金属塑性的影响 该问题比较复杂，有关认识仍待深入。 一般性的机理分析： 1、应变速率↑ →真实应力↑ → 塑性变形不能充分扩展→ 较早地达到断裂阶段→ 塑性↓； 2、应变速率↑ →无足够时间回复或再结晶→ 软化作用↓ →塑性↓； 3、应变速率↑ →温度效应↑ →温度↑ →塑性↑。

28. 3.4.6 应变速率对金属塑性的影响 塑 性 指 标 应变速率 应变速率对塑性的影响的示意曲线

29. 5000 5000 压力柱塞 4000 4000 试样 3000 3000 试验腔室 2000 2000 破坏 1000 1000 破坏 破坏 破坏 高压液体注入孔 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 压缩程度（％） 压缩程度（％） 卡尔曼试验保解仪器的工作部分 3.4.7 应力状态对金属塑性的影响 卡尔曼试验

30. 3.4.8 应力状态影响金属塑性的机理 应力状态对塑性起影响作用的是 应力球张量。 静水压力提高金属塑性变形的解释： 1、静水压力↑ →晶间变形困难→金属塑性↑ 2、三向压缩应力有利于愈合塑性变形过程中产生的各种损伤； 3、三向压缩作用能抑制变形体内存在的少量的对塑性不利的杂质、液相态或组织缺陷； 4、增大静水压应力，可抵消由不均匀变形引起的附加拉应力，从而减轻附加拉应力所造成的拉裂作用。

31. 3.4.9 提高金属塑性的基本途径 1、提高材料的成份和组织均匀性； 2、合理选择变形温度和应变速率； 3、选择三向压缩性较强的变形方式； 4、减少变形的不均匀性。

32. 金属的超塑性变形

33. 3.5.1 超塑性的概念 超塑性的一般理解： 金属和合金具有超常的均匀变形能力，其伸长率可以达到百分之几百、甚至百分之几千。 至今仍无物理本质上的确切定义。 超塑性变形的一般特点： 1、大伸长率； 2、无缩颈； 3、低流动应力； 4、易成形。

34. 3.5.2 超塑性成形实例 Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸率现象 （δ＝1950％），左为拉伸前的试样。

35. 3.5.3 超塑性现象的种类 细晶超塑性 是指在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所呈现的细晶超塑性。又称为结构超塑性或恒温超塑性。 主要控制因素： 晶粒超细化（<10um）、等轴化，并在成形期间保持稳定； 变形温度：0.5～0.7 Tm 应变速率：10-1～10-5 s-1 相变超塑性 是指在一定外力作用下，使金属或合金在相变温度附近反复加热和冷却，经过一定的循环次数后获得很大的伸长率。又称为动态超塑性。 主要控制因素： 温度幅度（△t = t上－ t下）； 温度循环率（即加热-冷却速度）

36. 3.5.4 超塑性变形机理 目前仍处于探讨阶段，尚无统一的认识。 几种主流的观点： 晶界滑移的观点； 扩散蠕变机理的作用； 动态回复和动态再结晶。 一般地认为，超塑性变形机理比常规塑性变形机理更为复杂，它包括晶界的滑移和晶粒的转动、扩散蠕变、位错的运动、在特殊情况下还有再结晶等，是几个机理的综合作用。

37. σ 起始状态 σ І 中间状态 ІІ 终了阶段 3.5.5 A-V超塑变形机理 由Ashby和Verrall提出的晶界滑动和扩散蠕变联合机理，简称A-V机理。 该理论认为，在晶界滑移的同时伴随有扩散蠕变，对晶界滑移起调节作用的不是晶内位错的运动，而是原子的扩散迁移。

38. 3.5.6 影响细晶超塑性的主要因素

39. 作 业 • P56-1、2、3、5 • P146-36、37 • P56-13 • 自学Matlab • 成立学习小组 • 各班课代表与朱莉老师联系上机事宜