第三章 金屬塑性加工的宏觀規(guī)律

第二章金屬塑性加工的宏觀規(guī)律2.1最小阻力定律2.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素2.3不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力2.1最小阻力定律金屬塑性加工時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)規(guī)律可以應(yīng)用最小阻力定律分析。最小阻力定律可表述為：變形過程中，當(dāng)變形體中的質(zhì)點(diǎn)有可能沿著不同的方向發(fā)生流動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)將向著阻力最小的方向流動(dòng)。即“做最少的功，走最短的路”。最小阻力定律實(shí)際上是力學(xué)質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)的普遍原理，它可以定性地用來分析金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)方向。利用最小阻力定律可以推斷，任何形狀的物體只要有足夠的塑性，都可以在平錘頭下鐓粗使坯料逐漸接近于圓形。這是因?yàn)樵阽叴謺r(shí)，金屬流動(dòng)距離越短，摩擦阻力也越小。圖2-1所示方形坯料鐓粗時(shí)，沿四邊垂直方向摩擦阻力最小，而沿對(duì)角線方向阻力最大，金屬在流動(dòng)時(shí)主要沿垂直于四邊方向流動(dòng)，很少向?qū)蔷€方向流動(dòng)，隨著變形程度的增加，斷面將趨于圓形。由于相同面積的任何形狀總是圓形周邊最短，因而最小阻力定律在鐓粗中也稱為最小周邊法則。圖2-1鐓粗時(shí)的變形趨向

圖2-2矩形斷面棱柱體鐓粗時(shí)的金屬流動(dòng)模型通過調(diào)整某個(gè)方向的流動(dòng)阻力來改變某些方向上金屬的流動(dòng)量，以便合理成形，消除缺陷。例如，在模鍛中增大金屬流向分型面的阻力，或減小流向型腔某一部分的阻力，可以保證鍛件充滿型腔。在模鍛制坯時(shí)，可以采用閉式滾擠和閉式拔長模膛來提高滾擠和拔長的效率。圖2-3開式模鍛的金屬流動(dòng)模型圖2-4矩形截面拔長時(shí)送進(jìn)量對(duì)金屬流動(dòng)的影響圖2－5不同寬度坯料軋制時(shí)寬展情況圖2－6軌輥直徑不同時(shí)軋件變形區(qū)縱橫方向阻力圖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(nèi)部溫度分布不均變形體的外端金屬性質(zhì)不均的影響2.2影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素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(dòng)特性并使應(yīng)力分布受到影響。鐓粗時(shí)的分區(qū)圓柱體鐓粗時(shí)，由于接觸面上有摩擦存在，在接觸表面附近金屬流動(dòng)困難，圓柱形坯料轉(zhuǎn)變成鼓形。在此情況下，可將變形金屬整個(gè)體積大致分為三個(gè)區(qū)：Ⅰ區(qū)表示由外摩擦影響而產(chǎn)生的難變形區(qū)；Ⅱ區(qū)表示與作用力成45°角的最有利方位的易變形區(qū)；Ⅲ區(qū)表示變形程度居于中間的自由變形區(qū)。鐓粗時(shí)摩擦力對(duì)變形及應(yīng)力分布的影響應(yīng)力分布不均外摩擦不僅影響變形，而且使接觸面上的應(yīng)力（或單位壓力）分布不均勻，沿試樣邊緣的應(yīng)力等于金屬的屈服極限，從邊緣到中心部分，應(yīng)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(yīng)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。圖2-8圓環(huán)鐓粗的金屬流動(dòng)(a)變形前(b)摩擦系數(shù)很小或?yàn)榱?c)有摩擦側(cè)面翻平變形物體在壓縮時(shí)，由于接觸摩擦的作用，在出現(xiàn)單鼓形的同時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)側(cè)表面的金屬局部地轉(zhuǎn)移到接觸表面上來的側(cè)面翻平現(xiàn)象。隨著壓下率的增加，aa和bb部分由側(cè)表面逐步地轉(zhuǎn)移到端面上來。此側(cè)面翻平現(xiàn)象發(fā)生在側(cè)表面面積的減小量大于接觸面面積的增加量的時(shí)候。如果接觸面面積增加量大于側(cè)面的減小量時(shí)，則因新的接觸面的形成將不再吸收側(cè)面的多余面積。圓柱體垂直剖面上坐標(biāo)網(wǎng)格在鐓粗過程中的變化由此可見，物體在壓縮時(shí)接觸面積的增加，可由接觸表面上金屬質(zhì)點(diǎn)滑動(dòng)和側(cè)面質(zhì)點(diǎn)翻平兩部分組成。側(cè)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(zhì)點(diǎn)越不易滑動(dòng)，因而側(cè)面金屬轉(zhuǎn)移上來的數(shù)量就越多。試樣的高度越大，側(cè)面金屬越易于轉(zhuǎn)移到接觸表面上來。當(dāng)試樣的高度大于直徑時(shí)，接觸面積的增加將主要是由側(cè)面金屬的轉(zhuǎn)移所造成。粘著現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)結(jié)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H／D較大時(shí)，則在端面的中心部位有一區(qū)域，在此區(qū)域上金屬質(zhì)點(diǎn)對(duì)工具完全不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)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(gòu)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)”。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(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明：鐓粗圓柱體時(shí)，當(dāng)試樣原始高度與直徑比H/d<2.0時(shí)才發(fā)生上述的單鼓形不均勻變形。當(dāng)坯料高度較大且變形程度甚小時(shí)(當(dāng)H/d＞2.0時(shí))，則往往只產(chǎn)生表面變形，而中間層的金屬不產(chǎn)生塑性變形或塑性變形甚小，結(jié)果導(dǎo)致形成雙鼓形。

圖2-9鋼球壓縮時(shí)的流線圖2-10受塑壓時(shí)物體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)滑移變形的近似模型當(dāng)在平行的平錘間塑壓圓柱體時(shí)，以接觸表面為底作一個(gè)高度為底邊尺寸一半的等腰直角三角形，這個(gè)錐體稱為基本錐或主錘，它的兩個(gè)邊與作用力呈45°角。塑壓時(shí)柱體首先在主錐附近產(chǎn)生塑性變形，因?yàn)檠?5°角剪應(yīng)力最大，最易滑移。隨著變形的繼續(xù)，在主錐內(nèi)外都可能產(chǎn)生滑移。主錐內(nèi)的內(nèi)部線因?yàn)榘l(fā)生在靠近接觸表面處的難變形區(qū)附近，這個(gè)區(qū)靜水壓力高，產(chǎn)生變形所需能量多，即需要大的壓力；主錐外的外部線雖發(fā)生在靜水壓較小的易變形區(qū)內(nèi)，但要向外，向深處擴(kuò)充時(shí)，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(nèi)部線、外部線皆能發(fā)生，誰占優(yōu)勢(shì)，由兩主錐間距離h2而定圖2-11h2值對(duì)變形的影響當(dāng)h2>0，即H／D>1時(shí)，上下主錘不接觸，這時(shí)外部線發(fā)生的條件較好，變形時(shí)外部線多，即形成明顯單鼓形。但當(dāng)h2>>O，即H／D>>1時(shí)，兩主錐相距遠(yuǎn)，外部線雖易發(fā)生但又難以深入，變形在主錐與接觸表面附近發(fā)生，因而形成雙鼓形的表面變形，并且接觸表面粘著厲害。當(dāng)h2＝0，即H／D＝1時(shí)，雖然內(nèi)部線產(chǎn)生較困難，但兩主錐的外部錢發(fā)生了干擾，故內(nèi)、外部線都能產(chǎn)生并集中在45°線的附近，因之形成明顯的單鼓形，這時(shí)，表面粘著減小，出現(xiàn)滑動(dòng)，變形較均勻，但變形所需之力增加了。當(dāng)h2<0時(shí)，即H／D<1，上下兩主錐相互插入（圖2-11(d)），彼此的外部線干擾很厲害，內(nèi)部線則相應(yīng)地增加，此時(shí)，圓柱體的高度較小，滑移幾乎遍及整體，變形趨向均勻，接觸表面的粘著區(qū)進(jìn)一步縮小而可能出現(xiàn)全滑動(dòng)，變形雖較均勻，但所需外力大大增加了。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(dòng)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(gè)方向流動(dòng)的阻力有差異，因而金屬向各個(gè)方向的流動(dòng)（即變形量）也有相應(yīng)差別。如圖所示，在圓形砧或V型砧中拔長圓斷面坯料時(shí)，工具的側(cè)面壓力使金屬沿橫向流動(dòng)受到很大的阻礙，被壓下的金屬大量沿軸向流動(dòng)，這就使拔長效率大大提高。當(dāng)采用圖c所示的工具時(shí)，則產(chǎn)生相反的結(jié)果，金屬易于橫向流動(dòng)。abc在許多情況下，當(dāng)工具的形狀已得到了嚴(yán)格的控制時(shí)，為獲得變形均勻的產(chǎn)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(dāng)也會(huì)使物體產(chǎn)生不均勻變形。變形體內(nèi)部溫度分布不均變形物體的溫度不均勻，會(huì)造成金屬各部分變形和流動(dòng)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(chǎn)生相互平衡的附加應(yīng)力。在變形體內(nèi)因溫度不同所產(chǎn)生熱膨脹的不同而引起的熱應(yīng)力，與由不均勻變形所引起的附加應(yīng)力相疊加后，有時(shí)會(huì)加強(qiáng)應(yīng)力的不均勻分布，甚至?xí)鹱冃挝矬w的斷裂。在熱軋中常見到軋件軋出后會(huì)出現(xiàn)上翹或下翹現(xiàn)象，產(chǎn)生此現(xiàn)象原因之一就是軋件的溫度不均所造成的。鋁—鋼雙金屬軋制時(shí)由不均勻變形產(chǎn)生的彎曲現(xiàn)象變形體的外端外端（未變形的金屬）對(duì)變形區(qū)金屬的影響主要是阻礙變形區(qū)金屬流動(dòng)，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(dòng)是受到外端的制約的。封閉形外端在被壓縮體積的外部存在有封閉形外端時(shí)，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(huì)阻礙被壓縮體積的向外擴(kuò)展。若外端的體積甚小時(shí)，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(huì)有所減小，外端向外擴(kuò)展。如果外端的體積較大，則被壓縮體積的變形很難進(jìn)行。若所施的壓力非常大時(shí)，也可以把工具(壓頭)壓人變形物體內(nèi)，此時(shí)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(shí)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(yīng)力狀態(tài)增強(qiáng)。封閉形外端非封閉形外端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。外端對(duì)變形物體的縱向延伸有強(qiáng)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(jié)果，在變形區(qū)內(nèi)于自由延伸大的中部產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，于自由延伸小的端部產(chǎn)生附加拉應(yīng)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(huì)影響著橫向?qū)捳沟淖兓?。在變形區(qū)的中部，由于外端對(duì)縱向延伸的“拉齊”作用使自由延伸減小的結(jié)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(jié)果，由于外端對(duì)縱向延伸的“拉齊”作用，使變形區(qū)沿高向的中部產(chǎn)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。金屬性質(zhì)不均的影響變形金屬中的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、夾雜物、相的形態(tài)等分布不均會(huì)造成金屬各部分的變形和流動(dòng)的差異。例如，在受拉伸的金屬內(nèi)存在一團(tuán)雜質(zhì)，由于雜質(zhì)和其周圍晶粒的性質(zhì)不同，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)果這種缺陷周圍的晶粒必須發(fā)生不均勻變形，并會(huì)產(chǎn)生晶間及晶內(nèi)附加應(yīng)力。第二章金屬塑性加工的宏觀規(guī)律第三節(jié)不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余變形變形不均勻的基本概念變形不均勻的防止措施殘余應(yīng)力3.1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。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。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；接觸表面沒有外摩擦，或沒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，即處于無外端的情況下。要全面滿足以上條件，嚴(yán)格說是不可能的，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防止或減輕其不良后果。單鼓形雙鼓形不均勻變形的種類1）第一類不均勻變形由于摩擦力、變形體外端條件的影響，使變形體中不同區(qū)域的變形不同。2）第二類不均勻變形由于變形體中晶粒的位相不同，使變形體中不同晶粒變形不同3）第三類不均勻變形由于統(tǒng)一晶粒中各滑移系取向不同，使變形體中統(tǒng)一晶粒內(nèi)部的各部分變形不同。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。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)的或分開的。分開的坐標(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。對(duì)正方形網(wǎng)格來講，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。坐標(biāo)網(wǎng)的方格變化情形金屬通過凹模擠壓的變形分布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，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。這正好說明鐓粗時(shí)三個(gè)區(qū)的存在。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，因該過程中發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象，就很難判斷變形的分布。其他方法示蹤原子法光塑性法云紋法基本應(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?；緫?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。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。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。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。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。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。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的晶格畸變所引起的附加應(yīng)力，也就是說在一個(gè)晶粒內(nèi)由于變形不均所引起的附加應(yīng)力。3.2變形不均的防止措施變形不均產(chǎn)生的后果

減輕變形不均的措施

變形不均產(chǎn)生的后果使單位變形力增大當(dāng)變形不均勻分布時(shí)，將使物體內(nèi)部產(chǎn)生相互平衡的附加應(yīng)力，使變形能量消耗增加，也使單位變形力增大。此外，當(dāng)應(yīng)力不均勻分布時(shí)，將使變形體內(nèi)實(shí)際的應(yīng)力分布情況與基本應(yīng)力有很大不同，有時(shí)雖然作用著單向的基本應(yīng)力，但工作應(yīng)力卻可能變成三向同名應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)也會(huì)使單位變形力增大。使塑性降低在具有應(yīng)力不均勻分布的變形物體內(nèi)，當(dāng)某處的工作應(yīng)力達(dá)到金屬的斷裂強(qiáng)度時(shí)，則在該處將首先產(chǎn)生斷裂，從而導(dǎo)致金屬的塑性下降。使產(chǎn)品質(zhì)量降低由于變形的不均勻分布使物體內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力，若變形后物體的溫度較低不足以消除此附加應(yīng)力時(shí)，則在物體內(nèi)將存有殘余應(yīng)力，從而使物體的力學(xué)性能下降。同時(shí)，由于變形體內(nèi)各處的變形不同，其再結(jié)晶后各處的晶粒大小也不同，造成組織與性能分布不均。使技術(shù)操作復(fù)雜由于變形體內(nèi)應(yīng)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(shè)計(jì)、制造和維護(hù)復(fù)雜。同時(shí)也使對(duì)材料進(jìn)行的熱處理制度復(fù)雜化。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(yīng)保證物體在單相區(qū)完成塑性變形，并在整個(gè)物體內(nèi)分布均勻。變形速度制度的選擇也應(yīng)使變形在物體內(nèi)分布均勻，如H／d比較大的厚件，在速度較低的壓力機(jī)上鍛壓較合適。減小金屬表面上的外摩擦為減小接觸表面上的摩擦系數(shù)，應(yīng)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(dòng)加工等方法來減少外摩擦的不利影響。合理設(shè)計(jì)加工工具形狀要正確選擇與設(shè)計(jì)鍛模、軋輥孔型及其它工具，使其形狀與坯料斷面能很好的配合，以保證變形與應(yīng)力分布較為均勻。盡可能保證變形金屬的成分及組織均勻這首先要從提高冶煉及澆鑄質(zhì)量方面入手；其次，對(duì)已澆鑄的鋼錠必要時(shí)采用高溫均勻化退火的辦法，也可進(jìn)一步改善其化學(xué)成分的均勻性。3.3殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力的概念變形條件對(duì)殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力引起的后果減小殘余應(yīng)力影響的措施

殘余應(yīng)力的測(cè)定方法殘余應(yīng)力的概念殘余應(yīng)力為塑性變形完畢后保留在變形物體內(nèi)的附加應(yīng)力。塑性變形的總位能是由釋出位能和約束位能兩部分所組成。釋出位能用來確定平衡外力作用的內(nèi)力的數(shù)值。而約束位能則是用來確定由塑性變形引起的相互平衡內(nèi)力的數(shù)值。因附加應(yīng)力是由不均勻變形引起的相互平衡的內(nèi)力所造成，所以約束位能也同樣可確定在每一變形瞬間附加應(yīng)力的數(shù)值。雖然殘余應(yīng)力是變形完畢后保留在物體內(nèi)的附加應(yīng)力，但并不是所有的約束位能都用于形成殘余應(yīng)力，而是有部分位能在塑性變形中由于軟化而被釋放。因此，殘余應(yīng)力的位能應(yīng)小于在整個(gè)塑性變形過程中用于形成附加應(yīng)力的位能。殘余應(yīng)力是由附加應(yīng)力變化而來，所以殘余應(yīng)力也是相互平衡的。并與附加應(yīng)力相對(duì)應(yīng)，殘余應(yīng)力也分為第一種、第二種和第三種殘余應(yīng)力。變形條件對(duì)殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力與附加應(yīng)力一樣也同樣受到變形條件的影響。其中主要是變形溫度、變形速度、變形程度、接觸摩擦、工具和變形物體形狀等等。變形溫度在確定變形溫度的影響時(shí)應(yīng)注意到在變形過程中是否有相變存在。若在變形過程中出現(xiàn)雙相系時(shí)，將會(huì)引起第二種附加應(yīng)力的產(chǎn)生，從而使殘余應(yīng)力增大。但在一般情況下，當(dāng)變形溫度升高時(shí)，附加應(yīng)力以及所形成的殘余應(yīng)力減小。溫度降低時(shí)，出現(xiàn)附加應(yīng)力和從而出現(xiàn)殘余應(yīng)力的可能增大。因此，即使是對(duì)單相系金屬也不允許將變形溫度降低到某一定值以下。在變形過程中溫度的不均勻分布是產(chǎn)生極大附加應(yīng)力的一個(gè)原因，自然也是產(chǎn)生極大殘余應(yīng)力的一個(gè)原因。如果變形過程在高于室溫條件下完成時(shí)，具有某一數(shù)值的殘余應(yīng)力時(shí)，則此殘余應(yīng)力會(huì)因物體冷卻到室溫而增加。變形速度變形速度對(duì)殘余應(yīng)力也有如同對(duì)附加應(yīng)力那樣的影響。通常，在室溫下以非常高的變形速度使物體變形時(shí)，其附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力有減小的趨勢(shì)。而在高于室溫的溫度下，增大變形速度時(shí)，這些應(yīng)力反而有可能增加。變形程度隨著變形程度的增加，第一種附加應(yīng)力，亦即殘余應(yīng)力開始急劇增加。當(dāng)塑性變形達(dá)到20～25％時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值。當(dāng)變形繼續(xù)增加時(shí)，此應(yīng)力將開始減小，并當(dāng)變形程度超過52～65％時(shí)，應(yīng)力幾乎接近于零。變形程度的這種影響是指在低于0.3對(duì)應(yīng)溫度條件下進(jìn)行的變形而言。當(dāng)溫度升高時(shí)，在較大的變形程度下才能使第一種殘余應(yīng)力達(dá)到最大值，并在高于60～70％的變形條件下，此應(yīng)力也未降低到零。變形程度對(duì)第二種和第三種殘余應(yīng)力的影響則是另一種情況。這些殘余應(yīng)力的數(shù)值將隨變形程度的增加而增大，而且對(duì)于雙相系和多相系，比對(duì)單相系提高得更強(qiáng)烈。變形程度和殘余應(yīng)力能量的關(guān)系曲線1.第一、第二及第三種殘余應(yīng)力總能的變化曲線；2.第一種殘余應(yīng)力能量變化曲線；3.第二及第三種殘余應(yīng)力總能量變化曲線殘余應(yīng)力引起的后果引起物體尺寸和形狀的變化當(dāng)在變形物體內(nèi)存在殘余應(yīng)力時(shí)，則物體將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形或晶格畸變。若此殘余應(yīng)力因某種原因消失或其平衡遭到破壞，此相應(yīng)的變形也將發(fā)生變化，引起物體尺寸和形狀改變。對(duì)于對(duì)稱形的變形物體來講，僅發(fā)生尺寸的變化，形狀可保持不變。例如，當(dāng)用表面層具有拉伸殘余應(yīng)力和心部具有壓縮殘余應(yīng)力的棒材坯料在車床上車成圓柱形工件時(shí)，切削后由于具有拉伸殘余應(yīng)力的表面層被車削掉，成品工件的長度將有所增加。若加工件是不對(duì)稱的，則物體除尺寸變化外，還可能發(fā)生形狀的改變。引起殘余應(yīng)力的消失或減小的原因，除機(jī)械加工外還有時(shí)間的延長等因素。有時(shí)，具有殘余應(yīng)力的物體在熱處理過程中，或受到?jīng)_擊后也會(huì)發(fā)生尺寸和形狀的變化。板材裁剪后的變形＋－＋使零件的使用壽命縮短因殘余應(yīng)力本身是相互平衡的，所以當(dāng)具有殘余應(yīng)力的物體受載荷時(shí)，在物體內(nèi)有的部分的工作應(yīng)力為外力所引起的應(yīng)力與此殘余應(yīng)力之和，有的部分為其差，這樣就會(huì)造成應(yīng)力在物體內(nèi)的分布不均。此時(shí)工作應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，物體將會(huì)產(chǎn)生塑性變形；達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，物體將會(huì)產(chǎn)生斷裂，從而縮短了零件的使用壽命。降低了金屬的塑性加工性能當(dāng)具有殘余應(yīng)力的物體繼續(xù)進(jìn)行塑性加工時(shí)，由于殘余應(yīng)力的存在可加強(qiáng)物體內(nèi)的應(yīng)力和變形的不均勻分布，使金屬的變形抗力升高，塑性降低。降低金屬的耐蝕性以及沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。減小殘余應(yīng)力影響的措施殘余應(yīng)力是由附加應(yīng)力的變化而來，其根本原因就是物體產(chǎn)生了不均勻變形，使在物體內(nèi)出現(xiàn)了相互平衡的內(nèi)力。因此，殘余應(yīng)力不僅產(chǎn)生在塑性加工過程中，而且也產(chǎn)生在不均勻加熱、冷卻、淬火和相變等過程中。減小或消除殘余應(yīng)力的方法減小材料在加工和處理過程中所產(chǎn)生的不均勻變形；對(duì)加工件進(jìn)行熱處理；進(jìn)行機(jī)械處理。減小不均勻變形正確選定變形的溫度－速度制度減小金屬表面上的外摩擦合理設(shè)計(jì)加工工具形狀盡可能保證變形金屬的成分及組織均勻……對(duì)加工件進(jìn)行熱處理物體內(nèi)存在的殘余應(yīng)力可用退火、回火等方式來減小或消除。第一種殘余應(yīng)力可在回火中大大減小。在許多情況下，殘余應(yīng)力只存在再結(jié)晶時(shí)才能完全消除。因之，為完全消除殘余應(yīng)力，需要較高的溫度，有時(shí)也需要較長的退火時(shí)間。這樣就有可能引起晶粒大小產(chǎn)生很大的變化和力學(xué)性能的改變。第二種殘余應(yīng)力在溫度低于再結(jié)晶溫度時(shí)的加熱過程中幾乎完全消除。第三種殘余應(yīng)力只有在再結(jié)晶過程中點(diǎn)陣完全恢復(fù)時(shí)才能消除。進(jìn)行機(jī)械處理機(jī)械處理方法是利用使物體表面產(chǎn)生很小的塑性變形的方法來減小殘余應(yīng)力。這種處理方法主要有：（1）使零件彼此碰撞；（2）用木棒打擊表面；（3）表面輥壓和壓平；（4）表面拉制；（5）在模子中作表面校形或精壓。這種方法僅使工件產(chǎn)生表面變形，所以在變形中，于工件表面層中產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，在工件中層產(chǎn)生附加拉應(yīng)力?？梢?，此方法只能減小第一種殘余應(yīng)力，且只當(dāng)工件表面層中具有殘余拉應(yīng)力時(shí)才能適用。表面層中具有殘余拉應(yīng)力的板材經(jīng)表面輾壓后，其殘余應(yīng)力大為減小。在一定限度內(nèi)，表面變形越大，殘余應(yīng)力減小得越多。實(shí)驗(yàn)證明，拉制黃銅棒經(jīng)輾壓后，其內(nèi)部的殘余應(yīng)力發(fā)生如圖所示的變化?？梢姡砻孀冃慰墒乖瓉淼臍堄鄳?yīng)力幾乎減小一倍，甚至可使表面拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力。表面變形程度越大、殘余應(yīng)力減少得越多。但此變形程度不應(yīng)超過某一限度，一般是在1.5~3％以下。若超過此限度，會(huì)造成有害的后果，因?yàn)檫@樣不但不會(huì)減小殘余應(yīng)力，反而會(huì)使殘余應(yīng)力增加。黃銅捧在輾平前后的殘余應(yīng)力分布圖a－縱向應(yīng)力；b－切向應(yīng)力；c－徑向應(yīng)力(實(shí)線為拉制銅捧的殘余攻力；虛線表示銅棒在碾平后的殘余應(yīng)力)殘余應(yīng)力的測(cè)定方法研究金屬物體內(nèi)殘余應(yīng)力的主要方法：機(jī)械法化學(xué)法X光法機(jī)械法用此方法可測(cè)定棒材、管材等一類物體內(nèi)的殘余應(yīng)