（材料加工工程专业论文）不锈钢薄板在中高压状态下滑动摩擦机理的研究.pdf

i lj 尔入学坝l j 学1 一论艾 不锈钢薄板在中高压状态下滑动摩擦机理的研究 摘要 小文对l c r 8 n i 9 奥氏休1 i 锈钢溥板在t ，高j l i 力状念f 塑r ：变形的微脱摩擦 机州进行了实验研究：采用了会棚技术、i 【lf 探针、扫描f u 镜等实验于段，分 析了摩擦系数、表丽形貌、真实接触面私 、 温微硬度、滑移平成分转移等儿个 问题，验i 正了它们之i u j 的内在联系及川互灭系。 j 越川摩擦测定仪i , t - b 锈钏板料作滑动摩擦试验，采用会十技术、i 乜f 探针 矽f 究了订：一 t 离j j 力状念下滑动后表而的形貌；你 j j ；丁：压力加l j l i l 的炳r f ：变形 不i i f 遵：) ：j 车仑摩擦定律；在t ，商l i 力为6 l5 m p a 时，真实接触而积约i i 名义 接触l m 干j 的o9 2 27 6 。二z i ；补- 整个摩擦过程r t ，表i “i 形貌一商都足在不同种度的 变化之h 表面的犁内与枯着足摩擦后表【f f 形貌的基术特铀：；摩擦系数与接触 应j n 0 人小、表丽形貌及表而的实际接触状况十关。) 石 应川疆微硬度汁对各个试样的表而及表层的硬度做了试验分析，对试样做 f u 解腾蚀，然后，采 n 扫描f 乜镜观察了滑移带。f 得硬度变化及滑移的特点： 摩擦系数与i i 壁! 度呈刘啦关系；摩擦过程发生的塑性变形，大部分集i | 1 在表雨f 层 i ；f l f 近。尤滑动i i 、f 表i f l i 的硬度变化小人；柯千刘滑动时，不同的应力分和列应于 4 i m 的硬度，变形利_ | ：= 表现f j 强烈的加工f ! | 化现象，但硬度并不是应力越火而 f i ! i ! 度越：j ，住1 5 m p “| 忖利料表而、表层发生软化现象。不锈钢薄板摩擦衷层硬 度的变化足应j 应变、组织变化、摩擦热引起的恢复与再结晶综合作，u 的结果， 位错密度的增加足，“牛力j ：硬化的。卜要原冈。在中高压力下的滑动摩擦导敛4 ： 锈俐薄扳表层0 o 2 m m 范刚产! i 滑移带；滑移随应力的增大，“乍多滑移，表现 、7 j j ；多力+ 盼陀和不同时h ：滑移带贸穿移个一1 斛口，彳丁叫连续地穿越品界。吖 ， 砸川i i 三r 探针刘材料原始状态及t t 高爪州，z 力摩擦条件卜的试什做刈比成 分试验f 【j l ：究表i 抛，1 0 18 n i 9 薄板滑z 力肝表l n i 层原f 邦仃m 摩擦应力最人、位 错密度最商的表层扩敞的趋势。滑动摩擦过柑小有枇着现缘发乍；在农i m 仃贫 o 专f 脱象；表层t ，c 、m 都随应力的j 曾人向表层迁移，而c r 随应力的增人 、 7 向撼体扩敝。一 本文通过试验闸明了t ，高压状态下滑动摩擦l j 宏观的塑性变形干表面形貌 的变化与微观的成形i 訇素之1 1 日j 的关系。对i 哺i 压状态下的压力成形有了深入的 了解，为j 垃川摩擦来改善利料成形提供了依抓。 天键涮：t ，商j 丘力摩擦表而形貌 娃微硬度扩敞 2 i l i 东大学顺士学位论文 t h es t u d yo fs l i d l n gf r i c t i o nm e c h a n i s m o fs t a i n l e s ss t e e ls h e e tu n d e r s t a t u so fm i d d l eo rh i g hp r e s s u r e a b s t r a c t ih em i c r o - f f i c t i o n a lm e c h a n i s mo fe l a s t i cd e f o r m a t i o no f1 c ，18 i 9s t a i n l e s s i r o ns h e e tu n d e rs t a t u so fm i d d l eo rh i g hp r e s s u r ei s i n v e s t i g a t e d i nt h i sa r t i c l e f u r t h e r m o r e ，a d v a n c e de x p e r i m e n t a lm e t h o d ss u c ha sm e t a l l o g r a p h i ct e c h n i q u ea n d e l e c t r o np r o b ea n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea r eu s e dt os t u d ya s p e c t so ff r i c t i o n c o e f f i c i e n ta n ds u r f a c ea p p e a r a n c ea n da c t u a lc o n t a c ta r e aa n dm i c r o h a r d n e s sa n d s l i p p a g ea n dc o m p o n e n td i v e r s i o n ，a n d t h ei n t r i n s i cr e l a t i o na n dc o r r e l a t i o na r e v e r i f i e d a st h es l i d i n gf r i c t i o n a l e x p e r i m e n to fs t e e l s h e e tm e t a li s p r o c e e d e du s i n g t r i b o m e t e r ，t h es u r f a c ea p p e a r a n c ea f t e rs l i d i n gu n d e rm i d d l eo rh i g hp r e s s u r es t a t u s i s i n v e s t i g a t e du s i n gt e c h n i q u e so fm e t a l l o g r a p h i ct e c h n i q u ea n d e l e c t r o np r o b e ，t h e r e s u l ti s ：t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no f p r e s s u r ep r o c e s sd o e sn o ta c c o r dw i t hc o u l o m b f r i c t i o nr u l e ；u n d e rm i d d l eo rh i g hp r e s s u r eo f6 15m p a t h ea c t u a lc o n t a c ta r e a o c c u p i e sa b o u to 9 2 2 o f n o m i n a la r e a ；d u r i n gt h ew h o l ef r i c t i o np r o c e s s ，s u r f a c e a p p e a r a n c ea l w a y sc h a n g e s i nd i f f e r e n t d e g r e e s ，a n d t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f s u r f a c ea p p e a r a n c ea r ef u r r o wa n da d h e r e n c e ：t h ec o n t a c ts t r a i ni sr e l a t e dt of r i c t i o n c o e f f i c i e n ta sw e l la st h es u r f a c ea p p e a r a n c ea n da c t u a lc o n t a c ts t a t u s t h em i c r o h a r d n e s sm e t e ri su s e dt o e x p e r i m e n t a l l ya n a l y s i s t h e r i g i d i t y o f s u r f a c ea n ds u r f a c el a y e ro fe v e r ys a m p l e t h ee l e c t r o l y t i cc o r r o s i o ni st a k e no n s a m p l e s ，t h e nt h es l i d i n gs t r i pi so b s e r v e du s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e t h e c h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o h a r d n e s sc h a n g e sa n ds l i p p a g e a r eo b t a i n e d ：t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n ti s c o r r e s p o n d i n g t om i c r o h a r d n e s s t h e p l a s t i c d e f o r m a t i o na l m o s t f o c u s e sn e a r b ys u r f a c el a y e r t h em i c r o h a r d n e s so fs u r f a c ec h a n g e sl i t t l ew i t h o u t 3 i i i 东人学硕士学位论文 s l i d i n g ；w h i l ea c u t e 、7 0 r k - h a r d e n i n go c c u r st ot h es a m p l ew h e nr e l a t i v e s l i d i n g o c c u r s a n dd i f f e r e n td i s t r i b u t i o no fs t r a i n i s c o r r e s p o n d i n g t od i f f e r e n t m i c r o h a r d n e s s ，b u th i g hm i c r o h a r d n e s si sn o tc o r r e s p o n d i n gt ol a r g es t r e s s ，w h e nt h e m a t e r i a li su n d e rl5m p a ，i n t e n e r a t ei so c c u r r e do nt h es u r f a c ea n ds u r f a c e l a y e r t h e v a r i e t yo f m i c r o h a r d n e s so ff r i c t i o n a ls u r f a c el a y e ro fs t a i n l e s ss t e e ls h e e ti st h e r e s u l to fr e s t i t u a t i o na n dr e c r y s t a l l i z a t i o nt h a tb r o u g h tb ys t r e s s s t r a i na n ds t r u c t u r e c h a n g e a n df r i c t i o n a lh e a t a n dt h em a i nr e a s o no fw o r k i n gh a r d n e s si st h e i n c r e a s m e n to f d i s l o c a t i o n s l i p p a g es t r i p si nt h er a n g eo fo o 2m n ! o f s u r f a c el a y e r o fs t e e ls h e e to c c u ri nt h ep r o c e s so fs l i d i n gf r i c t i o nu n d e rm i d d l eo rh i g hp r e s s u r e t h es l i d i n gb r i n g sm u l t i - s l i p p a g ew i t ht h ei n c r e a s eo fs t r e s s ，a n dm u l t i d i r e c t i o na n d a s y n c h r o n o u so c c u r t h es l i p p a g es t r i p s r u nt h r o u g ht h ew h o l ec r y s t l e ，s o m et i m e g o e st h r o u g ht h ec r y s t a lb o u n d a r yc o n t i n u o u s l y t h ee l e c t r o np r o b ei s a d o p t e dt o d ot h ec o n t r a s tc o m p o s i t i o ne x p e r i m e n to f s a m p l eu n d e rm i d d l e o rh i g hp r e s s u r eo f s l i d i n gf r i c t i o n a lc o n d i t i o n sa n d i nt h ei n i t i a l s t a t u so fm a t e r i a l t h ei n v e s t i g a t i o ns h o w s ，t h es u r f a c ea t o m so f1 c r l8 n i 9s h e e t m e t a la f t e rs l i d i n ga l lh a v et h et r e n do f d i f f u s i n gt ot h es u r f a c el a y e rw i t hm a x i m u m s t r e s sa n dh i g h e s td i s l o c a t i o nd e n s i t y t h ea d h e r e n c ep h e n o m e n o no c c u r sd u r i n gt h e f r i c t i o n a lp r o c e s s ，a n dt h es u r f a c eb e c o m e sr i c hi nc ra n dd e f i c i e n ti nn a n dt h e e l e m e n t so fca n dn ia l s ot r a n s f e r st os u r f a c el a y e rw i t ht h ei n c r e a s eo fs t r e s s ， w h i l ec rd i f f u s e st ob a s i cb o d yw i t ht h ei n c r e a s eo fs t r e s s t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o p l a s t i cd e f o r m a t i o na n ds u r f a c ea p p e a r a n c ea n d m i c r op r o c e s s i n gf a c t o r so f s l i d i n gf r i c t i o nu n d e rm i d d l eo rh i g hp r e s s u r ei sv e r i f i e d b ye x p e r i m e n t s t h ep r e s s u r ep r o c e s su n d e rm i d d l e o rh i g hs t a t u si sc o m p r e h e n d e d d e e p l y , a n dt h eg i s t i s p r o v i d e d f o ru s i n gf r i c t i o nt o i m p r o v et h ed e f o r m a t i o no f m a t e r i a i k e y w o r d s ：m i d d l eu rh i g hp r e s s u r ef r i c t i o ns u r f a c ea p p e a r a n c e m i c r o h a r d n e s sd i f f t l s i o n 4 l l i 东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 摩擦学是近4 0 多年来形成的一门年轻的边缘科学，在塑性加工中【j i 有非常 重要的地位，成为塑性加工中的一个重要组成部分。金属压力加工中外摩擦的 重要特点是真实接触面上存在很大的正压力，使变形金属处于完全塑性流动状 态。此压力值在很多情况下远远超过被：j f l 工金属的屈服极限值。真实接触表 面上的压力一般达5 0 0 m l a ，冷挤压时可达2 5 0 0 m p a 旺1 。 随着上世纪六十年代f 【l 子显微技术的发展、普及和应用，电予衾棚分析方法 已广泛应用于摩擦磨损过程和组织变化的研究b “”，摩擦问题不再被认为只是 一个力学问题而是一种十分复杂的现象，它所涉及的学科范围很广2 ”1 。从本 质上看，材料的摩擦性能、摩擦副的工作状态、零部件的可靠性、酬久性与组 织结构有着极为重要的联系。 众所周知，如何使材料按照既定的设计与工艺成形并有效地提高其成形能力 足生产者最关心的问题。但材料的成形涉及的范围很广，不确定的因素太多， 尤其是摩擦的影响，它的作_ l _ j 机理以及影l l 向程度总足随着外界环境的变化而变 化，在某些情况下，摩擦金属表面及次表面仪发生弹性和塑性变形3 ，而在另 一种情况下，摩擦各个阶段在材料内部将i n 现更深刻的组织与相的变化 3 - 5 o 深 入到 i l 织结构变化中去，研究塑性变形过程r | 1 所发生的摩擦变化，爿能得n f 确的结论，并以此指导模具结构的改进，材料的选择以及工艺的确定”。 1 2 摩擦学的发展 摩擦学( t r i b o l o g ) ，) 的定义为“研究相对运动的相互作月】表面的有关 咀论与实 践的- 一门科学与技术”i t 6 l 。它是一r j 年轻而古老的学科，发展成为摩擦学还是 山东大学顾士学位论文 1 9 6 6 年的! j f 。美国国家自然科学基会( n s f ) 的jl a r s e n b a s s e 最近曾写过：摩 擦学矿处在生死关头。他认为摩擦学将发展到“表面工程时代”。1 9 8 4 年，n s f 一份关于优先支持领域研究的报告t ，摩擦学曾被确认为机械领域四个主要学 科之一2 0 1 。 摩擦学研究方法的最新发展是：( 1 ) 宏观表面进入微观表面的研究1 9 3 0 近代表面科学技术的发展，为微观研究摩擦表面的物理、化学性质提供了必要 的测试手段，如扫描h l 子显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) 、原子力显微 镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ) 、光学显微镜( o p l i c a lm i c r o s c o p e ) 旺等等，使我们 能更好地探索摩擦的本质，以i f 确选择摩擦副材质的配对，为新材料新工艺的 研制提供理沦依据。l 2 ) 从定性分析到定量计算。摩擦磨损的发生是由于相对 运动摩擦副表面的接触，表面接触状态的变化必然导致摩擦副工作特性的改变， 表面接触模型是发展摩擦学理论的重要出发点。对摩擦机理、润滑理论的研究， 以及所提供的数学模型，有可能对摩擦和润滑的实际问题进行定量的计算。( 3 ) 从单囚素的研究进入到多因素的综合研究。摩擦过程是一个多因素的复杂变化 过程，影i 响摩擦磨损和涧滑的因素很多，涉及到的学科领域广，为了进行综合 性的研究，可用数理统计理论和近代技术领域中的系统分析法，对摩擦学系统 进行综合处理，找出其变化规律，以便得出最佳摩擦工况条件及结构方案。( 4 ) 从静态i i j f 究发展到动态研究。摩擦磨损都是在运动过程中发生的，理应在动态 l 二研究摩擦原理及磨损规律( 早期预报和状念检测) “”。 1 3 奥氏体不锈钢的应用现状 铬镍奥氏体不锈钢之所以获得广泛的应用，是因为它具有一系列优良的综 合性能和以下特点：( 1 ) 一般) k 说，奥氏体不锈钢含有高的铬( 1 7 2 6 ) 、镍( 8 - - 2 5 ) ，组织为奥氏体。与其它类不锈钢相比，是耐蚀性最好的一类。( 2 ) 奥 氏体不锈钢与其它类j f 锈钢相比，在低温下仍具有优良的韧性和塑性，容易进 6 山东火学 ! j + 学位论文 行各种复杂的冷、热变形，d i i i 成各种零件。生产j ：艺和产品质量容易控制j # 稳定。纯奥氏体不锈钢无磁性，4 ：能通过棚变，只能通过冷加工而强化”。 不锈钢塑性变形时，其变形速度不宜过高，一般在0 1 5 o 2 5 卅s ，即可达 到较好的效果。如果变形速度提高，会使材料硬化加快，从而降低极限变形程 度，同时也会使材料的变形抗力升高旺”。 不锈钢用途广泛，价格寿命比低，近年来冶会和材料的新工艺、新技术的 迅速发展，使不锈钢产量占钢总产量的l l t ，i i 有较大提高、2 3 、2 4 捌，不锈钢的品 种质量也有显著发展埘3 ，例如3 1 6 l 不锈钢是a s t m 推荐使用的三种会属植 入人体材料之一 2 9 1 。因此，研究不锈钢性能及加工工艺性刘扩大不锈钢材料的 使用范围，提高产品质量、降低成本消耗具有重要的意义 3 0 3 2 o1 c r l 8 n i 9 钢主 要川于制造各种结构件及非磁性部件，也可用于低温环境。主要用于制造不锈 耐酸的外壳、浮筒以及船舶控制设箭的低磁性零件。该钢的冷拉钢丝和冷4 ：l n 带r i 0 于制造不锈弹性元件”。 我国不锈钢冷轧薄板的常规力学性能和耐蚀性与国外产品相近，但冲压性 能、表面质量、尺j j 公差等质量水平与国外差距很大，如冲压成品率国内仅为 60 ，远低二r 国外9 5 以上的水平；板厚公差国内多为o 0 5 0 0 7 r a m ，而国 外仪为o o l o 0 2 r a m 。会属薄板成形在国民经济的压力加工领域中占有相当重 要的地位，薄板成形的零件重量轻、耗材少、生产率高、成本低。这种加工技 术越来越广泛的为各种工业部门所采用。摩擦是金属板料成形中重要的行为之 一，一i 仅影响成形力的大d 、j f h 能量消耗，还直接影响零件的成形极限、回弹和 表面质量旧”。 1 4 本课题的意义及主要研究内容 近年来，表面1 程、生物摩擦学、磁记录系统摩擦学以及微观和纳米摩擦 学足备受关注的研究领域1 。对于金属成形加工领域引入数值模拟系统和人工 山东大学硕士学位论文 智能专家 3 5 1 ，求出摩擦中的各种影响因素的关系，可以为各种理论分析模型提 供充分准确的边界信息。在薄板金属的成形过程中，工件有两种损坏形式：丌 裂与起皱 3 6 3 0 在这两种损坏中，摩擦的影响都是不容忽视的因素。近年来薄板 成形过程中的摩擦学行为以及各种摩擦模型的建立是金属塑性加工领域科学研 究的热点。因此，揭示摩擦对于材料成形的影响规律成为一项紧迫的课题。但 目前对摩擦与成形之i 训关系的研究大都局限于宏观力学方面，而应用于数值模 拟的摩擦公式也是做了大量的简化或直接使用常量摩擦，或大量的依靠经验， 这样就使得理论计算或模拟与实际产生较大偏差；同时塑性成形的摩擦机制以 及相应的材料性能、组织方面等的变化还未完全了解；如何获得理想的摩擦条 件束改变不锈钢的成形性能，这都是尚未解决的问题。摩擦规律的揭示能为有 效地应用塑性摩擦提高金属薄板的成形性能奠定基础。基于此，本文采用目前 我国应用广泛的不锈钢1 c r l 8 n i 9 奥氏体不锈钢薄板作试验材料，做了以下几方 面的研究： 一对中高接触压力下塑性变形的微观机制进行了力学特点、摩擦机理、表 层摩擦性质几个方面的理论阐述。 二应用金相技术系统研究了表面形貌在有、无相对滑动时的变化，探讨了 中高接触压力下的真实接触面积和表面形貌。 三采用显微硬度计研究了不锈钢薄板相对滑动后表面及表层显微硬度的变 化。 四应用扫描电镜对滑动后的表层组织作了分析。 五应用电子探针研究了表面和表层原子的迁移、成分的变化。 8 山东大学颂士学位论文 第二章不锈钢的成形性能研究 2 1 奥氏体不锈钢组织性能 不锈钢的基础是铁一铬二元系合金，某些添加元素对合金的组织和性能有 较大的影响，图2 1 是铁一铬相图，此图是研究不锈钢的基础。 l5 3 ， ，- 二： 多多 冀堡 弋 ( 。一j 。，c ，) 潦。 裂巴导鹰 r 醅 、：厶rj l 、 t i o 卅l x i i 4 7 5 i 幽2 一if e c r 相图 奥氏体类不锈钢是在图2 一l 所示的铁一铬二元系合金中加入面心立方元素 如镍或锰而形成的。y 相区的相界由于加入面心立方的合金元素而向外扩展， 其结果是增强和扩大了y 相区，这个相叫做奥氏体。当加入的镍或锰的量足以 使奥氏体稳定时就抑制口一f e 的形成。因而在铁铬钢中加入8 以上的镍就可 能获得在室温下稳定的奥氏体组织。因为这些合金在热处理时不能发生任何相 转变，所以它们不能用热处理来硬化，但冷变形时能显著发生硬化瞳。在摩擦 热的作用下，不锈钢的状态将随着温升而变化，这可以结合铁碳状态图来分析。 在临界点以下淬火钢可能发生低温、中温及高温回火现象，此时有6 t 分解，碳 化物析出，应力松弛，还有残余奥氏体转变为口相，以及恢复、再结晶现象。 9 山东大学硕士学位论文 如果最表层的温度超过了a 。奥氏体就将重新生成，这个时候材料的塑性变形 抗力急剧下降，因此容易产生明显的塑性流动1 8 。 在不锈钢中，铬、镍是从两个不同的方面对不锈钢的组织产生影响，其影 响的程度根据含量的多少而不同。( 1 ) 铬对不锈钢组织的作用为稳定铁素体( a ) ll 一唑。咿7 5 t 杉 1 0 * | 奥氏体( ) ， i 杉 , -2 0 1 ( , 7 4 0 * 7 十- m 趁 乏 la + 7 8 0 薯 淝步 j = ! p 1 乇体(m ) l 0 0 1 ￥o 矿7 l i ， 亡寸阳 、n 翊 铁索体f ) c481 21 62 0 2 4 2 83 23 6 4 0 图2 - 2 铬镍不锈钢组织幽 和缩小奥氏体( y ) 区域，是铁素体形成元素，图2 1 中所示，含铬约1 7 的不锈 钢在室温时为铁素体组织，一般达不到很高纯度的铁素体不锈钢。( 2 ) 镍是奥 氏体形成元素，在铁铬合金中加入镍，可使图2 1 中奥氏体区域扩大，并减缓 奥氏体转变为铁素体的速度，使奥氏体稳定，不锈钢中加入镍的首要作用是为 了得到奥氏体组织。奥氏体不锈钢克服了铁素体不锈钢的不足，具有好的轧制 性能、冷成形性能、焊接性能与韧性，使不锈钢能得到广泛使用。( 3 ) 碳对奥 氏体不锈钢的影响也很显著，主要有二方面。一是碳为奥氏体形成元素，其扩 大奥氏体区作用的程度很大，约为镍的3 0 倍；另一方面，当奥氏体不锈钢中含 碳量高时，会使不锈钢在焊接等热加工后，发生碳化铬在晶界沉淀，引起晶界 贫铬，使不锈钢有晶问腐蚀倾向，以后在某些介质中使用时，会发生沿晶界局 部腐蚀的晶问腐蚀。此外，碳还可以提高不锈钢的高温强度。 1 0 约 孔 坞 坦 o 山东大学硕士学位论文 可将不锈钢中铁索体与奥氏体形成元素换算成铬当量与镍当量 到图2 2 的不锈钢组织图1 。 2 2 微观塑性成形理论 金属塑性成形是金属压力加工方法之一，它是利用金属的塑性使金属在外 力作用下成形的一种加工方法。要阐明金属的塑性成形机理，首先必须从微观 方面入手，然后分析宏观的受力状况。 2 2 i 金属的微观结构及其缺陷 工业上使用的几十种金属中，除 少数具有复杂的晶体结构，最常见的 金属晶体结构有三种类型，即面心立 方结构、体心立方结构、密排六方结 构。由于i c r l 8 n i 9 不锈钢属于面心立 方结构，在此仅探讨具有面心立方结 构金属的特点。图2 3 为立方品格中某 些常用的晶面及晶面指数，即( 1 0 0 ) 、 1 。】 ( 1 1 0 ) 及( 1 1 1 ) 三种晶面。面心立方 点阵属于最紧密结构，其密排面是垂 直于立方体空间对角线的对角面 3 8 o 0 0 1 】 图2 - 3 立方晶格中儿个 品向及品向指数 实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部仍包含了许许多多颗粒 状的小晶体，每个小品体内部的品格位向是一致的，而各个小品体彼此间位向 都不同，这种外形不规则的小晶体通常称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为 晶界。这种实际上有许多晶粒组成的晶体结构称为多晶体结构。一般会属都是 山东大学硕士学位论文 多晶体。晶体尺寸是很小的，钢铁材料的品粒一般在1 0 l o 。3m 聊左右，而在 金相显微镜下观察到的金属组织，称为显微组织或金相组织。实践证明：在实 际金属晶体的一个晶粒的内部，其品格位向也并不是像理想晶体那样完全一致， 而是存在着许多尺寸更小、位相差也很小的小品块( 一般是几十分到1 2 ) 的小品块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小品块称为亚结构( 或称为亚晶粒) 。 在亚结构内部，晶格的耿向是一致的。两相邻亚结构间的边界称为亚晶界。即 实际金属是多晶体结构，晶粒内存在着亚结构。由于种种原因，在晶体内部某 些局部区域原子的规则排列往往受到干扰而被破坏，不象理想晶体那样规则和 完整。通常把这种区域称为晶体缺陷。这种局部存在的晶体缺陷，对金属的性 能影响很大 3 9 1 0 2 2 2 位错理论 在晶体中某处有- - n 或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错，它 是晶体中的线缺陷。晶体中位错的基本类型有刃形位错和螺形位错两种。在刃 形位错线附近的区域，由于错排现象使晶格发生了畸变。在位错线终止的晶面 上方位错线附近的区域内，晶体受到压应力；而在此面的下方位错线附近的区 域内，晶体受到拉应力。离位错线越远，晶格畸变越小，应力也就越小。螺形 位错附近区域的品格也发生了严重畸变，因此也是一个应力集中区。在滑移面 上移动的螺型位错，若遇到相交的滑移面时，能够在与其相交的滑移面上继续 滑移，这种滑移称为交滑移( c r o s ss l i p ) 。交滑移通常是由于螺型位错在滑移面上 的运动遇到障碍，不能继续滑移，在应力的作用下，移到相交滑移面上的继续 滑移1 4 6 。晶体中位错密度的变化，以及位错在晶体内的运动，对金属的性能、 塑性变形及组织转变等都有着极为重要的影响。 l “于位错只能终止在晶体表面或晶界上，而不能终止在晶体内部，因此位 1 2 山东大学硕士学位论文 错往往在表面露头，位错线沿滑移面移动到晶体表面时，就会在晶体表面留下 一滑移台阶h 们，大量的滑移台阶积累成滑移带。塑性变形时金属中的位错线不 仅不会越来越少而是位错密度大大增加，这是由于有一个能源源不断产生位错 的机构：弗兰克一瑞德源( f r a n k r e a ds o u r c e ) 。位错线在金属晶体中常以立体 网络形式存在，位错网络中的各个位错线段，不会在同一滑移丽上，故相交于 一个节点f o j l 个位错线段不能一致运动，位错网络中的节点可能成为固定的节 点。弗兰克一瑞德源就是设想在晶体中有一两端被钉住的位错线段，在应力的 作j 下，位错线山予滑移而变弯，并不断向丽扩展，形成一封闭的位错环和一 段短的位错线段。位错环继续向晶体四周扩张，最后移到晶体表面形成台阶， 短的位错线段则迅速伸直并恢复到原始状态，并在外力作用下继续扩展，形成 位错环，如此反复进行，形成了位错的增殖”。 2 2 3 应力状态对塑性的影响 提高三向压应力状态，能充分发挥材料的塑性，这实质上是应力状态的静 水压力分量在起作用( t y 。= ( 吼+ 盯：+ 仃，) 3 ) 。应力状态中的压应力个数 多、数值大，静水i 力也大，则塑性好；反之，压应力个数少或数值小，或甚 至存在拉应力，则静水压力减小，塑性就差。其原因有四：( 1 ) 拉应力会促进 晶叫变形、加速晶界的破坏；而压应力则阻止或减少晶问变形，随着三向压应 力作用的增强，晶问变形愈加困难，因而提高了金属的塑性。( 2 ) 三向压应力 有利于消除山于塑性变形所引起的各种破坏；而拉应力则相反，它促使各种破 坏的发生。如果在某晶粒的滑移面上，由于滑移变形而产生一显微缺陷，若此 时滑移面上作用着拉应力，则会促使原予层彼此分离，加速晶粒的破坏。反之， 若作用着压应力，则有利于该缺陷的封闭和消除( 3 ) 三向压应力作用能抵消由 于不均匀变形所引起的附加拉应力口”。 山东大学硕士学位论文 2 3 塑性变形中的摩擦力学 2 3 1 研究摩擦的几种主要理论 ( 1 ) 机械联结理论：这是最早提出的摩擦机理，它认为摩擦力是两个凹凸 不平的表面因相互啮合而产生的移动阻力。这个理论把固体表面的微凸体看成 是绝对的刚体，两固体相对运动，要沿微凸体的斜坡爬上滑下，所以要消耗一 定的外功。 ( 2 ) 分子吸引理论：这一理论出现于上世纪的2 0 年代，它认为材料的原 予和分子在接触表面上受到对方原子或分子的吸引，在被“拉出”时就必然要 消耗能量。 ( 3 ) 静电力理论：这一理论是在上世纪6 0 年代初提出的，它认为两摩擦 盒属表面问出现的粘附现象是由于电子流动效应所致。这种电子流动会在界面 上引起反极性的电荷聚集，这些电荷通过静电吸引作用把两表面吸和在一起。 ( 4 ) 粘附理论：这个新的理论是1 9 5 0 年英国学者鲍登( b o w d e n ) 提山的， 现已得到普遍承认。两金属接触时接触点会因高压和塑性流动产生的高温而“冷 焊”起来。物体要滑移需先剪断这些焊接结点，此剪切抗力是构成摩擦力的主 要原因之一。 2 3 2 塑性变形中的力学摩擦机理 在塑性变形过程中，外力较小时，表面凸起为弹性接触：随后随着压力的 增大，在较软金属内出现逐渐扩大的塑性区；以至最后塑性区相互交错，并扩 及整个金属基体，出现金属的塑性流动。 4 山东大学硕士学位论文 i 区 | 芏| 2 - 4 干摩擦过程中f ， 1 区a ， a 只凸起变形 口。1j 问关系m 线 i 区- a ， a 。体内塑忡流动 1 1 1 1 星- a ，= a 。，体内塑性流动 因此，压力加工过程中，若存在层下塑性流动，库仑定律就不再适用了。 因此用a ，a 。( a 。一名义接触面积) 的数值来表征摩擦过程及特点是很有意义 的。两会属表面开始接触，负荷很轻时，a ，a 。 1 ，只有少数相接触的凸点 有可能发生塑性变形，库伦定律被遵守，对应的f ，一盯。曲线( 图2 - 4 ) 表现为 线性关系( i 区) ，为常量，且与j v 无关。当a ，a 。= l 时，滑移完全在变形 金属体内进行，库伦定律不再被遵守，f ，= _ 。( 金属表层的平均剪切应力) ，取 决于金属的力学性质，而与盯。无关。对应的f ，一c r 。曲线( 1 1 1 区) 为一近似水平 线，随n 的增大而减小。在压力加工中，a ，a 。= 1 的极端情况大多数情况下 足才i 会出现的，因为图2 - 4 中所示的i 弹性区在任何条件下都不能完全消失， 5 一 。卜 塑| 叫尸面 羼卜_i弋i，一 蛤 !雌一匕 一 甄呕 山东大学硕士学位论文 而a ， a 。情况又不可能山现在高面压的压力加工过程f 。因此，r ，一盯。f f | i 线 中的i i 区，以及出现体内塑性流动情况( 此时a ， a ，) ，是压力加工中较常出 现的情况。这时，最基本的特点是摩擦应力r ，及摩擦系数随剪切变形条件而 变化。山上看出，在压力加工时，塑性区扩展，以至人量交错，并深入到整个 基体内。这时金属的塑性流动丌始，但表面各粘着点并非立即切断，滑动通过 次表层内金属的剪切流动进行。库仑定律不完全适用于金属压力加工过程，压 力加工过程中的摩擦主要山于层下会属塑性流动m 1 。 2 4 本章小结 本章着重介绍了奥氏体不锈钢的组织特点、塑性变形与微观结构的关系、 摩擦的力学机构、位错理论，将材料各个方面的微观本质得以了解，为实验分 析提供了可靠的理论依据。 通过上述理论阐述，可以知道：应力的分靠决定着金属变形的塑性性能； 压力加工中的塑性变形不再完全遵守库仑定律，其摩擦取决于会属层下的塑性 流动。因此有必要了解变形金属层下的应力分柿及其塑性流动。 山东大学硕士学位论文 第三章中高压力下滑动时板料的微观力学特点 3 1 塑性接触凸点的摩擦规律 当金属材料在外力的作用下相互接触时，首先在接触区形成真实接触而积， 同时伴随有表面和微凸体的弹性变形和塑性变形，并可能在接触结点处发生粘 附，导致摩擦余属表面及表层产生点缺陷和位错，部分能量以应变能的形式“存 储”于金属表层；随着滑动摩擦过程的进行，粘着结点被断丌，压入的微凸体 产生犁沟，形成新的表面和磨屑m4 4 i 。 泰l 白( t a b o r ) 、鲍登( b o w d e n ) ”等人的试验都证明了滑动时切向应力的存在 使接触面积增大，导致塑性材料之间的粘着作用增强。摩擦时金属表面发生的 变化主要是机械作用( 塑性变形) 、热效应( 摩擦热) 及周围介质对摩擦表面的作用 引起的，其中由机械作用引起的变化有：( 1 ) 塑性流变( 滑移与孪晶变形) ( 2 ) 加工硬化( 3 ) 晶粒细化( 4 ) 原予的转移与成分的变化”。 3 1 1 假设条件 由于塑性变形发生在微凸体上，故研究摩擦条件下的受力要有下列假设： ( 1 ) 金属质点的流动符合最小阻力定律，要考虑各个质点相互影响； ( 2 ) 忽略材料的各向异性，塑性屈服是各向同性的； ( 3 ) 接触力垂直于二连接表面； ( 4 ) 成形材料表面上的接触凸点认为是一相对光滑小平面，模具硬度较高而 且是粗糙的。 7 i f l 东大学坝士学f t 论文 3 i 2 接触断面内金属质点的流动规律 可以设想如果接触端而上没有外摩擦，那么该而质点往外力作用下将沿放 射线方向流动，变形后的端听形状与变形前的棚似，仉是当接触表i f l i 上宵千h 时 滑动时，金属质点的流动方向就必须遵守c h f l i 加i 会提出的最4 , 1 9 t 力定律： 如果物体在变形过程巾其质点有向各个方向移动的可能时，则物体备质点将是 向着m 力最小的方向移动。凶此，当端面上其他外部情况千同时，各质点将朝 着d f 它向断面轮廓线所作的最短法线方向移动。其结果导致端面各区域内的变 形刁i 均匀。此外，对：f 其他任一横断i 面，金属质点的流动方向也遵：r 上述规律， 其流动阻力m 接地来自端i f i i 外摩擦的牵制作刚，断面上各区的变形也是1 i 均匀 的。 根掘端面金属质点的运动特点及蜘应现的摩擦规f t t ，接触端而可定性地 划分为下列儿 一| l f 青况， ( 1 ) 柑着：整个接触表i l l i 上的金属质点) 4 1 x , t 模具表面无滑动，整个表面与工 具表面贴合在一起，形成全柑着( 全贴合) 区，此时，接触表面按摩擦特点，只 有一一个摩擦应力递减区。摩擦应力数值山凸点边缘的最大值r 。( 等于变形金属 的剪切强度) 逐渐减4 、到中心点处的r ，= 0 。这足山于表层金属质点与工具表面 州的相对运动趋势，山边缘阳t ，心逐渐减弱，表层质点列深处质点流动的牵制 力逐渐增强，能牵制的深度逐渐加深。 ( 2 1i 卜面滑动：整个接触表面上的金属质点相对： 具表面存在相对滑动， 枢个表i f i i 为一滑动区。此时，接触表面上的摩擦服从阿芒汤一库仑定律，即每 一点处的一压力与摩擦应力之间有线性的关系。摩擦系数为常数。故整个接触 表l i 为常摩擦系数区。在i 严而滑动情况下，l 于工件端面质点与内层质点相对 表面滑动，因此整个变形金属体内的变形比较均匀。 i 东火学f 顶p j ! ，f 讧沦史 ( 3 ) 犁沟：模具表面上较人的微1 1 1 体( 如冷焊导致的粘纳) 就会在工件利料上 划山犁沟，这种犁沟的力就是摩接力的。部分。这时金属变形叫的剪切流动发 生在极薄的表层下及金属的内部。摩擦应力r ，等 ：棚应条件p + 金属的剪切流动 极限r 。，其数值根据变形条件可在o 5 o 5 7 7 0 - 范旧内变化。 3 1 3 摩擦作用过程简析 对于金属塑性成形而羔其成形过程的变量( 包括载荷、滑动速度、温度、润 滑剂组成成分和材料性质以及表面形貌等) 对摩擦力有最大的影响，而反过来摩 擦力又在很大程度上影l l l ；, j - i _ 艺过程 4 6 30 由于大多数成形工艺过程其本质上都是 非稳定的，在不同界面区或不同时问内将