變形溫度和變形速度對結構鋼變形硬化指數的影響

趙 華

(廣東松山職業技術學院 機械系，廣東 韶關 512126)

1 變形硬化指數

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

在雙對數(logσ—logε)坐標平面上(見圖1)，n是材料真實應力應變關系曲線的斜率，即：

(1)

圖1 雙對數坐標平面上的變形硬化指數

對于工作中的零件，也要求材料有一定的形變硬化能力，否則，在偶爾過載的情況下，會產生過量的塑性變形，甚至有局部的不均勻變形或斷裂，造成構件的破壞；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度的重要手段。

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

在目前的技術資料中所介紹的變形硬化指數n，是在很大波動范圍內變形的最終值，它沒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曲線的變形程度和變形速度的波動范圍很大，存在下列關系[1]：

σs=σs1εin

logσs=logσs1+nlogεi

變形硬化指數n是材料變形時力學性能變化的主要特性參數，它影響著變形的穩定性，同時又可預測薄板殼件、平板類和管類零件的變形可能性。n與εi的關系是由在塑性變形過程中溫度的變化引起相或組織的轉變而確定的。

2 試驗研究

通過鐓粗試驗，對碳鋼和合金鋼的硬化情況進行了研究。按所得結果作出了各種鋼的硬化曲線。試驗是在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條件下進行的。所選材料種類、化學成分和力學性能見表1和表2。

表1 試驗用材料的種類及化學成分(質量分數) (%)

表2 試驗用材料的力學性能

所有數字在計算機上利用最小平方法計算得出。變形溫度和變形速度對變形硬化指數n的影響，可由變形阻力和變形程度的關系曲線(見圖2和圖3)來表示，曲線的斜率即為變形硬化指數n。圖2和圖3中只做出了45號鋼和38CrMoAlA鋼2種的變形阻力曲線(其他結構鋼的變形阻力曲線變化規律一致)，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 試驗結果分析

分析圖2和圖3中的曲線，可以得出下述結論。

1)變形硬化指數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n的值也是不同的。這種現象表明，當變形溫度較低時，材料產生了加工硬化，使得n值較大，隨著溫度的增加，再變形金屬內部產生了硬化和回復2個過程，回復使得變形內應力減小，n值逐漸減小。

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

3)通過試驗發現，對于所有鋼，n的最大值都出現在最小的變形程度εi值處(見圖2a和圖3a)，這種現象的出現和材料層錯能有關，層錯能高者容易變形，更早的出現胞狀結構，當胞狀結構形成后加工硬化就減小了，所以隨著變形程度的增加，變形硬化指數的值減小。

4)在εi=70%時，對于所有結構鋼而言，σ—εi曲線趨于平緩，說明變形硬化指數趨于穩定值。因為變形金屬的層錯能較高，滑移過程越容易進行，變形硬化指數減小。

5)室溫下的變形速度對于低碳合金鋼的影響不大，而對于高合金鋼有一定影響。

4 結語

綜上所述，可以得出如下結論。

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品。因為這二者金屬都具備，且相互配合，產生變形即伴隨硬化，使變形分布到其他地方去，如此反復，最后得到截面均勻一致的塑性加工產品。

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

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

最后應特別指出，鋼的變形硬化指數n在塑性變形過程中是要發生變化的，這種改變取決于鋼的化學成分、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：機械工業出版社，1984.

[2]宋維錫. 金屬學[M]. 北京：冶金工業出版社，1980．