《塑性成型力学基础》课程实验指导书

材料成型力学基础课程实验

实验一：接触面上的外摩擦对变形及应力分布的影响

一、实验目的

了解工具和变形体接触面间存在摩擦时，变形体内部不均匀变形及应力分布状况。 二、实验原理

金属压缩时，由于接触面上存在摩擦力，造成表面附近金属流动困难，而使圆柱形试样变形鼓形。从对由n 个尺寸相同的圆片叠加组成的圆柱体试样进行压缩的结果可以看出（图1），变形前厚度相同、外轮廓线平行的圆片，变形后侧面产生挠曲，在接触面附近挠度最大，离接触表面的距离越大挠度越小，在水平对称轴处的挠度为零。由于在接触表面下区域Ⅰ的变形很小，称为难变形区，在中部区域Ⅱ内的变形最明显，称为易变形区，而变形程度居中的Ⅲ区则称为自由变形区。

金属塑性变形时变形体内变形的不均匀分布，不仅能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也不均匀。如图2所示，由于不均匀变形的结果，在Ⅰ区和Ⅲ区内产生附加应力。特别在Ⅲ区，由于附加应力作用的结果，使其应力状态发生了变化，环向（切向）出现了拉应力，侧表面的附加拉应力最大而径向压应力最小。有时在侧表面出现纵向裂纹，这就是环向拉应力作用的结果。 由于外摩擦的影响，也使接触表面上的应力分布不均匀，由边缘向中心部位应力逐渐增大。

三、实验设备、工具和材料

（1）万能材料实验机（两块钢板压头）。 （2）千分尺、游标卡尺、钢板尺、划规等。 （3）铅试样Φ40×5，6块；Φ40×30，1块。 四、实验方法和步骤

1、用划规在各试样任一表面上作出间距为5mm 的同心圆。

2、记录压缩前试样尺寸d 、h ，列于表中。

3、材料实验机准备。

4、将各试样整齐叠起，放入两块钢垫板中心。

5、将试样连同钢垫板一起放在材料实验机上以△h=H/2变形量进行压缩。

Ⅲ

Ⅲ

Ⅰ

图2

Ⅱ 图1 组合体压缩时外摩擦对

变形分布的确影响

应力分布的确影响

6、记录压缩后的试样尺寸d、h，列入后面数据记录表中。

7、观察变形后各小圆片形状，并描绘出图形（在实验室当场描绘，废试样回收，不得带走）。

五、实验数据记录表格

表1 试样变形前尺寸

表2 试样变形后尺寸

六、实验报告要求

1、记录测量压缩前后各试样d、h值的表格。

2、描绘变形后各小圆片形状的图形。

3、分析试样各部分变形量的大小和原因。

4、画出试样中心剖面网格歪扭图及难变形区。

实验二：滑动区和粘着区的测定

一、实验目的

在摩擦系数及变形区几何参数变化的条件下，测定滑动区和粘着区的大小。 二、实验原理

在塑性变形过程中，接触表面金属质点相对于工具表面有径向滑动的区域，称为滑动区，没有径向滑动的区域叫粘着区。在粘着区内，由于摩擦影响严重，接触表面上的金属质点好像粘在工具表面，而不产生相对滑移。滑动和粘着区的大小与变形区的几何参数有关。h/d(或h/l ，h/b)越大，粘着区域越大，当h/d(或h/l ，h/b)增大到一定数值，且摩擦系数又很大时，会发生没有滑动区而为全粘着区的现象。当摩擦系数一定时，随h/d(或h/l ，h/b)的减小，粘着区减小，这时接触表面上既有粘着区又有滑动区，如图1所示。当摩擦系数减小，且h/d(或h/l ，h/b)减小到一定数值时，粘着区可能完全消失，此时接触表面完全由滑动区组成。 三、实验设备、工具和材料 1、万能材料实验机

2、千分尺、游标卡尺、钢板尺、放大镜、划规、砂纸等。

3、钢垫块，4块（2块涂油）。

4、铅试样 25×50，2块。 四、实验方法与步骤

1、取铅试样，测量

尺寸d 、h ，记录。在试

样的一端面上每隔1mm

刻一条直线，如图2所

示。沿直线OA 测量各线条与中心O 点的距离，记录。

2、取四块钢垫板，

其中两块擦干，另两块在

表面涂油备用。

3、将一块铅试样放

在两块干垫板中间，在材料实验机上以30%变形量压缩。观察滑动区和粘着区形状，测量变形后各刻痕线条与中心O 点的距离，与压缩前数值比较，确定滑动区和粘着区的半径OA 和OB ，记录。

4、将另一块试样放在两块涂油垫板中间，在材料实验机上以30%变形量压缩。观察滑动区和粘着区形状，测量变形后各刻痕线条与中心O 点的距离，与压缩前数值比较，确定滑动区和粘着区的半径OA 和OB ，记录。

5、磨平端面刻痕。

6、重复步骤1~5三至四次。 五、实验数据记录表格

表1 干燥条件下的实验数据表

图1 圆柱压缩时滑动区和粘着区示意图 O A

图2 端面刻痕示意图

表2 涂油条件下的实验数据表

六、实验报告要求

1、给出实验中测定的滑动区与粘着区的大小。

2、叙述影响粘着区大小的因素及该因素与区域大小的关系。

实验三：摩擦对塑性变形时接触表面积的影响

一、实验目的

进一步了解摩擦对变形的影响，掌握摩擦及变形区几何尺寸对接触表面积的影响，观察并熟悉这种影响所产生的现象。 二、实验原理

摩擦和变形区几何尺寸是影响变形不均匀的两个重要因素，往往是两种因素同时起作用。由外摩擦引起的不均匀，使变形体侧表面出现鼓形。与鼓形形成有密切关系的是：经常发现侧表面金属局部转移到接触表面上来的侧面翻平现象，如图1所示。所以，变形后接触表面积的增大，不仅是表面上的质点流动的结果，也是侧面翻平的结果。摩擦越大，翻平现象越明显。变形区几何尺寸的影响是：试样的高度越大，试样侧面

金属越容易转移到接触表面上来。因此，在外摩擦较大的情况下，当h/d 值增大到一定数值时，接触

表面的增加，仅靠侧面金属转移到接触表面上来，即没有滑动区而发生全粘着现象。 三、实验设备、工具和材料 1、万能材料实验机。

2、千分尺、游标卡尺、钢板尺、吹风机、墨

汁、砂纸等。

3、钢垫块，4块（2块涂油）。

4、铅试样 25×50，2块。 四、实验方法和步骤

1、取铅试样两块，测量直径d 和厚度h ，记

录。在试样的一端面上涂墨，然后用吹风机吹干墨

迹。

2、取四块钢垫板，其中两块擦干，另两块在表面涂油备用。

3、将一块铅试样放在两块干垫板中间，在材料实验机上以30%变形量压缩。测量滑动直径d 1、翻平直径d 2和鼓形直径d 3，记录。

4、将另一块试样放在两块涂油垫板中间，在材料实验机上以30%变形量压缩。测量滑动直径d 1、翻平直径d 2和鼓形直径d 3，记录。

5、重复步骤1~4六次。 五、实验数据记录表格

图1 圆柱压缩时滑移区与翻平区示意图