4.金属塑性变形的不均匀性.ppt

金属塑性变形的不均匀性4.0金属的流动规律一体积不变定律变形前后，材料的体积保持不变。hblhbl用真变形表示：1230忽略了弹性变形引起的体积变化忽略了密度变化引起的体积变化,二最小阻力定律定义：变形过程中，金属质点有向各个方向移动的可能时，它向阻力最小的方向移动。如果满足以下条件：接触摩擦各向同性摩擦系数较高f0则最小阻力方向就是：离周边距离最短的法线方向。,对矩形断面的金属，随：矩形椭圆形圆形,结论：任何断面形状的物体随都有转变成圆形断面的现象。因为任何断面形状的周边长度以圆形为最小，故最小阻力定律也称最小周边定律。因为金属变形时，任何部分的质点均按最短的路程花费最小的功来移动，故亦称最小功定律。,注意前提条件：f各向同性假如f各向异性呢？如车削材料，f各向异性按以上规则，a点应向最短法线1方向移动，可实际上，a点向2方向移动，因为2方向的阻力小。,1,2,f0假如接触面上f0，即理想情况？此时，物体产生均匀变形，质点流动呈放射状。f各向同性，f较大，adf较小，abf0，理想情况，acf，ab靠近adf，ab靠近ac,d,b,c,4.1一般概念一均匀变形与不均匀变形概念hx/hxh/h高向变形均匀bx/bxb/b宽向变形均匀同时满足以上二式即为：均匀变形,均匀变形的条件物体是各向同性的均匀连续体物体内各点的物理状态绝对相等接触表面f0，即无外摩擦接触面上各点的压下量绝对相同无外端作用，即整个物体表面都与工具直接接触,实际生产时的条件不可能绝对的各向同性物体内各点的物理状态不能绝对相同f0压下量绝对相等难以做到除镦粗外，一般都有外端作用,二附加应力由变形不均匀引起的在物体内部自相平衡的应力分类附加应力分为三种第一类附加应力在变形物体大部分体积之间彼此平衡的附加应力，由宏观的不均匀变形产生。以凸辊轧制矩形坯为例说明,轧件边缘部分a:压下量小，延伸小轧件中间部分b：压下量大，延伸大由于轧件是一整体，纵向延伸趋于一致。所以b对a有一拉伸的应力，使a伸长，a产生附(+)a对b有一压缩的应力，使b缩短，b产生附(-),影响因素：接触面上的外摩擦变形体内的性质不均匀变形体的形状与工具的形状,第二类附加应力在变形体内两个或几个晶粒之间彼此平衡的附加应力，由微观的不均匀变形产生影响因素：晶粒的性质不同，晶粒的大小与方位不同。第三类附加应力在滑移面附近或在滑移带中各部分彼此平衡的附加应力，由原子级的不均匀变形产生。影响因素：晶粒内部的变形不均匀，产生晶格畸变,附特征三个方向都存在附物体内部有附(+)，必然有附(-)变形大的部分产生附(-)，变形小的部分产生附(+)外力去除后，附以残余应力的形式仍保留在物体内部,4.2产生应力、应变不均匀的原因一金属本身性质的不均匀化学成分不均匀成分偏析组织不均匀金属呈现多相状态杂质晶粒大小及方向性不同软取向硬取向,二温度分布不均匀产生二种附加应力t高，膨胀大t低，膨胀小产生附加热应力t高，变形抗力小，变形大t低，变形抗力大，变形小产生附加应力这二种附加应力的叠加，可能造成较大的附(+)，使金属断裂,例如：金属在实心底炉加热，时间不够，则：上层温度高，下层温度低,上：t高附热(-)下：t低附热(+)上：t高，抗力小，大，附(-)下：t低，抗力大，小，附(+),金属是一整体，下部金属要阻碍上部金属的自由延伸，造成轧件向下弯曲，缠住下辊。假若钢件塑性较低，则下部区域可能产生裂纹，以至断裂。,在轧制大钢锭时，若均热时间不足，常发现钢锭中间部分产生裂纹。为什么？钢锭比较厚，若加热时间不足，则中间部分温度较低中部：t低，膨胀小，附热(+)轧制开始时，表面变形大，附(-)中部变形小，附(+)这二种拉应力叠加，可能造成中间部分金属开裂,三工具和工件形状的影响（h不均）由于h不均匀，造成不均匀，产生附下面以凹辊轧制矩形坯为例来讨论在椭圆孔型中轧制矩形坯时，中部h小，边缘h大，故沿宽度方向纵向延伸不均匀。中部：小，产生附(+)开裂两边：大，产生附(-)皱折（波纹）两端：呈自由延伸，鱼尾状,四外摩擦的影响下面以h/d2的圆柱体镦粗为例来说明。镦粗后：工件由圆柱形单鼓形发生了不均匀变形这就是外摩擦所致,1f对应力分布的影响,接触表面轴向应力（单位压力）：z第1层：1s产生塑性变形第2层：2s1第3层：3s12.由外层到内层轴向应力逐渐升高。,径向应力：r由外层到内层r逐渐升高,中心面沿高度方向，由接触面至变形体中部，外摩擦的影响逐渐减弱。即：离接触面越远，径向流动阻力越小，要使它变形所需的单位压力越小，其应力分布是逐渐减小的。另：离中心面越远，径向流动阻力越小，应力越小。,2f对应变分布的影响接触表面边缘：径向流动阻力小，大中部：径向流动阻力大，小在接触表面的中部，f的影响最大，所受三向压应力最强，有可能完全没有变形，=0中心面近接触表面：f影响大，小变形区中部：f影响小，大,3变形区的划分根据以上分析，常将镦粗时的物体分为三个变形区,区：难变形区，与上下压头相接触的区域，f影响大，三向压应力强烈，金属流动困难，0由于f的影响随离接触表面的距离而减弱，所以区大体上是一个圆锥体。,区：易变形区（大变形区）区受f的影响小，金属流动阻力，径向扩展由于区的楔入作用，促使周围质点流动，向四周移动。区处于45的有利方位,区：小变形区变形量介于区与区之间远离接触表面，受f影响小，变形较为自由，故称为自由变形区,f影响小，可自由变形，同时又受到区的扩展作用。区不处于45有利方位，其变形主要取决于区对它的推挤。网格变形不大。从图5-2可明显看出三个变形区的变形情况，与理论分析相符合。,如图5-3，可见：中间变形最大，加工硬化显著，硬度此时，区几乎耗尽了自身的塑性，处于脆性状态，若继续变形便会破裂。所以要重新加热以消除加工硬化。,冷镦粗过程是：加热镦粗加热镦粗.,4变形区的应力状态,基,附,工,a点,c点,5主要现象产生单鼓形h/d2由于f的影响，表面层的变形比中间层要小，随，便形成了单鼓形。产生双鼓形h/d2变形金属的高度较大，而变形力或压下量较小时，仅产生表面变形，而中部的金属不产生变形或变形甚小，这样，沿侧面高度上便形成了双鼓形。,变形区分为四个部分：、区与前相同区：不变形区h太大，两个易变形区相距很远，不能相交。随，h，区相交单鼓形,侧面翻平现象侧表面上的金属局部转移到接触表面上的现象,ob原始表面od变形后的表面bd环变形后接触面的增加部分它包括两个部分bc环原接触面的径向滑动而成cd环侧面翻平而成的新的表面,粘着现象接触表面上的金属对工具完全不产生相对滑动而粘着在一起。oa园粘着区难变形区区的基底bc环实际上是由ab环滑动而成1,影响因素：a)f，粘着区,金属移动阻力，不易滑动，侧面翻平b)h/d，粘着区两个极端：f，h/d可能发生完全粘着，没有滑动，接触表面的增加完全靠侧面翻平。f，h/d无粘着区侧面开裂,五外端的影响1.外端的概念在变形过程中的某一瞬时，不直接承受工具作用而处于变形区以外的部分。也称刚端或外区。,例：镦粗无外端轧制开始（结束）一个外端轧制过程二个外端封闭型外端如图示,2.外端对应力、应变不均匀分布的影响外端使纵向不均匀减小，横向不均匀增加以局部锻造为例讨论,a)沿高度方向的变形无外端时纵向：单鼓形横向：单鼓形,有外端时纵向：由于外端的作用，使变形强迫拉齐，不均匀变形表层：小，产生纵向的附(+)中部：大，产生纵向的附(-)横向：表层：由于受纵向附(+)作用，使宽展b中部：由于受纵向附(-)作用，使宽展b这样，形成的鼓形更大，所以，外端使横向不均匀变形1,b)沿水平方向的变形无外端时abcdabcd有外端时,近外端处，因为外端的拉齐作用，ada”d”bcb”c”远外端处，受外端的影响，外端的拉齐作用小，babcda”b”c”d”,外端使总的宽展，总的延伸因为外端的拉齐作用,使横向移动阻力，b1由于外端对宽展的影响由外端至变形区中部逐渐消失，故：变形区长度增加，外端对宽展的影响减小变形区长度减小，外端对宽展的影响增大，使b，,4.3变形不均匀的后果及预防措施一后果1使变形抗力2使塑性3使产品质量不同，产品组织性能不同，质量,产生附(+)，材料发生断裂，废品4使技术操作复杂使工具使用寿命工具设计、制造、维护复杂使导卫装置复杂化使热处理工艺复杂组织性能不均,5使变形后形成残残外力取消后在变形体内所遗留下来的附加应力残的后果：使工件在变形时应力、应变分布更不均匀无残：工=基+附有残：工=基+附+残,使工具的使用寿命=外加+残当s时，工具发生变形，缩短零件的使用寿命使工件的形状、尺寸发生变化物体内存在残时，表明在各部分存在符号不同的弹性变形使工件的耐腐蚀性,二减轻措施1尽可能使化学成分均匀2正确选择变形温度加热均匀变形在单相区进行，使组织均匀t变tz,3正确选择变形速度h/d2双鼓形表中变形速度应该慢，变形易渗入，中，不均匀h/d2单鼓形表中变形速度应该快，变形集中在表面，表,不均匀,4减少外摩擦表面光洁度，f加润滑剂超声波振动工具与工件形状配合适当，减少难变形区,5合理设计加工工具形状，使压下不均匀热轧板用凹型轧辊冷轧板用凸型轧辊型钢生产时，不均匀压下不可避免开始几道由于温度高，塑性好，压下量可以大些相邻道次工件形状不发生突变,6减轻或消除残变形后进行热处理低温回火消除第一类残高温回火消除第二类残再结晶退火消除全部残,变形后进行机械处理在物体表面施加一个小变形一般，表1.53%这种方法对表面是残(+)才有效例：用表面辗压法减轻残