金属塑性加工原理

金属塑性变形基础

Foundationofplasticdeformationformetallicmaterials荣莉北京工业大学材料科学与工程学院塑性变形材料学:1）塑性变形组织控制

2）织构控制金属塑性加工力学：连续介质力学＋晶体力学

CMTP(ContinuumMechanicsofTexturedPolycrystals)塑性加工摩擦学：干摩擦、湿摩擦、边界摩擦、混合摩擦＋润滑剂塑性加工理论的发展概况绪论§0.1塑性加工在国民经济中的地位特点

§0.2主要金属塑性加工方法

§0.3本课程的任务金属塑性加工力学§0.1塑性加工方法在国民经济中的地位特点

金属采用塑性加工方法成材，不仅以其原材料消耗少、生产效率高、产品质量稳定，而且能有效地改善和控制金属的组织与性能，在国民经济与国防建设中占有十分重要的地位。1、航空航天采用塑性成形加工的零件，在航空航天飞行器中占50-60％2、武器装备3、交通运输在汽车与摩托车制造中，占70-80％板料冲压件：顶棚、车门、盖板、底板、车厢，其它压力加工件：大梁、保险杠、油箱4、建筑5、家用电器家用电器中包含采用塑性成形加工的塑料件，高达90-95％金属坯料在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定几何形状，尺寸和精度，以及服役性能的材料、毛坯或零件的加工方法。§0.2主要金属塑性加工方法1.金属塑性加工3.主要加工方法(1)轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的过程。(可实现连续轧制)纵轧、横轧、斜轧。举例：汽车车身板、烟箔等；轧制板材最宽达5m，最薄0.001mm二十辊轧机结构各个工业部门如电子，信息、仪器、机电等行业肘各种金属及合金薄带和极薄带材的需求增长很快;多辊轧机:是生产超薄带材等最适合的轧机其它：多辊轧制;孔型轧制

金属坯料在一对回转的轧辊的空隙中受压变形，从而获得各种相应形状和尺寸的产品。其它：多辊轧制;孔型轧制孔型轧制:金属材料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。

(2）挤压

正挤压——坯料流动方向与凸模运动方向一致。

反挤压——坯料流动方向与凸模运动方向相反。（左）挤压开始时第一根型材刚刚被挤出一段，（右）为铝型材生产过程中(2）挤压3.主要加工方法卧式挤压机(2）挤压挤压产品截面形状图(3)拉拔将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。3.主要加工方法3.主要加工方法(4)锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形

A.自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或压力而产生塑性变形的加工精度、生产率不高，主要用于轴类、曲柄、连杆等单件的小批生产3.主要加工方法B.模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而产生塑性变形的加工。举例：飞机大梁，火箭捆挷环等生产率高、精度高、适用于大批量生产设备:锻锤、蒸汽-空气锤、水压机工具:

平砧铁、V形砧座等；万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环我国自行研制的万吨级水压机冲压——金属坯料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法。3.主要加工方法(5)冲压：拉深废品及缺陷起皱拉裂主要用于各种壳体零件，如飞机蒙皮、汽车覆盖件、子弹壳、仪表零件、日用器皿剪板机（剪成条料）、冲床、液压机等。冲压设备4.特点(1)质量比铸件好(尺寸精度高，表面质量好、性能好)；a.细化晶粒；b.消除微观缺陷。(2)不产生切削，金属利用率高；(3)易实现连续化、自动化、高速、大批量生产；(4)设备较庞大，相对铸造能耗较高。5.金属材料加工的主要方向常规材料加工工艺的短流程化和高速、高效化连铸连轧

发展先进的成形加工技术，实现组织与性能的精确控制热连轧，冷连轧

材料设计、制备与成形加工一体化整体构件

发展计算机数值模拟、仿真模拟及神经网络技术，构筑完善的材料数据库。材料的智能制备与成形加工技术。6.金属塑性加工力学的任务

金属材料在国民经济、国防军工建设中占有极其重要战略地位，本课程主要学习塑性力学的基础知识，为塑性加工过程中变形体的应力、应变分析，以及变形力的计算奠定力学基础。金属塑性加工原理

PrincipleofPlasticDeformation

inMetalProcessing第二篇塑性变形力学基础金属塑性变形过程和力学特点

以单向拉伸为例说明塑性变形过程与特点，如图2-1所示。金属变形分为弹性、均匀塑性变形、破裂三个阶段。

时，。

当以后，变形视作塑性阶段。是非线性关系。当应力达到之后，变形转为不均匀塑性变形，呈不稳定状态。经短暂的不稳定变形，试样以断裂告终。弹性(Elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。塑性(Plasticity)：固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力屈服(Yielding)：开始产生塑性变形的临界状态损伤(Damage)：材料内部缺陷产生及发展的过程断裂(Fracture)：宏观裂纹产生、扩展到变形体破断的过程几个基本概念研究内容

塑性力学(Themechanicsofplasticity)是固体力学的一个分支，其主要任务是研究物体在塑性变形阶段的应力和应变的规律。与其它工程力学（如：理论力学、材料力学、结构力学）的区别主要是研究方法、对象以及分析结果的差异。第4章应力分析、应变分析、物性方程§4.1应力与点的应力状态§4.2点的应力状态分析§4.3应力张量的分解与几何表示§4.5应变与位移关系方程§4.6点的应变状态§4.7应变增量§4.8应变速度张量§4.9主应变图与变形程度表示§4.10物性方程§4.1应力与点的应力状态外力(Load)与内力(Internalforce)

外力P：指施加在变形体上的外部载荷。可以分成表面力和体积力两大类。表面力即作用于工件表面的力，它有集中载荷和分布载荷之分，一般由加工设备和模具提供。体积力则是作用于工件每一质点上的力，如重力、磁力、惯性力等等。

内力Q：内力是材料内部所受的力，它的产生来自于外界作用和物体内维持自身完整性的力。

§4.1.1应力应力S是内力的集度

内力和应力均为矢量

应力的单位：1Pa=1N/m2=1.0197Kgf/mm2

1MPa=106N/m2应力是某点A的坐标的函数，即受力体内不同点的应力不同。应力是某点A在坐标系中的方向余弦的函数，即同一点不同方位的截面上的应力是不同的。应力（Stress）：应力是单位面积上的内力（见右图）。其定义式为：Sn=dQ/dA

应力可以进行分解Sn

n、n（n—法向）某截面（外法线方向为n）上的应力：

截面应力分解一点的应力状态：是指通过变形体内某点的单元体所有截面上的应力的有无、大小、方向等情况。一点的应力状态的描述

数值表达：x=50MPa，xz=35MPa张量表达：(i,j=x,y,z)

§4.1.1一点的应力状态及应力张量表示x方向表示y方向表示z方向表示x平面表示y平面表示z平面

应力的分量表示及正负符号的规定

ij

xx、xy、xz、yx、

yy、yz、zx、zy、zzi——应力作用面的外法线方向

j——应力分量本身作用的方向当i=j时为正应力

i、j同号为正（拉应力），异号为负（压应力）当i≠j时为剪应力

i、j同号为正，异号为负

应力分量图示图示表达：在单元体的三个正交面上标出（如图1-2）

§4.2点的应力状态分析§4.2.1主应力及应力张量不变量§4.2.2主剪应力和最大剪应力§4.2.3八面体应力与等效应力§4.2.1主应力及应力张量不变量

主应力（Principalstress

）：指作用面上无切应力时所对应的正应力，该作用面称作主平面，法线方向为主轴或主方向

设主应力为σ，当为主方向时，有，，，代入整理，有：

求解lx、ly、lz的非零解，必有系数行列式值为零，最终可得：

式中I1、I2、I3称作应力张量的第一、二、三不变量。

讨论：

1.可以证明，在应力空间，主应力平面是存在的；2.三个主平面是相互正交的；3.对于给定的应力状态，主应力、应力不变量具有唯一性;4.应力不变量不随坐标而改变，利用应力张量不变量，可以判别应力状态的异同。5.应力第一不变量I1反映变形体体积变形的剧烈程度，与塑性变形无关；I3也与塑性变形有关；I2与塑性变形有关。主应力的图示

§4.2.2主切应力和最大剪切应力主切应力(Principalshearstress)：极值切应力（不为零）平面上作用的切应力。最大剪应力(Maximunshearstress)：

通常规定：则有最大剪应力：

或者：

其中：

且有：02,2,2},,max{312312133132232112312312max=++-±=-±=-±==tttsstsstssttttt§4.2.3八面体应力与等效应力

在主应力空间中，每一卦限中均有一组与三个坐标轴成等倾角的平面，八个卦限共有八组，构成正八面体面。八面体表面上的应力为八面体应力。正应力剪应力总应力

八面体上的正应力与塑性变形无关，剪应力与塑性变形有关。八面体应力

等效应力

为了使不同应力状态具有可比性，定义了等效应力σe（Effectivestress），也称相当应力。或公式：1.等效的实质？是（弹性）应变能等效（相当于）。2.什么与什么等效？复杂应力状态（二维和三维）与简单应力状态（一维）等效。3.如何等效？等效公式（注意：等效应力是标量，没有作用面）。4.等效的意义？屈服的判别、变形能的计算、简化问题的分析等。讨论§4.3应力张量的分解与几何表示

塑性变形时体积变化为零，只有形状变化。因此，可以把σij（Stresstensor）分解成与体积变化有关的量和形状变化有关的量。前者称为应力球张量(Sphericalstresstensor)，后者称为应力偏张量(Deviatoricstresstensor)。设σm为平均应力，则有按照应力叠加原理，σij具有可分解性。因此有

式中，当i＝j时，δij＝1；当i≠j时，δij＝0即:

上式第一项为应力偏张量，其主轴方向与原应力张量相同；第二项为应力球张量，其任何方向都是主方向，且主应力相同。

值得一提的是，σmδij只影响体积变化，不影响形状变化，但它关系到材料塑性的充分发挥。三向压应力有利于材料塑性的发挥。

应力偏张量仍然是一个二阶对称张量，同样有三个不变量，分别为，，。表明应力偏张量已不含平均应力成分；与屈服准则有关反映了变形的类型：﹥0表示广义拉伸变形，＝0表示广义剪切变形，﹤0表示广义压缩变形。

讨论：分解的依据：静水压力实验证实，静水压力不会引起变形体形状的改变，只会引起体积改变，即对塑性条件无影响。为引出形状改变的偏应力张量，为引出体积改变的球张量（静水压力）。§4.5应变与位移关系方程§4.5.1几何方程

物体变形时，内部各质点都在运动，质点在不同时刻所走的距离称作位移(Displacement)。而变形则是指两点间距的变化。这种变化有绝对变形与相对变形之分。应变(Strain)属相对变形，它是由位移引起的。直角坐标系下几何方程：

1.物理意义：表示位移与应变之间的关系；

2.工程剪应变:

理论剪应变：

讨论3.应变符号规定：正应变或线应变();

伸长为正，缩短为负；剪应变或切应变（）;

夹角减小为正，增大为负；4.推导中应用到小变形假设、连续性假设及泰勒级数展开等。ne§4.6点的应变状态(i,j=x,y,z)

点的应变状态：指过某一点任意方向上的正应变与切应变的有无情况。可用该点截取的无限小单元体的各棱长及棱间夹角的变化来表示。表示成张量形式：§4.7应变增量全量应变与增量应变的概念前面所讨论的应变是反映单元体在某一变形过程终了时的变形大小，称作全量应变。而增量应变则是指变形过程中某一极短阶段的无限小应变，其度量基准不是原始尺寸，而是变形过程中某一瞬间的尺寸。增量应变张量§4.9主应变图

主变形图是定性判断塑性变形类型的图示方法。主变形图只可能有三种形式：

变形体内一点的主应力图与主应变图结合构成变形力学图。它形象地反映了该点主应力、主应变有无和方向。主应力图有9种可能，塑性变形主应变有3种可能，二者组合，则有27种可能的变形力学图。但单拉、单压应力状态只可能分别对应一种变形图，所以实际变形力学图应该只有23种组合方式。变形力学图应力应变分析的相似性相似性：张量表示、张量分析、张量关系相似（——泊松比）等效应力—弹性变形和塑性变形表达式相同等效应变—弹性变形和塑性变形表达式不相同对于弹性变形：

对于塑性变形：等效关系：差异性：小结1．应力分析

外力、内力、应力概念；

点的应力状态概念、描述方法与性质；斜面应力的确定；应力张量定义；应力不变量；主应力图；应力张量分解；2．应变分析

位移、位移增量、应变、几何方程；

点的应变状态概念、描述方法；任意方向上应变的确定；应变张量与不变量；特殊应变；应变张量分解；

应变增量定义、意义，全量应变与增量应变关系。

§4.10.1金属塑性变形过程和力学特点

§4.10.2塑性条件方程

§4.10.3塑性应力应变关系（本构关系）第4章应力分析、应变分析、物性方程4.10物性方程塑性条件（屈服准则）物性方程、本构关系（塑性变形过程应力应变关系）§4.10.2塑性条件方程

屈服准则又称塑性条件(Plasticconditions)或屈服条件(Yieldconditions)，它是描述不同应力状态下变形体某点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须满足的力学条件。用屈服函数(Yieldfunction)表示：

Tresca

屈服准则（最大剪应力准则）

Mises

屈服准则

回忆：

]比较两屈服准则的区别：（1）物理含义不同：Tresca：最大剪应力达到极限值KMises：畸变能达到某极限（2）表达式不同;（3）几何表达不同：

Tresca准则：在主应力空间中为一垂直π平面的正六棱柱；

Mises准则：在主应力空间中为一垂直于π平面的圆柱。

(π平面:在主应力坐标系中，过原点并垂直于等倾线的平面)比较两屈服准则的区别两准则的联系：

（1）空间几何表达：Mises圆柱外接于Tresca六棱柱；在π平面上两准则有六点重合；（2）通过引入罗德参数和中间主应力影响系数β，可以将两准则写成相同的形式：

其中称为中间主应力影响系数

称为Lode参数。讨论：①当材料受单向应力时，β=1，两准则重合；②Mises更接近实验结果③一般情况下，β=1－1.154

增量理论的假设：薄壁圆筒拉－扭组合载荷实验，薄壁圆管受轴向拉伸与内压同时作用的实验，带缺口的条状试样拉伸实验，§4.10.3塑性应力应变关系（本构关系）应变增量主轴与与偏应力主轴重合的实验基础：增量理论：

d为一正的瞬时参数。

——等效应力，

——等效塑性应变增量主应力状态下：增量理论与全量理论全量理论：

或：

若已知应变变化历史，即知道加载路径，则这个路径可以积分得出应力与应变全量之间的关系，建立全量理论或形变理论，尤其是简单加载下，把增量理论中的增量符号“d”取消即可。在简单加载条件不成立的情况下全量理论是不能使用的。第5章金属塑性加工的宏观规律

§5.1塑性流动规律（最小阻力定律）§5.2影响金属塑性流动和变形的因素§5.3不均匀变形、附加应力和残余应力§5.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点§5.5塑性加工过程的断裂与可加工性

本章重点不均匀变形的基本概念变形不均匀的原因及对塑性加工的影响消除残余应力的措施断裂的基本类型生产实际中的断裂分析§5.1塑性流动规律（最小阻力定律）概念：最小阻力定律最小周边法则实际应用分析最小阻力定律

变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的方向移动。即做最少的功，走最短的路。最小周边法则

存在接触面摩擦时，物体各质点向周边流动的阻力与质点离周边的距离成正比，因而必然向周边最短法线流动，周边形状表现为最小的圆形。实际应用分析§5.2影响金属塑性流动和变形的因素5.2.1摩擦的影响5.2.2变形区的几何因素的影响5.2.3工具的形状和坯料形状的影响5.2.4外端的影响5.2.5变形温度的影响5.2.6金属性质不均的影响5.2.1摩擦的影响摩擦影响的实质：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。5.2.2变形区的几何因素的影响

变形区的几何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影响变形和应力分布很重要的因素。5.2.3工具的形状和坯料形状的影响

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。5.2.4外端的影响

外端（未变形的金属）对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动，进而产生或加剧附加的应力和应变。外端的概念

变形体的外端是指在变形过程中某一瞬间不直接承受工具的作用而处于变形区以外的部分，称为外端或刚端。5.2.5变形温度的影响

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。5.2.6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。§5.3不均匀变形、附加应力和残余应力5.3.1均匀变形与不均匀变形5.3.2研究变形分布的方法5.3.3基本应力与附加应力5.3.4残余应力5.3.1均匀变形与不均匀变形

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。不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。因此，凡是影响金属塑性流动的因素，都会对不均匀变形产生影响。均匀变形与不均匀变形的概念均匀变形：变形区某体积内金属各质点的变形状态相同，就称为均匀变形，否则就叫不均匀变形。均匀变形的特点：

1。平面与直线

2。圆与球体

3。相似单元体均匀变形必需满足的条件变形体物理性质均匀且各向同性各点物理状态完全相同（温度、抗力、硬化情况等）各点的绝对变形量和相对变形量相同变形完全没有外端的作用接触表面没外縻擦或縻擦阻力。不均匀变形的典型现象高向单鼓形或双鼓形接触表出现粘着区、滑动区、侧翻区变形体整个体积可分为难变形区、易变形区、自由变形区。5.3.2研究变形分布的方法

金属塑性加工中，研究变形物体内变形分布（即金属流动）的方法很多。常用的方法有：网格法；硬度法；比较晶粒法。5.3.3基本应力与附加应力

金属变形时体内变形分布不均匀，不但使物体外形歪扭和内部组织不均匀，而且还使变形体内应力分布不均匀。此时，除基本应力外还产生附加应力。基本应力与附加应力的概念基本应力：由外力作用所引起的应力叫基本应力。表示这种应力分布的图形叫基本应力图。附加应力：在物体中，由于各部分的变形不均匀受到物体的整体性限制而引起的相互平衡的应力。工作应力图是处于应力状态的物体在变形时用各种方法测出来的应力图。均匀变形时基本应力图与工作应力图相同。而变形不均匀时，工作应力等于基本应力与附加应力的代数和。附加应力的种类第一类附加应力（宏观附加应力）存在于物体的局部之间第二类附加应力（微观附加应力）存在于物体内的晶粒之间第三类附加应力（微观附加应力）存在于滑移面或滑移带之间附加应力对塑性变形产生的不良后果：（1）引起变形体的应力状态发生变化，使应力分布更不均匀。（2）造成物体的破坏。（3）使材料变形抗力提高和塑性降低（4）使产品质量降低。（5）使生产操作复杂化。（6）形成残余应力。5.3.4残余应力1．残余应力的来源2．变形条件对残余应力的影响3．残余应力所引起的后果4．减小或消除残余应力的措施5．研究残余应力的主要方法残余应力的来源残余应力的分类：第一类残余应力（宏观应力）第二类残余应力（显微应力）第三类残余应力（超显微应力）残余应力的来源：不均匀变形相变热处理铸造电镀机加工等变形条件对残余应力的影响变形温度的影响变形速度的影响变形程度的影响残余应力所引起的后果引起物体尺寸和形状的变化使零件的使用寿命缩短降低了金属的塑性加工性能降低金属的耐蚀性及冲击韧性和疲劳强度减小或消除残余应力的措施热处理方法机械处理法零件彼此碰撞喷丸法表面压平表面拉制在模子中表面校形或精压研究残余应力的主要方法

机械法化学法X射线法图3－30棒材中心钻孔测残余应力图3－31变形与钻孔横断面积关系机械法化学法X射线法

在X射线法中可包括有劳埃法和德拜法。在劳埃法中可根据干扰斑点形状的变化来定性地确定残余应力。图3-34示出，当无残余应力存在时，各干扰斑点呈点状分布。有残余应力时，各干扰斑点伸长，呈“星芒”状。用德拜法可以定量地测出所存在的残余应力。第一种残余应力可根据德拜图上衍射线条位置的变化来确定。第二种和第三种残余应力可根据衍射线条的宽度变化和强度的变化来确定。§5.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点5.4.1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点5.4.2平辊轧制时金属的应力及变形特点5.4.3棒材挤压时的应力及变形特点5.4.4棒材拉伸时的应力及变形特点5.4.1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点镦粗时组合件的变形特点将试件在平锤间进行镦粗至一定的变形程度，从外形上来看，试件出现鼓形和侧面翻平现象。基本应力的分布特点沿x轴在接触表面上的分布是从边缘向中心由零开始逐渐增大，因为越接近中心，摩擦力的阻碍作用越显著；沿y轴的分布规律同沿x轴的分布；沿z轴在侧表面上为零，在试件内部，从接触表面向对称层逐渐减小。5.4.2平辊轧制时金属的应力及变形特点一．基本应力特点二．变形区内金属质点流动特点1．金属质点纵向流动特点前滑：在变形区内，金属质点的向前流动速度大于轧辊表面线速度的现象叫前滑。变形区内金属质点流动具有前滑现象的区域叫前滑区。后滑：在变形区内，金属质点的向前流动速度小于轧辊表面线速度的现象叫后滑。在变形区内金属质点流动具有后滑现象的区域叫后滑区。中性面：在变形区内，金属质点向前流动速度与轧辊表面线速度一致的截面叫中性面。中性面实际是前滑与后滑的临界面。1）当>0.5~1.0时，如图3-41所示。这时接触弧较长而轧件高度小，故变形能深入整个断面高度。在后滑区内，轧件任意断面的平均速度都小于轧辊的水平运动速度，但是由于接触表面上的摩擦力总是力图把较高的速度传给轧件表面层及其附近部位，而对中心部位的影响则相对小些，这样就使得后滑区内各断面上金属质点的运动速度表面层大于中心层而呈曲线6所示形状，并且外摩擦越大，这种不均匀性越明显。2）当L/H平<0.5~1.0时，如图3-42所示。

这时轧件高度大而变形区长度相对变小，故变形难以深入整个断面高度。在后滑区各断面上，外层金属质点的流动速度由接触表面向中心层逐渐减小，中心层附近没有产生变形刚保持一个固定的速度不变，其分布如曲线3所示。在前滑区，情况恰好相反，各断面速度是由表层向里逐渐增大，但在中心层没有产生变形，所以速度仍保持不变如图5所示。2、宽展及宽度上的纵向流动轧制时，沿轧件宽向尺寸的变化量称为宽展。宽展常用绝对值表示，△B=b-B，其中B是轧件轧前的宽度，b是轧件轧后的宽度。

轧制时，影响宽展量大小的三点因素：1）外摩擦：摩擦系数增加，宽展增加；摩擦系数减少。宽展也随之减少。因为摩擦系数增加阻碍延伸变形，使横向宽展增加。2）变形区的尺寸：影响宽展的尺寸主要是L/B值，凡是使L/B值增大的因素，都使宽展增加。

3）刚端：轧件变形区外部的刚端，限制了宽展的发展而增加纵向延伸，并且使轧件宽向及高向上的延伸变得更均匀些，正是由于轧件边缘部位的这种拉应力的作用，限制了金属质点的横向流动，减少了宽展。3．平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点因为平辊轧制时变形区内金属质点的流动速度在高向上的分布如图3-41所示，那么必然会产生如图3-44所表示的付应力。在后滑区，表面层金属质点的运动速度大于中心层，故中心层给表面层以附加压应力，而表面层给中心层以附加拉应力。在前滑区，轧件表面层的质点流动速度小于中心层，所以中心层对表面层产生附加拉应力，而表面层对中心层产生附加压应力。5.4.3棒材挤压时的应力及变形特点一、棒材挤压时的基本应力状态从应力与变形的角度来说，可以把挤压过程分成填充和挤压两个基本阶段.二、棒材挤压时的金属流动规律

塑性变形区内，应力状态有压缩应力状态和延伸应力状态之分:Ⅰ区---称为延伸变形区，Ⅱ区---称为压缩变形区。Ⅱ区的金属首先是轴向压缩，径向延伸，当它们流入Ⅰ区后再转为轴向延伸径向压缩，Ⅲ区---内，虽然z和T差值很小，但是由于切应力很大，也将进入塑性变形状态，只是以剪变形为主，称之为切变区。Ⅳ区---是未变形区，随着挤压过程的进行，其范围不断缩小。Ⅴ区---是“死区”，其形成原因与墩粗时难变形区形成原因一致。三、棒材挤压时的附加应力

按挤压时金属质点流动的分区情况进行分析，可清楚地看出：在塑性变形区和变形终了的外端部分，由于中间金属流动的快，表面层金属流动的慢，所以变形不均匀的结果引起中间对表面层作用以轴向附加拉应力，而表面层对中间部分作用轴向附加压应力。在棒材端面附近则产生了径向附加拉应力（图3-48）。在未变形区的横截面上，由于外表层已进入了塑性变形状态，其金属的流动速度远远大于中间部位，所以表面层对中间部位产生了轴向附加拉应力，而中间部位对表面层施加一个轴向附加压应力（图3-48）。5.4.4棒材拉伸时金属的流动规律一、棒材拉伸时的基本应力状态在变形区内从入口端到出口端逐渐增大，从入口端到出口端必然是逐渐减小。同理也可分析出的变化趋势。沿径向上，基本应力的变化情况是，轴向拉应力由边缘部分向中间部分逐渐增加，并且中心层的拉伸应力达到最大值。径向压应力和周向压应力它们由边缘部分向中心层是逐渐减小的。二、棒材拉伸时金属流动规律中心层的金属产生了轴向上的延伸，径向上的压缩。周边层的格子除了受到轴向的拉长、径向和周向的压缩外，还发生了剪变形。棒材的中心层金属质点流动速度比周边层快。三.棒材拉拔时的附加应力

由于拉拔时金属在变形区内中心层和周边部分流动速度的不一致，必然会引起附加应力。中心层的金属在变形区内流动的快，而周边层流动的速度慢，其结果形成了中心层对周边部分作用以轴向附加拉应力，周边部分对中心层作用以轴向附加压应力。棒材拉拔产生附加应力的不利影响

表面层承受的轴向附加拉应力，是棒材拉伸时产生横向周期裂纹的根源，周向承受的附加拉应力则是产生纵向裂纹的主要原因。对于某些塑性较低的合金来说，拉伸后形成的残余应力如果不能及时消除，经过一定时间后棒材就会产生裂纹。§5.5塑性加工过程的断裂与可加工性5.5.1塑性加工中的常见裂纹5.5.4金属的可加工性一、锻造时的断裂1．锻造时的表面开裂自由镦粗塑性较低的金属饼材时，由于锤头端面对镦粗件表面摩擦力的影响，形成单鼓形，使其侧面周向承受拉应力。当锻造温度过高时，由于晶间结合力大大减弱，常出现晶间断裂，且裂纹方向与周向拉应力垂直（图3-53（1）a）。当锻造温度较低时，晶间强度常高于晶内强度，便出现穿晶断裂。由于剪应力引起的其裂纹方向常与最大主应力成45°角（图3-53（1）b）。预防措施：

为了防止镦粗时的这种断裂，必须尽量减少鼓形所引起的周向拉应力。可采用如下措施：（1）减少工件与工具间的接触摩擦；提高接触表面的光洁度，采用适当高效能的润滑剂，（2）采用凹形模：锻造时，由于模壁对工件的横向压缩，使周向拉应力减少。（3）采用软垫：如图3-54，因为软垫的变形抗力较小，在压缩开始阶段，软垫先变形，产生了强烈的径向流动，结果工件侧面成凹形如图3-54（a）。随着软垫的继续压缩变薄，其单位变形抗力增加。这时工件便开始显著地被压缩，于是工件侧表面的凹形逐渐消失变得平直见图3-54（b），继续压缩时才出现鼓形如图3-54（c），这样与未加软垫的镦粗工件相比，其鼓形凸度就相应减少了，因而也就相应地减少了工件侧面的周向拉应力。（4）采用活动套环和包套：如图3—55所示，选用塑性好抗力较低的材料做外套，由于外套和坯料一起加热后镦粗，外套对坯料的流动起着限制作用，从而增加了三向压应力状态，防止了裂纹的产生。镦粗低塑性的高合金钢时，用普通钢做外套，套的外径可取D=(2-3)d，d是坯料原始直径。用活动套镦粗时，低塑性毛坯经一定的小变形后就能与套环接触，然后取走垫铁，继续镦粗，套环材料除塑性好外，要其变形抗力比锻坯稍大些，使其对流动起限制作用，以增强三向压应力，防止裂纹的产生。2．锻造时的内部裂纹预防措施：

为了防止锻压圆坯时内部裂纹的产生，可采用槽形和弧形锤头，从而减少坯料中心处的水平拉应力，或把原来的拉应力变为压应力。实验结果表明，用图3-58（b）所示两种锤头压缩总变形量达40%时都未见任何裂纹。因此，最好采用如下两种锤头，顶角不超过110°的槽形锤头和R≤r，包角为100°~110°的弧形锤头。以增加工具对坯料作用