金属塑性变形与流动问题

余应力、塑性成形中摩擦与润滑等。
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主 要 内 容
第一节
第二节 第三节 第四节
金属流动方向——最小阻力定律
影响金属塑性变形和流动的因素 不均匀变形、附加应力和残余应力 金属塑性成形中的摩擦和润滑
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弯曲变形对外端的影响
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电 热 局 部 镦 粗 原 理
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第四节 金属塑性成形中的摩擦和润滑
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在回复温度下便可大部分消除，制品的硬化不受影响；第二类残余应力， 接近再结晶温度也可完全消除；对第三类残余应力必须在再结晶温度以上
才可消除。在高温下，去应力退火时，应避免晶粒长大，影响其力学性能
。 2、机械处理方法
在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，或者产生新的附加应力以抵消或减弱残余应力。该法只适合于消 除第一类残余应力，实践证明当表面变形量1.5％～3％左右效果最好。
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又例如，在大型覆盖件拉深成形时，常常要设置拉延筋，用来调整 或增加板料进入模具型腔的流动阻力，以保证覆盖件的成形质量。
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第二节 影响金属塑性变形和流动的因素
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二、工具形状对金属塑性变形和流动的影响
工具形状是影响金属塑性流动的重要因素。工具形状不同，各个方
向的流动阻力不一样。
a） a) 圆型砧
b） 图17-5 型砧拔长 b) V型砧
c） c) 凸型砧
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三、金属各部分之间的关系对塑性变形和流动的影响
在塑性变形时，为保持变形体的完整性和连续性，变形体各部分之
间通过内力的作用，对塑性变形和流动产生一定的影响，包括未变形的 金属（俗称为“刚端”）对变形区金属的影响和变形金属相互之间的影
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一、摩擦对金属塑性变形和流动的影响
在工具与坯料的接触面上由于摩擦力的存在，在一定程度上改变了金属的流 动特性。
1、矩形断面的棱柱体在平板间 镦粗无摩擦。
2、环形零件镦粗时由于摩擦的
作用，还会改变金属质点的流动 方向。
图17-4 无摩擦矩形断面镦粗放射形模型
第三节 不均匀变形、附加应力和残余应力
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主要内容
一、不均匀变形
二、附加应力 三、残余应力
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一、不均匀变形
塑性成形时，由于金属本身性质的不均匀，摩擦和工具形状的影 响，不同变形区之间的相互制约，实际上都是不均匀变形。 例如：在平砧间镦粗圆柱体
第十七章 金属塑性变形与流动问题
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
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金属塑性成形问题实质上是金属的塑性流动问题。通过 流动分析可以预测变形体的形状和尺寸，进行工艺和模具设 计以及质量分析。但影响金属塑性流动的因素复杂，目前还 难以进行定量描述。本章定性讨论金属塑性变形和流动的几 个基本问题，如最小阻力定律、不均匀变形、附加应力和残
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普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》 例如，粗糙平板间矩形断面棱柱体镦粗时，由于接触面上质点向四周流动
的阻力与质点离周边的距离成正比，因此离周边的距离愈近，阻力愈小， 金属质点必然沿着这个方向移动。
图17-1 有摩擦矩形断面镦粗不均匀流动模型 合肥工业大学材料科学与工程学院制作
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开式冲孔中的“拉缩”
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四、金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响
由于金属本身的化学成分、组织和温度的不均匀，会造成金属各部 分的变形和流动的差异。变形抗力小的部分首先变形，但作为一个整体， 先变形的部分与后变形的部分、变形大的部分与变形小的部分必然彼此
影响。
以上分别讨论了各个因素对金属塑性变形和流动的影响，而在实际 生产中常常是多因素的共同作用，因此，必须考虑各个可能方向上的阻
力情况，才能正确分析金属流动问题。掌握了塑性变形时金属流动规律，
便可以采取有效的措施，控制各个可能流动方向上的阻力分布，使金属 按预期的方向流动，以获得所需尺寸和形状的工件。
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在圆弧形砧上或 V 型砧中拔长圆截面坯料时，如图 17-5 ，由 于工具的侧面压力使金属沿横向流动受到阻碍，金属大量沿轴
向流动。在凸弧形砧上，正好相反，加大横向流动。模锻制坯
时，为提高滚挤和拔长的效率，采用闭式滚挤和闭式拔长模膛， 利用前一种流动模式；叉形件模锻时金属被劈料台分开则利用 后一种流动模式。 利用工具的不同形状，除了可以控制金属的流动方向外，还 可以在坯料内产生不同的应力状态，使局部金属先满足屈服准 则而进入塑性状态，以达到控制塑性变形区的作用。或者造成 不同的静水压力，来改变材料在该状态下的塑性。
变形后 变形前 图17-6 圆柱体镦粗时的不均匀变形
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二、附加应力
由于变形体各部分之间的不均匀变形受到整体性的限制，在各部分 之间必将产生相互平衡的应力，该应力叫附加应力。 附加应力是由不均匀变形引起的，同时它又限制了不均匀变形的 自由发展，附加应力总是互相平衡成对出现的。
图17-2 平砧拔长坯料的变形模式 合肥工业大学材料科学与工程学院制作
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例如开式模锻，如图17-3，增加金属流向飞边的阻力，以保证金属充填 型腔；或者修磨圆角，减小金属流向A腔的阻力，使A腔充填饱满。
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图17-3 开式模锻的金属流动
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图17-7 凸肚形轧辊轧制板材的附加应力 合肥工业大学材料科学与工程学院制作
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挤压的金属流动和纵向应力的分布 1）金属流动；2）附加应力较小；3）附加应力较大
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2、温度不均匀（加热或冷却不均匀）所引起的热应力以及由相变过 程所引起的组织应力都会引起残余应力。
残余应力分类：
第一类残余应力存在于变形体各区域之间；
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。
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时出现的镰刀弯、波浪形等。 5.形成残余应力 由于附加应力成对出现，彼此平衡，只
要变形的不均匀状态不消失，它始终存在，因此，当外力去
除后，它仍残留在物体内而形成残余应力。
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三、残余应力
引起附加应力的外因去除后，在物体内仍残存的应力叫残余应力。
响。
刚端对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动。例如拔长时， 砧子下面局部坯料镦粗，变形受到刚端部分的影响，其横向流动小于同 等条件下的自由镦粗。
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拔长时外端的影响
外端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 流动就受到外端的制约。
附加应力通常分为三类：
第一类：附加应力是变形体内各区域体积之间由不均匀变形引起的互 相平衡的应力； 第二类：附加应力是各晶粒之间由于其性质、大小和方位不同，使晶粒之 间产生不均匀变形所引起的附加应力； 第三类：附加应力是晶粒内部各部分之间的不均匀变形所引起的附加应 力。
附加应力的不良后果：
1. 使变形体内的应力状态发生变化，应力分布更不均匀 如 凸肚形轧辊轧制板材。
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（二）残余应力引起的后果
（1）具有残余应力的物体再承受塑性变形时，其应变分布及内部应力 分布更不均匀。
（2） 缩短制品的使用寿命，当外载作用下的工作应力与残余应力叠加
超过材料的强度时，使零件破坏，设备出现故障。 （3） 使制品的尺寸和形状发生变化，当残余应力的平衡受到破坏后， 相应部分的弹性变形也发生变化，从而引起尺寸和形状变化。 （4） 增加塑性变形抗力，降低塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。 （5） 降低制品表面的耐蚀性，具有残余应力的金属在酸液中或其他溶 液中的溶解速度加快。
残余应力一般是有害的，特别是表面层中具有残余拉应力的情况。但当
表面层具有残余压应力时，可以显著提高材料的强度和疲劳强度，反而可 提高其使用性能。
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（三）残余应力的消除方法
1、 热处理法
采用去应力退火可较彻底地消除残余应力。对第一类残余应力一般
残余应力是弹性应力，不超过材料的屈服应力，也是相互平衡成对
出现的。
（一）残余应力产生的原因 1、塑性变形不均匀产生残余应力。
变形不均匀产生附加应力，变形完成后，变形不均匀状态不消失
，附加应力将残留在物体内而形成残余应力。 一般，不均匀变形引起的残余应力符号与引起残余应力的塑性应变 符号相反。
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2.提高了单位变形力
不均匀变形引起附加应力，使变形
所消耗的能量增加，从而使单位变形力增高。
3.使塑性降低，甚至造成破坏
挤压制品表面出现周期性
的裂纹，是由第一类附加应力形成的残余应力所致。 4.造成物体形状歪扭 如薄板或薄带轧制、薄壁型材挤压
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第一节 金属流动方向——最小阻力定律
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最小阻力定律: “当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则
物体各质点将沿着阻力最小的方向移动”。
_______古布金
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主 要 内 容
一、摩擦对金属塑性变形和流动的影响 二、工具形状对金属塑性变形和流动的影响 三、金属各部分之间的关系对塑性变形和流动的影响
四、金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响
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再例如，平砧间拔长是使其截面逐渐减小而长度增加的工序，其实质 是沿坯料长度方向的逐次镦粗，如图17-2。当坯料送进量小于料宽时， 金属轴向延伸大于横向展宽，拔长效率高，如图 17-2a ，反之采用图 17-2b的送进方式，展宽量大于延伸量，拔长效率低。