金属塑性变形理论_-第8讲_变形不均匀概念

LessonEight金属塑性变形理论第八讲LessonEight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,Tangshan063009LessonEight2020/2/282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•变形不均匀的原因及防止措施•残余应力LessonEight2020/2/2835.1变形不均匀的基本概念•均匀变形与不均匀变形•基本应力与附加应力•研究变形分布的方法LessonEight2020/2/284均匀变形与不均匀变形均匀变形•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。LessonEight2020/2/285均匀变形的特点•变形前体内的直线和平面，变形后仍然是直线和平面；•变形前彼此平行的直线和平面，变形后仍然保持平行；•任何一个二阶曲面变形后仍为二阶曲面，其中变形前的球体于变形后变为椭球体；•两个几何相似且位置相似的单元体，于变形后仍保持几何相似。LessonEight2020/2/286均匀变形LessonEight2020/2/287均匀变形的条件：•变形物体的物理性质必须均匀且各向同性；•整个物体任何瞬间承受相等的变形量；•接触表面没有外摩擦，或没有接触摩擦所引起的阻力；•整个变形体处于工具的直接作用下，即处于无外端的情况下。LessonEight2020/2/288•要全面满足以上条件，严格说是不可能的，因此，不均匀变形是绝对的。例如，挤压或拉伸棒材的后端凹入；平砧下镦粗圆柱体时出现的鼓形，板材轧制时易出现舌头和鱼尾等均表明变形体横断面上延伸都是不均匀的。这对产品质量及实现加工过程有着重大影响。因此必须对不均匀变形规律加以研究，以便采取各种有效措施来防止或减轻其不良后果。LessonEight2020/2/289单鼓形双鼓形LessonEight2020/2/2810轧件头尾凸形轧件头部镰刀弯LessonEight2020/2/2811磨损后的凹形轧辊上轧制矩形坯的情形LessonEight2020/2/2812基本应力与附加应力•金属塑性变形时变形物体内变形的不均匀分布，不但能使物体外形歪扭和内部组织不均匀，而且还使变形物体内的应力分布也不均匀。此时，除基本应力外，还产生附加应力。LessonEight2020/2/2813基本应力•由于外力作用所引起的应力叫做基本应力，表示这种应力分布的图形叫做基本应力图。或物体在塑性变形状态中，完全根据弹性状态所测出的应力叫做基本应力。LessonEight2020/2/2814附加应力•由于物体内各处的不均匀变形受到物体整体性的限制，而引起在其间相互平衡的应力叫做附加应力LessonEight2020/2/2815工作应力•工作应力是处于应力状态的物体在变形时用各种方法实测出来的应力，其分布图为工作应力图。•当物体的变形绝对均匀时，基本应力图与工作应力图相同。•而当变形呈不均匀分布时，工作应力等于基本应力与附加应力的代数和。LessonEight2020/2/2816挤压时金属流动(a)及纵向应力分布(b)、(c)图(b)附加应力较小时(c)附加应力较大时实线为基本应力，虚线为附加应力，点划线为工作应力LessonEight2020/2/2817在凸形轧辊上轧制矩形坯的情形LessonEight2020/2/2818残余应力•应当明确，基本应力是在外力作用下与瞬时加载(或卸载)所发生的弹性变形相对应，故当外力去除后这部分弹性变形恢复，基本应力便立刻消失。•而附加应力，是在不均匀变形受物休整体性阻碍而发生的、在物体内自相平衡的内力(与此内力相对应便在物体内呈平衡存在弹性变形或畸变)，并不与外力发生直接关系，所以当外力去除，变形终止后，仍继续保留在变形物体内部。•这样，在塑性变形完毕后仍保留于物体内的自相平衡的应力称为残余应力。LessonEight2020/2/2819•在金属整体性的阻碍下，在趋向产生较大变形的金属层中要产生附加压应力，而在趋向产生较小变形的金属层中，就产生附加拉应力。LessonEight2020/2/2820附加应力的分类•按宏观级、显微级和原子级的变形不均匀性可把附加应力分为下述三种：•第一种附加应力，在变形物体的大部分体积之间由不均匀变形所引起的彼此平衡的附加应力。上述图示的例子即属于此类。LessonEight2020/2/2821•第二种附加应力为在变形物体内两个或几个相邻晶粒之间由不均匀变形所引起的彼此平衡的附加应力。LessonEight2020/2/2822•第三种附加应力为在滑移面附近或在滑移带中由各部分彼此之间平衡起来的晶格畸变所引起的附加应力，也就是说在一个晶粒内由于变形不均所引起的附加应力。LessonEight2020/2/2823溶质原子与位错间的交互作用刃型位错周围的应力场LessonEight2020/2/2824研究变形分布的方法•网格法•硬度法•比较晶粒法•其他方法LessonEight2020/2/2825网格法•它是研究金属塑性加工中变形区内金属流动情况应用最广的方法。这种方法是于变形前在试样的表面上或内部的剖面上用某种方法刻上坐标网，变形后测量和分析坐标网的变化，确定变形物体各处的变形大小及分布。其实质是观察变形前后，各网格所限定的区域金属几何形状的变化。•从图示中网格的变化看出镦粗时圆柱体变形的不均匀情况。目前网格法可作定量分析。LessonEight2020/2/2826组合圆柱体的镦粗时网格的变形LessonEight2020/2/2827•在用网格法研究金属的变形分布时可把网的每个单元看作是变形区的单元，在整个变形过程中承受均匀变形。坐标网可以是立体的，也可以是平面的。平面坐标网可以是连续的或分开的。分开的坐标网的单元或者是正方形，或者是圆形。圆形在变形过程中变成椭圆形，此椭圆轴的尺寸和方向反映了主变形的大小和方向。LessonEight2020/2/2828•对正方形网格来讲，当其轴在变形前后始终与主轴重合时，则此正方形于变形后变为矩形，此正方形的内切圆变为椭圆，此椭圆的轴与矩形的轴相重合。若主轴的方向相对原来正方形的轴发生了变化，则此正方形将变为平行四边形，此平行四边形的内接圆为椭圆形，此椭圆的轴与新的主轴相重合。LessonEight2020/2/2829坐标网的方格变化情形LessonEight2020/2/2830金属通过凹模挤压的变形分布LessonEight2020/2/2831硬度法•此法的基本原理是：在冷变形情况下，变形金属的硬度随变形程度的增加而提高；从图示可见，中心部分的硬度最高，接触表层的硬度则较小，越靠近表面的中心越小。在中心部分的同一层上，靠试样中部硬度比最外部（边部）大。这正好说明镦粗时三个区的存在。LessonEight2020/2/2832比较晶粒法•此法的实质是根据再结晶退火后的晶粒大小，与退火前的变形程度的关系，来判断各部位变形的大小。变形越大，再结晶后晶粒越小。利用再结晶图，近似地得出变形体内各处的变形程度。此法也只能定性地显示变形分布情况。对于热变形，因该过程中发生了再结晶现象，就很难判断变形的分布。LessonEight2020/2/2833其他方法•示踪原子法•光塑性法•云纹法LessonEight2020/2/2834课后作业Homework•给出基本应力、工作应力、附加应力和残余应力之间的区别和联系。•什么叫第一、第二、第三种附加应力？它们都是怎样产生的？