轧制变形基本原理 (1)

1 第四章 轧制变形基本原理

金属塑性加工是利用金属能够产生永久变形的能力，使其在外力作用下进行塑性成型的一种金属加工技术，也常叫金属压力加工。基本加工变形方式可以分为：锻造、轧制、挤压、分为：热加工、冷加工、温加工。

金属塑性加工的优点

(1)因无废屑，可以节约大量的金属，成材率较高；

(2)可改善金属的内部组织和与之相关联的性能；

(3)生产率高，适于大量生产。

第一节 轧钢的分类

轧钢是利用金属的塑性使金属在两个旋转的轧辊之间受到压缩产生塑性变形，从而得到具有一定形状、尺寸和性能的钢材的加工过程。被轧制的金属叫轧件；使轧件实现塑性变形的机械设备叫轧钢机；轧制后的成品叫钢材。

一、根据轧件纵轴线与轧辊轴线的相对位置分类

轧制可分为横轧、纵轧和斜轧。如图１、２、３。

横轧：轧辊转动方向相同，轧件的纵向轴线与轧辊

的纵向轴线平行或成一定锥角，轧制时轧件随着轧辊作

相应的转动。它主要用来轧制生产回转体轧件，如变断

面轴坯、齿轮坯等。

纵轧：轧辊的转动方向相反，轧件的纵向轴线与轧

辊的水平轴线在水平面上的投影相互垂直，轧制后的轧

件不仅断面减小、形状改变，长度亦有较大的增长。它

是轧钢生产中应用最广泛的一种轧制方法，如各种型材和板材的轧制。

斜轧：轧辊转动方向相同，其轴线与轧件纵向轴线在水平面上的投影相互平行，但在垂直面上的投影各与轧件纵轴成一交角，因而轧制时轧件既旋转，又前进，作螺旋运动。它主要用来生产管材和回转体型材。

图1 横轧简图

1—轧辊；2—轧件；3—支撑辊

图2 纵轧示意图图3 斜轧简图

1—轧辊；2—坯料；3—毛管；4—顶头；5—顶杆

二、根据轧制温度不同又可分为热轧和冷轧。

所有的固态金属和合金都是晶体。温度和加工变形程度对金属的晶体组织结构及性能都有不可忽视的影响。

金属在常温下的加工变形过程中，其内部晶体发生变形和压碎，而引起金属的强度、硬度和脆性升高，塑性和韧性下降的现象，叫做金属的加工硬化。把一根金属丝固定于某一点在手中来回弯曲多次后，钢丝就会变硬、变脆进而断裂，这就是加工硬化现象的一个例子。

经加工变形后的金属，随着温度的升高，其晶体组织又重新改组为新晶粒的现象，称为金属的再结晶。再结晶无晶体类型的变化。金属进行再结晶的最低温度称为金属的再结晶温度。金属的再结晶可以消除在加工变形过程中产生的加工硬化，恢复其加工变形前的塑性和韧性。金属的再结晶温度的高低，主要受金属材质和变形程度的影响。

将金属加热到再结晶温度以上进行轧制叫热轧。热轧的优点是可以消除加工硬化，能使金属的硬度、强度、脆性降低，塑性、韧性增加，而易于加工。这是因为金属在再结晶温度以上产生塑性变形（即产生加工硬化）的同时，产生了非常完善的再结晶。但在高温下钢件表面易生成氧化铁皮，使产品表面粗糙度增大，尺寸不够精确。

金属在再结晶温度以下进行的轧制叫冷轧。冷轧的优点与热轧相反。

第三节金属塑性变形的力学条件

一、内力与外力

材料（入轧件）由于外力（如轧辊的轧制力）的作用，其内部产生的抵抗外力的抗力，叫内力。材料单位面积上的内力叫应力。当应力分布均匀时，或者应力虽不均匀分布，但为例计算简便时：

σ=Ｐ／F

式中：σ——平均应力，Mpa；

F——材料的截面积，

P——作用于该截面积的内力，N。

二、变形

材料受外力所产生的形状和尺寸的改变，叫变形。当外力消除后，能够恢复原来形状尺寸的那部分变形，叫弹性变形；若外力超过某一限度，材料不能恢复原来形状尺寸的那部分变形，叫塑性变形。材料产生塑性变形而不破裂的能力叫塑性。轧钢生产就是利用金属的塑性使轧件产生塑性变形而成型的。

材料单位尺寸上的变形叫应变，应力与应变是共生共存的。

塑性变形的力学条件

材料抵抗塑性变形的能力叫强度。材料产生塑性变形的最小应力叫屈服强度或屈服极限（R eL/R eH）。材料破坏前的最大应力叫强度极限（R m）。

显然，金属材料产生塑性变形的力学条件是该材料受外力作用而产生的应力（σ）必须大于或等于其屈服极限（R eL），而小于其强度极限（R m）。

R eL/≤σ≤R m

因为，当σ< R eL时，材料不可能产生塑性变形，只产生弹性变形，而σ≥R m时，材料会破裂。

第四节塑性变形的体积不变定律和最小阻力定律

一、金属塑性变形的体积不变定律

体积不变定律是金属塑性变形时，材料的体积保持不变。即轧制前后轧件的体积不变。

如以V、V′分别代表轧制前后轧件的体积，则

V=V′

另H、B、L和hbl分别代表轧件轧制前后轧件的高度、宽度与长度，则有

V=HBL;V′=hbl

HBL=hbl

上面公式是体积不变定律的数学表达式，利用他可以计算定轧制后轧件的尺寸，根据产品的断面面积和定尺长度，选择合理的坯料尺寸。

实际上，金属在塑性变形过程中，其体积总有一些变化，这是由于：

（1）在轧制过程中，金属内部的缩孔、气泡和疏松被焊合，密度提高，因而改变了金属体积。这就是说除内部有大量存在气泡的沸腾钢锭（或有缩孔及疏松的镇静钢锭、连铸坯）的加工前期外，热加工时，金属的体积是不变的。

（2）在热轧过程中金属因温度变化而发生相变以及冷轧过程中金属组织结构被破

坏，也会引起金属体积的变化，不过这种变化都极为微小。例如，冷加工时金属的比重约减少0.1～0.2％。不过这些在体积上引起的变化是微不足道的，况且经过再结晶退火后其比重仍然恢复到原有的数值。

2二、塑性变形的最小阻力定律

1、叙述：最小阻力定律是金属材料在塑性变形时，其质点有向各个方向移动的可能性时，则各质点将沿阻力最小的方向移动。

2、最小阻力定律的应用

2.确定金属流动的方向。

（1）利用最小阻力定律分析小辊径轧制的特点。如图2-3

图3-3 轧辊直径对宽展的影响

在压下量相同的条件下，对于不同辊径的轧制，其变形区接触弧长度是不相同的，小辊径的接触弧较大辊径小，因此，在延伸方向上产生的摩擦阻力较小，根据最小阻力定律可知，金属质点向延伸方向流动的多，向宽度方向流动的少，故用小辊径轧出的轧件长度较长，而宽度较小。

(2)为什么在轧制生产中，延伸总是大于宽展？

首先，在轧制时，变形区长度一般总是小于轧件的宽度，根据最小阻力定律得，金属质点沿纵向流动的比沿横向流动的多，使延伸量大于宽展量；