塑性變形過程中金屬流動方向研究進展

1、塑性變形過程中金屬流動方向研究進展學 生 姓 名： 學 號：學生所在院（系）： 第1章 緒 論1.1 最小阻力定律 金屬塑性加工時，質點的流動規(guī)律可以應用最小阻力定律分析。最小阻力定律可表述為：變形過程中，物體各質點將向著阻力最小的方向移動。即做最少的功，走最短的路1?？梢?，它與塑性變形應力應變增量理論中的應變增量與應力偏量成正比的關系是一致的。最小阻力定律實際上是質點流動的普遍原理，它可以定性地用來分析金屬質點的流動方向。它把外界條件和金屬流動直接聯系起來。很直觀，使用方便。在塑性加工中，既可用最小阻力定律定性地分析各種情況下的金屬流動，又可通過調整某個方向的流動阻力，來改變金屬在某些方向的

2、流動量，使得成形合理。例如，在模鍛中增加飛邊阻力，或修磨圓角r，可減少金屬流向上模腔的阻力，使金屬充填得更好；在拔長鍛造時改變送進比或采用凹型鉆座增加金屬橫向流動阻力，以提高延伸效率。當接觸表面存在摩擦時，矩形斷面的棱柱體鐓粗時的流動。因為接觸面上質點向周邊流動的阻力與質點離周邊的距離成正比，因此，離周邊的距離愈近，阻力愈小，金屬質點必然沿這個方向流動。這個方向恰好是周邊的最短法線方向，用點劃線將矩形分成兩個三角形和兩個梯形，形成了四個不同流動區(qū)域。點劃線是四區(qū)域的流動分界線，線上各點至邊界的距離相等，各個區(qū)域內的質點到各自邊界的法線距離最短2。這樣流動的結果，矩形斷面將變成雙點劃線所示的多邊

3、形。繼續(xù)鐓粗，斷面的周邊將逐漸變成橢圓形。此后，各質點將沿著半徑方向流動，相同面積的任何形狀，圓形的周邊最小。因而，最小阻力定律在鐓粗中也稱最小周邊法則，最終變成圓形。金屬塑性變形過程應滿足體積不變條件，根據體積不變條件和最小阻力定律，便可以大體確定出塑性成形時的金屬流動規(guī)律。有時還可用來選擇坯料的斷面和尺寸、加工工具的形狀和尺寸等。如壓下量、輥經相同的條件下，坯料寬度不同的軋制情況是不同的。但與整個接觸面上所有質點相比，第一種情況向寬向流動質點所占比例比第二種大，故窄板寬展比寬板的寬展率大。又如在壓下量相同而軋輥直徑不同的條件下，當軋制寬度相同的軋件時，則可預計大輥軋制時的寬展大。精軋時，為

4、了控制寬展一般多采用工作輥較小的軋機軋制。可見，最小阻力定律在塑性加工工藝分析中得到廣泛的應用。但是，最小阻力定律的“阻力”概念描述不夠明確，無法作深入的數學力學分析；精確的流動計算則需用塑性有限元法進行模擬計算3。1.2影響金屬塑性流動和變形的因素影響金屬塑性流動和變形的主要因素有：接觸面上的外摩擦、變形區(qū)的幾何因素、變形物體與工具的形狀、變形溫度及金屬本身性質等。這些內外因素的單獨作用，或幾個因素的交互影響，都可使流動和變形很不均勻4。1.2.1摩擦的影響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。圓柱體鐓粗時，由于接

5、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)5。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。此情形可從帶孔的玻璃錘頭鐓粗塑料的實驗看出。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。1.2.2變形區(qū)的幾何因素的影響變形區(qū)的幾何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影響變

6、形和應力分布很重要的因素，下面用經典滑移錐理論定性解釋。鋼球對板料進行壓縮時，隨著變形程度的增加，從試樣斷面上所觀察的內部質點滑移變形（即所謂滑移帶）的發(fā)生與擴展情況。根據金屬塑性屈服準則，滑移帶為一些正交的網線，開始時與作用力成45，隨著壓下量的增大而逐漸向深里擴充。圖中表明45方向上滑移帶最多，變形最大。當在平行的平錘間塑壓圓柱體時，可以接觸表面為底作一個高度為底邊尺寸一半的等腰直角三角形，這個錐體稱為基本錐或主錘，它的兩個邊與作用力呈45角。塑壓時柱體首先在主錐附近產生塑性變形，因為45剪應力最大，最易滑移。隨著變形的繼續(xù)，在主錐內外都可能產生滑移。主錐內的內部線因為發(fā)生在靠近接觸表面處

7、的難變形區(qū)附近，這個區(qū)靜水壓力高，產生變形所需能量多，即需壓力大；主錐外的外部線雖發(fā)生在靜水壓較小的易變形區(qū)內，但要向外，向深處擴充時，因距離增加也需足夠多的能量。所以隨著變形程度的增加，內部線、外部線皆能發(fā)生，誰占優(yōu)勢，則依上下兩主錐間距離而定6。1.2.3工具的形狀和坯料形狀的影響工具（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。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。當采用凸形砧時，則

8、產生相反的結果，金屬易于橫向流動。叉形件模鍛時金屬被劈料臺分開就屬于這種流動方式7。方形斷面軋件進入橢圓（或圓形）孔型的軋制，其寬向上所承受的壓下量不一致，致使沿軋件寬向上延伸的分布也不均勻，常易造成軋件的歪扭和扭結。1.2.4外端的影響外端（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。坯料拔長，由于外端影響而區(qū)別于自由鐓粗。在拔長時，變形區(qū)金屬的橫向流動受到外端金屬的阻礙，在其他條件相同的情況下，橫向流動的金屬量比自由鐓

9、粗時少，變形情況與自由鐓粗情況相比也有差異。例如當送進長度L與寬度a之比（即進料比，L/a）等于1時，拔長時沿橫向流動的金屬量小于軸向的流動量，即ae。而自由鐓粗時，L/a=1的水平斷面為方形，由最小阻力定律知，沿橫向和軸向流動的金屬量應該相等8。外端對變形區(qū)金屬流動產生影響，同時也對與其相鄰的外端金屬發(fā)生作用，并可能引起外端金屬產生變形，甚至引起工件開裂。在金屬塑性成形中，塑性變形區(qū)和不變形的外端之間的相互作用是一個帶有普遍性的問題，其影響也是比較復雜的，必須針對具體的變形過程和特點進行分析。1.2.5變形溫度的影響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

10、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9。此外，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上翹或下翹現象，產生此現象原因之一就是軋件的溫度不均所造成的。例如，軋件在加熱爐中加熱時由于下面加熱不足，軋件上面溫度高于下面溫度，這樣，在軋制時鋼坯的上層壓下率大，產生的延伸就大，

11、下層壓下率小，延伸也就小。結果軋出軋件向下彎曲。在實驗室內模擬此現象，常采用軋制鋁鋼雙層金屬的辦法。由于鋁的變形抗力低于鋼，在軋制時鋁比鋼產生更大的延伸。所以軋出后，軋件向鋼的一面彎曲10。第2章 BCC金屬流動行為研究進展2.1 BCC單晶體的滑移滑移是由大量位錯移動而導致晶體的一部分相對另一部分,沿著一定晶面和晶向作相對的移動,這就是晶體塑性變形的滑移機制?；谱冃问遣痪鶆虻?常集中在一部分晶面上,而處于各滑移帶之間的晶體沒有產生滑移。滑移帶本身的發(fā)展過程是首先出現細滑移線,后來才發(fā)展成帶。而滑移面與滑移方向大致是最密排和最密排方向, 因為該方向所具有的Peierls力最小。BCC金屬滑移

12、要克服的主要阻力是Peierls-Nabarro應力11。相對滑移來說,對于結晶體中攀移現象,從以上討論知道只有刃型位錯才可發(fā)生攀移運動,即位錯在垂直于滑移面的方向上運動。其實質是構成刃型位錯的多余半原子面的擴大或縮小,它是通過物質遷移即原子或空位的擴散來實現的。通常把半原子面向上運動稱為正攀移,向下運動稱為負攀移。在BCC金屬單晶體的塑性變形中,BCC單晶體的剪切應力應變曲線常常有三個不同的工作硬化區(qū)域。在初始高硬化階段(第0階段),位錯僅在幾個滑移系統活動。在第一階段,工作硬化率幾乎降到0值,這時主滑移系統工作并且滑移僅發(fā)生在一個滑移系統,它不與次級滑移系統相互干擾。在第二階段位錯開始在次

13、級滑移系統上移動,引起工作硬化率升高,但工作硬化率的斜率是常量。在第三階段,隨應變增加工作硬化率下降,這可能是交滑移的緣故,交滑移的產生可以避免在主滑移系上的障礙作用。結晶體中由孿生引起的滑移是一個相互對抗和作用的過程。當滑移過程非常困難時,孿生就會展開。孿生的形成受螺型位錯遷移率影響,而遷移率與溫度有關,這樣在低溫下使得滑移向孿生轉變變得容易。當在低溫和高應變率下變形時,大多數BCC金屬會經受沿方向在112面上的孿生過程12。2.2 多晶體的塑性變形多晶體與單晶體最明顯的差別是多晶體具有晶界。晶界的存在使得多晶體與單晶體在塑性變形機制方面有很大的不同。多晶體在塑性變形方面具有以下方面的特性:

14、(1) 多晶體中晶界的阻滯效應和取向差效應晶界阻滯效應:90%以上的晶界是大角度晶界,大角度晶界定義為相鄰晶界的位相差大于15,這種晶界的結構復雜,大角度晶界由約幾個納米厚的原子排列紊亂的區(qū)域與原子排列較整齊的區(qū)域交替相間而成,這種晶界本身使滑移受阻而不易直接傳到相鄰晶粒。取向差效應：多晶體中,不同位向晶粒的滑移系取向不相同,滑移不能從一個晶粒直接延續(xù)到另一晶粒中。(2) 多晶體金屬塑性變形所具有的特點13在多晶體中,各晶粒變形存在著不同時性和不均勻性。各晶粒變形要達到相互協調,需要五個以上的獨立滑移系同時動作。由于晶界阻滯效應及取向差效應,變形從某個晶粒開始以后,不可能從一個晶粒直接延續(xù)到另

15、一個晶粒之中,但多晶體作為一個連續(xù)的整體,每個晶粒處于其它晶粒的包圍之中,不允許各個晶粒在任一滑移系中自由變形,否則必將造成晶界開裂,為使每一晶粒與鄰近晶粒產生協調變形,晶粒應至少能在五個獨立的滑移系上進行滑移。在金屬的塑性變形中,FCC金屬和BCC金屬能容易滿足五個以上獨立滑移系的條件,所以其塑性通常較好;而HCP金屬獨立滑移系少,塑性通常不好。在多晶體中,如果滑移要傳遞,則必須激發(fā)相鄰晶粒的位錯源。相對單晶體金屬,多晶體的變形抗力比單晶休大,變形更不均勻。由于晶界阻滯效應及取向差效應,使多晶體的變形抗力比單晶體大,其中,取向差效應是多晶體加工硬化更主要的原因,一般說來,晶界阻滯效應只在變形

16、早期較重要。塑性變形中流動應力的差異,HCP系的多晶體金屬與單晶體比較,前者具有明顯的晶界阻滯效應和極高的加工硬化率,而在立方晶系金屬中,多晶和單晶試樣的應力一應變曲線就沒有那么大的差別。第3章 幾種典型的塑性變形金屬流動方向研究3.1 平板壓縮金屬流動方向研究研究金屬的流動問題時,應當首先從分析金屬的塑性變形出發(fā)。一點的流動方向不僅與該點的應力應變狀態(tài)有關,而且相鄰金屬對其也有較大的影響。金屬質點的流動方向取決于變形體內部的應力場13。矩形毛坯鐓粗時,在1-m平面上,金屬質點主要沿最大主應力(代數值)的方向或者說,金屬質點主要向最大主應力增大(代數值)的方向流動外流,但與最大主應力方向有一定

17、偏離(即a0),其偏離的程度與中間主應力的相對大小和相鄰金屬的影響有關14。由于金屬的流動方向不僅取決于某一點本身的應力狀態(tài)和應力順序,而且還主要取決于相鄰金屬的應力狀態(tài)和應力順序15。在實際的變形工序中,由于各種因素的影響,其應力場是不均勻的,但除了個別的情況外,應力場是連續(xù)的,因此對復雜的應力場我們應按應力應變順序是否相同,分區(qū)進行研究。在每個區(qū)域內金屬流動雖然有差異,但主要流動方向是大致相近的,這樣分區(qū),對定性分析工藝問題是完全可行的16。3.2 鎂合金旋成型金屬流動方向研究具體分析擠旋變形機理。擠旋變形過程中金屬流動總是發(fā)生在與擠旋輪接觸處的很小的變形范圍內，擠旋變形過程中的金屬流動情

18、況與塑性成形原理中的金屬體積不變條件和最小阻力定律完全吻合25。擠旋輪附近的金屬在受到三向應力的情況下會同時向三個受力方向流動17。(1)金屬受徑向力的作用朝著徑向流動 擠旋輪的圓弧結構會使徑向力分解出軸向的分力，使金屬在軸向分力作用下向如圖所示的內筋部位流動24。由于徑向作用力是擠旋過程中的主要作用力之一，所以擠旋輪結構設計巧妙地完成了力的方向的轉化，這樣就有利于內筋的成形18。 (2)金屬受軸向力作用向軸向流動 軸向力一直處于復雜的波動狀態(tài)，軸向力很小并不是擠旋過程中的主要力。本文模具裝置設計成全封閉形式限制了金屬在軸向力作用下的軸向流動，目的也是想讓金屬朝形成內筋的方向流動19。(3)金

19、屬受切向力沿切向流動 數值模擬受力分析知道金屬受到的切向力也是擠旋過程中的主要力，切向力是擠旋成形過程中的破壞力。切向力的存在容易使金屬都向擠旋輪前方流動，隨著擠旋過程的進行會產生輪前堆料缺陷，擠旋輪前堆料會使擠旋力驟然增大，不僅損壞擠旋模具裝置而且會產生堆料折疊的筒形件廢品20。通過以上敘述擠旋工藝的研究實質就是研究擠旋過程中金屬的流動規(guī)律。使金屬向著有利于工件成形的方向流動，阻止金屬向不利于工件成形的方向流動23。對于帶內環(huán)筋筒形件擠旋成形過程我們總是相讓金屬向著形成內筋的方向流動。金屬的徑向和軸向流動都會直接或間接地對內筋成形產生影響，金屬的切向流動不利于內筋的成形而且會使擠旋成形產生廢

20、品21。我們研究本課題的目的就是增加徑向和軸向金屬的流動，減少切向的金屬流動22。3.3 液態(tài)模鍛中金屬流動方向研究初期時，液態(tài)金屬注入模膛后,由于激冷迅即形成一敞口硬殼層。當上沖頭下移接觸液態(tài)金屬自由表面,也迅即形成一硬殼層,把液態(tài)金屬封閉在殼層里。此時, 制件側壁由于收縮離開模膛壁,形成一間隙26。接著沖頭施壓,沿高度厚度不均的硬層受鐓粗產生彎曲, 上部流動劇烈,下部最差。如果液態(tài)模鍛初期金屬塑性流動主要以封閉硬殼高向彎曲的話,那么一旦當間隙消除,金屬塑性流動主要表現為高向減縮,填充凝固前沿因凝固收縮成的微形孔27。剛塑性區(qū)劃分為塑性流動強區(qū)和弱區(qū)。假設凝固具有一溫度區(qū)間,那么在凝固前沿存

21、在一閉合曲面帶為固一液區(qū),這個閉合曲面帶區(qū)寬度取決結晶區(qū)間大小,并隨著凝固進行、不斷向中心移動28。如果凝固帶不存在孔隙,凝固區(qū)受到來自剛塑性區(qū)和中心液相區(qū)的壓力,此時,金屬塑性流動停止。一旦凝固帶因凝固收縮產生枝晶間隙,液相區(qū)便卸壓。因為液相區(qū)的壓力是通過凝固區(qū)施加的，倘若出現空洞,傳力區(qū)便成為脆性區(qū)29。剛塑性區(qū)金屬發(fā)生向心的塑性流動,使凝固前沿向中心移動,此時凝固帶體積縮小,中心液相區(qū)承受等靜壓,建立新的力學平衡。最后階段塑性流動,即液相區(qū)消失,凝固帶變?yōu)橐粋€半徑r的球體, 它也是以減縮高度,使剛塑性區(qū)發(fā)生塑性變形來實現孔洞的補縮30。剛塑性區(qū)金屬流動。待凝固球體體積愈來愈小,剛塑性區(qū)不

22、斷發(fā)生塑性流動,脆性體不斷密實,直至凝固結束。參考文獻1 郭偉國，西北工業(yè)大學，BCC金屬的塑性流動行為及其本構關系研究。2007年4月，博士學位論文2 郭偉國,劉風亮,蘇靜，西北工業(yè)大學，幾種典型BCC金屬的塑性流動特征及本構模型綜述。航空工程進展，2010年5月第一卷第2期。3 Krauss G.Microstructures,processing,and properties of steelM.ASM Handbook,1990,1:126-139.4 Weertman J,Weertman J R.Elementary dislocation theoryM. Oxford Univ

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