变形温度和变形速度对结构钢变形硬化指数的影响

赵 华

(广东松山职业技术学院 机械系，广东 韶关 512126)

1 变形硬化指数

变形硬化指数n(也称为加工硬化指数或形变强化指数)是表明材料冷变形硬化程度的重要参数，定义为板材在塑性变形过程中变形强化能力的一种量度，n还决定了材料能够产生的最大均匀应变量。这一数值在冷加工成型工艺中是很重要的，对板料的冲压性能以及冲压件的质量都有较大的影响。变形硬化指数n大时，表示冷变形时硬化显著，塑性会下降，对后续变形工序不利，有时还必须增加中间退火工序以消除硬化，使后续变形工序得以进行。但是n值大时也有有利的一面，即能使工件具有很好的刚度，使得变形更趋均匀化。

在双对数(logσ—logε)坐标平面上(见图1)，n是材料真实应力应变关系曲线的斜率，即：

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图1 双对数坐标平面上的变形硬化指数

对于工作中的零件，也要求材料有一定的形变硬化能力，否则，在偶尔过载的情况下，会产生过量的塑性变形，甚至有局部的不均匀变形或断裂，造成构件的破坏；因此，材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保证，形变硬化是提高材料强度的重要手段。

变形硬化指数n是一个常用的材料性能指标，它代表材料抵抗继续变形的能力。对于理想弹性体，n=1；对于理想塑性体，n=0；对于大多数金属材料，n=0.1～0.5；对于退火的低碳钢，n=0.2。一般随着材料强度的增加，n的数值减小。

在目前的技术资料中所介绍的变形硬化指数n，是在很大波动范围内变形的最终值，它没有考虑具体的变形温度、变形速度和变形程度的影响。钢和很多有色金属及其合金的热加工流动曲线的变形程度和变形速度的波动范围很大，存在下列关系[1]：

σs=σs1εin

logσs=logσs1+nlogεi

变形硬化指数n是材料变形时力学性能变化的主要特性参数，它影响着变形的稳定性，同时又可预测薄板壳件、平板类和管类零件的变形可能性。n与εi的关系是由在塑性变形过程中温度的变化引起相或组织的转变而确定的。

2 试验研究

通过镦粗试验，对碳钢和合金钢的硬化情况进行了研究。按所得结果作出了各种钢的硬化曲线。试验是在850、950、1 050和1 150 ℃温度下，变形速度εv分别为5、10、40和80 s-1条件下进行的。所选材料种类、化学成分和力学性能见表1和表2。

表1 试验用材料的种类及化学成分(质量分数) (%)

表2 试验用材料的力学性能

所有数字在计算机上利用最小平方法计算得出。变形温度和变形速度对变形硬化指数n的影响，可由变形阻力和变形程度的关系曲线(见图2和图3)来表示，曲线的斜率即为变形硬化指数n。图2和图3中只做出了45号钢和38CrMoAlA钢2种的变形阻力曲线(其他结构钢的变形阻力曲线变化规律一致)，其中：曲线1，εv=5 s-1；曲线2，εv=10 s-1；曲线3，εv=40 s-1；曲线4，εv=80 s-1。

图2 在不同的变形温度和变形速度下，45号钢的变形阻力曲线

图3 在不同的变形温度和变形速度下，38CrMoAlA钢的变形阻力曲线

3 试验结果分析

分析图2和图3中的曲线，可以得出下述结论。

1)变形硬化指数n在同一温度下，在不同的变形速度和变形程度下的值是不同的，在变形阻力曲线上具有最大和最小值(曲线斜率)。同一成分的材料，在不同温度下，其变形硬化指数n的值也是不同的。这种现象表明，当变形温度较低时，材料产生了加工硬化，使得n值较大，随着温度的增加，再变形金属内部产生了硬化和回复2个过程，回复使得变形内应力减小，n值逐渐减小。

2)不仅变形温度和变形速度对变形硬化指数n存在很大影响，钢的化学成分对其影响也很大。从图2a与图3a、图2b与图3b中的曲线可以看出，当其他条件相同时，2种钢的变形硬化指数n之间存在差值，38CrMoAlA钢的变形硬化指数更大，说明化学成分中的合金元素对钢的变形硬化指数有影响[2]。

3)通过试验发现，对于所有钢，n的最大值都出现在最小的变形程度εi值处(见图2a和图3a)，这种现象的出现和材料层错能有关，层错能高者容易变形，更早的出现胞状结构，当胞状结构形成后加工硬化就减小了，所以随着变形程度的增加，变形硬化指数的值减小。

4)在εi=70%时，对于所有结构钢而言，σ—εi曲线趋于平缓，说明变形硬化指数趋于稳定值。因为变形金属的层错能较高，滑移过程越容易进行，变形硬化指数减小。

5)室温下的变形速度对于低碳合金钢的影响不大，而对于高合金钢有一定影响。

4 结语

综上所述，可以得出如下结论。

1)金属既有塑性变形又有形变硬化，才能够得到截面均匀一致的变形产品。因为这二者金属都具备，且相互配合，产生变形即伴随硬化，使变形分布到其他地方去，如此反复，最后得到截面均匀一致的塑性加工产品。

2)塑性变形与形变硬化二者的联合使一切构件在服役过程中具有承受偶尔过载的能力，从而保证使用安全。由于金属具有形变硬化的能力，因此超过屈服强度的偶尔过载所引起的塑性变形发展到一定程度后就会自行停止，从而保证了构件的使用安全。

3)形变硬化也是金属力学性能强化的重要手段之一，与固溶强化和热处理强化等都属于金属强化的手段之一。特别是对那些无相变的金属材料，如一些纯金属和变形铝合金等，热处理无能为力，形变强化便成了唯一强化金属的手段。

最后应特别指出，钢的变形硬化指数n在塑性变形过程中是要发生变化的，这种改变取决于钢的化学成分、变形温度和变形速度。

[1]林治平，译. 金属与合金的塑性变形抗力[M]. 北京：机械工业出版社，1984.

[2]宋维锡. 金属学[M]. 北京：冶金工业出版社，1980．