金属塑性变形与轧制原理

,课程名称金属塑性变形与轧制原理课时数64适用班级材料081/材料082授课教师孙斌使用时间2010-2011学年第2学期,绪论,0.1金属塑性成形及其特点金属压力加工：即金属塑性加工，对具有塑性的金属施加外力作用使其产生塑性变形，而不破坏其完整性，改变金属的形状、尺寸和性能获得所要求的产品的一种加工方法。金属成型方法分类：（1）减少质量的成型方法:车、刨、铣、磨、钻等切削加工；冲裁与剪切、气割与电切；蚀刻加工等。（2）增加质量的成型方法：铸造、焊接、烧结等。（3）质量保持不变的成型方法(金属塑性变形)：利用金属的塑性，对金属施加一定的外力作用使金属产生塑性变形，改变其形状尺寸和性能而获得所要求的产品的一种加工方法。如轧制、锻造、冲压、拉拔、挤压等金属压力加工方法。金属压力加工方法的优缺点：优点：1）因无废屑,可节约大量金属；2）改善金属内部组织及物理、机械性能；3）产量高，能量消耗少，成本低，适于大量生产。缺点：1）对要求形状复杂，尺寸精确，表面十分光洁的加工产品尚不及金属切削加工方法；2）仅用于生产具有塑性的金属；,0.2金属塑性成形方法的分类0.2.1按温度特征分类1.热加工：在充分再结晶温度以上的温度范围内所完成的加工过程，T=0.750.95T熔。2.冷加工：在不产生回复和再结晶温度以下进行的加工T=0.25T熔以下。3.温加工：介于冷热加工之间的温度进行的加工.0.2.2按受力和变形方式分类由压力的作用使金属产生变形的方式有锻造、轧制和挤压1.锻造：用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使金属进行塑性变形的过程。分类：自由锻造：即无模锻造，指金属在锻造过程的流动不受工具限制（摩擦力除外）的一种加工方法。模锻：锻造过程中的金属流动受模具内腔轮廓或模具内壁的严格控制的一种工艺方法。,2.轧制轧制：金属坯料通过旋转的轧辊缝隙进行塑性变形。分类：纵轧：金属在相互平行且旋转方向相反的轧辊缝隙间进行塑性变形，而金属的行进方向与轧辊轴线垂直。斜轧：金属在同向旋转且中心线相互成一定角度的轧辊缝隙间进行塑性变形。横轧：金属在同向旋转且中心线相互平行的轧辊缝隙间进行塑性变形。,3.挤压挤压：将金属放入挤压机的挤压筒内，以一端施加压力迫使金属从模孔中挤出，而得到所需形状的制品的加工方法。挤压分为正挤压和反挤压。正挤压时，挤压杆的运动方向和从模孔中挤出的金属方向一致；反挤压时挤压杆的运动方向和从模孔中挤出的金属方向相反。挤压法具有以下优点:具有比轧制、锻造更强的三向压缩应力，避免了拉应力的出现，金属可以发挥其最大的塑性，使脆性材料的塑性提高；挤压不仅能生产简单的管材和型材,更主要的还能生产形状极其复杂的管材和型材；生产上具有较大的灵活性，非常适用于小批量多品种的生产；产品尺寸精确,表面质量较高，精确度、粗糙度的表面特性都好于热轧和锻造产品。挤压法也有一些缺点:挤压方法所采用的设备较为复杂，生产率比轧制方法低；挤压的废料损失一般较大；工具的损耗较大；制品的组织和性能沿长度和断面上不够均匀一致。,4拉拔金属通过固定的具有一定形状的模孔中拉拔出来，从而使金属断面缩小长度增加的一种加工方法。拉拔法具有以下特点:拉拔方法可以生产长度较大、直径极小的产品,并且可以保证沿整个长度上横断面完全一致；拉拔制品形状和尺寸精确,表面质量好；拉拔制品的机械强度高；拉拔方法的缺点是每道加工率较小,拉拔道次较多，能量消耗较大。5冲压（拉延）压力机的冲头把板料顶入凹模中进行拉延，加工方法如图，用来生产薄壁空心制品，如子弹壳，各种仪表器件、器皿及锅碗盆勺等。,5冲压（拉延）压力机的冲头把板料顶入凹模中进行拉延，加工方法如图，用来生产薄壁空心制品，如子弹壳，各种仪表器件、器皿及锅碗盆勺等。,0.3金属塑性变形与轧制原理的基本内容1掌握塑性变形时金属流动和变形分布的基本规律，分析影响金属塑性和变形抗力的各种因素，以寻求最优和加工条件，获得尺寸精度高、性能优良的产品。2研究金属塑性成形过程中的摩擦与润滑，以便正确选用塑性成形时的摩擦定律来计算变形力和变形功，采用合理的润滑剂改善塑性加工条件，达到高产低消耗的目的。3在研究加工变形中变形物体内部应力及变形分布的基础上，介绍了材料成形过程中应力应变的分布规律和确定变形力、变形功的主要方法（工程计算法、滑移线法、上限法、下限法、有限无法等）主要讨论了工程计算法求解锻造、轧制过程的变形力、变形功及轧制力矩等，以便正确选择压力加工设备和加工工具的结构和强度。4详细讲述了轧制过程的基本概念、金属在轧制过程中的变形律、连轧过程、轧制时的弹塑性曲线等基础理论。,1应力及变形理论本章主要研究以下几个问题:1.应力,应变概念;2.物体内各点应力分量和应变分量函数之间的关系;3.物体内的一点沿各个不同方向应力之间和应变之间的关系,即一点的应力状态和一点的应变状态的分析;4.塑性变形时,应力与应变之间的关系,标志进入塑性流动的应力条件即屈服条件或塑性方程等.1.1外力和应力外力:受力物体之外的物体施加给受力物体的力。外力可分为两类：接触力和体力。接触力分为作用力和约束反力。体力；作用在物体每个质点上的力，如重力磁力及惯性力。作用力：塑性加工设备的可动工具部分对工件所作用的力也叫主动力。约束反力：工件在主动力的作用下，其运动将受到工具所阻碍而产生变形的力。主要有正压力和摩擦力。内力：物体受外力作用产生变形时，内部各部分因相对位置改变而引起的相互作用力。分析内力用切面法。应力（全应力）：单位面积上的内力。全应力可分解成两个分量，正应力和剪应力,1.2直角坐标系中一点的应力状态应力状态：过一点所有不同方位的截面上的应力集合称为该点的应力状态。取六面体中三个相互垂直的表面作为微分面，如果这三个微分面上的应力为已知，则该单元体任意方向上的应力分量都可以定出。这就是说，可以用质点在三个相互垂直的微分面上的应力完整地描述该质点的应力状态。三个相互垂直微分面上的应力都可以按坐标轴的方向分成三个分量。三个应力分量中有一个是正应力分量另外两个则是剪应力分量ABCD面叫x面，CDEF面叫y面，CFGB面叫z面。每个应力分量的符号都带有两个下角标。第一个角标表示该应力分量的作用面，第二个角标则表示它的作用方向,按以上的规则，共需九个应力符号，三个正应力六个剪应力它们统称为一点的应力分量。对各应力分量的正负号按以下方法确定：在单元体上，外法线的指向与坐标轴的正向一致的微分面叫正面，反之称为负面。在正面上，应力分量指向坐标轴正向的取正号，指向负向的取负号。负面上的应力分量则相反，指向坐标轴负向的为正，反之为负。按此规定，正应力分量以拉为正，以压为负。,1.3应力平衡微分方程在外力作用下处于平衡状态的变形物体内，各点的应力分量是不同的，但是必须满足应力平衡方程式。下面讨论平衡微分方程用直角坐标系表示。如果忽略体积力，则变形体内任意个体素必须满足以下六个静力平衡方程式：x=0,y=0,z=0Mx=0,My=0,Mz=0经整理则得以下方程组,1.4斜面上的应力现假定，已知物体内任意一点的六个应力分量,可以证明，过此点所作的任意斜切面上的应力，皆可通过这六个应力分量求出。也就是说，当已知一点上述六个应力分量时，该点的应力状态即可完全确定,作用在斜面上的合力,全应力S向斜面ABC法线N上投影，就是该面上的正应力，也等于全应力S的各分量SX、SY、SZ分别向N方向的投影之和：,斜面上的剪应力,1.5主应力和应力图示（1）主应力：没有剪应力的微分面称为过该点的主平面,主平面上的正应力称为主应力。主平面的法线方向称为该点应力主方向或应力主轴。对应于任一点的应力状态，一定存在相互垂直的三个主方向、三个主平面和三个主应力。若选三个相互垂直的主方向作为坐标轴，那么可以使问题大为简化。三个主应力用1、2、3表示。（2）主应力图示：表示一点的主应力大小和方向的应力状态图示。主应力图示有九种。四个为三向主应力图，三个为平面主应力图，二个单向主应力图示如下图,1.6主变形和主变形图示（1）主变形；主应力方向的变形,绝对主变形：压下量宽展量延伸量,相对主变形：相对压下量相对宽展量相对延伸量真实相对主变形：,三个主变形间的关系：,两边取对数：,结论：物体变形后其三个真实相对主变形之代数和等于零；当三个主变形同时存在时，则其中之一在数值上等于另外两个主变形之和，且符号相反。,当一个主变形为0时，其余两个主变形数值相等符号相反，即,延伸系数压下系数宽展系数,变形图示：在小立方体素的面上用箭头表示三个主变形是否存在和方向，但不表示变形大小的图示。变形图示有以下三种：1.一向缩短两向伸长，如轧制和自由锻压。2.一向伸长一向缩短，如轧制宽板带钢。3.两向缩短一向伸长，如挤压和拉拔。,平均应力,1.7变形速度变形速度：变形程度对时间的变化率，或者说是应变对时间的变化率。,一般用最大主变形方向的变形速度来表示各种变形过程的变形速度。如轧制和锻压时用高向变形速度表示,锻压,轧制,拉伸,1.8球应力分量与偏差应力分量一般来说,物体的变形可以看作是体积变形和形状变形的总和.因此,一点的应力状态可分为两部分:1.体积变化的应力分量,称之为球应力分量或静水压力分量.2.物体几何形状变化的应力分量,称之为偏差应力分量.球应力分量仅引起物体体积变化,偏差应力分量引起物体形状变化.,1.9应力与应变的关系弹性变形时应力与应变的关系：由材料力学知,单向应力状态时的应力与应变关系是虎克定律,一般应力状态的各向同性材料,应力与应变关系服从广义虎克定律:,E弹性模量；G剪切模量，,塑性变形时应力与应变的关系：塑性变形时应力与应变之间关系是非线性的，不可恢复的，应力与应变之间没有一一对应关系，且与加载历史或应变路线有关。目前为止，所有描述塑性应力应变关系的理论可分为两大类：1塑性变形时应力与应变增量之间的关系增量理论；2塑性变形时全量应变和应力之间的关系全量理论。列维-米塞斯（Levy-Mises）方程,应变增量和偏差应力分量成正比关系，即：,塑性变形的全量理论：应力与应变全量之间的关系。,2金属塑性变形流动规律2.1金属塑性变形时的体积不变条件不论是冷加工或热加工,金属体积改变都是很小的,以致在塑性变形过程中可以忽略这些变化,而认为变形前后体积不发生变化.也变是说,金属塑性变形时,其变形前的体积V1和变形后的体积V2相等.这种关系称之为体积不变条件,用数学式表示为V1=V2金属或合金在外力的作用下，首先产生弹性变形，然后产生塑性变形。金属在弹性变形过程中，除发生形状改变外，体积也要发生改变，但改变甚小。例如钢试样拉伸时，当应力为19.6107Pa，体积改变仅为0.04%左右。金属塑性变形过程中体积也要发生一些改变，除弹性变形的存在外，还由于冷变形过程中晶粒破碎，亚结构的形成使金属密度减小，体积略有增加。实验证实其体积变化仅为0.1%0.2%。以镦粗为例分析变形程度的各种表示形式及其物理概念绝对主变形：,压下量宽展量延伸量,相对主变形：相对压下量相对宽展量相对延伸量,真实变形程度：在变形过程中,如原始尺寸H经过无穷多个中间数值变成h,则由H到h的终了变形程度可看作是各阶段相对变形的总和:,真变形与一般的相对变形相比较具有以下特点:1.一般的相对变形表示方法不能确切地反映变形的实际情况,变形程度愈大,误差也愈大.2.真变形具有可加性,而一般相对变形无可加生3.真变形为可比变形,相对变形为不可比变形.4.根据体积不变条件,轧制时变形前后的体积应相等.5.真变形可以表示相对的位移体积.,2.2金属流动及最小阻力定律2.2.1最小阻力定律最小阻力定律认为:如果变形物体内各质点有向各个方向流动的可能,则变形物体内每个质点将沿力最小方向移动。2.2.2均匀变形和不均匀变形变形区内各金属质点处的变形状态相同,不仅是在变形区高度方向上,而且在横断面内的两个互相垂直方向上的变形都是均匀的，称为均匀变形。均匀变形有如下特点：1变形前彼此平行的直线和平面，变形后仍保持平行；2变形前位于同一圆面上或球面上的各点，变形后仍落于同一椭圆面上或同一球面上。要实现均匀变形状态必须满足以下条件；1变形物体的等向性；2.变形物体内任意质点处物理状态完全彻底均匀，特别是物体内任意质点处的温度相同，变形抗力相等；3接触表面任意质点承受相同的绝对和相对压下量；4整个变形物体同时处于工具的直接作用下；5接触表面上完全没有外摩擦或没有外摩擦引起的应力变化。,二、基本应力、附加应力、工作应力、残余应力（1）基本应力由外力作用所引起的应力叫做基本应力。表示这种应力分布的图形叫基本应力图。（2）附加应力由于物体内各层的不均匀变形受到物体整体性的限制，而引起其间相互平衡的应力叫做附加应力。,(3）工作应力基本应力与附加应力的代数和即为工作应力。1)当附加应力等于零时，则基本应力等于工作应力2)当附加应力与基本应力同号时，则工作应力的绝对值大于基本应力的；3)当附加应力与基本应力异号时，则工作应力的绝对值小于基本应力的。,(4）残余应力：塑性变形结束后附加应力仍残留在变形物体中时，这种应力即称之为残余应力。,2.3变形及应力不均匀分布的原因和后果2.3.1引起变形及应力不均匀分布的原因引起变形及应力不均匀分布的原因主要有接触面上的外摩擦，变形区的几何形状和尺寸，工具和变形体的轮廓形状，变形物体的外端，变形体内温度不均匀分布、金属本身性质的不均匀：化学成分及性质不均等等。下面分别讨论这些因素对变形及应力分布的影响。,2.3.1.1接触面的外摩擦镦粗圆柱体时，由于接触表面外摩擦的影响，使接触表面附近变形金属流动困难，使圆柱体坯料转变成鼓形。在此种情况下，可将变形金属整个体积大致分为三个区域，图中表示由于摩擦影响而产生的难变形区；表示与外作用力约成45的最有利方位的易变形区；表示变形程度居于中间的自由变形区。由于不均匀变形的结果，在区及区内产生附加拉应力，在区内的附加拉应力一般说来没有危险，因为在该区内主要是三向压应力状态图示。,图5-2镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响,在区由于附加拉应力作用，使应力状态图示发生了变化：环向（切向）出现拉应力，并且越靠近外层越大；径向压应力减弱，并且越靠近外层越小。镦粗有时在侧面出现裂纹，即为此环向拉应力作用的结果。由于外摩擦的影响，也使接触表面上的应力分布不均匀；沿试样边部的应力等于金属的屈服点；由边缘向中心部分，应力逐渐升高。,图5-3切向附加拉应力引起的纵裂纹,2.3.1.2变形区的几何因素在镦粗试件时：当H/d2.0，即压缩低件时，将产生单鼓的不均匀变形；当H/d2.0，即压缩高件时，将产生双鼓的不均匀变形。,图5-4当镦粗高件时不同区域的变形分布情况,2.3.1.3工件和工具的轮廓形状加工工具和物体的轮廓形状，其影响实质是造成某方向上所经受的变形量不一致，从而使物体内的变形与应力分布不均匀。例1：椭圆孔型中轧制矩形件例2：当轧辊轴线安装不平行时，若轧制窄扁钢，若轧制宽带钢时，会出现什么现象？例3：把一块矩形铅板两边向里弯折，然后在平辊上轧制。根据弯折部分的宽度不同轧后会出现什么结果？,第一种结果是中部出现破裂。第二种结果是折迭部分宽度逐渐变小，使得中间受的拉应力减小，两边受的压应力增加，但拉应力未引起金属破裂，近似为等强度。第三种结果是边图5-7边部在附加压应力作用下产生皱纹（浪形）示意图缘部分产生皱纹（浪形）。,图5-7边部在附加压应力作用下产生皱纹（浪形）示意图,图5-6中部周期性破裂,图5-5沿孔型宽度上延伸分布图,2.3.1.4变形体温度分布不均匀例：在轧钢生产中，由于加热不足而造成钢坯的上面温度高，下面温度低现象。,图5-8由于上部金属比下部金属延伸大而造成的弯曲现象,2.3.1.5变形物体的外端的影响变形物体的外端，是指在变形过程中某一瞬间不直接承受工具作用而处于变形区以外的部分。外端又称外区或刚端。外端的强迫拉齐作用，使纵向变形不均匀性减小。横向变形不均匀性增加。矩形坯在平辊间轧制后，其长度上两端部分宽展特别大，且端部略为凸出。2.3.1.5金属本身性质的不均匀金属的化学成分、组织结构（晶粒大小、方位等）、夹杂物等分布不均匀时，都促使变形体内应力及变形分布不均匀。,2.3.2变形及应力不均匀分布所引起的后果及克服措施一、变形及应力不均匀分布的后果（1）使单位变形力增大（2）使塑性降低（3）使产品质量降低（4）工具磨损不均匀，操作技术复杂二、减轻应力及变形不均匀分布的措施（1）正确选定变形的温度-速度制度（2）减少金属表面上的外摩擦（3）合理设计加工工具形状（4）尽可能保证变形金属的成分及组织均匀2.4残余应力残余应力是变形物体由于变形分布不均匀产生附加应力，变形结束后残留在变形物中的内应力称之为残余应力。一、残余应力所引起的后果（1）使物体发生不均匀的塑性变形（2）缩短了零件的使用寿命（3）物体的尺寸、形状发生变化（4）降低金属的机械性能和耐蚀性二、减轻或消除残余应力的措施（1）变形后进行热处理（2）变形后进行机械处理,3金属在塑性加工变形中组织性能的变化3.1在冷加工变形中组织性能的变化一、金属组织的变化1、晶粒被拉长在冷变形中，随着金属外形的改变，其内部晶粒的形状也大体上发生相应的变化，即均沿最大主变形方向被拉长、拉细或压扁，如图3-1。在晶粒被拉长的同时，晶间夹杂物和第二相也跟着被拉长或拉碎呈点链状排列，这种组织称为纤维组织。变形程度越大，纤维组织越明显。由于纤维组织的存在，使变形金属的横向（垂直于延伸方向）机械性能降低，而呈现各向异性。,图3-1冷轧前后晶粒形状变化（a）变形前的退火状态组织；（b）变形后的冷轧变形组织,图3-2塑性变形时的亚结构,2、亚结构亚结构是指金属经过冷变形后，其各个晶粒被分割成许多单个的小区域，如图3-2。,3、变形织构（1）定义：由原来位向紊乱的晶粒到出现有序化，并有严格位向关系的组织结构，称为变形织构。（2）种类：按照坯料或产品的外形可分为丝织构和板织构。1）丝织构在拉拔和挤压条件下形成的织构称为丝织构。特点：各晶粒有一共同晶向相互平行，并与拉伸轴线一致，以此晶向来表示丝织构。如图3-3所示。2）板织构在轧制过程中形成的织构称为板织构。特点：晶面与轧制面平行，晶向又与轧制方向一致（见图3-3）。,（a）（b）图3-3多晶体晶粒的排列情况（a）晶粒的紊乱排列；（b）晶粒的整齐排列,二、金属性能的变化1.机械性能的改变金属的变形抗力指标随变形程度的增加而升高，金属的塑性指标随变形程度的增加而降低。2、物理及物理-化学性质的变化（1）金属的密度降低（2）金属的导电性降低（或电阻增大）（3）导热性降低（4）化学稳定性降低（5）金属与合金经冷变形后所出现的纤维组织及结构，皆会使变形后的金属与合金产生各向异性，即材料的不同方向上具有不同的性能。,3.2在热加工变形中对组织与性能的影响一、热加工的变形特点在一定的条件下，热加工变形较其冷加工方法，具有一系列的优点：（1）变形抗力低（2）塑性升高，产生断裂的倾向性减少（3）不易产生织构（4）生产周期短（5）组织与性能基本满足要求不足之处：（1）生产细或薄的产品时较困难（2）产品表面质量差（3）组织与性能的不均匀（4）产品的强度不高（5）金属的消耗较大（6）对含有低熔点的合金不宜加工二、金属组织性能的变化（1）使铸态组织中的缩孔、疏松、空隙、气泡等缺陷得到压密和焊合。（2）使晶粒细化和夹杂物破碎。（3）形成纤维组织。（4）产生带状组织。,3.3回复与再结晶一、静态回复与静态再结晶1、静态回复依靠变形金属所具有的热量，使其原子运动的动能增加，而恢复到稳定位置上去。由于回复的结果，部分地恢复了由变形所改变的力学、物理及物理-化学性质，如电阻大部分得到恢复，强度和硬度等力学性能部分地恢复。2、静态再结晶将经过冷变形的金属加热到再结晶温度以上，新的晶粒在基体内形核并长大，直到冷变形晶粒完全消除为止，这个过程叫做再结晶。再结晶完全消除了加工硬化所引起的一切后果：使拉长的晶粒变成等轴形；消除了由晶粒拉长所形成的纤维组织及与其有关的方向性，消除在回复后尚遗留在物体内的第二种和第三种残余应力，使势能降低；消除了某些晶内和晶间破坏；加强了变形的扩散机制的进行；使金属化学成分的分布更为均匀；恢复了金属的力学性能(变形抗力降低，塑性升高)和物理、物理化学性质。二、动态回复与动态再结晶1、动态回复金属在热变形中发生的一种软化过程，是通过位错的攀移、交滑移和位错从结点的脱钉来实现。在动态回复过程中在变形金属内出现亚晶。亚晶的出现标志着已经发生了动态回复。2、动态再结晶金属在热变形中发生的一种软化过程，其软化作用远大于动态回复。变形初期随着变形程度的增大，应力升高，并达到最大值。超过此最大值后，变形程度再增大时，应力开始下降，最后达到稳定值或在稳定值附近上下呈周期性波动。这时在最大应力值附近开始出现动态再结晶。,3.4在温加工变形中对组织与性能的影响温加工是指在回复温度以上，再结晶开始温度以下进行的加工。采用的温轧、温锻、温挤和温拉均属温加工。一般，温加工制品的表面光洁度和尺寸精度要比热加工时高，轧辊、锻模、按压模和拉模等变形工具的使用寿命要比热加工时长。温加工时金属的变形抗力比冷加工时低，能量消耗比冷加工时少，金属的塑性一般要比冷加工时大。温加工不仅具有冷加工和热加工的某些特点，而且在加工中也有其自身的作用。在生产实践中采用温加工的目的主要有二：一是改善金属材料的加工性能；二是改善产品的使用性能。,4金属塑性成形过程摩擦与润滑4.1金属塑性成形时外摩擦4.1.1外摩擦的定义及特点两相互接触的物体在产生相对移动或有运动趋势时,产生的彼此相互阻碍现象叫摩擦。1塑性成形时的摩擦与机械摩擦相比特点如下：(1)工具与工件接触面上的单位压力比机械摩擦时大得多。(2)接触表面温度较高。(3)接触表面不断更新和扩大。(4)作为摩擦对的工具与工件性质差别大。2塑性加工中的摩擦作用摩擦引起的不良后果如下：（1）引起变形和能耗增加。（2）摩擦引起变形不均匀及许多不良后果。（3）引起工具磨损，缩短工具寿命，降低产品表面质量和尺寸精度，工具消耗也大。某些情况下，摩擦也起着有益作用：例如：轧制时增加摩擦可改善轧辊咬入轧件的条件以增大每道压下量。,4.1.2金属塑性成形时外摩擦的分类塑性成形时的摩擦根据其特点可分为干摩擦、边界摩擦和流体润滑摩擦三种，分述如下：4.1.2.1干摩擦机构干摩擦是指金属与工具之间不存任何外来介质或薄膜，只是金属间的接触。但在实际生产中，这种绝对理想的干摩擦是不存在的。因为金属塑性加工过程中，其表面多少存在氧化膜，或吸附一些气体和灰尘等其它介质。但通常说的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。干摩擦理论有以下三种主要理论：如机械摩擦理论、粘着摩擦理论和分子机械摩擦理论。1机械摩擦理论摩擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成正比例，与摩擦表面的大小无关；2粘着摩擦理论当两表面相接触时，在载荷作用下，某些接触点的单位压力很大，这些点将牢固的粘着，使两表面形成一体即称为粘着或冷焊。当一表面相对另一表面滑动时，粘着点则被剪断，而剪断这些连接的力就是摩擦力。3分子-机械摩擦理论该理论认为，摩擦是一个混合的过程，它既要克服分子相互作用力，又要克服机械变形阻力。发生在接触部分总的阻力就是我们测得的摩擦力。,L,4.1.2.2边界摩擦机构这是一种介于干摩擦与流体摩擦之间的摩擦状态，称为边界摩擦,边界摩擦是坯料与模具表面间存在润滑剂时，随着变形接触面上压力的增加，坯料表面的“峰顶”被压平一部分，将润滑剂挤入凹坑中，保留了很薄的一层润滑膜或者这层膜被挤掉，出现了粘模现象。这种摩擦状态称为边界摩。4.1.2.3流体摩擦机构当金属与工具表面之间完全被润滑剂隔开，摩擦发生在流体内部分子之间者称为流体摩擦。它不同于干摩擦，摩擦力的大小与接触面的表面状态无关，而是与流体的粘度、速度梯度等因素有关。因而流体摩擦的摩擦系数是很小的。塑性加工中接触面上压力和温度较高，使润滑剂常易挤出或被烧掉，所以流体摩擦只在有条件的情况下发生和作用。,图4-1接角面的放大模型图,4.2影响外摩擦系数的主要因素一、工具材料和表面状态工具表面状态是影响摩擦系数的一个重要因素。工具表面粗糙度小，表面凸凹不平愈小，这时被加工金属表面“犁削”的现象愈少，因此摩擦系数也愈小。二、金属化学成分的影响不同种类和化学成分的金属、合金，在相同的变形条件下，它们的摩擦系亦不相同。例如，用光钢压头在常温下压缩时，低碳钢的摩擦系数为0.17，铝的摩擦系数为0.18，黄铜的摩擦系数为0.10等。三、变形温度的影响高温变形条件下，由于表面生成的氧化层性质、厚度等不同，因此对摩擦系数的影响也不同。其次，温度提高金属强度降低，硬度减小，也使摩擦系数减小。润滑剂性质也发生变化。四、润滑剂1.固体与熔体润滑剂在接触表面用液体不能形成很厚的润滑层以及加工温度较高时由于油的分解、蒸发、燃烧和失去粘度的情况下，使用固体和熔体润滑剂。（1）固体润滑剂一般说来凡剪切强度比工件金属小的任何物质，原则上都可以作为固体润滑剂。（2）熔体润滑剂钢铁材料及一些合金，在热锻和热挤压过程常用玻璃作为润滑剂。2.液体润滑剂（1）优点：价格便宜；易涂布；破裂的润滑膜易修复；对工具有冷却作用；制品表面光整等。（2）分类：矿物润滑油；动植物润滑油；合成润滑油。五、变形速度对摩擦系数的影响许多实验结果表明；随接触面相对运动速度增加，摩擦系数下降。六、接触面上的单位压力单位压力较小时，表面分子吸附作用不明显，摩擦系数与正压力无关，当单位压力增加到一定数值后摩擦系数随压力增加而增加。,4.3轧制时的摩擦系数一、摩擦系数的测定方法1.最大咬入角法：按轧件开始接触轧辊时轧辊对轧件的力平衡条件可导出最大咬入角max的正切等于开始咬入时的摩擦系数fb。fb=tanmax，才可咬入。这样，只要确定出刚好开始咬入时极限状态下的咬入角max，就可求出fb,2.轧件强迫制动法在轧件后端作用一制动力Q，强迫轧件在转动的轧辊间停下来，在开始打滑瞬间测定制动力Q和轧制力P。,3.圆环镦粗法,二、估算摩擦系数的方法1.热轧时的摩擦系数,艾克隆德公式式中K1轧辊材质影响系数，对于钢轧辊=1.0，铸铁轧辊=0.8；K2轧制速度影响系数，可按实验曲线图4-7确定；K3轧件材质影响系数，可据表4-4所列的实验数据选取；t轧制温度（7001200之间适用）。2.冷轧时的摩擦系数,式中K润滑剂的种类与质量的影响系数，v轧制速度，米秒。,5金属的塑性和变形抗力5.1金属塑性和变形抗力的概念5.1.1金属塑性的概念及测定方法所谓塑性，是指金属在外力作用下，能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力。金属塑性的大小，用金属在断裂前产生的最大变形程度来表示。它表示塑性加工时金属塑性变形的限度，叫“塑性极限”或“塑性指标”。塑性指标可以借助于各种实验方法来测定，如拉伸，镦粗和冷、热扭转等试验方法。注意：不能把塑性和柔软性混淆起来。柔软性反映金属的软硬程度，它用变形抗力的大小来衡量，表示变形的难易。不要认为：变形抗力小的金属塑性就好，或是变形抗力大的金属塑性就差。例如：室温下奥氏体不锈钢的塑性很好，能经受很大的变形而不破坏，但它的变形抗力却非常大；过热和过烧的金属与合金，其塑性很小，甚至完全失去塑性变形的能力，而变形抗力也很小；室温下的铅，塑性很高而变形抗力又小。3.1.2.1金属塑性的测定方法1、塑性指标表示金属与合金塑性变形性能的主要指标有：1）拉伸试验时延伸率（）与断面收缩率（）2）扭转试验的扭转周数。3）冲击试验时的冲击韧性4）锻造及轧制时刚出现裂纹瞬间的相对压下量5）深冲试验时的压进深度，损坏前的弯折次数。,2、金属塑性的测定方法测定金属塑性的方法最常用的有机械性能试验方法和模拟试验法两大类。（1）机械性能试验法1）拉伸试验：是在材料试验机上进行的。在拉伸试验中可以确定延伸率和断面收缩率%两个塑性指标，这两个指标越高，说明金属的塑性越好。2）扭转试验：是在专用的扭转试验机上进行的。试验时，将圆柱形试样的一端固定，另一端扭转，用破断前扭转的转数（n）表示塑性的大小。3）冲击弯曲试验。冲击韧性值ak不完全是一种塑性指标，它是弯曲变形抗力和试样弯曲挠度的综合指标。当s变化不大或有所降低而ak值显著增大，这表明是由塑性急剧增高而引起的；而在而ak值较高的温度范围内s值很高，则不能证明在此度范围内塑性最好。,（2）模拟试验法1）顶锻试验：也称镦粗试验是将圆柱形试样在压力机或落锤上镦粗，把试样侧面出现第一条可见裂纹时的变形量，作为塑性指标即,式中H试样的原始高度，mm。h试样的变形后高度，mm。2）楔形轧制试验是一种在平辊上将楔形试样轧成扁平带状。轧后观察、测量首先出现裂纹处的变形量(h/H），此变形量就表示塑性大小。另一种方法是在偏心辊上将矩形轧件轧成楔形。根据厚度变化的楔形件最初出现裂纹处的变形量h/H来确定其塑性大小。3、塑性图（1）定义塑性指标与变形温度关系的曲线图，称之为塑性图。（图5-2）（2）用途1）由热拉伸、热扭转等机械性能试验法测绘的塑性图，可确定变形温度范围；2）由顶锻和楔形轧制的塑性图，不仅可以确定变形温度范围，还可以分别确定自由锻造和轧制时的许用最大变形量。,5.2影响塑性的因素及提高塑性的途径影响塑性的因素大致可分三个方面：1.金属的自然性质2.变形的温度速度条件3.变形的力学条件一、金属的自然性质对塑性的影响1、组织状态的影响（1）纯金属有最好的塑性（2）单相组织（纯金属或固溶体）比多相组织塑性好（3）晶粒细化有利于提高金属的塑性（4）化合物杂质呈球状分布对塑性较好；呈片状、网状分布在晶界上时，使金属的塑性下降（5）经过热加工后的金属比铸态金属的塑性高2、化学成分的影响（1）铁、硫、锰化学纯铁具有很高的塑性，工业纯铁在900左右时，塑性突然下降。硫是钢中有害杂质，易产生“红脆”现象锰可提高钢的塑性，但锰钢对过热的敏感性强，在加热过程中晶粒容易粗大，使钢的塑性降低。（2）碳碳在碳钢中含碳量越高，塑性越差，热加工温度范围越窄。当C0.5%时，对塑性不利，Si2.0%时,钢的塑性降低，Si4.5%时，在冷状态下塑性很差。铝对钢的塑性有害。（7）磷钢中P11.5%时，在热加工范围内对塑性影响不大。在冷状态下，磷使钢的强度增加塑性降低，产生“冷脆”现象。（8）铅、锡、砷、锑、铋钢中五大有害元素，它们在加热时熔化，使金属失去塑性。（9）氧、氮、氢氧能使钢的塑性降低，氮也会使钢的塑性变差，氢对钢的塑性无明显的影响。（10）稀土元素适当加入一些，能使钢的塑性得到改善。3、铸造组织的影响铸坯的塑性低、性能不均匀。造成原因：（1）铸态材料的密度较低，因为在接近铸锭的头部和轴心部分，分布有宏观和微观的孔隙，沸腾钢钢锭有皮下气泡。（2）用一般方法熔炼的钢锭，经常发现有害杂质（如硫、磷等）的很大偏析，特别是在铸锭的头部和轴心部分。（3）对于大钢锭，枝晶偏析会有较大的发展。（4）在双相和多相的钢与合金中，第二相组织成粗大的夹杂物，常常分布在晶粒边界上。,图5-3温度对碳素钢塑性的影响,二、变形温度速度对塑性的影响1、变形温度的影响一般是随着温度的升高，塑性增加。但并不是直线上升的。现以温度对碳钢塑性的影响的一般规律分析说明：1区位于100200之间，塑性增加是由于在冷变形时原子动能增加的缘故-热振动。2区位于700800之间，由于有再结晶和扩散过程发生，这两个过程对塑性都有好的作用。3区位于9501250的范围内，在此区域中没有相变，钢的组织是均匀一致的奥氏体。热轧时应尽可能地使变形在3区温度范围内进行，而冷加工的温度则应为1区。,2、变形速度的影响区，即变形速度小于临界变形速度，该区随变形速度的增加，塑性是随之下降的。区，是在大于临界变形速度的情况下，随变形速度的增加，塑性是增加的。,图5-4变形速度对塑性的影响,三、变形力学条件对塑性的影响1、应力状态的影响在进行压力加工的应力状态中，压应力个数越多，数值越大（即静水压力越大），金属塑性越高。三向压应力状态图最好，两压一拉次之，三向拉应力最坏。其影响原因归纳如下：（1）三向压应力状态能遏止晶间相对移动，使晶间变形困难。（2）三向压应力状态能促使由塑性变形和其它原因而破坏了的晶内和晶间联系得到修复。（3）三向压应力状态能完全或局部地消除变形体内数量很少的某些夹杂物甚至液相对塑性不良的影响；（4）三向压应力状态可以完全抵消或大大降低由不均匀变形而引起的附加拉力，使附加拉应力所造成的破坏作用减轻。2、变形状态的影响主变形图中压缩分量越多，对充分发挥金属的塑性越有利。两向压缩一向延伸的变形图最好，一向压缩一向延伸次之，两向延伸一向压缩的主变形图最差。,四、其他因素对塑性的影响1、不连续变形的影响当热变形时，不连续变形可提高金属的塑性。2、尺寸（体积）因素的影响随着物体体积的增大塑性有所降低，但降低一定程度后，体积再增加其影响减小。五、提高塑性的途径提高塑性的主要途径有以下几个方面：（1）控制金属的化学成份，改善组织结构。（2）采用合适的变形温度-速度制度。（3）选用三向压应力较强的变形过程。（4）尽量造成均匀的变形过程。（5）避免加热和加工时周围介质的不良影响。,5.3变形抗力概念一、基本概念抵抗变形力的力称为变形抗力。金属或合金的变形抗力通常以单向应力状态（单向拉伸、单向压缩）下所测得的屈服极限s来度量。但是金属塑性加工过程都是复杂的应力状态，对于同一种金属材料来说，其变形抗力值一般要比单向应力状态时大得多。二、测定方法（1）拉伸法,使用圆柱试样，认为在拉伸过程中在试样出现细颈前，在其标距内工作部分的应力状态为均匀分布的单向拉应力状态。这时，所测出的拉应力便为变形物体在此变形条件下的变形抗力。此时变形物体的真实变形应力为：,特点：测量精确，方法简单，但变形程度不应大于20%30%。,（2）压缩法,变形程度为：由此所测得得变形抗力为：,特点：能允许式样具有比拉伸更大的变形，但完全保证试样处于单向压应力状态较困难。一般取H/D22.5三、变形抗力的确定要计算金属塑性变形过程中所需的外力，必须知道变形抗力的值。确定方法：先在变形的热力参数为某一种等值的条件下求出金属的变形抗力，并将它作为基础值。然后再用热力参数修正系数来修正此基础值。,5.4影响变形抗力的因素5.4.1金属化学成分和显微组织的影响不同的金属材料具有不同的变形抗力，同一种金属材料在不同的变形温度、变形程度下，变形抗力也不同。前者是金属材料本身的属性,称之为影响金属变形抗力的内因;而后者则是属于变形过程的工艺条件(变形温度,变形速度变形程度和应力状态)及其它外部条件对变形抗力的影响,常称为影响金属变形抗力的外因。例如铅的变形抗力比钢的变形抗力低得多，铅的屈服极限为1.6kgf/mm2碳素结构钢0.8F为18kgf/mm2，1、化学成分的影响碳在较低的温度下随着钢中含碳量的增加，钢的变形抗力升高。一般钢中增加0.1的碳可使钢的强度极限提高68kgf/mm2。温度升高时其影响减弱。如图5-1,图3-1在不同变形温度和变形速度下含碳量对碳钢变形抗力的影响（实线为静压缩，虚线为动压缩）,1,（2）锰由于钢中含锰量的增多，可使钢成为中锰钢和高锰钢。其中中锰结构钢（15Mn50Mn）的变形抗力稍高于具有相同含碳量的碳钢，而高锰钢（Mnl2）有更高的变形抗力。（3）硅钢中含硅对塑性变形抗力有明显的影响。用硅使钢合金化时，可使钢的变形抗力有较大的提高。（4）铬对含铬量为0.71.0的铬钢来讲，影响其变形抗力的主要不是铬，而是钢中的含碳量，这些钢的变形抗力仅比具有相应含碳量的碳钢高510。对高碳铬钢，其变形抗力高于碳钢。高铬钢在高速下变形时，其变形抗力大为提高。（5）镍镍在钢中可使变形抗力提高。2、显微组织的影响（1）晶粒越细小，变形抗力越大；（2）单相组织比多相组织的变形抗力要低；（3）晶粒体积相同时，晶粒细长者较等轴晶粒结构的变形抗力为大；（4）晶粒尺寸不均匀时，又较均匀晶粒结构时为大；（5）在一般情况下，夹杂物会使变形抗力升高；（6）钢中有第二相时，变形抗力也会相应提高。,5.4.2变形温度的影响在加热及轧制过程中，温度对钢的变形抗力影响非常大。随着钢的加热温度的升高，变形抗力降低。钢的变形抗力和温度的关系如下：温度升高，金属变形抗力降低的原因有以下几个方面：（1）发生了回复与再结晶（2）金属原子热振动的振幅增大，原子间的键力减弱，金属原子之间的结合力降低。临界剪应力降低（3）金属的组织结构发生变化（4）随温度的升高，新的塑性变形机制参与作用。5.4.3变形速度的影响在热变形时，通常随变形速度的提高变形抗力提高。关于变形速度对变形抗力的影响的物理本质研究还不够。强化-恢复理论认为，塑性变形过程中，变形金属内有两个相反的过程：强化过程和软化过程同时存在。如图5-2所示。,图5-2变形速度对碳钢变形抗力的影响压下率：,-50；,-10；,图5-2变形速度对碳钢变形抗力的影响压下率：-50；-10；-2,5.4.4变形程度的影响在冷状态下，由于金属的强化（加工硬化），变形抗力随着变形程度的增大而显著提高。在热状态下，变形程度对变形抗力的影响较小，一般随变形程度增加，变形抗力稍有增加。5.4.5应力状态对变形抗力的影响具有同号主应力变形抗力大于异号主应力的变形抗力，同时在同号主应力图中，随着应力的增加，变形抗力亦增加。可以用塑性方程解释。5.4.6降低变形抗力常用的工艺措施一、合理的选择变形温度和变形速度二、采用良好的润滑在塑性变形时，尽可能采取措施减小摩擦系数，使变形抗力降低。三、减小工、模具与变形金属的接触面积（直接承受变形力的面积）由于接触面积减小，外摩擦作用降低而使单位压力减少，总变形力也减小。,5.5钢材组织性能的控制一、强韧性能的概念1.定义：指钢材应具有的强度和韧性性能，是钢材具有的重要的力学性能。衡量钢材强度的指标有：屈服极限和强度极限等,常用屈服极限。衡量钢材韧性的指标有：冲击功和脆性转变温度。（1）冲击功：用冲击弯曲试验方法将试样冲断时所消耗的功来表示。,即Ae:消耗于试样弹性变形的弹性功，Ap:消耗于试样塑性变形的塑性功，Ad:裂纹出现后,消耗于裂纹发展以至完全断裂的撕裂功。弹性功的大小是表示材料在开始塑性变形前，所吸收的变形能的大小；塑性功是表示材料开始塑性变形以后以及进一步发展直到裂纹形成以前，所吸收的变形能的大小；而撕裂功则表示裂纹发展直到断裂所吸收的变形能。（2）脆性转变温度以冲击试样断口上开始出现脆裂特征或断口上出现50%脆性断面时的温度为脆性转变温度。,2.提高强韧性能的手段（1）控制轧制是指在比常规轧制温度稍低的条件下，采用强化压下和控制冷却等工艺措施来提高热轧钢材的强度、韧性等综合性能的一种轧制方法。控制轧制钢的性能可以达到或者超过现有热处理钢材的性能。（2）控制冷却是对控制轧制后的奥氏体用高于空冷的速度从Ar3以上温度控制冷却到相变温度区域，进行控制铁素体使其进一步晶粒细化。二、影响强韧性能的因素影响强韧性的主要因素有晶粒的大小，珠光体数量、大小及分布，Nb、V、Ti等合金元素的作用等。1.晶粒的大小随着晶粒尺寸的减小,金属的屈服极限升高，脆性转变温度下降。关于晶粒尺寸的作用，可用位错观点加以说明。晶粒越细小，晶界就越多，障碍也就越多。这就需要加大外力才能使晶体滑移。所以晶粒越细小，材料的屈服极限越大。此外，晶粒越细小，在晶界处产生的应力集中越小，使变形金属的脆化减小。,（1）屈服极限与晶粒大小的关系,式中s铁素体本身的内摩擦应力；d铁素体晶粒的直径；Ky系数。(2)脆性转变温度与晶粒大小的关系,式中vTrs脆性转变温度（指型缺口试样）；p由于析出硬化使内摩擦应力的增大值；A、A、B常数。2.珠光体数量、大小及分布珠光体为铁素体与渗碳体所组成的混合物。在通常的情况下，珠光体中的铁素体与渗碳体成相间排列而构成的片层状组织。在一定的条件下，珠光体中的渗碳体呈颗粒状，称之为粒状珠光体。珠光体的体积百分率增大，使钢材硬化，导致钢的韧性变坏，晶粒越细小，珠光体量越少，钢的脆性转变温度越低。3.Nb、V、Ti等合金元素的作用（1）延迟再结晶和阻碍在结晶后的晶粒长大，