第八讲 金属塑性变形时应力和变形的不均匀性

第八讲金属塑性变形时应力和变形的不均匀性
1、均匀变形和不均匀变形
物体不仅在高度方向上变形均匀，并且在宽度方向上（从而也是在长度方向上）变形也均匀时，方能称为均匀变形。

要想充分实现均匀变形，严格说来是不可能的。

可见，在实际的金属压力加工时，变形不均匀分布是客观存在的。

2、基本应力、附加应力、工作应力、残余应力
（1）基本应力
由外力作用所引起的应力叫做基本应力。

（2）附加应力
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。

（3）工作应力
基本应力与附加应力的代数和即为工作应力。

（4）残余应力
如果塑性变形结束后附加应力仍残留在变形物体中时，这种应力即称之为残余应力。

3、接触面上外摩擦对变形及应力不均匀分布的影响
图6-2 镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响
如图6-2所示，若接触面无摩擦力影响时（并认为材料性能均匀）则发生均匀变形。

由于接触面上有摩擦力存在，可将变形金属整个体积大致分为三个变形大小不等的区域，Ⅰ区称为难亦形区，Ⅱ区是大变形区，Ⅲ区是变形程度居中的自由变形区。

由于I区的变形小，Ⅱ区的变形大，由金属的整体性的影响可知在Ⅰ区金属产生的是附加拉应力，但由于接触摩擦的影响，I区径向所受压缩应力大于附加拉应力，所以I区仍保持较强的三向压应力状态，没有危险；Ⅲ区金属产生的
也是附加拉应力，原因是当Ⅱ区金属变形时要产生向外扩张，而外层的Ⅲ区金属，则象一套筒把Ⅱ区金属套住而限制了Ⅱ区金属变形的向外扩张。

由于Ⅱ区与Ⅲ区相互作用，在Ⅲ区之外侧表面，便产生了较强的环向附加拉应力，当该拉应力大到一定程度后，将会导致金属在环向产生纵向裂纹，如图6-3所示。

图6-3 环向附加拉应力引起的纵裂纹
4、变形区几何因素的影响（H/d）
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，发生单鼓形不均匀变形。

当坯料高度较大并且变形程度很小时（H/d＞2.0），则往往只产生表面变形（变形不深透），而中间层的金属不产生塑性变形或者塑性变形很小，结果形成双鼓形，如图6-4所示。

轧制时的不均匀变形与镦粗时的不均匀变形，在性质上相类似。

镦粗时的各种不均匀现象，在轧制过程中都可以看到。

实验表明：轧制时变形分布的不均匀性与变形区长度l和变形区的平均高度=（H+h）/2有关。

并随比值/l 的改变呈现不同状态。

图6-4 当镦粗高件时不同区域的变形分布情况
5、工具的影响
A 工具的轮廓形状造成变形不均匀
例1：在钢板轧制时，由于辊型凸度控制不当，会产生舌形和鱼尾形，其变形
的情况如图6-5所示。

图6-6 沿孔型宽度上延伸分布图
例2：在椭圆孔型中轧制方坯时，见图6-6所示，由于工具的凹形轮廓形状，使沿轧件宽度上的变形分布不均匀。

此时中部的压下系数比边缘部分小，按照自然延伸，边部的应比中部的大。

由于金属的整体性和轧件外端的影响，结果使轧件各部分延伸趋向一致。

因此，在中部将产生附加拉应力，而边部产生附加压应力。

结果使应力产生不均匀分布。

图6-5 不同凸度的轧辊对轧制变形的影响
a—凸辊轧制；b—凹辊轧制
图6-6 沿孔型宽度上延伸分布图
B 变形的不同时性造成变形不均匀
例如菱形轧件进方孔时，垂直方向的对角线两点首先受到压缩，见图6-7a所示；在槽钢孔型中轧制时，往往是腿部金属先受到压下，腰部金属后受到压下，见图6-7b。

正是由于轧件变形的不同时性，使得在每一变形瞬间的轧件变形不均匀，在轧件内部产生自相平衡的附加应力，造成应力分布也不均匀。

图6-7 变形的不同时性
a-菱形件在立方孔中，b-轧件在槽钢孔型中
C 轧辊轴线安装不平行造成沿轧件宽向上压下量不均匀
这种情形，如遇轧制窄带钢，轧件将产生旁弯现象；如遇轧制宽带钢时，在延伸大的一边将产生浪弯。

6、工件形状的影响
例如，把一块矩形铅板两边向里弯折，然后在平辊上轧制。

根据弯折部分的宽度不同轧后会出现三种结果。

第一种结果是中部出现破裂，原因是弯折的边缘部分较厚，且折迭部分较宽，边缘部分给中间部分以较大的附加拉应力，使这个区域的中间部分产生周期性破裂，如图6-8所示。

第二种结果是折迭部分宽度逐渐变小，使得中间受的拉应力减小，两边受的压应力增加，但拉应力未引起金属破裂，近似为等强度。

第三种结果是折迭部分宽度很小，使得中间受的拉应力更小，两边受的压应力更大了，边缘部分在附加压应力作用下，产生皱纹（浪形）。

如图6-9所示
图6-8 中部周期性破裂
图6-9 边部在附加压应力作用下产生皱纹（浪形）示意图
7、变形体温度分布不均匀的影响
例1：利用钢锭做原料轧制时，若均热时间不足，造成钢锭中间部分温度较低，则在该区产生拉伸的热应力；在轧制的开始阶段，由于表面变形较大，中间变形较小，在中间区域也要形成附加拉应力，这两种拉应力迭加在一起，容易超过金属的断裂强度而在钢锭中心区产生裂纹。

这对塑性较低的金属与合金危险
性更大。

例2：在实际生产中，由于坯料在加热时，坯料要放在炉筋管的两条滑轨上，由于滑轨的管子是用循环水冷却的。

因此，必然会使坯料与炉筋管接触处的加热温度较其它部位低，故坯料在轧制时，温度低的部位其变形也就困难，即在高度方向的压缩量，尽管在同一辊缝中轧制，将会使低温处的真正压缩量较高温处的小，结果会导致轧件沿轧制方向（长度方向）的变形不均匀。

这也是在正常轧制条件下，使钢板在纵向上产生同板差的重要因素之一。

例3：在实际生产中还经常见到由于加热不足而造成钢坯的上面温度高，下面温度低，在轧制中沿高向产生压缩不均匀，致使钢坯上部延伸大于下部延伸，造成坯料向下弯曲，甚至造成缠辊事故。

如图6-10所示。

图6-10 由于上部金属比下部金属延伸大而造成的弯曲现象
1—高温的上部金属；2—低温的下部金属
8、金属本身性质不均匀的影响
当金属内部化学成分、组织结构、杂质以及加工硬化状态等分布不均匀时，都促使变形体内应力及变形分布不均匀，这是因为金属各部分的组织结构不均匀，必然会使各个部分的屈服极限值不相同，对于屈服极限值较小的部分容易变形，而对于屈服极限值较高的地方，则变形就比较困难，这种性能上的差异，产生不均匀变形将是不可避免的。

不均匀变形的后果及工件的断裂
1、变形及应力不均匀分布的后果
（1）使单位变形力增高
（2）使塑性降低
（3）使产品质量降低
（4）工具磨损不均匀，操作技术复杂
2、减轻应力及变形不均匀分布的措施
（1）选择合理的变形温度
（2）选择合适的变形速度
（3）选择合理的压下规程
（4）合理设计加工工具形状
（5）尽可能保证变形金属的成分及组织均匀
（6）尽量减小接触表面上外摩擦的有害影响
（7）制定合理的操作规程
3、不均匀变形造成的工件断裂
1）轧制时产生的内部横裂
轧制厚件（＜0.5，为轧件平均厚度＝时，由于发生的是表面变形，所以在小变形的断面中心将产生纵向拉应力，结果产生如图6-15所示的内部横裂。

图6-15 轧制时产生的内部横裂
（2）轧制时产生的角裂
在轧制时产生的角裂如图6-18所示。

原因是方坯的角部温度低，变形抗力就大，导致角部的延伸变形比其它处小，造成角部有纵向附加拉应力；另外，角部温度降低产生的收缩变形因受其它部分的阻碍，会使该处产生纵向拉伸的热应力。

拉应力的作用造成角裂。

图6-18 轧制时产生的角裂
（3）轧制时产生的劈头
轧制高速钢和Cr12型模具钢时，常出现如图6-19所示的劈头(张嘴)。

例如，
某厂用125×125mm2的高速钢坯，在650轧机上轧成75×75mm2的方坯时，开始几道没有出现劈头，而在第四道(Δh/H= 39.5%)、第六道(Δh/H= 37%)和第七道Δh/H= 35%)则出现劈头，并且多在扁形孔出现。

当压缩不太厚的工件时，最容易变形的Ⅱ区质点向外鼓胀（见图6-2），而使Ⅱ区之外表受拉力Q 作用，如图6-20所示的锻压情况，在此拉力Q的作用下，使轧件先从端面分开。

可见Ⅱ区质点越向外鼓胀越易劈头。

当坯料中心区温度较高时，会加剧Ⅱ区质点向外鼓胀而促进劈头出现。

图6-19 轧制时产生的劈头
（4）轧板时的边裂和薄件的中部裂
当板材塑性不好时，用凸辊轧板时会出现边裂(图6-21)；用凹辊轧板时会产生中部裂口(图6-8)。

如果板材的塑性很好，则用凸辊轧薄板时，中部会因产生附加压应力而成皱褶；而用凹辊轧薄板时，边部就会产生皱褶(图6-9)。

图6-21 轧板时的边裂
（5）挤压和拉拔时工件产生的断裂
挤压时，在挤压件的表面常出现如图6-23 (a)所示的断裂，严重时会出现竹节状裂口。

产生这种裂口与挤压时金属流动特点有关。

挤压时，由于挤压缸和模孔的摩擦力的阻滞作用，使挤压件表面层通过模孔时较内层流动的慢，由于金属是一个整体又受外端作用，使金属各层的延伸“拉齐”，于是在挤压件的外层就产生了纵向附加拉应力。

一般这个附加拉应力向变形区的出口逐渐增大，如果在a-a截面表层上，由于有较大的附加拉应力作用而使其工作应力变为拉应力，并且达到了实际的断裂强度时，则在表面上就会发生向内扩展的裂纹，其形状与金属通过的速度有关。

裂纹的发生消除了在裂纹范围以内的附加
拉应力，所以，只有当第一条裂纹的末端K通过a-a线以后才停止继续扩展，并开始有附加拉应力积累再产生第二条裂纹的情形，如图6-23 (b)所示，这样，就在挤压件上产生了一系列周期性的断裂。

图6-23 挤压时的断裂
(a)挤压时的断裂；(b)挤压时通过变形区裂纹的形成(o-裂纹起点，K-裂纹终点) 拉拔棒材时，常发现如图所示的内部横裂。

这种裂纹与拉拔棒材时产生的表面变形有关。

如图6-24(b)所示，当l/d0较小时，模壁对棒材的压缩变形深入不到轴心层，而产生表面变形，结果导致轴心层产生附加拉应力。

此附加拉应力与拉拔时的纵向基本拉应力合起来，就使轴心层的纵向拉拔工作应力更大。

在此拉应力的作用下，便会产生如图6-24(a)所示的内部横裂。

图6-24 拉拔时的断裂
(a)拉拔时的内裂；(b)拉拔过程。