第10章 塑性变形与流动问题

第十章金属塑性变形与流动问题金属塑性成形问题实质上是金属的塑性流动问题。通过流动分析可以预测变形体的形状和尺寸，进行工艺和模具设计以及质量分析。但影响金属塑性流动的因素复杂，目前还难以进行定量描述。本章定性讨论金属塑性变形和流动的几个基本问题，如最小阻力定律、不均匀变形、附加应力和残余应力、塑性成形中摩擦与润滑等。第一节金属流动方向——最小阻力定律“当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动”。_______古布金最小阻力定律:例如，粗糙平板间矩形断面棱柱体镦粗时，由于接触面上质点向四周流动的阻力与质点离周边的距离成正比，因此离周边的距离愈近，阻力愈小，金属质点必然沿着这个方向移动。图18-1有摩擦矩形断面镦粗不均匀流动模型流的越远,阻力越大,所以将向周边距离最近处流动!例如开式模锻，如图18-3，增加金属流向飞边的阻力，以保证金属充填型腔；或者修磨圆角，减小金属流向A腔的阻力，使A腔充填饱满。r图18-3开式模锻的金属流动又例如，在大型覆盖件拉深成形时，常常要设置拉延筋，用来调整或增加板料进入模具型腔的流动阻力，以保证覆盖件的成形质量。一、摩擦对金属塑性变形和流动的影响第二节影响金属塑性变形和流动的因素在工具与坯料的接触面上由于摩擦力的存在，在一定程度上改变了金属的流动特性。图18-4无摩擦矩形断面镦粗放射形模型1、矩形断面的棱柱体在平板间镦粗时,若接触面上无摩擦,则以辐射线方式流动,变形后仍为矩形断面。2、环形零件镦粗时由于摩擦的作用，会改变金属质点的流动方向。参考课本第256页!二、工具形状对金属塑性变形和流动的影响工具形状是影响金属塑性流动的重要因素。工具形状不同，各个方向的流动阻力不一样。a）b）c）图18-5型砧拔长a)圆型砧b)V型砧c)凸型砧在圆弧形砧上或V型砧中拔长圆截面坯料时，如图18-5，由于工具的侧面压力使金属沿横向流动受到阻碍，金属大量沿轴向流动。在凸弧形砧上，正好相反，加大横向流动。利用工具的不同形状，除了可以控制金属的流动方向外，还可以在坯料内产生不同的应力状态，使局部金属先满足屈服准则而进入塑性状态，以达到控制塑性变形区的作用。或者造成不同的静水压力，来改变材料在该状态下的塑性。刚端对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动。例如拔长时，砧子下面局部坯料镦粗，变形受到刚端部分的影响，其横向流动小于同等条件下的自由镦粗。三、变形物体外端的影响在塑性变形时，为保持变形体的完整性和连续性，变形体各部分之间通过内力的作用，对塑性变形和流动产生一定的影响，包括未变形的金属（俗称为“刚端”）对变形区金属的影响和变形金属相互之间的影响。拔长时外端的影响外端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就受到外端的制约。开式冲孔中的“拉缩”弯曲变形对外端的影响结果使外端的孔也发生了变形!以上分别讨论了各个因素对金属塑性变形和流动的影响，而在实际生产中常常是多因素的共同作用，因此，必须考虑各个可能方向上的阻力情况，才能正确分析金属流动问题。掌握了塑性变形时金属流动规律，便可以采取有效的措施，控制各个可能流动方向上的阻力分布，使金属按预期的方向流动，以获得所需尺寸和形状的工件。四、金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响由于金属本身的化学成分、组织和温度的不均匀，会造成金属各部分的变形和流动的差异。变形抗力小的部分首先变形，但作为一个整体，先变形的部分与后变形的部分、变形大的部分与变形小的部分必然彼此影响。一、不均匀变形第三节不均匀变形、附加应力和残余应力塑性成形时，由于金属本身性质的不均匀，摩擦和工具形状的影响，不同变形区之间的相互制约，实际上都是不均匀变形。例如：在平砧间镦粗圆柱体图18－6圆柱体镦粗时的不均匀变形变形前变形后接触表面受摩擦力,流动慢!二、附加应力附加应力是由不均匀变形引起的，同时它又限制了不均匀变形的自由发展，附加应力总是互相平衡成对出现的。由于变形体各部分之间的不均匀变形受到整体性的限制，在各部分之间必将产生相互平衡的应力，该应力叫附加应力。图18-7凸肚形轧辊轧制板材的附加应力挤压的金属流动和纵向应力的分布1）金属流动；2）附加应力较小；3）附加应力较大基本应力为压应力!第三类：附加应力是晶粒内部各部分之间的不均匀变形所引起的附加应力。附加应力通常分为三类：第一类：附加应力是变形体内各区域体积之间由不均匀变形引起的互相平衡的应力；第二类：附加应力是各晶粒之间由于其性质、大小和方位不同，使晶粒之间产生不均匀变形所引起的附加应力；附加应力的不良后果：1.使变形体内的应力状态发生变化，应力分布更不均匀如凸肚形轧辊轧制板材。2.提高了单位变形力不均匀变形引起附加应力，使变形所消耗的能量增加，从而使单位变形力增高。3.使塑性降低，甚至造成破坏挤压制品表面出现周期性的裂纹，是由第一类附加应力形成的残余应力所致。4.造成物体形状歪扭如薄板或薄带轧制、薄壁型材挤压时出现的镰刀弯、波浪形等。5.形成残余应力由于附加应力成对出现，彼此平衡，只要变形的不均匀状态不消失，它始终存在，因此，当外力去除后，它仍残留在物体内而形成残余应力。三、残余应力引起附加应力的外因去除后，在物体内仍残存的应力叫残余应力。残余应力是弹性应力，不超过材料的屈服应力，也是相互平衡成对出现的。（一）残余应力产生的原因1、塑性变形不均匀产生残余应力。变形不均匀产生附加应力，变形完成后，变形不均匀状态不消失，附加应力将残留在物体内而形成残余应力。2、温度不均匀（加热或冷却不均匀）所引起的热应力以及由相变过程所引起的组织应力都会引起残余应力。残余应力分类：第一类残余应力存在于变形体各区域之间；第二类残余应力存在于各晶粒之间；第三类残余应力存在于晶粒内部。（1）具有残余应力的物体再承受塑性变形时，其应变分布及内部应力分布更不均匀。（2）缩短制品的使用寿命，当外载作用下的工作应力与残余应力叠加超过材料的强度时，使零件破坏，设备出现故障。（3）使制品的尺寸和形状发生变化，当残余应力的平衡受到破坏后，相应部分的弹性变形也发生变化，从而引起尺寸和形状变化。（4）增加塑性变形抗力，降低塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。（5）降低制品表面的耐蚀性，具有残余应力的金属在酸液中或其他溶液中的溶解速度加快。残余应力一般是有害的，特别是表面层中具有残余拉应力的情况。但当表面层具有残余压应力时，可以显著提高材料的强度和疲劳强度，反而可提高其使用性能。（二）残余应力引起的后果1、热处理法采用去应力退火可较彻底地消除残余应力。对第一类残余应力一般在回复温度下便可大部分消除，制品的硬化不受影响；第二类残余应力，接近再结晶温度也可完全消除；对第三类残余应力必须在再结晶温度以上才可消除。在高温下，去应力退火时，应避免晶粒长大，影响其力学性能。2、机械处理方法在制品表面再产生一些表面变形，使残余应力得到一定程度的释放和松弛(如拉弯矫直、张力矫直等)，或者产生新的附加应力以抵消或减弱残余应力。该法只适合于消除第一类残余应力，实践证明当表面变形量1.5％～3％左右效果最好。（三）残余应力的消除方法四、金属的断裂金属试样拉伸时断裂的形式a)正断（垂直于最大正应力的断裂）；b)剪断（沿最大切应力方向的断裂）；c)、d)韧性断裂1、断裂的物理本质1）断裂的基本类型韧性断裂和脆性断裂。2）微裂纹的形成机理微裂纹主要来源：一、材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹锌缺陷；二、在塑性变形过程中，由于位播的运动和塞积等原因而形成的。形成微裂纹的机理位错塞积理论认为同号位错在前进中遇到障碍物(如夹杂、第二相和晶界等)而产生塞积，当塞积到一定程度后，就会在位错塞积群前端产生一个足够大的拉应力．从而形成微裂纹。位错反应理论该理论认为两个交叉滑移面的位错在交叉处相遇而形成新位错，这些新位错不易运动，当新位错堆积较多时，则形成微裂纹。位错消毁理论该理论认为异号位错在距离很近时两个滑移面上相对滑移，则在交错处互毁，形成微裂纹)。微裂纹形成理论的基本出发点，是认为金属在切应力作用下首先发生位错运动，然后内于不同的原因而造成位错受阻。由于位错塞积群的弹性应力场中的拉应力而产生小孔隙，孔隙积累而形成微裂纹。实验表明．在容易造成位错塞积的地方，如晶界；亚晶界、孪晶界、夹杂物或第二相与其体相交界面等处，通常会首先形成微裂纹。塑性加工中金属的断裂塑性成形中的摩擦特点：1、接触面单位压力高塑性成形时的摩擦接触面上压力很高，热塑性时达500MPa，钢冷挤压时高达2500MPa。而机械传动中重载轴承的工作压力一般为20～40MPa。接触面压力愈高，润滑剂易挤出和失效，降低了润滑效果。2、伴随着塑性变形塑性成形的摩擦接触面因金属的塑性流动，接触状态不断变化，同时会产生新的接触面。而机械传动是接触面不变的弹性接触。3、在高温下进行钢材热塑性加工温度一般为800～1200℃，这时，接触表面会产生金属氧化、模具软化、润滑剂分解等复杂的物理化学变化。第四节金属塑性成形中的摩擦和润滑一、金属塑性成形中摩擦的特点及其影响1.改变应力状态，增大变形抗力例如单向压缩时，若工具与坯料无摩擦存在，则坯料受单向应力状态；若存在摩擦时，则变成三向应力状态，且使端面压应力增加才能屈服，因而变形抗力增加。2.引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力在挤压杆件时，由于挤压筒壁摩擦力的影响，使坯料边缘处的流动比中间慢，造成边缘受拉伸而中间受压缩的附加应力。3.降低模具寿命摩擦必然带来磨损，同时摩擦热引起模具软化，以及变形抗力增加使模具工作应力增加，都会降低模具寿命。在多数情况下是有害的，具体表现如下：塑性成形中的摩擦的作用但是在塑性成形中也常常应用摩擦的有益作用。例如，模锻中利用飞边槽桥部的摩擦力来保证模膛充满，滚锻和轧制时依靠足够的摩擦使坯料被咬入轧辊。二、塑性成形中的摩擦分类及机理（一）塑性成形中的摩擦分类根据塑性成形中坯料与工具表面之间的润滑状态的不同，摩擦可分为三类，即干摩擦、边界摩擦和流体摩擦，由此还可以派生出混合型摩擦。1、干摩擦通常所说的干摩擦是指不加任何润滑剂的摩擦。2、边界摩擦接触表面之间存在很薄的润滑膜，凸凹不平的坯料表面凸起部分被压平，润滑剂被压入凹坑中，被封存在里面，如图18-8b。大多数塑性成形的摩擦属于边界摩擦。3、流体摩擦两表面的微观凸凹部分不直接接触，完全被润滑剂隔开的润滑叫流体润滑，该状态下的摩擦叫流体摩擦，如图18-8c。流体摩擦与干摩擦和边界摩擦有着本质的区别，其摩擦特征与所加润滑剂的性质和相对速度有关，而与接触表面的状态无关。图18-8摩擦分类示意图a)干摩擦b)边界摩擦c)流体摩擦塑性成形过程中的摩擦是非常复杂的，目前关于摩擦机理（即摩擦产生的原因）有三种学说。图18-9接触表面凹凸不平机械咬合机理示意图（二）摩擦机理1、表面凹凸学说摩擦是由接触面上凹凸形状引起的。经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同程度的微观凸峰和凹坑，当微观粗糙的两表面接触时，一个表面的凸峰可能会陷入另一表面的凹坑，产生机械咬合，2.分子吸附学说摩擦是接触面上分子相互吸引的结果。两接触面越光滑，实际接触面积就越大，分子吸引力就越强，则摩擦力就越大。该学说解释了凸凹学说无法解释的表面越光滑，摩擦力不降低反而提高的现象。3.粘附理论摩擦是接触面上粘接或焊合的结果。两表面接触时，若接触面上某些接触点处压力很大，以致发生粘接或焊合，当两表面有相对运动时，需切断粘接或焊合点而产生相对滑动。现代摩擦学理论认为：摩擦力不仅包含有剪切接触面上机械咬合所产生的阻力，而且包含有表面分子吸附作用的吸引力及切断粘接点所产生的阻力。对于流体摩擦，摩擦力主要表现在润滑剂层之间的流动阻力。三、塑性成形时摩擦力的计算1.库伦摩擦条件不考虑接触表面的粘合现象，认为单位面积上的摩擦力与接触面上的正应力成正比，即NKmaxNYYK）（31~21577.0~5.0