金屬的塑性變形

8888第九章金屬的塑性變形金屬塑性成形在國民經(jīng)濟(jì)中的作用金屬塑性成形是金屬加工方法之一。它是利用金屬的塑性——金屬產(chǎn)生塑性變形的力量，使金屬在外力作用下成形的一種加工方法。因而也稱為金屬塑性加工或金屬壓力加工。常見的金屬壓力加工方法，如軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓等，都是利用金屬的塑性而進(jìn)展成形加工的。通常，軋制、拉拔、擠壓是生產(chǎn)型材、板材、管材和線材等金屬材料的加工方法，屬于冶金工業(yè)領(lǐng)域，而鍛造、沖壓則通常是利用金屬材料來制造機(jī)器零件的加工方法，屬于機(jī)械制造工業(yè)領(lǐng)域。金屬塑性成形方法的主要優(yōu)點(diǎn)有：金屬材料經(jīng)過相應(yīng)的塑性加工后，其組織、性能都能得到改善和提高，特別是對(duì)于鑄造組織，效果更為顯著。例如鑄錠必需通過鍛造、軋制或擠壓，才能使其構(gòu)造致密、組織改善、性能提高。金屬塑性成形主要是靠金屬在塑性狀態(tài)下的體積轉(zhuǎn)移，而不需靠局部地切除金屬的體積，因而制件的材料利用率高，流線分布合理，從而也提高了制件的強(qiáng)度。用塑性成形方法得到的工件可以到達(dá)較高的精度。近年來，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，不少零件已到達(dá)少、無切削的要求。例如，周密鍛造的傘齒輪，其齒形局部精度可不經(jīng)切削加工直接使用，精鍛葉片的簡單曲面可到達(dá)只需磨削的精度。塑性成形方法具有很高的生產(chǎn)率。這一點(diǎn)對(duì)于金屬材料的軋制、拉絲、擠壓等工藝尤其明顯。隨著鍛壓生產(chǎn)機(jī)械化的進(jìn)展，機(jī)械零件的生產(chǎn)狀況也是如此。例如，在12023×10kN〔1〕機(jī)械壓力機(jī)上鍛造汽車用的六拐曲軸僅需40s；在曲柄壓力機(jī)上壓制一個(gè)汽車掩蓋件僅需幾秒鐘。由此可見，利用金屬塑性成形方法，不但能獲得強(qiáng)度高、性能好、外形簡單和精度高的工件，而且具有生產(chǎn)率高、材料消耗少等優(yōu)點(diǎn)，因而在國民經(jīng)濟(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。特別是在汽車、拖拉機(jī)、宇航、船舶、軍工、電器和日用品等工業(yè)部門中，塑性成形更是主要的加工方法。金屬塑性成形方法的分類金屬塑性成形方法可分為軋制、拉拔和擠壓三大類。每類又包括多種加工方法，形成各自的工藝領(lǐng)域。軋制是使金屬錠料或坯料通過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軋輥間的特定空間(直線的或異型的)，以獲得肯定截面外形材料的塑性成形方法(見表1-1a)。這是由大截面材料變?yōu)樾〗孛娌牧系某Ｓ眉庸み^程。利用軋制方法可生產(chǎn)出型材、板材和管材。拉拔是將中等截面的坯料拉過有肯定外形的?？?，以獲得小截面的坯料的塑性成形方法〔表1-1b。利用拉拔方法可以獲得棒材、管材、和線材。擠壓是將在筒體中的大截面坯料或錠料一端加壓，使金屬從?？字袛D出，以獲得符合?？捉孛嫱庑蔚男〗孛媾髁系乃苄猿尚畏椒ā脖?-1c、d較大的壓應(yīng)力狀態(tài)下的成形過程，所以更適于生產(chǎn)低塑性材料的型材和管材。表1-1 塑性成形方法分類以上幾種金屬材料的塑性成形方法，一般在加熱狀態(tài)下進(jìn)展，但有時(shí)也可在室溫下進(jìn)展，視具體條件下金屬的塑性和具體要求而定。這些方法通常都用于連續(xù)生產(chǎn)等截面金屬材料，因而有很高的生產(chǎn)率。機(jī)械制造中的塑性成形方法也稱鍛壓加工，包括鍛造和沖壓兩大方面。鍛造屬體積成形，就是通過金屬體積的轉(zhuǎn)移和安排來獲得機(jī)器零件(毛坯)的塑性成形方法。為使金屬易于成形和有較好的塑性，鍛造多在熱態(tài)下進(jìn)展，所以鍛造也常稱為熱鍛。鍛造通常分自由鍛和模鍛兩大類。自由鍛一般是在錘或水壓機(jī)上，利用簡潔的工具將金屬錠料或塊料鍛成特定外形和尺寸的加工方法。表l-1e—平砧下鐓粗即為一例。進(jìn)展自由鍛時(shí)不使用專用模具，因而鍛件的尺寸精度低，生產(chǎn)率也不高，所以自由鍛主要用于單件、小批生產(chǎn)或大鍛件的生產(chǎn)。模鍛是適于大批量生產(chǎn)的鍛造方法，鍛件的成形要用適合于每個(gè)鍛件的模具來進(jìn)展1-1f、g是兩種模鍛形式。由于模鍛時(shí)金屬的成形由模具掌握，因此模鍛件就有相當(dāng)準(zhǔn)確的外形和尺寸，也有相當(dāng)高的生產(chǎn)率。由于生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展，鍛造中也引入了擠、軋等變形方式來生產(chǎn)鍛件，例如用輥鍛方法生產(chǎn)連桿；用三輥橫軋方法生產(chǎn)長軸鍛件；用擠壓方法生產(chǎn)汽閥、轉(zhuǎn)向節(jié)等等。這樣就擴(kuò)展了鍛造工藝的領(lǐng)域，促使生產(chǎn)率得到進(jìn)一步的提高。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)展以及鍛壓設(shè)備力量的增加、模具材料的應(yīng)用，對(duì)于某些中、小型鍛件承受了不加熱或少加熱的鍛造方法，即所謂冷鍛、冷擠或溫鍛、溫?cái)D等工藝。這樣，一方面節(jié)約了能源，另方面削減或免除了氧化、脫碳等缺陷，這就為提高鍛件的精度制造了條件，是實(shí)現(xiàn)少無切削的重要途徑。沖壓和上述各種體積成形方法不同，它屬于板料成形，是利用特地的模具對(duì)板料進(jìn)展塑性加工的方法，故也稱板料沖壓。同時(shí)，由于一般都在室溫下進(jìn)展，故也常稱為冷沖壓。板料沖壓時(shí)厚度根本不發(fā)生變化。板料沖壓的根本方式有沖裁、彎曲、拉延(l-1h)成形等多種工序。各種塑性成形方法，除上述生產(chǎn)上的特點(diǎn)而外，在變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)、變外形態(tài)和金屬流淌性質(zhì)等方面也各有特點(diǎn)，如表1-1所示。表中的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)只是從總體的角度上表示了變形區(qū)域中主應(yīng)力、應(yīng)變的正或負(fù)，沒有表示出大小，因而是近似的分析方法。成形過程中變形區(qū)域不變的屬穩(wěn)定塑(性)流(動(dòng))，變形區(qū)域隨變形過程而變化的屬非穩(wěn)定塑(性)流(動(dòng))。認(rèn)真觀看可以覺察，機(jī)器零件的塑性加工多數(shù)屬于非穩(wěn)定塑流過程。固然非穩(wěn)定塑流過程比穩(wěn)定塑流要簡單得多。金屬塑性成形原理課程的目的和任務(wù)金屬塑性成形方法多種多樣，具有各自的特點(diǎn)，但它們?cè)谒苄宰冃蔚慕饘賹W(xué)和力學(xué)方面則有著共同的根底和規(guī)律。金屬塑性成形原理課程的目的就在于科學(xué)地、系統(tǒng)地說明這些根底和規(guī)律，為學(xué)習(xí)后續(xù)地工藝課程作理論預(yù)備，也為合理制訂塑性成形工藝奠定理論根底，因此，本課程的任務(wù)是：說明金屬塑性變形的金屬學(xué)根底，爭論金屬的塑性變形行為以及外部條件對(duì)塑性和流淌應(yīng)力的影響，以便獲得最正確的塑性狀態(tài)、最高的變形效率和優(yōu)質(zhì)的性能。說明應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和屈服準(zhǔn)則等塑性理論根底學(xué)問，分析爭論塑性成形力學(xué)問題的各種解法及其在具體工藝中的應(yīng)用，從而科學(xué)地確定變形體中的應(yīng)力、應(yīng)變分布和所需的變形力和功，為選擇鍛壓設(shè)備噸位和設(shè)計(jì)模具供給依據(jù)。闡述塑性成形時(shí)的金屬流淌規(guī)律和變形特點(diǎn)，以便確定適當(dāng)?shù)腻憠汗げ胶秃侠淼呐髁铣叽纾构ぜ槷?dāng)成形。金屬塑性成形理論的進(jìn)展概述金屬塑性成形理論是在塑性成形的物理、物理一化學(xué)和塑性力學(xué)的根底上進(jìn)展起來的一門工藝?yán)碚?。本世紀(jì)四十年月，在大學(xué)中設(shè)立了這門課程，并出版了相應(yīng)的教科書。金屬塑性變形的物理和物理化學(xué)方面所爭論的內(nèi)容，屬于金屬學(xué)范疇。本世紀(jì)三十年月提出的位錯(cuò)理論從微觀上對(duì)塑性變形的機(jī)理作出了科學(xué)的解釋?！苄裕彩亲冃挝锢矸矫娴囊粋€(gè)主要爭論內(nèi)容。1912年卡爾曼(VonKarman)對(duì)大理石和紅砂石的著名壓縮試驗(yàn)，提醒了通常認(rèn)為是脆(ε＝8％)的事實(shí)。1964年勃立奇曼(P．W．Bridgman)3atm(3040MPa)下對(duì)中碳鋼試棒進(jìn)展拉伸試驗(yàn)，獲得99％的斷面收縮率，由此建立了靜水壓力能提高材料塑性的概念。適宜的加工溫度、速度條件也能制造良好的塑性狀態(tài)。例如，近年來，一些難變形合金、耐熱合金，通過利用先進(jìn)的成形技術(shù)，如等溫鍛造、超塑性成形等，均可以獲得滿足的結(jié)果。金屬塑性成形原理的另一重要內(nèi)容是塑性成形力學(xué)，它是在塑性理論進(jìn)展和應(yīng)用中漸漸形成的。塑性理論的進(jìn)展歷史可追溯到1864年，當(dāng)時(shí)，法國工程師屈雷斯加(H．Tresca)首先提出了最大剪應(yīng)力屈服準(zhǔn)則，即屈雷斯加屈服準(zhǔn)則。1870年圣維南(B．Saint—Venant)第一次利用屈雷斯加屈服準(zhǔn)則求解了管子受彈塑性扭轉(zhuǎn)和彎曲時(shí)的應(yīng)力，隨后又爭論了平面應(yīng)變方程式。同年，列維(M．Levy)按圣維南的觀點(diǎn)提出了三維問題的方程式和平面問題方程式的線性化方法。但后來一段時(shí)間，塑性理論進(jìn)展緩慢，直到本世紀(jì)初才有所進(jìn)展。德國學(xué)者在這方面有很大奉獻(xiàn)。1913年密席斯(VonMises)從純數(shù)學(xué)角度提出了另一的屈服準(zhǔn)則——密席斯屈服準(zhǔn)則。1923 年漢基(H．Hencky)和普朗特(L．Prandtl)論述了平面塑性變形中滑移線的幾何性質(zhì)。1930年，勞斯(A．Reuss)依據(jù)普朗特的觀點(diǎn)提出了考慮彈性應(yīng)變?cè)隽繎?yīng)力應(yīng)變關(guān)系式。至此，塑性理論的根底已經(jīng)奠定。到四十年月以后，由于工業(yè)生產(chǎn)的需要，塑性理論在很多國家中相繼發(fā)展，利用塑性理論求解塑性成形問題的各種方法間續(xù)問世，塑性成形力學(xué)漸漸形成并不斷得到充實(shí)。第一次將塑性理論用于金屬塑性加工的學(xué)者可認(rèn)為是德國的卡爾曼。他在1925年用初等方法分析了軋制時(shí)的應(yīng)力分布，其后不久，薩克斯〔G.Sachs〕和齊別爾〔E.Siebel〕在爭論拉絲過程中提出了相像的求解方法——切塊法〔slabmethod〕,即后來所稱的主應(yīng)力法。五十年月中，蘇聯(lián)學(xué)者翁克索夫〔yHKCOB〕提出了一個(gè)實(shí)質(zhì)上與主應(yīng)力法相像的方法——近似平衡方程和近似塑性條件的聯(lián)解法，并對(duì)鐓粗時(shí)接觸外表上的摩擦力分布提出了見解。近二十年來，應(yīng)用滑移線理論求解金屬塑性成形問題的工作和論文漸漸增多?，F(xiàn)在，滑移線方法除應(yīng)用于求解各向同性硬化材料的平面變形問題外，人們還正在爭論用它來求解平面應(yīng)力問題、軸對(duì)稱問題和各向異性材料方面的問題。五十年月，英國學(xué)者約翰遜(W．Johoson)和日本學(xué)者工藤(H．Kudo)等人，依據(jù)極值原理提出了一個(gè)比滑移線法簡潔的求極限載荷的上限法。利用該方法計(jì)算出的塑性成形載荷一般高于真實(shí)載荷，因此稱之謂上限法。其后，對(duì)于簡單外形的工件，又進(jìn)展出了所謂單元上限法。在五十年月中，美國學(xué)者湯姆生(EGThomsen)等提出了視塑性法(VisioPlasticity)，這是一種由試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算相結(jié)合的方法。利用該方法，可以依據(jù)試驗(yàn)求得的速度場計(jì)算出變形體內(nèi)的應(yīng)變場和應(yīng)力場。近年來已開頭用有限元方法來爭論金屬塑性成形方面的問題。國內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)鐓粗，擠壓、摩擦等問題的有限元解發(fā)表過不少文章。一般認(rèn)為有限元法是推測變形體應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速度和溫度分布的強(qiáng)有力的手段。塑性成形中求解應(yīng)力、應(yīng)變等是一項(xiàng)繁重的計(jì)算工作。近年來電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，對(duì)