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1、金属塑性加工原理Principle of Plastic Deformation in Metals Processing,第二篇 金属塑性加工的流动 与变形规律,第3章 金属塑性加工的宏观规律,3. 1 塑性流动规律（最小阻力定律） 3. 2 影响金属塑性流动和变形的因素3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力 3. 4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点3. 5 塑性加工过程的断裂与可加工性 (归入金属学基础),3.1 塑性流动规律（最小阻力定律）,概念：最小阻力定律最小周边法则实际应用分析,最小阻力定律,变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的方向移动。即做最少的功，走最短的路。 与应力应
2、变增量理论相一致(应变增量与应力偏量成正比),修磨圆角，减少阻力增加飞边阻力,图3-1 开式模锻的金属流动,俯视图，外力P方向向里接触面上质点向周边流动的阻力与质点离周边的距离成正比质点向距离最短的周边移动分成四个区流动的结果是变成椭圆形,图3-2 最小周边法则,方锭变圆,图3-3 正方形断面变形模式,宽展多于延伸，拔长效率低,延伸多于宽展，拔长效率高,(俯视图),图3-4 拔长坯料的变形模式,（DD，B2B2）,小辊径 大辊径,小辊径D 延伸变形区大大辊径D宽展变形区大H、h、B1相同时 B2B2,图3-6 辊径不同时轧件变形区纵横方向阻力图,轧件坯料宽度不同 B1B2H、h、D相同时：宽展
3、部分相同而窄板延伸宽板延伸其结果导致窄板宽展率大，延伸率小,图3-5 不同宽度坯料轧制时宽展情况,3. 2 影响金属塑性流动和变形的因素,3. 2. 1 摩擦的影响 3. 2. 2 变形区的几何因素的影响3. 2. 3 工具的形状和坯料形状的影响 3. 2. 4 外端的影响3. 2. 5 变形温度的影响 3. 2. 6 金属性质不均的影响,摩擦影响的实质：由于摩擦力的作用，在一定程度上改变了金属的流动特性并使应力分布受到影响。,3.2.1 摩擦的影响,镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响,接触面附近摩擦力，中心大，边部小变形分成三个区难变形区、易变形区、自由变形区三个区的主应力图有区别，主变形图
4、不同1=2=3 1=2=3=00 2 = 1330 1=2= - 3 /210 3 2 =0 1=-3 2= ？ 0,思考：没有摩擦力，怎么变形？,圆柱镦粗时接触表面单位压力分布图,用有孔的玻璃锤头压缩塑料发现中间进入圆孔的塑料高度高于边部从边缘到中心应力逐渐升高，边缘应力等于屈服应力试样高/径比 h/d越小，应力分布越不均匀思考：高向怎么变化？,a)变形前 b) 摩擦系数很小或为零 c) 有摩擦,圆环镦粗时金属的流动,无摩擦力2 =1=03 0301=2= - 3 /2有摩擦力2 、103 0出现中性面,变形区的几何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影响变形和应力分布很重要的因素。描述变形
5、区的几何形状的参数,3. 2. 2 变形区的几何因素的影响,球压缩时的流线,45度角剪切最大，屈服准则，滑移带形成正交网线形成变形锥随变形程度，滑移带向内、外扩展向外深入，上下变形锥相交,内部质点滑移变形的近似模型,变形锥模型向内，难变形区，摩擦力影响，静水压力大向外：当 H/D很大时，滑移锥不相交，离接触面越远，滑移线不容易到达中间难变形，形成双鼓形当 H/D较小时，滑移锥相交，难变形区不变形，易变形区和自由变形区变形形成单鼓形当 H/D很小时，滑移锥相互干涉最严重，相互插入难变形区，变形较均匀，需要很大的变形力,h2 为各种数值时的情况,变形锥之间距离h对变形模式的影响接触面是否产生滑动与
6、摩擦力和变形因子有关？,变形几何因子的思考,变形是否深入取决于H/D接触面是否滑移与H/D密切相关可以解释几何因子影响变形力，即变形力随H/D减少而增加,工具（或坯料）形状是影响金属塑性流动方向的重要因素。工具与金属形状的差异，是造成金属沿各个方向流动的阻力有差异，因而金属向各个方向的流动（即变形量）也有相应差别。,3. 2. 3 工具的形状和坯料形状的影响,a) 圆型砧（zhen） b) V型砧 c) 凸型砧,图3-13 型钻中拔长,圆型砧 和V型砧不利于宽展拔长效率高凸型砧利于宽展，拔长效率低,图3-14 沿孔型宽度上延伸分布图,方形坯入椭圆形轧孔，沿宽向的延伸不均匀，易造成制品歪扭,外端
7、（未变形的金属）对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动，进而产生或加剧附加的应力和应变。外端是指临接变形区，而未变形的金属因为金属塑性变形要保持整体性和连续性，因此外端会影响到变形区内金属的流动。,3. 2. 4 外端的影响,图3-15 拔长时外端的影响,外端限制宽展当送料比l/a大时，宽展延伸当送料比l/a小时，宽展增大,图3-16 开式冲孔时的“拉缩”,造成非变形区金属变形,图3-17 弯曲变形对外端的影响,造成非变形区金属变形,变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形和流动的差异。变形首先发生在那些变形抗力最小的部分。一般，在同一变形物体中高温部分的变形抗力低，低温部分的变形抗力高
8、。,3. 2. 5 变形温度的影响,不均匀变形产生的弯曲现象1铝；2钢,铝钢双金属轧制,变形抗力不同，造成流动不均,变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异。,3. 2. 6 金属性质不均的影响,3. 3. 1 均匀变形与不均匀变形 3. 3. 2 研究变形分布的方法3. 3. 3 基本应力与附加应力 3. 3. 4 残余应力,3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力,3. 3. 1 均匀变形与不均匀变形,若变形区内金属各质点的应变状态相同，即它们相应的各个轴向上变形的发生情况，发展方向及应变量的大小都相同，这个体积的变形可视为均匀的。 不均
9、匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。因此，凡是影响金属塑性流动的因素，都会对不均匀变形产生影响。,均匀变形的条件,变形体均匀、各向同性任意瞬间、任意小单元上 应力相同、应变增量相同无摩擦无外端,3. 3. 2 研究变形分布的方法,金属塑性加工中，研究变形物体内变形分布（即金属流动）的方法很多。 常用的方法有：网格法；硬度法 ；比较晶粒法。,图3-19 不同变形程度下镦粗圆柱体,图3-20 冷镦粗后垂直断面上洛氏硬度变化,3. 3. 3 基本应力与附加应力,金属变形时体内变形分布不均匀，不但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不均匀。此时，除基本应力外还产生附加应力。
10、定义：基本应力是由外力作用所引起的应力附加应力是物体不均匀变形受到整体性的限制，而引起的物体内相互平衡的应力,基本应力图与工作应力图,工作应力图是处于应力状态的物体在变形时用各种方法测出来的应力图。不均匀变形时，工作应力等于基本应力与附加应力的代数和。,la若边缘部分自成一体时轧制后的可能长度 lb若中间部分自成一体时轧制后的可能长度l 整个轧制后的实际长度,图3-21 在凸形轧辊上轧制矩形坯产生的附加应力,中间延伸大，边部延伸少，受整体性制约，中间受压应力，边部受拉应力,图3-22 相邻晶粒的变形,宏观级、显微级、原子级变形不均几何区域之间，第一类附加应力相临晶粒之间，第二类附加应力晶粒内部
11、滑移面，第三类附加应力,附加应力的作用,附加应力是为了保持变形体的完整和变形连续而产生的内力附加应力由不均匀变形产生，同时又限制不均匀变形的自由发展附加应力相互平衡、成对出现附加应力定律：由于物体塑性变形总是不均匀的，因此在变形过程中总有相互平衡的附加应力,不均匀变形对金属塑性变形的不良后果,引起应力状态发生变化，使应力分布不均匀造成变形过程物体破坏使材料变形抗力提高、塑性降低使产品质量降低使生产操作复杂化形成残余应力,（a）及纵向应力分布（b）、（c），其中（c）为摩擦很大时应力分布；（实线）基本应力；（虚线）附加应力；（点画线）工作应力=基本附加应力,挤压时金属流动,表面工作应力为拉应力,
12、假想应力，9.8 N/mm2,1820,1）带缺口试样=2% 2）未带缺口试样=35%,图3-24 拉伸实验曲线,使变形抗力提高塑性降低,1)无缺口试样拉伸时的真应力的曲线2）有缺口样拉伸的真应力曲线,图3-25 拉伸时真应力与变形程度的关系,使产品质量降低,变形不均过大，附加应力不同平衡，而导致产品形状缺陷变形不均，造成组织、性能不均,3. 3. 4残余应力,定义塑性变形完毕后保留在变形体内的附加应力也分三类,残余应力,1残余应力的来源 2变形条件对残余应力的影响 3残余应力所引起的后果 4减小或消除残余应力的措施 5研究残余应力的主要方法,3. 4. 1 金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点
13、 3. 4. 2 平辊轧制时金属的应力及变形特点 3. 4. 3 棒材挤压时的应力及变形特点 3. 4. 4 棒材拉伸时的应力及变形特点,3. 4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点,3. 4. 1 金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点,1镦粗时组合件的变形特点 2基本应力的分布特点 3第一类附加应力的分布特点,3. 4. 2 平辊轧制时金属的应力及变形特点,1基本应力特点 2变形区内金属质点流动特点 3平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点,3. 4. 3 棒材挤压时的应力及变形特点,1. 棒材挤压时的基本应力状态2. 棒材挤压时的金属流动规律3. 棒材挤压时的附加应力,3. 4. 4 棒材拉伸
14、时的应力及变形特点,1 棒材拉伸时的基本应力状态2 棒材拉伸时金属的流动规律 3 棒材拉拔时的附加应力,第4章 金属塑性加工的摩擦与润滑,4.1 概述4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用 4.3 塑性加工中摩擦的分类及机理 4.4 摩擦系数及其影响因素 4.5 测定摩擦系数的方法 4.6 塑性加工的工艺润滑,4.1 概述,金属塑性加工中是在工具与工件相接触的条件下进行的，这时必然产生阻止金属流动的摩擦力。这种发生在工件和工具接触面间，阻碍金属流动的摩擦，称外摩擦。由于摩擦的作用，工具产生磨损，工件被擦伤；金属变形力、能增加；造成金属变形不均；严重时使工件出现裂纹，还要定期更换工具。因此，塑性
15、加工中，须加以润滑。润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着压力加工新技术新材料新工艺的出现，必将要求人们解决新的润滑问题。,4.1 概述,在金属塑性加工中，必须在工模具与加工坯料之间加入润滑介质，以减少摩擦，防止粘接，称为润滑。润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着压力加工新技术新材料新工艺的出现，必将要求人们解决新的润滑问题。,4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用,在高压下产生的摩擦较高温度下的摩擦摩擦副（金属与工具）的性质相差大在接触面上各点的摩擦也不一样,接触表面工作压力：热加工时，100150MPa冷加工时，500 2500MPa机械传动时：20 50MPa压力为工具作用于变形金属表面的力，与变形抗力密切相关高压力使一般润滑剂难以带入接触表面，或易从接触表面挤出润滑剂。需采用特殊的润滑剂和润滑方法。,在高压下产生的摩擦,
