(金属塑性成形原理ppt课件)第9讲变形不均匀原因及防止措施

金属塑性变形理论Theory of metal plastic deformation 第九讲Lesson Nine变形不均匀原因及影响措施金属塑性变形理论Theory of metal plast1 1Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/212 2第五章 塑性变形的不均匀性主要内容Main ContentMain Contentn n变形不均匀的基本概念变形不均匀的基本概念 n n变形不均匀的原因变形不均匀的原因n n减小变形不均匀的措施减小变形不均匀的措施n n残余应力残余应力2023/8/32第五章 塑性变形的不均匀性主要内容2 2Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/213 35.2 变形不均匀的原因n n接触面上的外摩擦接触面上的外摩擦 n n变形区的几何因素变形区的几何因素 n n工具与工件的轮廓形状工具与工件的轮廓形状 n n变形体内部温度分布不均变形体内部温度分布不均 n n变形体的外端变形体的外端 n n金属性质不均的影响金属性质不均的影响 2023/8/335.2 变形不均匀的原因接触面上的外摩擦3 3Lesson NineLesson Nine(金属塑性成形原理ppt课件)第9讲变形不均匀原因及防止措施4 4Lesson NineLesson Nine(金属塑性成形原理ppt课件)第9讲变形不均匀原因及防止措施5 5Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/216 6镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响 312133122023/8/36镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响 36 6Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/217 7应力分布不均n n外外摩摩擦擦不不仅仅影影响响变变形形，而而且且使使接接触触面面上上的的应应力力（或或单单位位压压力力）分分布布不不均均匀匀，沿沿试试样样边边缘缘的的应应力力等等于于金金属属的的屈屈服服极极限限，从从边边缘缘到到中中心心部分，应力逐渐升高。部分，应力逐渐升高。n n另另外外，沿沿物物体体高高度度方方向向由由接接触触面面至至变变形形体体的的中中部部，应应力力的的分分布布是是逐逐渐渐减减小小的的，这这是是因因外外摩擦的影响逐渐减弱所致。摩擦的影响逐渐减弱所致。2023/8/37应力分布不均外摩擦不仅影响变形，而且使接触7 7Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/218 8带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验2023/8/38带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验8 8Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/219 9侧面翻平n n变变形形物物体体在在压压缩缩时时，由由于于接接触触摩摩擦擦的的作作用用，在在出出现现单单鼓鼓形形的的同同时时，还还会会出出现现侧侧表表面面的的金金属属局局部部地地转转移移到到接接触触表表面面上上来来的的侧侧面面翻翻平平现现象象。随随着着压压下下率率的的增增加加，aaaa和和bbbb部部分分由由侧侧表表面面逐逐步步地地转转移移到到端端面面上上来来。此此侧侧面面翻翻平平现现象象发发生生在在侧侧表表面面面面积积的的减减小小量量大大于于接接触触面面面面积积的的增增加加量量的的时时候候。如如果果接接触触面面面面积积增增加加量量大大于于侧侧面面的的减减小小量量时时，则则因因新新的的接接触触面面的的形形成成将不再吸收侧面的多余面积。将不再吸收侧面的多余面积。2023/8/39侧面翻平变形物体在压缩时，由于接触摩擦的作9 9Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/211010圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦粗过程中的变化粗过程中的变化2023/8/310圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦粗过程中的变1010Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/211111n n由此可见，物体在压缩时接触面积的增加，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时，接触面积的增加将主要是由侧面金属的转移所造成。转移所造成。2023/8/311由此可见，物体在压缩时接触面积的增加，可1111Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/211212翻平宽展翻平宽展鼓形宽展鼓形宽展2023/8/312翻平宽展鼓形宽展1212Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/211313粘着现象n n实实验验结结果果表表明明，圆圆柱柱体体金金属属在在镦镦粗粗过过程程中中，若若接接触触摩摩擦擦较较大大和和高高径径比比H HD D较较大大时时，则则在在端端面面的的中中心心部部位位有有一一区区域域，在在此此区区域域上上金金属属质质点点对对工工具具完完全全不不产产生生相相对对滑滑动动而而粘粘着着在在一一起起。此此现现象象称称为为粘粘着着现现象象。此此粘粘着着在在一一起起的的区区域域称称为为粘粘着着区区。此此粘粘着着现现象象也也影影响响到到金金属属的的一一定定深深度度，这这样样就就构构成成了了以以粘粘着着区区为为基基底底的的圆圆锥锥形形或或近近似似圆圆锥锥形形的的体体积积，此此体体积积称称为为“难变形区难变形区”。2023/8/313粘着现象实验结果表明，圆柱体金属在镦粗过1313Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/211414难变形区难变形区难变形区难变形区2023/8/314难变形区1414Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/211515变形区的几何因素 n n在金属塑性加工中存在着外摩擦，变形的不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均匀分布情况与变形区几何因素(如如H/dH/d、H/LH/L、H/BH/B等等)有密切关系。实验表明：镦粗圆柱体有密切关系。实验表明：镦粗圆柱体时，当试样原始高度与直径比时，当试样原始高度与直径比H/d2.0H/d2.0时才发时才发生上述的单鼓形不均匀变形。当坯料高度较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大且变形程度甚小时(当当H/dH/d2.02.0时时)，则往，则往往只产生表面变形，而中间层的金属不产生往只产生表面变形，而中间层的金属不产生塑性变形或塑性变形甚小，结果导致形成双塑性变形或塑性变形甚小，结果导致形成双鼓形。鼓形。2023/8/315变形区的几何因素 在金属塑性加工中存在着1515Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/211616双鼓形双鼓形双鼓形双鼓形2023/8/316双鼓形1616Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/211717工具与工件的轮廓形状n n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。2023/8/317工具与工件的轮廓形状工具（或坯料）形状是1717Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/211818n n如如图图所所示示，在在圆圆形形砧砧或或V V型型砧砧中中拔拔长长圆圆断断面面坯坯料料时时，工工具具的的侧侧面面压压力力使使金金属属沿沿横横向向流流动动受受到到很很大大的的阻阻碍碍，被被压压下下的的金金属属大大量量沿沿轴轴向向流流动动，这这就就使使拔拔长长效效率率大大大大提提高高。当当采采用用图图c c所所示示的的工工具具时时，则则产产生生相相反反的的结结果果，金金属易于横向流动。属易于横向流动。a b c2023/8/318如图所示，在圆形砧或V型砧中拔长圆断面坯1818Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/211919n n在在许许多多情情况况下下，当当工工具具的的形形状状已已得得到到了了严严格格的的控控制制时时，为为获获得得变变形形均均匀匀的的产产品品，还还必必须须要要考考虑虑原原始始坯坯料料形形状状的的影影响响。如如果果坯坯料料的的尺尺寸寸和和形形状状的的选选择择不不当当也也会会使使物物体体产产生生不不均均匀匀变变形。形。2023/8/319在许多情况下，当工具的形状已得到了严格的1919Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/212020变形体内部温度分布不均n n变变形形物物体体的的温温度度不不均均匀匀，会会造造成成金金属属各各部部分分变变形形和和流流动动的的差差异异。变变形形首首先先发发生生在在那那些些变变形形抗抗力力最最小小的的部部分分。一一般般，在在同同一一变变形形物物体体中中高高温温部部分分的的变变形形抗抗力力低低，低低温温部部分分的的变变形形抗抗力力高高。这这样样，在在同同一一外外力力的的作作用用下下，高高温温部部分分变变形形量量大大，低低温温部部分分变变形形量量小小。而而变变形形物物体体是是一一整整体体，限限制制了了物物体体各各部部分分不不均均匀匀变变形形的的自自由由发发展展，从从而而产产生生相相互互平平衡衡的的附附加加应应力。力。2023/8/320变形体内部温度分布不均变形物体的温度不均2020Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/212121n n在在变变形形体体内内因因温温度度不不同同所所产产生生热热膨膨胀胀的的不不同同而而引引起起的的热热应应力力，与与由由不不均均匀匀变变形形所所引引起起的的附附加加应应力力相相叠叠加加后后，有有时时会会加加强强应应力力的的不不均均匀分布，甚至会引起变形物体的断裂。匀分布，甚至会引起变形物体的断裂。n n在在热热轧轧中中常常见见到到轧轧件件轧轧出出后后会会出出现现上上翘翘或或下下翘翘现现象象，产产生生此此现现象象原原因因之之一一就就是是轧轧件件的的温温度不均所造成的。度不均所造成的。2023/8/321在变形体内因温度不同所产生热膨胀的不同而2121Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/212222铝铝钢双金属轧制时由不均匀钢双金属轧制时由不均匀变形产生的弯曲现象变形产生的弯曲现象 2023/8/322铝钢双金属轧制时由不均匀变形产生的弯曲2222Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/212323变形体的外端n n外外端端（未未变变形形的的金金属属）对对变变形形区区金金属属的的影影响响主主要要是是阻阻碍碍变变形形区区金金属属流流动动，进进而而产产生生或或加加剧剧附附加加的的应应力力和和应应变变。在在自自由由锻锻造造中中，除除镦镦粗粗外外的的其其他他变变形形工工序序，工工具具只只与与坯坯料料的的一一部部分分接接触触，变变形形是是分分段段逐逐步步进进行行的的，因因此此，变变形区金属的流动是受到外端的制约的。形区金属的流动是受到外端的制约的。2023/8/323变形体的外端外端（未变形的金属）对变形区2323Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/212424封闭形外端n n在在被被压压缩缩体体积积的的外外部部存存在在有有封封闭闭形形外外端端时时，一一方方面面，被被压压缩缩体体积积的的变变形形要要影影响响到到外外端端的的一一定定区区域域。另另一一方方面，外端会阻碍被压缩体积的向外扩展。面，外端会阻碍被压缩体积的向外扩展。n n若若外外端端的的体体积积甚甚小小时时，则则在在变变形形过过程程中中，在在被被压压缩缩体体积积变变形形的的影影响响下下，外外端端的的高高度度也也会会有有所所减减小小，外外端端向向外外扩扩展展。如如果果外外端端的的体体积积较较大大，则则被被压压缩缩体体积积的的变变形形很很难难进进行行。若若所所施施的的压压力力非非常常大大时时，也也可可以以把把工工具具(压压头头)压压入入变变形形物物体体内内，此此时时部部分分变变形形金金属属将将沿沿工工具具的的周周围围被被挤挤出出。可可见见，金金属属在在具具有有封封闭闭形形外外端端条条件件下下的的压压缩缩与与无无外外端端时时有有很很大大差差别别。封封闭闭形形外外端端可可以以减减小小被被压压缩缩物物体体的的不不均均匀匀变变形形，并并可可使使其其三三向向压压应应力力状状态态增强。增强。2023/8/324封闭形外端在被压缩体积的外部存在有封闭形2424Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/212525封闭形外端封闭形外端封闭形外端封闭形外端非封闭形外端非封闭形外端非封闭形外端非封闭形外端2023/8/325封闭形外端非封闭形外端2525Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/212626非封闭形外端n n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。2023/8/326非封闭形外端在金属压力加工中属于非封闭形2626Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/212727n n外外端端对对变变形形物物体体的的纵纵向向延延伸伸有有强强迫迫“拉拉齐齐”作作用用，使使变变形形物物体体沿沿高高度度方方向向的的纵纵向向延延伸伸趋趋于于一一致致。结结果果，在在变变形形区区内内于于自自由由延延伸伸大大的的中中部部产产生生附附加加压压应应力力，于于自自由由延延伸伸小小的的端端部部产产生生附附加加拉拉应应力力。此此外外，变变形形物物体体为为一一整整体体，变变形形物物体体的的纵纵向向延延伸伸的的变变化化也也必必然然会会影影响响着着横向宽展的变化。横向宽展的变化。2023/8/327外端对变形物体的纵向延伸有强迫“拉齐”作2727Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/212828n n在在变变形形区区的的中中部部，由由于于外外端端对对纵纵向向延延伸伸的的“拉拉齐齐”作作用用使使自自由由延延伸伸减减小小的的结结果果，使使宽宽展展被被迫迫增增大大，而而在在端端部部由由于于使使自自由由延延伸伸的的被被迫迫增增加加，使使宽宽展展减减小小。结结果果，由由于于外外端端对对纵纵向向延延伸伸的的“拉拉齐齐”作作用用，使使变变形形区区沿沿高高向向的的中中部部产产生生的的宽宽展展最最大大，端端部部宽宽展展最最小小。这这样样，由由于于外外端端的的存存在在，使使变变形形物物体体的的纵纵向向变变形形的的不均匀性减小，横向变形的不均匀性增大。不均匀性减小，横向变形的不均匀性增大。2023/8/328在变形区的中部，由于外端对纵向延伸的“拉2828Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/212929金属性质不均的影响n n变变形形金金属属中中的的化化学学成成分分、组组织织结结构构、夹夹杂杂物物、相相的的形形态态等等分分布布不不均均会会造造成成金金属属各各部部分分的的变变形形和和流流动动的的差差异异。例例如如，在在受受拉拉伸伸的的金金属属内内存存在在一一团团杂杂质质，由由于于杂杂质质和和其其周周围围晶晶粒粒的的性性质质不不同同，出出现现应应力力集集中中现现象象，结结果果这这种种缺缺陷陷周周围围的的晶晶粒粒必必须须发发生生不不均均匀匀变变形形，并并会会产产生生晶间及晶内附加应力。晶间及晶内附加应力。2023/8/329金属性质不均的影响变形金属中的化学成分、2929Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/2130305.3 变形不均的防止措施n n变形不均产生的后果 n n减轻变形不均的措施 2023/8/3305.3 变形不均的防止措施变形不均产生3030Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/213131变形不均产生的后果n n使单位变形力增大使单位变形力增大 n n当当变变形形不不均均匀匀分分布布时时，将将使使物物体体内内部部产产生生相相互互平平衡衡的的附附加加应应力力，使使变变形形能能量量消消耗耗增增加加，也也使使单单位位变变形形力力增增大大。此此外外，当当应应力力不不均均匀匀分分布布时时，将将使使变变形形体体内内实实际际的的应应力力分分布布情情况况与与基基本本应应力力有有很很大大不不同同，有有时时虽虽然然作作用用着着单单向向的的基基本本应应力力，但但工工作作应应力力却却可可能能变变成成三三向向同名应力状态，此时也会使单位变形力增大。同名应力状态，此时也会使单位变形力增大。2023/8/331变形不均产生的后果使单位变形力增大 3131Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/213232n n使塑性降低使塑性降低n n在在具具有有应应力力不不均均匀匀分分布布的的变变形形物物体体内内，当当某某处处的的工工作作应应力力达达到到金金属属的的断断裂裂强强度度时时，则则在在该该处处将将首首先先产产生生断断裂裂，从从而而导导致致金金属属的的塑塑性性下降。下降。2023/8/332使塑性降低3232Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/213333挤压件上表面裂纹及应力分布图挤压件上表面裂纹及应力分布图(a)(b)（a）2023/8/333挤压件上表面裂纹及应力分布图(a)(b)3333Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/213434n n使产品质量降低使产品质量降低n n由由于于变变形形的的不不均均匀匀分分布布使使物物体体内内产产生生附附加加应应力力，若若变变形形后后物物体体的的温温度度较较低低不不足足以以消消除除此此附附加加应应力力时时，则则在在物物体体内内将将存存有有残残余余应应力力，从从而而使使物物体体的的力力学学性性能能下下降降。同同时时，由由于于变变形形体体内内各各处处的的变变形形不不同同，其其再再结结晶晶后后各各处处的的晶粒大小也不同，造成组织与性能分布不均。晶粒大小也不同，造成组织与性能分布不均。2023/8/334使产品质量降低3434Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/213535摩擦系数摩擦系数f不同时塑不同时塑压件退火后中心轴上压件退火后中心轴上晶粒大小分布晶粒大小分布相对变形相对变形晶粒尺寸晶粒尺寸相对变形相对变形相对变形相对变形相对变形相对变形晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒尺寸2023/8/335摩擦系数f不同时塑压件退火后中心轴上晶粒3535Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/213636n n使技术操作复杂使技术操作复杂n n由由于于变变形形体体内内应应力力的的分分布布不不均均，使使加加工工工工具具的的各各部部分分受受力力不不均均，以以致致使使工工具具各各部部分分的的弹弹性性变变形形和和磨磨损损不不均均。这这样样就就使使工工具具设设计计、制制造造和和维维护护复复杂杂。同同时时也也使使对对材材料料进进行行的的热热处处理制度复杂化。理制度复杂化。2023/8/336使技术操作复杂3636Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/213737减轻变形不均的措施n n正确选定变形的温度速度制度正确选定变形的温度速度制度n n变变形形温温度度应应保保证证物物体体在在单单相相区区完完成成塑塑性性变变形形，并并在在整整个个物物体体内内分分布布均均匀匀。变变形形速速度度制制度度的的选选择择也也应应使使变变形形在在物物体体内内分分布布均均匀匀，如如H Hd d比比较较大大的的厚厚件件，在在速速度度较较低低的的压压力力机机上上锻锻压压较合适。较合适。2023/8/337减轻变形不均的措施正确选定变形的温度速3737Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/213838n n减小金属表面上的外摩擦减小金属表面上的外摩擦n n为为减减小小接接触触表表面面上上的的摩摩擦擦系系数数，应应提提高高和和保保持持工工具具表表面面的的光光洁洁度度和和采采用用适适宜宜的的润润滑滑剂剂。也也可可采采用用超超声声振振动动加加工工等等方方法法来来减减少少外外摩摩擦擦的不利影响。的不利影响。2023/8/338减小金属表面上的外摩擦3838Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/213939n n合理设计加工工具形状合理设计加工工具形状n n要要正正确确选选择择与与设设计计锻锻模模、轧轧辊辊孔孔型型及及其其它它工工具具，使使其其形形状状与与坯坯料料断断面面能能很很好好的的配配合合，以以保证变形与应力分布较为均匀。保证变形与应力分布较为均匀。2023/8/339合理设计加工工具形状3939Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/214040n n尽可能保证变形金属的成分及组织均匀尽可能保证变形金属的成分及组织均匀n n这这首首先先要要从从提提高高冶冶炼炼及及浇浇铸铸质质量量方方面面入入手手；其其次次，对对已已浇浇铸铸的的钢钢锭锭必必要要时时采采用用高高温温均均匀匀化化退退火火的的办办法法，也也可可进进一一步步改改善善其其化化学学成成分分的均匀性。的均匀性。2023/8/340尽可能保证变形金属的成分及组织均匀4040Lesson NineLesson Nine2024/5/212024/5/214141课后作业Homeworkn n试分析变形及应力的不均匀分布都是哪些原试分析变形及应力的不均匀分布都是哪些原因造成的？因造成的？n n试分析外摩擦和变形区的几何形状对不均匀试分析外摩擦和变形区的几何形状对不均匀变形的影响。变形的影响。2023/8/341课后作业Homework试分析变形及应4141