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金属塑性加工原理 中南大学材料科学与工程学院 1 绪论 0 1材料加工在国民经济中的地位特点 0 2材料加工的内涵 0 3金属塑性加工 0 4塑性加工理论的发展概况 0 5本课程的任务 0 6金属材料加工的主要方向 2 0 1材料加工在国民经济中的地位特点 金属采用塑性加工方法成材 不仅以其原材料消耗少 生产效率高 产品质量稳定 而且能有效地改善和控制金属的组织与性能 在国民经济与国防建设中占有十分重要的地位 3 1 航空航天 4 2 武器装备 5 3 交通运输 6 4 建筑 7 5 家用电器 8 0 2材料加工的内涵 1 材料加工 采用一定的加工方法和技术 使材料达到与原材料不同的状态 化学成分上完全相同 使其具有更优良的物理性能 化学性能和力学性能 9 2 材料的可加工性 材料对加工成形和工艺所表现出来的特性 包括铸造性能 锻造性能 焊接性能 热处理性能和切削加工性能等 10 3 材料加工需考虑的基本原则 使用性能 高强 高韧 耐蚀等工艺性能 轧 挤 拉 锻 焊等环保性能 放射性 毒气 三废 等经济性 成本 性价比等 11 4 金属材料加工所涉及的内容 1 液态金属的熔炼与铸造 2 金属塑性加工与热处理 3 复合材料与层状复合材料加工 4 材料连接 5 材料切削加工 6 粉末冶金 7 CVD chemicalvapourdeposition PVD phsicalvapourdeposition 等 12 5 小结 金属材料在国民经济 国防军工建设中占有极其重要战略地位 金属塑性加工原理这门课程旨在讲述有关高性能材料设计 成形制备 性能表征与评价以及应用方面的重要专业基础知识 13 金属坯料在外力作用下产生塑性变形 从而获得具有一定几何形状 尺寸和精度 以及服役性能的材料 毛坯或零件的加工方法 0 3金属塑性加工 1 材料加工 钢 铝 铜 钛等及其合金 2 适用范围 14 3 主要加工方法 1 轧制 金属通过旋转的轧辊受到压缩 横断面积减小 长度增加的过程 可实现连续轧制 纵轧 横轧 斜轧 举例 汽车车身板 烟箔等 其它 多辊轧制 24辊 孔型轧制等 15 3 主要加工方法 2 挤压 金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出而制取各种断面金属材料的加工方法 举例 管 棒 型 其它 异型截面 正挤 反挤 16 3 主要加工方法 卧式挤压机 17 3 主要加工方法 4 锻造 锻锤锤击工件产生压缩变形A 自由锻 金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或压力而产生塑性变形的加工 我国自行研制的万吨级水压机 18 3 主要加工方法 B 模锻 金属在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而产生塑性变形的加工 举例 飞机大梁 火箭捆挷环等 万吨级水压机模锻的飞机大梁 火箭捆挷环 19 3 主要加工方法 5 冲压 金属坯料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法 20 4 特点 1 质量比铸件好 尺寸精度高 表面质量好 性能好 a 细化晶粒 b 消除微观缺陷 2 不产生切削 金属利用率高 3 易实现连续化 自动化 高速 大批量生产 4 设备较庞大 相对铸造能耗较高 21 金属塑性加工力学 连续介质力学 晶体力学CMTP ContinuumMechanicsofTexturedPolycrystals 塑性变形材料学 1 塑性变形组织控制2 织构控制塑性加工摩擦学 干摩擦 湿摩擦 边界摩擦 混合摩擦 润滑剂 0 4塑性加工理论的发展概况 22 是随塑性力学 塑性理论 在金属塑性加工中的应用而发展起来的一个分支 1 金属塑性加工力学 力学冶金 1864年Tresca首次提出最大剪切屈服准则 1925年Karman将塑性力学应用于塑性加工 Sachs和Siebel提出工程法 主应力法 20世纪中期建立滑移线法研究平面变形 20世纪50年代发展变形功平衡法 现代 塑性有限元法 23 2 金属塑性加工材料学 运用物理冶金原理研究塑性变形过程中金属的组织演变及性能变化的规律 运用位错理论解释金属塑性变形过程 如滑移 机械孪生 加工硬化 裂纹形成 扩展和断裂 胞状结构 剪切带 过渡带 形变带以及晶粒取向演变与分布 25 m c ND 001 用电子背散射衍射 EBSD 技术获得的微取向分布上图 24 3 塑性加工摩擦学 机械摩擦理论 阿芒顿 库仑定律 粘着摩擦理论 1 F P 鲍 D 泰伯焊合摩擦理论2 B克拉盖尔斯基理论磨损润滑 塑性加工过程中接触表面间的相对运动引起摩擦 发生一系列物理 化学和力学变化 对金属塑性变形应力应变分布和产品质量产生重要影响 25 0 5本课程的任务 增量理论 1 Levy Mises增量理论2 Prandtl Reuss理论磨损全量理论 Hencky全量理论 学习塑性力学的基础知识 掌握应力应变分析 塑性变形物性方程等变形力学知识 为塑性加工过程中变形体的应力 应变分析及变形力与功的计算奠定力学基础 26 0 5本课程的任务 学习金属塑性变形的物理冶金知识 掌握塑性变形时金属流动和变形不均匀分布规律 分析影响金属塑性流动和变形不均匀的影响因素 金属塑性变形的微观机理和组织性能变化规律 为确定塑性加工的温度 速度等条件 获得最佳塑性状态和制品组织性能奠定材料学基础 27 0 5本课程的任务 学习塑性加工过程中摩擦与润滑的基本知识 掌握摩擦基本的特点与规律 摩擦对塑性加工过程的影响与作用 塑性加工工艺润滑的基本理论 为合理选择润滑剂及润滑工艺奠定物理化学基础 28 0 6金属材料加工的主要方向 常规材料加工工艺的短流程化和高速 高效化 连铸连轧发展先进的成形加工技术 实现组织与性能的精确控制 热连轧 冷连轧材料设计 制备与成形加工一体化 整体构件 29 0 6金属材料加工的主要方向 开发新型制备与成形加工技术 发展新材料和新制品 快速冷凝 喷射沉积发展计算机数值模拟 仿真模拟及神经网络技术 构筑完善的材料数据库 材料的智能制备与成形加工技术 30 金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeformationinMetalProcessing 中南大学材料科学与工程学院材料加工系2005 07 31 绪论 主要研究内容几个基本概念弹性 塑性变形的力学特征 32 研究内容 塑性力学 Themechanicsofplasticity 是固体力学的一个分支 其主要任务是研究物体在塑性变形阶段的应力和应变的规律 与其它工程力学 如 理论力学 材料力学 结构力学 的区别主要是研究方法 对象以及分析结果的差异 33 弹性 Elasticity 卸载后变形可以恢复特性 可逆性 塑性 Plasticity 固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力屈服 Yielding 开始产生塑性变形的临界状态损伤 Damage 材料内部缺陷产生及发展的过程断裂 Fracture 宏观裂纹产生 扩展到变形体破断的过程 几个基本概念 34 弹性 塑性变形的力学特征 35 塑性变形对金属的组织和性能影响 金属冷变形时可以产生加工硬化 强度 硬度增加 塑性降低 金属塑性变形时 可以使晶粒得到细化 冷变形使晶粒破碎 热变形使晶粒动态再结晶 塑性变形可以使位错密度增加 金属塑性变形时 可以产生变形织构 36 金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeformationinMetalProcessing 第一篇塑性变形力学基础 37 第1章应力分析与应变分析 1 1应力与点的应力状态 1 2点的应力状态分析 1 3应力张量的分解与几何表示 1 4应力平衡微分方程 1 5应变与位移关系方程 1 6点的应变状态 1 7应变增量 1 8应变速度张量 1 9主应变图与变形程度表示 38 1 1应力与点的应力状态 外力 Load 与内力 Internalforce 外力P 指施加在变形体上的外部载荷 可以分成表面力和体积力两大类 表面力即作用于工件表面的力 它有集中载荷和分布载荷之分 一般由加工设备和模具提供 体积力则是作用于工件每一质点上的力 如重力 磁力 惯性力等等 内力Q 内力是材料内部所受的力 它的产生来自于外界作用和物体内维持自身完整性的力 1 1 1应力 39 应力S是内力的集度内力和应力均为矢量应力的单位 1Pa 1N m2 1 0197Kgf mm21MPa 106N m2应力是某点A的坐标的函数 即受力体内不同点的应力不同 应力是某点A在坐标系中的方向余弦的函数 即同一点不同方位的截面上的应力是不同的 应力 Stress 应力是单位面积上的内力 见右图 其定义式为 Sn dQ dA 40 应力可以进行分解Sn n n n 法向 某截面 外法线方向为n 上的应力 或者 截面应力分解 41 一点的应力状态 是指通过变形体内某点的单元体所有截面上的应力的有无 大小 方向等情况 一点的应力状态的描述数值表达 x 50MPa xz 35MPa图示表达 在单元体的三个正交面上标出 如图1 2 张量表达 i j x y z 1 1 1一点的应力状态及应力张量 42 应力分量图示 43 应力的分量表示及正负符号的规定 ij xx xy xz yx yy yz zx zy zzi 应力作用面的外法线方向j 应力分量本身作用的方向当i j时为正应力 i j同号为正 拉应力 异号为负 压应力 当i j时为剪应力 i j同号为正 异号为负 44 应力的坐标变换 例题讲解 实际应用 晶体取向 织构分析等应力莫尔圆 二维应力莫尔圆与三维应力莫尔圆掌握如何画 如何分析 45 例题讲解 例 已知直角坐标下某点的应力分量 试求其圆柱坐标系下的应力分量表达式 解 1 应力转轴公式 46 x y z分别对应1 2 3 其中 于是有 例题讲解 47 例题讲解 其他各式依此类推 注意 在两坐标系之间夹角为已知时应用 48 例题讲解 由图可得 于是有方向系弦 即 2 圆柱坐标变换 49 例题讲解 代入转轴公式则有 50 例题讲解 讨论 若无特殊要求 解题到此为止 可利用三角函数进行简化 若要求公式中只出现x y z 不要 角 则可利用 51 例题讲解 对于平面应力问题 有则上式可写为两套坐标可互换 应力莫尔圆 应用 平面问题中的基本方程 轴对称问题的求解等 52 1 2点的应力状态分析 1 2 1主应力及应力张量不变量 1 2 2主剪应力和最大剪应力 1 2 3八面体应力与等效应力 53 1 2 1主应力及应力张量不变量 主应力 Principalstress 指作用面上无切应力时所对应的正应力 该作用面称作主平面 法线方向为主轴或主方向 设主应力为 当为主方向时 有 代入整理 有 求解lx ly lz的非零解 必有系数行列式值为零 最终可得 该面叫做主平面 法线方向为主方向 54 式中 I1 I2 I3称作应力张量的第一 二 三不变量 55 讨论 1 可以证明 在应力空间 主应力平面是存在的 2 三个主平面是相互正交的 3 三个主应力均为实根 不可能为虚根 4 应力特征方程的解是唯一的 5 对于给定的应力状态 应力不变量也具有唯一性 6 应力第一不变量I1反映变形体体积变形的剧烈程度 与塑性变形无关 I3也与塑性变形无关 I2与塑性变形无关 7 应力不变量不随坐标而改变 是点的确定性的判据 56 主应力的求解主应力的图示 57 1 2 2主切应力和最大剪切应力 主切应力 Principalshearstress 极值切应力 不为零 平面上作用的切应力 最大剪应力 Maximunshearstress 通常规定 则有最大剪应力 或者 其中 且有 主应力空间的 110 面族 58 1 2 3八面体应力与等效应力 在主应力空间中 每一卦限中均有一组与三个坐标轴成等倾角的平面 八个卦限共有八组 构成正八面体面 八面体表面上的应力为八面体应力 正应力 剪应力 总应力 八面体上的正应力与塑性变形无关 剪应力与塑性变形有关 八面体应力 59 八面体应力的求解思路 关键 60 等效应力 为了使不同应力状态具有可比性 定义了等效应力 e Effectivestress 也称相当应力 应变能相同的条件下 或 公式 61 1 等效的实质 是 弹性 应变能等效 相当于 2 什么与什么等效 复杂应力状态 二维和三维 与简单应力状态 一维 等效 3 如何等效 等效公式 注意 等效应力是标量 没有作用面 4 等效的意义 屈服的判别 变形能的计算 简化问题的分析等 讨论 62 1 3应力张量的分解与几何表示 塑性变形时体积变化为零 只有形状变化 因此 可以把 ij Stresstensor 分解成与体积变化有关的量和形状变化有关的量 前者称为应力球张量 Sphericalstresstensor 后者称为应力偏张量 Deviatoricstresstensor 设 m为平均应力 则有 按照应力叠加原理 ij具有可分解性 因此有 式中 当i j时 ij 1 当i j时 ij 0 63 即 上式第一项为应力偏张量 其主轴方向与原应力张量相同 第二项为应力球张量 其任何方向都是主方向 且主应力相同 值得一提的是 m ij只影响体积变化 不影响形状变化 但它关系到材料塑性的充分发挥 三向压应力有利于材料塑性的发挥 64 应力偏张量仍然是一个二阶对称张量 同样有三个不变量 分别为 表明应力偏张量已不含平均应力成分 与屈服准则有关 反映了变形的类型 0表示广义拉伸变形 0表示广义剪切变形 0表示广义压缩变形 65 讨论 分解的依据 静水压力实验证实 静水压力不会引起变形体形状的改变 只会引起体积改变 即对塑性条件无影响 为引出形状改变的偏应力张量 为引出体积改变的球张量 静水压力 66 1 4应力平衡微分方程 应力平衡微分方程就是物体任意无限相邻两点间 ij关系 可以通过微体沿坐标轴力平衡来得到 一般应力平衡方程在不同坐标系下有不同的表达式 直角坐标下的应力平衡微分方程 简记作 67 推导原理 静力平衡条件 静力矩平衡条件 泰勒级数展开 68 圆柱坐标下的应力平衡微分方程球坐标下的应力平衡微分方程 69 1 5应变与位移关系方程 1 5 1几何方程 物体变形时 内部各质点都在运动 质点在不同时刻所走的距离称作位移 Displacement 而变形则是指两点间距的变化 这种变化有绝对变形与相对变形之分 应变 Strain 属相对变形 它是由位移引起的 研究变形通常从小变形着手 小变形是指数量级不超过10 3 10 2的弹塑性变形 大变形可以划分成若干小变形 由小变形叠加而来 70 直角坐标系下几何方程 71 柱坐标系下几何方程 72 球坐标系下几何方程 73 1 物理意义 表示位移与应变之间的关系 2 位移包含变形体内质点相对位移产生的应变和变形体的刚性位移 平动和转动 3 工程剪应变 理论剪应变 讨论 74 4 应变符号规定 正应变或线应变 伸长为正 缩短为负 剪应变或切应变 夹角减小为正 增大为负 5 推导中应用到小变形假设 连续性假设及泰勒级数展开等 75 1 5 2变形连续方程 如已知一点的应变 要根据几何方程确定其三个位移分量时 六个应变分量应有一定的关系 才能保证物体的连续性 这种关系为变形连续方程或协调方程 从几何方程可导出以下二组变形连续方程 76 变形连续方程 77 讨论 1 物理意义 表示各应变分量之间的相互关系 连续协调 即变形体在变形过程中不开裂 不堆积 2 应变协调方程说明 同一平面上的三个应变分量中有两个确定 则第三个也就能确定 在三维空间内三个切应变分量如果确定 则正应变分量也就可以确定 3 如果已知位移分量 则按几何方程求得的应变分量自然满足协调方程 若是按其它方法求得的应变分量 则必须校验其是否满足连续性条件 78 1 6点的应变状态 i j x y z 点的应变状态 指过某一点任意方向上的正应变与切应变的有无情况 可用该点截取的无限小单元体的各棱长及棱间夹角的变化来表示 表示成张量形式 79 1 7应变增量 全量应变与增量应变的概念前面所讨论的应变是反映单元体在某一变形过程终了时的变形大小 称作全量应变 而增量应变则是指变形过程中某一极短阶段的无限小应变 其度量基准不是原始尺寸 而是变形过程中某一瞬间的尺寸 增量应变张量 80 1 8应变速度张量 设某一瞬间起dt时间内 产生位移增量dUi 则应有dUi Vidt 其中Vi为相应位移速度 代入增量应变张量 有 令即为应变速率张量 81 1 9主应变图与变形程度表示 主变形图是定性判断塑性变形类型的图示方法 主变形图只可能有三种形式 82 变形体内一点的主应力图与主应变图结合构成变形力学图 它形象地反映了该点主应力 主应变有无和方向 主应力图有9种可能 塑性变形主应变有3种可能 二者组合 则有27种可能的变形力学图 但单拉 单压应力状态只可能分别对应一种变形图 所以实际变形力学图应该只有23种组合方式 变形力学图 83 84 变形程度表示 绝对变形量 指工件变形前后主轴方向上尺寸的变化量相对变形 指绝对变形量与原始尺寸的比值 常称为形变率真实变形量 即变形前后尺寸比值的自然对数 85 应力应变分析的相似性与差异性 相似性 张量表示 张量分析 张量关系相似 86 概念 应力 研究面元ds上力的集度应变 研究线元dl的变化情况内部关系 应力 应力平衡微分方程应变 应变连续 协调 方程弹性变形 相容方程塑性变形 体积不变条件 差异性 87 泊松比 等效应力 弹性变形和塑性变形表达式相同等效应变 弹性变形和塑性变形表达式不相同对于弹性变形 对于塑性变形 等效关系 88 小结 1 应力分析外力 内力 应力概念 点的应力状态概念 描述方法与性质 斜面应力的确定 应力张量定义 应力不变量 主应力图 应力张量分解 应力平衡微分方程 89 2 应变分析位移 位移增量 应变 几何方程 点的应变状态概念 描述方法 任意方向上应变的确定 应变张量与不变量 特殊应变 应变张量分解 应变协调方程概念与意义 塑性变形体积不变 变形力学图 应变速度张量定义 意义 应变增量定义 意义 全量应变与增量应变关系 90 应力状态概念任意斜面上应力公式张量分解平衡方程几何方程 本章重点 91 第2章金属塑性变形的物性方程 2 1金属塑性变形过程和力学特点 2 2塑性条件方程 2 3塑性应力应变关系 本构关系 2 4变形抗力曲线与加工硬化 2 5影响变形抗力的因素 92 2 1金属塑性变形过程和力学特点 93 94 基本假设 材料为均匀连续 且各向同性 体积变化为弹性的 塑性变形时体积不变 静水压力不影响塑性变形 只引起体积弹性变化 不考虑时间因素 认为变形为准静态 不考虑Bauschinger效应 95 2 2塑性条件方程 屈服准则又称塑性条件 Plasticconditions 或屈服条件 Yieldconditions 它是描述不同应力状态下变形体某点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须满足的力学条件 用屈服函数 Yieldfunction 表示 96 Tresca屈服准则 最大剪应力准则 Mises屈服准则回忆 97 比较两屈服准则的区别 1 物理含义不同 Tresca 最大剪应力达到极限值KMises 畸变能达到某极限 2 表达式不同 3 几何表达不同 Tresca准则 在主应力空间中为一垂直 平面的正六棱柱 Mises准则 在主应力空间中为一垂直于 平面的圆柱 平面 在主应力坐标系中 过原点并垂直于等倾线的平面 98 比较两屈服准则的区别 99 两准则的联系 1 空间几何表达 Mises圆柱外接于Tresca六棱柱 在 平面上两准则有六点重合 2 通过引入罗德参数和中间主应力影响系数 可以将两准则写成相同的形式 其中称为中间主应力影响系数称为Lode参数 100 讨论 当材料受单向应力时 1 两准则重合 在纯剪应力作用下 两准则差别最大 按Tresca准则 按Mises准则 一般情况下 1 1 154 101 2 3塑性应力应变关系 本构关系 几种简化模型 simplifiedmodelsforplasticstress strain 102 增量理论 d 为一正的瞬时参数 等效应力 等效塑性应变增量主应力状态下 增量理论与全量理论 103 增量理论的假设 1 材料是刚塑性体 2 材料符合Mises塑性条件 3 塑性变形时体积不变 4 应变增量主轴与与偏应力主轴重合 5 104 全量理论 或 若已知应变变化历史 即知道加载路径 则这个路径可以积分得出应力与应变全量之间的关系 建立全量理论或形变理论 尤其是简单加载下 把增量理论中的增量符号 d 取消即可 在简单加载条件不成立的情况下全量理论是不能使用的 但由于全量理论解题的方便性 在简单加载条件不成立的情况下 也经常使用全量理论求解 105 例题讲解 例 求之比 满足塑性条件 106 解 对 A 有所以有 107 对 B 有所以有 108 对 C 有所以有 109 2 4变形抗力曲线与加工硬化 变形抗力曲线与等效应力应变曲线等效应力 等效应变曲线与数学模型根据不同的曲线 可以划分为以下若干种类型 幂函数强化模型 线性强化模型 线性刚塑性强化模型 理想塑性模型 理想刚塑性模型等效应力的确定 非稳态变形时等效应力的求法 稳态变形时等效应力的求法 110 等效应力的确定 在塑性加工力学的分析中 简单起见 总是假设材料为理想塑性体 但实际材料总是有加工硬化 适当地考虑加工硬化 可以近似地应用理想塑性体的分析结果 111 1 稳态变形时等效应力的求法 稳态变形特点是变形区大小 形状 应力与应变分布不随时间而变 如板带轧制 管棒挤压与拉拔等 但变形区内各点的应力与应变不一样 则等效应力的取法有以下二种 1 2 经处理后 可以应用理想塑性体的分析结果 112 2 非稳态变形时等效应力的求法 视变形为均匀变形 得到平均等效应的值 然后查材料的曲线 找到与相对应的作为平均等效应力 这样就可以把问题当作理想塑性问题来处理 113 2 5影响变形抗力的因素 化学成份的影响变形温度的影响变形程度的影响变形速度的影响 接触摩擦的影响应力状态的影响组织结构的影响 114 化学成分的影响 化学成分对变形抗力的影响非常复杂 一般情况下 对于各种纯金属 因原子之间相互作用不同 变形抗力也不同 同一种金属纯度愈高 变形抗力愈小 组织状态不同 抗力值也有差异 如退火态与加工态 抗力明显不同 115 合金元素对变形抗力的影响 主要取决于合金元素的原子与基体原子间相互作用特性 原子体积的大小以及合金原子在基体中的分布情况 合金元素引起基体点阵崎变程度愈大 变形抗力也越大 化学成分的影响 116 变形温度的影响 由于温度升高 金属原子间的结合力降低了 金属滑移的临界切应力降低 几乎所有金属与合金的变形抗力都随温度升高而降低 但是对于那些随温度变化产生物理 化学变化和相变的金属与合金 则存在例外 117 变形程度的影响 无论在室温或高温条件下 只要回复和再结晶过程来不及进行 则随着变形程度的增加必然产生加工硬化 使变形抗力增大 通常变形程度在30 以下时 变形抗力增加显著 当变形程度较大时 变形抗力增加缓慢 这是因为变形程度的进一步增加 晶格崎变能增加 促进了回复与再结晶过程的发生与发展 也使变形热效应增加 118 变形速度的影响 变形速度的提高 单位时间内的发热率增加 有利于软化的产生 使变形抗力降低 另一方面 提高变形速度缩短了变形时间 塑性变形时位错运动的发生与发展不足 使变形抗力增加 一般情况下 随着变形速度的增大 金属和合金的抗力提高 但提高的程度与变形温度密切相关 冷变形时 变形速度的提高 使抗力有所增加 或者说抗力对速度不是非常敏感 而在热变形时 变形速度的提高 会引起抗力明显波动 即抗力对速度敏感 119 接触摩擦的影响 实际变形抗力还受接触摩擦影响 一般摩擦力愈大 实际变形抗力愈大 实际上摩擦的存在使应力状态发生变化 三向压应力更大 导致变形抗力增大 120 应力状态的影响 变形抗力是一个与应力状态有关的量 例如 假设棒材挤压与拉拔的变形量一样 但变形力肯定不一样 从主应力图与主应变图上可知 挤压力为 拉拔抗力也为 由Tresca屈服准则 或 121 不难看出 挤压变形抗力在叠加一同号压应力之后 变的更负 即绝对值增加 而拉拔变形抗力 1在叠加一异号压应力之后 有所减小 即绝对值减小 再如 平面应变压缩的抗力为 单向压缩的抗力为 而纯剪的变形抗力为K 它们均不相同 因此 不同的应力状态 变形抗力必不相同 应力状态的影响 1 122 组织结构的影响 晶粒大小结构变化单组织和多组织 123 晶粒大小 金属和合金的晶粒愈细 同一体积内的晶界愈多 在室温下由于晶界强度高于晶内 所以金属和合金的变形抗力就高 124 结构变化 金属和合金的性质取决于结构 即取决于原子间的结合方式和原子在空间排布情况 当原子的排布方式发生变化时 即发生了相变 则抗力也会发生一定的变化 125 单组织和多组织 当合金为单相组织时 单相固溶体中合金元素含量愈高 变形抗力则愈高 这是晶格崎变的后果 当合金为多相组织时 第二相的性质 大小 形状 数量与分布状况对变形抗力都有影响 一般而言 硬而脆的第二相在基本相晶粒内呈颗粒状弥散分布 合金的抗力就高 第二相越细 分布越均匀 数量越多 则变形抗力越高 126 小结 本章中讨论了金属塑性变形过程和力学特点 塑性条件方程 塑性变形的应力应变关系 变形抗力曲线与加工硬化以及影响变形抗力的因素 我们需要重点掌握塑性变形过程和力学特点 塑性变形方程 塑性变形的应力应变关系 变形抗力曲线与加工硬化 127 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 128 本章重点 不均匀变形的基本概念变形不均匀的原因及对塑性加工的影响消除残余应力的措施断裂的基本类型生产实际中的断裂分析 129 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 130 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 131 最小周边法则 存在接触面摩擦时 物体各质点向周边流动的阻力与质点离周边的距离成正比 因而必然向周边最短法线流动 周边形状表现为最小的圆形 132 实际应用分析 133 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 134 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 135 136 137 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 138 139 140 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 141 142 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 143 外端的概念 变形体的外端是指在变形过程中某一瞬间不直接承受工具的作用而处于变形区以外的部分 称为外端或刚端 144 145 146 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 147 148 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 149 3 3不均匀变形 附加应力和残余应力 150 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 151 均匀变形与不均匀变形的概念 均匀变形 变形区某体积内金属各质点的变形状态相同 就称为均匀变形 否则就叫不均匀变形 均匀变形的特点 1 平面与直线2 圆与球体3 相似单元体 152 均匀变形必需满足的条件 变形体物理性质均匀且各向同性各点物理状态完全相同 温度 抗力 硬化情况等 各点的绝对变形量和相对变形量相同变形完全没有外端的作用接触表面没外縻擦或縻擦阻力 153 不均匀变形的典型现象 高向单鼓形或双鼓形接触表出现粘着区 滑动区 侧翻区变形体整个体积可分为难变形区 易变形区 自由变形区 154 3 3 2研究变形分布的方法 金属塑性加工中 研究变形物体内变形分布 即金属流动 的方法很多 常用的方法有 网格法 硬度法 比较晶粒法 155 156 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 157 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 工作应力图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图 均匀变形时基本应力图与工作应力图相同 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 158 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 159 附加应力对塑性变形产生的不良后果 1 引起变形体的应力状态发生变化 使应力分布更不均匀 2 造成物体的破坏 3 使材料变形抗力提高和塑性降低 4 使产品质量降低 5 使生产操作复杂化 6 形成残余应力 160 161 162 163 3 3 4残余应力 1 残余应力的来源2 变形条件对残余应力的影响3 残余应力所引起的后果4 减小或消除残余应力的措施5 研究残余应力的主要方法 164 残余应力的来源 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 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 165 166 变形条件对残余应力的影响 变形温度的影响变形速度的影响变形程度的影响 167 残余应力所引起的后果 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 168 减小或消除残余应力的措施 热处理方法机械处理法零件彼此碰撞喷丸法表面压平表面拉制在模子中表面校形或精压 169 170 171 研究残余应力的主要方法 机械法化学法X射线法 172 图3 30棒材中心钻孔测残余应力 图3 31变形与钻孔横断面积关系 机械法 173 化学法 174 X射线法 在X射线法中可包括有劳埃法和德拜法 在劳埃法中可根据干扰斑点形状的变化来定性地确定残余应力 图3 34示出 当无残余应力存在时 各干扰斑点呈点状分布 有残余应力时 各干扰斑点伸长 呈 星芒 状 用德拜法可以定量地测出所存在的残余应力 第一种残余应力可根据德拜图上衍射线条位置的变化来确定 第二种和第三种残余应力可根据衍射线条的宽度变化和强度的变化来确定 175 176 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 177 3 4 1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点 镦粗时组合件的变形特点 将试件在平锤间进行镦粗至一定的变形程度 从外形上来看 试件出现鼓形和侧面翻平现象 178 基本应力的分布特点 沿x轴在接触表面上的分布是从边缘向中心由零开始逐渐增大 因为越接近中心 摩擦力的阻碍作用越显著 沿y轴的分布规律同沿x轴的分布 沿z轴在侧表面上为零 在试件内部 从接触表面向对称层逐渐减小 179 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 180 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 181 1 当 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 182 183 2 当L H平 0 5 1 0时 如图3 42所示 这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如图5所示 184 185 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 宽展常用绝对值表示 B b B 其中B是轧件轧前的宽度 b是轧件轧后的宽度 186 轧制时 影响宽展量大小的三点因素 1 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 2 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 3 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 187 188 3 平辊轧制时 第一类附加应力的分布特点 因为平辊轧制时变形区内金属质点的流动速度在高向上的分布如图3 41所示 那么必然会产生如图3 44所表示的付应力 在后滑区 表面层金属质点的运动速度大于中心层 故中心层给表面层以附加压应力 而表面层给中心层以附加拉应力 在前滑区 轧件表面层的质点流动速度小于中心层 所以中心层对表面层产生附加拉应力 而表面层对中心层产生附加压应力 189 190 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从应力与变形的角度来说 可以把挤压过程分成填充和挤压两个基本阶段 191 二 棒材挤压时的金属流动规律 塑性变形区内 应力状态有压缩应力状态和延伸应力状态之分 区 称为延伸变形区 区 称为压缩变形区 区的金属首先是轴向压缩 径向延伸 当它们流入 区后再转为轴向延伸径向压缩 区 内 虽然 z和 T差值很小 但是由于切应力很大 也将进入塑性变形状态 只是以剪变形为主 称之为切变区 区 是未变形区 随着挤压过程的进行 其范围不断缩小 区 是 死区 其形成原因与墩粗时难变形区形成原因一致 192 193 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 图3 48 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 图3 48 194 195 3 4 4棒材拉伸时金属的流动规律 一 棒材拉伸时的基本应力状态在变形区内从入口端到出口端逐渐增大 从入口端到出口端必然是逐渐减小 同理也可分析出的变化趋势 沿径向上 基本应力的变化情况是 轴向拉应力由边缘部分向中间部分逐渐增加 并且中心层的拉伸应力达到最大值 径向压应力和周向压应力它们由边缘部分向中心层是逐渐减小的 196 二 棒材拉伸时金属流动规律中心层的金属产生了轴向上的延伸 径向上的压缩 周边层的格子除了受到轴向的拉长 径向和周向的压缩外 还发生了剪变形 棒材的中心层金属质点流动速度比周边层快 197 三 棒材拉拔时的附加应力 由于拉拔时金属在变形区内中心层和周边部分流动速度的不一致 必然会引起附加应力 中心层的金属在变形区内流动的快 而周边层流动的速度慢 其结果形成了中心层对周边部分作用以轴向附加拉应力 周边部分对中心层作用以轴向附加压应力 198 棒材拉拔产生附加应力的不利影响 表面层承受的轴向附加拉应力 是棒材拉伸时产生横向周期裂纹的根源 周向承受的附加拉应力则是产生纵向裂纹的主要原因 对于某些塑性较低的合金来说 拉伸后形成的残余应力如果不能及时消除 经过一定时间后棒材就会产生裂纹 199 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 200 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 201 202 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 203 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 204 205 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 206 207 2 锻造时的内部裂纹 208 209 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 210 211 二 轧制时的断裂 1 轧制时的表面开裂 212 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 213 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 61 214 215 为避免此种断裂现象的发生 可增加l h值如图3 62所示 随着的增加 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 216 三 挤压和拉拔时的断裂 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 217 218 219 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 220 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 221 222 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 223 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 224 225 226 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