材料成型金属学ch03 金属塑性变形的宏观规律

自由变形理论在确定变形物体的纵向和横向的变形关系时具 有重要意义. 压下量相同，轧制宽度相同轧件时，用大轧辊，宽展大。
3.3影响金属变形行为的因素及所呈现的现象
影响金属变形行为的因素 ：



接触摩擦 变形物体的外端 变形物体的几何形状和工具形状 变形物体的温度不均和组织不均
3.3.1接触摩擦
一、呈现单鼓形的三个变形区 Ⅰ区:难变形区，硬取向，三向压应力状 态。附加拉应力较小.
Ⅱ区:易变形区，软取向，三向压应力状 态。附加压应力.
Ⅲ区:自由变形区，二压一拉应力状态： 环向拉，径向压。环向附加拉应力.
圆柱体镦粗时相对鼓形体积与试样几何尺寸的关系
鼓形程度开始时随着压下率增加而增加，并达到最大值，之后逐渐 减小。原始H/d越小(短试样)，鼓形越小，且在变形程度较小时， 达到鼓形的最大值。
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。
工具形状典型实例:变形体横断面上延伸不均匀.
二凸形辊间轧制矩形断面坯料; 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
典型实例: 二平辊轧制两侧厚中间薄的坯料
矩形件局部压缩时外端对延伸 及宽展的影响 1-工具， 2-外端，3-变形区
外端作用:变形物体的纵向变形的不均匀性减小,横 向变形的不均匀性增加.


沿变形区宽度方向（横向）： 纵向延伸更均匀 中部：纵向附加压应力 边部：纵向附加拉应力 沿变形区长度方向（纵向）： 外端加剧了横向变形的不均匀性 靠近外端：宽展小 远离外端：宽展大


铝—钢双金属轧制时由不 均匀变形产生的弯曲现象
3.3.5变形金属的材质不均
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。 如杂质和其周围晶粒的性质不同，出现应力集中现象， 结果这种缺陷周围的晶粒必须发生不均匀变形，并会产 生晶间及晶内附加应力。
1. 2. 3.
自由变形理论基础:最小阻力定律--当物体各质点有在不同方向移动的可 能时,变形物体内的每一个质点都将沿 其最小阻力方向移动. 移动各点的轨迹在自由变形平面的投 影,与位于此平面的断面周边的最短法 线重合.因此最短法线方向就是最小阻 力方向. 意义:预测变形物体在自由变形平面内 的断面形状.
3.4.3增加工具局部磨损，使技术操作复杂
不均匀变形→应力分布不均→工具各部分受力不同→不均匀磨损，技 术操作增加困难。 举例：孔型轧制型材，压下量不均使轧辊孔型产生不均匀磨损，影响 产品形状和尺寸，给轧机调整增加困难。
避免或减少变形与应力的不均匀分布应采取的措施




尽量减少接触摩擦的有害影响： ↑工具表面光洁度、接触表面上加润滑剂、接触端加柔 软垫片。 正确选择变形温度－速度制度： 加热温度均匀、变形在单相区温度范围完成； 锻压H/d较大件时低速变形更深透， 锻压H/d较小件时高速变形使鼓形减小。 合理设计工具形状和正确选择坯料： 热轧薄板时，轧辊易热膨胀，采用凹辊；冷轧薄板时， 轧辊弹性弯曲和压扁大，采用凸辊。 尽量使坯料的成分和组织均匀： 冶炼和锭的浇铸质量，对锭进行高温均匀化处理。
3.1.2基本应力与附加应力

基本应力 :
物体在塑性变形状态中,完全根据弹性 状态所测出的应力. 当使物体产生塑性变形的外力去除后 弹性变形恢复,此基本应力消失. 基本应力是由于外力的作用所引起的 应力.
附加应力 :
物体产生不均匀变形时, 具有不同变形的各部分间 产生的相互平衡的应力. 由于内力所产生的应力. 外力去除变形终止后,此 附加应力仍将保留在变形 物体内.
3.5残余应力
3.5.1残余应力的概念




残余应力：塑性变形完毕后保留在变形物体内的附加应力。 总位能＝释放位能＋约束位能 释放位能作用：确定平衡外力作用的内力的数值。 约束位能作用：确定由塑性变形引起的相互平衡内力的数值。 也可以确定在每一变形瞬间附加应力的数值。 约束位能＝塑性变形中由于软化释放的位能＋残余应力的位 能，残余应力的位能<约束位能 残余应力产生原因：塑性变形、不均匀加热、冷却、淬火、 相变等过程中。
残余应力 :
此保留下来的附加应力
工作应力 :
对变形物体实测出来的应力. 是基本应力与附加应力的代数和. 当物体的变形绝对均匀时,其基本应力与工作应力相等. 变形不均匀分布时,工作应力等于基本应力与附加应力的代数和.
附加应力的分类
1.
2.
3.
变形物体的几个大部分间由于不均匀变形所引起的相互 平衡的附加应力. 变形物体局部的各部分之间(如两个或几个晶粒间)由于 不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力. 变形物体的一个晶体内的各部分间由于不均匀变形所引 起的附加应力.
摩擦系数f不同时塑压件退 火后中心轴上晶粒大小分布

波浪
带状裂纹
横裂纹
星裂
气泡
轧制折叠
分层
结疤
白色非金属夹杂
金属夹杂物
3.4.2降低金属的塑性加工工艺性能



不均匀变形→附加应力→金属塑性降低、变形抗力升高→加工性能 变坏。 教材P80图3-25，挤压低塑性金属时，接触表面摩擦使物体产生强 烈不均匀变形，工作应力达到金属断裂强度时，表面周期性向内扩 展裂纹。 变形抗力升高原因： 附加应力的出现使工作应力变成三向同名应力状态，造成如：单向 拉伸，细颈处：单向拉→三向拉。
3
(平行)平面和直线 二阶曲面(如:球体)
几何相似且位置相似的单元体
(平行)平面和直线 二阶曲面(椭球体)
几何相似的单元体
均匀变形条件



变形物体为各向同性. 变形物体内各点处物理状态相同(温度、变形抗力等). 接触面上任一点的绝对压下量和相对压下量相同. 整个变形物体同时处于工具的直接作用下. 接触面上完全没有接触摩擦或没有接触摩擦引起的阻力.
被压缩体积的变形要影响到外端的 一定区域; 外端会阻碍被压缩体积的向外扩展. 外端体积小时：外端高度减小(向周 边减弱)，外端向外扩展。 外端体积大时：变形很难进行。外 压力非常大时,工具压入，部分 金属沿工具周围被挤出。
封闭形外端可减小被压缩物体的不 均匀变形，使其三向压应力状态 增强。
封闭形外端下的塑压变形 1-工件，2-外端，3-工具

最小周边法则 :
当最小阻力方向即为最短法线方向时,任意断面形状 的柱体镦粗,断面形状将趋于圆形,因为圆形断面的周 界最小.
1.
最短法线方向是最小阻力方向的条件 :
接触摩擦为各向同性,即在任何方向上接触摩擦阻力 均相同. 接触摩擦系数具有较高的数值.
2.
接触摩擦系数的各向异性对运动学图形的形式会产生重大影响： 试样长轴位于摩擦系数最小的方向上时，延伸大，宽展小。 试样长轴位于摩擦系数最大的方向上时，宽展大，延伸小。
由于接触摩擦的作用，在出现单鼓形 的同时出现的侧表面金属局部地转移 到接触表面上来的现象。
发生条件 ：
侧表面面积的减小量大于接触面面积 的增加量。
接触面积的增加＝接触表面上金属质 点滑动＋侧面质点翻平
侧面金属翻平量大小的影响因素 ：
接触摩擦条件 变形物体的几何尺寸。
原侧面上aa和bb镦粗后转移到端面
二、呈现双鼓形
单鼓几何条件 ：H/d≤2 双鼓几何条件 ：H/d>2
Ⅳ区：圆柱体形状 垂直单向压应力 均匀的塑性变形或弹性变形 双鼓→单鼓： 随着压下率增加，H/d ↓ ，两个难变形 区锥Ⅱ区靠近时。
双鼓形影响因素 ：
压下率，接触摩擦，变形区的几何因素， 变形速度。
三、侧面翻平现象
侧面翻平现象：
3.金属塑性变形的宏观规律
3.1基本概念和研究方法
3.1.1均匀变形与不均匀变形

均匀变形：变形区某体积内的所有点的变形状态都相同,
则此体积的变形称为均匀变形。

均匀变形物体中任一点处,立方体变为斜角六面体. 均匀变形后任一点的坐标为其变形前坐标的线性函数。

均匀变形的基本特点
变形前 变形后
1 2



云纹法、示踪原子法、光塑性法等
组合圆柱体的压缩
坐标网的方格变化
a －无剪变形时正方形变为长方形； b －有剪变形时正方形变为平行四边形。 r0－原来的内切圆半径；a和b为无剪变形时椭圆形的轴径； r1和r2为有剪变形时椭圆形的轴径
3.2自由变形理论

自由变形 :
不由变形工具形成的空间尺寸所限定的变形. 如:直角六面体在二平锤头间压缩、板材在二平轧辊间轧制. 自由变形方向、自由变形平面. 自由变形理论可以用来确定: 自由特性变形彼此间的比值 金属塑性流动的运动学图形 由于不均匀变形,位于自由平面内的断面所得到的形状
中间: 附加拉应力; 两侧: 附加压应力. 实际情况: 两侧延伸>中间延伸
如两侧宽度>>中间宽度: 中部: σ>σc; 周期性断裂
如两侧宽度<<中间宽度: 中部不断裂,两侧产生皱纹
其他实例
型钻中拔长 a) 圆型砧 b) V型砧 c) 凸型砧
沿孔型宽度上延伸分布图
3.3.4变形物体温度分布不均

同一变形物体中： 高温部分:变形抗力低，变形大。 →附加压应力 低温部分:变形抗力高，变形小。 →附加拉应力 变形物体内因温度不同所产生热 膨胀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，甚至引起断裂。 举例： 轧件轧后上翘、下翘：原因之一是 钢坯加热时上或下加热不足。 铝钢双层金属轧制：铝变形抗力低 于钢,轧件向钢侧弯曲
Hale Waihona Puke Baidu
圆柱体镦粗时出现的粘着区及难变形区
五、接触表面上应力分布不均
试件边缘的应力等于变形金属的屈服点，由边缘 向中心应力逐渐增高。由于接触摩擦的作用.
3.3.2变形物体的外端

外端：变形过程中某一瞬间变形物体不直接承受 工具作用而处于变形区以外的部分。 外端分为封闭形外端和非封闭形外端。

封闭形外端
3.1.3研究变形分布的主要方法

坐标网格法：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。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。目前网格法可作定量分析。 硬度法：变形程度越大，加工硬化越强，金 属硬度越大。是一种极粗略的定量法，适用 于对加工硬化敏感的金属 比较晶粒法：变形程度增大，晶粒变细。适 用于影响晶粒大小的因素之有变形程度而无 其它的情况。变形程度较大时，不适用。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。
3.4变形不均匀分布所引起的后果及防止措施
3.4.1使变形后的组织性能不均， 尺寸形状不合，产品质量下降



变形程度：造成变形后组织不 均,如晶粒大小和形状不均,夹 杂物分布不均,相状态不均等, 引起强度、塑性、韧性等不均. 接触摩擦：圆柱体镦粗,摩擦 系数越大,晶粒大小越不均,产 品质量越差. 不均匀变形影响产品形状和尺 寸:薄板轧制时压下率不均， 产生镰刀弯、翘曲、皱纹等； 不均匀变形造成残余应力
四、粘着现象

粘着现象：圆柱体镦粗，若接触摩擦较大和高径比H/d较大时，在端



面中心部位有一区域，金属质点对工具完全不产生相对滑动而粘着在 一起。 粘着区：此粘着在一起的区域。 难变形区：以粘着区为基底的圆锥形或近似圆锥形的体积 影响粘着区大小的因素： 1.变形区几何因素：H/d↑，粘着区↑。 2.接触摩擦：接触摩擦↑，粘着区↑。 全粘着现象：在接触摩擦较大，H/d增加到一定程度，接触表面上不 存在变形金属质点与工具间的相对滑动，即无滑动区时，接触面的面 积增加仅由侧面金属的翻平造成。 全滑动区：接触摩擦较小，H/d减小到一定程度时，粘着区完全消失， 接触表面为全滑动区。 接触表面上粘着区与滑动区同时存在。接触面积的增加＝接触表面上 金属质点滑动＋侧面质点翻平
变形区越长，外端对宽展影响越小。
H/l>2的高件局部压缩：
无外端时：双鼓 有外端时：拉齐:纵向不均匀性↓，横向不均匀性↑。 靠近外端的鼓形处:纵向附加压应力, 宽展增大； 沿变形区高度的中部:纵向附加拉应力,宽展减小.
3.3.3变形工具和坯料的轮廓形状
造成变形物体内变形与应力不均匀分布的根本原因 是沿某一方向上所经受的变形量不同.
非封闭形外端（锻造延伸、拉拔等）
1)H/l≤2： ①无外端时： 沿变形区高度,中部延伸和宽展较大, 端部较小. 单鼓; ABCD→A’B’C’D’; ②有外端时： 外端对变形物体沿高度方向的纵向延 伸有”拉齐”作用; 中部:附加压应力; 端部:附加拉应力; A’B’C’D’ →A”B”C”D” 由于外端对纵向延伸的”拉齐”作用, 使变形区沿高向的中部的宽展最大, 端部宽展最小.