第9講 變形不均勻原因及防止措施

金屬塑性變形理論

Theoryofmetalplasticdeformation

第九講LessonNine張貴杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092/1/20231第五章塑性變形的不均勻性主要內(nèi)容MainContent變形不均勻的基本概念變形不均勻的原因減小變形不均勻的措施殘余應(yīng)力2/1/202325.2變形不均勻的原因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2/1/20233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。2/1/20234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)：Ⅰ區(qū)表示由外摩擦影響而產(chǎn)生的難變形區(qū)；Ⅱ區(qū)表示與作用力成45°角的最有利方位的易變形區(qū)；Ⅲ區(qū)表示變形程度居于中間的自由變形區(qū)。2/1/20235鐓粗時摩擦力對變形及應(yīng)力分布的影響2/1/20236應(yīng)力分布不均外摩擦不僅影響變形，而且使接觸面上的應(yīng)力（或單位壓力）分布不均勻，沿試樣邊緣的應(yīng)力等于金屬的屈服極限，從邊緣到中心部分，應(yīng)力逐漸升高。另外，沿物體高度方向由接觸面至變形體的中部，應(yīng)力的分布是逐漸減小的，這是因外摩擦的影響逐漸減弱所致。2/1/20237帶孔的玻璃錘頭鐓粗塑料實驗2/1/20238側(cè)面翻平變形物體在壓縮時，由于接觸摩擦的作用，在出現(xiàn)單鼓形的同時，還會出現(xiàn)側(cè)表面的金屬局部地轉(zhuǎn)移到接觸表面上來的側(cè)面翻平現(xiàn)象。隨著壓下率的增加，aa和bb部分由側(cè)表面逐步地轉(zhuǎn)移到端面上來。此側(cè)面翻平現(xiàn)象發(fā)生在側(cè)表面面積的減小量大于接觸面面積的增加量的時候。如果接觸面面積增加量大于側(cè)面的減小量時，則因新的接觸面的形成將不再吸收側(cè)面的多余面積。2/1/20239圓柱體垂直剖面上坐標(biāo)網(wǎng)格在鐓粗過程中的變化2/1/202310由此可見，物體在壓縮時接觸面積的增加，可由接觸表面上金屬質(zhì)點滑動和側(cè)面質(zhì)點翻平兩部分組成。側(cè)面金屬翻平量的大小取決于接觸摩擦條件和變形物體的幾何尺寸。接觸面上的摩擦越大，接觸面上的金屬質(zhì)點越不易滑動，因而側(cè)面金屬轉(zhuǎn)移上來的數(shù)量就越多。試樣的高度越大，側(cè)面金屬越易于轉(zhuǎn)移到接觸表面上來。當(dāng)試樣的高度大于直徑時，接觸面積的增加將主要是由側(cè)面金屬的轉(zhuǎn)移所造成。2/1/202311翻平寬展鼓形寬展2/1/202312粘著現(xiàn)象實驗結(jié)果表明，圓柱體金屬在鐓粗過程中，若接觸摩擦較大和高徑比H／D較大時，則在端面的中心部位有一區(qū)域，在此區(qū)域上金屬質(zhì)點對工具完全不產(chǎn)生相對滑動而粘著在一起。此現(xiàn)象稱為粘著現(xiàn)象。此粘著在一起的區(qū)域稱為粘著區(qū)。此粘著現(xiàn)象也影響到金屬的一定深度，這樣就構(gòu)成了以粘著區(qū)為基底的圓錐形或近似圓錐形的體積，此體積稱為“難變形區(qū)”。2/1/202313難變形區(qū)2/1/202314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/d<2.0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/d＞2.0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。

2/1/202315雙鼓形2/1/202316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。2/1/202317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。abc2/1/202318在許多情況下，當(dāng)工具的形狀已得到了嚴(yán)格的控制時，為獲得變形均勻的產(chǎn)品，還必須要考慮原始坯料形狀的影響。如果坯料的尺寸和形狀的選擇不當(dāng)也會使物體產(chǎn)生不均勻變形。2/1/202319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。2/1/202320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。2/1/202321鋁—鋼雙金屬軋制時由不均勻變形產(chǎn)生的彎曲現(xiàn)象2/1/202322變形體的外端外端（未變形的金屬）對變形區(qū)金屬的影響主要是阻礙變形區(qū)金屬流動，進(jìn)而產(chǎn)生或加劇附加的應(yīng)力和應(yīng)變。在自由鍛造中，除鐓粗外的其他變形工序，工具只與坯料的一部分接觸，變形是分段逐步進(jìn)行的，因此，變形區(qū)金屬的流動是受到外端的制約的。2/1/202323封閉形外端在被壓縮體積的外部存在有封閉形外端時，一方面，被壓縮體積的變形要影響到外端的一定區(qū)域。另一方面，外端會阻礙被壓縮體積的向外擴展。若外端的體積甚小時，則在變形過程中，在被壓縮體積變形的影響下，外端的高度也會有所減小，外端向外擴展。如果外端的體積較大，則被壓縮體積的變形很難進(jìn)行。若所施的壓力非常大時，也可以把工具(壓頭)壓人變形物體內(nèi)，此時部分變形金屬將沿工具的周圍被擠出?？梢姡饘僭诰哂蟹忾]形外端條件下的壓縮與無外端時有很大差別。封閉形外端可以減小被壓縮物體的不均勻變形，并可使其三向壓應(yīng)力狀態(tài)增強。2/1/202324封閉形外端非封閉形外端2/1/202325非封閉形外端在金屬壓力加工中屬于非封閉形外端的變形過程較多，例如，鍛造延伸，拉拔等。2/1/202326外端對變形物體的縱向延伸有強迫“拉齊”作用，使變形物體沿高度方向的縱向延伸趨于一致。結(jié)果，在變形區(qū)內(nèi)于自由延伸大的中部產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，于自由延伸小的端部產(chǎn)生附加拉應(yīng)力。此外，變形物體為一整體，變形物體的縱向延伸的變化也必然會影響著橫向?qū)捳沟淖兓?/1/202327在變形區(qū)的中部，由于外端對縱向延伸的“拉齊”作用使自由延伸減小的結(jié)果，使寬展被迫增大，而在端部由于使自由延伸的被迫增加，使寬展減小。結(jié)果，由于外端對縱向延伸的“拉齊”作用，使變形區(qū)沿高向的中部產(chǎn)生的寬展最大，端部寬展最小。這樣，由于外端的存在，使變形物體的縱向變形的不均勻性減小，橫向變形的不均勻性增大。2/1/202328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。2/1/2023295.3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

2/1/202330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。2/1/202331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。2/1/202332擠壓件上表面裂紋及應(yīng)力分布圖2/1/202333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。2/1/202334摩擦系數(shù)f不同時塑壓件退火后中心軸上晶粒大小分布2/1/202335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、制造和維護復(fù)雜。同時也使對材料進(jìn)行的熱處理制度復(fù)雜化。2/1/202336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H／d比較大的厚件，在速度較低的壓力機上鍛壓較合適。2/1/202337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。2/1/202338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