金屬塑性加工的宏觀規(guī)律.ppt

第二章 金屬塑性加工的宏觀規(guī)律,2.1 最小阻力定律 2.2 影響金屬塑性流動和變形的因素 2.3 不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力,2.1 最小阻力定律,金屬塑性加工時，質(zhì)點的流動規(guī)律可以應(yīng)用最小阻力定律分析。最小阻力定律可表述為：變形過程中，當(dāng)變形體中的質(zhì)點有可能沿著不同的方向發(fā)生流動時，質(zhì)點將向著阻力最小的方向流動。即“做最少的功，走最短的路”。最小阻力定律實際上是力學(xué)質(zhì)點流動的普遍原理，它可以定性地用來分析金屬質(zhì)點的流動方向。,利用最小阻力定律可以推斷，任何形狀的物體只要有足夠的塑性，都可以在平錘頭下鐓粗使坯料逐漸接近于圓形。這是因為在鐓粗時，金屬流動距離越短，摩擦阻力也越小。圖2-1所示方形坯料鐓粗時，沿四邊垂直方向摩擦阻力最小，而沿對角線方向阻力最大，金屬在流動時主要沿垂直于四邊方向流動，很少向?qū)蔷€方向流動，隨著變形程度的增加，斷面將趨于圓形。由于相同面積的任何形狀總是圓形周邊最短，因而最小阻力定律在鐓粗中也稱為最小周邊法則。,圖2-2 矩形斷面棱柱體鐓粗時的金屬流動模型,通過調(diào)整某個方向的流動阻力來改變某些方向上金屬的流動量，以便合理成形，消除缺陷。例如，在模鍛中增大金屬流向分型面的阻力，或減小流向型腔某一部分的阻力，可以保證鍛件充滿型腔。,圖2-3 開式模鍛的金屬流動模型,接觸面上的外摩擦 變形區(qū)的幾何因素 工具與工件的輪廓形狀 變形體內(nèi)部溫度分布不均 變形體的外端 金屬性質(zhì)不均的影響,2.2影響金屬塑性流動和變形的因素,接觸面上的外摩擦,在工具和變形金屬之間的接觸面上必然存在摩擦。由于摩擦力的作用，在一定程度上改變了金屬的流動特性并使應(yīng)力分布受到影響。,鐓粗時的分區(qū),圓柱體鐓粗時，由于接觸面上有摩擦存在，在接觸表面附近金屬流動困難，圓柱形坯料轉(zhuǎn)變成鼓形。在此情況下，可將變形金屬整個體積大致分為三個區(qū)： 區(qū)表示由外摩擦影響而產(chǎn)生的難變形區(qū)； 區(qū)表示與作用力成45角的最有利方位的易變形區(qū)； 區(qū)表示變形程度居于中間的自由變形區(qū)。,鐓粗時摩擦力對變形及應(yīng)力分布的影響,變形區(qū)的幾何因素,在金屬塑性加工中存在著外摩擦，變形的不均勻分布情況與變形區(qū)幾何因素(如H/d、H/L、H/B等)有密切關(guān)系。實驗表明：鐓粗圓柱體時，當(dāng)試樣原始高度與直徑比H/d2.0時才發(fā)生上述的單鼓形不均勻變形。當(dāng)坯料高度較大且變形程度甚小時(當(dāng)H/d2.0時)，則往往只產(chǎn)生表面變形，而中間層的金屬不產(chǎn)生塑性變形或塑性變形甚小，結(jié)果導(dǎo)致形成雙鼓形。,圖2-11 h2值對變形的影響,工具與工件的輪廓形狀,工具（或坯料）形狀是影響金屬塑性流動方向的重要因素。工具與金屬形狀的差異，是造成金屬沿各個方向流動的阻力有差異，因而金屬向各個方向的流動（即變形量）也有相應(yīng)差別。,如圖所示，在圓形砧或V型砧中拔長圓斷面坯料時，工具的側(cè)面壓力使金屬沿橫向流動受到很大的阻礙，被壓下的金屬大量沿軸向流動，這就使拔長效率大大提高。當(dāng)采用圖c所示的工具時，則產(chǎn)生相反的結(jié)果，金屬易于橫向流動。,a b c,變形體內(nèi)部溫度分布不均,變形物體的溫度不均勻，會造成金屬各部分變形和流動的差異。變形首先發(fā)生在那些變形抗力最小的部分。一般，在同一變形物體中高溫部分的變形抗力低，低溫部分的變形抗力高。這樣，在同一外力的作用下，高溫部分變形量大，低溫部分變形量小。而變形物體是一整體，限制了物體各部分不均勻變形的自由發(fā)展，從而產(chǎn)生相互平衡的附加應(yīng)力。,在變形體內(nèi)因溫度不同所產(chǎn)生熱膨脹的不同而引起的熱應(yīng)力，與由不均勻變形所引起的附加應(yīng)力相疊加后，有時會加強(qiáng)應(yīng)力的不均勻分布，甚至?xí)鹱冃挝矬w的斷裂。 在熱軋中常見到軋件軋出后會出現(xiàn)上翹或下翹現(xiàn)象，產(chǎn)生此現(xiàn)象原因之一就是軋件的溫度不均所造成的。,鋁鋼雙金屬軋制時由不均勻變形產(chǎn)生的彎曲現(xiàn)象,金屬性質(zhì)不均的影響,變形金屬中的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、夾雜物、相的形態(tài)等分布不均會造成金屬各部分的變形和流動的差異。例如，在受拉伸的金屬內(nèi)存在一團(tuán)雜質(zhì)，由于雜質(zhì)和其周圍晶粒的性質(zhì)不同，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)果這種缺陷周圍的晶粒必須發(fā)生不均勻變形，并會產(chǎn)生晶間及晶內(nèi)附加應(yīng)力。,第二章 金屬塑性加工的宏觀規(guī)律,第三節(jié) 不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余變形 變形不均勻的基本概念 變形不均勻的防止措施 殘余應(yīng)力,3.1 變形不均勻的基本概念,均勻變形與不均勻變形 基本應(yīng)力與附加應(yīng)力 研究變形分布的方法,均勻變形與不均勻變形,均勻變形 若變形區(qū)內(nèi)金屬各質(zhì)點的應(yīng)變狀態(tài)相同，即它們相應(yīng)的各個軸向上變形的發(fā)生情況、發(fā)展方向及應(yīng)變量的大小都相同，這個體積的變形可視為均勻的。,均勻變形的特點：,變形前體內(nèi)的直線和平面，變形后仍然是直線和平面； 變形前彼此平行的直線和平面，變形后仍然保持平行； 任何一個二階曲面變形后仍為二階曲面，其中變形前的球體于變形后變?yōu)闄E球體； 兩個幾何相似且位置相似的單元體，于變形后仍保持幾何相似。,均勻變形的條件：,變形物體的物理性質(zhì)必須均勻且各向同性； 整個物體任何瞬間承受相等的變形量； 接觸表面沒有外摩擦，或沒有接觸摩擦所引起的阻力； 整個變形體處于工具的直接作用下，即處于無外端的情況下。,要全面滿足以上條件，嚴(yán)格說是不可能的，因此，不均勻變形是絕對的。例如，擠壓或拉伸棒材的后端凹入；平砧下鐓粗圓柱體時出現(xiàn)的鼓形，板材軋制時易出現(xiàn)舌頭和魚尾等均表明變形體橫斷面上延伸都是不均勻的。這對產(chǎn)品質(zhì)量及實現(xiàn)加工過程有著重大影響。因此必須對不均勻變形規(guī)律加以研究，以便采取各種有效措施來防止或減輕其不良后果。,單鼓形,雙鼓形,不均勻變形的種類,1）第一類不均勻變形 由于摩擦力、變形體外端條件的影響，使變形體中不同區(qū)域的變形不同。 2）第二類不均勻變形 由于變形體中晶粒的位相不同，使變形體中不同晶粒變形不同 3）第三類不均勻變形 由于統(tǒng)一晶粒中各滑移系取向不同，使變形體中統(tǒng)一晶粒內(nèi)部的各部分變形不同。,基本應(yīng)力與附加應(yīng)力,金屬塑性變形時變形物體內(nèi)變形的不均勻分布，不但能使物體外形歪扭和內(nèi)部組織不均勻，而且還使變形物體內(nèi)的應(yīng)力分布也不均勻。此時，除基本應(yīng)力外，還產(chǎn)生附加應(yīng)力。,基本應(yīng)力,由于外力作用所引起的應(yīng)力叫做基本應(yīng)力，表示這種應(yīng)力分布的圖形叫做基本應(yīng)力圖?；蛭矬w在塑性變形狀態(tài)中，完全根據(jù)彈性狀態(tài)所測出的應(yīng)力叫做基本應(yīng)力。,附加應(yīng)力,由于物體內(nèi)各處的不均勻變形受到物體整體性的限制，而引起在其間相互平衡的應(yīng)力叫做附加應(yīng)力 。,附加應(yīng)力定律：任何塑性變形物體內(nèi)部，在變形過程中均有自相平衡的附加應(yīng)力。 分類： （）第一類附加應(yīng)力：變形體內(nèi)各區(qū)域體積之間不均勻變形所引起； （）第二類附加應(yīng)力：各晶粒之間的性質(zhì)、大小和方位不同，使晶粒不均勻變形所引起。 （）第三類附加應(yīng)力：晶粒內(nèi)部不均勻變形所引起。,殘余應(yīng)力,應(yīng)當(dāng)明確，基本應(yīng)力是在外力作用下與瞬時加載(或卸載)所發(fā)生的彈性變形相對應(yīng)，故當(dāng)外力去除后這部分彈性變形恢復(fù)，基本應(yīng)力便立刻消失。 而附加應(yīng)力，是在不均勻變形受物休整體性阻礙而發(fā)生的、在物體內(nèi)自相平衡的內(nèi)力(與此內(nèi)力相對應(yīng)便在物體內(nèi)呈平衡存在彈性變形或畸變)，并不與外力發(fā)生直接關(guān)系，所以當(dāng)外力去除，變形終止后，仍繼續(xù)保留在變形物體內(nèi)部。 這樣，在塑性變形完畢后仍保留于物體內(nèi)的自相平衡的應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。,附加應(yīng)力的分類,按宏觀級、顯微級和原子級的變形不均勻性可把附加應(yīng)力分為下述三種： 第一種附加應(yīng)力，在變形物體的大部分體積之間由不均勻變形所引起的彼此平衡的附加應(yīng)力。上述圖示的例子即屬于此類。,第二種附加應(yīng)力為在變形物體內(nèi)兩個或幾個相鄰晶粒之間由不均勻變形所引起的彼此平衡的附加應(yīng)力。,第三種附加應(yīng)力為在滑移面附近或在滑移帶中由各部分彼此之間平衡起來的晶格畸變所引起的附加應(yīng)力，也就是說在一個晶粒內(nèi)由于變形不均所引起的附加應(yīng)力。,3.2 變形不均的防止措施,變形不均產(chǎn)生的后果 減輕變形不均的措施,變形不均產(chǎn)生的后果,使單位變形力增大 當(dāng)變形不均勻分布時，將使物體內(nèi)部產(chǎn)生相互平衡的附加應(yīng)力，使變形能量消耗增加，也使單位變形力增大。此外，當(dāng)應(yīng)力不均勻分布時，將使變形體內(nèi)實際的應(yīng)力分布情況與基本應(yīng)力有很大不同，有時雖然作用著單向的基本應(yīng)力，但工作應(yīng)力卻可能變成三向同名應(yīng)力狀態(tài)，此時也會使單位變形力增大。,使塑性降低 在具有應(yīng)力不均勻分布的變形物體內(nèi)，當(dāng)某處的工作應(yīng)力達(dá)到金屬的斷裂強(qiáng)度時，則在該處將首先產(chǎn)生斷裂，從而導(dǎo)致金屬的塑性下降。,使產(chǎn)品質(zhì)量降低 由于變形的不均勻分布使物體內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力，若變形后物體的溫度較低不足以消除此附加應(yīng)力時，則在物體內(nèi)將存有殘余應(yīng)力，從而使物體的力學(xué)性能下降。同時，由于變形體內(nèi)各處的變形不同，其再結(jié)晶后各處的晶粒大小也不同，造成組織與性能分布不均。,使技術(shù)操作復(fù)雜 由于變形體內(nèi)應(yīng)力的分布不均，使加工工具的各部分受力不均，以致使工具各部分的彈性變形和磨損不均。這樣就使工具設(shè)計、制造和維護(hù)復(fù)雜。同時也使對材料進(jìn)行的熱處理制度復(fù)雜化。,減輕變形不均的措施,正確選定變形的溫度速度制度 變形溫度應(yīng)保證物體在單相區(qū)完成塑性變形，并在整個物體內(nèi)分布均勻。變形速度制度的選擇也應(yīng)使變形在物體內(nèi)分布均勻，如Hd比較大的厚件，在速度較低的壓力機(jī)上鍛壓較合適。,減小金屬表面上的外摩擦 為減小接觸表面上的摩擦系數(shù)，應(yīng)提高和保持工具表面的光潔度和采用適宜的潤滑劑。也可采用超聲振動加工等方法來減少外摩擦的不利影響。,合理設(shè)計加工工具形狀 要正確選擇與設(shè)計鍛模、軋輥孔型及其它工具，使其形狀與坯料斷面能很好的配合，以保證變形與應(yīng)力分布較為均勻。,盡可能保證變形金屬的成分及組織均勻 這首先要從提高冶煉及澆鑄質(zhì)量方面入手；其次，對已澆鑄的鋼錠必要時采用高溫均勻化退火的辦法，也可進(jìn)一步改善其化學(xué)成分的均勻性。,三、殘余應(yīng)力,定義：引起應(yīng)力的外因去除后在物體內(nèi)仍殘存的應(yīng)力。 特點：殘余應(yīng)力是彈性應(yīng)力，它不超過材料的屈服極限。 分類： （）第一類殘余應(yīng)力：存在于變形體各大區(qū)之間； （）第二類殘余應(yīng)力：存在于各晶粒之間； （）第三類殘余應(yīng)力：存在于晶粒內(nèi)部。 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因： （）塑性變形不均勻。殘余應(yīng)力的符號與引起該殘余應(yīng)力的塑性應(yīng)變符號相反。 （）溫度不均勻（加熱冷卻不均勻）引起的熱應(yīng)力。 （）相變過程引起的組織應(yīng)力。,殘余應(yīng)力的不良后果： （）具有殘余應(yīng)力的物體再承受塑性變形時，其應(yīng)力分布會更不均勻。 （）縮短制品的使用壽命。 （）使制品的形狀和尺寸發(fā)生變化。 （）增加塑性變形抗力，降低金屬塑性、沖擊韌性及抗疲勞強(qiáng)度。 （）降低金屬的耐蝕性 （例如黃銅的季裂）。,注意：表層殘余拉應(yīng)力是絕對有害的，但表層殘余壓應(yīng)力卻因可以增加工件使用性能而有利。如表面淬火、噴丸加工、表面滾壓、表面滲碳、滲氮等。,消除殘余應(yīng)力的方法 （）熱處理法去應(yīng)力退火（消除較為徹底） Note：只有在制品允許退火時才能采用。因為較高溫度下的退火會使制品的晶粒明顯長大，有損金屬的力學(xué)性能。 （）機(jī)械處理法 使制品表面再產(chǎn)生一些表面變形，使殘余應(yīng)力得到一定程度的釋放和松弛，或使之產(chǎn)生新的附加應(yīng)力，以抵消制品內(nèi)的殘余應(yīng)力或盡量減少其數(shù)值。 Note：機(jī)械處理法只能消除第一類殘余應(yīng)力。,第四節(jié) 金屬塑性成形中的摩擦和潤滑,一、金屬塑性成形中摩擦的特點及其影響 塑性成形中的摩擦與機(jī)械傳動中的摩擦相比，有如下特點： 1. 接觸面單位壓力高。 2. 伴隨著塑性變形。 3. 在高溫下進(jìn)行。 塑性成形中的摩擦在多數(shù)情況下是有害的，具體表現(xiàn)如下： 1. 改變應(yīng)力狀態(tài)，增大變形抗力。 2. 引起不均勻變形，產(chǎn)生附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力。 3. 降低模具壽命。,二、塑性成形中的摩擦分類及機(jī)理 （一）塑性成形中的摩擦分類 根據(jù)塑性成形中坯料與工具表面之間的潤滑狀態(tài)的不同，摩擦可分為三類，即干摩擦、邊界摩擦和流體摩擦，由此還可以派生出混合型摩擦。 1. 干摩擦 接觸表面沒有其他外來介質(zhì)，僅是金屬與金屬之間的摩擦。,2. 邊界摩擦 接觸表面之間存在很薄的潤滑膜，凸凹不平的坯料表面凸起部分被壓平，潤滑劑被壓入凹坑中，被封存在里面。 3. 流體摩擦 當(dāng)坯料與工具表面之間的潤滑劑層較厚，兩表面的微觀凸凹部分不直接接觸，完全被潤滑劑隔開的潤滑叫流體潤滑，該狀態(tài)下的摩擦叫流體摩擦 。,（二）摩擦機(jī)理 塑性成形過程中的摩擦是非常復(fù)雜的，目前關(guān)于摩擦機(jī)理（即摩擦產(chǎn)生的原因）有三種學(xué)說。 1. 表面凹凸學(xué)說。 2. 分子吸附學(xué)說。 3. 粘附理論。,三、塑性成形時摩擦力的計算 定量計算摩擦力的關(guān)系式稱作摩擦條件，常用的有三種摩擦條件： 1. 庫倫摩擦條件.不考慮接觸表面的粘合現(xiàn)象，認(rèn)為單位面積上的摩擦力與接觸面上的正應(yīng)力成正比， 式中，是接觸面上的摩擦切應(yīng)力（MPa）；N是接觸面上的正應(yīng)力（MPa）；是摩擦系數(shù) 2. 最大摩擦力條件.當(dāng)接觸表