金屬塑性變形理論第9講變形不均勻原因及防止措施課件

1、2021-11-111金屬塑性變形理論Theory of metal plastic deformation 第九講第九講Lesson NineZhang GuijieTel：E-Mail： Department of Metal Material and Process EngineeringHebei Polytechnic University, Tangshan 0630092021-11-112第五章 塑性變形的不均勻性主要內(nèi)容Main Content 變形不均勻的基本概念 變形不均勻的原因 減小變形不均勻的措施 殘余應力2021-11-1135.2 變形不均勻的原因 接觸面上的外摩

2、擦接觸面上的外摩擦 變形區(qū)的幾何因素變形區(qū)的幾何因素 工具與工件的輪廓形狀工具與工件的輪廓形狀 變形體內(nèi)部溫度分布不均變形體內(nèi)部溫度分布不均 變形體的外端變形體的外端 金屬性質(zhì)不均的影響金屬性質(zhì)不均的影響 2021-11-114接觸面上的外摩擦接觸面上的外摩擦 在工具和變形金屬之間的接觸面上必然存在工具和變形金屬之間的接觸面上必然存在摩擦。由于摩擦力的作用，在一定程度在摩擦。由于摩擦力的作用，在一定程度上改變了金屬的流動特性并使應力分布受上改變了金屬的流動特性并使應力分布受到影響。到影響。2021-11-115鐓粗時的分區(qū) 圓柱體鐓粗時，由于接觸面上有摩擦存在，在接圓柱體鐓粗時，由于接觸面上有

3、摩擦存在，在接觸表面附近金屬流動困難，圓柱形坯料轉(zhuǎn)變成鼓觸表面附近金屬流動困難，圓柱形坯料轉(zhuǎn)變成鼓形。在此情況下，可將變形金屬整個體積大致分形。在此情況下，可將變形金屬整個體積大致分為三個區(qū)：為三個區(qū)： 區(qū)表示由外摩擦影響而產(chǎn)生的難變形區(qū)；區(qū)表示由外摩擦影響而產(chǎn)生的難變形區(qū)； 區(qū)表示與作用力成區(qū)表示與作用力成45角的最有利方位的易變角的最有利方位的易變形區(qū)；形區(qū)； 區(qū)表示變形程度居于中間的自由變形區(qū)。區(qū)表示變形程度居于中間的自由變形區(qū)。2021-11-116鐓粗時摩擦力對變形及應力分布的影響鐓粗時摩擦力對變形及應力分布的影響 2021-11-117應力分布不均 外摩擦不僅影響變形，而且使接觸面

4、上的應力外摩擦不僅影響變形，而且使接觸面上的應力（或單位壓力）分布不均勻，沿試樣邊緣的應力（或單位壓力）分布不均勻，沿試樣邊緣的應力等于金屬的屈服極限，從邊緣到中心部分，應力等于金屬的屈服極限，從邊緣到中心部分，應力逐漸升高。逐漸升高。 另外，沿物體高度方向由接觸面至變形體的中部，另外，沿物體高度方向由接觸面至變形體的中部，應力的分布是逐漸減小的，這是因外摩擦的影響應力的分布是逐漸減小的，這是因外摩擦的影響逐漸減弱所致。逐漸減弱所致。 2021-11-1182021-11-119側(cè)面翻平 變形物體在壓縮時，由于接觸摩擦的作用，在出變形物體在壓縮時，由于接觸摩擦的作用，在出現(xiàn)單鼓形的同時，還會出

5、現(xiàn)側(cè)表面的金屬局部地現(xiàn)單鼓形的同時，還會出現(xiàn)側(cè)表面的金屬局部地轉(zhuǎn)移到接觸表面上來的側(cè)面翻平現(xiàn)象。隨著壓下轉(zhuǎn)移到接觸表面上來的側(cè)面翻平現(xiàn)象。隨著壓下率的增加，率的增加，aa和和bb部分由側(cè)表面逐步地轉(zhuǎn)移到端部分由側(cè)表面逐步地轉(zhuǎn)移到端面上來。此側(cè)面翻平現(xiàn)象發(fā)生在側(cè)表面面積的減面上來。此側(cè)面翻平現(xiàn)象發(fā)生在側(cè)表面面積的減小量大于接觸面面積的增加量的時候。如果接觸小量大于接觸面面積的增加量的時候。如果接觸面面積增加量大于側(cè)面的減小量時，則因新的接面面積增加量大于側(cè)面的減小量時，則因新的接觸面的形成將不再吸收側(cè)面的多余面積。觸面的形成將不再吸收側(cè)面的多余面積。2021-11-1110圓柱體垂直剖面上坐標網(wǎng)

6、格在鐓圓柱體垂直剖面上坐標網(wǎng)格在鐓粗過程中的變化粗過程中的變化2021-11-1111 由此可見，物體在壓縮時接觸面積的增加，可由由此可見，物體在壓縮時接觸面積的增加，可由接觸表面上金屬質(zhì)點滑動和側(cè)面質(zhì)點翻平兩部分接觸表面上金屬質(zhì)點滑動和側(cè)面質(zhì)點翻平兩部分組成。側(cè)面金屬翻平量的大小取決于接觸摩擦條組成。側(cè)面金屬翻平量的大小取決于接觸摩擦條件和變形物體的幾何尺寸。接觸面上的摩擦越大，件和變形物體的幾何尺寸。接觸面上的摩擦越大，接觸面上的金屬質(zhì)點越不易滑動，因而側(cè)面金屬接觸面上的金屬質(zhì)點越不易滑動，因而側(cè)面金屬轉(zhuǎn)移上來的數(shù)量就越多。試樣的高度越大，側(cè)面轉(zhuǎn)移上來的數(shù)量就越多。試樣的高度越大，側(cè)面金屬

7、越易于轉(zhuǎn)移到接觸表面上來。當試樣的高度金屬越易于轉(zhuǎn)移到接觸表面上來。當試樣的高度大于直徑時，接觸面積的增加將主要是由側(cè)面金大于直徑時，接觸面積的增加將主要是由側(cè)面金屬的轉(zhuǎn)移所造成。屬的轉(zhuǎn)移所造成。2021-11-1112翻平寬展翻平寬展鼓形寬展鼓形寬展2021-11-1113粘著現(xiàn)象 實驗結(jié)果表明，圓柱體金屬在鐓粗過程中，若接實驗結(jié)果表明，圓柱體金屬在鐓粗過程中，若接觸摩擦較大和高徑比觸摩擦較大和高徑比HD較大時，則在端面的中較大時，則在端面的中心部位有一區(qū)域，在此區(qū)域上金屬質(zhì)點對工具完心部位有一區(qū)域，在此區(qū)域上金屬質(zhì)點對工具完全不產(chǎn)生相對滑動而粘著在一起。此現(xiàn)象稱為粘全不產(chǎn)生相對滑動而粘著在

8、一起。此現(xiàn)象稱為粘著現(xiàn)象。此粘著在一起的區(qū)域稱為粘著區(qū)。此粘著現(xiàn)象。此粘著在一起的區(qū)域稱為粘著區(qū)。此粘著現(xiàn)象也影響到金屬的一定深度，這樣就構(gòu)成了著現(xiàn)象也影響到金屬的一定深度，這樣就構(gòu)成了以粘著區(qū)為基底的圓錐形或近似圓錐形的體積，以粘著區(qū)為基底的圓錐形或近似圓錐形的體積，此體積稱為此體積稱為“難變形區(qū)難變形區(qū)”。2021-11-11142021-11-1115變形區(qū)的幾何因素 在金屬塑性加工中存在著外摩擦，變形的不均勻在金屬塑性加工中存在著外摩擦，變形的不均勻分布情況與變形區(qū)幾何因素分布情況與變形區(qū)幾何因素(如如H/d、H/L、H/B等等)有密切關(guān)系。實驗表明：鐓粗圓柱體時，當試樣有密切關(guān)系。實

9、驗表明：鐓粗圓柱體時，當試樣原始高度與直徑比原始高度與直徑比H/d2.0時才發(fā)生上述的單鼓時才發(fā)生上述的單鼓形不均勻變形。當坯料高度較大且變形程度甚小形不均勻變形。當坯料高度較大且變形程度甚小時時(當當H/d2.0時時)，則往往只產(chǎn)生表面變形，而，則往往只產(chǎn)生表面變形，而中間層的金屬不產(chǎn)生塑性變形或塑性變形甚小，中間層的金屬不產(chǎn)生塑性變形或塑性變形甚小，結(jié)果導致形成雙鼓形。結(jié)果導致形成雙鼓形。 2021-11-11162021-11-1117工具與工件的輪廓形狀工具與工件的輪廓形狀 工具（或坯料）形狀是影響金屬塑性流動工具（或坯料）形狀是影響金屬塑性流動方向的重要因素。工具與金屬形狀的差異，方

10、向的重要因素。工具與金屬形狀的差異，是造成金屬沿各個方向流動的阻力有差異，是造成金屬沿各個方向流動的阻力有差異，因而金屬向各個方向的流動（即變形量）因而金屬向各個方向的流動（即變形量）也有相應差別。也有相應差別。2021-11-1118 如圖所示，在圓形砧或如圖所示，在圓形砧或V型砧中拔長圓斷面坯料時，型砧中拔長圓斷面坯料時，工具的側(cè)面壓力使金屬沿橫向流動受到很大的阻礙，工具的側(cè)面壓力使金屬沿橫向流動受到很大的阻礙，被壓下的金屬大量沿軸向流動，這就使拔長效率大大被壓下的金屬大量沿軸向流動，這就使拔長效率大大提高。當采用圖提高。當采用圖c所示的工具時，則產(chǎn)生相反的結(jié)果，所示的工具時，則產(chǎn)生相反的

11、結(jié)果，金屬易于橫向流動。金屬易于橫向流動。 a b c2021-11-1119 在許多情況下，當工具的形在許多情況下，當工具的形狀已得到了嚴格的控制時，狀已得到了嚴格的控制時，為獲得變形均勻的產(chǎn)品，還為獲得變形均勻的產(chǎn)品，還必須要考慮原始坯料形狀的必須要考慮原始坯料形狀的影響。如果坯料的尺寸和形影響。如果坯料的尺寸和形狀的選擇不當也會使物體產(chǎn)狀的選擇不當也會使物體產(chǎn)生不均勻變形。生不均勻變形。2021-11-1120變形體內(nèi)部溫度分布不均變形體內(nèi)部溫度分布不均 變形物體的溫度不均勻，會造成金屬各部分變形變形物體的溫度不均勻，會造成金屬各部分變形和流動的差異。變形首先發(fā)生在那些變形抗力最和流動的

12、差異。變形首先發(fā)生在那些變形抗力最小的部分。一般，在同一變形物體中高溫部分的小的部分。一般，在同一變形物體中高溫部分的變形抗力低，低溫部分的變形抗力高。這樣，在變形抗力低，低溫部分的變形抗力高。這樣，在同一外力的作用下，高溫部分變形量大，低溫部同一外力的作用下，高溫部分變形量大，低溫部分變形量小。而變形物體是一整體，限制了物體分變形量小。而變形物體是一整體，限制了物體各部分不均勻變形的自由發(fā)展，從而產(chǎn)生相互平各部分不均勻變形的自由發(fā)展，從而產(chǎn)生相互平衡的附加應力。衡的附加應力。 2021-11-1121 在變形體內(nèi)因溫度不同所產(chǎn)生熱膨脹的不同而引在變形體內(nèi)因溫度不同所產(chǎn)生熱膨脹的不同而引起的熱

13、應力，與由不均勻變形所引起的附加應力起的熱應力，與由不均勻變形所引起的附加應力相疊加后，有時會加強應力的不均勻分布，甚至相疊加后，有時會加強應力的不均勻分布，甚至會引起變形物體的斷裂。會引起變形物體的斷裂。 在熱軋中常見到軋件軋出后會出現(xiàn)上翹或下翹現(xiàn)在熱軋中常見到軋件軋出后會出現(xiàn)上翹或下翹現(xiàn)象，產(chǎn)生此現(xiàn)象原因之一就是軋件的溫度不均所象，產(chǎn)生此現(xiàn)象原因之一就是軋件的溫度不均所造成的。造成的。 2021-11-1122鋁鋁鋼雙金屬軋制時由不均勻鋼雙金屬軋制時由不均勻變形產(chǎn)生的彎曲現(xiàn)象變形產(chǎn)生的彎曲現(xiàn)象 2021-11-1123變形體的外端變形體的外端 外端（未變形的金屬）對變形區(qū)金屬的影響主要外端

14、（未變形的金屬）對變形區(qū)金屬的影響主要是阻礙變形區(qū)金屬流動，進而產(chǎn)生或加劇附加的是阻礙變形區(qū)金屬流動，進而產(chǎn)生或加劇附加的應力和應變。在自由鍛造中，除鐓粗外的其他變應力和應變。在自由鍛造中，除鐓粗外的其他變形工序，工具只與坯料的一部分接觸，變形是分形工序，工具只與坯料的一部分接觸，變形是分段逐步進行的，因此，變形區(qū)金屬的流動是受到段逐步進行的，因此，變形區(qū)金屬的流動是受到外端的制約的。外端的制約的。2021-11-1124封閉形外端 在被壓縮體積的外部存在有封閉形外端時，一方面，被壓在被壓縮體積的外部存在有封閉形外端時，一方面，被壓縮體積的變形要影響到外端的一定區(qū)域。另一方面，外端縮體積的變形

15、要影響到外端的一定區(qū)域。另一方面，外端會阻礙被壓縮體積的向外擴展。會阻礙被壓縮體積的向外擴展。 若外端的體積甚小時，則在變形過程中，在被壓縮體積變?nèi)敉舛说捏w積甚小時，則在變形過程中，在被壓縮體積變形的影響下，外端的高度也會有所減小，外端向外擴展。形的影響下，外端的高度也會有所減小，外端向外擴展。如果外端的體積較大，則被壓縮體積的變形很難進行。若如果外端的體積較大，則被壓縮體積的變形很難進行。若所施的壓力非常大時，也可以把工具所施的壓力非常大時，也可以把工具(壓頭壓頭)壓人變形物體壓人變形物體內(nèi)，此時部分變形金屬將沿工具的周圍被擠出?？梢姡饍?nèi)，此時部分變形金屬將沿工具的周圍被擠出?？梢姡饘僭?/p>

16、具有封閉形外端條件下的壓縮與無外端時有很大差別。屬在具有封閉形外端條件下的壓縮與無外端時有很大差別。封閉形外端可以減小被壓縮物體的不均勻變形，并可使其封閉形外端可以減小被壓縮物體的不均勻變形，并可使其三向壓應力狀態(tài)增強。三向壓應力狀態(tài)增強。 2021-11-11252021-11-1126非封閉形外端 在金屬壓力加工中屬于非封閉形外端的變在金屬壓力加工中屬于非封閉形外端的變形過程較多，例如，鍛造延伸，拉拔等。形過程較多，例如，鍛造延伸，拉拔等。2021-11-1127 外端對變形物體的縱向延伸有強迫外端對變形物體的縱向延伸有強迫“拉齊拉齊”作用，作用，使變形物體沿高度方向的縱向延伸趨于一致。結(jié)

17、使變形物體沿高度方向的縱向延伸趨于一致。結(jié)果，在變形區(qū)內(nèi)于自由延伸大的中部產(chǎn)生附加壓果，在變形區(qū)內(nèi)于自由延伸大的中部產(chǎn)生附加壓應力，于自由延伸小的端部產(chǎn)生附加拉應力。此應力，于自由延伸小的端部產(chǎn)生附加拉應力。此外，變形物體為一整體，變形物體的縱向延伸的外，變形物體為一整體，變形物體的縱向延伸的變化也必然會影響著橫向?qū)捳沟淖兓?。變化也必然會影響著橫向?qū)捳沟淖兓?021-11-1128 在變形區(qū)的中部，由于外端對縱向延伸的在變形區(qū)的中部，由于外端對縱向延伸的“拉齊拉齊”作用使自由延伸減小的結(jié)果，使寬展被迫增大，作用使自由延伸減小的結(jié)果，使寬展被迫增大，而在端部由于使自由延伸的被迫增加，使寬展減而

18、在端部由于使自由延伸的被迫增加，使寬展減小。結(jié)果，由于外端對縱向延伸的小。結(jié)果，由于外端對縱向延伸的“拉齊拉齊”作用，作用，使變形區(qū)沿高向的中部產(chǎn)生的寬展最大，端部寬使變形區(qū)沿高向的中部產(chǎn)生的寬展最大，端部寬展最小。這樣，由于外端的存在，使變形物體的展最小。這樣，由于外端的存在，使變形物體的縱向變形的不均勻性減小，橫向變形的不均勻性縱向變形的不均勻性減小，橫向變形的不均勻性增大。增大。2021-11-1129金屬性質(zhì)不均的影響金屬性質(zhì)不均的影響 變形金屬中的化學成分、組織結(jié)構(gòu)、夾雜物、相變形金屬中的化學成分、組織結(jié)構(gòu)、夾雜物、相的形態(tài)等分布不均會造成金屬各部分的變形和流的形態(tài)等分布不均會造成金

19、屬各部分的變形和流動的差異。例如，在受拉伸的金屬內(nèi)存在一團雜動的差異。例如，在受拉伸的金屬內(nèi)存在一團雜質(zhì)，由于雜質(zhì)和其周圍晶粒的性質(zhì)不同，出現(xiàn)應質(zhì)，由于雜質(zhì)和其周圍晶粒的性質(zhì)不同，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，結(jié)果這種缺陷周圍的晶粒必須發(fā)生力集中現(xiàn)象，結(jié)果這種缺陷周圍的晶粒必須發(fā)生不均勻變形，并會產(chǎn)生晶間及晶內(nèi)附加應力。不均勻變形，并會產(chǎn)生晶間及晶內(nèi)附加應力。2021-11-11305.3 變形不均的防止措施 變形不均產(chǎn)生的后果變形不均產(chǎn)生的后果 減輕變形不均的措施減輕變形不均的措施 2021-11-1131變形不均產(chǎn)生的后果變形不均產(chǎn)生的后果 使單位變形力增大使單位變形力增大 當變形不均勻分布時，將使物

20、體內(nèi)部產(chǎn)生相互平當變形不均勻分布時，將使物體內(nèi)部產(chǎn)生相互平衡的附加應力，使變形能量消耗增加，也使單位衡的附加應力，使變形能量消耗增加，也使單位變形力增大。此外，當應力不均勻分布時，將使變形力增大。此外，當應力不均勻分布時，將使變形體內(nèi)實際的應力分布情況與基本應力有很大變形體內(nèi)實際的應力分布情況與基本應力有很大不同，有時雖然作用著單向的基本應力，但工作不同，有時雖然作用著單向的基本應力，但工作應力卻可能變成三向同名應力狀態(tài)，此時也會使應力卻可能變成三向同名應力狀態(tài)，此時也會使單位變形力增大。單位變形力增大。 2021-11-1132 使塑性降低使塑性降低 在具有應力不均勻分布的變形物體內(nèi)，當某處

21、的在具有應力不均勻分布的變形物體內(nèi)，當某處的工作應力達到金屬的斷裂強度時，則在該處將首工作應力達到金屬的斷裂強度時，則在該處將首先產(chǎn)生斷裂，從而導致金屬的塑性下降。先產(chǎn)生斷裂，從而導致金屬的塑性下降。 2021-11-1133擠壓件上表面裂紋及應力分布圖擠壓件上表面裂紋及應力分布圖2021-11-1134 使產(chǎn)品質(zhì)量降低使產(chǎn)品質(zhì)量降低 由于變形的不均勻分布使物體內(nèi)產(chǎn)生附加應力，由于變形的不均勻分布使物體內(nèi)產(chǎn)生附加應力，若變形后物體的溫度較低不足以消除此附加應力若變形后物體的溫度較低不足以消除此附加應力時，則在物體內(nèi)將存有殘余應力，從而使物體的時，則在物體內(nèi)將存有殘余應力，從而使物體的力學性能下

22、降。同時，由于變形體內(nèi)各處的變形力學性能下降。同時，由于變形體內(nèi)各處的變形不同，其再結(jié)晶后各處的晶粒大小也不同，造成不同，其再結(jié)晶后各處的晶粒大小也不同，造成組織與性能分布不均。組織與性能分布不均。 2021-11-1135摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)f不同時塑壓件退火不同時塑壓件退火后中心軸上晶粒大小分布后中心軸上晶粒大小分布2021-11-1136 使技術(shù)操作復雜使技術(shù)操作復雜 由于變形體內(nèi)應力的分布不均，使加工工具的各由于變形體內(nèi)應力的分布不均，使加工工具的各部分受力不均，以致使工具各部分的彈性變形和部分受力不均，以致使工具各部分的彈性變形和磨損不均。這樣就使工具設(shè)計、制造和維護復雜。磨損不均。這樣就使工具設(shè)計、制造和維護復雜。同時也使對材料進行的熱處理制度復雜化。同時也使對材料進行的熱處理制度復雜化。 2021-11-1137減輕變形不均的措施減輕變形不均的措施 正確選定變形的溫度速度制度正確選定變形的溫度速度制度 變形溫度應保證物體在單相區(qū)