Lesson NineLesson Nine 金属塑性变形理论 Theory of metal plastic deformation 第九讲 Lesson Nine 张贵杰 Zhang GuijieTel：0315-2592155 E-Mail： zhguijievip.sina.com河北理工大学金属材料与加工工程系 Department of Metal Material and Process Engineering Hebei Polytechnic University, Tangshan 063009Date1Lesson NineLesson Nine 第五章 塑性变形的不均匀性主要内容 Main Content 变形不均匀的基本概念 变形不均匀的原因 减小变形不均匀的措施 残余应力Date2Lesson NineLesson Nine 5.2 变形不均匀的原因 接触面上的外摩擦 变形区的几何因素 工具与工件的轮廓形状 变形体内部温度分布不均 变形体的外端 金属性质不均的影响 Date3Lesson NineLesson Nine 接触面上的外摩擦 在工具和变形金属之间的接触面上必然存 在摩擦。由于摩擦力的作用，在一定程度 上改变了金属的流动特性并使应力分布受 到影响。Date4Lesson NineLesson Nine 镦粗时的分区 圆柱体镦粗时，由于接触面上有摩擦存在，在接 触表面附近金属流动困难，圆柱形坯料转变成鼓 形。在此情况下，可将变形金属整个体积大致分 为三个区： 区表示由外摩擦影响而产生的难变形区； 区表示与作用力成45角的最有利方位的易变形 区； 区表示变形程度居于中间的自由变形区。Date5Lesson NineLesson Nine镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响 Date6Lesson NineLesson Nine 应力分布不均 外摩擦不仅影响变形，而且使接触面上的应力（ 或单位压力）分布不均匀，沿试样边缘的应力等 于金属的屈服极限，从边缘到中心部分，应力逐 渐升高。 另外，沿物体高度方向由接触面至变形体的中部 ，应力的分布是逐渐减小的，这是因外摩擦的影 响逐渐减弱所致。 Date7Lesson NineLesson Nine带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验Date8Lesson NineLesson Nine 侧面翻平 变形物体在压缩时，由于接触摩擦的作用，在出 现单鼓形的同时，还会出现侧表面的金属局部地 转移到接触表面上来的侧面翻平现象。随着压下 率的增加，aa和bb部分由侧表面逐步地转移到端 面上来。此侧面翻平现象发生在侧表面面积的减 小量大于接触面面积的增加量的时候。如果接触 面面积增加量大于侧面的减小量时，则因新的接 触面的形成将不再吸收侧面的多余面积。Date9Lesson NineLesson Nine圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦 粗过程中的变化Date10Lesson NineLesson Nine 由此可见，物体在压缩时接触面积的增加，可由 接触表面上金属质点滑动和侧面质点翻平两部分 组成。侧面金属翻平量的大小取决于接触摩擦条 件和变形物体的几何尺寸。接触面上的摩擦越大 ，接触面上的金属质点越不易滑动，因而侧面金 属转移上来的数量就越多。试样的高度越大，侧 面金属越易于转移到接触表面上来。当试样的高 度大于直径时，接触面积的增加将主要是由侧面 金属的转移所造成。Date11Lesson NineLesson Nine翻平宽展鼓形宽展 Date12Lesson NineLesson Nine 粘着现象 实验结果表明，圆柱体金属在镦粗过程中，若接 触摩擦较大和高径比HD较大时，则在端面的中 心部位有一区域，在此区域上金属质点对工具完 全不产生相对滑动而粘着在一起。此现象称为粘 着现象。此粘着在一起的区域称为粘着区。此粘 着现象也影响到金属的一定深度，这样就构成了 以粘着区为基底的圆锥形或近似圆锥形的体积， 此体积称为“难变形区”。Date13Lesson NineLesson Nine难变形区难变形区Date14Lesson NineLesson Nine 变形区的几何因素 在金属塑性加工中存在着外摩擦，变形的不均匀 分布情况与变形区几何因素(如H/d、H/L、H/B等) 有密切关系。实验表明：镦粗圆柱体时，当试样 原始高度与直径比H/d2.0时才发生上述的单鼓形 不均匀变形。当坯料高度较大且变形程度甚小时( 当H/d2.0时)，则往往只产生表面变形，而中间 层的金属不产生塑性变形或塑性变形甚小，结果 导致形成双鼓形。 Date15Lesson NineLesson Nine双鼓形双鼓形Date16Lesson NineLesson Nine 工具与工件的轮廓形状 工具（或坯料）形状是影响金属塑性流动 方向的重要因素。工具与金属形状的差异 ，是造成金属沿各个方向流动的阻力有差 异，因而金属向各个方向的流动（即变形 量）也有相应差别。Date17Lesson NineLesson Nine 如图所示，在圆形砧或V型砧中拔长圆断面坯料时， 工具的侧面压力使金属沿横向流动受到很大的阻碍， 被压下的金属大量沿轴向流动，这就使拔长效率大大 提高。当采用图c所示的工具时，则产生相反的结果， 金属易于横向流动。 a b cDate18Lesson NineLesson Nine 在许多情况下，当工具的形 状已得到了严格的控制时， 为获得变形均匀的产品，还 必须要考虑原始坯料形状的 影响。如果坯料的尺寸和形 状的选择不当也会使物体产 生不均匀变形。Date19Lesson NineLesson Nine 变形体内部温度分布不均 变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形 和流动的差异。变形首先发生在那些变形抗力最 小的部分。一般，在同一变形物体中高温部分的 变形抗力低，低温部分的变形抗力高。这样，在 同一外力的作用下，高温部分变形量大，低温部 分变形量小。而变形物体是一整体，限制了物体 各部分不均匀变形的自由发展，从而产生相互平 衡的附加应力。 Date20Lesson NineLesson Nine 在变形体内因温度不同所产生热膨胀的不同而引 起的热应力，与由不均匀变形所引起的附加应力 相叠加后，有时会加强应力的不均匀分布，甚至 会引起变形物体的断裂。 在热轧中常见到轧件轧出后会出现上翘或下翘现 象，产生此现象原因之一就是轧件的温度不均所 造成的。 Date21Lesson NineLesson Nine铝钢双金属轧制时由不均匀 变形产生的弯曲现象 Date22Lesson NineLesson Nine 变形体的外端 外端（未变形的金属）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 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，变形区金属的流动是受到 外端的制约的。Date23Lesson NineLesson Nine 封闭形外端 在被压缩体积的外部存在有封闭形外端时，一方面，被压 缩体积的变形要影响到外端的一定区域。另一方面，外端 会阻碍被压缩体积的向外扩展。 若外端的体积甚小时，则在变形过程中，在被压缩体积变 形的影响下，外端的高度也会有所减小，外端向外扩展。 如果外端的体积较大，则被压缩体积的变形很难进行。若 所施的压力非常大时，也可以把工具(压头)压人变形物体 内，此时部分变形金属将沿工具的周围被挤出。可见，金 属在具有封闭形外端条件下的压缩与无外端时有很大差别 。封闭形外端可以减小被压缩物体的不均匀变形，并可使 其三向压应力状态增强。 Date24Lesson NineLesson Nine封闭形外端封闭形外端非封闭形外端非封闭形外端 Date25Lesson NineLesson Nine 非封闭形外端 在金属压力加工中属于非封闭形外端的变 形过程较多，例如，锻造延伸，拉拔等。Date26Lesson NineLesson Nine 外端对变形物体的纵向延伸有强迫“拉齐”作用， 使变形物体沿高度方向的纵向延伸趋于一致。结 果，在变形区内于自由延伸大的中部产生附加压 应力，于自由延伸小的端部产生附加拉应力。此 外，变形物体为一整体，变形物体的纵向延伸的 变化也必然会影响着横向宽展的变化。Date27Lesson NineLesson Nine 在变形区的中部，由于外端对纵向延伸的“拉齐” 作用使自由延伸减小的结果，使宽展被迫增大， 而在端部由于使自由延伸的被迫增加，使宽展减 小。结果，由于外端对纵向延伸的“拉齐”作用， 使变形区沿高向的中部产生的宽展最大，端部宽 展最小。这样，由于外端的存在，使变形物体的 纵向变形的不均匀性减小，横向变形的不均匀性 增大。Date28Lesson NineLesson Nine 金属性质不均的影响 变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相 的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流 动的差异。例如，在受拉伸的金属内存在一团杂 质，由于杂质和其周围晶粒的性质不同，出现应 力集中现象，结果这种缺陷周围的晶粒必须发生 不均匀变形，并会产生晶间及晶内附加应力。Date29Lesson NineLesson Nine 5.3 变形不均的防止措施 变形不均产生的后果 减轻变形不均的措施 Date30Lesson NineLesson Nine 变形不均产生的后果 使单位变形力增大 当变形不均匀分布时，将使物体内部产生相互平 衡的附加应力，使变形能量消耗增加，也使单位 变形力增大。此外，当应力不均匀分布时，将使 变形体内实际的应力分布情况与基本应力有很大 不同，有时虽然作用着单向的基本应力，但工作 应力却可能变成三向同名应力状态，此时也会使 单位变形力增大。 Date31Lesson NineLesson Nine 使塑性降低 在具有应力不均匀分布的变形物体内，当某处的 工作应力达到金属的断裂强度时，则在该处将首 先产生断裂，从而导致金属的塑性下降。 Date32Lesson NineLesson Nine挤压件上表面裂纹及应力分布图Date33Lesson NineLesson Nine 使产品质量降低 由于变形的不均匀分布使物体内产生附加应力， 若变形后物体的温度较低不足以消除此附加应力 时，则在物体内将存有残余应力，从而使物体的 力学性能下降。同时，由于变形体内各处的变形 不同，其再结晶后各处的晶粒大小也不同，造成 组织与性能分布不均。 Date34Lesson NineLesson Nine摩擦系数f不同时塑压件退火 后中心轴上晶粒大小分布Date35Lesson NineLesson Nine 使技术操作复杂 由于变形体内应力的分布不均，使加工工具的各 部分受力不均，以致使工具各部分的弹性变形和 磨损不均。这样就使工具设计、制造和维护复杂 。同时也使对材料进行的热处理制度复杂化。 Date36Lesson NineLesson Nine 减轻变形不均的措施 正确选定变形的温度速度制度 变形温度应保证物体在单相区完成塑性变形，并 在整个物体内分布均匀。变形速度制度的选择也 应使变形在物体内分布均匀，如Hd比较大的厚 件，在速度较低的压力机上锻压较合适。 Date37Lesson NineLesson Nine 减小金属表面上的外摩擦 为减小接触表面上的摩擦系数，应提高和保持工 具表面的光洁度和采用适宜的润滑剂。也可采用 超声振动加工等方法来减少外摩擦的不利影响。 Date38Lesson NineLesson Nine