（材料加工工程专业论文）铅黄铜hpb591连续挤压工艺的研究.pdf

摘要 摘要 铅黄铜h p b 5 9 - 1 是一种应用广泛的材料，用传统生产工艺加工h p b 5 9 1 不仅消耗能 源高，而且生产效率低，用连续挤压工艺挤压加工h p b 5 9 - 1 不失为一种低耗高能的生产 模式。本课题就主要研究了铅黄铜的连续挤压的加工工艺。 用高温拉伸试验机对h p b 5 9 1 进行了高温拉伸，得到了其在不同温度下的强度，塑 性和拉伸应力一应变曲线；曲线显示材料在6 0 0 - 7 0 0 区间段塑性好，屈服强度低，加 工性能较佳。在t = 6 0 0 时对材料进行了不同拉伸速率下的高温拉伸，结果显示，在1 m m i n 拉伸速率下( 换算成应变速率为0 0 2 m i n ) 材料有良好的塑性。通过在t j 2 5 0 试验机试验，得知连续挤压可以加工铅黄铜；铅黄铜的挤压加工温度在6 0 0 - - 7 0 0 比较合适。 用上限法分析了坯料在腔体变形中的受力状况，推导出坯料在腔体中挤压变形区的 消耗功率；坯料在出口端对模具的单位压力( 上限公式表明，坯料出口的单位应力是材 料的流动应力，挤压比，模角，定径带的复合函数) ；并以此为基础，分析了材料的流 动规律和挤压模角q ；设计h p b 5 9 - 1 的挤压腔体和模具。 在t j 2 5 0 连续挤压机上做工艺实验，分别挤压矩型材，棒材，线材，得到不同质量 的产品。通过力学性能实验，挤压的线材( f 2 ) 完全符合g b 4 4 2 5 - 8 4 中对挤压制品机械 性能的要求。通过分析实验所用到的工艺参数( 例如挤压比，挤压温度，产品的形状系 数，定径带长度) ，得出了以下结论：挤压比和挤压温度影响着产品的机械性能，挤压 比的增加强化了产品的强度；挤压温度升高，产品强度降低；挤压比和定径带的长度对 挤压功率有着显著的影响，在一定的范围内，挤压比升高，挤压电流会上升，即挤压功 率增加；定径带长度增加，电流会增加。 关键词：h p b 5 9 1 ；塑性加工；连续挤压 大连交通火学。1 ：学硕十学位论文 a b s t r a c t b r a s sh p b 5 9 - 1i saw i d e l yu s e dm a t e r i a l t h et r a d i t i o n a lp r o d u c t i o np r o c e s so fh p b 5 9 1 c o s th i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n dw i t hl o w p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，w h i l ec o n t i n u o u se x t r u s i o n p r o c e s so fh p b 5 9 - 1c a nb er e g a r d e da sak i n do fl o we n e r g yc o n s u m p t i o np r o d u c t i o np a t t e r n s m a j o rr e s e a r c ho nt h ep a p e ri sf o c u s e do nt h ec o n t i n u o u se x t r u s i o np r o c e s so fl e a db r a s s u s i n gt h eh i g ht e m p e r a t u r et e n s i l et e s t i n gm a c h i n e o nh p b 5 9 1f o rah i g ht e m p e r a t u r e t e n s i l e ，r e c e i v e dt h es t r e n g t hv a l u e ，p l a s t i c i t ya n ds t r e s s - s t r a i nc a lv e sa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e t h ec u r v e ss h o wt h a t ，i nt h er a n g eo f6 0 0 。ct o7 0 0 c ，t h em a t e r i a lh a sg o o d p l a s t i c i t yl o wy i e l ds t r e n g t h ，a n dh a sg o o dm a c h i n i n gp r o p e r t y i no r d e rt os t u d yt h em a t e r i a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa td i f f e r e n tt e n s i l er a t e s ，t h r e ed i f f e r e n tr a t e s ( 0 1 m m m i n ，l m m m i n a n d2 m m m i n ) a t6 0 0 a l ec o n d u c t e d o n t h er e s u l t ss h o wt h a t a tl m m m i nt e n s i l er a t e ( c o n v e r t e dt os t r a i nr a t e0 0 2 m i n ) ，t h em a t e r i a lh a st h eb e s tp l a s t i c i t ya n ds u i t a b l ef o rp l a s t i c p r o c e s s i n g a n a l y s i st h ef o r c es t a t u so fb i l l e td e f o r m a t i o ni nt h ec a v i t yb yt h eu s eo fl i m i tm e t h o d ， d e r i v e dp o w e rc o n s u m p t i o no fb i l l e ti nt h i se x t r u s i o nd e f o r m a t i o np r o c e s s ，a n dt h eu n i t p r e s s u r e o nt h em o l di nt h ee x p o r ts i d e o nt h i sb a s i s ，a n a l y s i st h em a t e r i a lf l o wr e g u l a t i o n a n de x t r u s i o nd i ea n g l ea g e tas u i t a b l ee x t r u s i o nc a v i t ya n dm o l df o rh p b 5 9 1d e p e n d e do n i t s o m ee x p e r i m e n t so p e r a t e di nt h ec o n t i n u o u se x t r u s i o nm a c h i n et j 2 5 0 ，r e s p e c t i v e l y e x t r u s i o nm o m e n t ( p r o f i l e ，b a r , w i r e ) ，a n dg e tt h ed i f f e r e n t q u a l i t yp r o d u c t s m e c h a n i c a l p r o p e r t i e se x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，t h ee x t r u s i o nw i r e f u l l y m e e tt h e r e q u i r e m e n t s o f g b 4 4 2 5 8 4f o re x t r u d e dp r o d u c t s i nac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ep r o c e s s e su s e di nt h e e x p e r i m e n t s ( s u c ha se x t r u s i o nr a t i o ，s h a p ef a c t o ro ft h ep r o d u c t ，e x t r u s i o nt e m p e r a t u r e ， b e a r i n gl e n g t h ) ，o b t a i n e dc o n c l u s i o n ，t h a ti s ，p r o d u c t s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a ss t r e n g t h e n b ye x t r u s i o nr a t i oa n dw a sr e d u c e db ye x t r u s i o nt e m p e r a t u r e ，p r o d u c t sg o o dq u a l i t yw e r e o b t a i n e dt h r o u g hs m a l ls h a p ef a c t o r ；2 - 3m mb e a rin gl e n g t hw a sp r o v e da sg o o dl e n g t h k e yw o r d s ：h p b 5 9 1 ：p l a s t i cw o r k i n g ；c o n f o r m h 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：王棒乳导师签名： 多l 石筠 日期：a “q 年6 月fl 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱：一俐汛p 叭“渺 日期： 俨q 年 ( 月( 乞日 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： le r ：刁 墨夼哮确 日期：沙7 年月2 日 绪论 绪论 一铅黄铜的加工现状 进入2 1 世纪以后，我国的铜加工业跨入了一个高速发展时期，2 0 0 4 年铜加工材产 量达到4 1 6 5 万吨，进出口贸易总额达到5 4 1 l 亿美元，消费量达到5 0 0 万吨，已成为 世界铜加工材生产、消费和贸易大国，正在向生产强国迈进。2 0 0 4 年年底，我国有规模 的铜加工企业7 0 0 家，生产能力超过5 0 0 万吨，产量4 1 6 5 万吨。2 0 0 4 年常用有色金属 压延加工企业资产总计1 4 7 1 7 亿元，产品销售收入1 9 8 7 7 亿元，利税1 1 3 9 亿元，比 2 0 0 3 年增长4 7 2 ，利润7 2 3 亿元，比2 0 0 3 年增长5 5 3 。2 0 0 4 年常用有色金属压延 加工企业固定资产投资1 3 0 3 亿元，其中基建投资8 6 9 亿元，更新改造投资3 5 4 亿元， 比2 0 0 3 年增长2 0 0 1 1 。 2 0 0 7 年全球经济将继续稳步增长，全球铜供需将趋于平衡或小幅过剩；受到中国进 口增长的支持，2 0 0 7 年中国铜消费比2 0 0 6 年增长已成定局。预计2 0 0 7 年我国精铜产量 将增加3 0 万吨至3 2 7 万吨，增幅有所放缓，精铜消费和2 0 0 6 年相同，将达到4 0 0 万吨 左右，仍有7 3 万吨的缺口需要通过进口满足。同时，中国内地在面对铜精矿供应短缺 的情况下，将增加从海外收购废铜，从而满足国内对铜的需求【2 1 。 我国改革开放前的落后生产技术和设备已被迅速取代，其中大锭热轧卷坯、高精冷 轧和水平连铸卷坯、高精冷轧板带生产法、大铸锭挤压、高速轧管、盘拉和水平连铸管 坯、行星s l $ i j 、盘拉高精管材生产法、上引和连铸轧光亮铜杆生产法等，已成为我国铜 加工业代表性技术和方法。我国铜加工业通过引进和国产化，装机水平已接近国外先进 水平，我国铜加工设备制造水平也有重大进步，设计和制造重型和精密生产设备能力增 强，国产设备以质优、价廉的优势，受到国内外用户的欢迎【3 1 。 二连续挤压的发展现状 挤压是有色金属管、棒、型、线材生产上广泛使用的一种主要的压力加工方法。 众所周知，常规的金属挤压法有很多缺点：由于锭坯与挤压筒之问存在有害摩擦而 使其效率较低；制品长度有限，使得挤压的压余量和切头切尾等几何损失大，因而材料 的利用率低；再次是常规挤压作业问歇式操作，非挤压时间常高达挤压周期的3 0 一7 0 ， 劳动生产率不高等。如何降低能耗，实现挤压过程的连续化，提高材料的利用率和劳动 生产率是挤压加工上一些十分重要的研究任务。 现行的金属连续挤压方法是英国原子能局s p r i n gf i e l d s 研究所的d g r e e n 提出的 并开发成功的一种称之为“c o n f o r m 的连续挤压方法【钔。其目的就是为了以简单的方法 人迮变通人学【- p _ j r * l 二硕+ 学位论文 克服上述的缺点。其独特之处就是在于用简单的方法实现了挤压过程的连续化以生产无 限长的制品，并且有效地利用了摩擦力作为驱动力；同时由于工件与轮子表面的剧烈摩 擦使运动的材料中产生了热量因而有效地降低了流动应力。 自1 9 7 1 年英国d g r e e n 先生提出连续挤压理论以来，连续挤压技术在工业界获得 了广泛的应用，并且在此基础上又出现了连续挤压包覆和连续铸挤。这些技术在铝及铝 合会管棒型线的挤压和锌、镁、铝包钢复合材料方面展示了独特的优越性，尤其是在高 精度异型材的挤压方面，推动了其加工技术的进步，满足了工业及日常生活对异型材日 新月异的要求，连续挤压在铜及铜合金的加工、粉术材料成形及超导材料的成形方面也 取得了可喜的进步。c o n f o r m 连续挤压技术在铝、铜等有色金属加工和电线电缆行业上 的成功应用，是挤压技术上的一项重大的革新和一个很大的技术进步，是一种很有发展 潜力的金属成形技术。连续挤压也是有色金属加工领域的一项较年轻的技术【5 l 。 三本课题的目的和意义 1 铅黄铜线材的传统生产工艺 在生产上应用的黄铜线主要有扁线和圆线，中小企业主要生产方法为：水平连铸- 多模拉伸法。主要生产工艺如下：水平连铸_ 连拉连刨呻低氧退火一稀酸洗呻多模拉 伸一光亮退火呻检验、包装、入库。这种工艺存在许多缺点，如：生产工序多，生产 周期长，成本高，原料尺寸还需要按成品规格选取，它一般是大型，多品种，多规格的， 这给大批量生产带来很多困难；同时两相黄铜易于加工硬化，且随着第二相的增加，塑 性剧烈下降。冷加工时为了改善产品质量，一般采取多道次低加工率法( 多模拉伸法) 生 产，道次延伸率控制在0 1 1 5 ，所以必须采用水平连铸多模拉伸法1 6 j 。 2 本课题的意义 我国国民经济将持续高速发展，为我国铜加工材提供了广阔的市场空间，创造了 我国铜加工迅速发展的外部条件。特别是电子、通讯、钢铁、汽车和交通、建筑、家电 等行业的迅速发展，为铜加工工业的市场提供了千载难逢的好形势和好机遇1 7 1 。 这时研究连续挤压这种区别于传统的加工工艺方式来进行铅黄铜的生产无疑给有 色金属加工带来了一场革命。 四铅黄铜挤压加工遇到的问题 2 绪论 铅黄铜在常温下塑性很好，但由于高温状态下铅的影响，使之塑性降低，出现加工 脆性，本课题进行连续挤压采用的h p b 5 9 - 1 合金，在一定的温度和成分范围内，出现脆 性区，铅黄铜的热加工应避开在3 2 0 。c 一6 0 0 。c 的蓝脆区【引。 当温度上升至8 0 0 。c 以上又在8 2 0 。c - 8 6 0 。c 出现红脆区，在这一区内进行热加工，材 料将出现粗晶脆裂。所以在挤压过程中，合理制定加工工艺十分重要。 五本论文主要研究的内容 1 通过高温拉伸实验，找出铅黄铜适宜塑性加工的加工温度范围；从而指制定工艺； 2 通过对腔体的应力分析，研究坯料变形对主机功率的影响，并分析工艺参数的变化规 律； 3 进行腔体的工模具设计，改善坯料流动环境； 4 在连续挤压工艺实验中，使材料避开加工脆性温度区，研究工艺参数对产品机械性能 和质量的影响。 3 人连交通大学下学硕十学仲论文 1 1 材料基础 第一章材料学和塑性加工力学基础 1 1 1 铜一锌二元合金的相结构 铜锌二元合金相图如图1 1 所示【9 】o 铜锌二元系相图包含五个包晶反应和a 、卢、y 、 6 、亭等六个相。 吣 l 。吣 9 0 3 口 3 7 5 ；2 5 。 3 6 8霹幸，5 9 e l 毛5 6 bi t l 1 3i l ；9 、 秦8 0 5 d ffl0 y麟 l ；。、。 4 6 掣 辔班 cj 5 z n4 5 ( l j _ 、 八 9 0 | 荆p 9 、 8 7 5 、11 2 4 。幽4 5 卜譬l lf 5一一 l y l 口 - n j 飞， i li 厂口；、 - i ：j l l - li i l ，i 一 z n 含量( ) ( 质量) 图1 1 铜锌二元合金相图 f i 9 1 1d i g r a p ho fc u - z nb i n a r ya l l o y 口相是以铜为基的固溶体，其晶格常数随含锌量的增加而增大。锌在固态时的溶解 度不像一般合金那样随温度降低而减小，相反，是随温度降低而增加。当温度降至4 5 6 时锌在合金中的溶解度增至3 9 ，进一步降低温度则锌在铜中的溶解度随温度降低而减 小。a 固溶体塑性良好，具有与紫铜相同的晶格佃i 心立方) 。随含锌量的增加由紫色变 为黄色，质软而塑性大，铸态下呈树枝状或针状，退火后呈多边形晶粒组织。卢相是以 电子化合物c u z n ( 价电子数与原子数之比为3 2 ) 为基的固溶体，具有体心立方晶格，灰 黄色，强度和硬度比口相大，塑性比口相小，但在高温时比口具有更好的塑性。在4 5 6 4 6 8 以下转变为卢7 ( c u 原子占据晶胞的顶角，z n 原子占据晶胞的中心) ，此有序化转变 4 人迩交通人学i ：学硕十学位论文 较快，自区淬火也不能抑制其进行。) ，相是以电子化合物c m ，历。为基的固溶体，呈淡 黄色，具有复杂立方品格，铸态下质硬而脆，实际工业上用黄铜的锌含量在4 6 以下， 即不含y 相。 二元黄铜按退火组织分为口、缸+ 卢) 、三类，其结构特征和组织分类如表1 1 所 表1 1c u z n 合金各相的结构特征【1 0 l t a b l e1 1s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sp h a s e so fc u - z na l l o y 1 1 2 铅黄铜的性质 ( 1 ) 锌对黄铜性质的影响【儿】 从上述铜锌合金状态图说明：黄铜的组织与含锌量有密切的关系，含锌量既决定 了黄铜的组织，必然影响到黄铜的性质。 黄铜含锌量越多，比重越小，颜色也随之由黄红色逐步变成淡黄色。 黄铜的机械性能与含锌量的关系，在一定范围内，锌不仅能使铜的强度升高，而且还 能改变其塑性。含锌3 0 左右的口黄铜塑性最高；当含锌量超过3 9 ，由于组织中出现 了p 相，使黄铜的强度提高，塑性下降；含锌量达到4 6 5 时，成为纯卢黄铜，由于卢相 性脆，这种黄铜的使用价值教小。 ( 2 ) 铅对黄铜的强度和塑性影响不大，它的主要问题是使黄铜产生热脆性，不能承受 热压力加工。但在a + 卢两相组织的黄铜中，加入约1 的铅，还可以承受热压力加工， 这是因为口固溶体能溶入少量的铅，从而减弱了铅在黄铜中所起的有害作用。 铅能改善口黄铜的切削加工性。不加铅的单相口黄铜，韧性很大，切削加工时会 产生绵长的螺旋形切屑，纠缠在刀具周围，使刀具前进困难。铅含量达到3 ，黄铜中出 现口+ 只的两相组织，可以得到短小易碎的切屑，改善切屑加工性制1 2 j 。 铅黄铜比普通黄铜具有较高的耐蚀性。 5 大连交通人学一l ：学硕十学位论文 1 1 3 铅黄铜的加工性能 坯料的温度加工区域的分析 h p b 5 9 - 1 铅黄铜的相变温度为7 2 0 。在高于7 2 0 。c 的温度条件下挤压时，热态制品 成单相卢组织，冷却过程中从p 相内均匀析出口相晶粒，组织比较均匀。在低于7 2 0 。c 的温度条件下挤压时，呈条状，使随后的冷加如冷轧、冷拉产生困难相问的变形与 流动的不均匀性在金属内部产生附加应力从而使制品易在加工过程中产生裂纹。超过 7 3 5 c 后合金的塑性急剧下降，即在其相变温度7 2 0 。c 以下的塑性区温度范围很窄生产 中难控制，因而一般不予采用，而选择在两相区温度范围内挤压。一般挤压温度控制在 6 3 0 7 0 0 范围内。h p b 5 9 一l 在5 3 0 右的范围内出现脆性区，因而在确定挤压温度时， 尽量避免挤压在此温度范围内进行。 铅黄铜的热态体积变形区域在6 0 0 。c 8 0 0 。c 之间，6 0 0 。c 7 0 0 c 为超塑性蠕变区，在等 温等速条件下。 微细晶粒产生晶界滑移和扩散蠕变。7 4 0 。c 7 9 0 。c 为热锻造区， 是自由锻和模锻生 产区，7 2 0 7 6 0 为超塑锻造区【1 3 j 。 1 2 材料力学性能基础 金属材料拉伸性能指标 材料拉伸性能指标，又称力学性能指标，用应力一应变曲线上反映变形过程性质发生 变化的临界值表示。力学性能指标可分为二类：反映材料对塑性变形和断裂的抗力的指 标，称为材料的强度；反映材料塑性变形能力的指标，称为材料的塑性。 1 2 1 金属材料的强度 ( 1 ) 屈服强度 原则上，材料的屈服强度应理解为开始塑性变形时的应力值。实际上，对于连续屈服的 材料，这很难作为判定材料屈服的准则，因为工程中的多晶材料，其各晶粒的位向不同， 不可能同时开始塑性变形，当只有少数晶粒发生塑性变形时，应力一应变曲线上较难反 映出来。只有足够的晶粒发生塑性变形时，才能造成宏观塑性变形的效果。因此，显示 开始塑性变形时的应力水平的高低，与测试仪器的灵敏度有关。一般，工程上采用规定 一定的残留变形量的方法来确定屈服强度l l 引。 为了进一步解释屈服的定义，先介绍两个极限： 6 人连交通人学l ：学硕：上学位论文 比例极限：应力应变曲线上符合线性关系的最高应力值，用盯，表示，超过仃，时， 即认为材料丌始屈服。 弹性极限：试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹 性恢复的最高应力值，用瓯，表示，超过时，即认为材料开始屈服。 屈服强度：以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0 2 残余变形的应力作为 屈服强度，用，表示。 ( 2 ) 现行国家标准将屈服强度作出了规范，分为三种情况【1 5 1 ： 规定非比例伸长应力( 盯。) 试样在加载过程中，标距长度内的非比例伸长量达到规 定值( 以表示) 的应力，如a p o o l 等。 仃。通常用图解法测定，对有明显弹性直线段的材料，可利用自动记录的载荷一伸长( p - 出) 曲线。如图1 2 图1 2 伸长一载荷曲线 f i g1 2e l o n g a t e - l o a dc u r v e 自弹性直线段与拉伸轴的交点o 起，截取一相应于规定非比例伸长的线段 d c ( o c = ，l 厶z p ) ，其中以为拉伸图放大倍数，t 为引伸计标距，e p 为规定的非比例伸长 率；过c 点作弹性直线段的平行线c a 交曲线于a 点，a 点对应的载荷只即为所测定的非 比例伸长载荷，规定的非比例伸长应力由下式计算： f p = 孚 ( 1 1 ) 心 规定残余伸长应力仃，试样卸载后，其标距部分的残余伸长达到规定比例的应力，常 用的为q 。：，即规定残余伸长率为0 2 时的应力值。 7 人连交通人学厂学硕十学何论文 测定，通常用卸载法( 如图) 即当卸载后所得残余伸长为规定残余伸长载荷c ，规 定残余伸长应力由下式计算 咿冬 ( 1 2 ) 规定总伸长应力( 仉) 试样标距部分的总伸长( 弹性伸长与塑性伸长之和) 达到规 定比例时的应力。应用较多的是规定总伸长率为0 5 ，0 6 和0 7 ，相应地，规定总 伸长应力分别记为q o 5 ，qo 6 和q o 7 0 测定q 也可用图解法，操作与测定仃，相同，拉伸图横轴放大倍数不小于5 0 倍。如图， 在p 一世曲线上，自曲线原点0 起，截取相应于规定总伸长的线段o e ( o e = n z , q ， 式中为规定总伸长率) ，过e 点作纵轴平行e a 交曲线于a 点，a 点对应的载荷即为规 定总伸长的载荷，规定伸长应力有下式计算： o r , ： ( 1 3 ) 。 以 ( 3 ) 抗拉强度 抗拉强度是试件拉断以前的最高载荷除以试件原始横断面积，即 。争 ( 1 4 ) 4 圪为断裂以前的最高载荷，以为试样的原始横断面积。对塑性材料来说，o r b 为均匀塑 性变形与集中塑性变形( 即颈缩) 的分界点。 ( 4 ) 断裂强度s 。 试件受拉力作用时，其实际截面积在不断地缩小，弹性变形时截面缩小得很小。均匀 塑性变形时缩小得很明显，而集中塑性变形时横截面积急剧减小，断口处缩到最小。我 们用这时的横断面积去除这时的载荷，即得到断裂强度& ，既 f s 。： ( 1 5 ) ” 彳i 其中e 为断裂时的载荷，a k 为断1 2 1 处的横断面积 8 1 2 2 金属的塑性 所谓塑性1 1 6 1 ，是指固体材料在外力作用下发生永久变形，而不破坏其完整性的能力。 为了衡量余属塑性的高低，需要有一种数量上的指标，称为塑性指标。塑性指标是以材 料开始破坏时的塑性变形量来表示，它可借助于各种实验方法来测定，如拉伸镦粗和扭 转实验等。 金属会产生塑性变形，通常金属塑性变形能力用其断裂前产生的最大塑性变形代表其 塑性指标。这里介绍拉伸时的伸长率瓯和断面收缩率妒。 ( 1 ) 伸长率6 。 伸长率是试件断裂后试件标距长度的相对伸长值，它定义为标距的绝对伸长 a 。= 厶- i 。除以f o 的百分数 6 。；盥1 0 0 。盟1 0 0 ( 1 6 ) “ 如 式中厶试件的标距长度： l 一断裂后标距伸长后的长度； 刖。一断裂后标距伸长后的绝对伸长。 ( 2 ) 断面伸缩率妒。 断面收缩率妒。是断裂后试件工作部分截面积的相对收缩值。 试样拉断后缩颈处最小横截面积4 的测定：对圆形试样，在缩颈最小处两个相互垂直 的方向上测量其直径( 需要时，将试样断裂部分在断裂处对接在一起) ，用两者的算术 平均值计算。对矩形试样，用缩颈处的最大宽度6 1 乘以最小厚度a ，。 断面收缩率计算式为 砂。鱼型l 1 0 0 ( 1 7 ) 以 其中心一为试件工作部分原始横截面积。 ( 3 ) 提高金属塑性的途径1 1 7 l 组织对金属塑性的影响 单相组织与多相组织对金属塑性的影响单相组织( 纯金属或固熔体) 比多相组织塑性 好。多相组织由于各相性能不同，使得变形不均匀，同时基体相往往被另一相机械地分 割，故塑性降低。此时，第二相的性质、形状、大小、数量和分布状况起着重要作用。 9 火连交通人学t 学硕十学何论文 若金属内两相变形性能接近，则会属的塑性为两相的平均值。当两相性能差别很大时， 譬如一相的塑性很好，而另一相硬而脆，则变形主要在塑性好的相内进行，另一相对变 形起阻碍作用。硬而脆的相的形状、大小和分布状况不同，对会属塑性影响的程度亦不 同。如果硬而脆的第二相呈连续或不连续的网状分布在塑性相的晶界上，则塑性相的粒 被脆性相包围分割，其变形能力难以发挥，变形时在晶界处易产生严重的应力集中，会 很快地导致裂纹的产生，使金属的塑性大大降低。性也越差。如果硬而脆的第二相呈片 状或层状分布于晶粒内部，则对塑性变形的危害性较小，一般使塑性有一定程度的降低。 如果硬而脆的第二相呈颗粒状或弥散质点，均匀分布于晶粒内部，则对金属的塑性影响 不大。因为如此分布的脆性相，几乎不影响基体相的连续性，它可随基体相的变形而“流 动 ，不会造成明显的应力集中。 晶粒细化程度对金属塑性的影响 细晶粒组织有利于提高金属的塑性。在一定体积积内，细晶粒金属的晶粒数目必然比粗 晶粒金属的多，塑性变形时向上能够滑移的晶粒也较多，故变形能较均匀地分散到各个 晶粒。另外，从每个晶粒的应变分布来看，细晶粒组织的变形能遍及整个晶粒，故晶粒 中部的应变和外部的应变差异较小，晶粒中变形的分布较均匀。总之，细晶粒金属的变 形不均匀性和由于变形不均匀性所引起的应力集+ 均较小，故开裂的机会也少，断裂前 可承受的塑性变形量增加，金属塑性显著提高。 变形温度、变形速度对金属塑性的影响 变形温度对金属塑性的影响变形温度对会属的塑性有着重大影响，就大多数金属而 言，其总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加。温度升高时，金属塑性增加的原因归 纳起来有以下几方面： 温度升高时，金属发生回复与再结晶。回复使变形金属得到一定程度的软化，再结 晶则完全消除了加工硬化效应，使金属的塑性显著提高。 温度升高时，金属的临界剪应力降低，滑移系增加。温度越高，原子的动能越大， 原子间的结合力就越弱，也即临界剪应力越低。再者，对于不同的滑移系，随着温度的 升高，临界剪应力降低的速度不同，因此在高温时，可能出现新的滑移系。新的滑移 系参与到滑移中，金属的塑性亦增加。 温度升高时，金属的组织结构发生了变化。这时变形会属可能由多相组织转变为单 相组织，也可能由对塑性不利的品格转变为有利的晶格，明显地改变了金属的塑性。 温度升高时，晶界滑动( 或切变) 作用加强。随着温度的升高，晶界的切变抗力显著 降低，使得晶界滑动易于进行；又由于扩散作用的加强，及时消除了晶界滑动所引起的 1 0 大连交通人学一l ：学硕士学位论文 裂纹，因此晶界滑动量可以很大。晶界滑动成为一种重要的变形机制。另外，晶界滑动 的结果，能够松弛相邻两晶粒问由于不均匀变形所引起的应力集中，这些都促使金属在 高温下具有良好的塑性。 变形速度对金属塑性的影响 变形速度对金属塑性的影响，简单从以下两方面进行分析： 增加变形速度会使金属晶体的临界剪应力升高，是因为一方面要驱使数目更多的位 错同时运动；另一方面要求位错运动的速度增大。临界剪应力的升高就意味着屈服强度 的增加，但是研究证明，在许多情况下，变形速度对金属的断裂抗力基本上没有影响。 因此，随着变形速度的增加，金属就会更早地到达断裂阶段，也即意味着金属塑性的降 低。 增加变形速度，温度效应显著，金属的温度将升高。温度升高时，金属发生回复与 再结晶；金属的临界剪应力降低，滑移系增加；金属的组织结构更趋向于均匀化，从而 增加了金属材料的塑性。这方面的效果冷变形时要比热变形时大，因为冷变形时的温度 效应较强。由此看来，变形速度也和变形温度一样，决定着金属软化的可能性和软化程 度的大小。仅凭加热温度来区分冷、热变形是不全面的，而应与变形速度一起考虑，故 一般应考虑变形的温度和速度条件。 1 3 塑性加工力学基础【t a l 1 3 1 应力张量 应力张量不变量 f 仃1 1 i 2i 仃2 l 【，。 0 1 31 l 0 2 2仃2 3i 1 0 3 2 盯3 3j 仃3 - j 1 仃2 一j 2 c r + ，3 ；0 j 140 1 1 + 仃2 24 - 0 3 3 j 22 0 1 l 2 2 一盯2 2 0 r 3 3 一仃3 3 0 1 1 + 仃1 2 2 + 仃2 3 2 + 仃3 1 2 ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 11 ) 大连交通人学i ：学硕十学位论文 j 3 = 一0 1 1 0 2 2 口3 3 2 u 1 2 仃2 3 0 r 3 l + d 1 l o r 2 3 2 + 仃2 2 0 r 3 1 2 + 3 3 口1 2 j 1 3 2 应力偏张量 s 玎= 三三三兰三兰 5 三i 三兰三三】一 蚕兰三】 = 0 2 1 耋s0兰33s】 = i 仃2 2 一s仃2 3 i i 吧l 吒2一l 勺一一s 岛式中f = j 时，6 耵= 1 ，当f 歹时，嘞= 0 同理有，应力偏量不变量 j 1 = s 1 1 + j 2 24 - s 3 3 j ：。一一5 ，s ：一s ：2 s ，一s ，s ，。+ s 。：2 + s 为2 + s 。2 = 三1s 可s 玎 ；丢 ( 盯，。一。：) 2 + 0 2 2 - - 0 3 3 ) 2 + 0 3 3 - - 0 1 1 ) 2 + 。，：2 + 仃2 + 仃，。2 ，3 暑一s 1 1 s 2 2 s 3 3 2 s 1 2 s 2 3 s 3 1 + s 1 1 s 2 3 2 + s 2 2 s 3 1 2 + s 3 3 s 1 2 2 1 3 3 米塞斯屈服准则 ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) 当应力偏量第二不变量j 2 小于材料的特性植足2 时，材料处于弹性状态；当j ：达到七2 值时，材料便屈服。 j ： k 2 弹性状态 ，：= 七2 屈服状态 其中的材料特性值k 由单向拉伸的屈服强度呸确定 1 2 ，仃j 扣劣 ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) 人连交通人学t 学硕t 学位论文 最后米塞斯屈服准则可用公式表示： j ：。丢仃趋) 2 + ( 0 2 2 - - 0 3 3 ) 2 + ( 吧。一吼。州+ q ：2 + 2 + 吗。2 _ k 2 = 譬( ，9 ) 1 3 4 屈雷斯加屈服准则 屈雷斯加提出：当最大剪应力达到它的最大值时，塑性流动便出现，此最高值也可由 单向拉伸实验确定： 1 3 5 应变和应变速率分量 2 即z = 旦2 e l le 1 2f 1 3 e 2 1 $ 2 2 2 a e 3 1e 3 2占3 3 应变速率张量不变量可得： 3 。2。 - j 1f 一厂2 + j 3 z 0 j l e 1 1 + 2 2 + f 3 3 j ，；一1 1 2 2 一2 2e 3 3 - - 3 3s 1 1 + e 1 2 + e 2 3 + e 3 1 1 j 1 一e l ! 占2 2e 3 3 2 1 2 2 3 3 l + 1 1s 2 3 + 2 2s 3 1 + 9 3 3e 1 2 同理可得到类似应变张量和不变量 1 3 6 应力和应变速率定律 关于屈服状态下的应力和应变速率关系，用圣维南公式表示： ( 1 2 0 ) ( 1 2 1 ) ( 1 2 2 ) ( 1 2 3 ) ( 1 2 4 ) ( 1 2 5 ) 人连交通人学i ：学硕 ：学位论文 三：二竺：乏二：兰：三三二：二 或勺= 艘玎 以上式中是应变速率的一个标量函数 i = 2 1 。；je 。q = j 1 ( j 1 2 + e * 二2 + s 二2 ) + 1 2 2 + 二2 + ：。2 ( f ，j = 1 2 ，3 ) 将圣维南公式代入上式中 ，= 丢易毛2 2 三( s ：2 + s 2 2 2 + j 3 3 2 ) + s 1 2 2 + s 二2 + s 二2 】o ，j ；1 ，2 ，3 ) 再由米塞斯屈服准则 j 2 = i 1 勤= 尼2 联立变换 得i ：z 七z 或：! 最后，圣维南定理可变为： e l l5 e 1 22 或写成= 警且i ；丢s o o 那纽 她鲁( f ，j = 垅3 ；纠= 垅3 ) 、2 盯盯 最后的出结论： ( 1 ) 应力主轴和应变主轴是相同的，因而可简单地称为主轴。 ( 2 ) 米搴斯材料遵循米塞斯屈服准则。 ( 3 ) 米塞斯应力一应变速率定律反映了应力偏量和应变速率的关系。 ( 4 ) 由于k 值一定，所以米塞斯材料是无硬化的各向同性材料。 ( 5 ) 对于米塞斯材料来说，只要j ，= k 2 ，材料就开始塑性流动。 1 4 ( 1 2 6 ) ( 1 2 7 ) ( 1 2 8 ) ( 1 2 9 ) ( 1 3 0 ) ( 1 3 1 ) ( 1 3 2 ) ( 1 3 3 ) 孙 孔 以以下 = = 驺 孔 s 2 3 坳 踢 打以下 = 昌 忿 玎 占 s p ” 兜 鳓 盯以t 1 4 上限原理 人连交通人学t 学硕+ 学位论文 1 4 1 塑性体的功率计算 设米塞斯材料单位体积内的功率为： 哆2 仃1 1 n + 仃2 2 2 2 + 仃3 3 占3 3 4 - 2 ( 0 1 2e 1 2 + 0 2 3e 2 3 4 0 3 18 3 1 ) ( 1 3 4 ) 0 b q 五= b 。+ s ) f ：，+ g 兹+ s ) f + g ，+ s ) f ：，+ 2 0 。：g ：+ s 为e 2 3 + s ，。e 3 。) 2 ( 劫和岛卜 = s 1 1 1 1 + s 2 2e 2 2 + s ”e 3 3 + 2 ( s 1 2e 1 2 + s 2 36 2 3 + s 3 1e 3 1 ) 2 s b + s e i i 由于材料的体积不变 因为米塞斯应力一应变速率定律： 功率函数变为 由米塞斯屈服准则： 嵋2 = o w i | s u q g j 。 1 5 s 日s q + s ( s ：+ 占+ 占：。) ( 1 3 5 ) ( 1 3 6 ) ( 1 3 7 ) ( 1 3 8 ) ( 1 3 9 ) 大连交通人学l ：学硕十学何论文 j ：- ；1 ( $ 22 $ 3 3 2 ) + 毛：2 + s 为2 + s ，2 ：一1s 氐j ，、4 0 ) k 1 2 i s i i s 日 。k 2 虽后单侍体积功率可写成下式： m = 2 k 2 。万盯。 对整个塑性体积分，塑性体的总功率为： w i 。f w , d v = 蚀l ，一万2 仃。， ，4 万吼也 ( 1 4 1 ) ( 1 i4 2 ) 1 4 2 运动学许可速度场和速度不连续f 1 9 1 用上限法计算极限载荷的关键在于要对塑性变形区虚设一个动可容的速度场，该速 度场应满足以下三个条件：( 1 ) 符合位移边界条件； ( 2 ) 在变形区内保持连续，不产 生重叠和拉开；( 3 ) 保持体积不变。 在求塑性变形功率时，需把变形体分为若干个区域，在每一个区内，速度场和他的导 数应是连续的。在两个相邻区，速度矢量的表达式是不同的，但由于体积不变，通过两 区之间边界的法向速度分量是连续的，而平行于表面，存在速度不连续( 速度间断) 、：、，p：，u n 2 、”“7 7 u ， 区t ，7 。乡1 9 2 1 6 人迮交通人学i ：学硕l 学何论文 假设在区i ，边界上r 每点速度以表示；对区h ，以1 3 ，表示。将它们分别分解成法向 ( 。和2 ) 和( q 。和q ：) 分量，只是。和2 必须相等。其差值q = q 。- v , 2 ，称为 速度不连续。 沿表面r ，速度不连续引起会属变形产生剪切，此剪切引起剪切力做功。材料表现出 来的最大剪切力f 撇可由米塞斯屈服准则求得， 即f 一= 睾 ( 1 4 3 ) 、j 由基本概念出发，消耗的功率可由剪应力乘上速度不连续值，然后对面r 求积分即可得： k = 卜j k ( 1 4 4 ) 乙 以上公式即为速度不连续面的剪切功率。 1 4 3 摩擦和摩擦损耗功率 当两个接触物体之间存在相对运动时，就存在对运动的阻力。这个阻力就是摩擦。在 塑性变形时，在模具和材料之间就存在摩擦，摩擦阻力以f 表示。一般而言，摩擦阻力 有三种：库仑摩擦，不变摩擦因子摩擦和液体润滑摩擦，本文只介绍两种： 1 ) 库仑摩擦：根据库仑摩擦定律：f = 1 4 0为摩擦系数，一般为常数，与运动速度 无关，p 为两物体之间的正压力。 2 ) 不变摩擦因子摩擦。摩擦应力公式：f ：m 宰坍( 0 s ms 1 ) 为不变摩擦因子， 4 3 一般也为常数。 摩擦损耗功率 嵋= 卜1 u i 彳， 其中的z 为1 4 4 的摩擦剪应力公式。 1 4 4 上限基本公式 普拉格和霍奇在理想塑性固体理论1 2 0 】阐述了上限原理：“在所有运动学许可的应 变速率场中，实际的应变速率场使下式取