轧钢原理-第1章

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,*,轧 钢 原 理,第一章 应力和变形,一、外力,第一节 力和应力,金属塑性加工是金属与合金在外力作用下产生塑性变形的过程。变形过程中外力主要有作用力和约束反力。,1,、,作用力：通常把塑性加工设备的可动工具部分对工件所作用的力称为作用力或主动力。塑性加工时的作用力可以实测或用理论计算出来。,2,、约束反力：工件在主动力作用下，其运动将受到工具所阻碍而产生变形。工件在主动力的作用下，其整体运动和质点流动受到工具的约束时就产生约束反力。这样，在工件和工具的接触表面上的约束反力有正压力和摩接力。,正压力,沿工具和工件接触面法线方向阻碍工件整体移动或金属流动的力，它的方向和接触面垂直，指向工件。如图中的,N,摩擦力,沿工具和工件接触面切线方向阻碍金属流动的力，它的方向和接触面平行，并与金属质点流动方向和流动趋势相反。如图中的,T,要注意的是：约束反力与反作用力是不同的。约束反力是作用在工件上的力，而反作用力是作用在工具上的力。,轧制情况比较特殊，轧制时轧件通常靠两个反向转动的轧辊给它的摩擦力使其进入辊缝,，,而摩擦力的产生又必须有正压力的存在，所以轧制时何者是主动力就不好划分，在实际计算中也没有必要划分何者是主动力。轧件充满辊缝后进行稳定轧制时，在轧件和轧辊的接触表面上只有正压力和摩擦力。正压力是沿接触面法向压缩轧件的力；摩擦力是沿接触面切向阻碍轧件质点流动的力。总的正压力和摩擦力的合力是轧辊对轧件的总压力，这个总压力的垂直分力就是我们常说的轧制力。,二、内力和应力,当,在,外力作用下物体的运动受到阻碍时，或由于物理或化学等作用而引起物体内原子之间距离发生改变，在物体内部就会产生内力。内力可由以下两种原因引起：,（,1,）为平衡外力的机械作用将发生内力；,（,2,）在各种物理及物理化学作用下，物体各部分变形大小不同。由于物体是一个整体，各部分的不均匀变形会互相限制，因此物体内部就会产生自相平衡的内力。,内力举例,内力举例,内力产生的实质就是由于原子被迫偏离其平衡位置，原子间距改变的结果。,所谓应力就是内力的强度，内力的大小都是以应力来衡量的。,应力,单位面积上的内力。,应力应该理解为一极小面积,(F),上的总内力,P,与其面积的比值。数学表达式为：,第二节 变形,金属在的受力状态下产生内力后，其形状和尺寸也会发生变化，这种现象称为变形。,一、,弹性变形,当所施加的外力或功不足以克服原子间的作用力时，仅能使原子离开其平衡位置而处于不稳定状态，即原子间距有所改变，其表现为物体产生一定变形。但是，一旦外力撤除，原子仍要回到原来的平衡位置，结果使变形消失。这就是,弹性变形,。,从宏观来看，使金属产生变形的外力去除后金属又恢复到原来的形状或尺寸的变形称之为弹性变形。,二、塑性变形,当所施加的外力或功能够克服原子间的作用力时，原子就会离原有的平衡位置而转移到另外一个平衡位置，此时即使外力撤除，原子也不能恢复到原来的平衡位置，这就是,塑性变形,。,从宏观来看，使金属产生变形的外力去除后金属变形后的尺寸和形状能够保留下来，金属无法恢复到原来的形状或尺寸的变形称之为塑性变形。,第三节 应力状态及其图示,金属压力加工过程中，金属内部产生复的应力状态。研究变形体内的应力状态时，可在变形体内取出一无限小的正六面体（可看成一点），这样就可以认为该六面体各个面上的应力分布是均匀的。在主坐标系的条件下，作用在各个面上的应力只有正应力，切应力为零。,这种只有正应力而切应力为零的平面称之为主平面。主平面上的正应力称为主应力。,一、应力状态,二、应力状态图示,应力状态图示就是在变形体内某点处用截面法截取立方体素，在其三个互相垂直的面上用箭头定性的表示有无主应力存在。从轴向来看，主应力只有拉应力和压应力两种。,为了简化工程计算和定性说明变形体受应力后引起的某些后果，常常把塑性加工过程变形的主要方向，即长、宽、高方向近似认为和主轴方向一致；和长、宽、高垂直的截面看成是主平面，作用于其上的正应力认为是主应力。,几种主要塑性加工过程的应力图示：,塑性加工中常用,例,挤压、轧制为三向压应力,拉拔为两向压应力一向拉应力,拉伸时为三向拉应力,X,1,(-00),X2(+00),M1(-0),M2(-+0),M3(+0),T1(-),T2(-+-),T3(+-),T4(+),塑性加工中变形体内的应力图示取决于工件和工具的形状、接触摩擦和因各种不均匀变形而在工件内引起的自相平衡的附加应力以及在变形前工件内存在的残余应力等。,这些因素不只是单独起作用，往往是几种共同起作用。所以在变形体内往往不是单一的一种应力状态图示。应力图示随变形的进行也常常发生转变。,力学中，规定正应力的符号是拉应力为正，压应力为负。主应力按其代数值的大小排序，即,1,2,3,。规定,1,为最大主应力，,3,是最小主应力，,2,是中间主应力,。,应力状态举例,（,1,）,拉伸一个金属棒，在均匀拉伸变形阶段是单向拉应力图示，可是在拉伸到出细颈后，由于力的传递线（图中虚线）在细颈处弯曲，而在细颈部分就变成三向拉应力。,如前所说，平辊轧制时是一种三向压应力的状态。,1,主要由阻碍金属纵向流动的摩擦力引起；,2,主要由阻碍金属横向流动的摩擦力引起；,3,由轧制力引起。,3,1,2,应力状态举例,（,2,）,实践证明，具有强烈三向压应力的挤压过程，常常使得用其它塑性加工过程难以成型的低塑性金属与合金能够成型而不裂。这是因为拉应力会使金属内细小的疏松、空隙和裂纹等缺陷扩大。压应力有利于减小、抑制或焊合金属内部缺陷。,第四节 变形图示和变形力学图示,为了定性地说明变形区某一小部分或整个变形区的变形情况，常常采用主变形状态图示（简称变形图示）。,所谓变形图示就是在小立方体素的面上用箭头表示三个主变形是否存在（伸长时，箭头外指；缩短时，箭头向里指），但不表示变形大小的图示。,由于受塑性变形时工件体积不变条件的限制，因此可能的变形图示仅有三种：,1,、变形图示,B,1,B,2,B,3,1,）,B,1,变形图示表示,一向缩短两向伸长，称第一类变形图示。如轧制,(,有宽展的情况,),和自由锻压等。,2,）,B,2,变形图示表示,一向伸长一向缩短，称第二类变形图示，或平面变形图示,(,此时横向阻力很大，宽向变形可以忽略,),。,3,）,B,3,变形图示表示,两向缩短一向伸长，称第三类变形图示。如挤压和拉拔。,2,、变形力学图示,为了全面了解压力加工过程，必须将变形过程中的主应力图和主应变图结合分析。,如,轧制过程中变形区内任一点的应力状态图为,T,1,(,),，变形图示为,B,1,(,),。,不同的变形力学图示影响着变形金属的塑性和产品的质量、性能。,从实际的数学角度来看，变形力学的组合可能有,93,27,种，但实际可能的变形力学图示只有,23,种（因,X,1,只能与,B,1,组合；,X,2,只能与,B,3,组合）。,从上述,变形力学图示的介绍中可以看出，变形图示和力学图示存在符号不一致的情况，这是应力图示中各主应力包括有对以引起弹性体积变化的主应力成分，而变形图示中的主变形只包含塑性变形而不包括弹性变形。在三个主应力中都减去平均应力,m,，余下的应力分量应该为,(,1,-,m,),、,(,2,-,m,),、,(,3,-,m,),，这三者的代数符号和变形图示就应该一致了。,平均应力为：,例,从变形体内截取的体素各面上分别作用有,1,50,，,2,-50,，,3,-210MPa,的主应力。此时,MPa,MPa,MPa,MPa,可以看出，和这两个应力分量对应的变形图示为：,1,、,2,是伸长，,3,是缩短（即图,B,3,）。,例,1,例,2,热轧板带时，精轧区域的宽展接近于,0,，与之对应的,2,-,m,0,，即,由此可知,可见在平面变形中，并不是主变形为,0,的方向主应力也为,0,。,