第10章塑性變形與流動問題

1、第十章第十章 金屬塑性變形與流動問題金屬塑性變形與流動問題 金屬塑性成形問題實(shí)質(zhì)上是金屬的塑性流動問題。通過流動分析可以金屬塑性成形問題實(shí)質(zhì)上是金屬的塑性流動問題。通過流動分析可以預(yù)測變形體的形狀和尺寸，進(jìn)行工藝和模具設(shè)計(jì)以及質(zhì)量分析。但影響預(yù)測變形體的形狀和尺寸，進(jìn)行工藝和模具設(shè)計(jì)以及質(zhì)量分析。但影響金屬塑性流動的因素復(fù)雜，目前還難以進(jìn)行定量描述。本章定性討論金金屬塑性流動的因素復(fù)雜，目前還難以進(jìn)行定量描述。本章定性討論金屬塑性變形和流動的幾個基本問題，如最小阻力定律、不均勻變形、附屬塑性變形和流動的幾個基本問題，如最小阻力定律、不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力、塑性成形中摩擦與潤滑等。加應(yīng)力

2、和殘余應(yīng)力、塑性成形中摩擦與潤滑等。 第一節(jié)第一節(jié) 金屬流動方向金屬流動方向最小阻力定律最小阻力定律 “當(dāng)變形體質(zhì)點(diǎn)有可能沿不同方向移動時，則物體各質(zhì)點(diǎn)將沿著當(dāng)變形體質(zhì)點(diǎn)有可能沿不同方向移動時，則物體各質(zhì)點(diǎn)將沿著阻力最小的方向移動阻力最小的方向移動”。_古布金古布金 最小阻力定最小阻力定律律: :例如，粗糙平板間矩形斷面棱柱體鐓粗時，由于接觸面上質(zhì)點(diǎn)向四周流動例如，粗糙平板間矩形斷面棱柱體鐓粗時，由于接觸面上質(zhì)點(diǎn)向四周流動的阻力與質(zhì)點(diǎn)離周邊的距離成正比，因此離周邊的距離愈近，阻力愈小，的阻力與質(zhì)點(diǎn)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(zhì)點(diǎn)必然沿著這個方向移動。金屬質(zhì)點(diǎn)必然沿著

3、這個方向移動。 圖圖18-1 有摩擦矩形斷面鐓粗不均勻有摩擦矩形斷面鐓粗不均勻流動模型流動模型流的越遠(yuǎn)流的越遠(yuǎn), ,阻力越大阻力越大, ,所以將向周邊距離最近處流動所以將向周邊距離最近處流動! !例如開式模鍛，如圖例如開式模鍛，如圖18-318-3，增加金屬流向飛邊的阻力，以保證金屬充填，增加金屬流向飛邊的阻力，以保證金屬充填型腔；或者修磨圓角，減小金屬流向型腔；或者修磨圓角，減小金屬流向A A腔的阻力，使腔的阻力，使A A腔充填飽滿。腔充填飽滿。r圖圖18-3 開式模鍛的金屬流動開式模鍛的金屬流動 又例如，在大型覆蓋件拉深成形時，常常要設(shè)置拉延筋，用來調(diào)整或增加板料進(jìn)入模具型腔的流動阻力，以

4、保證覆蓋件的成形質(zhì)量。一、摩擦對金屬塑性變形和流動的影響一、摩擦對金屬塑性變形和流動的影響 第二節(jié)第二節(jié) 影響金屬塑性變形和流動的因素影響金屬塑性變形和流動的因素 在工具與坯料的接觸面上由于摩擦力的存在，在一定程度上改變了金屬的流在工具與坯料的接觸面上由于摩擦力的存在，在一定程度上改變了金屬的流動特性。動特性。 圖圖18-4 無摩擦矩形斷面鐓粗放射形模型無摩擦矩形斷面鐓粗放射形模型1 1、矩形斷面的棱柱體在平板間鐓、矩形斷面的棱柱體在平板間鐓粗時粗時, ,若接觸面上無摩擦若接觸面上無摩擦, ,則以輻射則以輻射線方式流動線方式流動, ,變形后仍為矩形斷面。變形后仍為矩形斷面。 2 2、環(huán)形零件鐓

5、粗時由于摩擦的作用，、環(huán)形零件鐓粗時由于摩擦的作用，會改變金屬質(zhì)點(diǎn)的流動方向。會改變金屬質(zhì)點(diǎn)的流動方向。 參考課本第參考課本第256256頁頁! ! 二、工具形狀對金屬塑性變形和流動的影響二、工具形狀對金屬塑性變形和流動的影響 工具形狀是影響金屬塑性流動的重要因素。工具形狀不同，各個方工具形狀是影響金屬塑性流動的重要因素。工具形狀不同，各個方向的流動阻力不一樣。向的流動阻力不一樣。 a） b） c）圖圖18-5 型砧拔長型砧拔長a) 圓型砧圓型砧 b) V型砧型砧 c) 凸型砧凸型砧 在圓弧形砧上或在圓弧形砧上或V V型砧中拔長圓截面坯料時，如圖型砧中拔長圓截面坯料時，如圖18-518-5，由

6、，由于工具的側(cè)面壓力使金屬沿橫向流動受到阻礙，金屬大量沿軸于工具的側(cè)面壓力使金屬沿橫向流動受到阻礙，金屬大量沿軸向流動。在凸弧形砧上，正好相反，加大橫向流動。向流動。在凸弧形砧上，正好相反，加大橫向流動。 利用工具的不同形狀，除了可以控制金屬的流動方向外，還利用工具的不同形狀，除了可以控制金屬的流動方向外，還可以在坯料內(nèi)產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)，使局部金屬先滿足屈服準(zhǔn)可以在坯料內(nèi)產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)，使局部金屬先滿足屈服準(zhǔn)則而進(jìn)入塑性狀態(tài)，以達(dá)到控制塑性變形區(qū)的作用?；蛘咴斐蓜t而進(jìn)入塑性狀態(tài)，以達(dá)到控制塑性變形區(qū)的作用?；蛘咴斐刹煌撵o水壓力，來改變材料在該狀態(tài)下的塑性。不同的靜水壓力，來改變材料在該

7、狀態(tài)下的塑性。 剛端對變形區(qū)金屬的影響主要是阻礙變形區(qū)金屬流動。例如拔長時，剛端對變形區(qū)金屬的影響主要是阻礙變形區(qū)金屬流動。例如拔長時，砧子下面局部坯料鐓粗，變形受到剛端部分的影響，其橫向流動小于同砧子下面局部坯料鐓粗，變形受到剛端部分的影響，其橫向流動小于同等條件下的自由鐓粗。等條件下的自由鐓粗。三、變形物體外端的影響三、變形物體外端的影響 在塑性變形時，為保持變形體的完整性和連續(xù)性，變形體各部分之在塑性變形時，為保持變形體的完整性和連續(xù)性，變形體各部分之間通過內(nèi)力的作用，對塑性變形和流動產(chǎn)生一定的影響，包括未變形的間通過內(nèi)力的作用，對塑性變形和流動產(chǎn)生一定的影響，包括未變形的金屬（俗稱為金

8、屬（俗稱為“剛端剛端”）對變形區(qū)金屬的影響和變形金屬相互之間的影）對變形區(qū)金屬的影響和變形金屬相互之間的影響。響。拔長時外端的影響拔長時外端的影響 外端對變形區(qū)金屬的影響主要是阻礙變形區(qū)金屬流動，進(jìn)而產(chǎn)生或加劇附加的應(yīng)力和應(yīng)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(jìn)行的，因此變形區(qū)金屬的流動就受到外端的制約。開式?jīng)_孔中的開式?jīng)_孔中的“拉縮拉縮”彎曲變形對外端的影響彎曲變形對外端的影響結(jié)果使外端的孔也發(fā)生了變形結(jié)果使外端的孔也發(fā)生了變形! ! 以上分別討論了各個因素對金屬塑性變形和流動的影響，而在實(shí)際以上分別討論了各個因素對金屬塑性變形和流動的影響，而在

9、實(shí)際生產(chǎn)中常常是多因素的共同作用，因此，必須考慮各個可能方向上的阻生產(chǎn)中常常是多因素的共同作用，因此，必須考慮各個可能方向上的阻力情況，才能正確分析金屬流動問題。掌握了塑性變形時金屬流動規(guī)律，力情況，才能正確分析金屬流動問題。掌握了塑性變形時金屬流動規(guī)律，便可以采取有效的措施，控制各個可能流動方向上的阻力分布，使金屬便可以采取有效的措施，控制各個可能流動方向上的阻力分布，使金屬按預(yù)期的方向流動，以獲得所需尺寸和形狀的工件。按預(yù)期的方向流動，以獲得所需尺寸和形狀的工件。 四、金屬本身性質(zhì)不均勻?qū)λ苄宰冃魏土鲃拥挠绊?由于金屬本身的化學(xué)成分、組織和溫度的不均勻，會造成金屬各部由于金屬本身的化學(xué)成分

10、、組織和溫度的不均勻，會造成金屬各部分的變形和流動的差異。分的變形和流動的差異。變形抗力小的部分首先變形，但作為一個整體，變形抗力小的部分首先變形，但作為一個整體，先變形的部分與后變形的部分、變形大的部分與變形小的部分必然彼此先變形的部分與后變形的部分、變形大的部分與變形小的部分必然彼此影響。影響。一、不均勻變形一、不均勻變形 第三節(jié)第三節(jié) 不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力 塑性成形時，由于金屬本身性質(zhì)的不均勻，摩擦和工具形狀的影塑性成形時，由于金屬本身性質(zhì)的不均勻，摩擦和工具形狀的影響，不同變形區(qū)之間的相互制約，實(shí)際上都是不均勻變形。響，不同變形區(qū)之間的相互制約，

11、實(shí)際上都是不均勻變形。 例如：在平砧間鐓粗圓柱體例如：在平砧間鐓粗圓柱體 圖圖186 圓柱體鐓粗時的不均勻變形圓柱體鐓粗時的不均勻變形變形前變形后接觸表面受摩擦力接觸表面受摩擦力, ,流動慢流動慢! ! 二、附加應(yīng)力二、附加應(yīng)力 附加應(yīng)力是由不均勻變形引起的，同時它又限制了不均勻變形的附加應(yīng)力是由不均勻變形引起的，同時它又限制了不均勻變形的自由發(fā)展，附加應(yīng)力總是互相平衡成對出現(xiàn)的。自由發(fā)展，附加應(yīng)力總是互相平衡成對出現(xiàn)的。 由于變形體各部分之間的不均勻變形受到整體性的限制，在各部分由于變形體各部分之間的不均勻變形受到整體性的限制，在各部分之間必將產(chǎn)生相互平衡的應(yīng)力，該應(yīng)力叫之間必將產(chǎn)生相互平衡

12、的應(yīng)力，該應(yīng)力叫附加應(yīng)力附加應(yīng)力。圖圖18-7 凸肚形軋輥軋制板材的附加應(yīng)力凸肚形軋輥軋制板材的附加應(yīng)力擠壓的金屬流動和縱向應(yīng)力的分布擠壓的金屬流動和縱向應(yīng)力的分布1）金屬流動；）金屬流動；2）附加應(yīng)力較小；）附加應(yīng)力較??；3）附加應(yīng)力較大）附加應(yīng)力較大基本應(yīng)力為壓應(yīng)力基本應(yīng)力為壓應(yīng)力!第三類：附加應(yīng)力是晶粒內(nèi)部各部分之間的不均勻變形所引起的附加應(yīng)第三類：附加應(yīng)力是晶粒內(nèi)部各部分之間的不均勻變形所引起的附加應(yīng) 力。力。 附加應(yīng)力通常分為三類：附加應(yīng)力通常分為三類：第一類：附加應(yīng)力是變形體內(nèi)各區(qū)域體積之間由不均勻變形引起的互第一類：附加應(yīng)力是變形體內(nèi)各區(qū)域體積之間由不均勻變形引起的互 相平衡的應(yīng)

13、力；相平衡的應(yīng)力；第二類：附加應(yīng)力是各晶粒之間由于其性質(zhì)、大小和方位不同，使晶粒之第二類：附加應(yīng)力是各晶粒之間由于其性質(zhì)、大小和方位不同，使晶粒之 間產(chǎn)生不均勻變形所引起的附加應(yīng)力；間產(chǎn)生不均勻變形所引起的附加應(yīng)力；附加應(yīng)力的不良后果：附加應(yīng)力的不良后果：1. 使變形體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，應(yīng)力分布更不均勻使變形體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，應(yīng)力分布更不均勻 如如 凸肚形軋輥軋制板材。凸肚形軋輥軋制板材。2.2.提高了單位變形力提高了單位變形力 不均勻變形引起附加應(yīng)力，使變形不均勻變形引起附加應(yīng)力，使變形所消耗的能量增加，從而使單位變形力增高。所消耗的能量增加，從而使單位變形力增高。3.3.使塑性降

14、低，甚至造成破壞使塑性降低，甚至造成破壞 擠壓制品表面出現(xiàn)周期性擠壓制品表面出現(xiàn)周期性的裂紋，是由第一類附加應(yīng)力形成的殘余應(yīng)力所致。的裂紋，是由第一類附加應(yīng)力形成的殘余應(yīng)力所致。4.4.造成物體形狀歪扭造成物體形狀歪扭 如薄板或薄帶軋制、薄壁型材擠壓如薄板或薄帶軋制、薄壁型材擠壓時出現(xiàn)的鐮刀彎、波浪形等。時出現(xiàn)的鐮刀彎、波浪形等。5.5.形成殘余應(yīng)力形成殘余應(yīng)力 由于附加應(yīng)力成對出現(xiàn)，彼此平衡，只由于附加應(yīng)力成對出現(xiàn)，彼此平衡，只要變形的不均勻狀態(tài)不消失，它始終存在，因此，當(dāng)外力去要變形的不均勻狀態(tài)不消失，它始終存在，因此，當(dāng)外力去除后，它仍殘留在物體內(nèi)而形成殘余應(yīng)力。除后，它仍殘留在物體內(nèi)而

15、形成殘余應(yīng)力。 三、殘余應(yīng)力三、殘余應(yīng)力引起附加應(yīng)力的外因去除后，在物體內(nèi)仍殘存的應(yīng)力叫殘余應(yīng)力。引起附加應(yīng)力的外因去除后，在物體內(nèi)仍殘存的應(yīng)力叫殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是彈性應(yīng)力，不超過材料的屈服應(yīng)力，也是相互平衡成對出殘余應(yīng)力是彈性應(yīng)力，不超過材料的屈服應(yīng)力，也是相互平衡成對出現(xiàn)的。現(xiàn)的。（一）殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因（一）殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因 1、塑性變形不均勻產(chǎn)生殘余應(yīng)力。、塑性變形不均勻產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 變形不均勻產(chǎn)生附加應(yīng)力，變形完成后，變形不均勻狀態(tài)不消失變形不均勻產(chǎn)生附加應(yīng)力，變形完成后，變形不均勻狀態(tài)不消失，附加應(yīng)力將殘留在物體內(nèi)而形成殘余應(yīng)力。，附加應(yīng)力將殘留在物體內(nèi)而形成殘余應(yīng)力。2、溫

16、度不均勻（加熱或冷卻不均勻）所引起的熱應(yīng)力以及由相變過、溫度不均勻（加熱或冷卻不均勻）所引起的熱應(yīng)力以及由相變過 程所引起的組織應(yīng)力都會引起殘余應(yīng)力。程所引起的組織應(yīng)力都會引起殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力分類：殘余應(yīng)力分類：第一類殘余應(yīng)力存在于變形體各區(qū)域之間；第一類殘余應(yīng)力存在于變形體各區(qū)域之間；第二類殘余應(yīng)力存在于各晶粒之間；第二類殘余應(yīng)力存在于各晶粒之間；第三類殘余應(yīng)力存在于晶粒內(nèi)部。第三類殘余應(yīng)力存在于晶粒內(nèi)部。（1）具有殘余應(yīng)力的物體再承受塑性變形時，其應(yīng)變分布及內(nèi)部應(yīng)力）具有殘余應(yīng)力的物體再承受塑性變形時，其應(yīng)變分布及內(nèi)部應(yīng)力分布更不均勻。分布更不均勻。（2） 縮短制品的使用壽命，當(dāng)外載作用

17、下的工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加縮短制品的使用壽命，當(dāng)外載作用下的工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加超過材料的強(qiáng)度時，使零件破壞，設(shè)備出現(xiàn)故障。超過材料的強(qiáng)度時，使零件破壞，設(shè)備出現(xiàn)故障。（3） 使制品的尺寸和形狀發(fā)生變化，當(dāng)殘余應(yīng)力的平衡受到破壞后，使制品的尺寸和形狀發(fā)生變化，當(dāng)殘余應(yīng)力的平衡受到破壞后，相應(yīng)部分的彈性變形也發(fā)生變化，從而引起尺寸和形狀變化。相應(yīng)部分的彈性變形也發(fā)生變化，從而引起尺寸和形狀變化。（4） 增加塑性變形抗力，降低塑性、沖擊韌性及抗疲勞強(qiáng)度。增加塑性變形抗力，降低塑性、沖擊韌性及抗疲勞強(qiáng)度。（5） 降低制品表面的耐蝕性，具有殘余應(yīng)力的金屬在酸液中或其他溶降低制品表面的耐蝕性，具有殘余

18、應(yīng)力的金屬在酸液中或其他溶液中的溶解速度加快。液中的溶解速度加快。殘余應(yīng)力一般是有害的，特別是表面層中具有殘余殘余應(yīng)力一般是有害的，特別是表面層中具有殘余拉應(yīng)力拉應(yīng)力的情況。但當(dāng)?shù)那闆r。但當(dāng)表面層具有殘余表面層具有殘余壓應(yīng)力壓應(yīng)力時，可以顯著提高材料的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，反而可時，可以顯著提高材料的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，反而可提高其使用性能。提高其使用性能。 （二）殘余應(yīng)力引起的后果（二）殘余應(yīng)力引起的后果1 1、 熱處理法熱處理法 采用去應(yīng)力退火可較徹底地消除殘余應(yīng)力。對第一類殘余應(yīng)力一般采用去應(yīng)力退火可較徹底地消除殘余應(yīng)力。對第一類殘余應(yīng)力一般在回復(fù)溫度下便可大部分消除，制品的硬化不受影響；第二類殘

19、余應(yīng)力，在回復(fù)溫度下便可大部分消除，制品的硬化不受影響；第二類殘余應(yīng)力，接近再結(jié)晶溫度也可完全消除；對第三類殘余應(yīng)力必須在再結(jié)晶溫度以上接近再結(jié)晶溫度也可完全消除；對第三類殘余應(yīng)力必須在再結(jié)晶溫度以上才可消除。在高溫下，去應(yīng)力退火時，應(yīng)避免晶粒長大，影響其力學(xué)性能才可消除。在高溫下，去應(yīng)力退火時，應(yīng)避免晶粒長大，影響其力學(xué)性能。2 2、機(jī)械處理方法、機(jī)械處理方法 在制品表面再產(chǎn)生一些表面變形，使殘余應(yīng)力得到一定程度的釋放在制品表面再產(chǎn)生一些表面變形，使殘余應(yīng)力得到一定程度的釋放和松弛和松弛( (如拉彎矯直、張力矯直等如拉彎矯直、張力矯直等) )，或者產(chǎn)生新的附加應(yīng)力以抵消或減弱，或者產(chǎn)生新的附

20、加應(yīng)力以抵消或減弱殘余應(yīng)力。該法只適合于消除第一類殘余應(yīng)力，實(shí)踐證明當(dāng)表面變形量殘余應(yīng)力。該法只適合于消除第一類殘余應(yīng)力，實(shí)踐證明當(dāng)表面變形量1.51.53 3左右效果最好。左右效果最好。 （三）殘余應(yīng)力的消除方法（三）殘余應(yīng)力的消除方法四、金屬的斷裂四、金屬的斷裂金屬試樣拉伸時斷裂的形式金屬試樣拉伸時斷裂的形式a)a)正斷（垂直于最大正應(yīng)力的斷裂）；正斷（垂直于最大正應(yīng)力的斷裂）； b)b)剪斷（沿最大切應(yīng)剪斷（沿最大切應(yīng)力方向的斷裂）；力方向的斷裂）； c) c) 、d)d)韌性韌性斷裂斷裂1 1、斷裂的物理本質(zhì)、斷裂的物理本質(zhì)1 1）斷裂的基本類型）斷裂的基本類型韌性斷裂和脆性斷裂。韌性

21、斷裂和脆性斷裂。2 2）微裂紋的形成機(jī)理）微裂紋的形成機(jī)理微裂紋主要來源：微裂紋主要來源：一、材料內(nèi)部原有的，如實(shí)際金屬材料內(nèi)部的氣孔、夾雜、微一、材料內(nèi)部原有的，如實(shí)際金屬材料內(nèi)部的氣孔、夾雜、微裂紋鋅缺陷；裂紋鋅缺陷；二、在塑性變形過程中，由于位播的運(yùn)動和塞積等原因而形成二、在塑性變形過程中，由于位播的運(yùn)動和塞積等原因而形成的。的。形成微裂紋的機(jī)理形成微裂紋的機(jī)理n位錯塞積理論位錯塞積理論 認(rèn)為同號位錯在前進(jìn)中認(rèn)為同號位錯在前進(jìn)中遇到障礙物遇到障礙物( (如夾雜、第二如夾雜、第二相和晶界等相和晶界等) )而產(chǎn)生塞積，而產(chǎn)生塞積，當(dāng)塞積到一定程度后，就當(dāng)塞積到一定程度后，就會在位錯塞積群前端

22、產(chǎn)生會在位錯塞積群前端產(chǎn)生一個足夠大的拉應(yīng)力從一個足夠大的拉應(yīng)力從而形成微裂紋。而形成微裂紋。n位錯反應(yīng)理論位錯反應(yīng)理論該理論認(rèn)為兩個交叉滑移面的位錯在交叉處相遇而形成該理論認(rèn)為兩個交叉滑移面的位錯在交叉處相遇而形成新位錯，這些新位錯不易運(yùn)動，當(dāng)新位錯堆積較多時，則形新位錯，這些新位錯不易運(yùn)動，當(dāng)新位錯堆積較多時，則形成微裂紋。成微裂紋。n位錯消毀理論位錯消毀理論 該理論認(rèn)為異號位錯在距離很近時兩個滑移面上相對滑該理論認(rèn)為異號位錯在距離很近時兩個滑移面上相對滑移，則在交錯處互毀，形成微裂紋移，則在交錯處互毀，形成微裂紋) )。n微裂紋形成理論的基本出發(fā)點(diǎn)，是認(rèn)為金屬在切應(yīng)力作用微裂紋形成理論的

23、基本出發(fā)點(diǎn)，是認(rèn)為金屬在切應(yīng)力作用下首先發(fā)生位錯運(yùn)動，然后內(nèi)于不同的原因而造成位錯受阻。下首先發(fā)生位錯運(yùn)動，然后內(nèi)于不同的原因而造成位錯受阻。由于位錯塞積群的彈性應(yīng)力場中的拉應(yīng)力而產(chǎn)生小孔隙，孔由于位錯塞積群的彈性應(yīng)力場中的拉應(yīng)力而產(chǎn)生小孔隙，孔隙積累而形成微裂紋。隙積累而形成微裂紋。實(shí)驗(yàn)表明在容易造成位錯塞積的地方，如晶界；亞晶界、實(shí)驗(yàn)表明在容易造成位錯塞積的地方，如晶界；亞晶界、孿晶界、夾雜物或第二相與其體相交界面等處，通常會首先孿晶界、夾雜物或第二相與其體相交界面等處，通常會首先形成微裂紋。形成微裂紋。n塑性加工中金屬的斷裂塑性加工中金屬的斷裂塑性成形中的摩擦特點(diǎn)：1、接觸面單位壓力高

24、塑性成形時的摩擦接觸面上壓力很高，熱塑性時達(dá)500MPa，鋼冷擠壓時高達(dá)2500MPa。而機(jī)械傳動中重載軸承的工作壓力一般為2040MPa。接觸面壓力愈高，潤滑劑易擠出和失效，降低了潤滑效果。2、伴隨著塑性變形 塑性成形的摩擦接觸面因金屬的塑性流動，接觸狀態(tài)不斷變化，同時會產(chǎn)生新的接觸面。而機(jī)械傳動是接觸面不變的彈性接觸。3、在高溫下進(jìn)行 鋼材熱塑性加工溫度一般為8001200，這時，接觸表面會產(chǎn)生金屬氧化、模具軟化、潤滑劑分解等復(fù)雜的物理化學(xué)變化。第四節(jié)第四節(jié) 金屬塑性成形中的摩擦和潤滑金屬塑性成形中的摩擦和潤滑一、金屬塑性成形中摩擦的特點(diǎn)及其影響1. 改變應(yīng)力狀態(tài)，增大變形抗力改變應(yīng)力狀態(tài)

25、，增大變形抗力 例如單向壓縮時，若工具與坯料無摩擦存在，則坯料受單向應(yīng)力狀例如單向壓縮時，若工具與坯料無摩擦存在，則坯料受單向應(yīng)力狀態(tài)；若存在摩擦?xí)r，則變成三向應(yīng)力狀態(tài)，且使端面壓應(yīng)力增加才能屈態(tài)；若存在摩擦?xí)r，則變成三向應(yīng)力狀態(tài)，且使端面壓應(yīng)力增加才能屈服，因而變形抗力增加。服，因而變形抗力增加。2. 引起不均勻變形，產(chǎn)生附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力引起不均勻變形，產(chǎn)生附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力 在擠壓桿件時，由于擠壓筒壁摩擦力的影響，使坯料邊緣處的流在擠壓桿件時，由于擠壓筒壁摩擦力的影響，使坯料邊緣處的流動比中間慢，造成邊緣受拉伸而中間受壓縮的附加應(yīng)力。動比中間慢，造成邊緣受拉伸而中間受壓縮的附加應(yīng)力。3.

26、 降低模具壽命降低模具壽命 摩擦必然帶來磨損，同時摩擦熱引起模具軟化，以及變形抗力增加摩擦必然帶來磨損，同時摩擦熱引起模具軟化，以及變形抗力增加使模具工作應(yīng)力增加，都會降低模具壽命。使模具工作應(yīng)力增加，都會降低模具壽命。在多數(shù)情況下是有害的，具體表現(xiàn)如下：在多數(shù)情況下是有害的，具體表現(xiàn)如下：塑性成形中的摩擦的作用塑性成形中的摩擦的作用 但是在塑性成形中也常常應(yīng)用摩擦的有益作用。但是在塑性成形中也常常應(yīng)用摩擦的有益作用。 例如，模鍛中利用飛邊槽橋部的摩擦力來保證模膛充滿，滾鍛和軋例如，模鍛中利用飛邊槽橋部的摩擦力來保證模膛充滿，滾鍛和軋制時依靠足夠的摩擦使坯料被咬入軋輥。制時依靠足夠的摩擦使坯料

27、被咬入軋輥。二、塑性成形中的摩擦分類及機(jī)理二、塑性成形中的摩擦分類及機(jī)理（一）塑性成形中的摩擦分類（一）塑性成形中的摩擦分類 根據(jù)塑性成形中坯料與工具表面之間的潤滑狀態(tài)的不同，摩擦可分為三類，根據(jù)塑性成形中坯料與工具表面之間的潤滑狀態(tài)的不同，摩擦可分為三類，即干摩擦、邊界摩擦和流體摩擦，由此還可以派生出混合型摩擦。即干摩擦、邊界摩擦和流體摩擦，由此還可以派生出混合型摩擦。1 1、干摩擦、干摩擦 通常所說的干摩擦是指不加任何潤滑劑的摩擦。通常所說的干摩擦是指不加任何潤滑劑的摩擦。 2、 邊界摩擦邊界摩擦 接觸表面之間存在很薄的潤滑膜，凸凹不平的坯料表面凸接觸表面之間存在很薄的潤滑膜，凸凹不平的坯

28、料表面凸起部分被壓平，潤滑劑被壓入凹坑中，被封存在里面，如圖起部分被壓平，潤滑劑被壓入凹坑中，被封存在里面，如圖18-8b18-8b。大多數(shù)塑性。大多數(shù)塑性成形的摩擦屬于邊界摩擦。成形的摩擦屬于邊界摩擦。 3 3、流體摩擦、流體摩擦 兩表面的微觀凸凹部分不直接接觸，完全被潤滑劑隔開的潤滑兩表面的微觀凸凹部分不直接接觸，完全被潤滑劑隔開的潤滑叫流體潤滑，該狀態(tài)下的摩擦叫流體摩擦，如圖叫流體潤滑，該狀態(tài)下的摩擦叫流體摩擦，如圖18-8c18-8c。 流體摩擦與干摩擦和邊界摩擦有著本質(zhì)的區(qū)別，其摩擦特征與所加潤滑劑的流體摩擦與干摩擦和邊界摩擦有著本質(zhì)的區(qū)別，其摩擦特征與所加潤滑劑的性質(zhì)和相對速度有關(guān)

29、，而與接觸表面的狀態(tài)無關(guān)。性質(zhì)和相對速度有關(guān)，而與接觸表面的狀態(tài)無關(guān)。 圖圖18-818-8 摩擦分類示意圖摩擦分類示意圖a) 干摩擦干摩擦b) 邊界邊界摩擦摩擦c) 流體摩擦流體摩擦塑性成形過程中的摩擦是非常復(fù)雜的，目前關(guān)于摩擦機(jī)理塑性成形過程中的摩擦是非常復(fù)雜的，目前關(guān)于摩擦機(jī)理（即摩擦產(chǎn)生的原因）有三種學(xué)說。（即摩擦產(chǎn)生的原因）有三種學(xué)說。圖18-9 接觸表面凹凸不平機(jī)械咬合機(jī)理示意圖（二）摩擦機(jī)理（二）摩擦機(jī)理1 1、表面凹凸學(xué)說、表面凹凸學(xué)說 摩擦是由接觸面上凹凸形狀引起的。經(jīng)過機(jī)械加工的表面并非絕對平坦光滑，都有不同程度的微觀凸峰和凹坑，當(dāng)微觀粗糙的兩表面接觸時，一個表面的凸峰可能

30、會陷入另一表面的凹坑，產(chǎn)生機(jī)械咬合， 2. 分子吸附學(xué)說分子吸附學(xué)說 摩擦是接觸面上分子相互吸引的結(jié)果。 兩接觸面越光滑，實(shí)際接觸面積就越大，分子吸引力就越強(qiáng)，則摩擦力就越大。該學(xué)說解釋了凸凹學(xué)說無法解釋的表面越光滑，摩擦力不降低反而提高的現(xiàn)象。3. 粘附理論粘附理論 摩擦是接觸面上粘接或焊合的結(jié)果。 兩表面接觸時，若接觸面上某些接觸點(diǎn)處壓力很大，以致發(fā)生粘接或焊合，當(dāng)兩表面有相對運(yùn)動時，需切斷粘接或焊合點(diǎn)而產(chǎn)生相對滑動。 現(xiàn)代摩擦學(xué)理論認(rèn)為：摩擦力不僅包含有剪切接觸面上機(jī)械咬合所產(chǎn)生的阻力，而且包含有表面分子吸附作用的吸引力及切斷粘接點(diǎn)所產(chǎn)生的阻力。對于流體摩擦，摩擦力主要表現(xiàn)在潤滑劑層之間

31、的流動阻力。 三、塑性成形時摩擦力的計(jì)算三、塑性成形時摩擦力的計(jì)算 1. 庫倫摩擦條件 不考慮接觸表面的粘合現(xiàn)象，認(rèn)為單位面積上的摩擦力與接觸面上的正應(yīng)力成正比，即 NKmaxNYYK）（3121577. 05 . 0 實(shí)際上摩擦切應(yīng)力不能隨 的增大而無限地增大，當(dāng) 時接觸面將產(chǎn)生塑性流動。此時 的極限值為材料真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線上的屈服應(yīng)力 。根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則， 故由式（18-1）可確定摩擦系數(shù)的 極限值為 。式（18-1）適合正壓力不太大、變形量較小的的冷成形工序。 N（18-1）2. 最大摩擦力條件 當(dāng)接觸表面沒有相對滑動，完全處于粘合狀態(tài)時，摩擦的應(yīng)力等于坯料塑性流動時的最大切應(yīng)力

32、，即 KYK2（18-2）YY5 . 0Y577. 0式中， 為坯料的流動應(yīng)力，即屈服應(yīng)力。 根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則， 在軸對稱的情況下，在平面變形條件下，式（18-2）適合于熱變形3. 摩擦力不變條件 認(rèn)為接觸面上的摩擦力不變，是一個常數(shù)，即 mK（18-3）m1m式中， 稱為摩擦因子，上式與式（18-2）相比，當(dāng) 時，兩條件一致。式（18-3）適合于摩擦系數(shù)低于最大值的三向應(yīng)力顯著的塑性成形過程，如擠壓、變形量大的鐓粗、模鍛等。1. 金屬的種類和化學(xué)成分 材料的硬度、強(qiáng)度越高，摩擦系數(shù)就越小。2. 工具表面狀態(tài) 工具表面越光滑，摩擦系數(shù)就越小。若接觸表面都非常光滑，分子吸附作用增強(qiáng)，反而會引起摩擦系數(shù)的增加，但這種情況，在塑性成形中并不常見。3.變形溫度 變形溫度對摩擦系數(shù)的影響很復(fù)雜。因?yàn)樽冃螠囟茸兓瘯r，材料的強(qiáng)度、硬度及接觸面上氧化膜的性能都會發(fā)生變化。一般認(rèn)為，開始時摩擦系數(shù)隨溫度升高而增加