《金属塑性变形的宏观规律》课件

《金属塑性变形的宏观规律》外端（外区、刚端）：变形过程中某一瞬间变形物体不直接承受工具作用而处于变形区以外的部分。外端与变形区直接相连，影响着变形区内金属的变形、应力及速度的分布，而变形区金属的变形也会影响到外端的一定区域。外端的种类：封闭形外端和非封闭形外端。一、封闭形外端被压缩体积的变形要影响到外端的一定区域；外端会阻碍被压缩体积的向外扩展。外端体积很小时，变形过程中在被压缩体积变形的影响下，外端的高度减小（其程度向周边逐渐减弱）；外端体积较大时，被压缩体积变形难进行：可能把工具压入变形物体内，部分金属沿工具周围挤出。封闭形外端可减小被压缩物体的不均匀变形，使其三向压应力状态增强，变形趋于均匀。

封闭形外端下的塑压变形1-工件，2-外端，3-工具二、非封闭形外端（锻造延伸、拉拔等）2）有外端时：①纵向延伸：强迫地“拉齐”作用。变形区中部：附加压应力，迫使自由延伸减小；上下端部：附加拉应力，迫使自由延伸增大；②横向宽展：变形区中部：宽展增大；上下端部：宽展减小外端使纵向变形不均匀性减小，横向变形不均匀性增加。矩形坯料局部压缩时外端对延伸及宽展的影响

1-工具，2-外端，3-变形区H/l≤21.沿变形区高度方向：1）无外端时：单鼓变形。中部：延伸和宽展大；上、下端部：延伸和宽展小。变形区的原始面积：ABCD1）无外端时：由ABCD→A'B'C'D'2）有外端时：由A'B'C'D'→A''B''C''D''①沿变形区宽度方向（BC,横向）：中部：纵向附加压应力，纵向延伸↓边部：纵向附加拉应力，纵向延伸↑结果：纵向变形趋于均匀②沿变形区长度方向（AB,纵向）：中部：远离外端，宽展大边部：靠近外端，宽展小结果：横向变形的不均匀性增加。（C''D''弧高度>C'D'弧高度）

2.沿变形区的纵向和横向变形：由于外端对金属横向流动的限制，使宽展比无外端时小。因此限制作用距外端越远越弱，所以变形区越长，外端对宽展的影响越小。对于H/l>2（高件）1.沿变形区高度方向：上下鼓形处：纵向附加压应力，迫使延伸减小，宽展增大；中部：纵向附加拉应力，迫使延伸增大，宽展减小；较大附加拉应力时：产生负宽展。2.沿变形区的纵向和横向：无外端时：双鼓变形有外端时：同样起“拉齐”作用，使纵向变形的不均匀性减小，横向变形的不均匀性增加。3.3.3变形工具和坯料的轮廓形状（△h不均）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，造成金属沿各个方向流动的阻力差异，使金属沿各个方向的变形不均，导致变形过程中出现各种不同缺陷。1.工具形状的影响：（1）凸型辊或凹型辊轧制矩形断面坯料时，出现“边浪”、“中浪”、“裂边”等缺陷；（2）轧辊压下量分配不均时，导致板材出现镰刀弯、舌头、鱼尾等缺陷。

例：①凹辊轧制矩形坯；②椭圆孔型中轧制矩形坯。

中部△h小，边缘△h大，故沿宽度方向纵向延伸不均匀。中部：μ小，产生σ附(+)开裂两边：μ大，产生σ附(-)皱折（波纹）

沿孔型宽度上延伸分布图镰刀弯边翘龟背边浪边浪正常板形2.原始坯料形状的影响例：平辊轧制沿宽度厚度不均（如两侧厚中间薄）的坯料轧件两侧：压下量大，纵向延伸大轧件中间：压下量小，纵向延伸小由于不均匀变形，产生附加应力：轧件两侧：附加压应力，使纵向延伸减小轧件中间：附加拉应力，使纵向延伸增大

实际变形中轧件轧出后前端并不完全平直，而仍然是两侧延伸大于中间部分。如果原始坯料中厚度较大的两侧部分的宽度比厚度较小的中间部分大得多，则可能使中间部分拉应力超过金属断裂强度，产生周期性断裂，相反则中间不断裂，而两侧产生皱纹。平辊轧制厚度不均的坯料3.3.4变形物体温度分布不均同一变形物体中高温部分变形抗力低，低温部分变形抗力高。在外力作用下高温部分变形大，低温部分变形小，从而产生附加应力。变形物体内因温度不同所产生热膨胀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，引起变形物体的非正常变形、弯曲、表面裂纹、甚至芯部周期断裂等缺陷。

例：热轧中轧件从轧机轧出后出现的上翘或下翘现象。

原因之一就是钢的温度不均，例如加热炉下加热不足，使钢坯上表面温度高，下面温度低，轧制时上层压下率大，产生延伸大，下层延伸小，出现下翘。

模拟方法：铝-钢双金属轧制。铝—钢双金属轧制时由不均匀变形产生的弯曲现象例：在轧制大钢锭时，若均热时间不足，常发现钢锭中间部分产生裂纹。钢锭比较厚，若加热时间不足，则中间部分温度较低中部：T/℃低，膨胀小，σ附热(+)

轧制开始时，表面变形大，σ附(-)

中部变形小，σ附(+)

这二种拉应力叠加，可能造成中间部分金属开裂3.3.5变形金属材质不均变形物体化学成分、组织结构、夹杂物、相状态等分布不均时，造成变形体各部分物理性能的不同，如变形抗力不同造成变形和流动的差异，出现局部应力集中，导致各种宏观和微观的缺陷。

以上因素在某种塑性加工过程中往往不是单一存在的。因此，应根据加工条件对所出现的不均匀变形现象进行具体分析，找出主要因素。3.4变形不均匀分布所引起的后果及防止措施3.4.1使变形后的组织性能不均，产品质量下降

3.4.2降低金属的塑性加工工艺性能3.4.3增加工具局部磨损，使技术操作复杂

3.4.1使变形后的组织性能不均，产品质量下降

金属塑性加工过程中，变形程度分布不均必然导致组织不均，如晶粒大小、形状不均，夹杂和相状态不均等，使金属强度、塑性、韧性等性能不均，质量下降；不均匀变形引起产品尺寸和形状的变化，造成产品质量下降（镰刀弯、翘曲、皱纹等）；不均匀变形的结果使变形体内存在残余应力，防腐性能降低。3.4.2降低金属的塑性加工工艺性能不均匀变形→附加应力→金属塑性降低、变形抗力升高导致加工性能变坏。例如：挤压低塑性金属时，表面摩擦及不均匀变形使表面产生较大附加拉应力。当工作应力达到断裂强度时，表面产生周期性的向内扩展的裂纹。变形抗力的升高可能是由于附加应力的出现使工作应力变成三向同名应力状态有关。如单向拉伸中出现细颈后，细颈处应力状态由单向拉伸变为三向拉伸，使变形抗力升高。3.4.3增加工具局部磨损，使技术操作复杂不均匀变形→应力分布不均→工具各部分受力不同→不均匀磨损，给技术操作增加了困难，也增加工具的消耗和制造成本。例：在孔型中轧制型材时，由于压下量不均使轧辊孔型产生不均匀磨损，不仅影响产品形状、尺寸，也给轧机调整增加了困难。沿孔型宽度上延伸分布图避免或减少变形与应力不均匀分布应采取的措施尽量减少接触摩擦的有害影响：

提高工具表面光洁度、接触表面上加润滑剂、接触端加柔软垫片。正确选择变形温度－速度制度：加热温度均匀、变形在单相区温度范围完成；锻压H/d较大件时低速变形，使变形更深透，锻压H/d较小件时高速变形，使鼓形减小。合理设计工具形状和正确选择坯料：热轧薄板时，轧辊中部温升较大使工具有较大热膨胀，为保证宽度上压下均匀，宜采用凹辊；冷轧薄板弹性弯曲和压扁大，宜采用凸辊。尽量使坯料的成分和组织均匀：提高冶炼和锭坯质量，为使化学成份分布均匀，也可对锭进行高温均匀化处理。

ＤＣＢ轧机

ＨＣ轧机

ＷＲＳ轧机

ＣＲ轧机

ＶＣ轧机

ＣＶＣ轧机

ＦＦＣ轧机

ＰＣ轧机各种高性能新型轧机的主要类型

根据不同的设备特点，通过改变轧辊凸度、轧辊交叉、轧辊横移、轧辊弯曲和不均匀的轧辊冷却等措施，对板形施行有效的控制。（高性能轧辊凸度控制）工作辊能轴向移动（板凸度控制、减少边部变形）（双轴承座弯辊）（平直度易控）（轧辊交叉布置）（连续可变凸度）（凸度可变、液压）3.5残余应力残余应力：塑性变形完毕后保留在变形物体内的附加应力。总位能＝释出位能＋约束位能释出位能作用：确定平衡外力作用的内力的数值。约束位能作用：确定由塑性变形引起的相互平衡内力的数值。也可以确定在每一变形瞬间附加应力的数值。约束位能＝塑性变形中由于软化释放的位能＋残余应力的位能，残余应力的位能<约束位能残余应力产生原因：塑性变形、不均匀加热、冷却、淬火、相变等过程中。3.5.1残余应力的概念残余应力的分类

残余应力由附加应力变化而来，因此残余应力也是相互平衡的，并与附加应力对应，残余应力也按照平衡范围的不同分为三类：1．第一类内应力，又称宏观残余应力。由金属材料（或零件）各个部分（如表面和心部）的宏观形变不均匀而引起。此类应力使工件尺寸不稳定，严重时甚至使工件在受力之下变形产生断裂。2．第二类内应力，属微观内应力。作用尺度与晶粒尺寸为同一数量级，往往在晶粒内或晶粒之间保持平衡，是由于晶粒或亚晶粒之间变形不均匀而引起的。此类应力使金属更容易腐蚀，如：黄铜加工以后由于内应力，在春季或潮湿环境下发生应力腐蚀开裂，常称为“季节病”。

3．第三类内应力，即晶格畸变应力，属微观内应力。塑性变形时产生大量空位和位错，其周围产生了点阵畸变和应力场，此时的内应力是在几百或几千个原子范围内保持平衡，其中占主要的又是由于生成大量位错所形成的应力。此类应力是产生加工硬化的主要原因。

3.5.2变形条件对残余应力的影响（1）变形温度（2）变形速度（3）变形程度的影响（4）接触摩擦、工具和变形物体形状（1）变形温度变形温度↑，附加应力以及所形成的残余应力↓；变形温度↓，出现附加应力和从而出现残余应力的可能↑；当变形过程在高于室温下完成时，已具有某一数值的残余应力会因物体冷却至室温而增加：式中：σ0和E0为室温下的应力和弹性模量;

σt和Et为高于室温时，某温度下的应力和弹性模量;变形过程中发生相变时，第二种附加应力产生，残余应力↑。变形过程中温度的不均匀分布↑，残余应力↑。（2）变形速度室温下：变形速度↑，附加应力以及所形成的残余应力↓。高于室温：变形速度↑，附加应力以及所形成的残余应力↑。变形程度和残余应力能量的关系曲线1-第一种、第二种和第三种残余应力总能量的变化曲线；2-第一种残余应力能量的变化曲线；3-第二种和第三种残余应力总能量的变化曲线第一类残余应力：T<0.3Tm,变形程度↑，残余应力急剧↑。20～25％时，应力达到最大值，继续增加则开始减小，当>52~65%时，应力接近0。T>0.3Tm,第一类残余应力达到最大值时对应的变形程度更大，且>60～70%,也不为0。第二、三类残余应力：变形程度↑，残余应力↑，且对于双相系和多相系，残余应力比对单相系提高得更强烈。（3）变形程度的影响3.5.3残余应力所引起的后果（1)引起物体尺寸和形状的变化(影响加工精度)；（2)零件的使用寿命缩短；（3)降低金属的二次加工性能（变形抗力提高，塑性降低）；（4)降低金属的耐蚀性以及冲击韧性的疲劳强度等。(1)引起物体尺寸和形状的变化(影响加工精度)①机械加工工件形状对称：仅发生尺寸变化，形状不变。工件形状不对称：除尺寸变化外，还可发生形状改变。②时间延长(精密仪器生产)；③热处理等残余应力引起弹性变形或晶格畸变。若残余应力由于某种原因消失或其平衡遭到破坏，相应的变形也将发生变化，引起尺寸和形状的改变。切削具有残余应力的棒材示意图

表层有残余拉应力和心部有残余压应力的棒料车削成圆柱形工件时，成品工件长度增加。

（2)零件的使用寿命缩短对于有残余应力的物体，有的部分工作应力＝基本应力＋残余应力，有的部分工作应力＝基本应力－残余应力，造成应力分布不均。工作应力达到屈服强度，塑性变形，达到断裂强度时，断裂，缩短零件使用寿命。3.5.4减小或消除残余应力的措施（1）减小材料在加工和处理过程中所产生的不均匀变形；（2）热处理:

减小残余应力，但晶粒大小、力学性能发生很大变化。回火：大大减小第一种残余应力；再结晶退火：完全消除残余应力人工时效：残余应力的缓释性。第二种残余应力消除：T<T再；第三种残余应力消除：T>T再。如黄铜的三阶段退火：①40~140℃，很小部分被消除；②200℃，大部分③其余T>T再时消除回火温度对钢棒力学性能及残余应力的影响：1-纵向残余应力；2-切向残余应力；3-径向残余应力产生残余应力的根本原因：产生了不均匀变形（3）机械处理工件表面具有残余拉应力时，使物体表面产生很小的塑性变形，产生表面压缩内应力，刚好与表面层中有残余拉应力相抵消。用后一工序与前一工序相反的不均匀变形，使内应力符号相反，相互抵消。

具体方法：使零件彼此碰撞（小工件）、用木槌打击表面、表面碾压和压平（平整、多辊矫直）、表面拉制、在模子中作表面校形或精压、抛丸处理等。

缺点：只能减小第一种残余应力，且只当表面层中具有残余拉应力时才适用。a-原有的残余应力分布图；b-经表面变形所引起的残余应力分布图；c-两种残余应力的和（虚线为原来残余应力分布图）用表面小变形减小残余应力的方法表面层具有残余拉应力的板材经表面碾压后，其残余应力大为减小。在一定限度内，表面变形越大，残余应力减小得越多。黄铜棒在碾平前后的残余应力分布图

a-纵向应力；b-切向应力；c-径向应力（实线：拉制铜棒的残余应力，虚线：碾平后残余应力）表面变形可使原来的残余应力几乎减小一倍，甚至可使表面拉应力变成压应力。表面变形程度越大，残余应力减小得越多。但此变形程度一般<1.5~3%，超过此限度，不但不会减小残余应力，反而使残余应力增加。3.5.5研究残余应力的主要方法机械法：可测定棒材、管材等一类物体内的残余应力，可较精确地确定残余应力的大小和分布，但测定时会损害物体的整体性；

化学法：定性研究残余应力的一种方法。适于测定金属丝，薄条等类型的工件内的残余应力。同时可定性地比较不同的压力加工制度和热处理制度中所出现的残余应力的大小。定量性差，也需要专门的试样；X射线法：包括劳埃法和德拜法。劳埃法：根据干扰斑点形状的变化定性地确定残余应力。德拜法：一种“非破坏性”的测定方法，能定量地测出残余应力。3.6金属塑性加工时的接触摩擦接触摩擦是金属塑性加工时的重要变形条件，不仅决定金属变形时应力与变形的分布，还影响金属的塑性、变形抗力以及金属的内部组织与性能。3.6.1塑性加工时接触摩擦的特征及摩擦定律金属塑性加工时产生的接触摩擦的特征：1）具有很大接触压力：热加工100~500MPa，冷加工500~2500MPa。而重载荷机器轴承≤20~40MPa；2）变形物体有新的接触面出现，使摩擦系数增加；3）热加工时接触面上温度高：