金属塑性变形理论 第9讲 变形不均匀原因及防止措施

LessonNine金属塑性变形理论Theoryofmetalplasticdeformation第九讲LessonNine张贵杰ZhangGuijieTel：0315-2592155E-Mail：[e-mail]河北理工大学金属材料与加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan063009LessonNine2020/1/262第五章塑性变形的不均匀性主要内容MainContent•变形不均匀的基本概念•变形不均匀的原因•减小变形不均匀的措施•残余应力LessonNine2020/1/2635.2变形不均匀的原因•接触面上的外摩擦•变形区的几何因素•工具与工件的轮廓形状•变形体内部温度分布不均•变形体的外端•金属性质不均的影响LessonNine2020/1/264接触面上的外摩擦•在工具和变形金属之间的接触面上必然存在摩擦。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。LessonNine2020/1/265镦粗时的分区•圆柱体镦粗时，由于接触面上有摩擦存在，在接触表面附近金属流动困难，圆柱形坯料转变成鼓形。在此情况下，可将变形金属整个体积大致分为三个区：•Ⅰ区表示由外摩擦影响而产生的难变形区；•Ⅱ区表示与作用力成45°角的最有利方位的易变形区；•Ⅲ区表示变形程度居于中间的自由变形区。LessonNine2020/1/266镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响LessonNine2020/1/267应力分布不均•外摩擦不仅影响变形，而且使接触面上的应力（或单位压力）分布不均匀，沿试样边缘的应力等于金属的屈服极限，从边缘到中心部分，应力逐渐升高。•另外，沿物体高度方向由接触面至变形体的中部，应力的分布是逐渐减小的，这是因外摩擦的影响逐渐减弱所致。LessonNine2020/1/268带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验LessonNine2020/1/269侧面翻平•变形物体在压缩时，由于接触摩擦的作用，在出现单鼓形的同时，还会出现侧表面的金属局部地转移到接触表面上来的侧面翻平现象。随着压下率的增加，aa和bb部分由侧表面逐步地转移到端面上来。此侧面翻平现象发生在侧表面面积的减小量大于接触面面积的增加量的时候。如果接触面面积增加量大于侧面的减小量时，则因新的接触面的形成将不再吸收侧面的多余面积。LessonNine2020/1/2610圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦粗过程中的变化LessonNine2020/1/2611•由此可见，物体在压缩时接触面积的增加，可由接触表面上金属质点滑动和侧面质点翻平两部分组成。侧面金属翻平量的大小取决于接触摩擦条件和变形物体的几何尺寸。接触面上的摩擦越大，接触面上的金属质点越不易滑动，因而侧面金属转移上来的数量就越多。试样的高度越大，侧面金属越易于转移到接触表面上来。当试样的高度大于直径时，接触面积的增加将主要是由侧面金属的转移所造成。LessonNine2020/1/2612翻平宽展鼓形宽展LessonNine2020/1/2613粘着现象•实验结果表明，圆柱体金属在镦粗过程中，若接触摩擦较大和高径比H／D较大时，则在端面的中心部位有一区域，在此区域上金属质点对工具完全不产生相对滑动而粘着在一起。此现象称为粘着现象。此粘着在一起的区域称为粘着区。此粘着现象也影响到金属的一定深度，这样就构成了以粘着区为基底的圆锥形或近似圆锥形的体积，此体积称为“难变形区”。LessonNine2020/1/2614难变形区LessonNine2020/1/2615变形区的几何因素•在金属塑性加工中存在着外摩擦，变形的不均匀分布情况与变形区几何因素(如H/d、H/L、H/B等)有密切关系。实验表明：镦粗圆柱体时，当试样原始高度与直径比H/d2.0时才发生上述的单鼓形不均匀变形。当坯料高度较大且变形程度甚小时(当H/d＞2.0时)，则往往只产生表面变形，而中间层的金属不产生塑性变形或塑性变形甚小，结果导致形成双鼓形。LessonNine2020/1/2616双鼓形LessonNine2020/1/2617工具与工件的轮廓形状•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。LessonNine2020/1/2618•如图所示，在圆形砧或V型砧中拔长圆断面坯料时，工具的侧面压力使金属沿横向流动受到很大的阻碍，被压下的金属大量沿轴向流动，这就使拔长效率大大提高。当采用图c所示的工具时，则产生相反的结果，金属易于横向流动。abcLessonNine2020/1/2619•在许多情况下，当工具的形状已得到了严格的控制时，为获得变形均匀的产品，还必须要考虑原始坯料形状的影响。如果坯料的尺寸和形状的选择不当也会使物体产生不均匀变形。LessonNine2020/1/2620变形体内部温度分布不均•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。这样，在同一外力的作用下，高温部分变形量大，低温部分变形量小。而变形物体是一整体，限制了物体各部分不均匀变形的自由发展，从而产生相互平衡的附加应力。LessonNine2020/1/2621•在变形体内因温度不同所产生热膨胀的不同而引起的热应力，与由不均匀变形所引起的附加应力相叠加后，有时会加强应力的不均匀分布，甚至会引起变形物体的断裂。•在热轧中常见到轧件轧出后会出现上翘或下翘现象，产生此现象原因之一就是轧件的温度不均所造成的。LessonNine2020/1/2622铝—钢双金属轧制时由不均匀变形产生的弯曲现象LessonNine2020/1/2623变形体的外端•外端（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。在自由锻造中，除镦粗外的其他变形工序，工具只与坯料的一部分接触，变形是分段逐步进行的，因此，变形区金属的流动是受到外端的制约的。LessonNine2020/1/2624封闭形外端•在被压缩体积的外部存在有封闭形外端时，一方面，被压缩体积的变形要影响到外端的一定区域。另一方面，外端会阻碍被压缩体积的向外扩展。•若外端的体积甚小时，则在变形过程中，在被压缩体积变形的影响下，外端的高度也会有所减小，外端向外扩展。如果外端的体积较大，则被压缩体积的变形很难进行。若所施的压力非常大时，也可以把工具(压头)压人变形物体内，此时部分变形金属将沿工具的周围被挤出。可见，金属在具有封闭形外端条件下的压缩与无外端时有很大差别。封闭形外端可以减小被压缩物体的不均匀变形，并可使其三向压应力状态增强。LessonNine2020/1/2625封闭形外端非封闭形外端LessonNine2020/1/2626非封闭形外端•在金属压力加工中属于非封闭形外端的变形过程较多，例如，锻造延伸，拉拔等。LessonNine2020/1/2627•外端对变形物体的纵向延伸有强迫“拉齐”作用，使变形物体沿高度方向的纵向延伸趋于一致。结果，在变形区内于自由延伸大的中部产生附加压应力，于自由延伸小的端部产生附加拉应力。此外，变形物体为一整体，变形物体的纵向延伸的变化也必然会影响着横向宽展的变化。LessonNine2020/1/2628•在变形区的中部，由于外端对纵向延伸的“拉齐”作用使自由延伸减小的结果，使宽展被迫增大，而在端部由于使自由延伸的被迫增加，使宽展减小。结果，由于外端对纵向延伸的“拉齐”作用，使变形区沿高向的中部产生的宽展最大，端部宽展最小。这样，由于外端的存在，使变形物体的纵向变形的不均匀性减小，横向变形的不均匀性增大。LessonNine2020/1/2629金属性质不均的影响•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。例如，在受拉伸的金属内存在一团杂质，由于杂质和其周围晶粒的性质不同，出现应力集中现象，结果这种缺陷周围的晶粒必须发生不均匀变形，并会产生晶间及晶内附加应力。LessonNine2020/1/26305.3变形不均的防止措施•变形不均产生的后果•减轻变形不均的措施LessonNine2020/1/2631变形不均产生的后果•使单位变形力增大•当变形不均匀分布时，将使物体内部产生相互平衡的附加应力，使变形能量消耗增加，也使单位变形力增大。此外，当应力不均匀分布时，将使变形体内实际的应力分布情况与基本应力有很大不同，有时虽然作用着单向的基本应力，但工作应力却可能变成三向同名应力状态，此时也会使单位变形力增大。LessonNine2020/1/2632•使塑性降低•在具有应力不均匀分布的变形物体内，当某处的工作应力达到金属的断裂强度时，则在该处将首先产生断裂，从而导致金属的塑性下降。LessonNine2020/1/2633挤压件上表面裂纹及应力分布图LessonNine2020/1/2634•使产品质量降低•由于变形的不均匀分布使物体内产生附加应力，若变形后物体的温度较低不足以消除此附加应力时，则在物体内将存有残余应力，从而使物体的力学性能下降。同时，由于变形体内各处的变形不同，其再结晶后各处的晶粒大小也不同，造成组织与性能分布不均。LessonNine2020/1/2635摩擦系数f不同时塑压件退火后中心轴上晶粒大小分布LessonNine2020/1/2636•使技术操作复杂•由于变形体内应力的分布不均，使加工工具的各部分受力不均，以致使工具各部分的弹性变形和磨损不均。这样就使工具设计、制造和维护复杂。同时也使对材料进行的热处理制度复杂化。LessonNine2020/1/2637减轻变形不均的措施•正确选定变形的温度－速度制度•变形温度应保证物体在单相区完成塑性变形，并在整个物体内分布均匀。变形速度制度的选择也应使变形在物体内分布均匀，如H／d比较大的厚件，在速度较低的压力机上锻压较合适。LessonNine2020/1/2638•减小金属表面上的外摩擦•为减小接触表面上的摩擦系数，应提高和保持工具表面的光洁度和采用适宜的润滑剂。也可采用超声振动加工等方法来减少外摩擦的不利影响。LessonNine2020/1/2639•合理设计加工工具形状•要正确选择与设计锻模、轧辊孔型及其它工具，使其形状与坯料断面能很好的配合，以保证变形与应力分布较为均匀。LessonNine2020/1/2640•尽可能保证变形金属的成分及组织均匀•这首先要从提高冶炼及浇铸质量方面入手；其次，对已浇铸的钢锭必要时采用高温均匀化退火的办法，也可进一步改善其化学成分的均匀性。LessonNine2020/1/2641课后作业Homework•试分析变形及应力的不均匀分布都是哪些原因造成的？•试分析外摩擦和变形区的几何形状对不均匀变形的影响。