變形不均勻原因及防止措施.pptVIP

張貴杰 TelE-Mail： 河北聯(lián)合大學金屬材料及加工工程系,金屬塑性變形理論 第九講,2019/6/29,2,第五章 塑性變形的不均勻性,主要內容 Main Content 變形不均勻的基本概念 變形不均勻的原因 減小變形不均勻的措施 殘余應力,2019/6/29,3,5.2 變形不均勻的原因,接觸面上的外摩擦 變形區(qū)的幾何因素 工具與工件的輪廓形狀 變形體內部溫度分布不均 變形體的外端 金屬性質不均的影響,2019/6/29,4,接觸面上的外摩擦,在工具和變形金屬之間的接觸面上必然存在摩擦。由于摩擦力的作用，在一定程度上改變了金屬的流動特性并使應力分布受到影響。,2019/6/29,5,鐓粗時的分區(qū),圓柱體鐓粗時，由于接觸面上有摩擦存在，在接觸表面附近金屬流動困難，圓柱形坯料轉變成鼓形。在此情況下，可將變形金屬整個體積大致分為三個區(qū)： 區(qū)表示由外摩擦影響而產生的難變形區(qū)； 區(qū)表示與作用力成45角的最有利方位的易變形區(qū)； 區(qū)表示變形程度居于中間的自由變形區(qū)。,2019/6/29,6,鐓粗時摩擦力對變形及應力分布的影響,2019/6/29,7,應力分布不均,外摩擦不僅影響變形，而且使接觸面上的應力（或單位壓力）分布不均勻，沿試樣邊緣的應力等于金屬的屈服極限，從邊緣到中心部分，應力逐漸升高。 另外，沿物體高度方向由接觸面至變形體的中部，應力的分布是逐漸減小的，這是因外摩擦的影響逐漸減弱所致。,2019/6/29,8,帶孔的玻璃錘頭鐓粗塑料實驗,2019/6/29,9,側面翻平,變形物體在壓縮時，由于接觸摩擦的作用，在出現(xiàn)單鼓形的同時，還會出現(xiàn)側表面的金屬局部地轉移到接觸表面上來的側面翻平現(xiàn)象。隨著壓下率的增加，aa和bb部分由側表面逐步地轉移到端面上來。此側面翻平現(xiàn)象發(fā)生在側表面面積的減小量大于接觸面面積的增加量的時候。如果接觸面面積增加量大于側面的減小量時，則因新的接觸面的形成將不再吸收側面的多余面積。,2019/6/29,10,圓柱體垂直剖面上坐標網格在鐓粗過程中的變化,2019/6/29,11,由此可見，物體在壓縮時接觸面積的增加，可由接觸表面上金屬質點滑動和側面質點翻平兩部分組成。側面金屬翻平量的大小取決于接觸摩擦條件和變形物體的幾何尺寸。接觸面上的摩擦越大，接觸面上的金屬質點越不易滑動，因而側面金屬轉移上來的數量就越多。試樣的高度越大，側面金屬越易于轉移到接觸表面上來。當試樣的高度大于直徑時，接觸面積的增加將主要是由側面金屬的轉移所造成。,2019/6/29,12,翻平寬展,鼓形寬展,2019/6/29,13,粘著現(xiàn)象,實驗結果表明，圓柱體金屬在鐓粗過程中，若接觸摩擦較大和高徑比HD較大時，則在端面的中心部位有一區(qū)域，在此區(qū)域上金屬質點對工具完全不產生相對滑動而粘著在一起。此現(xiàn)象稱為粘著現(xiàn)象。此粘著在一起的區(qū)域稱為粘著區(qū)。此粘著現(xiàn)象也影響到金屬的一定深度，這樣就構成了以粘著區(qū)為基底的圓錐形或近似圓錐形的體積，此體積稱為“難變形區(qū)”。,2019/6/29,14,難變形區(qū),2019/6/29,15,變形區(qū)的幾何因素,在金屬塑性加工中存在著外摩擦，變形的不均勻分布情況與變形區(qū)幾何因素(如H/d、H/L、H/B等)有密切關系。實驗表明：鐓粗圓柱體時，當試樣原始高度與直徑比H/d2.0時才發(fā)生上述的單鼓形不均勻變形。當坯料高度較大且變形程度甚小時(當H/d2.0時)，則往往只產生表面變形，而中間層的金屬不產生塑性變形或塑性變形甚小，結果導致形成雙鼓形。,2019/6/29,16,雙鼓形,2019/6/29,17,工具與工件的輪廓形狀,工具（或坯料）形狀是影響金屬塑性流動方向的重要因素。工具與金屬形狀的差異，是造成金屬沿各個方向流動的阻力有差異，因而金屬向各個方向的流動（即變形量）也有相應差別。,2019/6/29,18,如圖所示，在圓形砧或V型砧中拔長圓斷面坯料時，工具的側面壓力使金屬沿橫向流動受到很大的阻礙，被壓下的金屬大量沿軸向流動，這就使拔長效率大大提高。當采用圖c所示的工具時，則產生相反的結果，金屬易于橫向流動。,a b c,2019/6/29,19,在許多情況下，當工具的形狀已得到了嚴格的控制時，為獲得變形均勻的產品，還必須要考慮原始坯料形狀的影響。如果坯料的尺寸和形狀的選擇不當也會使物體產生不均勻變形。,2019/6/29,20,變形體內部溫度分布不均,變形物體的溫度不均勻，會造成金屬各部分變形和流動的差異。變形首先發(fā)生在那些變形抗力最小的部分。一般，在同一變形物體中高溫部分的變形抗力低，低溫部分的變形抗力高。這樣，在同一外力的作用下，高溫部分變形量大，低溫部分變形量小。而變形物體是一整體，限制了物體各部分不均勻變形的自由發(fā)展，從而產生相互平衡的附加應力。,2019/6/29,21,在變形體內因溫度不同所產生熱膨脹的不同而引起的熱應力，與由不均勻變形所引起的附加應力相疊加后，有時會加強應力的不均勻分布，甚至會引起變形物體的斷裂。 在熱軋中常見到軋件軋出后會出現(xiàn)上翹或下翹現(xiàn)象，產生此現(xiàn)象原因之一就是軋件的溫度不均所造成的。,2019/6/29,22,鋁鋼雙金屬軋制時由不均勻變形產生的彎曲現(xiàn)象,2019/6/29,23,變形體的外端,外端（未變形的金屬）對變形區(qū)金屬的影響主要是阻礙變形區(qū)金屬流動，進而產生或加劇附加的應力和應變。在自由鍛造中，除鐓粗外的其他變形工序，工具只與坯料的一部分接觸，變形是分段逐步進行的，因此，變形區(qū)金屬的流動是受到外端的制約的。,2009-10-9-3,2019/6/29,24,封閉形外端,在被壓縮體積的外部存在有封閉形外端時，一方面，被壓縮體積的變形要影響到外端的一定區(qū)域。另一方面，外端會阻礙被壓縮體積的向外擴展。 若外端的體積甚小時，則在變形過程中，在被壓縮體積變形的影響下，外端的高度也會有所減小，外端向外擴展。如果外端的體積較大，則被壓縮體積的變形很難進行。若所施的壓力非常大時，也可以把工具(壓頭)壓人變形物體內，此時部分變形金屬將沿工具的周圍被擠出?？梢?，金屬在具有封閉形外端條件下的壓縮與無外端時有很大差別。封閉形外端可以減小被壓縮物體的不均勻變形，并可使其三向壓應力狀態(tài)增強。,2019/6/29,25,封閉形外端,非封閉形外端,2019/6/29,26,非封閉形外端,在金屬壓力加工中屬于非封閉形外端的變形過程較多，例如，鍛造延伸，拉拔等。,2019/6/29,27,外端對變形物體的縱向延伸有強迫“拉齊”作用，使變形物體沿高度方向的縱向延伸趨于一致。結果，在變形區(qū)內于自由延伸大的中部產生附加壓應力，于自由延伸小的端部產生附加拉應力。此外，變形物體為一整體，變形物體的縱向延伸的變化也必然會影響著橫向寬展的變化。,2019/6/29,28,在變形區(qū)的中部，由于外端對縱向延伸的“拉齊”作用使自由延伸減小的結果，使寬展被迫增大，而在端部由于使自由延伸的被迫增加，使寬展減小。結果，由于外端對縱向延伸的“拉齊”作用，使變形區(qū)沿高向的中部產生的寬展最大，端部寬展最小。這樣，由于外端的存在，使變形物體的縱向變形的不均勻性減小，橫向變形的不均勻性增大。,2019/6/29,29,金屬性質不均的影響,變形金屬中的化學成分、組織結構、夾雜物、相的形態(tài)等分布不均會造成金屬各部分的變形和流動的差異。例如，在受拉伸的金屬內存在一團雜質，由于雜質和其周圍晶粒的性質不同，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，結果這種缺陷周圍的晶粒必須發(fā)生不均勻變形，并會產生晶間及晶內附加應力。,2019/6/29,30,5.3 變形不均的防止措施,變形不均產生的后果 減輕變形不均的措施,2019/6/29,31,變形不均產生的后果,使單位變形力增大 當變形不均勻分布時，將使物體內部產生相互平衡的附加應力，使變形能量消耗增加，也使單位變形力增大。此外，當應力不均勻分布時，將使變形體內實際的應力分布情況與基本應力有很大不同，有時雖然作用著單向的基本應力，但工作應力卻可能變成三向同名應力狀態(tài)，此時也會使單位變形力增大。,2019/6/29,32,使塑性降低 在具有應力不均勻分布的變形物體內，當某處的工作應力達到金屬的斷裂強度時，則在該處將首先產生斷裂，從而導致金屬的塑性下降。,2019/6/29,33,擠壓件上表面裂紋及應力分布圖,2019/6/29,34,使產品質量降低 由于變形的不均勻分布使物體內產生附加應力，若變形后物體的溫度較低不足以消除此附加應力時，則在物體內將存有殘余應力，從而使物體的力學性能下降。同時，由于變形體內各處的變形不同，其再結晶后各處的晶粒大小也不同，造成組織與性能分布不均。,2009-9-28-2,2019/6/29,35,摩擦系數f不同時塑壓件退火后中心軸上晶粒大小分布,2019/6/29,36,使技術操作復雜 由于變形體內應力的分布不均，使加工工具的各部分受力不均，以致使工具各部分的彈性變形和磨損不均。這樣就使工具設計、制造和維護復雜。同時也使對材料進行的熱處理制度復雜化。,2019/6/29,37,減輕變形不均的措施,正確選定變形的溫度速度制度 變形溫度應保證物體在單相區(qū)完成塑性變形，并在整個物體內分布均勻。變形速度制度的選擇也應使變形在物體內分布均勻，如Hd比較大的厚件，在速度較低的壓力機上鍛壓較合適。,2019/6/29,38,減小金屬表面上的外摩擦 為減小接觸表面上的摩擦系數，應提高和保持工具表面的光潔度和采用適宜的潤滑劑。也可采用超聲振動加工等方法來減少外摩擦的不利影響。,2019/6/29,39,合理設計加工工具形狀 要正確選擇與設計鍛模、軋輥孔型及