材料成型金屬學ch03金屬塑性變形的宏觀規(guī)律

1、3.金屬塑性變形的宏觀規(guī)律金屬塑性變形的宏觀規(guī)律3.13.1基本概念和研究方法基本概念和研究方法3.1.13.1.1均勻變形與不均勻變形均勻變形與不均勻變形n均勻變形均勻變形：變形區(qū)某體積內(nèi)的所有點的變形狀態(tài)都相同：變形區(qū)某體積內(nèi)的所有點的變形狀態(tài)都相同, ,則此體積的變形稱為均勻變形。則此體積的變形稱為均勻變形。n均勻變形物體中任一點處均勻變形物體中任一點處, ,立方體變?yōu)樾苯橇骟w立方體變?yōu)樾苯橇骟w. .n均勻變形后任一點的坐標為其變形前坐標的線性函數(shù)。均勻變形后任一點的坐標為其變形前坐標的線性函數(shù)。均勻變形的基本特點均勻變形的基本特點變形前變形后1(平行)平面和直線(平行)平面和直線2

2、二階曲面(如:球體)二階曲面(橢球體)3幾何相似且位置相似的單元體幾何相似的單元體均勻變形條件均勻變形條件n變形物體為各向同性變形物體為各向同性. .n變形物體內(nèi)各點處物理狀態(tài)相同變形物體內(nèi)各點處物理狀態(tài)相同( (溫度、變形抗力等溫度、變形抗力等).).n接觸面上任一點的絕對壓下量和相對壓下量相同接觸面上任一點的絕對壓下量和相對壓下量相同. .n整個變形物體同時處于工具的直接作用下整個變形物體同時處于工具的直接作用下. .n接觸面上完全沒有接觸摩擦或沒有接觸摩擦引起的阻力接觸面上完全沒有接觸摩擦或沒有接觸摩擦引起的阻力. .3.1.23.1.2基本應(yīng)力與附加應(yīng)力基本應(yīng)力與附加應(yīng)力n基本應(yīng)力基本

3、應(yīng)力 : : 物體在塑性變形狀態(tài)中物體在塑性變形狀態(tài)中, ,完全根據(jù)彈性完全根據(jù)彈性狀態(tài)所測出的應(yīng)力狀態(tài)所測出的應(yīng)力. . 當使物體產(chǎn)生塑性變形的外力去除后當使物體產(chǎn)生塑性變形的外力去除后彈性變形恢復(fù)彈性變形恢復(fù), ,此基本應(yīng)力消失此基本應(yīng)力消失. . 基本應(yīng)力是由于外力的作用所引起的基本應(yīng)力是由于外力的作用所引起的應(yīng)力應(yīng)力. .附加應(yīng)力附加應(yīng)力 : :物體產(chǎn)生不均勻變形時物體產(chǎn)生不均勻變形時, ,具有不同變形的各部分間具有不同變形的各部分間產(chǎn)生的相互平衡的應(yīng)力產(chǎn)生的相互平衡的應(yīng)力. .由于內(nèi)力所產(chǎn)生的應(yīng)力由于內(nèi)力所產(chǎn)生的應(yīng)力. .外力去除變形終止后外力去除變形終止后, ,此此附加應(yīng)力仍將保留

4、在變形附加應(yīng)力仍將保留在變形物體內(nèi)物體內(nèi). .殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力 : :此保留下來的附加應(yīng)力此保留下來的附加應(yīng)力工作應(yīng)力工作應(yīng)力 : :對變形物體實測出來的應(yīng)力對變形物體實測出來的應(yīng)力. .是基本應(yīng)力與附加應(yīng)力的代數(shù)和是基本應(yīng)力與附加應(yīng)力的代數(shù)和. .當物體的變形絕對均勻時當物體的變形絕對均勻時, ,其基本應(yīng)力與工作應(yīng)力相等其基本應(yīng)力與工作應(yīng)力相等. .變形不均勻分布時變形不均勻分布時, ,工作應(yīng)力等于基本應(yīng)力與附加應(yīng)力的代數(shù)和工作應(yīng)力等于基本應(yīng)力與附加應(yīng)力的代數(shù)和. .附加應(yīng)力的分類附加應(yīng)力的分類n變形物體的幾個大部分間由于不均勻變形所引起的相互變形物體的幾個大部分間由于不均勻變形所引起的相互

5、平衡的附加應(yīng)力平衡的附加應(yīng)力. .n變形物體局部的各部分之間變形物體局部的各部分之間( (如兩個或幾個晶粒間如兩個或幾個晶粒間) )由于由于不均勻變形所引起的相互平衡的附加應(yīng)力不均勻變形所引起的相互平衡的附加應(yīng)力. .n變形物體的一個晶體內(nèi)的各部分間由于不均勻變形所引變形物體的一個晶體內(nèi)的各部分間由于不均勻變形所引起的附加應(yīng)力起的附加應(yīng)力. .3.1.33.1.3研究變形分布的主要方法研究變形分布的主要方法n坐標網(wǎng)格法坐標網(wǎng)格法：它是研究金屬塑性加工中變形它是研究金屬塑性加工中變形區(qū)內(nèi)金屬流動情況應(yīng)用最廣的方法。其實質(zhì)區(qū)內(nèi)金屬流動情況應(yīng)用最廣的方法。其實質(zhì)是觀察變形前后，各網(wǎng)格所限定的區(qū)域金屬

6、是觀察變形前后，各網(wǎng)格所限定的區(qū)域金屬幾何形狀的變化。目前網(wǎng)格法可作定量分析。幾何形狀的變化。目前網(wǎng)格法可作定量分析。 n硬度法硬度法：變形程度越大，加工硬化越強，金：變形程度越大，加工硬化越強，金屬硬度越大。是一種極粗略的定量法，適用屬硬度越大。是一種極粗略的定量法，適用于對加工硬化敏感的金屬于對加工硬化敏感的金屬n比較晶粒法比較晶粒法：變形程度增大，晶粒變細。適：變形程度增大，晶粒變細。適用于影響晶粒大小的因素之有變形程度而無用于影響晶粒大小的因素之有變形程度而無其它的情況。變形程度較大時，不適用。其它的情況。變形程度較大時，不適用。利利用再結(jié)晶圖，近似地得出變形體內(nèi)各處的變用再結(jié)晶圖，近

7、似地得出變形體內(nèi)各處的變形程度。此法也只能定性地顯示變形分布情形程度。此法也只能定性地顯示變形分布情況。對于熱變形，因該過程中發(fā)生了再結(jié)晶況。對于熱變形，因該過程中發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象，就很難判斷變形的分布。現(xiàn)象，就很難判斷變形的分布。 n云紋法、示蹤原子法、光塑性法等云紋法、示蹤原子法、光塑性法等組合圓柱體的壓縮組合圓柱體的壓縮坐標網(wǎng)的方格變化坐標網(wǎng)的方格變化a a 無剪變形時正方形變?yōu)殚L方形；無剪變形時正方形變?yōu)殚L方形； b b 有剪變形時正方形變?yōu)槠叫兴倪呅?。有剪變形時正方形變?yōu)槠叫兴倪呅?。r0r0原來的內(nèi)切圓半徑；原來的內(nèi)切圓半徑；a a和和b b為無剪變形時橢圓形的軸徑；為無剪變形時橢圓

8、形的軸徑；r1r1和和r2r2為有剪變形時橢圓形的軸徑為有剪變形時橢圓形的軸徑3.23.2自由變形理論自由變形理論n自由變形自由變形 : : 不由變形工具形成的空間尺寸所限定的變形不由變形工具形成的空間尺寸所限定的變形. . 如如: :直角六面體在二平錘頭間壓縮、板材在二平軋輥間軋制直角六面體在二平錘頭間壓縮、板材在二平軋輥間軋制. .n自由變形方向、自由變形平面自由變形方向、自由變形平面. .n自由變形理論可以用來確定自由變形理論可以用來確定: :n自由特性變形彼此間的比值自由特性變形彼此間的比值n金屬塑性流動的運動學圖形金屬塑性流動的運動學圖形1.1.由于不均勻變形由于不均勻變形, ,位于

9、自由平面內(nèi)的斷面所得到的形狀位于自由平面內(nèi)的斷面所得到的形狀自由變形理論基礎(chǔ)自由變形理論基礎(chǔ): :最小阻力定律最小阻力定律-當物體各質(zhì)點有在不同方向移動的可當物體各質(zhì)點有在不同方向移動的可能時能時, ,變形物體內(nèi)的每一個質(zhì)點都將沿變形物體內(nèi)的每一個質(zhì)點都將沿其最小阻力方向移動其最小阻力方向移動. .移動各點的軌跡在自由變形平面的投移動各點的軌跡在自由變形平面的投影影, ,與位于此平面的斷面周邊的最短法與位于此平面的斷面周邊的最短法線重合線重合. .因此最短法線方向就是最小阻因此最短法線方向就是最小阻力方向力方向. .意義意義: :預(yù)測變形物體在自由變形平面內(nèi)預(yù)測變形物體在自由變形平面內(nèi)的斷面形

10、狀的斷面形狀. .n最小周邊法則最小周邊法則 : : 當最小阻力方向即為最短法線方向時當最小阻力方向即為最短法線方向時, ,任意斷面形狀任意斷面形狀的柱體鐓粗的柱體鐓粗, ,斷面形狀將趨于圓形斷面形狀將趨于圓形, ,因為圓形斷面的周因為圓形斷面的周界最小界最小. .n最短法線方向是最小阻力方向的條件最短法線方向是最小阻力方向的條件 : :n接觸摩擦為各向同性接觸摩擦為各向同性, ,即在任何方向上接觸摩擦阻力即在任何方向上接觸摩擦阻力均相同均相同. .n接觸摩擦系數(shù)具有較高的數(shù)值接觸摩擦系數(shù)具有較高的數(shù)值. .接觸摩擦系數(shù)的各向異性對運動學圖形的形式會產(chǎn)生重大影響：接觸摩擦系數(shù)的各向異性對運動學

11、圖形的形式會產(chǎn)生重大影響：試樣長軸位于摩擦系數(shù)最小的方向上時，延伸大，寬展小。試樣長軸位于摩擦系數(shù)最小的方向上時，延伸大，寬展小。試樣長軸位于摩擦系數(shù)最大的方向上時，寬展大，延伸小。試樣長軸位于摩擦系數(shù)最大的方向上時，寬展大，延伸小。自由變形理論在確定變形物體的縱向和橫向的變形關(guān)系時具自由變形理論在確定變形物體的縱向和橫向的變形關(guān)系時具有重要意義有重要意義. .壓下量相同，軋制寬度相同軋件時，用大軋輥，寬展大。壓下量相同，軋制寬度相同軋件時，用大軋輥，寬展大。3.33.3影響金屬變形行為的因素及所呈現(xiàn)的現(xiàn)象影響金屬變形行為的因素及所呈現(xiàn)的現(xiàn)象影響金屬變形行為的因素影響金屬變形行為的因素 ：n接

12、觸摩擦接觸摩擦n變形物體的外端變形物體的外端n變形物體的幾何形狀和工具形狀變形物體的幾何形狀和工具形狀n變形物體的溫度不均和組織不均變形物體的溫度不均和組織不均3.3.13.3.1接觸摩擦接觸摩擦一、呈現(xiàn)單鼓形的三個變形區(qū)一、呈現(xiàn)單鼓形的三個變形區(qū)區(qū)區(qū): :難變形區(qū)，硬取向，三向壓應(yīng)力狀難變形區(qū)，硬取向，三向壓應(yīng)力狀態(tài)。附加拉應(yīng)力較小態(tài)。附加拉應(yīng)力較小. .區(qū)區(qū): :易變形區(qū)，軟取向，三向壓應(yīng)力狀易變形區(qū)，軟取向，三向壓應(yīng)力狀態(tài)。附加壓應(yīng)力態(tài)。附加壓應(yīng)力. .區(qū)區(qū): :自由變形區(qū)，二壓一拉應(yīng)力狀態(tài)：自由變形區(qū)，二壓一拉應(yīng)力狀態(tài)：環(huán)向拉，徑向壓。環(huán)向附加拉應(yīng)力環(huán)向拉，徑向壓。環(huán)向附加拉應(yīng)力. .

13、圓柱體鐓粗時相對鼓形體積與試樣幾何尺寸的關(guān)系圓柱體鐓粗時相對鼓形體積與試樣幾何尺寸的關(guān)系鼓形程度開始時隨著壓下率增加而增加，并達到最大值，之后逐漸鼓形程度開始時隨著壓下率增加而增加，并達到最大值，之后逐漸減小。原始減小。原始H/dH/d越小越小( (短試樣短試樣) )，鼓形越小，且在變形程度較小時，鼓形越小，且在變形程度較小時，達到鼓形的最大值。達到鼓形的最大值。二、呈現(xiàn)雙鼓形二、呈現(xiàn)雙鼓形單鼓幾何條件單鼓幾何條件 ：H/d2H/d2雙鼓幾何條件雙鼓幾何條件 ：H/d2H/d2區(qū)：圓柱體形狀區(qū)：圓柱體形狀 垂直單向壓應(yīng)力垂直單向壓應(yīng)力 均勻的塑性變形或彈性變形均勻的塑性變形或彈性變形雙鼓雙鼓單

14、鼓：單鼓：隨著壓下率增加，隨著壓下率增加，H/d H/d ，兩個難變形，兩個難變形區(qū)錐區(qū)錐區(qū)靠近時。區(qū)靠近時。雙鼓形影響因素雙鼓形影響因素 ：壓下率，接觸摩擦，變形區(qū)的幾何因素，壓下率，接觸摩擦，變形區(qū)的幾何因素，變形速度。變形速度。三、側(cè)面翻平現(xiàn)象三、側(cè)面翻平現(xiàn)象側(cè)面翻平現(xiàn)象：側(cè)面翻平現(xiàn)象：由于接觸摩擦的作用，在出現(xiàn)單鼓形由于接觸摩擦的作用，在出現(xiàn)單鼓形的同時出現(xiàn)的側(cè)表面金屬局部地轉(zhuǎn)移的同時出現(xiàn)的側(cè)表面金屬局部地轉(zhuǎn)移到接觸表面上來的現(xiàn)象。到接觸表面上來的現(xiàn)象。發(fā)生條件發(fā)生條件 ：側(cè)表面面積的減小量大于接觸面面積側(cè)表面面積的減小量大于接觸面面積的增加量。的增加量。接觸面積的增加接觸表面上金屬質(zhì)

15、接觸面積的增加接觸表面上金屬質(zhì)點滑動側(cè)面質(zhì)點翻平點滑動側(cè)面質(zhì)點翻平側(cè)面金屬翻平量大小的影響因素側(cè)面金屬翻平量大小的影響因素 ：接觸摩擦條件接觸摩擦條件變形物體的幾何尺寸。變形物體的幾何尺寸。原側(cè)面上原側(cè)面上aaaa和和bbbb鐓粗后轉(zhuǎn)移到端面鐓粗后轉(zhuǎn)移到端面四、粘著現(xiàn)象四、粘著現(xiàn)象n粘著現(xiàn)象粘著現(xiàn)象：圓柱體鐓粗，若接觸摩擦較大和高徑比：圓柱體鐓粗，若接觸摩擦較大和高徑比H/dH/d較大時，在端較大時，在端面中心部位有一區(qū)域，金屬質(zhì)點對工具完全不產(chǎn)生相對滑動而粘著在面中心部位有一區(qū)域，金屬質(zhì)點對工具完全不產(chǎn)生相對滑動而粘著在一起。一起。n粘著區(qū)粘著區(qū)：此粘著在一起的區(qū)域。：此粘著在一起的區(qū)域。n

16、難變形區(qū)難變形區(qū)：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n影響粘著區(qū)大小的因素影響粘著區(qū)大小的因素： 1.1.變形區(qū)幾何因素：變形區(qū)幾何因素：H/dH/d，粘著區(qū)，粘著區(qū)。 2.2.接觸摩擦：接觸摩擦接觸摩擦：接觸摩擦，粘著區(qū)，粘著區(qū)。n全粘著現(xiàn)象全粘著現(xiàn)象：在接觸摩擦較大，：在接觸摩擦較大，H/dH/d增加到一定程度，接觸表面上不增加到一定程度，接觸表面上不存在變形金屬質(zhì)點與工具間的相對滑動，即無滑動區(qū)時，接觸面的面存在變形金屬質(zhì)點與工具間的相對滑動，即無滑動區(qū)時，接觸面的面積增加僅由側(cè)面金屬的翻平造成。積增加僅由側(cè)面金屬的翻平造成。n全滑動區(qū)全滑

17、動區(qū)：接觸摩擦較小，：接觸摩擦較小，H/dH/d減小到一定程度時，粘著區(qū)完全消失，減小到一定程度時，粘著區(qū)完全消失，接觸表面為全滑動區(qū)。接觸表面為全滑動區(qū)。n接觸表面上粘著區(qū)與滑動區(qū)同時存在。接觸面積的增加接觸表面上接觸表面上粘著區(qū)與滑動區(qū)同時存在。接觸面積的增加接觸表面上金屬質(zhì)點滑動側(cè)面質(zhì)點翻平金屬質(zhì)點滑動側(cè)面質(zhì)點翻平圓柱體鐓粗時出現(xiàn)的粘著區(qū)及難變形區(qū)圓柱體鐓粗時出現(xiàn)的粘著區(qū)及難變形區(qū)五、接觸表面上應(yīng)力分布不均五、接觸表面上應(yīng)力分布不均 試件邊緣的應(yīng)力等于變形金屬的屈服點，由邊緣試件邊緣的應(yīng)力等于變形金屬的屈服點，由邊緣向中心應(yīng)力逐漸增高。由于接觸摩擦的作用向中心應(yīng)力逐漸增高。由于接觸摩擦的

18、作用. .n外端：變形過程中某一瞬間變形物體不直接承受外端：變形過程中某一瞬間變形物體不直接承受工具作用而處于變形區(qū)以外的部分。工具作用而處于變形區(qū)以外的部分。n外端分為外端分為封閉形外端封閉形外端和和非封閉形外端非封閉形外端。3.3.23.3.2變形物體的外端變形物體的外端被壓縮體積的變形要影響到外端的被壓縮體積的變形要影響到外端的一定區(qū)域一定區(qū)域; ;外端會阻礙被壓縮體積的向外擴展外端會阻礙被壓縮體積的向外擴展. .外端體積小時：外端高度減小外端體積小時：外端高度減小( (向周向周邊減弱邊減弱) )，外端向外擴展。，外端向外擴展。外端體積大時：變形很難進行。外外端體積大時：變形很難進行。外

19、壓力非常大時壓力非常大時, ,工具壓入，部分金工具壓入，部分金屬沿工具周圍被擠出。屬沿工具周圍被擠出。封閉形外端可減小被壓縮物體的不封閉形外端可減小被壓縮物體的不均勻變形，使其三向壓應(yīng)力狀態(tài)均勻變形，使其三向壓應(yīng)力狀態(tài)增強。增強。 封閉形外端下的塑壓變形封閉形外端下的塑壓變形1-1-工件，工件，2-2-外端，外端，3-3-工具工具封閉形外端封閉形外端非封閉形外端（鍛造延伸、拉拔等）非封閉形外端（鍛造延伸、拉拔等）1)H/l21)H/l2：無外端時：無外端時： 沿變形區(qū)高度沿變形區(qū)高度, ,中部延伸和寬展較大中部延伸和寬展較大, ,端部較小端部較小. . 單鼓單鼓; ; ABCDABCD; AB

20、CDABCD; 有外端時：有外端時： 外端對變形物體沿高度方向的縱向延外端對變形物體沿高度方向的縱向延伸有伸有”拉齊拉齊”作用作用; ; 中部中部: :附加壓應(yīng)力附加壓應(yīng)力; ; 端部端部: :附加拉應(yīng)力附加拉應(yīng)力; ; ABCD A”B”C”D” ABCD A”B”C”D” 由于外端對縱向延伸的由于外端對縱向延伸的”拉齊拉齊”作用作用, ,使變形區(qū)沿高向的中部的寬展最大使變形區(qū)沿高向的中部的寬展最大, ,端部寬展最小端部寬展最小. .矩形件局部壓縮時外端對延伸矩形件局部壓縮時外端對延伸及寬展的影響及寬展的影響1-1-工具，工具， 2-2-外端，外端，3-3-變形區(qū)變形區(qū)外端作用外端作用: :

21、變形物體的縱向變形的不均勻性減小變形物體的縱向變形的不均勻性減小, ,橫橫向變形的不均勻性增加向變形的不均勻性增加. .n沿變形區(qū)寬度方向（橫向）：沿變形區(qū)寬度方向（橫向）： 縱向延伸更均勻縱向延伸更均勻 中部：縱向附加壓應(yīng)力中部：縱向附加壓應(yīng)力 邊部：縱向附加拉應(yīng)力邊部：縱向附加拉應(yīng)力n沿變形區(qū)長度方向（縱向）：沿變形區(qū)長度方向（縱向）： 外端加劇了橫向變形的不均勻性外端加劇了橫向變形的不均勻性 靠近外端：寬展小靠近外端：寬展小 遠離外端：寬展大遠離外端：寬展大 變形區(qū)越長，外端對寬展影響越小。變形區(qū)越長，外端對寬展影響越小。H/l2H/l2的高件局部壓縮：的高件局部壓縮： 無外端時：雙鼓無

22、外端時：雙鼓 有外端時：拉齊有外端時：拉齊: :縱向不均勻性縱向不均勻性，橫向不均勻性，橫向不均勻性。 靠近外端的鼓形處靠近外端的鼓形處: :縱向附加壓應(yīng)力縱向附加壓應(yīng)力, , 寬展增大；寬展增大； 沿變形區(qū)高度的中部沿變形區(qū)高度的中部: :縱向附加拉應(yīng)力縱向附加拉應(yīng)力, ,寬展減小寬展減小. . 3.3.33.3.3變形工具和坯料的輪廓形狀變形工具和坯料的輪廓形狀 造成變形物體內(nèi)變形與應(yīng)力不均勻分布的根本原因造成變形物體內(nèi)變形與應(yīng)力不均勻分布的根本原因是沿某一方向上所經(jīng)受的變形量不同是沿某一方向上所經(jīng)受的變形量不同. . 工具與金屬形狀的差異，是造成金屬沿各個方向流工具與金屬形狀的差異，是造

23、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（即變形動的阻力有差異，因而金屬向各個方向的流動（即變形量）也有相應(yīng)差別。量）也有相應(yīng)差別。工具形狀典型實例工具形狀典型實例: :變形體橫斷面上延伸不均勻變形體橫斷面上延伸不均勻. .二凸形輥間軋制矩形斷面坯料二凸形輥間軋制矩形斷面坯料; ;擠壓或拉伸棒材的后端凹入；擠壓或拉伸棒材的后端凹入；平砧下鐓粗圓柱體時出現(xiàn)的鼓形平砧下鐓粗圓柱體時出現(xiàn)的鼓形; ;板材軋制時易出現(xiàn)舌頭和魚尾板材軋制時易出現(xiàn)舌頭和魚尾典型實例典型實例:二平輥軋制兩側(cè)厚中間薄的坯料二平輥軋制兩側(cè)厚中間薄的坯料中間中間: 附加拉應(yīng)力附加拉應(yīng)力;兩側(cè)兩側(cè): 附加壓應(yīng)力附加

24、壓應(yīng)力.實際情況實際情況: 兩側(cè)延伸兩側(cè)延伸中間延伸中間延伸如兩側(cè)寬度如兩側(cè)寬度中間寬度中間寬度:中部中部: c; 周期性斷裂周期性斷裂如兩側(cè)寬度如兩側(cè)寬度中間寬度中間寬度:中部不斷裂中部不斷裂,兩側(cè)產(chǎn)生皺紋兩側(cè)產(chǎn)生皺紋 型鉆中拔長型鉆中拔長 a) a) 圓型砧圓型砧 b) V b) V型砧型砧 c) c) 凸型砧凸型砧沿孔型寬度上延伸分布圖沿孔型寬度上延伸分布圖 其他實例其他實例3.3.43.3.4變形物體溫度分布不均變形物體溫度分布不均n同一變形物體中：同一變形物體中： 高溫部分高溫部分: :變形抗力低，變形大。變形抗力低，變形大。附加壓應(yīng)力附加壓應(yīng)力 低溫部分低溫部分: :變形抗力高，變

25、形小。變形抗力高，變形小。附加拉應(yīng)力附加拉應(yīng)力 n變形物體內(nèi)因溫度不同所產(chǎn)生熱變形物體內(nèi)因溫度不同所產(chǎn)生熱膨脹不同而引起的熱應(yīng)力，與由膨脹不同而引起的熱應(yīng)力，與由不均勻變形所引起的附加應(yīng)力相不均勻變形所引起的附加應(yīng)力相疊加后，有時會加強應(yīng)力的不均疊加后，有時會加強應(yīng)力的不均勻分布，甚至引起斷裂。勻分布，甚至引起斷裂。n舉例：舉例： 軋件軋后上翹、下翹：原因之一是軋件軋后上翹、下翹：原因之一是鋼坯加熱時上或下加熱不足。鋼坯加熱時上或下加熱不足。 鋁鋼雙層金屬軋制：鋁變形抗力低鋁鋼雙層金屬軋制：鋁變形抗力低于鋼于鋼, ,軋件向鋼側(cè)彎曲軋件向鋼側(cè)彎曲 鋁鋁鋼雙金屬軋制時由不鋼雙金屬軋制時由不均勻變形

26、產(chǎn)生的彎曲現(xiàn)象均勻變形產(chǎn)生的彎曲現(xiàn)象3.3.53.3.5變形金屬的材質(zhì)不均變形金屬的材質(zhì)不均 變形金屬中的化學成分、組織結(jié)構(gòu)、夾雜物、相的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動的差異。形態(tài)等分布不均會造成金屬各部分的變形和流動的差異。如雜質(zhì)和其周圍晶粒的性質(zhì)不同，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如雜質(zhì)和其周圍晶粒的性質(zhì)不同，出現(xiàn)應(yīng)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)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(yīng)力。生晶間及晶內(nèi)附加應(yīng)力。3.43.4變形不均勻分布所引起的后果及防止措施變形不均勻分布所引起的后果及防止措

27、施n變形程度：造成變形后組織不變形程度：造成變形后組織不均均, ,如晶粒大小和形狀不均如晶粒大小和形狀不均, ,夾夾雜物分布不均雜物分布不均, ,相狀態(tài)不均等相狀態(tài)不均等, ,引起強度、塑性、韌性等不均引起強度、塑性、韌性等不均. .n接觸摩擦：圓柱體鐓粗接觸摩擦：圓柱體鐓粗, ,摩擦摩擦系數(shù)越大系數(shù)越大, ,晶粒大小越不均晶粒大小越不均, ,產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量越差品質(zhì)量越差. .n不均勻變形影響產(chǎn)品形狀和尺不均勻變形影響產(chǎn)品形狀和尺寸寸: :薄板軋制時壓下率不均，薄板軋制時壓下率不均，產(chǎn)生鐮刀彎、翹曲、皺紋等；產(chǎn)生鐮刀彎、翹曲、皺紋等；n不均勻變形造成殘余應(yīng)力不均勻變形造成殘余應(yīng)力3.4.13.4.

28、1使變形后的組織性能不均，使變形后的組織性能不均，尺寸形狀不合，產(chǎn)品質(zhì)量下降尺寸形狀不合，產(chǎn)品質(zhì)量下降摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)f f不同時塑壓件退不同時塑壓件退火后中心軸上晶粒大小分布火后中心軸上晶粒大小分布波浪波浪帶狀裂紋帶狀裂紋橫裂紋橫裂紋星裂星裂氣泡氣泡軋制折疊軋制折疊分層分層結(jié)疤結(jié)疤白色非金屬夾雜白色非金屬夾雜金屬夾雜物金屬夾雜物3.4.23.4.2降低金屬的塑性加工工藝性能降低金屬的塑性加工工藝性能n不均勻變形不均勻變形附加應(yīng)力附加應(yīng)力金屬塑性降低、變形抗力升高金屬塑性降低、變形抗力升高加工性能加工性能變壞。變壞。n教材教材P80P80圖圖3-253-25，擠壓低塑性金屬時，接觸表面摩擦使物

29、體產(chǎn)生強烈，擠壓低塑性金屬時，接觸表面摩擦使物體產(chǎn)生強烈不均勻變形，工作應(yīng)力達到金屬斷裂強度時，表面周期性向內(nèi)擴展不均勻變形，工作應(yīng)力達到金屬斷裂強度時，表面周期性向內(nèi)擴展裂紋。裂紋。n變形抗力升高原因：變形抗力升高原因： 附加應(yīng)力的出現(xiàn)使工作應(yīng)力變成三向同名應(yīng)力狀態(tài)，造成如：單向附加應(yīng)力的出現(xiàn)使工作應(yīng)力變成三向同名應(yīng)力狀態(tài)，造成如：單向拉伸，細頸處：單向拉拉伸，細頸處：單向拉三向拉。三向拉。3.4.33.4.3增加工具局部磨損，使技術(shù)操作復(fù)雜增加工具局部磨損，使技術(shù)操作復(fù)雜不均勻變形不均勻變形應(yīng)力分布不均應(yīng)力分布不均工具各部分受力不同工具各部分受力不同不均勻磨損，技不均勻磨損，技術(shù)操作增加困

30、難。術(shù)操作增加困難。舉例：孔型軋制型材，壓下量不均使軋輥孔型產(chǎn)生不均勻磨損，影響舉例：孔型軋制型材，壓下量不均使軋輥孔型產(chǎn)生不均勻磨損，影響產(chǎn)品形狀和尺寸，給軋機調(diào)整增加困難。產(chǎn)品形狀和尺寸，給軋機調(diào)整增加困難。避免或減少變形與應(yīng)力的不均勻分布應(yīng)采取的措施避免或減少變形與應(yīng)力的不均勻分布應(yīng)采取的措施n盡量減少接觸摩擦的有害影響：盡量減少接觸摩擦的有害影響： 工具表面光潔度、接觸表面上加潤滑劑、接觸端加柔工具表面光潔度、接觸表面上加潤滑劑、接觸端加柔軟墊片。軟墊片。n正確選擇變形溫度速度制度：正確選擇變形溫度速度制度： 加熱溫度均勻、變形在單相區(qū)溫度范圍完成；加熱溫度均勻、變形在單相區(qū)溫度范圍完

31、成； 鍛壓鍛壓H/dH/d較大件時低速變形更深透，較大件時低速變形更深透， 鍛壓鍛壓H/dH/d較小件時高速變形使鼓形減小。較小件時高速變形使鼓形減小。n合理設(shè)計工具形狀和正確選擇坯料：合理設(shè)計工具形狀和正確選擇坯料： 熱軋薄板時，軋輥易熱膨脹，采用凹輥；冷軋薄板時，熱軋薄板時，軋輥易熱膨脹，采用凹輥；冷軋薄板時，軋輥彈性彎曲和壓扁大，采用凸輥。軋輥彈性彎曲和壓扁大，采用凸輥。n盡量使坯料的成分和組織均勻：盡量使坯料的成分和組織均勻： 冶煉和錠的澆鑄質(zhì)量，對錠進行高溫均勻化處理。冶煉和錠的澆鑄質(zhì)量，對錠進行高溫均勻化處理。3.53.5殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力n殘余應(yīng)力：塑性變形完畢后保留在變形物體內(nèi)的

32、附加應(yīng)力。殘余應(yīng)力：塑性變形完畢后保留在變形物體內(nèi)的附加應(yīng)力。n總位能釋放位能約束位能總位能釋放位能約束位能n釋放位能作用：確定平衡外力作用的內(nèi)力的數(shù)值。釋放位能作用：確定平衡外力作用的內(nèi)力的數(shù)值。n約束位能作用：確定由塑性變形引起的相互平衡內(nèi)力的數(shù)值。約束位能作用：確定由塑性變形引起的相互平衡內(nèi)力的數(shù)值。也可以確定在每一變形瞬間附加應(yīng)力的數(shù)值。也可以確定在每一變形瞬間附加應(yīng)力的數(shù)值。n約束位能塑性變形中由于軟化釋放的位能殘余應(yīng)力的位約束位能塑性變形中由于軟化釋放的位能殘余應(yīng)力的位能，殘余應(yīng)力的位能能，殘余應(yīng)力的位能 約束位能約束位能n殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因：塑性變形、不均勻加熱、冷卻、淬火、殘余應(yīng)

33、力產(chǎn)生原因：塑性變形、不均勻加熱、冷卻、淬火、相變等過程中。相變等過程中。3.5.13.5.1殘余應(yīng)力的概念殘余應(yīng)力的概念殘余應(yīng)力的分類殘余應(yīng)力的分類按照殘余應(yīng)力平衡范圍的不同，通常將其分為三類：按照殘余應(yīng)力平衡范圍的不同，通常將其分為三類： 1 1第一類內(nèi)應(yīng)力，又稱宏觀殘余應(yīng)力。第一類內(nèi)應(yīng)力，又稱宏觀殘余應(yīng)力。 作用范圍為整個工件，它是由金屬材料（或零件）各個部分（如表面作用范圍為整個工件，它是由金屬材料（或零件）各個部分（如表面和心部）的宏觀形變不均勻而引起的。此類應(yīng)力使工件尺寸不穩(wěn)定，和心部）的宏觀形變不均勻而引起的。此類應(yīng)力使工件尺寸不穩(wěn)定，嚴重時甚至使工件在受力之下變形產(chǎn)生斷裂。嚴重

34、時甚至使工件在受力之下變形產(chǎn)生斷裂。2 2第二類內(nèi)應(yīng)力，屬微觀內(nèi)應(yīng)力。第二類內(nèi)應(yīng)力，屬微觀內(nèi)應(yīng)力。 作用尺度與晶粒尺寸為同一數(shù)量級，往往在晶粒內(nèi)或晶粒之間保持平作用尺度與晶粒尺寸為同一數(shù)量級，往往在晶粒內(nèi)或晶粒之間保持平衡，是由于晶?；騺喚ЯＶg變形不均勻而引起的。此類應(yīng)力使金屬衡，是由于晶?；騺喚ЯＶg變形不均勻而引起的。此類應(yīng)力使金屬更容易腐蝕，如：黃銅加工以后由于內(nèi)應(yīng)力，在春季或潮濕環(huán)境下發(fā)更容易腐蝕，如：黃銅加工以后由于內(nèi)應(yīng)力，在春季或潮濕環(huán)境下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。生應(yīng)力腐蝕開裂。 3 3第三類內(nèi)應(yīng)力，即晶格畸變應(yīng)力，屬微觀內(nèi)應(yīng)力。第三類內(nèi)應(yīng)力，即晶格畸變應(yīng)力，屬微觀內(nèi)應(yīng)力。 塑性變形時

35、產(chǎn)生大量空位和位錯，其周圍產(chǎn)生了點陣畸變和應(yīng)力場，塑性變形時產(chǎn)生大量空位和位錯，其周圍產(chǎn)生了點陣畸變和應(yīng)力場，此時的內(nèi)應(yīng)力是在幾百或幾千個原子范圍內(nèi)保持平衡，其中占主要的此時的內(nèi)應(yīng)力是在幾百或幾千個原子范圍內(nèi)保持平衡，其中占主要的又是由于生成大量位錯所形成的應(yīng)力。此類應(yīng)力是產(chǎn)生加工硬化的主又是由于生成大量位錯所形成的應(yīng)力。此類應(yīng)力是產(chǎn)生加工硬化的主要原因。要原因。 3.5.23.5.2變形條件對殘余應(yīng)力的影響變形條件對殘余應(yīng)力的影響n變形溫度：變形溫度： 變形溫度變形溫度，附加應(yīng)力以及所形成的殘余應(yīng)力，附加應(yīng)力以及所形成的殘余應(yīng)力 。（發(fā)生相變時，。（發(fā)生相變時，第二種附加應(yīng)力產(chǎn)生，殘余應(yīng)力增

36、大。）第二種附加應(yīng)力產(chǎn)生，殘余應(yīng)力增大。） 變形溫度變形溫度，出現(xiàn)附加應(yīng)力和從而出現(xiàn)殘余應(yīng)力的可能，出現(xiàn)附加應(yīng)力和從而出現(xiàn)殘余應(yīng)力的可能 。因此變。因此變形溫度不宜過低。形溫度不宜過低。 0 0和和E E0 0為室溫下的應(yīng)力和彈性模量為室溫下的應(yīng)力和彈性模量; ; t t和和E Et t為高于室溫某一溫度下的應(yīng)力和彈性模量為高于室溫某一溫度下的應(yīng)力和彈性模量; ;n變形速度變形速度 室溫下：變形速度室溫下：變形速度，附加應(yīng)力以及所形成的殘余應(yīng)力，附加應(yīng)力以及所形成的殘余應(yīng)力 高于室溫：變形速度高于室溫：變形速度，附加應(yīng)力以及所形成的殘余應(yīng)力，附加應(yīng)力以及所形成的殘余應(yīng)力n變形程度變形程度 變形

37、程度變形程度，殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力。20252025時，應(yīng)力達到最大值。后逐漸減時，應(yīng)力達到最大值。后逐漸減小，超過小，超過52-65%52-65%，應(yīng)力接近，應(yīng)力接近0 0。見圖。見圖n接觸摩擦、工具和變形物體形狀接觸摩擦、工具和變形物體形狀 ttEE00變形程度和殘余應(yīng)力能量的關(guān)系曲線變形程度和殘余應(yīng)力能量的關(guān)系曲線1-1-第一種、第二種和第三種殘余應(yīng)力總能量的變化曲線；第一種、第二種和第三種殘余應(yīng)力總能量的變化曲線；2-2-第一種殘余應(yīng)力能量的變化曲線；第一種殘余應(yīng)力能量的變化曲線；3-3-第二種和第三種殘余應(yīng)力總能量的變化曲線第二種和第三種殘余應(yīng)力總能量的變化曲線3.5.33.5.3殘余

38、應(yīng)力所引起的后果殘余應(yīng)力所引起的后果1)1)引起物體尺寸和形狀的變化引起物體尺寸和形狀的變化( (影響加工精度影響加工精度) ) 殘余應(yīng)力引起彈性變形或晶格畸變。若殘余應(yīng)力由于某種原因消失或其殘余應(yīng)力引起彈性變形或晶格畸變。若殘余應(yīng)力由于某種原因消失或其平衡遭到破壞，相應(yīng)的變形也將發(fā)生變化，引起尺寸和形狀的改變。平衡遭到破壞，相應(yīng)的變形也將發(fā)生變化，引起尺寸和形狀的改變。 對稱形狀：僅尺寸變化，形狀不變；例對稱形狀：僅尺寸變化，形狀不變；例: :機械加工（見圖）機械加工（見圖） 不對稱形狀：尺寸變化，形狀有可能改變；不對稱形狀：尺寸變化，形狀有可能改變； 時間延長時間延長( (精密儀器生產(chǎn)精密

39、儀器生產(chǎn)) )、熱處理、沖擊等也會發(fā)生尺寸和形狀的改變、熱處理、沖擊等也會發(fā)生尺寸和形狀的改變2)2)零件的使用壽命縮短零件的使用壽命縮短 對于有殘余應(yīng)力的物體，有的部分工作應(yīng)力基本應(yīng)力殘余應(yīng)力，有對于有殘余應(yīng)力的物體，有的部分工作應(yīng)力基本應(yīng)力殘余應(yīng)力，有的部分工作應(yīng)力基本應(yīng)力殘余應(yīng)力，造成應(yīng)力分布不均。工作應(yīng)的部分工作應(yīng)力基本應(yīng)力殘余應(yīng)力，造成應(yīng)力分布不均。工作應(yīng)力達到屈服強度，塑性變形，達到斷裂強度時，斷裂，縮短零件使用力達到屈服強度，塑性變形，達到斷裂強度時，斷裂，縮短零件使用壽命。壽命。3)3)降低金屬的再塑性加工性能降低金屬的再塑性加工性能 物體內(nèi)應(yīng)力和變形的不均勻分布，使變形抗力提

40、高，塑性降低物體內(nèi)應(yīng)力和變形的不均勻分布，使變形抗力提高，塑性降低4 4) )降低金屬的耐蝕性以及沖擊韌性的疲勞強度等降低金屬的耐蝕性以及沖擊韌性的疲勞強度等 切削具有殘余應(yīng)力的棒材示意圖切削具有殘余應(yīng)力的棒材示意圖3.5.43.5.4減小或消除殘余應(yīng)力的措施減小或消除殘余應(yīng)力的措施1）減小材料在加工和處理過程中所產(chǎn)生的不均勻變形）減小材料在加工和處理過程中所產(chǎn)生的不均勻變形2）熱處理：減小殘余應(yīng)力，但晶粒大小、力學性能發(fā)生很大變化）熱處理：減小殘余應(yīng)力，但晶粒大小、力學性能發(fā)生很大變化n回火：大大減小第一種殘余應(yīng)力；圖?；鼗穑捍蟠鬁p小第一種殘余應(yīng)力；圖。n再結(jié)晶退火：完全消除殘余應(yīng)力再結(jié)晶退

41、火：完全消除殘余應(yīng)力n人工時效：殘余應(yīng)力的緩釋性。人工時效：殘余應(yīng)力的緩釋性。第二種殘余應(yīng)力：第二種殘余應(yīng)力：TT再。黃銅的三階段退火。再。黃銅的三階段退火。3）機械處理：工件表面具有殘余拉應(yīng)力時，使物體表面產(chǎn)生很小塑性變形，）機械處理：工件表面具有殘余拉應(yīng)力時，使物體表面產(chǎn)生很小塑性變形，減小第一種殘余應(yīng)力。圖。減小第一種殘余應(yīng)力。圖。n使零件彼此碰撞使零件彼此碰撞n用木槌打擊表面用木槌打擊表面n表面碾壓和壓平表面碾壓和壓平n表面拉制表面拉制n在模子中作表面校形或精壓在模子中作表面校形或精壓產(chǎn)生殘余應(yīng)力的根本原因：產(chǎn)生了不均勻變形產(chǎn)生殘余應(yīng)力的根本原因：產(chǎn)生了不均勻變形減小或消除殘余應(yīng)力的措施：減小或消除殘余應(yīng)力的措施：回火溫度對鋼棒力學性能及殘余應(yīng)力的影響回火溫度對鋼棒力學性能及殘余應(yīng)力的影響1-1-縱向殘余應(yīng)力；縱向殘