第3章金属塑性加工的宏观规律.ppt

第三章塑性成形中金属变形与流动的相关问题,本章内容：3.1最小阻力定律3.2影响金属塑性、塑性变形和流动的因素3.3金属的超塑性3.4加工硬化3.5不均匀变形、附加应力和残余应力3.6金属的断裂3.7塑性成形件中的折叠3.7金属塑性成形中的摩擦和润滑,教学重点：最小阻力定律，塑性状态图，影响金属塑性流动与变形的因素，不均匀变形、附加应力和残余应力，塑性成形中摩擦的分类及机理，摩擦系数及其影响因素，测定摩擦系数的方法。,教学难点：最小阻力定律，不均匀变形、附加应力和残余应力、塑性加工中摩擦的分类及机理，影响摩擦系数的因素和测定摩擦系数的方法。,教学要求：重点掌握最小阻力定律，影响金属塑性流动与变形的因素，残余应力和摩擦的分类及机理，摩擦系数及其影响因素，测定摩擦系数的方法。,3.1最小阻力定律,概念：最小阻力定律最小周边法则动态图三维动态图实际应用分析,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。,图3-1开式模锻的金属流动,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。,拔长效率较高,拔长效率较低，主要用于修正尺寸,3.2影响金属塑性、塑性变形和流动的因素,3.2.1塑性、塑性指标和塑性图3.2.2变形条件对金属塑性的影响3.2.3其他因素对塑性的影响3.2.4提高金属塑性的途径3.2.5摩擦对金属塑性变形和流动的影响3.2.6工具形状对金属塑性变形和流动的影响3.2.7金属各部分之间关系对塑性变形和流动的影响3.2.8金属本身性质不均匀的影响对塑性变形和流动的影响,3.2.1塑性、塑性指标和塑性图,1金属塑性的基本概念2塑性指标及其测量方法3塑性状态图及其应用,金属塑性的基本概念,什么是塑性？塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。,塑性与柔软性（变形抗力）的区别是什么？,塑性反映材料产生永久变形的能力。柔软性反映材料抵抗变形的能力。,塑性与柔软性的对立统一,铅-塑性好，变形抗力小不锈钢-塑性好，但变形抗力高白口铸铁-塑性差，变形抗力高结论：塑性与柔软性不是同一概念,塑性指标,概念：金属在破坏前产生的最大变形程度，即极限变形量。,塑性指标的测量方法,拉伸试验法压缩试验法扭转试验法杯突试验法,拉伸试验法,式中：L0拉伸试样原始标距长度；Lh拉伸试样破断后标距间的长度；F0拉伸试样原始断面积；Fh拉伸试样破断处的断面积,压缩试验法,简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定：,式中：压下率；H0试样原始高度；Hh试样压缩后，在侧表面出现第一条裂纹时的高度,扭转试验法,对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形（）。,式中：R试样工作段的半径；L0试样工作段的长度；n试样破坏前的总转数。,杯突试验法,常用的胀形试验为杯突试验，试验时，将试样置于凹模与压边圈之间夹紧，球状冲头向上运动使试样胀成凸包，直到凸包产生裂纹为止，测出此时的凸包高度IE记为杯突试验值。,3塑性状态图及其应用,概念：表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形，简称塑性图。应用：合理选择加工方法制定冷热变形工艺,确定MB5合金加工工艺规程的原则和方法,MB5属变形镁合金，主要成分为：Al5.57.0%Mn0.150.5%Zn0.51.5%,确定MB5镁合金热加工工艺步骤,根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据相图确定合金的相组成根据塑性图确定热变形温度范围,根据相图确定合金的相组成,温度,Mg-Al二元系状态图,从二元相图上获取的信息,T530，合金为液相相T270，合金为两相组织270T530，合金为单一的相,铝含量对镁合金力学性能的影响,%b，公斤/毫米2,HB公斤/毫米2,镁合金中铝含量对合金机械性能的影响,根据塑性图确定热变形温度范围,试验温度，MB5合金的塑性图k冲击韧性；M慢力作用下的最大压缩率，C冲击力作用下的最大压缩率；断面收缩率，0弯曲角度,从塑性图上获取的信息,慢速加工，温度为350400时,值和M都有最大值，不论轧制或挤压，都可在此温度范围内以较慢的速度加工。锻锤下加工，在350左右有突变，变形温度应选择在400450。工件形状比较复杂，变形时易发生应力集中，应根据K曲线来判定。从图中可知，在相变点270附近突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在250以下进行为佳。,一、变形温度,3.2.2变形条件对金属塑性的影响,就大部分金属来言，其总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的线性上升。,碳钢的塑性随温度变化图,纯铝,无氧铜,几种铝合金及铜合金的塑性图,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。,2变形速度,3变形程度,冷变形时，变形程度越大，塑性越低；热变形时，变形程度越大，塑性越高。,3.2.3其他因素对塑性的影响,1.化学成分对塑性的影响,碳含量对碳钢力学性能的影响,氢在钢中的溶解度与温度的关系,合金元素对铁素体伸长率和韧性的影响,锡和铅对wc=0.2%-0.25%碳钢热成形性能的影响,2.组织结构的影响,1)相组成的影响,单相组织（纯金属或固溶体）比多相组织塑性好。,2)晶粒度的影响,细晶组织比粗晶组织具有更好的塑性。,3)铸造组织的影响,Cr-Ni-Mo钢铸造组织和锻造组织塑性的差别,3.应力状态的影响,静水压力对提高金属塑性的良好影响,卡尔曼试验仪器的工作部分,动态图,动态图,大理石和红砂石三向受压的试验结果,滑移面上的显微缺陷受拉应力和压应力作用示意,动态图,型毡拔长圆断面毛坯,加反压力挤压,包套挤压,精密冲裁,轴向加压剪切,应变状态的影响,4.周围介质的影响,1）在金属表面层形成脆性相2）使金属表层腐蚀3）在金属表面上形成吸附润滑层,5尺寸因素,力学性能,1,2,体积,图5-25变形物体体积对力学性能的影响1塑性；2变形抗力；3临界体积点,变形体的尺寸（体积）会影响金属的塑性。尺寸越大，塑性越低；但当变形体的尺寸（体积）达到某一临界值时，塑性将不再随体积的增大而降低,3.2.4提高金属塑性的途径,提高塑性的主要途径有以下几个方面：(1)提高材料的成分和组织的均匀性；(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方式；(4)减小变形的不均匀性；(5)避免加热和加工时周围介质的不良影响。,3.2.5摩擦对金属塑性变形和流动的影响,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3-15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,摩擦系数很小或为零时对金属流动的影像动态图,摩擦系数大于某临界值时对金属流动的影像动态图,3.2.6工具形状对金属塑性变形和流动的影响,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3-16型钻中拔长a)圆型砧b)V型砧c)凸型砧,3.2.7金属各部分之间关系对塑性变形和流动的影响,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3-17拔长时外端的影响,（a）,（b）,图3-18开式冲孔时的“拉缩”,图3-17弯曲变形对外端的影响,3.2.8金属本身性质不均匀的影响对塑性变形和流动的影响,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。,3.4加工硬化,一、加工硬化的现象和机理现象的特征分析硬化过程三阶段二、加工硬化的后果和应用后果：强度提高，塑性降低。对金属冷变形工艺会产生极大影响应用：1.有利方面强化金属，提高工件承载能力、耐磨性等。尤其对于不能热处理的金属工件；改善冷加工工艺的工艺性。2.有害方面金属屈服强度的提高使其继续塑性变形困难，提高了成型设备的吨位。解决方案：增加中间退火工艺（会降低生产率，提高生产成本）,3.5不均匀变形、附加应力和残余应力,3.5.1均匀变形与不均匀变形,3.5.2研究变形分布的方法,3.5.3基本应力与附加应力,3.5.4残余应力,3.5.1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。,3.5.2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。,3.5.3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。,附加应力定义：变形体为保持自身的完整和连续，约束不均匀变形而产生的内力。特点：（）附加应力由不均匀变形引起，同时又限制不均匀变形的自由发展。（）附加应力必然互相平衡成对出现。（即当一处受附加压应力时，另一处必受附加拉应力）,附加应力定律：任何塑性变形物体内部，在变形过程中均有自相平衡的附加应力。分类：（）第一类附加应力：变形体内各区域体积之间不均匀变形所引起；（）第二类附加应力：各晶粒之间的性质、大小和方位不同，使晶粒不均匀变形所引起。（）第三类附加应力：晶粒内部不均匀变形所引起。,附加应力的不良后果：（）使变形体应力状态发生变化，应力分布更不均匀。（）提高了单位变形力。（）降低塑性，甚至破裂。（）造成物体形状的歪扭（镰刀弯、波浪形等）（）形成残余应力。,3.5.4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,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,定义：引起应力的外因去除后在物体内仍残存的应力。特点：残余应力是弹性应力，它不超过材料的屈服极限。,残余应力的不良后果：（）具有残余应力的物体再承受塑性变形时，其应力分布会更不均匀。（）缩短制品的使用寿命。（）使制品的形状和尺寸发生变化。（）增加塑性变形抗力，降低金属塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。（）降低金属的耐蚀性（例如黄铜的季裂）。,注意：表层残余拉应力是绝对有害的，但表层残余压应力却因可以增加工件使用性能而有利。如表面淬火、喷丸加工、表面滚压、表面渗碳、渗氮等。,减小或消除残余应力的措施,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,（）热处理法去应力退火（消除较为彻底）Note：只有在制品允许退火时才能采用。因为较高温度下的退火会使制品的晶粒明显长大，有损金属的力学性能。（）机械处理法使制品表面再产生一些表面变形，使残余应力得到一定程度的释放和松弛，或使之产生新的附加应力，以抵消制品内的残余应力或尽量减少其数值。Note：机械处理法只能消除第一类残余应力。,3.7金属塑性加工的摩擦与润滑,3.7.1概述3.7.2金属塑性加工时摩擦的特点及作用3.7.3塑性加工中摩擦的分类及机理3.7.4摩擦系数及其影响因素3.7.5测定摩擦系数的方法3.7.6塑性加工的工艺润滑,3.7.1概述,动摩擦、静摩擦、外摩擦、内摩擦发生在工件和工具接触面间，阻碍金属流动的摩擦，称外摩擦。单位接触面上的摩擦力称为摩擦切应力,3.7.2金属塑性加工时摩擦的特点及作用,塑性成形时摩擦的特点在高压下产生的摩擦较高温度下的摩擦伴随着塑性变形而产生的摩擦摩擦副（金属与工具）的性质相差大,外摩擦在压力加工中的作用,摩擦的不利方面改变物体应力状态，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，降低工具寿命摩擦的利用例如，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。,4.3塑性加工中摩擦的分类及机理,外摩擦的分类干摩擦流体摩擦边界摩擦,摩擦机理表面凸凹学说分子吸附说粘着理论,塑性加工时接触表面摩擦力的计算,在计算金属塑性加工时的摩擦力时，分下列三种情况考虑1库仑摩擦条件这时不考虑接触面上的粘合现象（即全滑动），认为摩擦符合库仑定律。其内容如下：（1）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）摩擦力与滑动速度的大小无关；（3）静摩擦系数大于动摩擦系数。,其数学表达式为：或式中F摩擦力；外摩擦系数；N垂直于接触面正压力；接触面上的正应力；接触面上的摩擦切应力。由于摩擦系数为常数（由实验确定），故又称常摩擦系数定律。对于像拉拔及其他润滑效果较好的加工过程，此定律较适用。,2最大摩擦条件当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状态时，单位摩擦力（）等于变形金属流动时的临界切应力k，即：=k3摩擦力不变条件认为接触面间的摩擦力，不随正压力大小而变。其单位摩擦力是常数，即常摩擦力定律，其表达式为：=mk式中，m为摩擦因子,4.4摩擦系数及其影响因素