挤压变形流动与组织解析

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1、金属挤压变形 金属挤压变形、流动和组织 （部分） 2 .挤压时金属的变形流动 主要内容：金属变形流动及挤压力的变化 特征；正、反向挤压时金属的变形流动特 点，挤压制品的组织特点，挤压力的变化 规律；影响金属流动的因素分析。 难点：挤压时的应力与变形分析，挤压缩 尾的产生机理，反向挤压时的挤压力变化 分析，反向挤压时的缩尾、纺锤体核组织 、粗晶芯与粗晶环 。 重要概念：填充系数，挤压比，难变形 区，死区，挤压缩尾，纺锤体核组织， 粗晶芯，变形区压缩锥。 目的和要求：掌握挤压过程三个阶段的 含义、挤压力的变化规律；填充系数的 意义及其对制品质量的影响；挤压时金 属的变形流动特点；挤压缩尾的概念及

2、产生原因。 2.1正向挤压时金属的变形流动 根据金属变形流动特征和挤压力的变 化规律，可将挤压过程分为：填充、基 本和终了挤压三个阶段（见图2-1）。 图2-1正、反向挤压力-行程曲线 2.1.1填充挤压阶段金属的变形流动 2.1.1.1金属变形流动特点 金属发生横向流动，出现单鼓或双鼓 变形（见图2-2）。其变形指数用填 充系数c 来表示： c =F0 / Fp （2-1） 2.1.1.2挤压力的变化规律 随着挤压杆的向前移动，挤压力呈直 线上升。 图2-2 填充挤压时金属的变形 2.1.1.3金属受力分析（见图2-3） 图2-3 填充挤压阶段锭坯的受力状态 随着填充过程中锭坯直径增大，在锭

3、 坯的表面层出现了阻碍其自由增大的周 向附加拉应力。 随着填充过程进行，锭坯长度缩短， 直径增大，中间部分首先与挤压筒壁接 触，由于摩擦作用，从而在表面层出现 了阻碍金属向前后两个空间流动的纵向 附加拉应力。 2.1.1.4对挤压制品质量的影响 （1）填充系数过大，从而易造成制品表 面起皮、气泡缺陷。 （2）填充系数过大，用空心锭不穿孔挤 压管材时易造成偏心缺陷。 （3）对于具有挤压效应的铝合金来说， 填充系数增大，挤压效应损失增大。 2.1.2 基本挤压阶段金属的变形与应力 2.1.2.1金属变形流动特点 不发生横向流动。其变形指数用挤 压比来表示： = F0 / F1 （2-2） 2.1.

4、2.2 应力分布（见图2-4） （1）轴向应力L L 边 L中 L入 L出 图2-4作用在金属上的力、应力 （2）径向应力r与周向应力 r中 r边 r入 r出 中边 入 出 2.1.2.3金属的变形及流动用坐标网 格法分析（见图2-5） A、纵向网格线的变化 （1）变形前后均保持平行直线，间距 仍相等。 图2-5 正挤压圆棒材金属流动示意图 （2）每条线（除中间一条外）发生了两 次方向相反的弯曲。各条线的弯曲角度 不同，外大内小。 （3）在挤压制品的最前端，除了中间一 条外，其它线分别向外弯曲。 挤压变形区：分别连接各条线的两个拐 点，形成两个曲面。把这两个曲面与模 孔锥面或死区界面间包围的体

5、积称为挤 压变形区或变形区压缩锥（见图2-5中虚 线）。 B、横向网格线变化 （1）靠近挤压垫一方部分横向线未变 化； （2）进入变形区后横向线向前发生弯 曲，越靠近模孔，弯曲越大，出模孔后 不再发生变化； （3）出模孔后的横向线的弯曲程度由 前向后逐渐增加，最后趋于稳定； （4）横向线距离不等，前小后大，最后 趋于稳定。 C、坐标网格的变化 （1）变形前为正方形，变形后横向压缩 、纵向拉长为矩形或平行四边形； （2）挤压制品中心部位近似矩形，边部 为平行四边形； （3）越靠近边部，平行四边形的短边与 原横向线之间的夹角越大。 2.1.2.4难变形区与剧烈变形区 挤压过程中的难变形区如图2-6

6、所示。 图2-6 挤压筒内的金属难变形区 a-平模挤压；b-锥模挤压 A、前端难变形区死区 （1）死区概念：在基本挤压阶段，位于 挤压筒与模子端面交界处的金属，基本上 不发生塑性变形，故称为死区。 死区的的大小和形状并非绝对不变化 ，如图2-7所示，挤压过程中，死区界面 上的金属随流动区金属会逐层流出模孔而 形成制品表面，死区界面外移，高度减小 ，体积变小。 图2-7挤压6A02合金的死区变化示意图 -初期；、-中期；-末期 （2）死区产生原因： a、强烈的三向压应力状态，金属不容 易达到屈服条件； b、受工具冷却，s增大； c、摩擦阻力大。 从能量学角度来看，金属沿着图2-6 中adc曲面流

7、动所消耗的能量较小。 （3）影响死区大小的因素： a、模角 模角大，死区大； b、摩擦系数f 摩擦系数大，死区大 ； c、挤压比 挤压比大，死区高度大 ，但总体积减小； d、挤压温度 热挤压死区大，冷挤压 死区小； e、挤压速度v 挤压速度快，死区小 ； f、金属的变形抗力s 金属变形抗力 大，死区大； g、 模孔位置 在多孔模挤压时，模孔 靠近挤压筒内壁，死区减小。 （4）死区的作用： 可阻碍锭坯表面的杂质、氧化物、偏析 瘤、灰尘及表面缺陷进入变形区压缩锥 而流入制品表面，提高制品表面质量。 B 、后端难变形区 产生原因：挤压垫的冷却和摩擦作用。 C、剧烈变形区 如图2-8所示，在变形区压缩

8、锥与死区 的交界处，发生强烈的剪切变形，使晶粒 破碎非常严重。 这一部分金属流出模孔后位于制品的 表面层，造成制品内外层晶粒大小不同， 外层细小，内层粗大，从而造成机械性能 不均匀。在热处理后易形成粗晶环。 图2-8 一次挤压棒材金属流动情况 2.1.2.5挤压力的变化规律 随着挤压杆向前移动，金属不断从模 孔中流出，挤压力几乎呈直线下降。 2.1.3终了挤压阶段金属的变形流动 如图2-9所示，当挤压垫开始进入变形 区，与挤压垫接触的后端难变形区金属 ，克服垫片的摩擦作用，产生径向流动 ；位于死区部位的金属也发生环流，进 入模孔流向制品中。 图2-9 挤压垫进入变形区示意图 终了挤压阶段特点：

9、 （1）金属的横向流动剧烈增加，并产 生环流； （2）挤压力进一步增加； （3）产生挤压缩尾。 挤压缩尾：挤压快要结束时，由于金属 的径向流动及环流，锭坯表面的氧化物 、润滑剂及污物、气泡、偏析榴、裂纹 等缺陷进入制品内部，具有一定规律的 破坏制品组织连续性、致密性的缺陷。 2.1.3.1挤压缩尾的形式 三种：中心缩尾、环形缩尾、皮下缩尾 。 （1）中心缩尾 图2-10 正向挤压棒材中心缩尾 （2）环形缩尾 图2-11 正向挤压制品的环形缩尾 （3）皮下缩尾 图2-12 正向挤压制品皮下缩尾 2.1.3.2挤压缩尾的形成 图2-13 挤压缩尾形成过程示意图 a-中心缩尾；b-环形缩尾；c-皮下

10、缩尾 A、中心缩尾 （1）筒内剩余的锭坯高度较小，金属处于紊流状 态，径向流动速度增加。 （2）将锭坯表面的氧化物、油污等集聚到锭坯的 中心部位。 （3）进入制品内部，形成中心缩尾。 随着挤压过程进一步进行，径向流动的金属无 法满足中心部位的短缺，于是在制品中心尾部出 现了漏斗状的空缺，即中空缩尾。 A、中心缩尾 （1）筒内剩余的锭坯高度较小，金属处 于紊流状态，径向流动速度增加。 （2）将锭坯表面的氧化物、油污等集聚 到锭坯的中心部位。 （3）进入制品内部，形成中心缩尾。 随着挤压过程进一步进行，径向流动 的金属无法满足中心部位的短缺，于是在 制品中心尾部出现了漏斗状的空缺，即中 空缩尾。

11、B、环形缩尾 （1）随着挤压过程进行，堆积在挤压垫 与挤压筒角落部位中的带有各种缺陷和 污物的金属会越来越多。 （2）挤压末期，当中间金属供应不足， 边部金属开始发生径向流动时，这部分 金属将沿着后端难变形区的边界进入锭 坯的中间部位。 （3）流入制品中，形成环形缩尾。 挤压厚壁管材时，将形成内成层。 C、皮下缩尾 （1）死区与塑性流动区界面因剧烈滑 移使金属受到很大剪切变形而断裂。 （2）表面层带有氧化物、各种表面缺 陷及污物的金属，会沿着断裂面流出。 （3）与此同时，死区金属也逐渐流出 模孔包覆在制品的表面上，形成皮下缩 尾（外成层）或起皮。 2.1.3.3减少挤压缩尾的措施 （1）对锭坯

12、表面进行机械加工车皮 。 （2）采用热剥皮挤压，如图2-14。 图2-14 挤压生产线上热剥皮示意图 （3）采用脱皮挤压，如图2-15。 图2-15 铜合金脱皮挤压示意图 a-挤压；b-清除脱皮 （4）进行不完全挤压留压余。 （5）保持挤压垫工作面的清洁，减少锭 坯尾部径向流动的可能性。 2.2反向挤压时金属的变形流动 2.2.1坐标网格线的变化 反向挤压时的坐标网格线的变化如图 2-16所示。 图2-16 反向挤压的坐标网格变化 （ 1）横向网格线 变形区中网格线与挤压筒壁基本垂直 ，直至模孔时才发生剧烈弯曲。 （2）纵向网格线 进入变形区时的弯曲程度比正向挤压 大得多。 2.2.2变形区及

13、死区 （1）死区 死区很小，紧靠模子端面。死区的高 度约为挤压筒直径的1/81/4。 （2）变形区 变形区紧靠模面，集中在模孔附近。 变形区的高度与摩擦系数及挤压温度有 关，一般小于挤压筒直径的1/3。 2.2.3金属流动 反向挤压时，金属的变形仅集中在模 孔附近，在挤压筒内不存在锭坯内外层 的流速差别，金属的变形要比正向挤压 均匀得多。在挤压末期一般也不会产生 金属环流现象。 图2-17是正、反向挤压棒材轴向主延 伸变形的实测结果。图中a是压出长度为 棒材直径的1倍，b是2倍，c是5倍。 图2-17正、反向挤压棒材轴向延伸比较 （1）开始挤压时，模孔附近坯料中心部 位变形量为5.582，是正

14、挤压的三倍以上 。 （2）随着被挤出棒材长度从1d棒2 d棒 5 d棒，正挤压中心部位的主延伸变形 程度变化为1.7673.9046.32，反挤压 的为5.5827.6088.638。 （3）边部与中心部的主延伸变形之比， 正挤压为1.09/1.7674.028/3.906 20.44/6.32；反挤压为1.005/5.582 1.648/7.60815.55/8.638。 2.2.4反向挤压时挤压力的变化 通常认为，反挤压时，由于锭坯与挤 压筒之间无摩擦，挤压力大小与锭坯长 度无关，在挤压过程中挤压力不变化。 近年来研究发现，反挤压棒材时，随 着挤压过程的进行挤压力是逐渐增加的 ，特别是在挤压后期，增加的较明显（ 见图2-18）。 图2-18 正反向挤压棒材的挤压力变化 1-正挤压；2-反挤压 主要原因： （1）挤压力大小与锭坯长度无关； （2）主延伸变形随着压出制品长度的 增加而增大，而挤压力与主延伸变形量 大小成正比； （3）在连续、强烈的三向压应力作用 下筒内锭坯密度增大，变形抗力提高； （4）温