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)領域，而鍛造、沖壓則通常是利用金屬材料來制造機器零件的加工方法，屬于機械制造工業(yè)領域。金屬塑性成形方法的主要優(yōu)點有：金屬材料經(jīng)過相應的塑性加工后，其組織、性能都能得到改善和提高，特別是對于鑄造組織，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度。用塑性成形方法得到的工件可以到達較高的精度。近年來，應用先進的技術和設備，不少零件已到達少、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。這一點對于金屬材料的軋制、拉絲、擠壓等工藝尤其明顯。隨著鍛壓生產(chǎn)機械化的進展，機械零件的生產(chǎn)狀況也是如此。例如，在12023×10kN〔1〕機械壓力機上鍛造汽車用的六拐曲軸僅需40s；在曲柄壓力機上壓制一個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，因而在國民經(jīng)濟中得到廣泛的應用。特別是在汽車、拖拉機、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，形成各自的工藝領域。軋制是使金屬錠料或坯料通過兩個旋轉軋輥間的特定空間(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，使金屬從模孔中擠出，以獲得符合模孔截面外形的小截面坯料的塑性成形方法〔表1-1c、d較大的壓應力狀態(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)下進展，但有時也可在室溫下進展，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移和安排來獲得機器零件(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。進展自由鍛時不使用專用模具，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鍛件的模具來進展1-1f、g是兩種模鍛形式。由于模鍛時金屬的成形由模具掌握，因此模鍛件就有相當準確的外形和尺寸，也有相當高的生產(chǎn)率。由于生產(chǎn)技術的進展，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、轉向節(jié)等等。這樣就擴展了鍛造工藝的領域，促使生產(chǎn)率得到進一步的提高。近年來，隨著技術的進展以及鍛壓設備力量的增加、模具材料的應用，對于某些中、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、溫擠等工藝。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板料進展塑性加工的方法，故也稱板料沖壓。同時，由于一般都在室溫下進展，故也常稱為冷沖壓。板料沖壓時厚度根本不發(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)上的特點而外，在變形區(qū)的應力狀態(tài)、變外形態(tài)和金屬流淌性質等方面也各有特點，如表1-1所示。表中的應力、應變狀態(tài)只是從總體的角度上表示了變形區(qū)域中主應力、應變的正或負，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)，變形區(qū)域隨變形過程而變化的屬非穩(wěn)定塑(性)流(動)。認真觀看可以覺察，機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金屬塑性成形方法多種多樣，具有各自的特點，但它們在塑性變形的金屬學和力學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地、系統(tǒng)地說明這些根底和規(guī)律，為學習后續(xù)地工藝課程作理論預備，也為合理制訂塑性成形工藝奠定理論根底，因此，本課程的任務是：說明金屬塑性變形的金屬學根底，爭論金屬的塑性變形行為以及外部條件對塑性和流淌應力的影響，以便獲得最正確的塑性狀態(tài)、最高的變形效率和優(yōu)質的性能。說明應力、應變、應力應變關系和屈服準則等塑性理論根底學問，分析爭論塑性成形力學問題的各種解法及其在具體工藝中的應用，從而科學地確定變形體中的應力、應變分布和所需的變形力和功，為選擇鍛壓設備噸位和設計模具供給依據(jù)。闡述塑性成形時的金屬流淌規(guī)律和變形特點，以便確定適當?shù)腻憠汗げ胶秃侠淼呐髁铣叽纾构ぜ槷敵尚?。金屬塑性成形理論的進展概述金屬塑性成形理論是在塑性成形的物理、物理一化學和塑性力學的根底上進展起來的一門工藝理論。本世紀四十年月，在大學中設立了這門課程，并出版了相應的教科書。金屬塑性變形的物理和物理化學方面所爭論的內容，屬于金屬學范疇。本世紀三十年月提出的位錯理論從微觀上對塑性變形的機理作出了科學的解釋。——塑性，也是變形物理方面的一個主要爭論內容。1912年卡爾曼(VonKarman)對大理石和紅砂石的著名壓縮試驗，提醒了通常認為是脆(ε＝8％)的事實。1964年勃立奇曼(P．W．Bridgman)3atm(3040MPa)下對中碳鋼試棒進展拉伸試驗，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，通過利用先進的成形技術，如等溫鍛造、超塑性成形等，均可以獲得滿足的結果。金屬塑性成形原理的另一重要內容是塑性成形力學，它是在塑性理論進展和應用中漸漸形成的。塑性理論的進展歷史可追溯到1864年，當時，法國工程師屈雷斯加(H．Tresca)首先提出了最大剪應力屈服準則，即屈雷斯加屈服準則。1870年圣維南(B．Saint—Venant)第一次利用屈雷斯加屈服準則求解了管子受彈塑性扭轉和彎曲時的應力，隨后又爭論了平面應變方程式。同年，列維(M．Levy)按圣維南的觀點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。但后來一段時間，塑性理論進展緩慢，直到本世紀初才有所進展。德國學者在這方面有很大奉獻。1913年密席斯(VonMises)從純數(shù)學角度提出了另一的屈服準則——密席斯屈服準則。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。1930年，勞斯(A．Reuss)依據(jù)普朗特的觀點提出了考慮彈性應變增量應力應變關系式。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，塑性成形力學漸漸形成并不斷得到充實。第一次將塑性理論用于金屬塑性加工的學者可認為是德國的卡爾曼。他在1925年用初等方法分析了軋制時的應力分布，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〕,即后來所稱的主應力法。五十年月中，蘇聯(lián)學者翁克索夫〔yHKCOB〕提出了一個實質上與主應力法相像的方法——近似平衡方程和近似塑性條件的聯(lián)解法，并對鐓粗時接觸外表上的摩擦力分布提出了見解。近二十年來，應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力問題、軸對稱問題和各向異性材料方面的問題。五十年月，英國學者約翰遜(W．Johoson)和日本學者工藤(H．Kudo)等人，依據(jù)極值原理提出了一個比滑移線法簡潔的求極限載荷的上限法。利用該方法計算出的塑性成形載荷一般高于真實載荷，因此稱之謂上限法。其后，對于簡單外形的工件，又進展出了所謂單元上限法。在五十年月中，美國學者湯姆生(EGThomsen)等提出了視塑性法(VisioPlasticity)，這是一種由試驗結果和理論計算相結合的方法。利用該方法，可以依據(jù)試驗求得的速度場計算出變形體內的應變場和應力場。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。國內外一些學者對鐓粗，擠壓、摩擦等問題的有限元解發(fā)表過不少文章。一般認為有限元法是推測變形體應力、應變、應變速度和溫度分布的強有力的手段。塑性成形中求解應力、應變等是一項繁重的計算工作。近年來電子計算機技術的引入，對