第8講變形不均勻概念

金屬塑性變形理論

Theoryofmetalplasticdeformation

第八講LessonEight張貴杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092/1/20231第五章塑性變形的不均勻性主要內(nèi)容MainContent變形不均勻的基本概念變形不均勻的原因及防止措施殘余應(yīng)力2/1/202325.1變形不均勻的基本概念均勻變形與不均勻變形

基本應(yīng)力與附加應(yīng)力研究變形分布的方法2/1/20233均勻變形與不均勻變形均勻變形若變形區(qū)內(nèi)金屬各質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)相同，即它們相應(yīng)的各個(gè)軸向上變形的發(fā)生情況，發(fā)展方向及應(yīng)變量的大小都相同，這個(gè)體積的變形可視為均勻的。2/1/20234均勻變形的特點(diǎn)變形前體內(nèi)的直線和平面，變形后仍然是直線和平面；變形前彼此平行的直線和平面，變形后仍然保持平行；任何一個(gè)二階曲面變形后仍為二階曲面，其中變形前的球體于變形后變?yōu)闄E球體；兩個(gè)幾何相似且位置相似的單元體，于變形后仍保持幾何相似。2/1/20235均勻變形2/1/20236均勻變形的條件：變形物體的物理性質(zhì)必須均勻且各向同性；整個(gè)物體任何瞬間承受相等的變形量；接觸表面沒(méi)有外摩擦，或沒(méi)有接觸摩擦所引起的阻力；整個(gè)變形體處于工具的直接作用下，即處于無(wú)外端的情況下。2/1/20237要全面滿足以上條件，嚴(yán)格說(shuō)是不可能的，因此，不均勻變形是絕對(duì)的。例如，擠壓或拉伸棒材的后端凹入；平砧下鐓粗圓柱體時(shí)出現(xiàn)的鼓形，板材軋制時(shí)易出現(xiàn)舌頭和魚(yú)尾等均表明變形體橫斷面上延伸都是不均勻的。這對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程有著重大影響。因此必須對(duì)不均勻變形規(guī)律加以研究，以便采取各種有效措施來(lái)防止或減輕其不良后果。2/1/20238單鼓形雙鼓形2/1/20239軋件頭尾凸形軋件頭部鐮刀彎2/1/202310磨損后的凹形軋輥上軋制矩形坯的情形2/1/202311基本應(yīng)力與附加應(yīng)力金屬塑性變形時(shí)變形物體內(nèi)變形的不均勻分布，不但能使物體外形歪扭和內(nèi)部組織不均勻，而且還使變形物體內(nèi)的應(yīng)力分布也不均勻。此時(shí)，除基本應(yīng)力外，還產(chǎn)生附加應(yīng)力。2/1/202312基本應(yīng)力由于外力作用所引起的應(yīng)力叫做基本應(yīng)力，表示這種應(yīng)力分布的圖形叫做基本應(yīng)力圖?；蛭矬w在塑性變形狀態(tài)中，完全根據(jù)彈性狀態(tài)所測(cè)出的應(yīng)力叫做基本應(yīng)力。2/1/202313附加應(yīng)力由于物體內(nèi)各處的不均勻變形受到物體整體性的限制，而引起在其間相互平衡的應(yīng)力叫做附加應(yīng)力2/1/202314工作應(yīng)力工作應(yīng)力是處于應(yīng)力狀態(tài)的物體在變形時(shí)用各種方法實(shí)測(cè)出來(lái)的應(yīng)力，其分布圖為工作應(yīng)力圖。當(dāng)物體的變形絕對(duì)均勻時(shí)，基本應(yīng)力圖與工作應(yīng)力圖相同。而當(dāng)變形呈不均勻分布時(shí)，工作應(yīng)力等于基本應(yīng)力與附加應(yīng)力的代數(shù)和。2/1/202315擠壓時(shí)金屬流動(dòng)(a)及縱向應(yīng)力分布(b)、(c)圖(b)附加應(yīng)力較小時(shí)(c)附加應(yīng)力較大時(shí)實(shí)線為基本應(yīng)力，虛線為附加應(yīng)力，點(diǎn)劃線為工作應(yīng)力2/1/202316在凸形軋輥上軋制矩形坯的情形2/1/202317殘余應(yīng)力應(yīng)當(dāng)明確，基本應(yīng)力是在外力作用下與瞬時(shí)加載(或卸載)所發(fā)生的彈性變形相對(duì)應(yīng)，故當(dāng)外力去除后這部分彈性變形恢復(fù)，基本應(yīng)力便立刻消失。而附加應(yīng)力，是在不均勻變形受物休整體性阻礙而發(fā)生的、在物體內(nèi)自相平衡的內(nèi)力(與此內(nèi)力相對(duì)應(yīng)便在物體內(nèi)呈平衡存在彈性變形或畸變)，并不與外力發(fā)生直接關(guān)系，所以當(dāng)外力去除，變形終止后，仍繼續(xù)保留在變形物體內(nèi)部。這樣，在塑性變形完畢后仍保留于物體內(nèi)的自相平衡的應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。2/1/202318在金屬整體性的阻礙下，在趨向產(chǎn)生較大變形的金屬層中要產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，而在趨向產(chǎn)生較小變形的金屬層中，就產(chǎn)生附加拉應(yīng)力。2/1/202319附加應(yīng)力的分類按宏觀級(jí)、顯微級(jí)和原子級(jí)的變形不均勻性可把附加應(yīng)力分為下述三種：第一種附加應(yīng)力，在變形物體的大部分體積之間由不均勻變形所引起的彼此平衡的附加應(yīng)力。上述圖示的例子即屬于此類。2/1/202320第二種附加應(yīng)力為在變形物體內(nèi)兩個(gè)或幾個(gè)相鄰晶粒之間由不均勻變形所引起的彼此平衡的附加應(yīng)力。2/1/202321第三種附加應(yīng)力為在滑移面附近或在滑移帶中由各部分彼此之間平衡起來(lái)的晶格畸變所引起的附加應(yīng)力，也就是說(shuō)在一個(gè)晶粒內(nèi)由于變形不均所引起的附加應(yīng)力。2/1/202322溶質(zhì)原子與位錯(cuò)間的交互作用刃型位錯(cuò)周圍的應(yīng)力場(chǎng)2/1/202323研究變形分布的方法網(wǎng)格法硬度法比較晶粒法其他方法2/1/202324網(wǎng)格法它是研究金屬塑性加工中變形區(qū)內(nèi)金屬流動(dòng)情況應(yīng)用最廣的方法。這種方法是于變形前在試樣的表面上或內(nèi)部的剖面上用某種方法刻上坐標(biāo)網(wǎng)，變形后測(cè)量和分析坐標(biāo)網(wǎng)的變化，確定變形物體各處的變形大小及分布。其實(shí)質(zhì)是觀察變形前后，各網(wǎng)格所限定的區(qū)域金屬幾何形狀的變化。從圖示中網(wǎng)格的變化看出鐓粗時(shí)圓柱體變形的不均勻情況。目前網(wǎng)格法可作定量分析。2/1/202325組合圓柱體的鐓粗時(shí)網(wǎng)格的變形

2/1/202326在用網(wǎng)格法研究金屬的變形分布時(shí)可把網(wǎng)的每個(gè)單元看作是變形區(qū)的單元，在整個(gè)變形過(guò)程中承受均勻變形。坐標(biāo)網(wǎng)可以是立體的，也可以是平面的。平面坐標(biāo)網(wǎng)可以是連續(xù)的或分開(kāi)的。分開(kāi)的坐標(biāo)網(wǎng)的單元或者是正方形，或者是圓形。圓形在變形過(guò)程中變成橢圓形，此橢圓軸的尺寸和方向反映了主變形的大小和方向。2/1/202327對(duì)正方形網(wǎng)格來(lái)講，當(dāng)其軸在變形前后始終與主軸重合時(shí)，則此正方形于變形后變?yōu)榫匦?，此正方形的?nèi)切圓變?yōu)闄E圓，此橢圓的軸與矩形的軸相重合。若主軸的方向相對(duì)原來(lái)正方形的軸發(fā)生了變化，則此正方形將變?yōu)槠叫兴倪呅危似叫兴倪呅蔚膬?nèi)接圓為橢圓形，此橢圓的軸與新的主軸相重合。2/1/202328坐標(biāo)網(wǎng)的方格變化情形2/1/202329金屬通過(guò)凹模擠壓的變形分布2/1/202330硬度法此法的基本原理是：在冷變形情況下，變形金屬的硬度隨變形程度的增加而提高；從圖示可見(jiàn)，中心部分的硬度最高，接觸表層的硬度則較小，越靠近表面的中心越小。在中心部分的同一層上，靠試樣中部硬度比最外部（邊部）大。這正好說(shuō)明鐓粗時(shí)三個(gè)區(qū)的存在。2/1/202331比較晶粒法此法的實(shí)質(zhì)是根據(jù)再結(jié)晶退火后的晶粒大小，與退火前的變形程度的關(guān)系，來(lái)判斷各部位變形的大小。變形越大，再結(jié)晶后晶粒越小。利用再結(jié)晶圖，近似地得出變形體內(nèi)各處的變形程度。此法也只能定性地顯示變形分布情況。對(duì)于熱變形，因該過(guò)程中