材料成形原理与工艺第13章金属塑性加工基础--流动与变形.pptx

材料成形原理与工艺之塑性成形篇 吴国清 1 塑性加工基础之流动与变形规律 第13章 2 塑性流动规律 最小阻力定律 影响金属塑性流动和变形的因素不均匀变形 附加应力和残余应力金属塑性加工的摩擦与润滑相似原理及塑性加工过程的物理模拟 内容 3 塑性流动规律 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 由于变形的整体性 延伸应变增量最大的方向与质点位移方向之间有时是不对应的 规律 4 相关法则 横断面为任意形状的棱柱体或圆柱体 在存在摩擦的条件下进行塑性镦粗时 将力图使断面的周界为最小 在极限情况下为一圆 最短法线法则 镦粗矩形柱体时 在垂直镦粗方向的任一剖面内的任一点 其移动方向是朝着与周边垂直的最短法线方向进行的 最小周边法则 规律 5 图开式模锻的金属流动 规律 6 影响金属塑性流动和变形的因素 摩擦的影响变形区的几何因素的影响工具的形状和坯料形状的影响外端的影响变形温度的影响金属性质不均的影响 影响因素 7 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 影响因素 8 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 影响因素 9 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 a 圆型砧b V型砧c 凸型砧图型钻中拔长 影响因素 10 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 图拔长时外端的影响 影响因素 11 图开式冲孔时的 拉缩 图弯曲变形对外端的影响 影响因素 12 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 影响因素 13 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 影响因素 14 不均匀变形 附加应力和残余应力 均匀变形与不均匀变形 研究变形分布的方法 基本应力与附加应力 残余应力 不均匀变形 15 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 均匀变形 不均匀变形 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 不均匀变形 16 研究变形分布的方法 网格法硬度法比较晶粒法 不均匀变形 17 图各种不同变形程度下镦粗圆柱体的不均匀变形 图冷镦粗铝合金后垂直断面上洛氏硬度变化 不均匀变形 网格法 硬度法 18 图压缩前后的BT16 19 基本应力与附加应力 在塑性变形过程中 变形金属内部除了存在着与外力相应的基本应力以外 还由于物体内各层的不均匀变形受到变形体整体性的限制 而引起变形金属内部各部分自相平衡的应力 称为附加应力 不均匀变形 20 图正挤压时速度不均匀引起的附加应力 图在凸形轧辊上轧制矩形坯产生的附加应力la 若边缘部分自成一体时轧制后的可能长度lb 若中间部分自成一体时轧制后的可能长度l 整个轧制后的实际长度 图相邻晶粒的变形 附加应力产生的主要原因 变形金属与模具之间存在着摩擦力各部分金属流动阻力不一致变形金属的组织结构不均匀模具工作部分的形状与尺寸不合理 不均匀变形 23 变形不均匀 变形量不等变形不同时 线应变大流动速度高 部位 附加应力分类 在变形体中 为了平衡几个大的部分之间由于不均匀变形而产生的附加应力 称为第一种附加应力 为了平衡两个或几个晶粒之间由于变形不均匀分布而产生的附加应力 称为第二种附加应力 为了平衡一个晶粒内部由于各部分之间的不均匀变形而产生的附加应力 称为第三种附加应力 不均匀变形 24 残余应力 引起塑性体变形的作用力取消以后 随之消失的仅是基本应力 附加应力不是由外力引起的 而是为了自身得到平衡引起的 因此 当外力取消以后 附加应力并不消失而残留在变形体内部 称为残余应力 不均匀变形 25 分类 第一类残余应力 宏观内应力 由整个物体变形不均匀引起 第二类残余应力 微观内应力 由晶粒变形不均匀引起 第三类残余应力 点阵畸变 由位错 空分类位等引起 80 90 残余应力 约占变形功的10 26 附加应力和残余应力的危害性 1 缩短挤压件的使用寿命 若使具有残余应力的挤压件承受载荷 则其内部作用的应力为外力引起的基本应力与残余应力之和 因此易于产生变形或开裂 从而缩短使用寿命 2 引起挤压件尺寸及形状的变化 在挤压件内部作用着相互平衡的残余应力 表明各部分存在符号不同的弹性变形和晶格畸变 当残余应力消失或平衡受到破坏后 相应的物体各部分的弹性变形也发生了变化 从而引起物体尺寸或形状的改变 3 降低金属的耐蚀性 当挤压件表层具有残余应力时 会降低其耐蚀性 此外 残余应力还会使金属的塑性 冲击韧性及疲劳强度等降低 不均匀变形 27 防止和消除附加应力和残余应力的方法 1 减少摩擦阻力的影响 2 合理设计模具工作部分的结构和尺寸 3 尽可能采用组织均匀的金属变形 4 挤压后采用有效的热处理方法以消除残余应力第一种残余应力用低温回火方法就可大为减小 第二种残余应力采用将挤压件加热到稍低于再结晶温度下可以完全消除 第三种残余应力 只有经过再结晶才能消除 不均匀变形 28 金属塑性加工的摩擦与润滑 摩擦与润滑 29 伴随有变形金属的塑性流动各处摩擦力方向可能不同接触面上压强高真实接触面积大不断有新的摩擦面产生常在高温下发生摩擦 摩擦与润滑 特点 30 改变物体应力状态 使变形力和能耗增加引起工件变形与应力分布不均匀恶化工件表面质量 加速模具磨损 降低工具寿命 摩擦与润滑 摩擦的不利方面 31 用增大摩擦改善咬入条件 强化轧制过程 增大冲头与板片间的摩擦 强化工艺 减少起皱和撕裂等造成的废品 摩擦与润滑 摩擦的利用 32 摩擦系数及其影响因素 摩擦系数随金属性质 工艺条件 表面状态 单位压力及所采用润滑剂的种类与性能等而不同 其主要影响因素有 1 金属的种类和化学成分2 工具材料及其表面状态3 接触面上的单位压力4 变形温度5 变形速度6 润滑剂 摩擦与润滑 33 测定摩擦系数的方法 夹钳轧制法楔形件压缩法塑性加工常用摩擦系数圆环镦粗法 摩擦与润滑 34 塑性加工的工艺润滑 工艺润滑的目的及润滑机理润滑的目的减少工模具磨损 延长工具使用寿命提高制品质量降低金属变形时的能耗润滑机理流体力学原理吸附机制 摩擦与润滑 35 润滑剂的选择 在选择及配制润滑剂时 必符合下列要求 1 润滑剂应有良好的耐压性能 在高压作用下 润滑膜仍能吸附在接触表面上 保持良好的润滑状态 2 润滑剂应有良好耐高温性能 在热加工时 润滑剂应不分解 不变质 3 润滑剂有冷却模具的作用 4 润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用 5 润滑剂应对人体无毒 不污染环境 6 润滑剂要求使用 清理方便 来源丰富 价格便宜等 1 塑性成形中对润滑剂的要求 摩擦与润滑 36 液体润滑剂 矿物油 动植物油 乳液等固体润滑剂 石墨 二硫化钼 肥皂等液 固型润滑剂熔体润滑剂 2 常用的润滑剂 摩擦与润滑 37 相似原理及塑性加工过程的物理模拟 同一材料几何相似的物体在相似的条件实现相同的塑性变形过程 所需