金属塑性加工的宏观规律.ppt

金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeformationinMetalsProcessing 第二篇金属塑性加工的流动与变形规律 第3章金属塑性加工的宏观规律 3 1塑性流动规律 最小阻力定律 3 2影响金属塑性流动和变形的因素 3 3不均匀变形 附加应力和残余应力 3 4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点 3 5塑性加工过程的断裂与可加工性 3 1塑性流动规律 最小阻力定律 概念 最小阻力定律最小周边法则实际应用分析 最小阻力定律 变形过程中 物体各质点将向着阻力最小的方向移动 即做最少的功 走最短的路 与塑性变形应力应变增量理论中的应变增量与应力偏量成正比的关系是一致的 图3 1开式模锻的金属流动 修磨圆角 减小阻力 增加飞边阻力 在塑性加工中 既可用最小阻力定律定性地分析各种工序的金属流动 又可以通过调整某个方向的流动阻力 来改变金属在某些方向的流动量 使得成形合理 接触面上质点向周边流动的阻力与质点离周边的距离成正比质点向距离最短的周边移动 分成四个区流动的结果是变成椭圆形 图3 2最小周边法则 当接触表面存在摩擦时 矩形断面的棱柱体镦粗的流动模型 流动分界线 对于其他任意断面 金属质点的流动方向也遵守最小阻力定律 最小周边法则 方坯在平锤间压缩时如图 随着镦粗的进行 方形截面逐步变为园截面 宽展多于延伸 拔长效率低 延伸多于宽展 拔长效率高 俯视图 图3 4拔长坯料的变形模式 矩形截面坯料在平砧拔长时 当送进量l大于坯料宽度a时 金属多沿横向流动 图3 5不同宽度坯料轧制时宽展情况 图3 6轨辊直径不同时轧件变形区纵横方向阻力图 D D B 2 B2 图环形毛坯的变形趋向 a 变形前的工具与毛坯b 拉深c 翻边d 胀形 3 2影响金属塑性流动和变形的因素 3 2 1摩擦的影响3 2 2变形区的几何因素的影响3 2 3工具的形状和坯料形状的影响3 2 4外端的影响3 2 5变形温度的影响3 2 6金属性质不均的影响 3 2 1摩擦的影响 摩擦影响的实质 由于摩擦力的作用 在一定程度上改变了金属的流动特性并使应力分布受到影响 图3 7圆柱体镦粗时摩擦力对变形及应力分布影响 图3 9圆环镦粗的金属流动a 变形前b 摩擦系数很小或为零c 有摩擦 3 2 2变形区的几何因素的影响 变形区的几何因子 如H D H L H B等 是影响变形和应力分布很重要的因素 图3 10钢球压缩时的流线 图3 11受塑压时物体内部质点滑移变形的近似模型 图3 12h2为各种数值时的情况 3 2 3工具的形状和坯料形状的影响 工具 或坯料 形状是影响金属塑性流动方向的重要因素 工具与金属形状的差异 是造成金属沿各个方向流动的阻力有差异 因而金属向各个方向的流动 即变形量 也有相应差别 图3 13型钻中拔长图3 14沿孔型宽度上延伸分布图a 圆型砧b V型砧c 凸型砧 3 2 4外端的影响 外端 未变形的金属 对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动 进而产生或加剧附加的应力和应变 图3 15拔长时外端的影响 a b 图3 16开式冲孔时的 拉缩 图3 17弯曲变形对外端的影响 3 2 5变形温度的影响 变形物体的温度不均匀 会造成金属各部分变形和流动的差异 变形首先发生在那些变形抗力最小的部分 一般 在同一变形物体中高温部分的变形抗力低 低温部分的变形抗力高 图3 18铝 钢双金属轧制时由不均匀变形产生的弯曲现象1 铝 2 钢 3 2 6金属性质不均的影响 变形金属中的化学成分 组织结构 夹杂物 相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异 3 3不均匀变形 附加应力和残余应力 3 3 1均匀变形与不均匀变形 3 3 2研究变形分布的方法 3 3 3基本应力与附加应力 3 3 4残余应力 3 3 1均匀变形与不均匀变形 若变形区内金属各质点的应变状态相同 即它们相应的各个轴向上变形的发生情况 发展方向及应变量的大小都相同 这个体积的变形可视为均匀的 不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的 因此 凡是影响金属塑性流动的因素 都会对不均匀变形产生影响 均匀变形是相对的 不均匀变形是绝对的 不均匀变形随处可见 如 鼓形 舌头 鱼尾 镰刀弯 波浪 等 3 3 1均匀变形与不均匀变形 3 3 2研究变形分布的方法 网格法 观察变形前后网格尺寸的变化 硬度法 冷变形金属的硬度随变形程度而提高 比较晶粒度法 再结晶晶粒尺寸与变形程度的关系 有限元模拟 网格变化 等效应变分布等 研究变形分布的方法很多 常见的有 楔形板轧制不同部位金相组织 图3 5经一道次普通轧制与异步轧制应变场 a b 普通轧制道次变形量5 c d 异步轧制道次变形量5 图3 6不同变形量下一道次异步轧制温度场 a b 异步轧制道次变形量10 c d 异步轧制道次变形量20 e f 异步轧制道次变形量40 图3 7不同变形量一道次异步轧制应力场 a b 异步轧制道次变形量10 c d 异步轧制道次变形量20 e f 异步轧制道次变形量40 3 3 3基本应力与附加应力 金属变形时体内变形分布不均匀 不但使物体外形歪扭和内部组织不均匀 而且还使变形体内应力分布不均匀 此时 除基本应力外还产生附加应力 3 3 3基本应力与附加应力 基本应力与附加应力的概念 基本应力 由外力作用所引起的应力叫基本应力 表示这种应力分布的图形叫基本应力图 附加应力 在物体中 由于各部分的变形不均匀受到物体的整体性限制而引起的相互平衡的应力 工作应力 是处于应力状态的物体在变形时用各种方法测出来的应力 均匀变形时基本应力与工作应力相同 而变形不均匀时 工作应力等于基本应力与附加应力的代数和 3 3 3基本应力与附加应力 附加应力的种类 第一类附加应力 宏观附加应力 存在于物体的局部之间第二类附加应力 微观附加应力 存在于物体内的晶粒之间第三类附加应力 微观附加应力 存在于滑移面或滑移带之间 图3 22相邻晶粒的变形 3 3 3基本应力与附加应力 附加应力对塑性变形产生的不良后果 引起变形体的应力状态发生变化 使应力分布更不均匀 造成物体的破坏 使材料变形抗力提高和塑性降低使产品质量降低 使生产操作复杂化 形成残余应力 3 3 3基本应力与附加应力 制订合理的温度 速度制度 尽量减小接触面上外摩擦的不利影响 合理设计加工工具形状 尽量使变形金属的成分和组织均匀 减小不均匀变形或附加应力的措施 3 3 4残余应力 残余应力的概念 来源与分类 残余应力的来源 不均匀变形相变热处理铸造电镀机加工等残余应力的分类 第一类残余应力 宏观应力 第二类残余应力 显微应力 第三类残余应力 超显微应力 3 3 4残余应力 变形条件对残余应力的影响 变形温度的影响一般而言随温度升高残余应力减小 终轧温度 高温时应考虑温度不均 变形速度的影响室温时 残余应力随速度增加而减小 高温时 残余应力随速度增加而增大 变形程度的影响第一类 20 25 时最大 52 65 时最小 第二 三类 随变形程度的增大而增大 变形程度对残余应力的影响 3 3 4残余应力 残余应力的后果 引起物体尺寸和形状的变化使零件的使用寿命缩短降低了金属的塑性加工性能降低金属的耐蚀性及冲击韧性和疲劳强度 3 3 4残余应力 减小或消除残余应力的措施 减小不均匀变形热处理方法 退火 回火机械处理法 表面小变形零件彼此碰撞喷丸法 木椎敲击法表面压平 主要用于板材 表面拉制 主要用于棒材 在模子中表面校形或精压 3 3 4残余应力 3 3 4残余应力 研究残余应力的主要方法 机械法化学法X射线法 3 4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点 3 4 1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点3 4 2平辊轧制时金属的应力及变形特点3 4 3棒材挤压时的应力及变形特点3 4 4棒材拉伸时的应力及变形特点 3 4 1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点 1 镦粗时组合件的变形特点 3 4 1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点 2 基本应力的分布特点 3 4 1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点 3 第一类附加应力的分布特点 3 4 2平辊轧制时金属的应力及变形特点 一 基本应力特点 二 变形区内金属质点流动特点 1 金属质点纵向流动特点 前滑区后滑区中性面 二 变形区内金属质点流动特点 1 金属质点纵向流动特点前滑 在变形区内 金属质点的向前流动速度大于轧辊表面线速度的现象叫前滑 变形区内金属质点流动具有前滑现象的区域叫前滑区 后滑 在变形区内 金属质点的向前流动速度小于轧辊表面线速度的现象叫后滑 在变形区内金属质点流动具有后滑现象的区域叫后滑区 中性面 在变形区内 金属质点向前流动速度与轧辊表面线速度一致的截面叫中性面 中性面实际是前滑与后滑的临界面 1 当L H平 0 5 1 0时 如图3 41所示 这时接触弧较长而轧件高度小 故变形能深入整个断面高度 在后滑区内 轧件任意断面的平均速度都小于轧辊的水平运动速度 但是由于接触表面上的摩擦力总是力图把较高的速度传给轧件表面层及其附近部位 而对中心部位的影响则相对小些 这样就使得后滑区内各断面上金属质点的运动速度表面层大于中心层而呈曲线6所示形状 并且外摩擦越大 这种不均匀性越明显 二 变形区内金属质点流动特点 二 变形区内金属质点流动特点 金属质点沿高向水平运动速度呈不均匀分布 主要原因是受摩擦力的影响 在后滑区 金属塑性流动指向入口处 在前滑区 金属塑性流动指向出口处 摩擦力总是阻碍金属质点的塑性流动 质点运动速度 机械运动速度 塑性流动速度 2 当L H平 0 5 1 0时 轧件高度大而变形区长度相对变小 故变形难以深入整个断面高度 在后滑区各断面上 外层金属质点的流动速度由接触表面向中心层逐渐减小 中心层附近没有产生变形刚保持一个固定的速度不变 其分布如曲线3所示 在前滑区 情况恰好相反 各断面速度是由表层向里逐渐增大 但在中心层没有产生变形 所以速度仍保持不变 二 变形区内金属质点流动特点 二 变形区内金属质点流动特点 中心层不发生塑性流动 表层塑性流动速度较小 次表层塑性流动速度大 质点运动速度 机械运动速度 塑性流动速度 各区塑性流动方向不同 二 变形区内金属质点流动特点 2 宽展及宽度上的纵向流动 轧制时 沿轧件宽向尺寸的变化量称为宽展 在边缘部位存在宽展三角区 由于边缘部位金属发生横向流动 使其纵向流动速度较慢 二 变形区内金属质点流动特点 轧制时 影响宽展量大小的三点因素 外摩擦 摩擦系数增加 宽展增加 摩擦系数减少 宽展也随之减少 因为摩擦系数增加阻碍延伸变形 使横向宽展增加 变形区的尺寸 影响宽展的尺寸主要是L B值 凡是使L B值增大的因素 都使宽展增加 刚端 轧件变形区外部的刚端 限制了宽展的发展而增加纵向延伸 并且使轧件宽向及高向上的延伸变得更均匀些 正是由于轧件边缘部位的这种拉应力的作用 限制了金属质点的横向流动 减少了宽展 二 变形区内金属质点流动特点 3 附加应力分布特点 表层塑性流动速度较小 表层和中心层的塑性流动速度较小 因此受到附加拉应力 表层金属受附加拉应力 轧件表面产生横向裂纹 陶粒包覆示意图 1 喷射沉积坯料 2 压力传递介质 3 钢模 4 钢压头 3 4 3棒材挤压时的应力及变形特点 一 棒材挤压时的基本应力状态 3 4 3棒材挤压时的应力及变形特点 二 棒材挤压时的金属流动规律 3 4 3棒材挤压时的应力及变形特点 三 棒材挤压时的附加应力 按挤压时金属质点流动的分区情况进行分析 可清楚地看出 在塑性变形区和变形终了的外端部分 由于中间金属流动的快 表面层金属流动的慢 所以变形不均匀的结果引起中间对表面层作用以轴向附加拉应力 而表面层对中间部分作用轴向附加压应力 在棒材端面附近则产生了径向附加拉应力 在未变形区的横截面上 由于外表层已进入了塑性变形状态 其金属的流动速度远远大于中间部位 所以表面层对中间部位产生了轴向附加拉应力 而中间部位对表面层施加一个轴向附加压应力 3 4 3棒材挤压时的应力及变形特点 a f c d b e 3 5塑性加工过程的断裂与可加工性 3 5 1塑性加工中的常见裂纹3 5 2金属断裂的物理本质3 5 3塑性 脆性转变3 5 4金属的可加工性 一 锻造时的断裂 1 锻造时的表面开裂自由镦粗塑性较低的金属饼材时 由于锤头端面对镦粗件表面摩擦力的影响 形成单鼓形 使其侧面周向承受拉应力 当锻造温度过高时 由于晶间结合力大大减弱 常出现晶间断裂 且裂纹方向与周向拉应力垂直 图3 53 1 a 当锻造温度较低时 晶间强度常高于晶内强度 便出现穿晶断裂 由于剪应力引起的其裂纹方向常与最大主应力成45 角 图3 53 1 b 预防措施 为了防止镦粗时的这种断裂 必须尽量减少鼓形所引起的周向拉应力 可采用如下措施 1 减少工件与工具间的接触摩擦 提高接触表面的光洁度 采用适当高效能的润滑剂 2 采用凹形模 锻造时 由于模壁对工件的横向压缩 使周向拉应力减少 3 采用软垫 如图3 54 因为软垫的变形抗力较小 在压缩开始阶段 软垫先变形 产生了强烈的径向流动 结果工件侧面成凹形如图3 54 a 随着软垫的继续压缩变薄 其单位变形抗力增加 这时工件便开始显著地被压缩 于是工件侧表面的凹形逐渐消失变得平直见图3 54 b 继续压缩时才出现鼓形如图3 54 c 这样与未加软垫的镦粗工件相比 其鼓形凸度就相应减少了 因而也就相应地减少了工件侧面的周向拉应力 4 采用活动套环和包套 如图3 55所示 选用塑性好抗力较低的材料做外套 由于外套和坯料一起加热后镦粗 外套对坯料的流动起着限制作用 从而增加了三向压应力状态 防止了裂纹的产生 镦粗低塑性的高合金钢时 用普通钢做外套 套的外径可取D 2 3 d d是坯料原始直径 用活动套镦粗时 低塑性毛坯经一定的小变形后就能与套环接触 然后取走垫铁 继续镦粗 套环材料除塑性好外 要其变形抗力比锻坯稍大些 使其对流动起限制作用 以增强三向压应力 防止裂纹的产生 2 锻造时的内部裂纹 预防措施 为了防止锻压圆坯时内部裂纹的产生 可采用槽形和弧形锤头 从而减少坯料中心处的水平拉应力 或把原来的拉应力变为压应力 实验结果表明 用图3 58 b 所示两种锤头压缩总变形量达40 时都未见任何裂纹 因此 最好采用如下两种锤头 顶角不超过110 的槽形锤头和R r 包角为100 110 的弧形锤头 以增加工具对坯料作用的水平压应力 从而减少坯料中心水平附加拉应力 二 轧制时的断裂 1 轧制时的表面开裂 预防措施 为避免上述断裂现象的发生 首先是要有适宜的良好辊型和坯料尺寸形状 其次是制定合理的轧制工艺规程 压下量控制 张力调整 润滑适宜等等 2 轧制时内部裂纹 在平辊间轧制厚坯料时 因压下量小而产生表面变形 中心层基本没有变形 因而中心层牵制表面层 给予表面层以压应力 表面层则给中心层以拉应力 图3 61b 当此不均匀变形与拉应力积累到一定程度时 就会引起心部产生裂纹 而使应力得到松弛 当变形继续进行此应力又积累到一定程序又会产生心部裂纹 如此继续 便在心部产生了周期性裂纹 图3 61 为避免此种断裂现象的发生 可增加l h值如图3 62所示 变形逐渐向内部深入 当l h到一定值后 轧件中间部分便由原来的纵向拉应力变为纵向压应力 三 挤压时的断裂 1 表面裂纹挤压时 在挤压件的表面常出现如图3 64a所示的裂纹 严重时裂纹变成竹节状 由于挤压筒和凹模孔与坯料之间接触摩擦力的阻滞作用 使挤压件表面层的流动速度低于中心部分 于是在表面层受附加拉应力 中心部分受附加压应力 预防措施 无论挤压与拉拔 减少摩擦阻力 会使金属流动不均匀性减轻 从而可以防止这样裂纹的产生 防止裂纹的有效方法是加强润滑 例如铝合金热挤压采用油 石墨润滑剂 钢热挤时采用玻璃作润滑剂 因为影响摩擦力的因素除了摩擦系数以外 还有垂直压力和接触面积的影响 对挤压和拉拔来说还可以采用反向挤压 反张力拉伸 辊式模拉伸等方法来减少有害摩擦 防止断裂现象的发生 2 内部裂纹 当挤压比 挤压变形程度 较小 或拉拔时L d0较小时 由于产生表面变形而深入不到棒材的心部 结果导致中心层产生附加拉应力 此拉应力与纵向基本应力相叠加 若轴心层的工作拉应力大于材料的断裂应力时 便会出现如图3 67所示的内部裂纹 3 5 2金属断裂的物理本质 一 断裂的基本类型根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形 可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类 通常以单向拉伸时的断面收缩率大于5 者为韧性断裂 而小于5 者为脆性断裂 此外 按断裂面相对作用力方向的取向关系 分正断与剪断两种形式 垂直于最大正应力的断裂称正断 沿最大切应力方向发生的断裂为剪断 通常正断沿解理面断裂 剪断沿滑移面断裂 1 脆性断裂 在断面外观上没有明显的塑性变形迹象 直接由弹性变形状态过渡到断裂 断裂面和拉伸轴接近正交 断口平齐 如图3 68a所示 脆性断裂在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂 所谓解理面 一般都是晶面指数比较低的晶面 如体心立方的 100 面 在多晶体试样中则可能出现两种情况 一是裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂 断口可以看到解理亮面 二是裂纹沿晶界的晶间断裂 断口呈颗粒状 如图3 69所示 2 韧性断裂 在断裂前金属经受了较大的塑性变形 其断口呈纤维状 灰暗无光 韧性断裂主要是穿晶断裂 如果晶界处有夹杂物或沉淀物聚集 则也会发生晶间断裂 韧性断裂也有不同的表现形式 一种是切变断裂 例如密排六方金属单晶体沿基面作大量滑移后就会发生这种形式的断裂 其断裂面就是滑移面 如图3 68b所示 另一种是试样在塑性变形后出现缩颈 一些塑性非常好的材料如金 铅和铝 可以拉缩成一个点才断开 如图3 68c所示 对于一般的韧性金属 断裂则由试样中心开始 然后沿图3 68d所示的虚线断开 形成杯锥状断口 韧性断裂有如下几个特点 1 韧性断裂前已发生了较大的塑性变形 断裂时要消耗相当多的能量 所以韧性断裂是一种高能量的吸收过程 2 在小裂纹不断扩大和聚合过程中 又有新裂纹不断产生 所以韧性断裂通常表现为多断裂源 3 韧性断裂的裂纹扩展的临界应力大于裂纹形核的临界应力 所以韧性断裂是个缓慢的撕裂过程 4 随着变形的不断进行裂纹不断生成 扩展和集聚 变形一旦停止 裂纹的扩展也将随着停止 二 断裂过程与物理本质 金属的塑性变形过程和断裂过程是同时发生的 而断裂过程通常又可以分为裂纹生核和裂纹扩展两个阶段 从力学角度看 金属多晶体在外力的作用下发生塑性变形的初始阶段并不是在所有晶粒内同时发生 而首先在位向有利的晶粒 即外力对其滑移系统具有最大切应力的晶粒 中以滑移或孪晶方式发生塑性变形 从位错理论的观点来看 金属的塑性变形实质上是位错在滑移面上运动和不断增殖的过程 金属断裂的基本过程 一 微裂纹的萌生机理金属发生断裂 先要形成微裂纹 这些微裂纹主要来自两个方面 一是材料内部原有的 如实际金属材料内部的气孔 夹杂 微裂纹等缺陷 二是在塑性变形过程中 由于位错的运动和塞积等原因而使裂纹形核 随着变形的发展导致裂纹不断长大 当裂纹长大到一定尺寸后 便失稳扩展 直至最终断裂 裂纹形核理论 1 位错塞积理论2 位错反应理论3 位错墙侧移理论4 位错消毁理论 1 位错塞积理论 位错在运动过程中 遇到了障碍 如晶界 相界面等 而被塞积 在位错塞积群前端就会引起应力集中 图3 70 若外加切应力为 塞积位错个数为n 此处应力集中为 则 这就说明此处的应力集中比外加切应力大n倍 塞积位错越多 应力集中程度越大 当此应力大于界面结合力或脆性第二相或夹杂物本身的结合力时 就会在界面或脆性相中形成裂纹核 2 位错反应理论 图3 71表示在相交的滑移面上 由于位错反应发生了同号位错的聚合 便形成了微裂纹 在体心立方中 两位错相遇反应的结果 可在