金属塑性加工的摩擦与润滑5金属的塑性.ppt

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1、第4章 金属塑性加工的摩擦与润滑,4.1 概述4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用 4.3 塑性加工中摩擦的分类及机理 4.4 摩擦系数及其影响因素 4.5 测定摩擦系数的方法 4.6 塑性加工的工艺润滑,4.1 概述,金属塑性加工中是在工具与工件相接触的条件下进行的，这时必然产生阻止金属流动的摩擦力。这种发生在工件和工具接触面间，阻碍金属流动的摩擦，称外摩擦。由于摩擦的作用，工具产生磨损，工件被擦伤；金属变形力、能增加造成金属变形不均；严重时使工件出现裂纹，还要定期更换工具。因此，塑性加工中，须加以润滑。润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着压力加工新技术新材料新工艺的出现，必将要求

2、人们解决新的润滑问题。,4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用,塑性成形时摩擦的特点在高压下产生的摩擦较高温度下的摩擦摩擦副（金属与工具）的性质相差大在接触面上各点的摩擦也不一样.,外摩擦在压力加工中的作用,摩擦的不利方面改变物体应力状态，使变形力和能耗增加引起工件变形与应力分布不均匀恶化工件表面质量，加速模具磨损，降低工具寿命,摩擦的利用 例如，用增大摩擦改善咬入条件，强化轧制过程；增大冲头与板片间的摩擦，强化工艺，减少起皱和撕裂等造成的废品。,4.3 塑性加工中摩擦的分类及机理,外摩擦的分类 干摩擦 流体摩擦边界摩擦,摩擦机理 分子吸附说表面凸凹学说,4.3.1 外摩擦的分类及机理,1干摩

3、擦 干摩擦是指不存任何外来介质时金属与工具的接触表面之间的摩擦（图4-3所示）。但在实际生产中，这种绝对理想的干摩擦是不存在的。因为金属塑性加工过程中，其表面多少存在氧化膜，或吸附一些气体和灰尘等其它介质。但通常说的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。,2流体摩擦 当金属与工具表面之间的润滑层较厚，摩擦副在相互运动中不直接接触，完全由润滑油膜隔开（图4-3），摩擦发生在流体内部分子之间者称为流体摩擦。它不同于干摩擦，摩擦力的大小与接触面的表面状态无关，而是与流体的粘度、速度梯度等因素有关。因而流体摩擦的摩擦系数是很小的。塑性加工中接触面上压力和温度较高，使润滑剂常易挤出或被烧掉，所以流体摩擦只在

4、有条件的情况下发生和作用。,3边界摩擦 这是一种介于干摩擦与流体摩擦之间的摩擦状态，称为边界摩擦。,表面凸凹学说 所有经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同程度的微观凸起和凹入。当凹凸不平的两个表面相互接触时，产生机械咬合。当这两个相互接触的表面在外力的作用下发生相对运动时，相互咬合的部分会被剪断，此时摩擦力表现为这些凸峰被剪切时的变形阻力。分子吸附说 分子吸附学说认为：摩擦产生的原因是由于接触面上分子之间的相互吸引的结果。物体表面越光滑，实际接触面积就越大，接触面间的距离也就越小，分子吸引力就越强，因此，滑动摩擦力也就越大。,4.摩擦机理,4.3.2 塑性加工时接触表面摩擦力的计算,在

5、计算金属塑性加工时的摩擦力时，分下列三种情况考虑 1库仑摩擦条件 这时不考虑接触面上的粘合现象（即全滑动），认为摩擦符合库仑定律。其内容如下：（1）摩擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成正比例，与摩擦表面的大小无关；（2）摩擦力与滑动速度的大小无关；（3）静摩擦系数大于动摩擦系数。,其数学表达式为：或 式中 F摩擦力；外摩擦系数；N 垂直于接触面正压力；接触面上的正应力；接触面上的摩擦切应力。由于摩擦系数为常数（由实验确定），故又称常摩擦系数定律。对于像拉拔及其他润滑效果较好的加工过程，此定律较适用。,2最大摩擦条件 当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状 态时，单位摩擦力（）等于变形金属流动 时

6、的临界切应力k，即：=k 3摩擦力不变条件 认为接触面间的摩擦力，不随正压力大小而变。其单位摩擦力是常数，即常摩擦力定律，其表达式为：=mk 式中，m为摩擦因子,4.4 摩擦系数及其影响因素,摩擦系数随金属性质、工艺条件、表面状态、单位压力及所采用润滑剂的种类与性能等而不同。其主要影响因素有：1.金属的种类和化学成分 2.工具材料及其表面状态 3.接触面上的单位压力 4.变形温度 5.变形速度 6.润滑剂,4.5 测定摩擦系数的方法,夹钳轧制法楔形件压缩法圆环镦粗法,夹钳轧制法,简单易做，也比较精确，可用来测定冷、热态下的摩擦系数。,楔形件压缩法,与轧制过程及一般的平锤下镦粗相似，应用较方便，

7、主要困难是在于较难准确的确定中立面的位置及精确的测定有关数据。,圆环镦粗法,此法较简单，不需测定压力，也不需制备许多压头和试件。可测定各种温度、速度条件下的摩擦系数，应用广泛。但由于圆环试件在镦粗时会出现鼓形。环孔出现椭圆形等，引起测量上的误差，影响结果的精确性。,塑性加工常用摩擦系数,热锻时的摩擦系数,磷化处理后冷锻时的摩擦系数,拉深时的摩擦系数,热挤压时的摩擦系数,4.6 塑性加工的工艺润滑,4.6.1 工艺润滑的目的及润滑机理 一.润滑的目的:减少工模具磨损，延长工具使用寿命提高制品质量降低金属变形时的能耗,二.润滑机理:流体力学原理所谓润滑剂的活性，就是润滑剂中的极性分子在摩擦表面形成

8、结实的保护层的能力。它决定润滑剂的润滑性能及与摩擦物体之间吸引力的大小。当润滑剂中有极性的物质存在时，会减少纯溶剂的表面张力，而加强金属（工具与变形物体）与润滑剂分子间的吸附力。所谓润滑剂的粘度，是指润滑剂本身粘、稠的程度。它是衡量润滑油流动阻力的参数，吸附机制,三、润滑剂的选择,1塑性成形中对润滑剂的要求在选择及配制润滑剂时，必符合下列要求：（1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑膜仍能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态；（2）润滑剂应有良好耐高温性能，在热加工时，润滑剂应不分解，不变质；（3）润滑剂有冷却模具的作用；（4）润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用；（5）润滑剂应对人体无

9、毒，不污染环境；（6）润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。,2常用的润滑剂液体润滑剂包括矿物油、动植物油、乳液等固体润滑剂，包括石墨、二硫化钼、肥皂等液-固型润滑剂熔体润滑剂,四.润滑剂中的添加剂 润滑油中的添加剂，一般应易溶于机油，热稳定性要好，且应具有良好的物理化学性能。常用的添加剂有油性剂、极压剂、抗磨剂和防锈剂等。,五.润滑方法的改进1流体润滑2表面处理（1）表面磷化处理（2）表面氧化处理（3）表面镀层,第三篇 塑性变形材料学基础,金属塑性加工原理 Principle of Plastic Deformation in Metal Processing,第5章 金属的塑性,

10、5.1 金属的塑性 5.2 金属多晶体塑性变形的主要机制 5.3 影响金属塑性的因素 5.4 金属的超塑性,5.1 金属的塑性,5.1.1 塑性的基本概念 5.1.2 塑性指标及其测量方法 5.1.3 塑性状态图及其应用,5.1.1 塑性的基本概念,什么是塑性？塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性与柔软性的区别是什么？塑性反映材料产生永久变形的能力。柔软性反映材料抵抗变形的能力。,塑性与柔软性的对立统一,不锈钢-塑性好，但变形抗力高白口铸铁-塑性差，变形抗力高铅-塑性好，变形抗力小 结论：塑性与柔软性不是同一概念,为什么要研究金属的塑性？,探索塑性变化规律寻求改善塑性

11、途径选择合理加工方法确定最佳工艺制度提高产品质量,5.1.2 塑性指标及其测量方法,塑性指标的测量方法塑性指标,1.塑性指标,概 念：金属在破坏前产生的最大 变形程度，即极限变形量。表示方法：断面收缩率 延伸率 冲击韧性 最大压缩率 扭转角（或扭转数）弯曲次数,2.塑性指标的测量方法,拉伸试验法压缩试验法扭转试验法轧制模拟试验法,拉伸试验法,式中：L0拉伸试样原始标距长度；Lh拉伸试样破断后标距间的长度；F0拉伸试样原始断面积；Fh拉伸试样破断处的断面积,压缩试验法,简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定：,式中：压下率；H0试样原始高度；Hh试样压缩后，在侧表面出现第一条 裂纹时

12、的 高度,扭转试验法,对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形（）。,式中：R试样工作段的半径；L0试样工作段的长度；n试样破坏前的总转数。,轧制模拟试验法,在平辊间轧制楔形试件，用偏心轧辊轧制矩形试样，找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压下量作为轧制过程的塑性指标。,金属变形的全过程,弹性变形均匀塑性变形不均匀塑性变形断裂各阶段变形的特点弹塑性共存定律弹塑性共存定律的意义,弹塑性共存定律的概念：在塑性变形过程中有弹性变形同时存在的现象。意义：1.对于工具 2.对于工件,5.1.3 塑性状态图及其应用,概念：表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形，简称塑性

13、图。应用：合理选择加工方法 制定冷热变形工艺,确定MB5合金加工工艺规程的原则和方法,根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据相图确定合金的相组成根据塑性图确定热变形温度范围,确定MB5镁合金热加工工艺步骤,根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据相图确定合金的相组成根据塑性图确定热变形温度范围,根据力学性能要求确立MB5主要成分为：Al 5.5 7.0%Mn 0.15 0.5%Zn 0.5 1.5%.,温度,T530，为液相270，为两相组织270 T530，为单一的 相,根据塑性图进一步确定热变形温度范围,从塑性图上获取的信息,慢速加工，温度为350400时,值和M都有最大值，不论轧制或挤

14、压，都可在此温度范围内以较慢的速度加工。锻锤下加工，在350左右有突变，变形温度应选择在400450。工件形状比较复杂，变形时易发生应力集中，应根据K曲线来判定。从图中可知，在相变点270附近突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在250以下进行为佳。,5.2 金属多晶体塑性变形的主要机制,5.2.1 多晶体变形的特点 5.2.2 多晶体的塑性变形机构 5.2.3 合金的塑性变形 5.2.4 变形机构图,5.2.1 多晶体变形的特点,1变形不均匀,2晶界的作用及晶粒大小的影响,5.2.2 多晶体的塑性变形机构,1晶粒的转动与移动,2溶解沉积机构,该机构的实质是一相晶体的原子迅速而飞跃式的转到

15、另一相的晶体中去。保证两相有较大的相互溶解度外，还必须具备下列条件:（1）随着温度的变化或原有相晶体表面大小及曲率的变化，伴随有最大的溶解度改变。（2）变形时，应具备足够高的温度条件。,3非晶机构,非晶机构是指在一定的变形温度和速度条件下，多晶体中的原子非同步的连续的在应力场和热激活的作用下，发生定向迁移的过程。,5.2.3 合金的塑性变形,1单相固溶体合金的变形 2多相合金的变形,单相固溶体合金的变形,单相固溶体的显微组织与纯金属相似，因而其变形情况也与之类同，但是在固溶体中由于溶质原子的存在，使其对塑性变形的抗力增加。固溶体的强度、硬度一般都比其溶剂金属高，而塑性、韧性则有所降低，并具有较

16、大的加工硬化率。,多相合金的变形,多相合金中的第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，其塑性变形不仅和基体相的性质，而且和第二相（或更多相）的性质及存在状态有关。如第二相本身的强度、塑性、应变硬化性质、尺寸大小、形状、数量、分布状态、两相间的晶体学匹配、界面能、界面结合情况等等。,（1）聚合型两相合金的塑性变形,合金中第二相粒子的尺寸与基体晶粒的尺寸如属同一数量级，就称为聚合型两相合金。在聚合型两相合金中，如果两个相都具有塑性，则合金的变形情况决定于两相的体积分数。即：,（2）弥散分布型两相合金的塑性变形,两相合金中，如果第二相粒子十分细小，并且弥散地分布在基体晶粒内，则称为弥散分布型两相合金。在

17、这种情况下，第二相质点可能使合金的强度显著提高而对塑性和韧性的不利影响可减至最小程度。第二相以细小质点的形态存在而合金显著强化的现象称弥散强化。,5.2.4 变形机构图,5.3 影响金属塑性的因素,5.3.1 影响塑性的内部因素 5.3.2 影响金属塑性的外部因素 5.3.3 提高金属塑性的主要途径,5.3.1 影响塑性的内部因素,1化学成分（1）杂质（2）合金元素对塑性的影响 2组织结构 包括组元的晶格、晶粒的取向、晶界的特征等。,图5-13说明Mg-Al-Zn系变形镁合金中的铝、锌含量对塑性和强度有影响。由图5-13a可知，随铝含量的增加，合金的塑性指标（）逐渐降低，当铝含量超过12%时值

18、几乎降低到零，而图5-13b表明，当含约5%以下的锌时，却能使合金的塑性得到改善。,5.3.2 影响金属塑性的外部因素,1.变形温度 金属的塑性可能因为温度的升高明而得到改善。,2.变形速度 变形速度对塑性的影响比较复杂。当变形速度不大时，随变形速度的提高塑性是降低的；而当变形速度较大时，塑性随变形速度的提高反而变好。,铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度,3.变形程度 变形程度对塑性的影响，是同加工硬化及加工过程中伴随着塑性变形的发展而产生的裂纹倾向联系在一起的。在热变形过程中，变形程度与变形温度-速度条件是相互联系着的，当加工硬化与裂纹胚芽的修复速度大于发生速度时，可以说变形程度对塑性影响不

19、大。对于冷变形而言，由于没有上述的修复过程，一般都是随着变形程度的增加而降低塑性。,4.应力状态 静水压力对提高金属塑性的良好影响，可由下述原因所造成：（1）体压缩能遏止晶粒边界的相对移动，使晶间变形困难。（2）体压缩能促进由于塑性变形和其它原因而破坏了晶内联系的恢复。（3）体压缩能完全或局部地消除变形物体内数量很小的某些夹杂物甚至液相对塑性的不良影响。（4）体压缩能完全抵偿或者大大降低由于不均匀变形所引起的拉伸附加应力，从而减轻了拉应力的不良影响。,5.变形状态,6.尺寸因素,7.周围介质,（1）周围介质和气氛能使变形物体表面层溶解并与金属基体形成脆性相，因而使变形物体呈现脆性状态。（2）周

20、围介质的作用能引起变形物体表面层的腐蚀以及化学成分的改变，使塑性降低。（3）有些介质（如润滑剂）吸附在变形金属的表面上，可使金属塑性变形能力增加。,5.3.3 提高金属塑性的主要途径,提高塑性的主要途径有以下几个方面：(1)控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；(2)采用合适的变形温度速度制度；(3)选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；(4)避免加热和加工时周围介质的不良影响。,5.4 金属的超塑性,5.4.1 超塑性的基本概念 金属材料在受到拉伸应力时，显示出很大的延伸率而不产生缩颈与断裂现象，把延伸率能超过100%的材料统称为“超塑

21、性材料”，相应地把延伸率超过100%的现象叫做“超塑性”。金属超塑性归纳为以下几方面的特点：即大延伸、无缩颈、小应力、易成形。,5.4.2 超塑性的分类 按照超塑性实现的条件（组织、温度、应力状态等）可将超塑性分为以下几类。1恒温超塑性或第一类超塑性。根据材料的组织形态特点也称之为细晶超塑性。特点是材料具有稳定的超细等轴晶粒组织，在一定的温度区间（T0.4TM）和一定的变形速度（10-410-1分-1）条件下出现超塑性。晶粒直径多在5m以下。,2相变超塑性或第二类超塑性，又称为动态超塑性或变态超塑性。相变超塑性，并不要求材料具有超细晶粒组织，而是在一定的温度和应力条件下，经过多次循环相变或同素

22、异构转变而获得大延伸率。产生相变超塑性的必要条件，是材料应具有固态相变的特性，并在外加载荷作用下，在相变温度上下循环加热与冷却，诱发产生反复的组织结构变化，使金属原子发生剧烈运动而呈现出超塑性。相变超塑性不要求微细等轴晶粒，这是有利的，但要求变形温度反复变化，给实际生产带来困难，故使用上受到限制。,3其它超塑性或第三类超塑性。近年来发现，普通非超塑性材料在一定条件下快速变形时，也能显示出超塑性。有些材料在消除应力退火过程中，在应力作用下也可以得到超塑性，Al-5%Si及Al-4%Cu合金在溶解度曲线上下施以循环加热可以得到超塑性。此外，国外正在研究的还有升温超塑性，异向超塑性等。有人把上述的第

23、二类及第三类超塑性统称为动态超塑性，或环境超塑性。,5.4.3 细晶超塑性 细晶超塑性又称为组织超塑性，在试验中已发现细晶超塑性有许多重要特征，归纳起来有以下几个方面的内容。1变形力学特征 超塑性金属由于没有（或很小）加工硬化，在塑性变形开始后，有一段很长的均匀变形过程，最后达到百分之几或甚至几千的高延伸率，其工程应力应变曲线如图5-26a所示，当应力超过最大值后，随着应变的增加，应力缓慢地连续下降。,2金属组织特征 到目前为止所发现的细晶超塑性材料，大部分是共析和共晶合金，其显微组织要求有极细的晶粒度、等轴、双相及稳定的组织。要求双相，是因为第二相能阻止母相晶粒长大，而母相也能阻止第二相的长

24、大；要求稳定，是指在变形过程中晶料长大的速度要慢，以便有充分的热变形持续时间；超塑性变形过程中，晶界起着很重要的作用，要求晶粒的边界比例大，并且晶界要平坦，易于滑动，所以要求晶粒细小、等轴。在这些因素中，晶粒尺寸是主要的影响因素。一般认为直径大于10m的晶粒组织是难于实现超塑性的。,5.4.4 细晶超塑性变形的机理 1扩散蠕变理论 1973年M.F.Ashby和R.A.Verrall提出了一个由晶内-晶界扩散蠕变过程共同调节的晶界滑动模型。扩散蠕变理论应用于超塑性变形时，有两种现象不能解释：1）在蠕变变形中，应力与应变成正比，m=1，而在超塑性变形中，m值总是处于0.50.8之间。2）在蠕变变

25、形中，晶粒沿着外力方向被拉长，但在超塑性变形中，晶粒仍保持等轴状。因此，经典的扩散蠕变理论不能完全说明超塑性变形时的基本物理过程，也解释不了它的主要力学特征。所以该理论能否作为超塑性变形的一个主要机理，还不十分清楚。,2晶界滑动理论 超细晶粒材料的晶界有异乎寻常大的总面积，因此晶界运动在超塑性变形中起着极其重要的作用。晶界运动分为滑动和移动两种，前者为晶粒沿晶界的滑移，后者为相邻晶粒间沿晶界产生的迁移。在研究超塑性变形机理的过程中，曾提出了许多晶界滑动的理论模型。,3动态再结晶理论 晶界移动（迁移）与再结晶现象密切相关，这种再结晶可使内部有畸变的晶粒变为无畸变的晶粒，从而消除其预先存在的应变硬化。在高温变形时，这种再结晶过程是一个动态的、连续的恢复过程，即一方面产生应变硬化，一面产生再结晶恢复（软化）。如果这种过程在变形中能继续下去，好象变形的同时又有退火，就会促使物质的超塑性。,5.4.5 超塑性的应用,1几种典型超塑性合金的制备（1）Z n-22%Al合金的制备及超塑性获得的方法（2）Al-Zn-Mg系合金 2超塑性的应用（1）真空成形法（2）气压成形（3）超塑性模锻和挤压（4）无模拉拔,精品课件资料分享,SL出品,