外摩擦對金屬流動與應力分布的影響

1、外摩擦對金屬流動與應力分布的影響一、專業(yè)知識預習金屬塑性加工中，工具與工件的接觸面上，不可防止的會發(fā)生相對滑動或有相對滑動趨 勢，因此在接觸面上就會存在阻礙這種滑動的摩擦，這種發(fā)生在金屬工具與工件相接觸外表 之間的，阻礙金屬自由流動的摩擦，稱為外摩擦。與i般機械摩擦相比較，塑性加工過程中外摩擦的特性有：1)接觸外表所受壓強大，熱變形時有1015kg/mnR冷變形可達5()250 kg/mm 2。因為 壓強大，接觸外表要壓扁，凸牙凹坑的相互咬合很厲害，故摩擦系數(shù)較高。另外，大壓強下 也容易將潤滑劑擠走或壓成極薄一層，這就使得金屬塑性加工中，為減少摩擦而使用的潤滑 劑具有一定的特殊性。2)外表有更

2、新作用，因為金屬要產(chǎn)生塑性變形而外表不斷獷大，致使內(nèi)外表不斷涌出。 這種在變形過程中時刻形成的新外表及舊外表不斷遭受破壞，使金屬塑性加工過程中的摩擦 情況是不斷變化的。另外，工具在加工過程中也不斷遭受磨損，促使工具外表情況在使用過 程中不斷發(fā)生變化，這也直接影響摩擦情況的改變。3)外表組織是變化的，熱變形時金屬被加熱到很高的溫度，其外表被氧化而生成氧化層， 塑性變形時此氧化層因外表擴大而脫落，由于溫度高且露置于空氣中又要生成新的氧化物。 原生氧化物與次生氧化物的形成條件的不同，結構組織也不同。另外，冷變形時，晶粒的破 碎、點陣的歪扭，也引起外表層附近金屬組織狀態(tài)的改變。由于外表組織的改變，既使

3、加工 時摩擦情況不斷變化著，也使加工時的外摩擦不僅是個外表問題，而且與外表層附近金屬晶 體結構與狀態(tài)相關。4)摩擦對的性質相差較大，工具甚硬，被加工金屬相對而言柔軟得多，二者性質相差懸 殊，也使金屬塑性加工時的外摩擦特殊。5)接觸外表溫度高，熱變形過程中，有時溫度可高達千度，低的也有數(shù)百度，即使是冷 變形，也因瞬時變形可造成溫度的急劇提高。例如，曾測出在潤滑情況不佳時，接觸外表某 個凸凹點因塑性變形、切斷而造成的瞬時溫升的典型數(shù)值是：當速度為3m/s時是300C； 當速度為IOm/s時是1000C。雖說一般情況下速度較低，沒有上述那樣高的瞬時溫升，但 因溫度的變化太劇烈，也使摩擦情況受到影響，

4、故應對此種溫升的作用給予足夠的重視。接觸摩擦對塑性加工過程有著很大的影響。除少數(shù)情況(如軋制、短鍛、模鍛時的匕邊) 能起積極作用外，大多數(shù)情況下是有害因素：(I)接觸摩擦引起不均勻變形。例如坯料取粗時，在坯料與工具接觸的上下端面附近造 成難變形區(qū)，結果使變形體分為變形程度不同的幾個區(qū)域。出于變形的不均勻，不僅最后使 工件得到不均勻的組織和性能，而且會引起附加應力：附加拉應力嚴重時會使工件開裂。(2)接觸摩擦會改變變形體的應力狀態(tài)。例如，無摩擦鎖粗是單向壓應力狀態(tài)，而有摩 擦徽粗卻是三向壓應力狀態(tài)。因而，接觸摩擦增大了變形力和變形功，增加能耗。(3)接觸摩擦降低了工具壽命。由于工具接觸外表的直接

5、摩損，附加發(fā)熱及由于變形力 引起的應力增大所造成的。為了減輕接觸摩擦引起的種種有害作用，迫使人們采取潤滑，即在工具和變形金屬的接 觸面上涂上潤滑劑。這樣，就使金屬塑性加工技術復雜化。隨著金屬塑性加工技術的開展，尤其是一些新工藝、新材料的出現(xiàn)，摩擦與潤滑問題顯 得H益重要。要求人們?nèi)ソ鉀Q更加苛刻的條件下的摩擦和潤滑問題。二、實驗目的通過帶凹槽的鋼錘頭壓縮圓柱體鉛試樣，了解接觸外表摩擦對接觸面上金屬質點流動及 接觸面上應力分布的影響，為以后深入了解變形體的應力應變狀況打下實驗基礎。三、實驗原理圓柱體試樣（h/dl）平錘壓縮時，在壓縮力P 的作用下，工件受到壓縮而使高度減少，橫截面積 增加，由于接觸

6、面附近的金屬變形時流動困難，而 使圓柱體工件變成鼓形（如圖2-2所示）。圖中do為壞料的原始直徑，dmin為變形后接觸 外表的直徑，接觸外表直徑增大，不僅是由于接觸 外表上質點的移動，而且由于金屬從側面局部的轉 移到接觸外表的結果，這點可由壓縮端部涂色的圓 柱體試樣，變形后看到的圓柱體端部接觸外表上出 現(xiàn)新外環(huán)而得到證實。圖2-2接觸的粘著滑動及側面局部載移情況圖2-2中AC環(huán)為滑動（這里的各個命名是從 變形流動規(guī)律來區(qū)分的，與本課程后面將要講到的 按摩擦規(guī)律來區(qū)分有差異，下同），在此區(qū)內(nèi)金屬質 點相對工具有相對移動，變形后接觸外表增加量BD 環(huán)（dB=d0）由兩局部組成，BC環(huán)為滑動區(qū)內(nèi)金屬

7、 質點移動多構成，CD環(huán)依靠側面金屬局部轉移到接 觸外表所構成。圖中0A的圓面積局局部為粘著區(qū)， 由于外摩擦影響強烈，在此區(qū)域內(nèi)接觸外表上的金 屬質點對工具完全不產(chǎn)生相對移動，好像彼此粘在 一起，故稱為粘著區(qū)，實際上在此區(qū)域內(nèi)接觸外表 附近的金屬由于受到很大的外摩擦阻力而不發(fā)生塑 性變形（或變形很小可以忽略），并且這種影響還擴 展至一定深度，構成所謂“難變形區(qū)”，由于外摩擦的影響是沿徑向，（或寬度方向）由側面 向中心逐漸增強，沿高度由端面向中心逐漸減弱，所以通常想象變形區(qū)的形狀為以粘著區(qū)為 基底的圓錐形（圖2-3中的I區(qū)），在此情況下可將變形區(qū)整個體積大致分為三個區(qū)域：I 區(qū)表示外摩擦影響強烈

8、的難變形區(qū)，II區(qū)表示與作用力成45角的最有利變形的易變形區(qū)， 【II圖2-2接觸的粘著滑動及側面局部載移情況由于外摩擦的影響，不僅使變形不均勻，而且也使接觸外表的應力（或單位壓力）分 布不均勻（圖23下部曲線所示）；沿試樣邊緣，由于不受外摩擦的影響，所以其應力等于 金屬的屈服強度。s，由邊緣向中部位，應力逐漸升高，此一情景，可用帶有凹槽的鋼錘頭 壓縮鉛試樣的實驗得以證實（圖2-3、圖2-4）。接觸外表上的應力所以呈現(xiàn)以上的分布規(guī)律，可做如下解釋：如圖2-3所示，當外層1 受到壓力后，一面變形，一面向外移動，由于摩擦力的影響，使其移動受到阻礙，因而使外 層1對第2層產(chǎn)生了橫向阻力，2層所需壓力

9、量要比第1層增加，因為除了第2層變形的壓 力外，還需要克服第1層給第2層的橫向阻力；第3層處于更不利的情況；因為要使其變形, 必須克服第1層和地2層應力狀態(tài)的不同，可用Trcsca屈服條件來解釋（同學們自己分析）。123 45 54 321K 與？h/D1圖123 45 54 321K 與？h/D1圖2-4平錘壓縮時單位壓力分布圖圖2-4平錘壓縮時單位壓力分布圖圖圖2-4平錘壓縮時單位壓力分布圖四、實驗設備及材料L設備：60T材料實驗機；2.材料：壓縮試驗模具一套；圓柱體鉛試樣假設干個：游標卡尺和鋼尺一把；機油，松香粉及清洗錠坯和工具用汽油。五、實驗內(nèi)容及步驟.在60T材料試驗機上，用帶凹槽的

10、鋼錘頭，壓縮兩個高徑比相同的圓柱體鉛試樣， 一個的接觸外表上涂上潤滑劑（如機油），另一個試樣的接觸外表上涂上松香粉，壓縮均取 7075% 左右;.實驗前測量實驗的高度和直徑，實驗時記錄下最大壓縮力。實驗后，沿試樣接觸徑 向上，再選擇45個測量點，用游標卡尺測量鉛流入凹槽的深度值以及繪制成曲線，測量粘 著區(qū)、滑動區(qū)和側翻區(qū)的有關直徑值。六、實驗報告要求實驗后每位同學必須書寫實驗報告，報告要寫明實驗名稱，只要內(nèi)容應包括：.目的；.實驗設備型號及有關參數(shù)，試樣材質及原始尺寸，壓縮后的尺寸并計算壓縮率；.實驗結果集解釋：a）將實驗結果列表并繪制出曲線或圖形（分區(qū)示意圖）；b）對上述現(xiàn)象簡明的解釋。.結論：制出摩擦力對接觸面上金屬質點流動（粘著、滑