（机械设计及理论专业论文）冷拉伸滚压成形技术研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 丛弓一盈釜一 日 期：上! 1 2 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二生五出i师签名：罩z 碜日期：业乌如 费娜大擘机械置程学虢2 0 0 4 缓硪士毕业论文 冷拉伸滚压成形技术研究 摘要 目前，阶梯轴类零件广泛应用于机械、航空、航天等工业中，其材质、表面质量及综合 捱援经能均要求缀褰，除撵辘熬强凌黠夔掇毒会影螭攫太，其矮量壹缓影镌到橇器豹工作搜 能和使用寿命。然而，现今这类零件的加工除少数部分采用楔横轧加工外，大多数仍然采用 传统的坊削船工，存在着材科乖j 用率低、能耗大、生产率低、成本裔、工人劳动强度夫等缺 点。 本文介绍了一种新的阶梯轴类零件的金属塑性加工置艺冷投伸滚压工蕊，它凭需对 互罄进行豢麴蒸，冥鸯耪辩秘瑁誊裹，麓耗低，生产率离等饶纛，镁褥蹬梯轴零徉成形在鬻 温下就能商速有效地进行。同时，大幅度提高丁产鼎质量，增加滚轮寿命，简化了生产工艺， 扶而获得多方面的经济效益。 本文首先分耩了冷拉 孛滚压技术鲍变形娥律，然后绝过大爨实验涯实了冷拽 孛滚鼹加羔 的可行性。最后，通过拉伸、硬度、金相等实验对冷拉伸滚压加工成形材料的机械及组织性 瞧送 掌了分橱研究。 研究表明，冷拉伸滚压技术是一种可替代传统切削工艺的先进的金属翅性加工工芑，它 具有广泛的实用意义及推广价值 关键蠲：阶梯轴零件冷拽伸滋压轴向拉力滚压成形晶粒组织 牵强分类号：t h l 2 2 。3 蠢簿大学机械工程学院2 0 0 4 缀颈士毕业论文 t h es t u d yo ff o r m i n go fr o iii n gw i t ht e n s i o n a b s t r a c t a tp r e s e n t 。t h es t e p p e ds h a f tp a r ti sa p p l i e dt oi n d u s t r y ，s u c ha st h e m a c h i n e r y ，a v i a t i o ne x t e n s i v e l y 。i t sm a t e r i a l ，t h eq u a l i t yo fs u r f a c ea n d c o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea r ee x p e c t e dv e r ym u c h t h ei n t e n s i t yo ft h e s t e p p e ds h a f tp a r te x e r t sat r e m e n d o u si n f l u e n c et ot h em a c h i n el i f e s p a no fw h o l e i t sq u a l i t yi n f l u e n c e so ni t sp e r f o r m a n c eo fw e r ka n ds e r v i c el i f eo ft h em a c h i n e d i r e c t l y h o w e v e r ，b e s i d e sa d o p t i n gt h ec r o s sw e d g er o l l i n gi naf e wp e t s 。t h e m a c h i n i n go ft h i sk i n do fp a r ti ss t i l la d o p t e dt r a d i t i o n a lm a c h i n i n gb yc u t t i n g a tp r e s e n t t oa d o p tt h et r a d i t i o n a lm e t h o dh a sm a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w m a t e r i a lu t i l i z a t i o n r a t i o ，h e a v ye o n s u m p t i o no fe n e r g y ，l o w p r o d u c t i v i t y ，h i g h c o s t a n dh i g hi n t e n s i t yo fl a b o r ，a n ds oo r l t h i sp a p e ri n t r o d u c e dan e wm e t h o do fm e t a lp r o c e s s i n 乎r o l l i n gw i t ht e n s i o n w h i c hap a l l i n gf o r c ei sa p p l i e dt or o l l i n gt h es h a f tp a r ta tr o t e m p e r a t u r e t h em e t h o do v e r c o m e sm o s td i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sp r e h e a t i n gt h ew o r k p i e c e ，l o w m a t e r i a lu t i l i z a t i o nr a t i o ，g r e a te n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o wp r o d u c t i v i t yi no t h e r m e t h o d s 。t h em e t h o dm k e sh i g l - s p e e dp r o c e s sv a l i d l yt h es t e p p e ds h a f tp a r tt o b e c o m ep o s s i b l ea tr o o mt e m p e r a t u r e a tt h es a m et i m e ，i m p r o v e st h ep r o d u c tq u a li t y s i m p l i f i e st h ec r a f to ft h ep r o d u c t i o n ，a n dt h u so b t a i n st h ev a r i o u se c o n o m i c b e n e f i t s 甜l i sa r t i c l eh a sf i r s ta n a l y z e dt h ef o m i i l gr u l eo ft h et e c h n o l o g yo fr o l l i n g w i t ht e n s i o n , i n f e r r e dt h e p r o c e s s i n gf o r m u l a s o f r o l l i n g c o n d i t i o n ，t h ep r o p o r t i o n a n da c t i o nf o r c eo nc o m p o n e n t sc o n t a c t e da r e a t h e 仉c a r r i e do nt h ec o n f i r m a t i o n a f t e r 穗em a s s i v ee x p e r i m e n t st oi t ，z o l l i n gw i t ht e n s i o np r o c e s s i n ge f f e c th a s b e e ng o o d f i n a l l y 。t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t so ft h es t r e t c h , t h ei n t e n s i t ya n dt h e m e t a l l o g r a p h y ，i th a sb e e nc o n d u c t e dt h ea n a l y s i st ot h em e c h a n i c a la n dt h e o r g a n i z a t i o n a lp e r f o r m a n c eo ft h et e s ts a m p l e s 。 ， t h es t u d yi n d i c a t e st h a tr o l ll a gw i t ht e n s i o nt e c h n o l o g ym a yb ea na d v a n c e dc r a f t o f = e t a l l i cp l a s t i c i t yp r o c e s s i n g k e yl o r d s ：s t e p p e ds h a f tp a r t ；r o l l i n gw i t ht e n s i o n ；a x i a lt e n s i o n ；f o r m i n go f r o l l i n g ；c r y s t a lg r a i no r g a n i z a t i o n - t 赍州大擎机械工程学院2 0 0 4 级硕士毕业论文 1 _ l 课题来源及职究虎褰 1 缝论 奉课题为国家自然科学摹金项目，来源于贵州高强度螺稔厂的生产实际。 课题中蔚强度螺捻埂度范重在h r c 3 8 - - h r c 4 2 ，其莲襄渥下的变形抗力软毫，握缝缆 形难度大本课题主要研究高强度材料进行滚压加工条件下的翔性济动性能及对高强腹材料 进霉滚压麴工熬霹幸亍健。鞋期解决长期困扰企韭的离强麓鳔检轩翻“鲴疆”赋形工艺的援采 问题。 本谋颓的协作单位贵州高强度螺梭厂主要为汽车行业配套产品大多为髯型高强度螺 栓，产品誉但强度、糙度要求较褒，强挺也缀特豫。其中为提瘴螺捻趣综合彀搬性裁，藏夸 螺栓鹿力幅，螺栓的杆部需疆被做成细杆件。即所谓的柔性螺栓，如图1 一l 所示。 图1 - l 细腰螺栓示意蹲 目前，高强度柔性螺检产品的生产均采用冷锻植成型，绷杆采用二次切削成型“但 是这样的制逢过程中存在金属毒| 辩浪费严重、切割热王效率繇，痿鬃羞冬闽题。 随着汽车工业的发展，高强度柔性螺栓的需求越来越大。但本项目的来源单位贵州高 强疫螺栓，生产滟高强度柔往螵稳由子在螵稔。缅腰”加工环带采羽传统訇工z 艺，生产成 本高。生产效率低，流失了大量市场份额，严蘩影响企业的生产靼发疑。高强度螺栓轷鄹“绑 腰”的制造工艺已成为企业生产和发展的瓶颈，因此工艺创新显得格外迫切和熏要 1 2 金属塑性加工特点 麓强度螵裣黼于阶梯轴类零悴，针对这一类零件的加工，我们茬簇验中摸索出了一种塑 性加王新工艺一冷拉伸滚压搬王工艺。 冷拉伸滚压加工属于金属塑性加工，金属塑性加工是利用在外力作用下。金属能够产 生隶久变形鹃髓力，露进行塑性戏形羲一种金属燕工技术。麓猫经过塑缝霸】傻箕产生塑蕊 变形盾。不仅能改变其断面的形状和尺寸，而且也能改变其组织和性能。金属嬲性加工时， 若不计切头、切尾、切边和氧化烧损等损失，可认为变形前后金属的质量相等，如果忽略变 形中众属的密度变化也可认为变形藏最金媾鹁体积不变。所熬也把塑挂热王赘；隽无羼掇工 金属塑性加工与金属切削加工相比其优点为： 1 。缝织镶麓好。经进鎏踵残形掘工，耪辩豹内都组织发生鬃著菱健。翱如钢锭，冀内部 组织疏松多孔、晶粒穰大且不均匀，而塑性成形后其结构致密、组纵改营、性畿提高。 2 材辩利用率高。金属塑性成形主要是靠盒屑税塑性状态下的俸积转咎栗实现的，不产 生切鹱，因此只枣少量螅工艺废誊毒，共照滚线合理。一 # 张铁蓬1 9 9 1 5 贵州大学机械工程学院2 0 0 4 缀硕士毕业论文 3 。尺寸壤痰毫，逶予大数量生产e 这是壶予隧着塑性妇i i 獒稻设备游改避及橇械亿、 自动化程度的撼高，生产率也相威德到提嶷”1 。 由于金属塑性加工有这些优点，因而9 0 9 6 以上的钢锭都要经过塑性加工成坯或成材。由 予各种望饿加工变形过獠的出现，生产的娥格越来越多，数不胜数。可见，金属塑性加工对 国民幺圣济黪作用是至关耋要的。冷挝 事滚篷技术委是运用金属燮性翻工豹骧璜。两迸彳亍的 一项技术创新。 3 冷拉伸滚压技术工艺特点 冷拉彳串滚疆技术，就是在窟温下对被加工件施以轴向拉力和径向压力使其在滚轮的作用 下裁形懿热工王艺。 冷拉伸滚压加工时，工 譬滚轮旋转方自握建，工终蛉缴轴线号滚轮鞋线平纾。冷控弹滚 压基本加工变形方式如图卜2 。冷拉伸滚压技术在被加工件的轴线方向上施加7 一个拉力。 遁过实验发现，工件在这种受力情况下，滚轮上所需的径向压力明显减小 i - 工件2 、带撰彩摸的滚轮 匿i - 2 冷控棒菠压示意耀 冷拉伸滚压在加工方式上与楔横轧加工糍一些相似方蕊，下萄把鹾张加工方技进行对比。 冷拉伸滚压加工具有以下特点： 1 ) 楔横耗加工登须在氧制前对工梓进行预加热，以达到软化材料翁子加工的目的。i 丽 冷控 孛滚压攘工在室滠下羲哥进行，提魄之下，冷拉镩滚捱所簧求豹温发条俘低，更便于搡 作 2 ) 冷拉伸滚压相比楔横轧加工，另一个显著的特点魑在工件的轴向上附加丁一个辅助 控力蜜验证明，在这个辅助拉力的作用下，工件变形抗力明显减小。 3 ) 楔楼毵中$ l 铡后的零肄嚣经过糖丸清理，戳爱于清除乾澍、正戈后轧释袭面骺成的 氧化铁皮及其他缺赂。冷控 率滚压没有预热王序，所以一般不霭进行撼丸涛理。 4 ) 冷拉伸滚压加工的滚轮和楔横轧加工的轧辊布复方式及形式基本一样。 冷拉伸滚压和楔横轧都属于金属塑髋加工，只是留们的加工特点有不同之处。 门王廷溥。1 9 s 8 # 8 俞汉礴，1 9 9 9 6 - 赍摊大学辊辘工程学院2 0 0 4 缓磺壬荜故论文 1 4 冷拉伸滚压技术的优点 冷拉姊滚藤技术作戈一静金属塑镶残澎技术，在热王输襟辘类零律辩与金蒋甥粥加工相 比具有如下优点： 1 ) 革祝静生产效率大幅提高。冷艟伸滚压技术中，滚压轮每旋转一周就生产一个产晶， 与切削相比生产效率大幅度提毫。睫麓技术的进一步竞善，生产效率将会有更大熬提裹。 2 ) 材料利用率显著提搿。利用冷拉伸滚压技术成影产品，材料利用率大幅度提高，可 迭戮步韬璃，蔟至无惦嚣麓器黪。 3 ) 产品质量提高。经过冷拉伸滚压加工成形的产品，晶粒得到细化，强度提高。 4 ) 改善劳动条件。冷拉伸滚压技术无冲击少嗓音，劳动条件得到明显改鬻。此外，产 品的成形、耪整等工序均恣续自动完成，减少7 撵作工人魏劳动强度。 5 ) 生产人员、辅助人员、设备台数及厂房面积等都可犬幅度下降，因此也带来产品成 本静大攘下降。 6 ) 易于实现高强度材料的加工 7 赉州夫学辘旅工程擎鲩2 0 0 4 级磺士阜鼗论文 2 冷拉伸滚压成形工艺 由材料的挝伸实验可知，当材料受到外力作用时，套发生弹性变形和塑性变形，从而改 变冀扭始瓣形状及足寸。警静力去除藩，弹健变形梅会恢复，丙塑性变形将会保留。冷拉伸 滚压成形技术就是一种全新的金属塑性成形方法 将圆柱形试样进行拉伸试验时，拉力p 与试样伸长口之间的关系如图2 - 1 所示由图 可着整，獭侔粥力尹c 乏 c r 2 o r 3 ，则有 一盯：i a2 c 一吧i - 2 c o lj - 2 c f 一- 半- c ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 特雷斯加屈服条件表达式结构简单。计算方便较常用但未能反映出中间主应力o o 的 影响，会带来一定的误差。密赛斯注意到待雷斯加屈服条件未考虑到中间主应力的影响，在 主方向不明确的情况下t 根据，( ，2 ，厶) - 0 ，他建议采用，：一c 作为屈服条件，即 ，：- 丢k - - o x ) 2 + b ，一吒) 2 + ( 巳一以) 2 + 6 k + r 主+ f ：) 】。c ( 2 - 8 ) 实验证明，对于韧性金属材料这个条件与实验结果更为接近因而汉基于1 9 2 4 年对此 条件又进行了解释，他认为密赛斯屈服条件相当于弹性形变能等于常数的情况，由于静水压 力不能使材料进入塑性状态，所以当变形能达到某一极限值时，材料即将进入塑性状态。由 此得到密赛斯屈服条件式，在主应力状态下有 ( q 一盯：) 2 + p ：一q ) 2 + ( 以一吼) 2 - 2 ( 2 9 ) 若我们以q 、盯2 、吧这三个互相正交的应力分量为基底r 构造一个直角坐标系，则此 空间坐标艘称为主应力空间，它可被用来描述变形物体内某点韵应力状态及屈服条件在 主应力空间中，物体中任一点的应力状态都可用相应点的坐标矢量石芦来描述。如图2 - - 2 所示。若以i 、7 、f 表示三个坐标轴方向的单位矢量，则石芦为： o p o i + 0 0 + o 毒 ( 2 一1 0 ) 将其分解为应力偏量与静水压力部分，有 历- 布+ 盯i 歹+ 盯z + p 。f + 歹+ 盯。d 。丽+ o a ( 2 一i i ) 驴为主偏差应力矢量，d 矢量则与吼o l 、口3 轴的夹角相等，且正交于过原点 的平面 q + 0 2 + 巳1 0 ( 2 1 2 ) 在此平面上，平均正应力为零，习惯上称之为_ 7 r 平面。 1 0 贵州大学机械工程学院2 0 0 4 级硕士毕业论文 6 a 一主应力空间 6 一塑性曲面c 一耳平面 图2 - 2 塑性条件的几何表达 由此图可知，由于静水压力对屈服无影响，则d 的变化仅反映为d _ 值的改变，即静 水压力值的改变。屈服面在平面上的轨迹，可用来解释屈服条件图2 2 c 绘出- i x 平 面上届服条件的轨迹。密赛斯屈服条件为一半径为，- ；奠的圆，而特雷斯加屈服条件为 一与其内切的正六边形。 2 i 2 冷拉伸滚压应力状态分析 可能的应力图示共有九种，如图2 3 所示。其中单向应力状态( 线应力状态) 有两种， 即一个为拉应力，另一个为压应力i 平面应力状态有三种，即一个为两向拉应力，一个为两 向压应力，另一个为一向拉应力一向压应力；体应力状态有四种，即一个为三向拉应力，一 个为一向压和两向拉，另一个为一向拉和两向压应力，还有三向拉应力。 钞吒口吼沙 bc ( 1 ) 线应力状志( 2 ) 平面应力状态( 3 ) 体应力状态 图2 - 3 主应力图示 i 叫曹桂荣1 9 9 9 贵州大学机械工程学院2 0 0 4 级硕士毕业论文 综合本课题的加工要求，以两向压应力、三向压应力和一向拉两向压应力三种应力状态 用密赛斯屈服条件进行应力计算，对比材料在这三种应力状态下的屈服条件。为了便于计算 在下面的屈服条件校核中，设两个方向的主应力相等分析计算过程如下。 1 、两向压应力时的应力状态( 见上图2 a ) 由密赛斯屈服条件表达式 得到 ( 吼一盯：) 2 + ( 盯：一0 3 ) 2 + h 一吼) 2 2 司 ( 2 1 3 ) ( o o ：) 2 + p ：一乃) 2 + p ，一0 ) 2 2 蠢 ( 2 1 4 ) 令两个方向的主应力大小相等，即o l = q ，有 口2 。0 3 一o r s ( 2 1 5 ) 由此可知，材料在受到两向压应力的情况下，屈服条件为压应力等于材料的屈服极限。 也就是说，压应力需大于材料的屈服极限材料才会产生塑性变形。 2 、三向压应力时的应力状态( 见图3 a ) 把三向压应力状态代入密赛斯屈服条件表达式，得 ( q 一口：) 2 + ( 口：一q ) 2 + ( c r 3 一a 1 ) 2 2 口； ( 2 1 6 ) 令两个方向的压应力相等，即0 2 = 0 3 ，有 h 一盯：) 2 + o + h 一吼) 2 2 整理后得到屈服条件为 q 一0 2 。0 1 0 3 c r s ( 2 一1 7 ) 或 盯2 一q - 吒一q - ( 2 1 8 ) 表明在三向压应力情况下材料的屈服条件为其中两项压应力之差等于材料的屈服极 限。即三向压应力中两个方向的压应力之差必须大于材料的屈服极限，塑性变形才能进行 3 、一向拉两向压应力时的应力状态( 见图3 b ) 因为主应力状态为一拉两压，应力方向不同，所以代入密赛斯屈服条件表达式，得 ( q c r 2 ) 2 + p ：一吧) 2 + 【c r 3 一( 一吼) 】2 2 0 , ；( 2 - 1 9 ) 令两向压应力相等，即仃2 = o i ，整理后得到 h + 仃：) 2 + o + h + q ) 2 2 刃 吼+ 盯2 - 0 14 - 0 3 - o r s ( 2 3 0 ) 由式( 2 3 0 ) 可看出，材料在一向拉两向压的应力状态下，屈服条件仅需满足两向压应 力之和等于屈服极限。 两向压应力时的屈服条件为压应力等于屈服极限，三向压应力时为两向压应力之差等于 1 2 贵州大学机械工程学院2 0 0 4 级硕士毕业论文 屈服极限一向拉两向压时为压应力之和等于屈服极限。从中不难看出，材料发生塑性变形 的条件，第一种情况时，两个压应力均大于屈服极限；第二种情况时，三个压应力中至少有 一个大于屈服极限：第三种情况时，拉应力和压应力均小于屈服极限。 冷控伸滚压加工中，由于滚轮与工件的接触面积与工件表面积相比要小的多，加工时滚 轮直接压入工件此时会受到接触面周围材料的挤压，从而使工件与滚轮接触面附近的材料 应力状态表现为三向压应力。虽然如此但是辅助轴向拉力能够大幅减小材科轴向上的主压 应力，从而使应力偏量仍然指向我们所期望的方向。同时，因为静水压力越大金属的塑性越 好，所以在三向压应力的作用下不但利于愈合塑性变形过程中产生的各种损伤，而且更利于 发挥金属的加工塑性。 而在工件心部，由于轴向拉力的作用呈现出一向拉两向压的应力状态。在这种情况下， 变形抗力明显减小。虽然这种应力状态下的静水压力比三向压应力时小，但是在两压一拉的 应力作用下，金属的内部缺陷可收缩成线缺陷，从而也能起到减小塑性变形危害的作用。 由此可知，三向压缩和两向压缩一向拉伸主应力状态的塑性加工方式，都有利于发挥金 属的塑性，冷拉伸滚压加工中最主要的应力状态正是这两种。运用冷拉伸滚压技术，不但降 低了滚压轮上所需的压力，对加工设备的要求大幅度下降，同时还保证了产品的加工质量。 相比金属切削加工，冷拉伸滚压加工一次成形，加工周期显著缩短，材料利用率大幅提高， 材料的组织性能得以改善。 2 2 金属塑性变形的物理本质 金属一般是由无数单个晶控构成的多晶体。要了解多晶体的塑性变形性质必须先了解单 个晶粒或单晶体的塑性变形机制。塑性变形时变形体在外力作用下，其大量原子群多次地、 定向地从一个稳定平衡位置转移到另一个稳定平衡位置在宏观上便产生不能恢复的塑性变 形。根据原子成群移动发生的条件和方式不同，可观察到各种不同的塑性变形机制，诸如滑 移、孪生等 2 2 1 单晶体塑性变形机制 2 2 1 1 滑移 滑移是指晶体在外力作用下，其中一部分沿着一定晶面和在这个晶面上的一定晶向，对 其另一部分产生的相对移动。此晶面称为滑移面此晶向称为滑移方向。滑移时原子移动的 距离是原子间距的整数倍。滑移后晶体各部分的位向仍然一致。滑移结果，使大量原子逐步 地从一千稳定位置移到另一个稳定位置，晶体产生宏观的塑性变形。如图2 - 4 所示，晶体以 滑移方式进行的塑性变形“1 船一 大连工学院1 9 7 7 圈2 - 4 滑移示意图 1 3 贵州大学机械工程学院2 0 0 4 级硕士毕业论文 一般在晶体点阵中滑移不是沿着任意晶面和晶向就可进行的，它总是沿着原子密度最 大的晶面和晶向发生的。这是因为原子密度最大的晶面，其原子间距小，原子问的结合力强， 同时其晶面间的距离较大，叩晶面与晶面间的结合力较弱。 金属晶体内存在着滑移系，仅说明金属产生渭移的可能性。若使晶体产生滑移，还必须 有外力的作用。晶体在外力的作用下，产生滑移的力是滑移面上沿着滑移方向作用的分切应 力。当此分切应力的数值达到一定大小时，晶体在这个滑移系统上进行滑移。能够g l 起滑移 的分切应力称为临界切应力 最初人们认为，滑移是理想完整的晶体沿着滑移面发生刚性的相对滑动。但以此为出发 点所计算出来的临界切应力却比实验所得到的数据大1 0 3 1 0 4 倍。这种矛盾迫使人们不得 不放弃完整晶体的刚性滑动假说。直到1 9 3 4 年g ，t a y l o r 等人明确地把位错引入到晶体 中并把它与滑移变形联系起来后才使人们对滑移过程的物理本质有了明确的理解。滑移过 程不是沿着滑移面上所有原子同时产生刚性的相对滑动，而是在其局部区域首先产行滑移， 并逐步扩大，直至最后整个滑移面上都完成了滑移此局部区域所以首先产生滑移，是因为 在该处存在着位错，并引起很大的应力集中，虽在整个滑移面上作用的应力较低，但在此局 部区域的应力已大到足够引起晶体的渭移。在滑移过程中，当一个位错沿滑移面移动过后， 使晶体产生一个原子间距大小的位移。若使晶体产生一个滑移带的位移量就需有上千位错产 生移动。同时，当位错移至晶体表面产生一个原子间距的位移后，位错便消失。但在塑性变 形过程中为保证塑性变形的不断进行，必须要有大量的新的位错出现。这些新的位错的产生， 就是在位错理论中所说的位错的增殖。因此可认为，晶体的滑移过程，其实质是位错的移动 和增殖的过程。 2 2 1 2 孪生 金属的塑性变形除以滑移方式进行外，孪生也是其重要方式之一。所谓孪生，乃为晶体在 切应力的作用下，其一部分沿着某一定晶面和晶向，按一定的关系发生相对的位向移动，其结 果使晶体的一部分与原晶体的位向处于相互对称的位置，如图2 5 所示“。 在孪生变形时，所有平行于孪生面的原子平面都朝着一个方向移动。每一晶面移动距离 的大小与它们距孪生面的距离成正比。每一晶亟与相邻晶面的相对移动值等于点阵常数的若 干分之一。孪生变形后，晶体的变形部分与未变形部分以孪生面为对称面形成对称。 可见，孪生和滑移一样，也使晶体产生切变形但孪生变形时，切应力与切变形部分在 孪生区域内是均匀分布的孪生的切变形也与滑移类似是沿着一定结晶面和一定的结晶 方向进行的，但不一定与滑移面和滑移方向相同。 口 圈2 - 5 孪生示意圈 孪生是否出现，和晶体的对称性有密切的关系面心立方的金属，由于对称性高，容易 滑移，孪生不常见体心立方金属在高速变形或在低温拉伸时，常会出现孪生。例如铁在低 州杨觉先1 9 8 8 1 4 贵州大学机械工程学院2 0 0 4 级硕士毕业论文 温受冲击载荷时可发生孪生。这是因为密排六方体的金属对称性较低，滑移系绕少，当晶体 取向不利于滑移时。孪生便为塑性变形的主要方式。 变形速度的增加可促使晶体的孪生化，孪生在冲击力的作用下更易出现。可能是随变形 速度增加，孪生抗力的增长比滑移抗力的增长慢得多。因此在冲击力的作用下，孪生抗力小 于滑移抗力。有人认为，这是由于孪生时一层原子对于另一层原子的移动比滑移时小得多， 而且更为有序的缘故。 2 2 2 多晶体的塑性变形 多晶体是由许多微小的单个晶粒杂乱组合而成。多晶体在其组织结构上白勺特点是： ( 1 ) 多晶体的各个晶粒，其形状和大小是不同的，化学成份和力学性能的分布不均匀； ( 2 ) 多晶体各相邻晶粒的取向一般是不同的： ( 3 ) 在多晶体中存在大量的晶界，晶界的结构和性质与晶粒本身不同，并在晶界上聚集着 其它物质的杂质”“。 此外，相邻晶粒彼此间也相互影响。所有这些都使多晶体的许多性质不同于单晶体。 2 2 2 1 多晶体塑性变形的特点 1 ) 加强变形与应力的不均匀分布 多晶体的变形是很复杂的，变形的不均匀性是其很重要的一个特点。如图2 书所示，当 多晶体内某相邻两晶粒的力学性能不同，假设a 晶粒的屈服强度高，而b 晶粒的屈服强度低。 在外力作用下产生塑性变形时，b 晶粒比a 晶粒将产生更大的延伸变形。若此两晶控互无约 束时，其变形后的位置应如图2 - 6 ( b ) 中虚线所示但此两晶粒是彼此结合的完整体，在 变形中屈服强度高的a 晶粒将对屈服强度低的b 晶丰立施以压力，来减少其延伸；相反屈服 强度低b 晶粒将给屈服强度高的a 晶粒施以拉力，来增加其延伸。这样在 晶粒内产生附加 拉应力，在b 晶粒内产生附加压应力。在 和b 晶粒问加强了应力的不均匀分布。造成变形 与应力不均匀分布的原因，尚可能有各晶粒的取向不同等等。 ( a ) 变形前( b ) 变形后 圈2 - 6 多晶体内两相邻晶糙的娈形 2 ) 提高变形拉力 多晶体在塑性变形中出现应力与变形的不均匀分布，会使多晶体的变形抗力升高和塑性 t s i 余寿彭1 9 8 9 1 5 贵州大学机械工程学院2 0 0 4 级硕士毕业论文 降低。关于多晶体各晶粒的无规则取向，使其变形抗力不同于单晶体的程度是与晶垃具有滑 移系统的多少有关的，也就是取决于晶体的点阵类型。滑移系统多的立方晶格的多品体金属 由于各方向都有滑移的可能，各晶粒的变形容易协调，使多晶体与单晶体的变形抗力相差减 小，塑性的差别也不十分显著。与立方晶格金属相比，滑移系统少的密排六方金属，其多晶 体的变形抗力比单晶体大得多，塑性也有显著的下降。 多晶体的晶粒大小对变形抗力有明显的影响。多晶体的晶粒大小，一般介于1 0 至 0 o l i n 之间，或更小一些。这样。在多晶体中自然存在着大量的晶界。晶粒间界是一种过 渡的区域，其结构和性质与晶粒本身不同。在晶粒间界上原子是不规则排列的，并聚集有其 它杂质，如图2 7 ( a ) 。相邻的晶粒彼此相互影响，晶粒间的取向也不同。这就使滑移在晶 界处受阻，变形发生困难。如图2 - 7 ( b ) 所示，当拉伸由几个相接连晶粒构成的试样时 其晶界的变形甚小。由此可见，晶界比晶粒本身难于变形，也就是说，晶界的变形抗力比晶 粒本身的变形抗力大。因为多晶体是由许多晶粒组成，其各个晶粒是通过晶界而互相紧密地 连接着。这样，晶粒越细小，晶界所占的区域相对的就越大，对变形的阻碍作用也就越大 因此多晶体的变形抗力也就越大。 ( a ) 晶界的原子结构 图2 7 晶界对变形的影响 ( b ) 晶界为难变形区 3 ) 出现方向性 多晶体金属是由许多杂乱分布的晶粒所组成。平均起来在不同的方向上具有相同的性 质，即所谓各向同性。在塑性变形过程中晶粒的形状和取向发生改变，原来的各向同性消失， 在一定方向上出现择优取向，即产生所谓的变形结构，使金属产生各向异性 4 ) 晶粒彼此间的变形 多晶体金属在塑性变形过程中，晶粒的形状和取向发生改变的同时晶粒彼此溷也发生 相对的移动，也就是除晶粒内部的变形外。在晶界上也发生变形。 2 2 2 2 多晶体塑性变形机制 多晶体的塑性变形既可在晶粒内部进行，又可在晶粒间界处进行。在晶粒内部进行塑性 变形的变形机制，如滑移、孪生，上文已有叙述现仅讨论晶粒间变形机制。 1 ) 晶粒的转动和移动 多晶体变形时，由于各晶粒所处的位向不同。使其产生变形的难易程度也不同这样在 相邻晶粒间会引起力的相互作用因而可能产生一对力偶，造成晶粒间的相互转动。 另外，当由于外力的作用，使沿晶界所产生的切应力达到或超过晶粒彼此相对移动的阻 力时，则晶粒将发生移动这种晶粒的转动和移动，常常会造成晶粒问联系的破坏。 由于塑性变形所产生的晶粒间联系的破坏，可使晶体出现显微破裂( 显微空隙) 。出现 的显微破裂或者能靠其它变形机构和压紧方式自行修复或者由于在显微破裂附近产生应力 集中而转变为宏观破坏。但是原子会从内层向显微破裂的表面迁移，来阻碍后一过程。结果 会使显微破裂的体积藏小，并且已破坏的联系有可能恢复。此外，显微破裂也可以变形和移 1 6 贵州大学机械工程学院2 0 0 4 级硕士毕业论文 动。这也可以促进破坏了联系的原子层相互接近。 2 ) 溶解一沉积机制 溶解一沉积机制是在不同相的晶粒间以相互化学作用为基础的塑性变形机制。这种机制 的实质是一相晶体的原子迅速而飞跃式的转移到另一相的晶体中去。 为完成原子由一相转移至另一相，除应保证两相具有较大的相互溶解性外，还必须遵守 下述两个条件： ( 1 ) 因为原子的转移最大可能是从相的表面层进行，所以随着温度的改变，或原有相 晶体表面大小及曲率的变化，必然引起最大溶解度的变化； ( 2 ) 在变形时，必须存在有利于产生高速度溶解和沉积的扩散过程，应具备足够高的 温度条件。 溶解一沉积机制的重要特点是塑性变形在两相间的界面上进行，又由于金属的沉淀很容 易在显微空洞和显微裂缝中进行，则原子的相间转移可使这些显微空洞和裂缝消除。从而可 使金属的塑性显著增大 3 ) 牯滞性晶问流动 此种变形机制发生在变形速度很低的情况下，在蠕变的开始阶段晶界上的粘滞性流动起 着很大的作用。 2 2 3 晶界对塑性变形过程的影响 晶界是相邻的取向不同的晶粒边界区域，或者说是周期性排列的点阵的取向发生突然转 折的区域。根据点阵取向的突变程度不同和转折区域构造的差异，一般分为大角度晶界和小 角度晶界两种。纯金属多晶体中大角度晶界的厚度大约是几个原子间距，但是含有异类原子 的合金的晶界厚度则大得多当相邻两晶粒的取向差逐渐减小的时候，晶界上原子排列的有 序姓就会得到加强，最终就成为小角度晶界，小角度晶界可以利用位错来播绘，最简单的情 况就是由丸位错垂直堆叠而构成的倾斜晶界。小角度晶界的角度最大不能超过2 0 度，再大 的角度用简单的位错模型来描述就比较困难了。可以直接把它看成是一个原子捧列混乱的区 域。在大角度晶界包围之内的晶粒内部。仍然可以存在有小角度晶界所割裂开来的亚结构。 此外，在形变、相变过程中还会在金属组织内部产生挛晶界。 由于晶界上原子排列的正常结构遭到破坏，因而具有晶界能。晶界上能量较晶内高这一 事实，使得晶界表现出很多不同于晶粒内部的性质。同样，晶界的存在也对材料的力学性能 产生相当大的影响。还要指出的一点是。在晶界及其附近的区域，常常偏聚着比平均浓度高 得多的异类原子。在某些情况下，晶界还含有第二相或夹杂物，这些因素对研究晶界在力学 性能上的作用带来了很大的干扰。 在研究多晶体的力学行为时，虽然小角度晶界也有重要影响，不过作用更大的还是大角 度晶界。后者的晶界能比小角度晶界要高1 2 个数量级，在强化金属的作用上，大角度晶 界起的作用是主要的。 晶界如何影响到塑性变形过程呢? 这主要是温度较低时晶界阻碍滑移进行引起的障碍 强化作用和变形连续性要求晶界附近多系滑移引起的强化作用。现分述如下： 1 ) 障碍强化作用 温度较低时晶界存在着阻碍塑性变形进行的作用，可用“竹节”试样实验来证明。先取 大晶粒的材料作成拉伸试样试样中各晶界彼此平行并且都垂直于拉伸轴进行拉伸变形后， 试样变成竹节状如图2 - 8 所示。由此可知晶界附近存在一个楔形区域，在这个区域内未发 生滑移。这就证明晶界对滑移确实存在着阻碍作用。滑移从一个晶粒延续到下一个晶粒是不 容易的。 1 7 贵州大学机械工程学院2 0 0 4 级硕士毕业论文 晶界对滑移的阻碍作用是由于晶界上原子排列不同于晶界内的特殊结构造成的昵? 还 是由于晶界两侧的晶粒取向不同造成的昵? 通过双晶体实验可以证明，随着两晶粒间取向差 的减小，两个晶粒中的滑移面和滑移方向趋于一致，取晶体的力学性质也就由多晶体的性质 逐渐转变为单晶体的性质，这说明阻碍作用是由于晶界两侧晶粒的取向不同造成的，但是， 晶界结构本身在定的条件下也是很重要的， 圈2 - 8 晶界对蒲移的阻碍作用 晶界对滑移的阻碍作用是如何产生的呢? 当多晶体受到增长着的外力作用时，并不是所 有的晶粒都同时一起开始滑移的，而是在取向最有利的晶粒，即其滑移系统之一具有最大的 分切应力的晶粒首先产生滑移。也就是这个取向最有利的滑移系统上的位错源首先开动，散 发出位错环。这些位锗环滑动到晶界跗近时，由于晶界上原子排列的正常结构遭到破坏，也 存在着应力场，位错应力场和晶界应力场要发生相互作用位错进入晶界可以降低系统的能 量，所以晶界对位错有吸引作用。但是晶界另一侧的晶体，由于取向不同。它对接近晶界的 位错是产生斥力的。位错在外力、晶界的吸力和晶界两侧取向不同产生的斥力作用下，将受 阻于晶界前一个一定距离的地方，不能直接通过晶界。领先的位错环在晶界前受阻，后续的 位错环在外力作用下滑动到领先位错环附近时，也未能前进。于是就产生了塞积。塞积位错 群对位错源有反向的作用力，位错源在大的塞积位错群反向作用力的抵制下将可能停止动 作。如果要继续开动，就需要增大外力。位错源在增大后的外应力作用下继续产生新的位错 环，这些位错环仍然可能被阻止于晶界前，加入塞积位错群内增大了群内的位错数。当塞 积群的位错数n 是够多时，在塞积群领先位错箭端就有很大的应力集中其数值可按虚功原 理来估计因为在外应力作用下，若按单位长度来考虑，塞积群中每个位错都受西的力， 若整个塞积群向前移动了6 ，距离，则外力场作功为n 西6 ，另一方面，设晶界( 更一般地 可看成是障碍) 对领先位错有一反作用切应力f 。方向和外切应力f 相反，则晶界对领先 位锗的反作用力为f b ，当塞积群向前移动屯时，位错克服反作用力的功为z 吾6 ，外力对 位锗运动作功和位错克服反作用力作功相等因而 f-nr 就是说塞积群领先位错前端的应力集中的数值是外切应力的n 倍( 这里忽略了晶界对位错的 吸引力) 。 是塞积位错群内的位错数。决定于外切应力f 和位错源到障碍( 晶界) 的距离 l ， k n r l g b 式中k 若是刃位错，k 一( 1 - v ) ；若是螺位错k 一1 。由上式可见，在相同的_ r 值 - j 8 - 贵州大学机械工程学院2 0 0 4 级硕士毕业论文 时，l ( 可引伸为晶粒直径) 愈大，则n 愈大，于是f 也愈大。当应力集中达到一定数值时， 可触发相邻晶粒的位错源开动，于是使得滑移从一个晶粒传播到了另一个晶粒，使塑性变形 继续下去。 如上所述的位错运动由一个晶粒内传播到另一个晶粒内，也即滑移由一个晶粒传播到另 一个晶粒的过程可见 由于晶界两侧取向不同要实现这一传播过程，就必须外加以更大 的力，这就是晶界的障碍强化作用。 2 ) 多系滑移莳强化作用 实际的多晶体材料中每一个晶粒( 除了和自由表面接触的晶粒以外) 都被其相邻的晶 粒所包围。如果一个晶粒产生滑移变形而不破坏晶界的连续性，则相邻的晶粒必须有相应的 协调变形才能保证。相邻晶粒要通过滑移来协调一个可以变成任意形状的晶粒的变形，至少 需要有五个滑移系的动作。这是因为描述物体任意的形状变化，必须用到应变张量的六个分 量，但如果体积不变的话。即v - 。+ g ，+ 。一0 ，则独立的应变分量就只有五个。 因此多晶体的塑性变形，一旦滑移传播到相邻的晶粒，就产生了多系滑穆。其应力一应变曲 线上不会出现单晶体应力一应变曲线上的第1 阶段。也就是说多晶体塑性变形一开始实际上 就是多系滑移 _ 匕 其速度差匕为 圪_ 一_ - 珊：- 一q 凡- 三以月：一r a n l ) ( 2 - 3 7 ) 而滚轮在b 处的圆周速度是大于工件在b 处的圆周速度的，即 其速度差为 _ 一呢。q 心一z ，j - 嘉僻 一白n ：) ( 2 3 8 ) 由于滚轮的圆周速度从a 到b 是直线增加的，而工件的圆周速度从a 到b 是直线减少的， 所以在a b 之间存在一个k 点，在此点上滚轮与工件的圆周速度是相筹的即 得到 y l w r k - 甜2 k - 刀二 ( 2 3 9 ) 堕卫生 吡r 邪2 ”生 。 o 式中 屹、 吆吩别为滚轮与工件在k 处圆周速度 r k 、分别为滚轮与工件的滚压半径。 ( 2 - 4 0 ) k 处为滚轮与工件作无滑动的滚动点，其余各处均有相对滑动在邱段上滚轮速度大 于工件速度，b 处速度相差最大在l 【a 段上滚轮速度小于工件速度，a 处速度相差最大。滚 轮的磨损就是由于在滚压压力下相对滑动引起的在一般情况下，由于b 处的压力大于a 处压力，故在b 处附近磨损更为严重 将式( 最后一个) 代入( 倒数第二、三) 后得到a 、b 两点的速度差匕与为 a - 鲁也睾圳 a 一碧一等) ( 2 - 4 1 ) 从上两式中可以看出，滚轮转速啊越高相对滑动速度越大渡轮的磨损越严重，尤其 滚压大规格的产品更为突出。但滚轮转速玎。直接影响生产效率，故任意降低转速是不合理 2 6 贵州大学机械工程学院2 0 0 4 级硕士毕业论文 的，所以生产中要寻求耐磨的滚轮材料。 k 点位置应根据工件力矩平衡条件确定。但由于压力分布复杂，故一般只能通过实测滚 轮转速厅1 与工件转速以2 的方法求得 2 5 2 冷拉伸滚压的旋转条件 作冷拉伸滚压的展开图t 表示在图z 1 3 上。图中口为滚轮的展宽角，口为滚轮的形 成角，d o 为工件未滚压前的原始直径d 1 为工件滚压后的直径。 满足冷拉伸滚压的旋转条件是指从i i 位置滚压到一位置中工件无整体打滑，即 工件以滚压直径以作无滑动的滚动( 故以又称作工件的滚动直径) 滚轮的个数为两个，那么工件转动三圈时所走过的展开长度l 应该是 三扣。 倍4 2 ) 图2 1 3 冷拉伸滚压展宽图 此时，工件的瞬时宽展量s ( 简称宽展量) 为 ， f - 脚丢刃。q 聊 式中，总压缩量。 2 7 ( 2 - 4 3 ) ( 2 - 4 4 ) 贵州大学机械工程学院2 0 0 4 级硕士毕业论文 r 生q 二壁1 2 ( 2 4 5 ) f 相当于车