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塑性变形过程中金属流动方向研究进展学 生 姓 名： 学 号：学生所在院（系）： 第1章 绪 论1.1 最小阻力定律 金属塑性加工时，质点的流动规律可以应用最小阻力定律分析。最小阻力定律可表述为：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1。可见，它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。最小阻力定律实际上是质点流动的普遍原理，它可以定性地用来分析金属质点的流动方向。它把外界条件和金属流动直接联系起来。很直观，使用方便。在塑性加工中，既可用最小阻力定律定性地分析各种情况下的金属流动，又可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。例如，在模锻中增加飞边阻力，或修磨圆角r，可减少金属流向上模腔的阻力，使金属充填得更好；在拔长锻造时改变送进比或采用凹型钻座增加金属横向流动阻力，以提高延伸效率。当接触表面存在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦粗时的流动。因为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，因此，离周边的距离愈近，阻力愈小，金属质点必然沿这个方向流动。这个方向恰好是周边的最短法线方向，用点划线将矩形分成两个三角形和两个梯形，形成了四个不同流动区域。点划线是四区域的流动分界线，线上各点至边界的距离相等，各个区域内的质点到各自边界的法线距离最短2。这样流动的结果，矩形断面将变成双点划线所示的多边形。继续镦粗，断面的周边将逐渐变成椭圆形。此后，各质点将沿着半径方向流动，相同面积的任何形状，圆形的周边最小。因而，最小阻力定律在镦粗中也称最小周边法则，最终变成圆形。金属塑性变形过程应满足体积不变条件，根据体积不变条件和最小阻力定律，便可以大体确定出塑性成形时的金属流动规律。有时还可用来选择坯料的断面和尺寸、加工工具的形状和尺寸等。如压下量、辊经相同的条件下，坯料宽度不同的轧制情况是不同的。但与整个接触面上所有质点相比，第一种情况向宽向流动质点所占比例比第二种大，故窄板宽展比宽板的宽展率大。又如在压下量相同而轧辊直径不同的条件下，当轧制宽度相同的轧件时，则可预计大辊轧制时的宽展大。精轧时，为了控制宽展一般多采用工作辊较小的轧机轧制。可见，最小阻力定律在塑性加工工艺分析中得到广泛的应用。但是，最小阻力定律的“阻力”概念描述不够明确，无法作深入的数学力学分析；精确的流动计算则需用塑性有限元法进行模拟计算3。1.2影响金属塑性流动和变形的因素影响金属塑性流动和变形的主要因素有：接触面上的外摩擦、变形区的几何因素、变形物体与工具的形状、变形温度及金属本身性质等。这些内外因素的单独作用，或几个因素的交互影响，都可使流动和变形很不均匀4。1.2.1摩擦的影响在工具和变形金属之间的接触面上必然存在摩擦。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。圆柱体镦粗时，由于接触面上有摩擦存在，在接触表面附近金属流动困难，圆柱形坯料转变成鼓形。在此情况下，可将变形金属整个体积大致分为三个区：区表示由外摩擦影响而产生的难变形区；区表示与作用力成45角的最有利方位的易变形区；区表示变形程度居于中间的自由变形区5。外摩擦不仅影响变形，而且使接触面上的应力（或单位压力）分布不均匀，沿试样边缘的应力等于金属的屈服极限，从边缘到中心部分，应力逐渐升高。此情形可从带孔的玻璃锤头镦粗塑料的实验看出。另外，沿物体高度方向由接触面至变形体的中部，应力的分布是逐渐减小的，这是因外摩擦的影响逐渐减弱所致。1.2.2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，下面用经典滑移锥理论定性解释。钢球对板料进行压缩时，随着变形程度的增加，从试样断面上所观察的内部质点滑移变形（即所谓滑移带）的发生与扩展情况。根据金属塑性屈服准则，滑移带为一些正交的网线，开始时与作用力成45，随着压下量的增大而逐渐向深里扩充。图中表明45方向上滑移带最多，变形最大。当在平行的平锤间塑压圆柱体时，可以接触表面为底作一个高度为底边尺寸一半的等腰直角三角形，这个锥体称为基本锥或主锤，它的两个边与作用力呈45角。塑压时柱体首先在主锥附近产生塑性变形，因为45剪应力最大，最易滑移。随着变形的继续，在主锥内外都可能产生滑移。主锥内的内部线因为发生在靠近接触表面处的难变形区附近，这个区静水压力高，产生变形所需能量多，即需压力大；主锥外的外部线虽发生在静水压较小的易变形区内，但要向外，向深处扩充时，因距离增加也需足够多的能量。所以随着变形程度的增加，内部线、外部线皆能发生，谁占优势，则依上下两主锥间距离而定6。1.2.3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。在圆形砧或V型砧中拔长圆断面坯料时，工具的侧面压力使金属沿横向流动受到很大的阻碍，被压下的金属大量沿轴向流动，这就使拔长效率大大提高。当采用凸形砧时，则产生相反的结果，金属易于横向流动。叉形件模锻时金属被劈料台分开就属于这种流动方式7。方形断面轧件进入椭圆（或圆形）孔型的轧制，其宽向上所承受的压下量不一致，致使沿轧件宽向上延伸的分布也不均匀，常易造成轧件的歪扭和扭结。1.2.4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。在自由锻造中，除镦粗外的其他变形工序，工具只与坯料的一部分接触，变形是分段逐步进行的，因此，变形区金属的流动是受到外端的制约的。坯料拔长，由于外端影响而区别于自由镦粗。在拔长时，变形区金属的横向流动受到外端金属的阻碍，在其他条件相同的情况下，横向流动的金属量比自由镦粗时少，变形情况与自由镦粗情况相比也有差异。例如当送进长度L与宽度a之比（即进料比，L/a）等于1时，拔长时沿横向流动的金属量小于轴向的流动量，即ae。而自由镦粗时，L/a=1的水平断面为方形，由最小阻力定律知，沿横向和轴向流动的金属量应该相等8。外端对变形区金属流动产生影响，同时也对与其相邻的外端金属发生作用，并可能引起外端金属产生变形，甚至引起工件开裂。在金属塑性成形中，塑性变形区和不变形的外端之间的相互作用是一个带有普遍性的问题，其影响也是比较复杂的，必须针对具体的变形过程和特点进行分析。1.2.5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。这样，在同一外力的作用下，高温部分变形量大，低温部分变形量小。而变形物体是一整体，限制了物体各部分不均匀变形的自由发展，从而产生相互平衡的附加应力9。此外，在变形体内因温度不同所产生热膨胀的不同而引起的热应力，与由不均匀变形所引起的附加应力相叠加后，有时会加强应力的不均匀分布，甚至会引起变形物体的断裂。在热轧中常见到轧件轧出后会出现上翘或下翘现象，产生此现象原因之一就是轧件的温度不均所造成的。例如，轧件在加热炉中加热时由于下面加热不足，轧件上面温度高于下面温度，这样，在轧制时钢坯的上层压下率大，产生的延伸就大，下层压下率小，延伸也就小。结果轧出轧件向下弯曲。在实验室内模拟此现象，常采用轧制铝钢双层金属的办法。由于铝的变形抗力低于钢，在轧制时铝比钢产生更大的延伸。所以轧出后，轧件向钢的一面弯曲10。第2章 BCC金属流动行为研究进展2.1 BCC单晶体的滑移滑移是由大量位错移动而导致晶体的一部分相对另一部分,沿着一定晶面和晶向作相对的移动,这就是晶体塑性变形的滑移机制。滑移变形是不均匀的,常集中在一部分晶面上,而处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移。滑移带本身的发展过程是首先出现细滑移线,后来才发展成带。而滑移面与滑移方向大致是最密排和最密排方向, 因为该方向所具有的Peierls力最小。BCC金属滑移要克服的主要阻力是Peierls-Nabarro应力11。相对滑移来说,对于结晶体中攀移现象,从以上讨论知道只有刃型位错才可发生攀移运动,即位错在垂直于滑移面的方向上运动。其实质是构成刃型位错的多余半原子面的扩大或缩小,它是通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。通常把半原子面向上运动称为正攀移,向下运动称为负攀移。在BCC金属单晶体的塑性变形中,BCC单晶体的剪切应力应变曲线常常有三个不同的工作硬化区域。在初始高硬化阶段(第0阶段),位错仅在几个滑移系统活动。在第一阶段,工作硬化率几乎降到0值,这时主滑移系统工作并且滑移仅发生在一个滑移系统,它不与次级滑移系统相互干扰。在第二阶段位错开始在次级滑移系统上移动,引起工作硬化率升高,但工作硬化率的斜率是常量。在第三阶段,随应变增加工作硬化率下降,这可能是交滑移的缘故,交滑移的产生可以避免在主滑移系上的障碍作用。结晶体中由孪生引起的滑移是一个相互对抗和作用的过程。当滑移过程非常困难时,孪生就会展开。孪生的形成受螺型位错迁移率影响,而迁移率与温度有关,这样在低温下使得滑移向孪生转变变得容易。当在低温和高应变率下变形时,大多数BCC金属会经受沿方向在112面上的孪生过程12。2.2 多晶体的塑性变形多晶体与单晶体最明显的差别是多晶体具有晶界。晶界的存在使得多晶体与单晶体在塑性变形机制方面有很大的不同。多晶体在塑性变形方面具有以下方面的特性:(1) 多晶体中晶界的阻滞效应和取向差效应晶界阻滞效应:90%以上的晶界是大角度晶界,大角度晶界定义为相邻晶界的位相差大于15,这种晶界的结构复杂,大角度晶界由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排列较整齐的区域交替相间而成,这种晶界本身使滑移受阻而不易直接传到相邻晶粒。取向差效应：多晶体中,不同位向晶粒的滑移系取向不相同,滑移不能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。(2) 多晶体金属塑性变形所具有的特点13在多晶体中,各晶粒变形存在着不同时性和不均匀性。各晶粒变形要达到相互协调,需要五个以上的独立滑移系同时动作。由于晶界阻滞效应及取向差效应,变形从某个晶粒开始以后,不可能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒之中,但多晶体作为一个连续的整体,每个晶粒处于其它晶粒的包围之中,不允许各个晶粒在任一滑移系中自由变形,否则必将造成晶界开裂,为使每一晶粒与邻近晶粒产生协调变形,晶粒应至少能在五个独立的滑移系上进行滑移。在金属的塑性变形中,FCC金属和BCC金属能容易满足五个以上独立滑移系的条件,所以其塑性通常较好;而HCP金属独立滑移系少,塑性通常不好。在多晶体中,如果滑移要传递,则必须激发相邻晶粒的位错源。相对单晶体金属,多晶体的变形抗力比单晶休大,变形更不均匀。由于晶界阻滞效应及取向差效应,使多晶体的变形抗力比单晶体大,其中,取向差效应是多晶体加工硬化更主要的原因,一般说来,晶界阻滞效应只在变形早期较重要。塑性变形中流动应力的差异,HCP系的多晶体金属与单晶体比较,前者具有明显的晶界阻滞效应和极高的加工硬化率,而在立方晶系金属中,多晶和单晶试样的应力一应变曲线就没有那么大的差别。第3章 几种典型的塑性变形金属流动方向研究3.1 平板压缩金属流动方向研究研究金属的流动问题时,应当首先从分析金属的塑性变形出发。一点的流动方向不仅与该点的应力应变状态有关,而且相邻金属对其也有较大的影响。金属质点的流动方向取决于变形体内部的应力场13。矩形毛坯镦粗时,在1-m平面上,金属质点主要沿最大主应力(代数值)的方向或者说,金属质点主要向最大主应力增大(代数值)的方向流动外流,但与最大主应力方向有一定偏离(即a0),其偏离的程度与中间主应力的相对大小和相邻金属的影响有关14。由于金属的流动方向不仅取决于某一点本身的应力状态和应力顺序,而且还主要取决于相邻金属的应力状态和应力顺序15。在实际的变形工序中,由于各种因素的影响,其应力场是不均匀的,但除了个别的情况外,应力场是连续的,因此对复杂的应力场我们应按应力应变顺序是否相同,分区进行研究。在每个区域内金属流动虽然有差异,但主要流动方向是大致相近的,这样分区,对定性分析工艺问题是完全可行的16。3.2 镁合金旋成型金属流动方向研究具体分析挤旋变形机理。挤旋变形过程中金属流动总是发生在与挤旋轮接触处的很小的变形范围内，挤旋变形过程中的金属流动情况与塑性成形原理中的金属体积不变条件和最小阻力定律完全吻合25。挤旋轮附近的金属在受到三向应力的情况下会同时向三个受力方向流动17。(1)金属受径向力的作用朝着径向流动 挤旋轮的圆弧结构会使径向力分解出轴向的分力，使金属在轴向分力作用下向如图所示的内筋部位流动24。由于径向作用力是挤旋过程中的主要作用力之一，所以挤旋轮结构设计巧妙地完成了力的方向的转化，这样就有利于内筋的成形18。 (2)金属受轴向力作用向轴向流动 轴向力一直处于复杂的波动状态，轴向力很小并不是挤旋过程中的主要力。本文模具装置设计成全封闭形式限制了金属在轴向力作用下的轴向流动，目的也是想让金属朝形成内筋的方向流动19。(3)金属受切向力沿切向流动 数值模拟受力分析知道金属受到的切向力也是挤旋过程中的主要力，切向力是挤旋成形过程中的破坏力。切向力的存在容易使金属都向挤旋轮前方流动，随着挤旋过程的进行会产生轮前堆料缺陷，挤旋轮前堆料会使挤旋力骤然增大，不仅损坏挤旋模具装置而且会产生堆料折叠的筒形件废品20。通过以上叙述挤旋工艺的研究实质就是研究挤旋过程中金属的流动规律。使金属向着有利于工件成形的方向流动，阻止金属向不利于工件成形的方向流动23。对于带内环筋筒形件挤旋成形过程我们总是相让金属向着形成内筋的方向流动。金属的径向和轴向流动都会直接或间接地对内筋成形产生影响，金属的切向流动不利于内筋的成形而且会使挤旋成形产生废品21。我们研究本课题的目的就是增加径向和轴向金属的流动，减少切向的金属流动22。3.3 液态模锻中金属流动方向研究初期时，液态金属注入模膛后,由于激冷迅即形成一敞口硬壳层。当上冲头下移接触液态金属自由表面,也迅即形成一硬壳层,把液态金属封闭在壳层里。此时, 制件侧壁由于收缩离开模膛壁,形成一间隙26。接着冲头施压,沿高度厚度不均的硬层受镦粗产生弯曲, 上部流动剧烈,下部最差。如果液态模锻初期金属塑性流动主要以封闭硬壳高向弯曲的话,那么一旦当间隙消除,金属塑性流动主要表现为高向减缩,填充凝固前沿因凝固收缩成的微形孔27。刚塑性区划分为塑性流动强区和弱区。假设凝固具有一温度区间,那么在凝固前沿存在一闭合曲面带为固一液区,这个闭合曲面带区宽度取决结晶区间大小,并随着凝固进行、不断向中心移动28。如果凝固带不存在孔隙,凝固区受到来自刚塑性区和中心液相区的压力,此时,金属塑性流动停止。一旦凝固带因凝固收缩产生枝晶间隙,液相区便卸压。因为液相区的压力是通过凝固区施加的，倘若出现空洞,传力区便成为脆性区29。刚塑性区金属发生向心的塑性流动,使凝固前沿向中心移动,此时凝固带体积缩小,中心液相区承受等静压,建立新的力学平衡。最后阶段塑性流动,即液相区消失,凝固带变为一个半径r的球体, 它也是以减缩高度,使刚塑性区发生塑性变形来实现孔洞的补缩30。刚塑性区金属流动。待凝固球体体积愈来愈小,刚塑性区不断发生塑性流动,脆性体不断密实,直至凝固结束。参考文献1 郭伟国，西北工业大学，BCC金属的塑性流动行为及其本构关系研究。2007年4月，博士学位论文2 郭伟国,刘风亮,苏静，西北工业大学，几种典型BCC金属的塑性流动特征及本构模型综述。航空工程进展，2010年5月第一卷第2期。3 Krauss G.Microstructures,processing,and properties of steelM.ASM Handbook,1990,1:126-139.4 Weertman J,Weertman J R.Elementary dislocation theoryM. Oxford University press,New York Oxford,1992:1-2135 Nakada y,Keh A S.Serration flow in Ni-C alloysJ.Acta Metallurgica, 1970,18:437-443.6 Beukel A V D,Kocks U F.The strain dependence of static and dynamic strain-agingJ.Acta Metallurgica,1982,30:1027-1034.7 Cho Sang-Hyun,Yoo Yeon-Chul,Jonas J J.Static and dynamic strain aging in 304 austenitic stainless steel at elevated temperatureJ.J.Mat.Sci.letters,2000,19:2019-2022.8 Nemat-Nasser S,Guo W G.Thermomechanical response of HSLA-65 steel plates:experiments and modeling.Mechanics of Materials,2005,37:379-4059 Liang R Q,Khan A S.A critical review of experimental results and constitutive models for BCC and FCC metals over a wide range of strain rates and temperaturesJ.International Journal of Plasticity,1999,15:963-980.10 Khan A S,Liang R Q.Behavior of three BCC metal over a wide range of strain rates and temperatures : experiments and modelingJ.International Journal of Plasticity,1999,15:1089-110911 Nemat-Nasser S,Guo W G.High strain-rate response of commercially pure vanadiumJ.Mechanics of Materials, 2000,32(4):243-260.12 钱匡武,李效琦,萧林钢,陈文哲,张好国,彭开萍.金属和合金中的动态应变时效现象J.福州大学学报(自然科学版),2001,29(6):8-2313 Cho Sang-Hyun,Yoo Yeon-Chul,Jonas J J.Static and dynamic strain aging in 304 austenitic stainless steel at elevated temperatureJ.J.ofMat.Sci.letters,2000,19:2019-2022.14 吕炎，王真，姜秋华，徐亦公，何旭明，平板压缩时金属