材料成型金属学第3章金属塑性变形的宏观规律.ppt

1、3.金属塑性变形的宏观规律,Macro Deformation Regularity of Metals,3.1基本概念和研究方法 均匀变形与不均匀变形,均匀变形 变形区某体积内所有点的变形状态都相同, 称此体积的变形为均匀变形。,均匀变形物体中任一点处的立方体应变为斜角六面体。 不考虑物体整体的平移运动和转动时坐标变化：,均匀变形的基本特点,均匀变形条件,变形体为各向同性. 变形体内各点处物理状态相同(温度、变形抗力等). 接触面上任一点的绝对压下量和相对压下量相同. 整个变形体同时处于工具直接作用下（无外端）. 接触面上完全没有接触摩擦或没有接触摩擦引起的阻力.,实际生产条件 不可能绝对各

2、向同性 物体内各点物理状态不能绝对相同 f0 压下量绝对相等难以做到 除镦粗外，一般都有外端作用,实际金属塑性成形过程中的变形均为不均匀变形。 采取一定措施可使变形接近均匀 例一：锻压圆盘时均匀加热、减少接触摩擦； 例二：研究金属塑性变形时，把不均匀变形的变形区域分成许多个小体积，并假定其每个小体积的变形是均匀的。,基本应力与附加应力,基本应力: 物体在塑性变形状态中，由外力作用所引起的应力称为基本应力。 完全根据弹性状态所测出的应力。 外力去除后弹性变形恢复, 此基本应力消失。,附加应力 : 由物体内各部分的不均匀变形受物体整体性限制而产生并在物体内相互平衡的应力. 残余应力 : 塑性变形结

3、束后仍保留在变形物体内的附加应力。,工作应力 试验或生产过程中，实际测量得出的应力(包括应力分布图）. 工作应力=基本应力与附加应力的代数和。可能比基本应力分布更均匀，也可能更不均匀，取决于基本应力的正负及附加应力和基本应力的数值。,挤压时金属流动及纵向应力分布图基本应力；- - -附加应力； 工作应力；di变形区某截面直径,1）附加应力数值不大时，工作应力为压应力。工作应力比基本应力分布更均匀； 2）附加应力数值相当大时，则中间层中工作应力为压应力；外层中工作应力可为拉应力。 工作应力比基本应力分布更不均匀。,附加应力的分类,（1）变形物体的几个大部分间（宏观）由于不均匀变形所引起的相互平衡

4、的附加应力. （2）变形物体局部的各部分之间由于不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力（如软、硬两晶粒或两相之间）. （3）变形物体的一个晶体内的各部分间由于不均匀变形所引起的附加应力，所占比例最大.,研究变形分布的主要方法,（1）坐标网格法 变形前：表面或内剖面上刻坐标网，观察变形前后各网格所限定的区域金属几何形状的变化，确定变形物体各处的变形大小及分布。 应用最广。 用于定量分析。,组合圆柱体的压缩,把网的每个单元看作是变形区的单元，在整个变形过程中承受均匀变形。 坐标网：立体、平面(连续、分开) 分开的平面坐标网单元为圆形或正方形。 坐标网单元为圆形时： 变形成椭圆，轴尺寸方向为主变形大小

5、方向；,坐标网单元为正方形时： 主轴在变形前后始终与主轴重合：变形后正方形变为矩形，内切圆为椭圆，此椭圆轴与矩形轴重合； 主轴在变形前后与主轴不重合：变形后正方形变为平行四边形，内接圆为椭圆，此椭圆轴与新主轴（新主应力方向）重合。,正方形坐标网格的内切圆椭圆（主轴方向为主应力方向）。 最大变形发生在变形物体外层,变形部分与未变形部分交互更替，变形具有周期性。,阴影部分：未变形区,(2)硬度法,变形程度越大，加工硬化越强，金属硬度越大。 一种极粗略的定性法，仅适用于对加工硬化敏感的金属。,(3)比较晶粒法 根据变形物体内各处晶粒大小判断各处变形程度，确定变形分布。 只能定性显示变形分布。 热变形

6、：仅适用于影响晶粒大小的因素只有变形程度而无其它的情况。 冷变形：利用退火温度一定，晶粒大小与冷变形的变形程度关系的再结晶图，来确定各尺寸晶粒的变形程度，获得变形不均匀规律。 变形程度较大时：不适用。,密栅云纹法 示踪原子法 光弹性法 光塑性法,其他研究方法,习题：在图中画出工作应力。,基本应力,附加应力,挤压件上表面裂纹,应力分布图,3.2 自由变形理论,自由变形 不受变形工具形成的空间尺寸所限定的变形. 直角六面体在二平锤头间压缩 板材在二平轧辊间轧制 变形的方向为自由变形方向，发生自由变形的平面为自由变形平面。,自由变形理论应用 （1）自由变形彼此间的比值 （2）金属塑性流动的运动学图形

7、 （3）由于不均匀变形,位于自由平面内的断面所得到的形状,一、最小阻力定律 当物体各质点有在不同方向移动的可能时,变形物体内的每一个质点都将沿其最小阻力方向移动。即：金属质点将沿其周边的最短法线方向流动。因此最短法线方向就是最小阻力的方向.可预测变形体在自由变形平面内的断面形状。,自由变形理论基础,直角六面体镦粗中横断面形状变化,随变形的不断增加，矩形断面的长轴和短轴的长度逐渐相等，并在最后使其断面形状变成椭圆形以至圆形。,二、最小周边法则 任意断面形状柱体镦粗时，其断面形状均有趋于圆形的趋势，因为圆形断面的周界最小。 前提最小阻力的方向即为最短法线方向。 “最小阻力的方向即为最短法线方向”成

8、立条件 : （1）接触摩擦为各向同性； （2）接触摩擦系数具有较高的数值.,分界线对X轴倾斜角=45 。,镦粗直角平行六面体时的运动学图形,其中为摩擦系数 =0时， ， 塑性流动的放射性图形； b=a， 任意 值， ， 正常运动学图形（分界线与X轴成45 ）,各向同性: 较大，AD； 较小，AB 0，理想情况，AC (放射性) ，AB靠近AD ； ， AB靠近AC,D,B,C,A,各向异性：长轴（y轴）位于最小的方向上时：延伸大，宽展小。长轴位于最大的方向上时：宽展大，延伸小。,自由变形理论的实际应用确定变形物体的纵向和横向的变形关系,轧件变形区纵横方向阻力图,压下量相同，轧制宽度相同的轧件时

9、，可以预知：用大轧辊轧制时，宽展量大。,3.3 影响金属变形行为的因素及所呈现的现象,影响金属变形行为的因素 接触面上的接触摩擦 变形体的外端 变形体的几何形状和工具形状 变形体的温度不均和组织不均,接触摩擦,一、呈现单鼓变形和三个变形区 呈现单鼓变形的几何条件： 高径比H/d2 变形工具压缩力+接触摩擦力 接触摩擦力阻碍金属质点横向流动，产生鼓形。,区: 难变形区 端部接触面附近； 硬取向； 区: 易变形区 距端面距离较远； 软取向； 区: 自由变形区 靠近表面，区中部四周； 变形量介于区和区之间。,应力状态,区：三向压; 区：三向压； 区：二压一拉; 切向附加拉应力：越靠近外层越大； 径向

10、压应力：越靠近外层越小；,二、双鼓变形,几何条件 ：H/d2 只产生表面变形，中间层金属塑性 变形很小或不塑性变形。 区：圆柱体形状；垂直单向压应力； 均匀塑性变形或弹性变形。 双鼓单鼓条件：变形程度，H/d，两个难变形锥区靠近时。 影响因素：压下率、接触摩擦、变形区的几何因素、变形速度等,三、侧面翻平现象,由于接触摩擦的作用，在出现单鼓形的同时出现的侧表面金属局部地转移到接触表面上来的现象。,原侧面上aa和bb镦粗后转移到端面,形成条件,侧表面面积减小量大于接触面面积增加量。 接触面积的增加接触表面上金属质点滑动侧面质点翻平 影响因素 接触摩擦条件； 变形物体的几何尺寸,四、粘着现象,粘着区

11、圆柱体镦粗，若接触摩擦较大和高径比H/d较大时，在端面中心部位有一区域，金属质点对工具完全不产生相对滑动而粘着在一起。 难变形区以粘着区为基底的圆锥形或近似圆锥形的体积。,圆柱体镦粗时出现的粘着区及难变形区示意图,影响因素变形区几何因素、 接触摩擦,全粘着 在接触摩擦较大，H/d增加到一定程度，接触表面上不存在变形金属质点与工具间的相对滑动，即无滑动区时，接触面的面积增加仅由侧面金属的翻平造成。 全滑动 接触摩擦较小，H/d减小到一定程度时，粘着区完全消失，接触表面为全滑动区。,五、接触表面上应力分布不均,试件边缘的应力等于变形金属的屈服点，由于接触摩擦的作用，由边缘向中心应力逐渐增高。,随H/d减小，压力差增大， 原因： H/d=1时，接触面上出现滑动。,假设将变形体由外至内分成许