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1、第十章 金属塑性变形与流动问题,金属塑性成形问题实质上是金属的塑性流动问题。通过流动分析可以预测变形体的形状和尺寸，进行工艺和模具设计以及质量分析。但影响金属塑性流动的因素复杂，目前还难以进行定量描述。本章定性讨论金属塑性变形和流动的几个基本问题，如最小阻力定律、不均匀变形、附加应力和残余应力、塑性成形中摩擦与润滑等。,第一节 金属流动方向最小阻力定律,“当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动”。_古布金,最小阻力定律:,例如，粗糙平板间矩形断面棱柱体镦粗时，由于接触面上质点向四周流动的阻力与质点离周边的距离成正比，因此离周边的距离愈近，阻力愈小，金属质点必然
2、沿着这个方向移动。,图18-1 有摩擦矩形断面镦粗不均匀流动模型,流的越远,阻力越大,所以将向周边距离最近处流动!,例如开式模锻，如图18-3，增加金属流向飞边的阻力，以保证金属充填型腔；或者修磨圆角，减小金属流向A腔的阻力，使A腔充填饱满。,图18-3 开式模锻的金属流动,又例如，在大型覆盖件拉深成形时，常常要设置拉延筋，用来调整或增加板料进入模具型腔的流动阻力，以保证覆盖件的成形质量。,一、摩擦对金属塑性变形和流动的影响,第二节 影响金属塑性变形和流动的因素,在工具与坯料的接触面上由于摩擦力的存在，在一定程度上改变了金属的流动特性。,图18-4 无摩擦矩形断面镦粗放射形模型,1、矩形断面的
3、棱柱体在平板间镦粗时,若接触面上无摩擦,则以辐射线方式流动,变形后仍为矩形断面。,2、环形零件镦粗时由于摩擦的作用，会改变金属质点的流动方向。,参考课本第256页!,二、工具形状对金属塑性变形和流动的影响,工具形状是影响金属塑性流动的重要因素。工具形状不同，各个方向的流动阻力不一样。,a）b）c）图18-5 型砧拔长a)圆型砧 b)V型砧 c)凸型砧,在圆弧形砧上或V型砧中拔长圆截面坯料时，如图18-5，由于工具的侧面压力使金属沿横向流动受到阻碍，金属大量沿轴向流动。在凸弧形砧上，正好相反，加大横向流动。利用工具的不同形状，除了可以控制金属的流动方向外，还可以在坯料内产生不同的应力状态，使局部
4、金属先满足屈服准则而进入塑性状态，以达到控制塑性变形区的作用。或者造成不同的静水压力，来改变材料在该状态下的塑性。,刚端对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动。例如拔长时，砧子下面局部坯料镦粗，变形受到刚端部分的影响，其横向流动小于同等条件下的自由镦粗。,三、变形物体外端的影响,在塑性变形时，为保持变形体的完整性和连续性，变形体各部分之间通过内力的作用，对塑性变形和流动产生一定的影响，包括未变形的金属（俗称为“刚端”）对变形区金属的影响和变形金属相互之间的影响。,拔长时外端的影响,外端对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动，进而产生或加剧附加的应力和应变。在自由锻造中，除镦粗外的其他变
5、形工序，工具只与坯料的一部分接触，变形是分段逐步进行的，因此变形区金属的流动就受到外端的制约。,开式冲孔中的“拉缩”,弯曲变形对外端的影响,结果使外端的孔也发生了变形!,以上分别讨论了各个因素对金属塑性变形和流动的影响，而在实际生产中常常是多因素的共同作用，因此，必须考虑各个可能方向上的阻力情况，才能正确分析金属流动问题。掌握了塑性变形时金属流动规律，便可以采取有效的措施，控制各个可能流动方向上的阻力分布，使金属按预期的方向流动，以获得所需尺寸和形状的工件。,四、金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响,由于金属本身的化学成分、组织和温度的不均匀，会造成金属各部分的变形和流动的差异。变形抗力小
6、的部分首先变形，但作为一个整体，先变形的部分与后变形的部分、变形大的部分与变形小的部分必然彼此影响。,一、不均匀变形,第三节 不均匀变形、附加应力和残余应力,塑性成形时，由于金属本身性质的不均匀，摩擦和工具形状的影响，不同变形区之间的相互制约，实际上都是不均匀变形。,例如：在平砧间镦粗圆柱体,接触表面受摩擦力,流动慢!,二、附加应力,附加应力是由不均匀变形引起的，同时它又限制了不均匀变形的自由发展，附加应力总是互相平衡成对出现的。,由于变形体各部分之间的不均匀变形受到整体性的限制，在各部分之间必将产生相互平衡的应力，该应力叫附加应力。,图18-7 凸肚形轧辊轧制板材的附加应力,挤压的金属流动和
7、纵向应力的分布1）金属流动；2）附加应力较小；3）附加应力较大,基本应力为压应力!,第三类：附加应力是晶粒内部各部分之间的不均匀变形所引起的附加应 力。,附加应力通常分为三类：,第一类：附加应力是变形体内各区域体积之间由不均匀变形引起的互 相平衡的应力；,第二类：附加应力是各晶粒之间由于其性质、大小和方位不同，使晶粒之 间产生不均匀变形所引起的附加应力；,附加应力的不良后果：,1.使变形体内的应力状态发生变化，应力分布更不均匀 如 凸肚形轧辊轧制板材。,2.提高了单位变形力 不均匀变形引起附加应力，使变形所消耗的能量增加，从而使单位变形力增高。3.使塑性降低，甚至造成破坏 挤压制品表面出现周期
8、性的裂纹，是由第一类附加应力形成的残余应力所致。4.造成物体形状歪扭 如薄板或薄带轧制、薄壁型材挤压时出现的镰刀弯、波浪形等。5.形成残余应力 由于附加应力成对出现，彼此平衡，只要变形的不均匀状态不消失，它始终存在，因此，当外力去除后，它仍残留在物体内而形成残余应力。,三、残余应力引起附加应力的外因去除后，在物体内仍残存的应力叫残余应力。残余应力是弹性应力，不超过材料的屈服应力，也是相互平衡成对出现的。（一）残余应力产生的原因 1、塑性变形不均匀产生残余应力。变形不均匀产生附加应力，变形完成后，变形不均匀状态不消失，附加应力将残留在物体内而形成残余应力。,2、温度不均匀（加热或冷却不均匀）所引
9、起的热应力以及由相变过 程所引起的组织应力都会引起残余应力。,残余应力分类：,第一类残余应力存在于变形体各区域之间；,第二类残余应力存在于各晶粒之间；,第三类残余应力存在于晶粒内部。,（1）具有残余应力的物体再承受塑性变形时，其应变分布及内部应力分布更不均匀。（2）缩短制品的使用寿命，当外载作用下的工作应力与残余应力叠加超过材料的强度时，使零件破坏，设备出现故障。（3）使制品的尺寸和形状发生变化，当残余应力的平衡受到破坏后，相应部分的弹性变形也发生变化，从而引起尺寸和形状变化。（4）增加塑性变形抗力，降低塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。（5）降低制品表面的耐蚀性，具有残余应力的金属在酸液中或其他溶
10、液中的溶解速度加快。残余应力一般是有害的，特别是表面层中具有残余拉应力的情况。但当表面层具有残余压应力时，可以显著提高材料的强度和疲劳强度，反而可提高其使用性能。,（二）残余应力引起的后果,1、热处理法 采用去应力退火可较彻底地消除残余应力。对第一类残余应力一般在回复温度下便可大部分消除，制品的硬化不受影响；第二类残余应力，接近再结晶温度也可完全消除；对第三类残余应力必须在再结晶温度以上才可消除。在高温下，去应力退火时，应避免晶粒长大，影响其力学性能。2、机械处理方法 在制品表面再产生一些表面变形，使残余应力得到一定程度的释放和松弛(如拉弯矫直、张力矫直等)，或者产生新的附加应力以抵消或减弱残
11、余应力。该法只适合于消除第一类残余应力，实践证明当表面变形量1.53左右效果最好。,（三）残余应力的消除方法,四、金属的断裂,金属试样拉伸时断裂的形式,a)正断（垂直于最大正应力的断裂）；b)剪断（沿最大切应力方向的断裂）；c)、d)韧性断裂,1、断裂的物理本质,1）断裂的基本类型,韧性断裂和脆性断裂。,2）微裂纹的形成机理,微裂纹主要来源：一、材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹锌缺陷；二、在塑性变形过程中，由于位播的运动和塞积等原因而形成的。,形成微裂纹的机理,位错塞积理论,认为同号位错在前进中遇到障碍物(如夹杂、第二相和晶界等)而产生塞积，当塞积到一定程度后，就会在位错
12、塞积群前端产生一个足够大的拉应力从而形成微裂纹。,位错反应理论,该理论认为两个交叉滑移面的位错在交叉处相遇而形成新位错，这些新位错不易运动，当新位错堆积较多时，则形成微裂纹。,位错消毁理论,该理论认为异号位错在距离很近时两个滑移面上相对滑移，则在交错处互毁，形成微裂纹)。,微裂纹形成理论的基本出发点，是认为金属在切应力作用下首先发生位错运动，然后内于不同的原因而造成位错受阻。由于位错塞积群的弹性应力场中的拉应力而产生小孔隙，孔隙积累而形成微裂纹。实验表明在容易造成位错塞积的地方，如晶界；亚晶界、孪晶界、夹杂物或第二相与其体相交界面等处，通常会首先形成微裂纹。,塑性加工中金属的断裂,塑性成形中的
13、摩擦特点：1、接触面单位压力高 塑性成形时的摩擦接触面上压力很高，热塑性时达500MPa，钢冷挤压时高达2500MPa。而机械传动中重载轴承的工作压力一般为2040MPa。接触面压力愈高，润滑剂易挤出和失效，降低了润滑效果。2、伴随着塑性变形 塑性成形的摩擦接触面因金属的塑性流动，接触状态不断变化，同时会产生新的接触面。而机械传动是接触面不变的弹性接触。3、在高温下进行 钢材热塑性加工温度一般为8001200，这时，接触表面会产生金属氧化、模具软化、润滑剂分解等复杂的物理化学变化。,第四节 金属塑性成形中的摩擦和润滑,一、金属塑性成形中摩擦的特点及其影响,1.改变应力状态，增大变形抗力 例如单
14、向压缩时，若工具与坯料无摩擦存在，则坯料受单向应力状态；若存在摩擦时，则变成三向应力状态，且使端面压应力增加才能屈服，因而变形抗力增加。2.引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力 在挤压杆件时，由于挤压筒壁摩擦力的影响，使坯料边缘处的流动比中间慢，造成边缘受拉伸而中间受压缩的附加应力。3.降低模具寿命 摩擦必然带来磨损，同时摩擦热引起模具软化，以及变形抗力增加使模具工作应力增加，都会降低模具寿命。,在多数情况下是有害的，具体表现如下：,塑性成形中的摩擦的作用,但是在塑性成形中也常常应用摩擦的有益作用。例如，模锻中利用飞边槽桥部的摩擦力来保证模膛充满，滚锻和轧制时依靠足够的摩擦使坯料被咬入轧辊。
15、,二、塑性成形中的摩擦分类及机理,（一）塑性成形中的摩擦分类,根据塑性成形中坯料与工具表面之间的润滑状态的不同，摩擦可分为三类，即干摩擦、边界摩擦和流体摩擦，由此还可以派生出混合型摩擦。1、干摩擦 通常所说的干摩擦是指不加任何润滑剂的摩擦。,2、边界摩擦 接触表面之间存在很薄的润滑膜，凸凹不平的坯料表面凸起部分被压平，润滑剂被压入凹坑中，被封存在里面，如图18-8b。大多数塑性成形的摩擦属于边界摩擦。,3、流体摩擦 两表面的微观凸凹部分不直接接触，完全被润滑剂隔开的润滑叫流体润滑，该状态下的摩擦叫流体摩擦，如图18-8c。流体摩擦与干摩擦和边界摩擦有着本质的区别，其摩擦特征与所加润滑剂的性质和
16、相对速度有关，而与接触表面的状态无关。,塑性成形过程中的摩擦是非常复杂的，目前关于摩擦机理（即摩擦产生的原因）有三种学说。,图18-9 接触表面凹凸不平机械咬合机理示意图,（二）摩擦机理,1、表面凹凸学说,摩擦是由接触面上凹凸形状引起的。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峰和凹坑，当微观粗糙的两表面接触时，一个表面的凸峰可能会陷入另一表面的凹坑，产生机械咬合，,2.分子吸附学说 摩擦是接触面上分子相互吸引的结果。两接触面越光滑，实际接触面积就越大，分子吸引力就越强，则摩擦力就越大。该学说解释了凸凹学说无法解释的表面越光滑，摩擦力不降低反而提高的现象。3.粘附理论 摩擦是接
17、触面上粘接或焊合的结果。两表面接触时，若接触面上某些接触点处压力很大，以致发生粘接或焊合，当两表面有相对运动时，需切断粘接或焊合点而产生相对滑动。,现代摩擦学理论认为：摩擦力不仅包含有剪切接触面上机械咬合所产生的阻力，而且包含有表面分子吸附作用的吸引力及切断粘接点所产生的阻力。对于流体摩擦，摩擦力主要表现在润滑剂层之间的流动阻力。,三、塑性成形时摩擦力的计算,1.库伦摩擦条件 不考虑接触表面的粘合现象，认为单位面积上的摩擦力与接触面上的正应力成正比，即,实际上摩擦切应力不能随 的增大而无限地增大，当 时接触面将产生塑性流动。此时 的极限值为材料真实应力应变曲线上的屈服应力。根据Mises屈服准
18、则，故由式（18-1）可确定摩擦系数的 极限值为。式（18-1）适合正压力不太大、变形量较小的的冷成形工序。,（18-1）,2.最大摩擦力条件 当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状态时，摩擦的应力等于坯料塑性流动时的最大切应力，即,（18-2）,式中，称为摩擦因子，上式与式（18-2）相比，当 时，两条件一致。式（18-3）适合于摩擦系数低于最大值的三向应力显著的塑性成形过程，如挤压、变形量大的镦粗、模锻等。,1.金属的种类和化学成分 材料的硬度、强度越高，摩擦系数就越小。2.工具表面状态 工具表面越光滑，摩擦系数就越小。若接触表面都非常光滑，分子吸附作用增强，反而会引起摩擦系数的增加，但这
19、种情况，在塑性成形中并不常见。3.变形温度 变形温度对摩擦系数的影响很复杂。因为变形温度变化时，材料的强度、硬度及接触面上氧化膜的性能都会发生变化。一般认为，开始时摩擦系数随温度升高而增加，达到最大值后又随温度升高而降低。4.变形速度 许多实验结果表明，摩擦系数随变形速度增加而有所下降。5.接触面上的单位压力 单位压力较小时，表面分子吸附作用不明显，摩擦系数保持不变，与正压力无关。,四、影响摩擦系数的主要因素,（一）塑性成形对润滑剂的要求1）应有良好的耐压性能，在高压下能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态。2）应有良好的耐热性能，在高温下不分解，不失效。3）兼有冷却模具作用，降低模具温度，避
20、免热失效。4）应无腐蚀作用，不应腐蚀金属坯料和模具。5）应对人体无毒，不污染环境。6）应使用、清理方便，来源丰富，价格便宜。,五、塑性成形中的润滑,润滑 是减小摩擦对塑性成形过程不良影响的最有效的措施。润滑的目的 是降低接触面上的摩擦力，提高模具寿命（减小磨损，冷却模具）；便于脱模和获得光洁的制品；减小金属不均匀变形，提高金属充满模膛的能力。为实现上述目的，必须采用合适的润滑方式和润滑剂。,用于塑性成形的润滑剂有液体润滑剂和固体润滑剂两大类。,（二）塑性成形常用润滑剂,（2）软（熔）化固体润滑剂，在工作温度超过其软（熔）化点时就会变软或熔化，但不会燃烧，不会逸出有害的气体。主要有玻璃、珐琅、天
21、然矿物及无机盐等。此外，皂类和蜡类等有机盐和硬脂酸钠，硬脂酸锌及一般肥皂也常用来作润滑剂。固体润滑剂可以用粉末，但多数制成糊状或悬浮液。,2、固体润滑剂 在常温下呈固态。,（1）干性固体润滑剂，在变形过程中不改变自身的聚集状态，如石墨、二硫化钼等。,1.流体润滑法 坯料与工具之间不直接接触，中间形成足够的润滑膜。在线材拉拔、挤压、轧制时，当模具结构与工艺参数合适，能够产生流体润滑。2.表面磷化皂化处理 当压力很高时，即使加入添加剂，润滑剂还是会遭到破坏或被挤掉，而失去润滑作用。因此，须将坯料表面进行磷化处理，即在坯料表面用化学方法制成一层磷酸盐或草酸盐膜，这种磷化膜是由细小片状的无机盐结晶组成的，呈多孔状态，对润滑剂有吸附作用。膜厚一般约为1020m，与金属结合力强且有塑性，可与金属坯料一起变形。磷化后进行润滑处理，常用硬脂酸钠、肥皂等，故称为皂化。3.表面镀软金属 对于变形抗力大的金属坯料，一般的润滑剂易挤出，这时可在金属表面电镀一薄层软金属，如铜或锌，它与金属结合好、变形抗力小、延伸性好，在变形过程中可将坯料与工具隔开，起润滑作用，但成本较高。,（三）塑性成形的润滑方法,
