第三章 金属塑性加工的宏观规律

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,3.1,塑性流动规律（最小阻力定律）,最小阻力定律,最小周边法则,最短法线法则,实际应用分析,最小阻力定律,内涵：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。,1947,年，前苏联学者,古布金,认为：当变形体的质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将向着,阻力最小,的方向移动。,实际上是力学质点流动的普遍原理，可以定性地用来分析金属质点的流动方向。,把外界条件和金属流动直接联系起来，很直观，使用方便。,最小阻力定律,模锻中增加飞边阻力，或修磨圆角,r,，可减少金属流向,A,腔的阻力，使金属重填得更好。,在拔长锻造时改变送进比或采用凹型砧座增加金属横向流动的阻力，来提高延伸效率。,最小阻力定律,最短法线法则、最小周边法则,无摩擦矩形断面镦粗放射形模型,最短法线法则：镦粗矩形柱体时，在垂直镦粗方向的任一剖面内的任一点，其移动方向是朝着与周边垂直的最短法线方向进行的。,最小周边法则：横断面为任意形状的棱柱体或圆柱体，在存在摩擦的条件下进行塑性镦粗时，将力图使断面的周界为最小，在极限情况下为一圆。,实际应用分析,最小阻力定律的不足,1981,年，陈森灿撰文对“最小阻力定律”进行了阐述和改善,1979,年，王仲仁撰文对最小阻力定律的不足之处进行了评述,最小阻力定律的不足,最小阻力定律的不足,针对矩形件镦粗，指出古布金根据“最小阻力定律”得到的各质点运动方向的不妥。,最小阻力定律的不足,“最小阻力定律”的先天不足可归结为：实验现象归纳不准确，是以质点运动的投影代替真实方向，局部规律当成普遍规律；,理论上：,(1),错误地将运动方向与力建立关系，事实上，力和加速度存在一一对应关系，而运动方向则应和质点的速度相对应；,(2),力学上分析问题应从力与应力出发，阻力概念不清，质点流动不能离开了应力场，不应孤立地分析。,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,3.2.1,摩擦的影响,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。,选择合适的径高比；,尽可能减少接触面的摩擦系数；,造成非自由的变形状态。,圆柱体镦粗时的分区,应力分布不均匀,局部改变金属质点的流动方向,圆环镦粗,塑压时试件侧面翻平与摩擦的关系,(a),用,3,垫板,;(b),用,9,垫板,;,(c),用,10,垫板,;(d),用,12,垫板,侧面翻平,圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦粗过程中的变化,3.2.2,变形区的几何因素的影响,变形区的几何因子,H/D,、,H/L,、,H/B,等,滑移锥理论,3.2.3,工具的形状和坯料形状的影响,（,1,）控制金属的流动方向,（,2,）可以在坯料内产生不同的应力状态,使部分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，或造成不同的静水压力，来改变材料在该状态下的塑性。,3.2.4,外端的影响,变形体的外端是指在变形过程中某一瞬间不,直接承受工具的作用而处于变形区以外的部,分，称为外端或刚端。,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。,3.2.5,变形温度的影响,3.2.6,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。,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,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,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。,3.3.1,均匀变形与不均匀变形,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。,均匀变形必需满足的条件,变形体物理性质均匀且各向同性,整个物体任何瞬间承受相等变形量,变形完全没有外端的作用,接触表面没外摩擦或摩擦阻力,单鼓形,双鼓形,粘着现象及难变形区,轧件头尾凸形,轧件头部镰刀弯,不均匀变形的种类,1,）第一类不均匀变形,由于摩擦力、变形体外端条件的影响，使变形体中不同区域的变形不同。,2,）第二类不均匀变形,由于变形体中晶粒的位相不同，使变形体中不同晶粒变形不同。,3,）第三类不均匀变形,由于同一晶粒中各滑移系取向不同，使变形体中同一晶粒内部的各部分变形不同。,变形不均匀产生的原因,接触面上的外摩擦,变形区的几何因素,工具的形状与坯料的形状,变形体内部温度分布不均,变形体的外端,金属性质不均,不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。,3.3.2,研究变形分布的方法,网格法,硬度法,比较晶粒法,其他方法,网格法,原理：观察变形前后，各网格所限定的区域金属几何形状的变化。,目前网格法可作定量分析，应用最广。,硬度法,原理：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。,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。,比较晶粒法,原理：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。,此法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。,基本应力：,由外力作用所引起的应力叫基本应力，表示这种应力分布的图形叫做基本应力图。,附加应力：,在物体中，由于各部分的变形不均匀受到物体的整体性限制而引起的相互平衡的应力。,3.3.3,基本应力与附加应力,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。,当变形不均匀时，工作应力等于基本应力与附加应力的代数和。,附加应力的种类,第一类附加应力（宏观级）,存在于物体的局部之间,第二类附加应力（显微级）,存在于物体内的晶粒之间,第三类附加应力（原子级）,存在于晶粒内部滑移面或滑移带之间,附加应力特点,附加应力是由不均匀变形所引起的，但同时它又限制不均匀变形的自由发展。,附加应力是相互平衡、成对出现的，当一处受附加压应力时，另一处必受附加拉应力。,附加应力定律,任何塑性变形的物体内，在变形过程中均有自相平衡的附加应力。,变形不均匀产生的后果,（,1,）,引起变形体的应力状态发生变化，,使应力分布更不均匀。,（,2,）,造成物体的破坏。,（,3,）,使材料变形抗力提高和塑性降低。,（,4,）,使产品质量降低。,（,5,）使生产操作复杂化。,（,6,）形成残余应力。,(1),挤压件上表面裂纹及应力分布图,(2),(3),摩擦系数,f,不同时塑压件退火后中心轴上晶粒大小分布,(4),减轻不均匀变形的主要措施,1,正确选定变形的温度,-,速度制度,2,尽量减小接触面上外摩擦的有害影响,3,合理设计加工工具形状,4,尽可能保证变形金属的成分及组织均匀,3.3.4,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,1.,残余应力的来源,残余应力是塑性变形完毕后保留在变形物体内的附加应力。,残余应力是由附加应力变化而来，所以残余应力也是相互平衡的。并与附加应力相对应，残余应力也分为第一类、第二类和第三类残余应力。,残余应力的种类,第一类残余应力（宏观应力）,存在于物体全部或部分范围内,第二类残余应力（显微应力）,存在于各相组成物或各晶粒之间,第三类残余应力（超显微应力）,存在于金属点阵内部,2.,变形条件对残余应力的影响,残余应力与附加应力一样也同样受到变形条件的影响。,主要是,变形温度、变形速度、变形程度,、接触摩擦、工具和变形物体形状等。,3.,残余应力所引起的后果,(1),引起物体尺寸和形状的变化,板材裁剪后的变形,(2),使零件的使用寿命缩短,(3),降低了金属的塑性加工性能,(4),降低金属的耐蚀性以及冲击韧性和疲劳强度等。,4.,减小或消除残余应力的措施,减小不均匀变形,热处理方法,去应力退火,机械处理法,零件彼此碰撞,用木槌敲打表面或喷丸法,表面碾压和压平,表面拉制,在模子中表面校形或精压,表面层中具有残余拉应力的板材经表面辗压后，其残余应力大为减小。在一定限度内，表面变形越大，残余应力减小得越多。,拉制黄铜棒经辗压后，表面残余应力几乎减小一倍，甚至可使表面拉应力变成压应力。,表面变形程度越大、残余应力减少得越多。但不应超过某一限度，一般是在,1.53,以下。若超过此限度，会造成有害的后果，因为这样不但不会减小残余应力，反而会使残余应力增加。,5.,研究残余应力的主要方法,机械法,化学法,X,射线法,三种方法的比较,（,1,）机械法可以比较精确地确定残余应力的大小和分布，但在测定时要损害物体的整体性。,（,2,）化学法基本是定性的测定，定量性差，需要专门的试样。,（,3,）,X,射线法是一种“非破坏性”的测定方法，能定量测出物体内的残余应力，但仅适用于能给出清晰敏锐衍射线条的材料。,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,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,1.,镦粗时组合件的变形特点,鼓形；侧面翻平,3.4.1,金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点,2.,基本应力的分布特点,3.,第一类附加应力的分布特点,法向附加应力,法向附加拉应力,法向附加压应力,切向附加应力,一基本应力特点,3.4.2,平辊轧制时金属的应力及变形特点,1.,金属质点纵向流动特点,前滑,后滑,中性面,二、变形区内金属质点流动特点,1,）外摩擦,2,）变形区的尺寸,3,）刚端,2,、宽展及宽度上的纵向流动,3,平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点,后滑区,：中心层给表面层以附加压应力，而表面层给中心层以附加拉应力。,前滑区,：中心层对表面层产生附加拉应力，而表面层对中心层产生附加压应力。,一、棒材挤压时的基本应力状态,挤压过程：填充,+,挤压,3.4.3,棒材挤压时的应力及变形特点,区,-,延伸变形区,区,-,压缩变形区,区,-,切变区,区,-,未变形区,区,-,“死区”,二、棒材挤压时的金属流动规律,三、棒材挤压时的附加应力,1.,在塑性变形区和变形终了的外端部分,2.,在未变形区的横截面上,3.4.4,棒材拉伸时金属的流动规律,一、棒材拉伸时的基本应力状态,二、棒材拉伸时金属流动规律,三,.,棒材拉拔时的附加应力,棒材拉拔,产生附加应力的不利影响,表面层承受的轴向附加拉应力，是棒材拉伸时产生横向周期裂纹的根源。,周向承受的附加拉应力则是产生纵向裂纹的主要原因。,对于某些塑性较低的合金来说，拉伸后形成的残余应力如果不能及时消除，经过一定时间后棒材就会产生裂纹。,3.5,塑性加工过程的断裂与可加工性,3.5.1,塑性加工中的常见裂纹,3.5.2,金属断裂的物理本质,3.5.3,塑性,-,脆性转变,3.5.4,金属的可加工性,压力加工制品的断裂形式,3.5.1,塑性加工中的常见裂纹,1.,绝大多数的断裂由不均匀变形造成,2.,表面裂纹和内部裂纹,1,锻造时的表面开裂,一、锻造时的断裂,预防措施,尽量减少鼓形所引起的周向拉应力,(1),减少工件与工具间的接触摩擦,(2),采用凹形模,(3),采用,软垫,(4),采用,活动套环和包套,(3),2,锻造时的内部裂纹,锻压圆坯时产生的十字横裂,预防措施,采用槽形和弧形锤头，从而减少坯料中心处的水平拉应力，或把原来的拉应力变为压应力。,两种锤头：顶角不超过,110,的槽形锤头和,Rr,，,包角为,100,110,的弧形锤头。,二、轧制时的断裂,1,轧制时的表面开裂,预防措施,1.,适宜的良好辊型和坯料尺寸形状,2.,制定合理的轧制工艺规程（压下量控制、张力调整、润滑适宜等）。,2,轧制时内部裂纹,预防措施,三、挤压和拉拔时的断裂,1,表面裂纹,严重时裂纹变成竹节状,预防措施,减少摩擦阻力,1.,加强润滑,2.,垂直压力和接触面积影响摩擦力：采用反向挤压、反张力拉伸、辊式模拉伸等方法来减少有害摩擦。,2,内部裂纹,挤压比（挤压变形程度）较小,拉拔时,L,/,d,0,较小,预防措施,1.,挤压：增大挤压比,2.,拉拔：增加,L,/,d,0,，即增大变形程度和减少模孔锥角,3.5.2,金属断裂的物理本质,一、断裂的基本类型,根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变,形：,韧性断裂,与,脆性断裂,按断裂面相对作用力方向的取向关系：,正断,与,剪断,韧性断裂：,单向拉伸时的断面收缩率大于,5%,脆性断裂：,单向拉伸时的断面收缩率小于,5%,正断：,垂直于最大正应力的断裂,剪断：,沿最大切应力方向发生的断裂,通常正断沿解理面断裂；剪断沿滑移面断裂。,1,脆性断裂,在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，直接由弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴接近正交，,断口平齐,。,1,3,2,韧性断裂,在断裂前金属经受了较大的塑性变形，其断口呈,纤维状,，灰暗无光。,韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界处有夹杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断裂。,韧性断裂的表现形式,(1),切变断裂,:,hcp,(2),试样在塑性变形后出现缩颈,:,Au,Pb,Al,(3),对于一般的韧性金属，断裂则由试样中心开始，然后沿图,3-68d,所示的虚线断开，形成,杯锥状断口,。,1.,一种高能量的吸收过程；,2.,通常表现为多断裂源；,3.,缓慢的撕裂过程；,4.,随着变形的不断进行裂纹不断生成、扩展和集聚，变形一旦停止，裂纹的扩展也将随着停止。,韧性断裂的特点,二、断裂过程与物理本质,金属的塑性变形过程和断裂过程是,同时发生,的，而断裂过程通常又可以分为,裂纹生核,和,裂纹扩展,两个阶段。,金属断裂的基本过程,1,、微裂纹的萌生机理,微裂纹的主要来源：一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷；二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞积等原因而形成的。,裂纹形核理论,位错塞积理论,位错反应理论,位错墙侧移理论,位错销毁理论,(1),位错塞积理论,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，当塞积到一定程度的时候，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。,(2),位错反应理论,两个交叉滑移面上的位错在交叉处相遇而形成新的位错。这些新的位错不易运动，当新位错堆积较多时，形成微裂纹。,(3),位错墙侧移理论,由于刃型位错的垂直排列构成了位错墙，同时引起了滑移面的弯折。当在适当的外力作用下，晶体发生滑移，就会使位错墙发生侧移，而促使裂纹在滑移面上生成。,(4),位错销毁理论,异号位错在距离很近（,10,个原子层）的两个平行滑移面上相对滑移，则在交错处互毁，形成微裂纹。,如果在晶界两侧同时塞积两列符号相反的位错，则在晶界处形成微裂纹。,微裂纹形成理论的基本出发点,金属在切应力作用下首先发生位错运动，然后由于不同的原因而造成位错受阻，由于位错塞积群中的弹性应力场中的拉应力产生小孔隙，孔隙积累而形成微裂纹。,容易造成位错塞积的地方：晶界、亚晶界、孪晶界、夹杂物或第二相与基体相交界面,2,、裂纹的扩展,金属材料在塑性变形过程中形成微裂,纹，并不意味着材料即将断裂。,微裂纹的修复,Griffith,公式,Griffith,公式的局限性,1.Griffith,只适用于脆性材料或非晶体,2.,对于塑性材料必需修正,Orowan,修正理论：将表面能改为有效表面能（表面能加塑性变形功）,3.5.3,塑性,-,脆性转变,塑性与脆性并非金属固定不变的特性,。,金属是韧性断裂还是脆性断裂，取决于各种内在因素和外在条件。,与一般金属从塑性区到脆性区的过渡是有区别的，即在转变区内，塑性指标急剧下降，而强度指标则陡峭上升，形成一个明显的塑性,-,脆性转变区。,一般规定塑性下降百分之五十的点的温度为塑性,-,脆性转变温度，用,T,c,表示。,影响塑性,-,脆性转变的主要因素,(1),变形温度,(2),变形速度,(3),应力状态,(4),金属材料的化学成分和组织状态,金属的可加工性是不同加工方法进行塑性加工时，工件出现第一条可见裂纹前所达到的最大变形量。,3.5.4,金属的可加工性,