金属塑性加工的宏观规律.ppt

第二章 金属塑性加工的宏观规律,2.1 最小阻力定律 2.2 影响金属塑性流动和变形的因素 2.3 不均匀变形、附加应力和残余应力,2.1 最小阻力定律,金属塑性加工时，质点的流动规律可以应用最小阻力定律分析。最小阻力定律可表述为：变形过程中，当变形体中的质点有可能沿着不同的方向发生流动时，质点将向着阻力最小的方向流动。即“做最少的功，走最短的路”。最小阻力定律实际上是力学质点流动的普遍原理，它可以定性地用来分析金属质点的流动方向。,利用最小阻力定律可以推断，任何形状的物体只要有足够的塑性，都可以在平锤头下镦粗使坯料逐渐接近于圆形。这是因为在镦粗时，金属流动距离越短，摩擦阻力也越小。图2-1所示方形坯料镦粗时，沿四边垂直方向摩擦阻力最小，而沿对角线方向阻力最大，金属在流动时主要沿垂直于四边方向流动，很少向对角线方向流动，随着变形程度的增加，断面将趋于圆形。由于相同面积的任何形状总是圆形周边最短，因而最小阻力定律在镦粗中也称为最小周边法则。,图2-2 矩形断面棱柱体镦粗时的金属流动模型,通过调整某个方向的流动阻力来改变某些方向上金属的流动量，以便合理成形，消除缺陷。例如，在模锻中增大金属流向分型面的阻力，或减小流向型腔某一部分的阻力，可以保证锻件充满型腔。,图2-3 开式模锻的金属流动模型,接触面上的外摩擦 变形区的几何因素 工具与工件的轮廓形状 变形体内部温度分布不均 变形体的外端 金属性质不均的影响,2.2影响金属塑性流动和变形的因素,接触面上的外摩擦,在工具和变形金属之间的接触面上必然存在摩擦。由于摩擦力的作用，在一定程度上改变了金属的流动特性并使应力分布受到影响。,镦粗时的分区,圆柱体镦粗时，由于接触面上有摩擦存在，在接触表面附近金属流动困难，圆柱形坯料转变成鼓形。在此情况下，可将变形金属整个体积大致分为三个区： 区表示由外摩擦影响而产生的难变形区； 区表示与作用力成45角的最有利方位的易变形区； 区表示变形程度居于中间的自由变形区。,镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响,变形区的几何因素,在金属塑性加工中存在着外摩擦，变形的不均匀分布情况与变形区几何因素(如H/d、H/L、H/B等)有密切关系。实验表明：镦粗圆柱体时，当试样原始高度与直径比H/d2.0时才发生上述的单鼓形不均匀变形。当坯料高度较大且变形程度甚小时(当H/d2.0时)，则往往只产生表面变形，而中间层的金属不产生塑性变形或塑性变形甚小，结果导致形成双鼓形。,图2-11 h2值对变形的影响,工具与工件的轮廓形状,工具（或坯料）形状是影响金属塑性流动方向的重要因素。工具与金属形状的差异，是造成金属沿各个方向流动的阻力有差异，因而金属向各个方向的流动（即变形量）也有相应差别。,如图所示，在圆形砧或V型砧中拔长圆断面坯料时，工具的侧面压力使金属沿横向流动受到很大的阻碍，被压下的金属大量沿轴向流动，这就使拔长效率大大提高。当采用图c所示的工具时，则产生相反的结果，金属易于横向流动。,a b c,变形体内部温度分布不均,变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形和流动的差异。变形首先发生在那些变形抗力最小的部分。一般，在同一变形物体中高温部分的变形抗力低，低温部分的变形抗力高。这样，在同一外力的作用下，高温部分变形量大，低温部分变形量小。而变形物体是一整体，限制了物体各部分不均匀变形的自由发展，从而产生相互平衡的附加应力。,在变形体内因温度不同所产生热膨胀的不同而引起的热应力，与由不均匀变形所引起的附加应力相叠加后，有时会加强应力的不均匀分布，甚至会引起变形物体的断裂。 在热轧中常见到轧件轧出后会出现上翘或下翘现象，产生此现象原因之一就是轧件的温度不均所造成的。,铝钢双金属轧制时由不均匀变形产生的弯曲现象,金属性质不均的影响,变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异。例如，在受拉伸的金属内存在一团杂质，由于杂质和其周围晶粒的性质不同，出现应力集中现象，结果这种缺陷周围的晶粒必须发生不均匀变形，并会产生晶间及晶内附加应力。,第二章 金属塑性加工的宏观规律,第三节 不均匀变形、附加应力和残余变形 变形不均匀的基本概念 变形不均匀的防止措施 残余应力,3.1 变形不均匀的基本概念,均匀变形与不均匀变形 基本应力与附加应力 研究变形分布的方法,均匀变形与不均匀变形,均匀变形 若变形区内金属各质点的应变状态相同，即它们相应的各个轴向上变形的发生情况、发展方向及应变量的大小都相同，这个体积的变形可视为均匀的。,均匀变形的特点：,变形前体内的直线和平面，变形后仍然是直线和平面； 变形前彼此平行的直线和平面，变形后仍然保持平行； 任何一个二阶曲面变形后仍为二阶曲面，其中变形前的球体于变形后变为椭球体； 两个几何相似且位置相似的单元体，于变形后仍保持几何相似。,均匀变形的条件：,变形物体的物理性质必须均匀且各向同性； 整个物体任何瞬间承受相等的变形量； 接触表面没有外摩擦，或没有接触摩擦所引起的阻力； 整个变形体处于工具的直接作用下，即处于无外端的情况下。,要全面满足以上条件，严格说是不可能的，因此，不均匀变形是绝对的。例如，挤压或拉伸棒材的后端凹入；平砧下镦粗圆柱体时出现的鼓形，板材轧制时易出现舌头和鱼尾等均表明变形体横断面上延伸都是不均匀的。这对产品质量及实现加工过程有着重大影响。因此必须对不均匀变形规律加以研究，以便采取各种有效措施来防止或减轻其不良后果。,单鼓形,双鼓形,不均匀变形的种类,1）第一类不均匀变形 由于摩擦力、变形体外端条件的影响，使变形体中不同区域的变形不同。 2）第二类不均匀变形 由于变形体中晶粒的位相不同，使变形体中不同晶粒变形不同 3）第三类不均匀变形 由于统一晶粒中各滑移系取向不同，使变形体中统一晶粒内部的各部分变形不同。,基本应力与附加应力,金属塑性变形时变形物体内变形的不均匀分布，不但能使物体外形歪扭和内部组织不均匀，而且还使变形物体内的应力分布也不均匀。此时，除基本应力外，还产生附加应力。,基本应力,由于外力作用所引起的应力叫做基本应力，表示这种应力分布的图形叫做基本应力图。或物体在塑性变形状态中，完全根据弹性状态所测出的应力叫做基本应力。,附加应力,由于物体内各处的不均匀变形受到物体整体性的限制，而引起在其间相互平衡的应力叫做附加应力 。,附加应力定律：任何塑性变形物体内部，在变形过程中均有自相平衡的附加应力。 分类： （）第一类附加应力：变形体内各区域体积之间不均匀变形所引起； （）第二类附加应力：各晶粒之间的性质、大小和方位不同，使晶粒不均匀变形所引起。 （）第三类附加应力：晶粒内部不均匀变形所引起。,残余应力,应当明确，基本应力是在外力作用下与瞬时加载(或卸载)所发生的弹性变形相对应，故当外力去除后这部分弹性变形恢复，基本应力便立刻消失。 而附加应力，是在不均匀变形受物休整体性阻碍而发生的、在物体内自相平衡的内力(与此内力相对应便在物体内呈平衡存在弹性变形或畸变)，并不与外力发生直接关系，所以当外力去除，变形终止后，仍继续保留在变形物体内部。 这样，在塑性变形完毕后仍保留于物体内的自相平衡的应力称为残余应力。,附加应力的分类,按宏观级、显微级和原子级的变形不均匀性可把附加应力分为下述三种： 第一种附加应力，在变形物体的大部分体积之间由不均匀变形所引起的彼此平衡的附加应力。上述图示的例子即属于此类。,第二种附加应力为在变形物体内两个或几个相邻晶粒之间由不均匀变形所引起的彼此平衡的附加应力。,第三种附加应力为在滑移面附近或在滑移带中由各部分彼此之间平衡起来的晶格畸变所引起的附加应力，也就是说在一个晶粒内由于变形不均所引起的附加应力。,3.2 变形不均的防止措施,变形不均产生的后果 减轻变形不均的措施,变形不均产生的后果,使单位变形力增大 当变形不均匀分布时，将使物体内部产生相互平衡的附加应力，使变形能量消耗增加，也使单位变形力增大。此外，当应力不均匀分布时，将使变形体内实际的应力分布情况与基本应力有很大不同，有时虽然作用着单向的基本应力，但工作应力却可能变成三向同名应力状态，此时也会使单位变形力增大。,使塑性降低 在具有应力不均匀分布的变形物体内，当某处的工作应力达到金属的断裂强度时，则在该处将首先产生断裂，从而导致金属的塑性下降。,使产品质量降低 由于变形的不均匀分布使物体内产生附加应力，若变形后物体的温度较低不足以消除此附加应力时，则在物体内将存有残余应力，从而使物体的力学性能下降。同时，由于变形体内各处的变形不同，其再结晶后各处的晶粒大小也不同，造成组织与性能分布不均。,使技术操作复杂 由于变形体内应力的分布不均，使加工工具的各部分受力不均，以致使工具各部分的弹性变形和磨损不均。这样就使工具设计、制造和维护复杂。同时也使对材料进行的热处理制度复杂化。,减轻变形不均的措施,正确选定变形的温度速度制度 变形温度应保证物体在单相区完成塑性变形，并在整个物体内分布均匀。变形速度制度的选择也应使变形在物体内分布均匀，如Hd比较大的厚件，在速度较低的压力机上锻压较合适。,减小金属表面上的外摩擦 为减小接触表面上的摩擦系数，应提高和保持工具表面的光洁度和采用适宜的润滑剂。也可采用超声振动加工等方法来减少外摩擦的不利影响。,合理设计加工工具形状 要正确选择与设计锻模、轧辊孔型及其它工具，使其形状与坯料断面能很好的配合，以保证变形与应力分布较为均匀。,尽可能保证变形金属的成分及组织均匀 这首先要从提高冶炼及浇铸质量方面入手；其次，对已浇铸的钢锭必要时采用高温均匀化退火的办法，也可进一步改善其化学成分的均匀性。,三、残余应力,定义：引起应力的外因去除后在物体内仍残存的应力。 特点：残余应力是弹性应力，它不超过材料的屈服极限。 分类： （）第一类残余应力：存在于变形体各大区之间； （）第二类残余应力：存在于各晶粒之间； （）第三类残余应力：存在于晶粒内部。 残余应力产生的原因： （）塑性变形不均匀。残余应力的符号与引起该残余应力的塑性应变符号相反。 （）温度不均匀（加热冷却不均匀）引起的热应力。 （）相变过程引起的组织应力。,残余应力的不良后果： （）具有残余应力的物体再承受塑性变形时，其应力分布会更不均匀。 （）缩短制品的使用寿命。 （）使制品的形状和尺寸发生变化。 （）增加塑性变形抗力，降低金属塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。 （）降低金属的耐蚀性 （例如黄铜的季裂）。,注意：表层残余拉应力是绝对有害的，但表层残余压应力却因可以增加工件使用性能而有利。如表面淬火、喷丸加工、表面滚压、表面渗碳、渗氮等。,消除残余应力的方法 （）热处理法去应力退火（消除较为彻底） Note：只有在制品允许退火时才能采用。因为较高温度下的退火会使制品的晶粒明显长大，有损金属的力学性能。 （）机械处理法 使制品表面再产生一些表面变形，使残余应力得到一定程度的释放和松弛，或使之产生新的附加应力，以抵消制品内的残余应力或尽量减少其数值。 Note：机械处理法只能消除第一类残余应力。,第四节 金属塑性成形中的摩擦和润滑,一、金属塑性成形中摩擦的特点及其影响 塑性成形中的摩擦与机械传动中的摩擦相比，有如下特点： 1. 接触面单位压力高。 2. 伴随着塑性变形。 3. 在高温下进行。 塑性成形中的摩擦在多数情况下是有害的，具体表现如下： 1. 改变应力状态，增大变形抗力。 2. 引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力。 3. 降低模具寿命。,二、塑性成形中的摩擦分类及机理 （一）塑性成形中的摩擦分类 根据塑性成形中坯料与工具表面之间的润滑状态的不同，摩擦可分为三类，即干摩擦、边界摩擦和流体摩擦，由此还可以派生出混合型摩擦。 1. 干摩擦 接触表面没有其他外来介质，仅是金属与金属之间的摩擦。,2. 边界摩擦 接触表面之间存在很薄的润滑膜，凸凹不平的坯料表面凸起部分被压平，润滑剂被压入凹坑中，被封存在里面。 3. 流体摩擦 当坯料与工具表面之间的润滑剂层较厚，两表面的微观凸凹部分不直接接触，完全被润滑剂隔开的润滑叫流体润滑，该状态下的摩擦叫流体摩擦 。,（二）摩擦机理 塑性成形过程中的摩擦是非常复杂的，目前关于摩擦机理（即摩擦产生的原因）有三种学说。 1. 表面凹凸学说。 2. 分子吸附学说。 3. 粘附理论。,三、塑性成形时摩擦力的计算 定量计算摩擦力的关系式称作摩擦条件，常用的有三种摩擦条件： 1. 库伦摩擦条件.不考虑接触表面的粘合现象，认为单位面积上的摩擦力与接触面上的正应力成正比， 式中，是接触面上的摩擦切应力（MPa）；N是接触面上的正应力（MPa）；是摩擦系数 2. 最大摩擦力条件.当接触表