外摩擦對(duì)金屬流動(dòng)與應(yīng)力分布的影響

1、外摩擦對(duì)金屬流動(dòng)與應(yīng)力分布的影響一、專業(yè)知識(shí)預(yù)習(xí)金屬塑性加工中，工具與工件的接觸面上，不可防止的會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)或有相對(duì)滑動(dòng)趨 勢，因此在接觸面上就會(huì)存在阻礙這種滑動(dòng)的摩擦，這種發(fā)生在金屬工具與工件相接觸外表 之間的，阻礙金屬自由流動(dòng)的摩擦，稱為外摩擦。與i般機(jī)械摩擦相比較，塑性加工過程中外摩擦的特性有：1)接觸外表所受壓強(qiáng)大，熱變形時(shí)有1015kg/mnR冷變形可達(dá)5()250 kg/mm 2。因?yàn)?壓強(qiáng)大，接觸外表要壓扁，凸牙凹坑的相互咬合很厲害，故摩擦系數(shù)較高。另外，大壓強(qiáng)下 也容易將潤滑劑擠走或壓成極薄一層，這就使得金屬塑性加工中，為減少摩擦而使用的潤滑 劑具有一定的特殊性。2)外表有更

2、新作用，因?yàn)榻饘僖a(chǎn)生塑性變形而外表不斷獷大，致使內(nèi)外表不斷涌出。 這種在變形過程中時(shí)刻形成的新外表及舊外表不斷遭受破壞，使金屬塑性加工過程中的摩擦 情況是不斷變化的。另外，工具在加工過程中也不斷遭受磨損，促使工具外表情況在使用過 程中不斷發(fā)生變化，這也直接影響摩擦情況的改變。3)外表組織是變化的，熱變形時(shí)金屬被加熱到很高的溫度，其外表被氧化而生成氧化層， 塑性變形時(shí)此氧化層因外表擴(kuò)大而脫落，由于溫度高且露置于空氣中又要生成新的氧化物。 原生氧化物與次生氧化物的形成條件的不同，結(jié)構(gòu)組織也不同。另外，冷變形時(shí)，晶粒的破 碎、點(diǎn)陣的歪扭，也引起外表層附近金屬組織狀態(tài)的改變。由于外表組織的改變，既使

3、加工 時(shí)摩擦情況不斷變化著，也使加工時(shí)的外摩擦不僅是個(gè)外表問題，而且與外表層附近金屬晶 體結(jié)構(gòu)與狀態(tài)相關(guān)。4)摩擦對(duì)的性質(zhì)相差較大，工具甚硬，被加工金屬相對(duì)而言柔軟得多，二者性質(zhì)相差懸 殊，也使金屬塑性加工時(shí)的外摩擦特殊。5)接觸外表溫度高，熱變形過程中，有時(shí)溫度可高達(dá)千度，低的也有數(shù)百度，即使是冷 變形，也因瞬時(shí)變形可造成溫度的急劇提高。例如，曾測出在潤滑情況不佳時(shí)，接觸外表某 個(gè)凸凹點(diǎn)因塑性變形、切斷而造成的瞬時(shí)溫升的典型數(shù)值是：當(dāng)速度為3m/s時(shí)是300C； 當(dāng)速度為IOm/s時(shí)是1000C。雖說一般情況下速度較低，沒有上述那樣高的瞬時(shí)溫升，但 因溫度的變化太劇烈，也使摩擦情況受到影響，

4、故應(yīng)對(duì)此種溫升的作用給予足夠的重視。接觸摩擦對(duì)塑性加工過程有著很大的影響。除少數(shù)情況(如軋制、短鍛、模鍛時(shí)的匕邊) 能起積極作用外，大多數(shù)情況下是有害因素：(I)接觸摩擦引起不均勻變形。例如坯料取粗時(shí)，在坯料與工具接觸的上下端面附近造 成難變形區(qū)，結(jié)果使變形體分為變形程度不同的幾個(gè)區(qū)域。出于變形的不均勻，不僅最后使 工件得到不均勻的組織和性能，而且會(huì)引起附加應(yīng)力：附加拉應(yīng)力嚴(yán)重時(shí)會(huì)使工件開裂。(2)接觸摩擦?xí)淖冏冃误w的應(yīng)力狀態(tài)。例如，無摩擦鎖粗是單向壓應(yīng)力狀態(tài)，而有摩 擦徽粗卻是三向壓應(yīng)力狀態(tài)。因而，接觸摩擦增大了變形力和變形功，增加能耗。(3)接觸摩擦降低了工具壽命。由于工具接觸外表的直接

5、摩損，附加發(fā)熱及由于變形力 引起的應(yīng)力增大所造成的。為了減輕接觸摩擦引起的種種有害作用，迫使人們采取潤滑，即在工具和變形金屬的接 觸面上涂上潤滑劑。這樣，就使金屬塑性加工技術(shù)復(fù)雜化。隨著金屬塑性加工技術(shù)的開展，尤其是一些新工藝、新材料的出現(xiàn)，摩擦與潤滑問題顯 得H益重要。要求人們?nèi)ソ鉀Q更加苛刻的條件下的摩擦和潤滑問題。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^帶凹槽的鋼錘頭壓縮圓柱體鉛試樣，了解接觸外表摩擦對(duì)接觸面上金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)及 接觸面上應(yīng)力分布的影響，為以后深入了解變形體的應(yīng)力應(yīng)變狀況打下實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。三、實(shí)驗(yàn)原理圓柱體試樣（h/dl）平錘壓縮時(shí)，在壓縮力P 的作用下，工件受到壓縮而使高度減少，橫截面積 增加，由于接觸

6、面附近的金屬變形時(shí)流動(dòng)困難，而 使圓柱體工件變成鼓形（如圖2-2所示）。圖中do為壞料的原始直徑，dmin為變形后接觸 外表的直徑，接觸外表直徑增大，不僅是由于接觸 外表上質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)，而且由于金屬從側(cè)面局部的轉(zhuǎn) 移到接觸外表的結(jié)果，這點(diǎn)可由壓縮端部涂色的圓 柱體試樣，變形后看到的圓柱體端部接觸外表上出 現(xiàn)新外環(huán)而得到證實(shí)。圖2-2接觸的粘著滑動(dòng)及側(cè)面局部載移情況圖2-2中AC環(huán)為滑動(dòng)（這里的各個(gè)命名是從 變形流動(dòng)規(guī)律來區(qū)分的，與本課程后面將要講到的 按摩擦規(guī)律來區(qū)分有差異，下同），在此區(qū)內(nèi)金屬質(zhì) 點(diǎn)相對(duì)工具有相對(duì)移動(dòng)，變形后接觸外表增加量BD 環(huán)（dB=d0）由兩局部組成，BC環(huán)為滑動(dòng)區(qū)內(nèi)金屬

7、 質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)多構(gòu)成，CD環(huán)依靠側(cè)面金屬局部轉(zhuǎn)移到接 觸外表所構(gòu)成。圖中0A的圓面積局局部為粘著區(qū)， 由于外摩擦影響強(qiáng)烈，在此區(qū)域內(nèi)接觸外表上的金 屬質(zhì)點(diǎn)對(duì)工具完全不產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，好像彼此粘在 一起，故稱為粘著區(qū)，實(shí)際上在此區(qū)域內(nèi)接觸外表 附近的金屬由于受到很大的外摩擦阻力而不發(fā)生塑 性變形（或變形很小可以忽略），并且這種影響還擴(kuò) 展至一定深度，構(gòu)成所謂“難變形區(qū)”，由于外摩擦的影響是沿徑向，（或?qū)挾确较颍┯蓚?cè)面 向中心逐漸增強(qiáng)，沿高度由端面向中心逐漸減弱，所以通常想象變形區(qū)的形狀為以粘著區(qū)為 基底的圓錐形（圖2-3中的I區(qū)），在此情況下可將變形區(qū)整個(gè)體積大致分為三個(gè)區(qū)域：I 區(qū)表示外摩擦影響強(qiáng)烈

8、的難變形區(qū)，II區(qū)表示與作用力成45角的最有利變形的易變形區(qū)， 【II圖2-2接觸的粘著滑動(dòng)及側(cè)面局部載移情況由于外摩擦的影響，不僅使變形不均勻，而且也使接觸外表的應(yīng)力（或單位壓力）分 布不均勻（圖23下部曲線所示）；沿試樣邊緣，由于不受外摩擦的影響，所以其應(yīng)力等于 金屬的屈服強(qiáng)度。s，由邊緣向中部位，應(yīng)力逐漸升高，此一情景，可用帶有凹槽的鋼錘頭 壓縮鉛試樣的實(shí)驗(yàn)得以證實(shí)（圖2-3、圖2-4）。接觸外表上的應(yīng)力所以呈現(xiàn)以上的分布規(guī)律，可做如下解釋：如圖2-3所示，當(dāng)外層1 受到壓力后，一面變形，一面向外移動(dòng)，由于摩擦力的影響，使其移動(dòng)受到阻礙，因而使外 層1對(duì)第2層產(chǎn)生了橫向阻力，2層所需壓力

9、量要比第1層增加，因?yàn)槌说?層變形的壓 力外，還需要克服第1層給第2層的橫向阻力；第3層處于更不利的情況；因?yàn)橐蛊渥冃? 必須克服第1層和地2層應(yīng)力狀態(tài)的不同，可用Trcsca屈服條件來解釋（同學(xué)們自己分析）。123 45 54 321K 與？h/D1圖123 45 54 321K 與？h/D1圖2-4平錘壓縮時(shí)單位壓力分布圖圖2-4平錘壓縮時(shí)單位壓力分布圖圖圖2-4平錘壓縮時(shí)單位壓力分布圖四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料L設(shè)備：60T材料實(shí)驗(yàn)機(jī)；2.材料：壓縮試驗(yàn)?zāi)＞咭惶?；圓柱體鉛試樣假設(shè)干個(gè)：游標(biāo)卡尺和鋼尺一把；機(jī)油，松香粉及清洗錠坯和工具用汽油。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟.在60T材料試驗(yàn)機(jī)上，用帶凹槽的

10、鋼錘頭，壓縮兩個(gè)高徑比相同的圓柱體鉛試樣， 一個(gè)的接觸外表上涂上潤滑劑（如機(jī)油），另一個(gè)試樣的接觸外表上涂上松香粉，壓縮均取 7075% 左右;.實(shí)驗(yàn)前測量實(shí)驗(yàn)的高度和直徑，實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄下最大壓縮力。實(shí)驗(yàn)后，沿試樣接觸徑 向上，再選擇45個(gè)測量點(diǎn)，用游標(biāo)卡尺測量鉛流入凹槽的深度值以及繪制成曲線，測量粘 著區(qū)、滑動(dòng)區(qū)和側(cè)翻區(qū)的有關(guān)直徑值。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)后每位同學(xué)必須書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告要寫明實(shí)驗(yàn)名稱，只要內(nèi)容應(yīng)包括：.目的；.實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)及有關(guān)參數(shù)，試樣材質(zhì)及原始尺寸，壓縮后的尺寸并計(jì)算壓縮率；.實(shí)驗(yàn)結(jié)果集解釋：a）將實(shí)驗(yàn)結(jié)果列表并繪制出曲線或圖形（分區(qū)示意圖）；b）對(duì)上述現(xiàn)象簡明的解釋。.結(jié)論：制出摩擦力對(duì)接觸面上金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)（粘著、滑