硬化与硬化曲线的相关研究

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-9 金属的应力-应变曲线1—实际应力曲线 2—假象应力曲线图2-10 不同材料的硬化曲线求硬化曲线的试验工作既复杂，又要求精细。硬化指数n大时，表示冷变形时硬化显著，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。

1.硬化

在冲压生产中，毛坯形状的变化和零件形状的形成过程通常是在常温下进行的。金属材料在常温下的塑性变形过程中，由于冷变形的硬化效应引起的材料力学性能的变化，结果使其强度指标（σ_s、R_m）随变形程度加大而增加，同时塑性指标（A、Z）降低。因此，在进行变形毛坯内各部分的应力分析和各种工艺参数的确定时，必须考虑到材料在冷变形硬化中屈服强度（或称变形抗力）的变化。材料不同，变形条件不同，其加工硬化的程度也就不同。材料加工硬化不仅使所需的变形力增加，而且对冲压成形有较大的影响，有时是有利的，有时是不利的。例如在胀形工艺中，板材的硬化能够减少过大的局部集中变形，使变形趋向均匀，增大成形极限；而在内孔翻边工序中，翻边前冲孔边缘部分材料的硬化，容易导致翻边时产生开裂，则降低了极限变形程度。因此，在对变形材料进行力学分析，确定各种工艺参数和处理生产实际问题时，必须了解材料的硬化现象及其规律。

2.硬化曲线

表示变形抗力随变形程度增加而变化的曲线称为硬化曲线，又称实际应力曲线或正应力曲线，它可以通过拉伸等试验方法求得。实际应力曲线与材料力学中所学的工程应力曲线（又称假象应力曲线）是有所区别的，假象应力曲线的应力指标是采用假象应力来表示的，即应力按各加载瞬间的载荷F除以变形前试样的原始截面面积A₀计算（σ=F/A₀）。没有考虑变形过程中试样截面面积的变化，这显然是不准确的；而实际应力曲线的应力指标是采用正应力来表示的，即应力按各加载瞬间的载荷F除以该瞬间试样的截面面积A计算（σ=F/A）。金属的应力-应变曲线如图2-9所示。从图2-9中可以看出，实际应力曲线能真实反映变形材料的加工硬化现象。

图2-10所示是用试验方法求得的几种金属在室温下的硬化曲线。从曲线的变化规律来看，几乎所有的硬化曲线都具有一个共同的特点，即在塑性变形的开始阶段，随变形程度的增大，实际应力剧烈增加，当变形程度达到某些值以后，变形的增加不再引起实际应力值的显著增加。也就是说，随变形程度的增大，材料的硬化强度dσ/dε（或称硬化模数）逐渐降低。

图2-9 金属的应力-应变曲线

1—实际应力曲线 2—假象应力曲线

图2-10 不同材料的硬化曲线

求硬化曲线的试验工作既复杂，又要求精细。由图2-10可知，不同的材料硬化曲线差别很大，而且实际应力与变形程度之间的关系又很复杂，所以不可能用同一个数学公式精确地把它们表示出来，这就给求解塑性力学问题带来了困难。为了实用上的需要，必须将实际材料的硬化曲线进行适当的简化，变成既能写成简单的数学表达式，又只需要少量试验数据就能确定下来的近似硬化曲线。在冲压成形中，常用直线和指数曲线表示的硬化曲线。

由图2-11所示可见，用直线代替硬化曲线是非常近似的，而且仅在切点它们的数值是一致的，在其他各点上都有区别，特别是变形程度很小或很大时，差别尤为显著。

用直线代替硬化曲线的直线方程式为

式中 σ₀———近似的屈服强度，也是硬化直线在纵坐标轴上的截距；

D———硬化直线的斜率，称硬化模数，它表示材料硬化强度的大小。

由于实际硬化曲线与硬化直线之间的差异很大，所以冲压生产中经常采用指数曲线表示硬化曲线，即

式中 C———与材料有关的系数；

n———硬化指数。

不同n值的硬化曲线如图2-12所示。C和n值取决于材料的种类和性能，其值见表2-2，可通过拉伸试验求得。

硬化指数n是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲压性能以及冲压件的质量都有较大的影响。硬化指数n大时，表示冷变形时硬化显著，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，如对于以伸长变形为特点的成形工艺（胀形、翻边等），由于硬化引起的变形抗力的显著增加，可以抵消毛坯变形处局部变薄而引起的承载能力的减弱。因而，可以制止变薄处变形的进一步发展，而使之转移到别的尚未变形的部位。这就提高了变形的均匀性，使变形的制件壁厚均匀，刚性好，精度也高。

图2-11 硬化直线

图2-12 不同n值的硬化曲线

表2-2 各种材料的C和n值

注：表中数据均指退火材料在室温和低变形速度下试验求得的。

硬化与硬化曲线的相关研究

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