金属塑性加工技术2-金属塑性加工的流动与变形规律课件

1、金属塑性加工原理Principle of Plastic Deformation in Metals Processing第二篇 金属塑性加工的流动 与变形规律第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 (归入金属学基础)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。 与应力应变增量理论

2、相一致(应变增量与应力偏量成正比)修磨圆角，减少阻力增加飞边阻力图3-1 开式模锻的金属流动俯视图，外力P方向向里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质点向距离最短的周边移动分成四个区流动的结果是变成椭圆形图3-2 最小周边法则方锭变圆（a）（b）B-B剖面（c）图3-3 正方形断面变形模式宽展多于延伸，拔长效率低延伸多于宽展，拔长效率高(俯视图)图3-4 拔长坯料的变形模式（DD，B2B2） 小辊径 大辊径小辊径D 延伸变形区大大辊径D宽展变形区大H、h、B1相同时 B2B2图3-6 辊径不同时轧件变形区纵横方向阻力图轧件坯料宽度不同 B1B2H、h、D相同时：宽展部分相同而

3、窄板延伸宽板延伸其结果导致窄板宽展率大，延伸率小图3-5 不同宽度坯料轧制时宽展情况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。 3.2.1 摩擦的影响镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响接触面附近摩擦力，中心大，边部小变形分成三个区难变形区、易变形区、自由变形区三个区的主应力图有区别，主变形图不同1=2=3 1=

4、2=3=00 2 = 1330 1=2= - 3 /210 3 2 =0 1=-3 2= ？ 0思考：没有摩擦力，怎么变形？圆柱镦粗时接触表面单位压力分布图用有孔的玻璃锤头压缩塑料发现中间进入圆孔的塑料高度高于边部从边缘到中心应力逐渐升高，边缘应力等于屈服应力试样高/径比 h/d越小，应力分布越不均匀思考：高向怎么变化？a)变形前 b) 摩擦系数很小或为零 c) 有摩擦 圆环镦粗时金属的流动无摩擦力2 =1=03 0301=2= - 3 /2有摩擦力2 、103 0出现中性面变形区的几何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影响变形和应力分布很重要的因素。描述变形区的几何形状的参数3. 2. 2

5、 变形区的几何因素的影响球压缩时的流线45度角剪切最大，屈服准则，滑移带形成正交网线形成变形锥随变形程度，滑移带向内、外扩展向外深入，上下变形锥相交内部质点滑移变形的近似模型变形锥模型向内，难变形区，摩擦力影响，静水压力大向外：当 H/D很大时，滑移锥不相交，离接触面越远，滑移线不容易到达中间难变形，形成双鼓形当 H/D较小时，滑移锥相交，难变形区不变形，易变形区和自由变形区变形形成单鼓形当 H/D很小时，滑移锥相互干涉最严重，相互插入难变形区，变形较均匀，需要很大的变形力h2 为各种数值时的情况变形锥之间距离h对变形模式的影响接触面是否产生滑动与摩擦力和变形因子有关？变形几何因子的思考变形是

6、否深入取决于H/D接触面是否滑移与H/D密切相关可以解释几何因子影响变形力，即变形力随H/D减少而增加 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。 3. 2. 3 工具的形状和坯料形状的影响a) 圆型砧（zhen） b) V型砧 c) 凸型砧 图3-13 型钻中拔长圆型砧 和V型砧不利于宽展拔长效率高凸型砧利于宽展，拔长效率低图3-14 沿孔型宽度上延伸分布图方形坯入椭圆形轧孔，沿宽向的延伸不均匀，易造成制品歪扭 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

7、，进而产生或加剧附加的应力和应变。外端是指临接变形区，而未变形的金属因为金属塑性变形要保持整体性和连续性，因此外端会影响到变形区内金属的流动。 3. 2. 4 外端的影响图3-15 拔长时外端的影响外端限制宽展当送料比l/a大时，宽展延伸当送料比l/a小时，宽展增大图3-16 开式冲孔时的“拉缩”造成非变形区金属变形图3-17 弯曲变形对外端的影响造成非变形区金属变形 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。 3. 2. 5 变形温度的影响不均匀变形产生的弯曲现象1铝；2钢铝

8、钢双金属轧制变形抗力不同，造成流动不均 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. 2. 6 金属性质不均的影响3. 3. 1 均匀变形与不均匀变形 3. 3. 2 研究变形分布的方法3. 3. 3 基本应力与附加应力 3. 3. 4 残余应力3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力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

9、对不均匀变形产生影响。均匀变形的条件变形体均匀、各向同性任意瞬间、任意小单元上 应力相同、应变增量相同无摩擦无外端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。图3-19 不同变形程度下镦粗圆柱体图3-20 冷镦粗后垂直断面上洛氏硬度变化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。定义：基本应力是由外力作用所引起的应力附加应力是物体不均匀变形受到整体性的限制，而引起的物体内

10、相互平衡的应力 基本应力图与工作应力图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。不均匀变形时，工作应力等于基本应力与附加应力的代数和。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3-21 在凸形轧辊上轧制矩形坯产生的附加应力中间延伸大，边部延伸少，受整体性制约，中间受压应力，边部受拉应力图3-22 相邻晶粒的变形宏观级、显微级、原子级变形不均几何区域之间，第一类附加应力相临晶粒之间，第二类附加应力晶粒内部滑移面，第三类附加应力附加应力的作用附加应力是为了保持变形体的完整和变形连续而产生的内力附加应力由不均匀变

11、形产生，同时又限制不均匀变形的自由发展附加应力相互平衡、成对出现附加应力定律：由于物体塑性变形总是不均匀的，因此在变形过程中总有相互平衡的附加应力不均匀变形对金属塑性变形的不良后果引起应力状态发生变化，使应力分布不均匀造成变形过程物体破坏使材料变形抗力提高、塑性降低使产品质量降低使生产操作复杂化形成残余应力（a）及纵向应力分布（b）、（c），其中（c）为摩擦很大时应力分布；（实线）基本应力；（虚线）附加应力；（点画线）工作应力=基本附加应力挤压时金属流动表面工作应力为拉应力假想应力，9.8 N/mm2 18201）带缺口试样=2% 2）未带缺口试样=35% 图3-24 拉伸实验曲线使变形抗力提

12、高塑性降低变形程度应力sbsa1)无缺口试样拉伸时的真应力的曲线2）有缺口样拉伸的真应力曲线图3-25 拉伸时真应力与变形程度的关系使产品质量降低变形不均过大，附加应力不同平衡，而导致产品形状缺陷变形不均，造成组织、性能不均3. 3. 4残余应力定义塑性变形完毕后保留在变形体内的附加应力也分三类残余应力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 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

13、应力及变形特点 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1镦粗时组合件的变形特点 2基本应力的分布特点 3第一类附加应力的分布特点 3. 4. 2 平辊轧制时金属的应力及变形特点1基本应力特点 2变形区内金属质点流动特点 3平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点3. 4. 3 棒材挤压时的应力及变形特点1. 棒材挤压时的基本应力状态2. 棒材挤压时的金属流动规律3. 棒材挤压时的附加应力3. 4. 4 棒材拉伸时的应力及变形特点1 棒材拉伸时的基本应力状态2 棒材拉伸时金属的流动规律 3 棒材拉拔时的附加应力 第4章 金属塑性加工的摩擦与润滑

14、 4.1 概述4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用 4.3 塑性加工中摩擦的分类及机理 4.4 摩擦系数及其影响因素 4.5 测定摩擦系数的方法 4.6 塑性加工的工艺润滑 4.1 概述金属塑性加工中是在工具与工件相接触的条件下进行的，这时必然产生阻止金属流动的摩擦力。这种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。由于摩擦的作用，工具产生磨损，工件被擦伤；金属变形力、能增加；造成金属变形不均；严重时使工件出现裂纹，还要定期更换工具。因此，塑性加工中，须加以润滑。润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着压力加工新技术新材料新工艺的出现，必将要求人们解决新的润滑问题。4.1 概

15、述在金属塑性加工中，必须在工模具与加工坯料之间加入润滑介质，以减少摩擦，防止粘接，称为润滑。润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着压力加工新技术新材料新工艺的出现，必将要求人们解决新的润滑问题。4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用在高压下产生的摩擦较高温度下的摩擦摩擦副（金属与工具）的性质相差大在接触面上各点的摩擦也不一样接触表面工作压力：热加工时，100150MPa冷加工时，500 2500MPa机械传动时：20 50MPa压力为工具作用于变形金属表面的力，与变形抗力密切相关高压力使一般润滑剂难以带入接触表面，或易从接触表面挤出润滑剂。需采用特殊的润滑剂和润滑方法。在高压下产生的摩擦

16、热加工温度可达1000度以上冷加工，变形热和摩擦热会使表面温度升高变形过程中，存在工模具、润滑剂的冷却过程；变形和摩擦的发热过程。因此温度会产生变化，接触表面还会由于冷却和发热不均匀而造成温度不均还会出现表面金属氧化、相变，润滑剂性能变化，产生表面反应等现象较高温度下的摩擦一般要求工具硬度高而不易变形；变形金属柔软而塑性大材质和性能不同给润滑剂的选择和使用带来困难摩擦副（金属与工具）的性质相差大变形过程中不断形成新的接触表面变形金属的性质在不断变化(加工硬化)温度、速度和润滑条件可能改变接触表面各点的摩擦方式可能不同： 如滑动摩擦、粘着摩擦在接触面上各点的摩擦也不一样外摩擦在压力加工中的作用

17、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，降低工具寿命外摩擦在压力加工中的作用 摩擦的利用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外摩擦在压力加工中的作用 为Conform 连续挤压机提供挤压力4.3 塑性加工中摩擦的分类及机理一、外摩擦的分类 干摩擦流体摩擦边界摩擦二、摩擦机理 分子吸附说表面凸凹学说(1) 干摩擦干摩擦：不存在任何外来介质时，金属与工具接触面之间的摩擦。理想干摩擦状态很难存在，因为金属表面可能存在氧化膜、灰尘、气体等工程上称不加润滑剂的状态即为干摩擦

18、 (2)流体摩擦当金属与工具表面之间的润滑层较厚，两摩擦副在相互运动中不直接接触，完全由润滑油膜隔开，摩擦发生在流体分子之间的摩擦称为流体摩擦。流体摩擦的大小与接触面的表面状态无关与流体的粘度、速度梯度等因素有关摩擦系数较小由于压力、温度高，流体易挤出或烧掉，只能是部分工具与工件界面接触示意图(3) 边界摩擦接触面放大模型在塑性加工中，无论是坯料表面还是工具表面，总是处于介质包围之中，总是有一层敷膜吸附在表面上，使表面接触处于干摩擦与流体摩擦之间的摩擦状态，称为边界摩擦自然污染膜、油性吸附的金属膜、物理吸附形成的边界膜、润滑剂形成的化学反应膜、氧化膜等。混合摩擦、半干摩擦、半流体摩擦混合摩擦：

19、 由干摩擦、边界摩擦和流体摩擦组成的混合状态半干摩擦： 由边界摩擦和干摩擦的混合状态半流体摩擦： 由流体摩擦与边界摩擦的混合状态摩擦机理(1) 表面凸凹学说表面凸凹学说认为： 当凹凸不平的两个表面相互接触时，产生机械咬合。当这两个相互接触的表面在外力作用下发生相对运动时，相互咬合的部分会被剪断，此时的摩擦力表面为这些凸峰被剪切时的变形阻力。现象：表面越粗糙，相对运动时的摩擦力越大解决办法：降低表面粗糙度，涂抹润滑剂以填补表面凹坑摩擦机理(2) 分子吸附说分子吸附说认为：摩擦产生的原因是由于分子之间的相互吸引的结果。现象：接触表面非常光滑时，接触摩擦力不但不降低，反而会提高。用分子吸附说解释是由

20、于物体表面越光滑，实际接触面积越大，接触面间的距离越小，分子吸引力越大摩擦机理(3) 近代摩擦理论表面凹凸说和分子吸附说都起作用流体摩擦时，摩擦力是润滑层之间的流动阻力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： F=N 或 =N 式中 F摩擦力； 外摩擦系数； N 垂直于接触面正压力； N接触面上的正应力；

21、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。(1) 常摩擦系数定律 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： = k 对于轴对称(单向变形)，k=0.5T,如挤压棒材对于平面变形(纯剪变形)，k=0.577T，如轧宽板热变形时变形抗力小，摩擦力大，易发生粘着，适合(2) 最大摩擦条件 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 m在01之间，当面等于1时，与最大摩擦条件一致。正

22、压力非常高，表面完全粘着，金属的剪切流动主要出现在次表面层内， = s。与相应条件下变形金属的性能有关。热变形过程最常用(3) 摩擦力不变条件-常摩擦力定律4.4 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(1) 金属的种类和化学成分与金属种类和化学成分有关的性质：硬度、强度、吸附性、扩散能力、导热性、氧化速度、氧化膜性质、金属间结合力 钢中碳含量对摩擦系数的影响材料的硬度、强度越高， 小如

23、黄铜(0.10)、青铜粘附性越大、软，大如：铝(0.18)、紫铜(0.17)、铅、锌(2) 工具材料及其表面状态工具硬度越高，越小金属陶瓷硬质合金淬火合金钢、铸铁钢表面光洁度不同，可在0.050.5范围变化一般光洁度高，小；但光洁度非常高，增加坯料表面的粗糙度也会影响(3) 接触面上的单位压力单位压力小时，与压力无关压力增大到一定程度，随压力增加而增大，润滑剂被挤掉或表面膜破坏，接触面积和分子吸附作用增强压力继续增大， 趋于稳定(4) 变形温度温度升高，硬度降低、氧化膜增厚，表面吸附力、原子扩散能力加强；润滑剂效果变坏 提高温度继续升高，氧化膜软化、脱落，起润滑作用， 降低钢的摩擦系数铜的摩擦

24、系数(5) 变形速度变形速度增加：干摩擦时咬入不完全边界摩擦时油膜增厚降低温度升高增加变形程度增加，压力增加增加1. 压下率60%，润滑剂中无添加剂2. 压下率60%，润滑剂中加入酒精3. 压下率25%，润滑剂中加入酒精(6) 润滑剂不同变形条件，采用不同的润滑剂4.5 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塑性加工常用摩擦系数不同金属变形时摩擦系数与温度的关系热锻时的摩擦系数磷化处理后的摩擦系数拉深(冲压)时的摩擦系数热挤压时的摩擦系数4.6 塑性加工的工艺润滑工艺润滑的目的及润滑机理 一、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 二、润滑机理流体力学原理吸附机制流体力学原理润滑剂与固体层不产生相对滑动，被带入变形区工具与坯料的夹角变小，压力增大当润滑剂压力增到变形压力时，润滑剂进入变形区接触面变形速度、润滑剂粘度越大，夹角越小，润滑剂压力上升越急剧摩擦力为润滑剂的内摩擦力，由粘度决定： t =./吸附机制极性或非极性分子对金属表面具有吸附作用，吸附在金属表面形成油膜润滑剂的活性是指极性分子在摩擦表面形成结实表面层的能力粘度是润滑剂本身的粘稠程度，过小易挤出，过