第8讲 变形不均匀概念【金属塑性变形理论】
金属塑性变形理论变形不均匀原因及防止措施PPT课件
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铝—钢双金属轧制时由不均匀 变形产生的弯曲现象
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变形体的外端
• 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。在自由锻造中， 除镦粗外的其他变形工序，工具只与坯料的一部分接触，变形 是分段逐步进行的，因此，变形区金属的流动是受到外端的制 约的。
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课后作业 H• 试o分m析ew变o形r及k应力的不均匀分布都是哪些原因造成的？
• 试分析外摩擦和变形区的几何形状对不均匀变形的影响。
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感谢您的观看！
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带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验
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侧面翻平
• 变形物体在压缩时，由于接触摩擦的作用，在出现单鼓形的同 时，还会出现侧表面的金属局部地转移到接触表面上来的侧面 翻平现象。随着压下率的增加，aa和bb部分由侧表面逐步地转 移到端面上来。此侧面翻平现象发生在侧表面面积的减小量大 于接触面面积的增加量的时候。如果接触面面积增加量大于侧 面的减小量时，则因新的接触面的形成将不再吸收侧面的多余 面积。
• 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。
第8讲 变形不均匀概念
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Lesson Eight
Lesson Eight
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。 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， 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。 应力 。
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坐标网的方格变化情形
金属通过凹模挤 压的变形分布
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此法的实质是根据再结晶退火后的晶粒大小 ， 此法的实质是根据再结晶退火后的晶粒大小， 与退火前的变形程度的关系， 与退火前的变形程度的关系 ， 来判断各部位 变形的大小。 变形的大小 。 变形越大 变形越大， ， 再结晶后晶粒越小 再结晶后晶粒越小。 。 利用再结晶图， 利用再结晶图 ， 近似地得出变形体内各处的 变形程度。 变形程度 。 此法也只能定性地显示变形分布 情况。 情况 。 对于热变形 对于热变形， ， 因该过程中发生了再结 晶现象， 晶现象 ，就很难判断变形的分布 就很难判断变形的分布。 。
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
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第八讲--金属塑性变形时应力和变形的不均匀性
第八讲金属塑性变形时应力和变形的不均匀性1、均匀变形和不均匀变形物体不仅在高度方向上变形均匀，并且在宽度方向上（从而也是在长度方向上）变形也均匀时，方能称为均匀变形。
要想充分实现均匀变形，严格说来是不可能的。
可见，在实际的金属压力加工时，变形不均匀分布是客观存在的。
2、基本应力、附加应力、工作应力、残余应力（1）基本应力由外力作用所引起的应力叫做基本应力。
（2）附加应力由于物体内各层的不均匀变形受到物体整体性的限制，而引起其间相互平衡的应力叫做附加应力。
（3）工作应力基本应力与附加应力的代数和即为工作应力。
（4）残余应力如果塑性变形结束后附加应力仍残留在变形物体中时，这种应力即称之为残余应力。
3、接触面上外摩擦对变形及应力不均匀分布的影响图6-2 镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响如图6-2所示，若接触面无摩擦力影响时（并认为材料性能均匀）则发生均匀变形。
由于接触面上有摩擦力存在，可将变形金属整个体积大致分为三个变形大小不等的区域，Ⅰ区称为难亦形区，Ⅱ区是大变形区，Ⅲ区是变形程度居中的自由变形区。
由于I区的变形小，Ⅱ区的变形大，由金属的整体性的影响可知在Ⅰ区金属产生的是附加拉应力，但由于接触摩擦的影响，I区径向所受压缩应力大于附加拉应力，所以I区仍保持较强的三向压应力状态，没有危险；Ⅲ区金属产生的也是附加拉应力，原因是当Ⅱ区金属变形时要产生向外扩张，而外层的Ⅲ区金属，则象一套筒把Ⅱ区金属套住而限制了Ⅱ区金属变形的向外扩张。
由于Ⅱ区与Ⅲ区相互作用，在Ⅲ区之外侧表面，便产生了较强的环向附加拉应力，当该拉应力大到一定程度后，将会导致金属在环向产生纵向裂纹，如图6-3所示。
图6-3 环向附加拉应力引起的纵裂纹4、变形区几何因素的影响（H/d）实验表明：镦粗圆柱体时；当试样原始高度与直径比H/d≤2.0时，发生单鼓形不均匀变形。
当坯料高度较大并且变形程度很小时（H/d＞2.0），则往往只产生表面变形（变形不深透），而中间层的金属不产生塑性变形或者塑性变形很小，结果形成双鼓形，如图6-4所示。
金属塑性变形的基本概念
2.变形温度－速度条件对塑性的影
1）变形温度的影响 ①出现新的滑移系 ②回复和再结晶 ③组织变化：由多相→单相 ④热运动加剧：热塑性（扩散塑性） ⑤晶界强度下降：晶界滑移
变形温度与塑性之间的关系
塑 性 指 标
温度，° K
图 温度对塑性影响的典型曲线
塑 性
温度，℃
图 碳钢的塑性随温度变化图
2）变形速度的影响：变形速度对塑性的影响比较 复杂。当变形速度不大时，随变形速度的提高塑 性是降低的；而当变形速度较大时，塑性随变形 速度的提高反而变好。
有人把上述的第二类及第三类超塑性统称 为动态超塑性，或环境超塑性
3.细晶超塑性
细晶超塑性又称为组织超塑性，在试验中已发现细晶超塑性有许多 重要特征，归纳起来有以下几个方面的内容。
1）变形力学特征 超塑性金属由于没有（或很小）加工硬化，在塑性变形开始
后，有一段很长的均匀变形过程，最后达到百分之几或甚至几千 的高延伸率，其工程应力——应变曲线如图所示，当应力超过最 大值后，随着应变的增加，应力缓慢地连续下降
为什么要研究金属的塑性？
?探索塑性变化规律 ?寻求改善塑性途径 ?选择合理加工方法 ?确定最佳工艺制度 ?提高产品质量
§1. 1 金属的塑性变形
? 变形的概念：对固体物质施加外力，引起固体材料的形 状和尺寸的改变，这种改变伴随质点间距离的变化或微 元体的形状的变化，称为变形。变形有弹性变形和塑性 变形。
(3) 周围介质的影响
①周围介质和气氛能使变形物体表面层溶解并与金属基体 形成脆性相，因而使变形物体呈现脆性状态。
②周围介质的作用能引起变形物体表面层的腐蚀以及化学 成分的改变，使塑性降低。
③有些介质（如润滑剂）吸附在变形金属的表面上，可使 金属塑性变形能力增加。
金属塑性变形与轧制理王淑平金属塑性变形时应力和变形的不均匀性PPT课件
（3）工作应力 基本应力与附加应力的代数和即为工作应力。
1)当附加应力等于零时，则基本应力等于工作应力
2)当附加应力与基本应力同号时，则工作应力的绝 对值大于基本应力的；
3)当附加应力与基本应力异号时，则工作应力的 绝对值小于基本应力的。 （4）残余应力
塑性变形结束后附加应力仍残留在变形物体中时， 这种应力即称之为残余应力。
图6-2 镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影 响
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Ⅰ表示由于摩擦影响而产生的难变形区； Ⅱ表示与外作用力约成45°的最有利方位的易变 形区； Ⅲ表示变形程度居于中间的自由变形区。 由于不均匀变形的结果，在Ⅰ区及Ⅲ区内产生附 加拉应力 在Ⅰ区内的附加拉应力一般说来没有危险，因为 在该区内主要是三向压应力状态图示。
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6.4 残余应力
一、残余应力所引起的后果 （1）使物体发生不均匀的塑性变形 （2）缩短了零件的使用寿命 （3）物体的尺寸、形状发生变化 （4）降低金属的耐蚀性
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二、 减轻或消除残余应力的措施 （1）变形后进行热处理 （2）变形后进行机械处理
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小结：
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6.3 变形及应力不均匀分布所引起的后果及 克服措施
一、 变形及应力不均匀分布的后果 （1）使单位变形力增大
（2）使塑性降低 （3）使产品质量降低 （4）工具磨损不均匀，操作技术复杂
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二、减轻应力及变形不均匀分布的措施 （1）正确选定变形的温度-速度制度 （2）减少金属表面上的外摩擦 （3）合理设计加工工具形状 （4）尽可能保证变形金属的成分及组织均匀
变形； 当H/d＞2.0，即压缩高件时，将产生双鼓的不均匀
金属塑性变形理论-第8讲变形不均匀概念
变形不均匀性的影响
变形不均匀性对金属的塑性变形行为、力学性 能和加工性能产生重要影响。
变形不均匀性可能导致应力集中、应变集中和 局部过载等问题，从而影响金属的塑性变形能 力、强度和韧性等性能。
变形不均匀性还可能导致金属内部组织结构的 不均匀变化，如晶粒大小、相组成和织构等， 进一步影响金属的物理、化学和机械性能。
03
变形不均匀性的原因
材料内部结构的不均匀性
晶体结构差异
微观缺陷
金属材料由无数的晶粒组成，每个晶 粒的晶体结构可能存在差异，导致塑 性变形时不同晶粒的变形行为不均匀。
金属材料内部存在的如空洞、裂纹等 微观缺陷，在塑性变形过程中可能成 为变形的薄弱区域，引发变形不均匀。
相分布不均
金属材料中可能存在不同相，如固溶 体、化合物等，各相的塑性变形特性 不同，导致整体变形的不均匀性。
理解变形不均匀的概念及 其来源。
学习如何通过实验和模拟 方法研究变形不均匀。
Hale Waihona Puke 掌握变形不均匀对材料性 能的影响。
了解如何通过优化工艺参 数和材料组织来改善材料 的变形不均匀性。
02
变形不均匀的基本概念
变形不均匀性的定义
变形不均匀性是指金属在塑性变形过 程中，由于变形条件、组织结构和物 理性能等因素的影响，导致变形在不 同区域表现出不均匀的特征。
02 03
变形不均匀的来源
金属塑性变形过程中，由于材料内部晶粒大小、形状、取向和分布的不 均匀性，以及材料内部存在的各种缺陷和应力集中区域，导致各部分之 间变形的不均匀分布。
变形不均匀的影响
变形不均匀会导致材料内部应力状态复杂，影响材料的变形行为和性能， 如材料的屈服强度、流动应力、硬化行为等。
金属材料的塑性变形课件
热轧工艺
总结词
热轧工艺是一种在高温下对金属材料进行塑性变形的加工方法，通过将金属材料加热至一定温度后进 行轧制，使其发生塑性变形。
详细描述
热轧工艺通常在高温下进行，将金属材料加热至其塑性变形温度范围后进行轧制。在轧制过程中，金 属材料的晶格结构发生变化，导致其形状和尺寸发生改变。热轧工艺可以生产出大尺寸、形状简单的 金属制品，广泛应用于钢铁、铜、铝等金属材料的加工。
金属材料的塑性变形机制
滑移
金属晶体在切应力的作用下，晶 体的一部分相对于另一部分沿着 一定的晶面和晶向发生相对移动
。
孪生
金属晶体在切应力的作用下，晶 体的一部分相对于另一部分沿着 一定的晶面和晶向发生较大的相 对移动，但不改变晶体的对称性
的变形方式。
晶界滑移
晶界在切应力的作用下发生相对 移动，使整个晶体发生变形。
形加工，以确保其性能和安全性。
05
金属材料塑性变形的挑战与展 望
金属材料塑性变形的挑战
01
加工硬化
金属在塑性变形过程中，随着 变形程度的增加，材料的强度 和硬度逐渐提高，导致继续变 形所需的应力不断增加。这使 得金属的塑性变形变得困难， 甚至可能导致加工中止。
02
温度影响
金属材料的塑性变形受温度影 响较大。在低温环境下，金属 材料的塑性变形能力会显著降 低，可能导致脆性断裂。而在 高温环境下，金属可能会发生 氧化、腐蚀等反应，影响其力 学性能。
锻造工艺
总结词
锻造工艺是一种通过施加外力使金属材 料发生塑性变形的加工方法，通常在高 温或室温下进行。
VS
详细描述
锻造工艺可以通过多种方式实现，如自由 锻、模锻等。在锻造过程中，金属材料被 施加外力，使其发生塑性变形，以获得所 需的形状和性能。锻造工艺可以生产出高 强度、高韧性的金属制品，广泛应用于航 空、汽车、船舶等领域的金属加工。
《金属的塑性变形》课件
疲劳性能：塑性变 形可以提高金属的 疲劳性能，使其更 加耐久使用
金属的硬化现象
硬化现象：金属在塑性变形过程中，其硬度和强度增加的现象
原因：金属在塑性变形过程中，晶粒被拉长、压扁，晶粒内部的位错密度增加，导致硬度和 强度增加
影响：硬化现象对金属的塑性变形和性能产生影响，如提高金属的耐磨性、耐腐蚀性等
轧制：通过轧辊将金属材料轧制成所需 的形状和尺寸
拉伸：通过拉伸设备将金属材料拉伸成 所需的形状和尺寸
弯曲：通过弯曲设备将金属材料弯曲成 所需的形状和尺寸
焊接：通过焊接设备将金属材料焊接成 所需的形状和尺寸
切割：通过切割设备将金属材料切割成 所需的形状和尺寸
金属的成形工艺
锻造：通过锤击、压力机等工具将金属材料塑性变形，形 成所需的形状和尺寸
塑性变形的影响因素
应力：应力是引起塑性变形的主要因素， 应力越大，塑性变形越大
温度：温度对塑性变形有重要影响，温 度越高，塑性变形越大
材料性质：材料的塑性、韧性、硬度等 性质对塑性变形有重要影响
变形速度：变形速度越快，塑性变形越 大
变形方式：拉伸、压缩、弯曲、扭转等 不同变形方式对塑性变形的影响不同
金属的强化机制
冷加工强化： 通过塑性变形 提高金属的强
度和硬度
热处理强化： 通过加热和冷 却过程改变金 属的微观结构， 提高强度和硬
度
合金强化：通 过添加其他元 素形成合金， 提高金属的强
度和硬度
复合强化：通 过将两种或多 种材料复合， 提高金属的强
度和硬度
06
金属塑性变形的未来发 展
新材料的开发与应用
塑性变形的定义
塑性变形是指金 属在外力作用下 产生的永久变形
塑性变形可以分 为弹性变形和塑 性变形两种类型
第八讲 金属塑性变形时应力和变形的不均匀性
第八讲金属塑性变形时应力和变形的不均匀性1、均匀变形和不均匀变形物体不仅在高度方向上变形均匀，并且在宽度方向上（从而也是在长度方向上）变形也均匀时，方能称为均匀变形。
要想充分实现均匀变形，严格说来是不可能的。
可见，在实际的金属压力加工时，变形不均匀分布是客观存在的。
2、基本应力、附加应力、工作应力、残余应力（1）基本应力由外力作用所引起的应力叫做基本应力。
（2）附加应力由于物体内各层的不均匀变形受到物体整体性的限制，而引起其间相互平衡的应力叫做附加应力。
（3）工作应力基本应力与附加应力的代数和即为工作应力。
（4）残余应力如果塑性变形结束后附加应力仍残留在变形物体中时，这种应力即称之为残余应力。
3、接触面上外摩擦对变形及应力不均匀分布的影响图6-2 镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响如图6-2所示，若接触面无摩擦力影响时（并认为材料性能均匀）则发生均匀变形。
由于接触面上有摩擦力存在，可将变形金属整个体积大致分为三个变形大小不等的区域，Ⅰ区称为难亦形区，Ⅱ区是大变形区，Ⅲ区是变形程度居中的自由变形区。
由于I区的变形小，Ⅱ区的变形大，由金属的整体性的影响可知在Ⅰ区金属产生的是附加拉应力，但由于接触摩擦的影响，I区径向所受压缩应力大于附加拉应力，所以I区仍保持较强的三向压应力状态，没有危险；Ⅲ区金属产生的也是附加拉应力，原因是当Ⅱ区金属变形时要产生向外扩张，而外层的Ⅲ区金属，则象一套筒把Ⅱ区金属套住而限制了Ⅱ区金属变形的向外扩张。
由于Ⅱ区与Ⅲ区相互作用，在Ⅲ区之外侧表面，便产生了较强的环向附加拉应力，当该拉应力大到一定程度后，将会导致金属在环向产生纵向裂纹，如图6-3所示。
图6-3 环向附加拉应力引起的纵裂纹4、变形区几何因素的影响（H/d）实验表明：镦粗圆柱体时；当试样原始高度与直径比H/d≤2.0时，发生单鼓形不均匀变形。
当坯料高度较大并且变形程度很小时（H/d＞2.0），则往往只产生表面变形（变形不深透），而中间层的金属不产生塑性变形或者塑性变形很小，结果形成双鼓形，如图6-4所示。
金属塑性变形原理
金属塑性变形原理1、变形和应力1．1塑性变形与弹性变形金属晶格在受力时发生歪扭或拉长，当外力未超过原子之间的结合力时，去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态，也就是说，未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形。
多晶体发生弹性变形时，各个晶粒的受力状态是不均匀的。
当加在晶体上的外力超过其弹性极限时，去掉外力之后歪扭的晶格和破碎的晶体不能恢复到原始状态，这种永久变形叫金属的塑性变形。
金属发生塑性变形必然引起金属晶体组织结构的破坏，使晶格发生歪扭和紊乱，使晶粒破碎并且使晶粒形状发生变化，一般晶粒沿着受力方向被拉长或压缩。
1．2应力和应力集中塑性变形时，作用于金属上的外力有作用力和反作用力。
由于这两种外力的作用，在金属内部将产生与外力大小相平衡的内力。
单位面积上的这种内力称为应力，以σ表示。
σ=P/S式中σ——物体产生的应力，MPa：Ｐ——作用于物体的外力，N；Ｓ——承受外力作用的物体面积，mm2。
当金属内部存在应力，其表面又有尖角、尖缺口、结疤、折叠、划伤、裂纹等缺陷存在时，应力将在这些缺陷处集中分布，使这些缺陷部位的实际应力比正常应力高数倍。
这种现象叫做应力集中。
金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物及残余应力等对应力的反应与物体的表面缺陷相同，在应力作用下，也会发生应力集中。
应力集中在很大程度上提高了金属的变形抗力，降低了金属的塑性，金属的破坏往往最先从应力集中的地方开始。
2、塑性变形基本定律2．1体积不变定律钢锭在头几道轧制中因其缩孔、疏松、气泡、裂纹等缺陷受压缩而致密，体积有所减少，此后各轧制道次的金属体积就不再发生变化。
这种轧制前后体积不变的客观事实叫做体积不变定律。
它是计算轧制变形前后的轧件尺寸的基本依据。
H、B、L——轧制前轧件的高、宽、长；h、b、l——轧制后轧件的高、宽、长。
根据体积不变定律，轧件轧制前后体积相等，即HBL=hbl2．2最小阻力定律钢在塑性变形时，金属沿着变形抵抗力最小的方向流动，这就叫做最小阻力定律。
金属的塑性变形和加工硬化课件
金属的屈服准则和流动法则
屈服准则
描述金属开始屈服的条件，常用的有Von Mises屈服准则和 Tresca屈服准则。
流动法则
描述金属在塑性变形过程中应力的变化与变形的关系，常用 的有Prandtl-Reuss流动法则和Coulomb-Mohr流动法则。
02 金属塑性变形的过程
弹性变形和塑性变形的比较
高性能金属材料的开发提供理论支持。
金属构件的疲劳寿命
02
研究金属其疲劳寿命，为金属构件的优化设计提供依据。
金属材料的可回收性和可持续性
03
研究金属塑性变形和加工硬化对材料可回收性和可持续性的影
响，为绿色制造和可持续发展提供支持。
加工硬化在金属材料的改性效果中起着重要作用，如通过 加工硬化可以改善金属材料的抗腐蚀性能、磁性能和热性 能等。
加工硬化在金属材料连接技术中的应用
金属材料连接技术
加工硬化可以用于金属材料的连接技术中，如通过焊接、铆接和粘 接等工艺，将两个或多个金属材料连接在一起。
金属材料连接工艺
加工硬化在金属材料的连接工艺中有着重要的应用，如通过控制焊 接温度、焊接速度和焊接压力等，可以获得高质量的焊接接头。
弹性变形
金属在受到外力作用时发生形变，当外力去除后，金属能够恢复原状。
塑性变形
金属在受到外力作用时发生形变，当外力去除后，金属不能恢复原状。
金属的塑性变形机制
滑移
金属晶体中的原子在切向应力作用下沿着一定的晶面和晶向相对滑移。
孪生
金属晶体中的一部分原子或分子的位置发生改变，以适应外力作用下的形变。
金属塑性变形的影响因素
纳米尺度实验技术
利用纳米压痕、原子力显微镜等纳米尺度实验技 术，研究金属在纳米尺度下的塑性变形和加工硬 化特性。
金属塑性变形理论
加的现象称为加工硬化（work hardening）或应变硬化（strain hardening）。当 应力达到 σb 时，试样的均匀变形阶段即告中止，这个最大的应力值 σb 称为材料 的拉伸强度（tensile strength）或极限拉伸强度（ultimate tensile strength），简 写为 UTS，它表示材料发生最大均匀塑性变形的抗力，是材料受拉时所能承受 的最大载荷的应力，也是机件设计和选材的主要依据。
滑移带 滑移线
o
~2000A
o
~200A
图 4.4 铜变形后出现的滑移带
二、孪生
4’
3’
4 3
2’
2 1’
1
图 4.5 滑移带和滑移线的示意图
孪晶带
孪晶面
孪晶面
图 4.6 孪生示意图
孪生是晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面（twin plain））和晶向发生切变，
Chap8
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如图 4.6 所示，产生孪生变形部分的晶体位向发生了改变，它是以孪晶面为对称 面与未变形部分相互对称，这种对称的两部分晶体称为孪晶；发生变形的那部分 晶体称为孪晶带（twin band）。
一、多晶体塑性变形的特点
1．变形不均匀 1）各晶粒的变形先后不一。因为各晶粒位向不同，施加同一外力时，那些 受最大或接近最大分解切应力位向的晶粒处于“软位向”状态，而受最小或接近 最小分解切应力位向的晶粒处于“硬位向”状态。所以多晶体金属的塑性变形是 逐批发生的，软位向的晶粒先变形，硬位向的后变形； 2）各晶粒的变形量有大有小； 3）即使在同一晶粒中，变形量亦不相同，晶粒中心变形量小，靠近晶界处 的变形量大。 2．各晶粒间变形协调 多晶体中每个晶粒都处于其他晶粒包围之中，它的变形必然与其邻近的晶粒 相互协调配合，不然就难以进行变形，甚至ห้องสมุดไป่ตู้能保持晶粒之间的连续性，会造成 空隙而导致材料的破裂。 3．晶界对形变过程的阻碍作用 多晶体中，晶界抵抗塑性变形的能力较晶粒本身要大。这是由于晶界附近晶 格畸变程度大，加之常常聚集有杂质原子，处于高能量状态，对滑移变形时位错 的移动起阻碍作用所致。晶界原子排列越紊乱，滑移抗力就越大。
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高，接触表层的硬度则较小，越靠近表面的 中心越小。在中心部分的同一层上，靠试样 中部硬度比最外部（边部）大。这正好说明 镦粗时三个区的存在。源自2020/1/231
Lesson Eight
比较晶粒法
• 此法的实质是根据再结晶退火后的晶粒大小，与 退火前的变形程度的关系，来判断各部位变形的 大小。变形越大，再结晶后晶粒越小。利用再结 晶图，近似地得出变形体内各处的变形程度。此 法也只能定性地显示变形分布情况。对于热变形， 因该过程中发生了再结晶现象，就很难判断变形 的分布。
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单鼓形
双鼓形
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Lesson Eight
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轧件头尾凸形
轧件头部镰刀弯
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Lesson Eight
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磨损后的凹形轧辊上轧制矩形坯的情形
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Lesson Eight
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。
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Lesson Eight
工作应力
• 工作应力是处于应力状态的物体在变形时用各种 方法实测出来的应力，其分布图为工作应力图。
• 当物体的变形绝对均匀时，基本应力图与工作应 力图相同。
• 而当变形呈不均匀分布时，工作应力等于基本应 力与附加应力的代数和。
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Lesson Eight
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Lesson Eight
• 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。
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Lesson Eight
• 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。
• 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。
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Lesson Eight
• 在金属整体性的阻碍下，在趋向产生较大 变形的金属层中要产生附加压应力，而在 趋向产生较小变形的金属层中，就产生附 加拉应力。
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Lesson Eight
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。
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其他方法 • 示踪原子法 • 光塑性法 • 云纹法
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Lesson Eight 33
Lesson Eight
课后作业 Homework
• 给出基本应力、工作应力、附加应力和残 余应力之间的区别和联系。
• 什么叫第一、第二、第三种附加应力？它 们都是怎样产生的？
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• 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。
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Lesson Eight
均匀变形
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Lesson Eight
均匀变形的条件：
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挤压时金属流动(a)及纵向应力分布(b)、(c)
图(b)附加应力较小时 (c) 附加应力较大时 实线为基本应力，虚线为附加应力，点划线为工作应力
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Lesson Eight
在凸形轧辊上轧制矩形坯的情形
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Lesson Eight
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。
• 从图示中网格的变化看出镦粗时圆柱体变形的不 均匀情况。目前网格法可作定量分析。
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Lesson Eight
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组合圆柱体的镦粗时网格的变形
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Lesson Eight
• 在用网格法研究金属的变形分布时可把网的每个 单元看作是变形区的单元，在整个变形过程中承 受均匀变形。坐标网可以是立体的，也可以是平 面的。平面坐标网可以是连续的或分开的。分开 的坐标网的单元或者是正方形，或者是圆形。圆 形在变形过程中变成椭圆形，此椭圆轴的尺寸和 方向反映了主变形的大小和方向。
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Lesson Eight
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。
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Lesson Eight
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；
金属塑性变形理论
第八讲
Lesson Eight
第五章 塑性变形的不均匀性
主要内容
Main Content
• 变形不均匀的基本概念 • 变形不均匀的原因及防止措施 • 残余应力
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5.1 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
Lesson Eight
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Lesson Eight
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坐标网的方格变化情形
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Lesson Eight
金属通过凹模挤 压的变形分布
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硬度法
Lesson Eight
• 此法的基本原理是：在冷 变形情况下，变形金属的 硬度随变形程度的增加而 提高；从图示可见，中心 部分的硬度最
• 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。
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Lesson Eight
• 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。
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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。
Lesson Eight
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Lesson Eight
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
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Lesson Eight
• 对正方形网格来讲，当其轴在变形前后始终与主 轴重合时，则此正方形于变形后变为矩形，此正 方形的内切圆变为椭圆，此椭圆的轴与矩形的轴 相重合。若主轴的方向相对原来正方形的轴发生 了变化，则此正方形将变为平行四边形，此平行 四边形的内接圆为椭圆形，此椭圆的轴与新的主 轴相重合。
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Lesson Eight
溶质原子与位错间的交互作用
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刃型位错周 围的应力场
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研究变形分布的方法
• 网格法 • 硬度法 • 比较晶粒法 • 其他方法
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Lesson Eight
网格法
• 它是研究金属塑性加工中变形区内金属流动情况 应用最广的方法。这种方法是于变形前在试样的 表面上或内部的剖面上用某种方法刻上坐标网， 变形后测量和分析坐标网的变化，确定变形物体 各处的变形大小及分布。其实质是观察变形前后， 各网格所限定的区域金属几何形状的变化。