2016金属塑性加工的流动与变形规律

金属塑性加工原理与技术
图3-17 弯曲变形对外端的影响
造成非变形区金属变形
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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。
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内部质点滑移变形的近似模型
变形锥模型 向内，难变形区，摩擦力影响，静水压力大
向外： 当 H/D很大时，滑移锥不相交， 离接触面越远，滑移线不容易到达 中间难变形，形成双鼓形
当 H/D较小时，滑移锥相交， 难变形区不变形， 易变形区和自由变形区变形 形成单鼓形
当 H/D很小时，滑移锥相互干涉最严重， 相互插入难变形区，变形较均匀， 需要很大的变形力
中间延伸大，边部延伸少， 受整体性制约，中间受压应力，边部受拉应力
l
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图3-22 相邻晶粒的变形
宏观级、显微级、原子级变形不均 几何区域之间，第一类附加应力 相临晶粒之间，第二类附加应力 晶粒内部滑移面，第三类附加应力
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附加应力的作用
• 附加应力是为了保持变形体的完整和变形连续而 产生的内力
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§4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用
➢在高压下产生的摩擦 ➢较高温度下的摩擦 ➢摩擦副（金属与工具）的性质相差大 ➢在接触面上各点的摩擦也不一样
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σsb σsa
σ ×9.8 N/mm2
1）带缺口试样δ=2% 2）未带缺口试样δ=35%
变形程度ε
σ
图3-25 拉伸时真应力与变形程金度属塑的性加关工原系理与技术
应 力 σsb σsa
变形程度ε
1)无缺口试样拉伸时的真应力的曲线 2）有缺口样拉伸的真应力曲线
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使产品质量降低
变形不均过大，附加应力不同平衡，而导致产品形状 缺陷
σ1=σ2=σ3 ε1=ε2=ε3=0
0> σ2 = σ1>σ3 ε3＜0 ε1=ε2= - ε3 /2
σ1>0 > σ3 σ2 =0 ε1=-ε3 ε2= ？ 0 思考：没有摩擦力，怎么变形？
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圆柱镦粗时接触表面单位压力分布图
用有孔的玻璃锤头压缩塑料
发现中间进入圆孔的塑料高度高于 边部
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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
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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
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。
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图3-19 不同变形程度下镦粗圆柱体
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图3-20 冷镦粗后垂直断面上洛氏硬度变化
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3. 3. 3 基本应力与附加应力
§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
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第4章 金属塑性加工的摩擦与润滑
§4.1 概述 §4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用 §4.3 塑性加工中摩擦的分类及机理 §4.4 摩擦系数及其影响因素 §4.5 测定摩擦系数的方法 §4.6 塑性加工的工艺润滑
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图3-1 开式模锻的金属流动
修磨圆角，减少阻力
增加飞边阻力
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图3-2 最小周边法则
俯视图，外力P方向向里
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
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图3-3 正方形断面变形模式
（a）
方锭变圆
（b） B-B剖面
（c）
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图3-4 拔长坯料的变形模式
(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
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图3-6 辊径不同时轧件变形区纵横方向阻力图
（D′＞D，B′2＞B2）
小辊径D 延伸变形区大 大辊径D′宽展变形区大
H、h、B1相同时 B′2＞B2
铝—钢双金属轧制
变形抗力不同， 造成流动不均
不均匀变形产生的弯曲现象 1——铝；2——钢
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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。
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§3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力
小辊径 大辊径
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图3-5 不同宽度坯料轧制时宽展情况
轧件坯料宽度不同 B1＜B2
H、h、D相同时： 宽展部分相同 而窄板延伸＜宽板延伸
其结果导致窄板宽展率大， 延伸率小
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§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
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。
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图3-13 型钻中拔长
圆型砧 和V型砧不利于宽展 拔长效率高 凸型砧利于宽展，拔长效率低
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挤压时金属流动
表面工作 应力为拉 应力
（a）及纵向应力分布（b）、（c），其中（c）为摩擦很大时应 力分布；（实线）基本应力；（虚线）附加应力； （点画线）工作应力=基本＋附加应力
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图3-24 拉伸实验曲线
假
Φ18 φ20
想
应
力
，
使变形抗力提高
塑性降低
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
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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。
润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着 压力加工新技术新材料新工艺的出现，必将要求人们 解决新的润滑问题。
§4.1 概述
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在金属塑性加工中，必须在工模具与加工坯料之间加入 润滑介质，以减少摩擦，防止粘接，称为润滑。
润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着压力 加工新技术新材料新工艺的出现，必将要求人们解决新 的润滑问题。
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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。
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镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响
接触面附近摩擦力，中心大，边部小
变形分成三个区 难变形区、易变形区、自由变形区
三个区的主应力图有区别，主变形图不同
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h2 为各种数值时的情况
变形锥之间距离h对变形模式的影响
接触面是否产生滑动与摩擦力和变形因子有关？
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变形几何因子的思考
• 变形是否深入取决于H/D
• 接触面是否滑移与H/D密切相关
• 可以解释几何因子影响变形力，即变形力随H/D减 少而增加
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• 附加应力由不均匀变形产生，同时又限制不均匀 变形的自由发展
• 附加应力相互平衡、成对出现
附加应力定律： 由于物体塑性变形总是不均匀的，因此在变形过程中
总有相互平衡的附加应力
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不均匀变形对金属塑性变形的不良后果
• 引起应力状态发生变化，使应力分布不均匀 • 造成变形过程物体破坏 • 使材料变形抗力提高、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
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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。
描述变形区的几何形状的参数
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球压缩时的流线
45度角剪切最大， 屈服准则，滑移带形成正交网线 形成变形锥
随变形程度，滑移带向内、外扩展
向外深入，上下变形锥相交
从边缘到中心应力逐渐升高，
边缘应力等于屈服应力
试样高/径比 h/d越小，应力分布 越不均匀
思考：高向怎么变化？
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圆环镦粗时金属的流动
无摩擦力 σ2 =σ1=0 σ3 ＜0 ε3＜0 ε1=ε2= - ε3 /2 有摩擦力 σ2 、σ1<0 σ3 ＜0 出现中性面
a)变形前 b) 摩擦系数很小或为零 c) 有摩擦
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。 定义： 基本应力是由外力作用所引起的应力 附加应力是物体不均匀变形受到整体性的限制，而引起的 物体内相互平衡的应力．
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基本应力图与工作应力图
➢ 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。
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均匀变形的条件
• 变形体均匀、各向同性 • 任意瞬间、任意小单元上
应力相同、应变增量相同 • 无摩擦 • 无外端
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3. 3. 2 研究变形分布的方法
变形不均，造成组织、性能不均
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3. 3. 4 残余应力
• 定义 塑性变形完毕后保留在变形体内的附加应力
也分三类
残余应力
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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
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§4.1 概述
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金属塑性加工中是在工具与工件相接触的条件下进 行的，这时必然产生阻止金属流动的摩擦力。这种发 生在工件和工具接触面间，阻碍金属流动的摩擦，称 外摩擦。
由于摩擦的作用，工具产生磨损，工件被擦伤；金 属变形力、能增加；造成金属变形不均；严重时使工 件出现裂纹，还要定期更换工具。因此，塑性加工中， 须加以润滑。
a) 圆型砧（zhen） b) V型砧 c) 凸型砧
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图3-14 沿孔型宽度上延伸分布图
方形坯入椭圆形轧孔，沿 宽向的延伸不均匀，易造 成制品歪扭
3. 2. 4
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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。
§3. 5 塑性加工过程的断裂与可加工性 (归入金属学基础)
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§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
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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。
与应力应变增量理论相一致 (应变增量与应力偏量成正比)
外端是指临接变形区，而未变形的金属
因为金属塑性变形要保持整体性和连续性，因此外端 会影响到变形区内金属的流动。
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图3-15 拔长时外端的影响
外端限制宽展 当送料比l/a大时，宽展<延伸 当送料比l/a小时，宽展增大
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图3-16 开式冲孔时的“拉缩”
造成非变形区金属变形
•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。
不均匀变形时，工作应力等于基本应力与附加应力的 代数和。
l
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图3-21 在凸形轧辊上轧制矩形坯产生的附加应力
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 —整个轧制后的实际长度