趙 華

(廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，廣東 韶關(guān) 512126)

1 變形硬化指數(shù)

變形硬化指數(shù)n(也稱為加工硬化指數(shù)或形變強(qiáng)化指數(shù))是表明材料冷變形硬化程度的重要參數(shù)，定義為板材在塑性變形過(guò)程中變形強(qiáng)化能力的一種量度，n還決定了材料能夠產(chǎn)生的最大均勻應(yīng)變量。這一數(shù)值在冷加工成型工藝中是很重要的，對(duì)板料的沖壓性能以及沖壓件的質(zhì)量都有較大的影響。變形硬化指數(shù)n大時(shí)，表示冷變形時(shí)硬化顯著，塑性會(huì)下降，對(duì)后續(xù)變形工序不利，有時(shí)還必須增加中間退火工序以消除硬化，使后續(xù)變形工序得以進(jìn)行。但是n值大時(shí)也有有利的一面，即能使工件具有很好的剛度，使得變形更趨均勻化。

在雙對(duì)數(shù)(logσ—logε)坐標(biāo)平面上(見(jiàn)圖1)，n是材料真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的斜率，即：

(1)

圖1 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)平面上的變形硬化指數(shù)

對(duì)于工作中的零件，也要求材料有一定的形變硬化能力，否則，在偶爾過(guò)載的情況下，會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的塑性變形，甚至有局部的不均勻變形或斷裂，造成構(gòu)件的破壞；因此，材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保證，形變硬化是提高材料強(qiáng)度的重要手段。

變形硬化指數(shù)n是一個(gè)常用的材料性能指標(biāo)，它代表材料抵抗繼續(xù)變形的能力。對(duì)于理想彈性體，n=1；對(duì)于理想塑性體，n=0；對(duì)于大多數(shù)金屬材料，n=0.1～0.5；對(duì)于退火的低碳鋼，n=0.2。一般隨著材料強(qiáng)度的增加，n的數(shù)值減小。

在目前的技術(shù)資料中所介紹的變形硬化指數(shù)n，是在很大波動(dòng)范圍內(nèi)變形的最終值，它沒(méi)有考慮具體的變形溫度、變形速度和變形程度的影響。鋼和很多有色金屬及其合金的熱加工流動(dòng)曲線的變形程度和變形速度的波動(dòng)范圍很大，存在下列關(guān)系[1]：

σs=σs1εin

logσs=logσs1+nlogεi

變形硬化指數(shù)n是材料變形時(shí)力學(xué)性能變化的主要特性參數(shù)，它影響著變形的穩(wěn)定性，同時(shí)又可預(yù)測(cè)薄板殼件、平板類和管類零件的變形可能性。n與εi的關(guān)系是由在塑性變形過(guò)程中溫度的變化引起相或組織的轉(zhuǎn)變而確定的。

2 試驗(yàn)研究

通過(guò)鐓粗試驗(yàn)，對(duì)碳鋼和合金鋼的硬化情況進(jìn)行了研究。按所得結(jié)果作出了各種鋼的硬化曲線。試驗(yàn)是在850、950、1 050和1 150 ℃溫度下，變形速度εv分別為5、10、40和80 s-1條件下進(jìn)行的。所選材料種類、化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2。

表1 試驗(yàn)用材料的種類及化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 試驗(yàn)用材料的力學(xué)性能

所有數(shù)字在計(jì)算機(jī)上利用最小平方法計(jì)算得出。變形溫度和變形速度對(duì)變形硬化指數(shù)n的影響，可由變形阻力和變形程度的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖2和圖3)來(lái)表示，曲線的斜率即為變形硬化指數(shù)n。圖2和圖3中只做出了45號(hào)鋼和38CrMoAlA鋼2種的變形阻力曲線(其他結(jié)構(gòu)鋼的變形阻力曲線變化規(guī)律一致)，其中：曲線1，εv=5 s-1；曲線2，εv=10 s-1；曲線3，εv=40 s-1；曲線4，εv=80 s-1。

圖2 在不同的變形溫度和變形速度下，45號(hào)鋼的變形阻力曲線

圖3 在不同的變形溫度和變形速度下，38CrMoAlA鋼的變形阻力曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

分析圖2和圖3中的曲線，可以得出下述結(jié)論。

1)變形硬化指數(shù)n在同一溫度下，在不同的變形速度和變形程度下的值是不同的，在變形阻力曲線上具有最大和最小值(曲線斜率)。同一成分的材料，在不同溫度下，其變形硬化指數(shù)n的值也是不同的。這種現(xiàn)象表明，當(dāng)變形溫度較低時(shí)，材料產(chǎn)生了加工硬化，使得n值較大，隨著溫度的增加，再變形金屬內(nèi)部產(chǎn)生了硬化和回復(fù)2個(gè)過(guò)程，回復(fù)使得變形內(nèi)應(yīng)力減小，n值逐漸減小。

2)不僅變形溫度和變形速度對(duì)變形硬化指數(shù)n存在很大影響，鋼的化學(xué)成分對(duì)其影響也很大。從圖2a與圖3a、圖2b與圖3b中的曲線可以看出，當(dāng)其他條件相同時(shí)，2種鋼的變形硬化指數(shù)n之間存在差值，38CrMoAlA鋼的變形硬化指數(shù)更大，說(shuō)明化學(xué)成分中的合金元素對(duì)鋼的變形硬化指數(shù)有影響[2]。

3)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于所有鋼，n的最大值都出現(xiàn)在最小的變形程度εi值處(見(jiàn)圖2a和圖3a)，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)和材料層錯(cuò)能有關(guān)，層錯(cuò)能高者容易變形，更早的出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)胞狀結(jié)構(gòu)形成后加工硬化就減小了，所以隨著變形程度的增加，變形硬化指數(shù)的值減小。

4)在εi=70%時(shí)，對(duì)于所有結(jié)構(gòu)鋼而言，σ—εi曲線趨于平緩，說(shuō)明變形硬化指數(shù)趨于穩(wěn)定值。因?yàn)樽冃谓饘俚膶渝e(cuò)能較高，滑移過(guò)程越容易進(jìn)行，變形硬化指數(shù)減小。

5)室溫下的變形速度對(duì)于低碳合金鋼的影響不大，而對(duì)于高合金鋼有一定影響。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得出如下結(jié)論。

1)金屬既有塑性變形又有形變硬化，才能夠得到截面均勻一致的變形產(chǎn)品。因?yàn)檫@二者金屬都具備，且相互配合，產(chǎn)生變形即伴隨硬化，使變形分布到其他地方去，如此反復(fù)，最后得到截面均勻一致的塑性加工產(chǎn)品。

2)塑性變形與形變硬化二者的聯(lián)合使一切構(gòu)件在服役過(guò)程中具有承受偶爾過(guò)載的能力，從而保證使用安全。由于金屬具有形變硬化的能力，因此超過(guò)屈服強(qiáng)度的偶爾過(guò)載所引起的塑性變形發(fā)展到一定程度后就會(huì)自行停止，從而保證了構(gòu)件的使用安全。

3)形變硬化也是金屬力學(xué)性能強(qiáng)化的重要手段之一，與固溶強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化等都屬于金屬?gòu)?qiáng)化的手段之一。特別是對(duì)那些無(wú)相變的金屬材料，如一些純金屬和變形鋁合金等，熱處理無(wú)能為力，形變強(qiáng)化便成了唯一強(qiáng)化金屬的手段。

最后應(yīng)特別指出，鋼的變形硬化指數(shù)n在塑性變形過(guò)程中是要發(fā)生變化的，這種改變?nèi)Q于鋼的化學(xué)成分、變形溫度和變形速度。

[1]林治平，譯. 金屬與合金的塑性變形抗力[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

[2]宋維錫. 金屬學(xué)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1980．