塑性变形的力学基础.ppt

1 塑性变形的力学基础 金属在外力作用下能稳定地改变其形状和尺寸而 不破坏的能力。 塑性： 用金属破坏前所能产生的最大变形程度来表示。 变形抗力： 金属对变形的抵抗能力。 用单向拉伸或压缩时试样横断面上所受的应力来 表示。 1.1 力与变形 一、作用力 把塑性加工设备可动工具部分对变形金属所作 用的力叫作用力或主动力。 1.1.1 外力-作用力和约束反力 图1-1 基本压力加工过程的受力图和应力状态图 （a）镦粗；（b）挤压；（c）拉拔；（d）轧制 二、约束反力 阻碍金属质点运动的力。 （1）正压力 （2）摩擦力 T=fN 1.1.2 内力和应力 一、内力 1.定义: 由于外力的机械作用或是因物体的整体性使物体 不均匀变形受到互相限制而引起物体内原子之间的距 离发生改变时,在物体内部产生的一种互相平衡的力。 图1-4 加热不均引起的内力 2.产生内力的原因 (1)为了平衡外部的机械作用所产生的内力； （2）由于物理或物理-化学过程所产生的相互平衡的 内力。 3.内力产生的实质 由于原子被迫偏离其平衡位置，使原子间距改 变。 4.内力大小的度量 应力 二、应力 内力的强度称为应力，即单位面积上所作用 的内力。(应力是由外力引起的物体内单位截面面积上的 内力。) 在一般情况下，物体内各点的内力是不相同的，因此， 有必要以点为基本研究对象来分析内力 1.定义： 2.应力的计算： 用截面法计算 作用在微小面积上的力 P: F上的总内 力 T: F切线方向 的分内力 N: F法线方向 分内力 S=lim P/ F F 0 全应力 =lima T/ F F0 正应力 =lim N/ F F0 切应力 注意： 1、仅当截面上应力均匀分布时，作用在截面上 的总内力与该截面面积之比才是实际应力； 2、当截面上的应力不均匀分布时，此比值乃是平 均应力，这时截面上的实际应力需用上式来计算。 图1-2 原子间的作用力和 图1-3理想晶体中的 能同原子间距(r)的关系 原子排列及其势能曲线 1.1.3 变形 金属在受力状态下产生内力,且其形状和尺寸也 发生变化的现象称为变形. （3）rro时原子间作用的内力表现为斥力 若压缩原子使rro ，所加之力或能必须克服原 子间的斥力或排斥能。 由上述可得到： （1）r=ro时原子的斥力和引力相等 内力为零，原子势能最低，原子处于最稳定位置 （2）rro时原子间作用的内力表现为引力 若拉开原子使rro ，所加之力或能必须克服原 子间的引力或吸引能。 （4）弹性变形 所加之力或能不足以克服势垒，仅使原子被迫 离开平衡位置，而处于不稳定状态。此时，去掉所 加的力后，原子回到原来的平衡位置，变形也就消 失。 特点：原子间距改变、原子间势能升高、物体的体积 发生变化（变化不大） （5）塑性变形 所加之力或能足以克服势垒，而使大量的原子多 次地、定向地从一个平衡位置转移到另个平衡位置 。这样在宏观上就产生了不能复原的永久变形 特点：形状和尺寸改变，但体积不变 （6）弹塑性变形共存 发生宏观屈服后的任意变形瞬间所产生的总变形 中都包括弹性变形和塑性变形，弹塑性变形是共存 的。金属在发生塑性变形之前必先产生弹性变形。 图1-3 拉伸时应力与变形的关系 1.2 应力状态及图示 一、应力状态 所谓物体处于应力状态，就是物体内的原子被 迫偏离其平衡位置的状态。(点的应力状态是指受力物 体内某一点各个截面上所作用应力的变化情况。) 1.定义 2.研究金属的应力状态的意义 金属内部的应力状态，决定了金属内部各质点 所处的状态是弹性状态、塑性状态还是断裂状态。 而一切压力加工的目的均是在外力的作用下，使金 属产生塑性变形，获得所需要的各种形状和尺寸的 产品。因此，了解各种压力加工中金属内部的应力 状态特点，对于确定物体开始产生塑性变形所需的 外力，以及采用什么样的工具与加工制度，使力能 的消耗最小等方面都具有重要的实际意义。 3.用主应力来表示应力状态 (1)主平面: 只有正应力而无切应力的平面。 （2)主轴：与主平面法线方向平行的坐标轴。 （3)主应力： 主平面作用的正应力。 规定:三个主应力大小，按代数值进行排列，即 1 2 3。 二、应力状态图示 1.定义: 应力状态图示就是用来定性说明变形体内某点 （或所研究物体的某部分）在各主轴方向上，有无主 应力存在及其主应力方向如何的定性图。(主应力简图 是采用主坐标系定性描述一点应力状态的一种简化几何图形。) 2.应力图示的种类 主应力图示共有九种可能的形式 线应力状态两种 平面应力状态三种 体应力状态四种 可能的应力状态图示 a线应力状态；b面应力状态；c体应力状态 1.3 变形图示与变形的力学图示 1.定义： 就是在小立方体素的面上用箭头表示 三个主变形是否存在。 规定：拉伸时箭头向外指；压缩时箭头向里指。 一、变形图示 2.变形图示的种类 共三种。 （2）一向伸长一向缩短。又称平面变形图示。 如宽度较大的板带轧制 （1）一向缩短两向伸长。 例如有宽展情况的轧制和自由锻压。 （3）两向缩短一向伸长。 如挤压和拉拔。 三种可能的变形图示 （a）变形方式；（b）变形 图示 二、变形的力学图示 1.定义 把变形过程中的应力图示和变形图示两 者放在一起合称为变形力学图示。 应力图示与变形图示的符号往往不一致。 注意： 应力图示和变形图示之间的关系： 从各主应力中把 扣除，余下的应力分量与 塑性变形相对应。 即：变形图示符号与 符号 相对应。 与主变形相对应的应力图示 试确定与这三个主应力相对应的变形图示。 例如1：从变形体内任一点截取的体素各面上分别作用 的主应力。 因此，与这三个应力相对应的变形图示：1和2 是伸长，而3 是缩短。 解： = = = = 例2：轧制板带时2=0，试确定三个主应力之间的 关系。 解： 即 结论：在平面变形情况下，主变形为零的方向， 主应力不为零，在此方向上的应力为 一 绝对变形： 变形前后工件绝对尺寸之差。 压下量 H、B、L和h、b、l分别为轧件变形前和后的高度、宽度 与长度，毫米 宽展量 延伸量 特点：计算简单，能直接反映出物体尺寸的变化，但不能 正确反映出物体的变形程度。 1.4 变形量的表示方法 有两块金属在宽度和长度上相同，而高 度分别为H1=4毫米和H2=10毫米，经过加工后 高度分别为h1=2毫米,h2=6毫米，这两块金属 的压下量分别为h1=2毫米，h2=4毫米，这 能说明第二块金属比第一块的变形程度大吗? 例如： 二 相对变形： 1 一般相对变形：绝对变形量与工件原始尺寸的比。 相对延伸量 相对压下量（压下率) 相对宽展量 断面收缩率 特点：可较全面地反映出变形程度的大小。 2 真实相对变形：某变形瞬时的真实变形程度。 特点：能表示变形瞬间的真实变形程度，但计算较复杂。 3 变形系数 压下系数 延伸系数 宽度系数 = l L 按照体积不变定律有 故 即 4 总延伸系数、部分延伸系数与平均 延伸系数 相应地轧件的逐道的延伸系数各为: 根据体积不变定律，可以写出总延伸系数为: 将逐道延伸系数相乘，得 故可得出结论：总延伸系数等于相应各部分延 伸系数的乘积，即 总延伸系数与平均延伸系数间的关系为： 平均延伸系数 轧制道次与断面积及平均延伸系数的 关系为 ： 1.5 外摩擦 一、塑性加工中摩擦的特点 1.与机械摩擦相比特点如下: (1)工具与工件接触面上的单位压力大。 (2)接触表面不断更新和扩大。 (3)接触表面温度较高。 (4)作为摩擦对的工具与工件性质差别大。 变形金属表面组织是变化的。 2.塑性加工中的摩擦作用 摩擦引起的不良后果如下： （1）引起变形和能耗增加。 （2）摩擦引起变形不均匀及许多不良后果。 （3）引起工具磨损，缩短工具寿命。 某些情况下，摩擦也起着有益作用： 例如：轧制时增加摩擦可改善轧辊咬入轧件的条件 以增大每道压下量。 二 摩擦定律 一般都属于滑动摩擦。可分为三种基本类型：干 摩擦、液体摩擦和边界摩擦。 1.变形时摩擦的分类 1.干摩擦：指工件与工具接触面间没有任何其它 介质和薄膜，仅是其金属与金属之间的摩擦。 2.液体摩擦：工具与工件的接触面间被润滑油完全隔开 ，两表面的相对滑动阻力只与液体的性质和速度梯度有关，而 与接触面状态无关时，这种摩擦称为液体摩擦。 3.边界摩擦定义：工具与工件的接触面间仅存在厚度小 于1m的润滑剂吸附层的润滑摩擦称为边界摩擦或吸附摩 擦。 2. 摩擦定律 在干摩擦条件下，摩擦力的大小与接触表面的正压 力、摩擦对的性质和状态有关接。即当摩擦对触表面上 其他条件相同时，摩擦力的大小与接触表面上的正压力成正比 。-摩擦定律（库仑定律）数学表达式为 T=fP=fnF 式中 T摩擦力； f 摩擦系数； P接触表面的正压力； n接触表面的正应力； F 摩擦对接触的宏观面积。 三 影响摩擦系数的主要因素 1.工具表面状态和材质的影响 2. 金属化学成分的影响 3.加工温度的影响 4.加工速度的影响 5.润滑剂种类的影响 6.接触面上的单位压力 7.其它因素的影响 四 减少摩擦的技术措施 （一）工具材料和表面状态 1.对于使用条件苛刻的加工工具如拉丝模常使用 硬的、与工件金属难以粘着的硬质合金或金刚石； 2.一般工具材料表面上复以硬的并难以和工件金 属粘着的物质如镀硬质铬、用钛或钒的碳化物做皮 膜等； 3.在塑性冷加工时，工具表面应进行精加工，而 且在使用中时常要进行再研磨以去掉粘着层。 （二）材料的形状和表面状态 3. 工具的表面精酸洗和抛丸使之有微细的凹坑以贮存润滑 剂。 2.工具和工件间适当留有间隙以便多含润滑剂或 在坯料的表面设计成凹面以便多贮润滑剂； 1.坯料精加工前应进行合理的预成形，精加工道 次工件的变形量适当减小。 （三）润滑剂 1.固体与熔体润滑剂 在接触表面用液体不能形成很厚的润滑层以及加 工温度较高时由于油的分解、蒸发、燃烧和失去粘度 的情况下，使用固体和熔体润滑剂。 （1）固体润滑剂 一般说来凡剪切强度比工件金 属小的任何物质，原则上都可以作为固体润滑剂。 （2）熔体润滑剂 钢铁材料及一些合金，在热锻 和热挤压过程常用玻璃作为润滑剂。 2.液体润滑剂 （1）优点： 价格便宜；易涂布；破裂的润滑膜易修复；对工 具有冷却作用；制品表面光整等。 （2）分类： 矿物润滑油； 动植物润滑油； 合成润滑油。 五 轧制时摩擦系数 （一）摩擦系数的测定方法 1.最大咬入角法： 根据 便可求出 而 2.轧件强迫制动法 在轧件后端作用一制动力Q，强迫轧件在转 动的轧辊间停下来，在开始打滑瞬间测定制动 力Q和轧制力P。 式中在计算中常取= 3.轧制力矩法 测定前滑为零时的纯轧力矩M和轧制力P， 按下式计算： 另外还有一种方法，即 4.圆环镦粗法 （二）估算摩擦系数的方法 1.热轧时的摩擦系数 艾克隆德公式 上式中 K1轧辊材质影响系数，对于钢轧辊=1.0，铸铁 轧辊=0.8； K2轧制速度影响系数，可按实