金属塑性变形理论_-第9讲_变形不均匀原因及防止措施
金属塑性变形理论第9讲变形不均匀原因及防止措施
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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5.3 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
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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。
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• 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。
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封闭形外端
• 在被压缩体积的外部存在有封闭形外端时，一方面，被压 缩体积的变形要影响到外端的一定区域。另一方面，外端 会阻碍被压缩体积的向外扩展。
• 若外端的体积甚小时，则在变形过程中，在被压缩体积变 形的影响下，外端的高度也会有所减小，外端向外扩展。 如果外端的体积较大，则被压缩体积的变形很难进行。若 所施的压力非常大时，也可以把工具(压头)压人变形物体 内，此时部分变形金属将沿工具的周围被挤出。可见，金 属在具有封闭形外端条件下的压缩与无外端时有很大差别 。封闭形外端可以减小被压缩物体的不均匀变形，并可使 其三向压应力状态增强。
6金属塑性变形时应力和变形的不均匀性
2)当附加应力与根本应力同号时，那么工作应力的绝对值 大于根本应力的；
3)当附加应力与根本应力异号时，那么工作应力的绝对值 小于根本应力的。
〔4〕剩余应力
塑性变形完毕后附加应力仍残留在变形物体中时，这种 应力即称之为剩余应力。
6.2 变形及应力不均匀分布的原因
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〕减少金属外表上的外摩擦 〔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
6.4 剩余应力
一、剩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
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。
图6-1 在凸形轧辊上轧制矩形坯的情形 la-若边缘部分自成一体时轧制后的可能长度；lb-若中间部分自成一体时轧 制后的可能长度；l-整个轧件轧制后的实际长度
〔3〕工作应力
根本应力与附加应力的代数和即为工作应力。
〔4〕降低金属的耐蚀性
二、 减轻或消除剩余应力的措施 〔1〕变形后进展热处理 〔2〕变形后进展机械处理
小结：
1.掌握均匀变形、不均匀变形的概念。 2.掌握不均匀变形引起的原因、后果及防止措施 3.了解工作应力和附加应力的概念。 4.熟悉剩余应力对金属性能的影响。
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Hale Waihona Puke 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。
变形不均匀原因及防止措施
加工过程中温度控制不当，导致材料热胀冷缩；刀具磨损严重，切削力不均；装夹方式 不合理，导致应力分布不均。
变形不均匀对产品质量的影响
影响精度
变形不均匀会导致产品尺寸精度下降，影响发应力集中，降低产品疲劳寿命。
不良外观
变形严重的产品可能存在明显的凹凸不平，影响外观质量。
变形不均匀对产品质量的影响
影响精度
变形不均匀会导致产品尺寸精度下降，影响装配和使用性能。
降低寿命
变形不均匀可能引发应力集中，降低产品疲劳寿命。
不良外观
变形严重的产品可能存在明显的凹凸不平，影响外观质量。
从案例中总结的防止措施
控制加工温度
保持恒温环境，减少温度波动对 材料的影响。
加强质量检测
定期对产品进行尺寸和形状检测， 及时发现并处理变形问题。
纤维方向
材料中纤维方向不一致， 导致各方向热膨胀系数不 同，引发变形。
材料缺陷
材料内部存在如气泡、杂 质等缺陷，影响其受力性 能和稳定性，导致变形。
材料因素
材料成分不均
材料内部化学成分分布不 均，导致热膨胀系数不一 致，引发变形。
纤维方向
材料中纤维方向不一致， 导致各方向热膨胀系数不 同，引发变形。
02
变形不均匀不仅影响产品的外观 ，还可能影响其性能和使用寿命 。
变形不均匀现象的普遍性
01
在各种材料加工过程中，如铸造 、锻造、焊接等，都可能出现变 形不均匀的现象。
02
变形不均匀不仅影响产品的外观 ，还可能影响其性能和使用寿命 。
对生产和生活的影响
变形不均匀可能导致产品报废，增加 生产成本。
湿度变化
工作环境温度波动大，影 响材料热膨胀系数，进而 引发变形。
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。
金属材料热处理变形原因及防止变形的技术措施
金属材料热处理变形原因及防止变形的技术措施王国东【摘要】在金属工件的热处理过程中应尽量防止其变形,进而满足工件的加工和使用性能.热处理过程中存在许多影响工件发生形变的因素,分析金属材料热处理过程中产生变形的原因,制定合理的应对技术措施,对改善和防止零件在热处理过程中的形变,具有重要意义.【期刊名称】《现代制造技术与装备》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】2页(P105-106)【关键词】金属热处理;热处理形变;防止措施【作者】王国东【作者单位】中煤北京煤矿机械有限责任公司,北京 102400【正文语种】中文金属材料的热处理是将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温，然后采取合适的方式冷却，使金属合金发生固态相变，以获得所需要的组织结构和性能的工艺。
实际工业生产中，仅凭选择材料和成形工艺并不能满足工件所需要的性能，通过对金属材料进行热处理而获得优良的综合性能是必不可少的。
但金属材料的热处理除改善材料的综合性能的积极作用外，在热处理过程中也不可避免地会产生或多或少的变形，而这又是工件生产过程中极力消除和避免的。
因此，需要找出工件热处理过程中发生形变的原因，采取技术措施把变形量控制在符合要求范围内。
1 金属热处理变形的原因分析在工业生产过程中，各种金属零件早已成为机械制造的必要部分。
在零件的设计、选材中，对综合性能方面也提出了更高要求。
特别是生产过程中，对产品热处理加工后的品质提出了新要求。
但在热处理过程中出现形变等质量问题，一直是热处理过程中难以克服的。
以下就金属材料的热处理变形原因进行简要分析。
1.1 金属热处理的内应力塑性变形金属工件进行热处理时，通常经历加热、保温和冷却三个阶段。
由于加热和冷却的不均匀性，金属组织在固态相变时的不同时等因素，致使工件在热处理过程中产生一定的内应力。
在内应力的作用下，金属工件产生塑性变形。
根据应力产生的不同原因，一般分为热应力塑型变形和组织应力变形。
金属材料热处理变形原因及防止变形的技术措施
金属材料热处理变形原因及防止变形的技术措施摘要：热处理能改善工件的综合机械机能，但热处理过程引起工件的变形是不可避免的。
任何因素的变化都或多或少地影响工件的变形倾向和形变大小。
在热处理过程中，能够把握工件热处理过程中导致工件变形的主要因素和关键点。
通过分析和实践，改进热处理工艺技术，一定能够在热处理工件的形变问题上得到突破，制定出合理的技术措施，保证热处理产品的质量和合格率。
关键词：金属材料；热处理；变形原因；防止变形技术引言实际工业生产中，仅凭选择材料和成形工艺并不能满足工件所需要的性能，通过对金属材料进行热处理而获得优良的综合性能是必不可少的。
但金属材料的热处理除改善材料的综合性能的积极作用外，在热处理过程中也不可避免地会产生或多或少的变形，而这又是工件生产过程中极力消除和避免的。
因此，需要找出工件热处理过程中发生形变的原因，采取技术措施把变形量控制在符合要求范围内。
1金属材料性能分析在当前的社会生产生活中，金属材料的应用范围十分的广泛。
由于金属材料具有韧性强、塑性好以及高强度的特点，因此其在诸多行业中均有所应用。
当前常用的金属材料主要包括两种：即多孔金属材料以及纳米金属材料。
纳米金属材料：一般情况下，只有物质的尺寸达到了纳米的级别，那么该物质的物理性质和化学性质均会发生改变。
在分析与研究金属材料性能的过程中，主要分析金属材料的如下两种性能：其一，硬度。
一般情况下，金属材料的硬度主要指的是金属材料的抗击能力。
其二，耐久性。
耐久性能和腐蚀性是金属材料需要着重考虑的一对因素。
在应用金属材料的过程中不可避免的会受到各种物质的腐蚀，由此就会导致金属材料出现缝隙等问题。
2金属热处理变形的原因分析在工业生产过程中，各种金属零件早已成为机械制造的必要部分。
在零件的设计、选材中，对综合性能方面也提出了更高要求。
特别是生产过程中，对产品热处理加工后的品质提出了新要求。
但在热处理过程中出现形变等质量问题，一直是热处理过程中难以克服的。
《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
418变形不均匀原因及防止措施资料
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翻平宽展
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鼓形宽展
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粘着现象
实验结果表明，圆柱体金属在镦粗过程中，若 接触摩擦较大和高径比H／D较大时，则在端 面的中心部位有一区域，在此区域上金属质点 对工具完全不产生相对滑动而粘着在一起。此 现象称为粘着现象。此粘着在一起的区域称为 粘着区。此粘着现象也影响到金属的一定深度 ，这样就构成了以粘着区为基底的圆锥形或近 似圆锥形的体积，此体积称为“难变形区”。
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镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响
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外摩擦对应力分布影响
外摩擦不仅影响变形，而且使接触面上的应力（或单位压力）分 布不均匀，沿试样边缘的应力等于金属的屈服极限，从边缘到中 心部分，应力逐渐升高。
另外，沿物体高度方向由接触面至变 形体的中部，应力的分布是逐渐减小 的，这是因外摩擦的影响逐渐减弱所 致。即：离接触面越远，径向流动阻 力越小，要使它变形所需的单位压力 越小，其应力分布是逐渐减小的。
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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
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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应力状态，此 时也会使单位变形力增大。
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摩擦系数f不同时塑压件退火 后中心轴上晶粒大小分布
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Lesson Nine
• 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。
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封闭形外端
Lesson Nine
• 在被压缩体积的外部存在有封闭形外端时，一方面，被压 缩体积的变形要影响到外端的一定区域。另一方面，外端 会阻碍被压缩体积的向外扩展。
• 若外端的体积甚小时，则在变形过程中，在被压缩体积变 形的影响下，外端的高度也会有所减小，外端向外扩展。 如果外端的体积较大，则被压缩体积的变形很难进行。若 所施的压力非常大时，也可以把工具(压头)压人变形物体 内，此时部分变形金属将沿工具的周围被挤出。可见，金 属在具有封闭形外端条件下的压缩与无外端时有很大差别。 封闭形外端可以减小被压缩物体的不均匀变形，并可使其 三向压应力状态增强。
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Lesson Nine
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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
Lesson Nine
• 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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Lesson Nine
难变形区
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变形区的几何因素
Lesson Nine
• 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/d<2.0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/d＞2.0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。
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Lesson Nine
封闭形外端
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非封闭形外端
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非封闭形外端
Lesson Nine
• 在金属压力加工中属于非封闭形外端的变 形过程较多，例如，锻造延伸，拉拔等。
金属塑性变形理论_-第9讲_变形不均匀原因及防止措施
Lesson Nine
Lesson Nine
Lesson Nine
Lesson Nine
Lesson Nine
镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响
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应力分布不均
Lesson Nine
• 外摩擦不仅影响变形，而且使接触面上的应力 （或单位压力）分布不均匀，沿试样边缘的应力 等于金属的屈服极限，从边缘到中心部分，应力 逐渐升高。
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Lesson Nine
a
b
c
• 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。
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• 在许多情况下，当工具的形 状已得到了严格的控制时， 为获得变形均匀的产品，还 必须要考虑原始坯料形状的 影响。如果坯料的尺寸和形 状的选择不当也会使物体产 生不均匀变形。
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Lesson Nine
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圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦 粗过程中的变化
10
Lesson Nine
• 由此可见，物体在压缩时接触面积的增加，可由 接触表面上金属质点滑动和侧面质点翻平两部分 组成。侧面金属翻平量的大小取决于接触摩擦条 件和变形物体的几何尺寸。接触面上的摩擦越大， 接触面上的金属质点越不易滑动，因而侧面金属 转移上来的数量就越多。试样的高度越大，侧面 金属越易于转移到接触表面上来。当试样的高度 大于直径时，接触面积的增加将主要是由侧面金 属的转移所造成。
2021/3/3
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Lesson Nine
双鼓形
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工具与工件的轮廓形状
Lesson Nine
• 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。
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• 另外，沿物体高度方向由接触面至变形体的中部， 应力的分布是逐渐减小的，这是因外摩擦的影响 逐渐减弱所致。
2 Nine
带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验
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侧面翻平
Lesson Nine
• 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。
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Lesson Nine
翻平宽展
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鼓形宽展
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粘着现象
Lesson Nine
• 实验结果表明，圆柱体金属在镦粗过程中，若接 触摩擦较大和高径比H／D较大时，则在端面的中 心部位有一区域，在此区域上金属质点对工具完 全不产生相对滑动而粘着在一起。此现象称为粘 着现象。此粘着在一起的区域称为粘着区。此粘 着现象也影响到金属的一定深度，这样就构成了 以粘着区为基底的圆锥形或近似圆锥形的体积， 此体积称为“难变形区”。
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Lesson Nine 19
变形体内部温度分布不均
Lesson Nine
• 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。