金属塑性加工的宏观规律

3. 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。
图3-7 圆柱体镦粗时摩擦力 对变形及应力分布影响
图3-9 圆环镦粗的金属流动 a)变形前 b) 摩擦系数很小或为零 c) 有摩擦
3. 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。
图3-17 弯曲变形对外端的影响
3. 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 高。
图3-18 铝—钢双金属轧制时由不
均匀变形产生的弯曲现象 1——铝；2——钢
（D′＞D，B′2＞B2）
图 a)变形前的工具与毛坯 b)拉深 c)翻边 d)胀形
§3.2 影响金属塑性流动和变形的因素
3. 2. 1 摩擦的影响 3. 2. 2 变形区的几何因素的影响 3. 2. 3 工具的形状和坯料形状的影响 3. 2. 4 外端的影响 3. 2. 5 变形温度的影响 3. 2. 6 金属性质不均的影响
变形程度对残余应力的影响
3. 3. 4 残余应力
残余应力的后果
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
3. 3. 4 残余应力
减小或消除残余应力的措施
减小不均匀变形 热处理方法：退火、回火 机械处理法：表面小变形
§3.1 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。
与塑性变形应力应变增量理论中的应变增量与应 力偏量成正比的关系是一致的。
在塑性加工中，既可用最小阻力定律定性地分析各种工序的 金属流动，又可以通过调整某个方向的流动阻力，来改变金属在 某些方向的流动量，使得成形合理。
二、变形区内金属质点流动特点
1）当 L/H平> 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。
3. 3. 4 一般而言随温度升高残余应力减小（终轧温度）。 高温时应考虑温度不均。
变形速度的影响
室温时，残余应力随速度增加而减小。 高温时，残余应力随速度增加而增大。
变形程度的影响
第一类：20~25%时最大， 52~65%时最小。 第二、三类：随变形程度的增大而增大。
二、变形区内金属质点流动特点
质点运动速度=机械运 动速度+塑性流动速度
金属质点沿高向水平 运动速度呈不均匀分 布，主要原因是受摩 擦力的影响。
在后滑区，金属塑性 流动指向入口处；
在前滑区，金属塑性 流动指向出口处。
摩擦力总是阻碍金属 质点的塑性流动。
二、变形区内金属质点流动特点
2）当L/H平< 0. 5~1. 0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，
金属塑性加工原理
Principle of Plastic Deformation in Metals Processing
第二篇 金属塑性加工的流动 与变形规律
第3章 金属塑性加工的宏观规律
§3. 1 塑性流动规律（最小阻力定律） §3. 2 影响金属塑性流动和变形的因素 §3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力 §3. 4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点 §3. 5 塑性加工过程的断裂与可加工性
减小不均匀变形或附加应力的措施：
制订合理的温度—速度制度。 尽量减小接触面上外摩擦的不利影响。 合理设计加工工具形状。 尽量使变形金属的成分和组织均匀。
3. 3. 4 残余应力
残余应力的概念、来源与分类
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 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）
l
3. 3. 3 基本应力与附加应力
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
l
图3-22 相邻晶粒的变形
3. 3. 3 基本应力与附加应力
附加应力对塑性变形产生的不良后果：
二、变形区内金属质点流动特点
轧制时，影响宽展量大小的三点因素：
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。 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。 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。
所以速度仍保持不变。
二、变形区内金属质点流动特点
质点运动速度=机械运 动速度+塑性流动速度 中心层不发生塑性流动。 表层塑性流动速度较小。 次表层塑性流动速度大。 各区塑性流动方向不同。
二、变形区内金属质点流动特点
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。 在边缘部位存在 宽展三角区。 由于边缘部位金 属发生横向流动， 使其纵向流动速度 较慢。
楔形板轧制不同部位金相组织
（b ）
（a ）
（c ）
（b ）
（a ）
压缩试样
（c ）
压缩试样
图3.5 经一道次普通轧制与异步轧制应变场 (a)、(b) 普通轧制道次变形量5% (c)、(d) 异步轧制道次变形量5%
图3.6 不同变形量 下一道次异步轧制
温度场
(a)、(b) 异步轧制 道次变形量10% (c)、(d) 异步轧制 道次变形量20% (e)、(f) 异步轧制 道次变形量40%
引起变形体的应力状态发生变化，使应力分布更 不均匀。 造成物体的破坏。 使材料变形抗力提高和塑性降低 使产品质量降低。 使生产操作复杂化。 形成残余应力。
a)
b)
c)
d)
图2.3 喷射沉积7075/SiCp复合材料 高温压缩断裂的宏观照片
3. 3. 3 基本应力与附加应力
3. 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。
§3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力
3. 3. 1 均匀变形与不均匀变形 3. 3. 2 研究变形分布的方法 3. 3. 3 基本应力与附加应力 3. 3. 4 残余应力
3. 4. 1 金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点
1．镦粗时组合件的变形特点
3. 4. 1 金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点
2．基本应力的分布特点
3. 4. 1 金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点
3．第一类附加应力的分布特点
3. 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
图3-10 钢球压缩时的流线
图3-11 受塑压时物体内部质点 滑移变形的近似模型
图3-12 h2 为各种数值时的情况
3. 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。
图3.7 不同变形量 一道次异步轧制 应力场
(a)、(b) 异步轧制 道次变形量10% (c)、(d) 异步轧制 道次变形量20% (e)、(f) 异步轧制 道次变形量40%
3. 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。
3. 3. 3 基本应力与附加应力
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：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。均匀变形时基本应力与工作应力 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。
零件彼此碰撞 喷丸法、木椎敲击法 表面压平（主要用于板材） 表面拉制（主要用于棒材） 在模子中表面校形或精压
3. 3. 4 残余应力
3. 3. 4 残余应力
研究残余应力的主要方法
机械法 化学法 X射线法
§3. 4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点
3. 4. 1 金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点 3. 4. 2 平辊轧制时金属的应力及变形特点 3. 4. 3 棒材挤压时的应力及变形特点 3. 4. 4 棒材拉伸时的应力及变形特点
修磨圆角，减小阻力
增加飞边阻力
图3-1 开式模锻的金属流动
当接触表面存在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦粗的流动模型：
流动分界线
接触面上质点向周边流动的阻 力与质点离周边的距离成正比
质点向距离最短的周边移动 →分成四个区
流动的结果是变成椭圆形
图3-2 最小周边法则
对于其他任意断面，金属质 点的流动方向也遵守最小阻力定 律（最小周边法则），方坯在平 锤间压缩时如图。
图3-13 型钻中拔长 a) 圆型砧 b) V型砧 c) 凸型砧
图3-14 沿孔型宽度上延伸分布图
3. 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。
（a）
（b）
图3-15 拔长时外端的影响
图3-16 开式冲孔时的“拉缩”
3. 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。
均匀变形是相对的，不均匀变形是绝对的。
不均匀变形随处可见，如“鼓形”、“舌头”、“ 鱼尾”、“镰刀弯”、“波浪”等。
3. 3. 1 均匀变形与不均匀变形
图2.13 不同温度以0.01s-1的应变速率压缩后试样的形貌 (a)340℃；(b)380℃；(c)420℃；(d)440℃
3. 3. 2 研究变形分布的方法
研究变形分布的方法很多，常见的有： 网格法：观察变形前后网格尺寸的变化。 硬度法：冷变形金属的硬度随变形程度而提高。 比较晶粒度法：再结晶晶粒尺寸与变形程度的关系。 有限元模拟：网格变化、等效应变分布等。
随着镦粗的进行，方形截面 逐步变为园截面。
矩形截面坯料在平砧拔长时，当送进量 l 大于坯料宽度 a 时，金属多沿 横向流动：
(俯视图)
宽展多于延伸，拔长效率低
延伸多于宽展，拔长效率高 图3-4 拔长坯料的变形模式
图3-5 不同宽度坯料轧制时 宽展情况
图3-6 轨辊直径不同时轧件变形区 纵横方向阻力图
前滑区 后滑区 中性面
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。