擠壓變形流動與組織課件

金屬擠壓變形金屬擠壓變形、流動和組織（部分）2.擠壓時金屬的變形流動主要內容：金屬變形流動及擠壓力的變化特征；正、反向擠壓時金屬的變形流動特點，擠壓制品的組織特點，擠壓力的變化規(guī)律；影響金屬流動的因素分析。難點：擠壓時的應力與變形分析，擠壓縮尾的產生機理，反向擠壓時的擠壓力變化分析，反向擠壓時的縮尾、紡錘體核組織、粗晶芯與粗晶環(huán)。重要概念：填充系數，擠壓比，難變形區(qū)，死區(qū)，擠壓縮尾，紡錘體核組織，粗晶芯，變形區(qū)壓縮錐。目的和要求：掌握擠壓過程三個階段的含義、擠壓力的變化規(guī)律；填充系數的意義及其對制品質量的影響；擠壓時金屬的變形流動特點；擠壓縮尾的概念及產生原因。2.1.1填充擠壓階段金屬的變形流動2.1.1.1金屬變形流動特點金屬發(fā)生橫向流動，出現單鼓或雙鼓變形（見圖2-2）。其變形指數——用填充系數λc

來表示：λc=F0

/Fp

（2-1）2.1.1.2擠壓力的變化規(guī)律隨著擠壓桿的向前移動，擠壓力呈直線上升。圖2-2填充擠壓時金屬的變形2.1.1.3金屬受力分析（見圖2-3）

圖2-3填充擠壓階段錠坯的受力狀態(tài)

隨著填充過程中錠坯直徑增大，在錠坯的表面層出現了阻礙其自由增大的周向附加拉應力。

隨著填充過程進行，錠坯長度縮短，直徑增大，中間部分首先與擠壓筒壁接觸，由于摩擦作用，從而在表面層出現了阻礙金屬向前后兩個空間流動的縱向附加拉應力。2.1.2基本擠壓階段金屬的變形與應力2.1.2.1金屬變形流動特點不發(fā)生橫向流動。其變形指數——用擠壓比λ來表示：λ=F0

/F1

（2-2）2.1.2.2應力分布（見圖2-4）

（1）軸向應力σL

σL

邊

>σL中

σL入

>σL出

（2）徑向應力σr與周向應力σθ

σr中>σr邊

σr入>σr出σθ中>σθ邊

σθ入>σθ出2.1.2.3金屬的變形及流動——用坐標網格法分析（見圖2-5）A、縱向網格線的變化（1）變形前后均保持平行直線，間距仍相等。（2）每條線（除中間一條外）發(fā)生了兩次方向相反的彎曲。各條線的彎曲角度不同，外大內小。（3）在擠壓制品的最前端，除了中間一條外，其它線分別向外彎曲。擠壓變形區(qū)：分別連接各條線的兩個拐點，形成兩個曲面。把這兩個曲面與模孔錐面或死區(qū)界面間包圍的體積稱為擠壓變形區(qū)或變形區(qū)壓縮錐（見圖2-5中虛線）。

B、橫向網格線變化（1）靠近擠壓墊一方部分橫向線未變化；（2）進入變形區(qū)后橫向線向前發(fā)生彎曲，越靠近?？?，彎曲越大，出?？缀蟛辉侔l(fā)生變化；（3）出模孔后的橫向線的彎曲程度由前向后逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定；（4）橫向線距離不等，前小后大，最后趨于穩(wěn)定。

C、坐標網格的變化（1）變形前為正方形，變形后橫向壓縮、縱向拉長為矩形或平行四邊形；（2）擠壓制品中心部位近似矩形，邊部為平行四邊形；（3）越靠近邊部，平行四邊形的短邊與原橫向線之間的夾角越大。2.1.2.4難變形區(qū)與劇烈變形區(qū)擠壓過程中的難變形區(qū)如圖2-6所示。圖2-6擠壓筒內的金屬難變形區(qū)a-平模擠壓；b-錐模擠壓A、前端難變形區(qū)——死區(qū)

（1）死區(qū)概念：在基本擠壓階段，位于擠壓筒與模子端面交界處的金屬，基本上不發(fā)生塑性變形，故稱為死區(qū)。

死區(qū)的的大小和形狀并非絕對不變化，如圖2-7所示，擠壓過程中，死區(qū)界面上的金屬隨流動區(qū)金屬會逐層流出模孔而形成制品表面，死區(qū)界面外移，高度減小，體積變小。（2）死區(qū)產生原因：

a、強烈的三向壓應力狀態(tài)，金屬不容易達到屈服條件；

b、受工具冷卻，σs增大；

c、摩擦阻力大。從能量學角度來看，金屬沿著圖2-6中adc曲面流動所消耗的能量較小。（3）影響死區(qū)大小的因素：

a、模角α模角大，死區(qū)大；

b、摩擦系數f摩擦系數大，死區(qū)大；

c、擠壓比λ擠壓比大，死區(qū)高度大，但總體積減小；

d、擠壓溫度熱擠壓死區(qū)大，冷擠壓死區(qū)小；

e、擠壓速度v擠壓速度快，死區(qū)??；

f、金屬的變形抗力σs金屬變形抗力大，死區(qū)大；

g、模孔位置在多孔模擠壓時，模孔靠近擠壓筒內壁，死區(qū)減小。C、劇烈變形區(qū)如圖2-8所示，在變形區(qū)壓縮錐與死區(qū)的交界處，發(fā)生強烈的剪切變形，使晶粒破碎非常嚴重。這一部分金屬流出?？缀笪挥谥破返谋砻鎸?，造成制品內外層晶粒大小不同，外層細小，內層粗大，從而造成機械性能不均勻。在熱處理后易形成粗晶環(huán)。圖2-8一次擠壓棒材金屬流動情況圖2-9擠壓墊進入變形區(qū)示意圖

終了擠壓階段特點：（1）金屬的橫向流動劇烈增加，并產生環(huán)流；（2）擠壓力進一步增加；（3）產生擠壓縮尾。擠壓縮尾：擠壓快要結束時，由于金屬的徑向流動及環(huán)流，錠坯表面的氧化物、潤滑劑及污物、氣泡、偏析榴、裂紋等缺陷進入制品內部，具有一定規(guī)律的破壞制品組織連續(xù)性、致密性的缺陷。2.1.3.1擠壓縮尾的形式三種：中心縮尾、環(huán)形縮尾、皮下縮尾。

（1）中心縮尾圖2-10正向擠壓棒材中心縮尾

（3）皮下縮尾圖2-12正向擠壓制品皮下縮尾2.1.3.2擠壓縮尾的形成圖2-13擠壓縮尾形成過程示意圖a-中心縮尾；b-環(huán)形縮尾；c-皮下縮尾

A、中心縮尾（1）筒內剩余的錠坯高度較小，金屬處于紊流狀態(tài)，徑向流動速度增加。（2）將錠坯表面的氧化物、油污等集聚到錠坯的中心部位。（3）進入制品內部，形成中心縮尾。隨著擠壓過程進一步進行，徑向流動的金屬無法滿足中心部位的短缺，于是在制品中心尾部出現了漏斗狀的空缺，即中空縮尾。

A、中心縮尾（1）筒內剩余的錠坯高度較小，金屬處于紊流狀態(tài)，徑向流動速度增加。（2）將錠坯表面的氧化物、油污等集聚到錠坯的中心部位。（3）進入制品內部，形成中心縮尾。隨著擠壓過程進一步進行，徑向流動的金屬無法滿足中心部位的短缺，于是在制品中心尾部出現了漏斗狀的空缺，即中空縮尾。

B、環(huán)形縮尾（1）隨著擠壓過程進行，堆積在擠壓墊與擠壓筒角落部位中的帶有各種缺陷和污物的金屬會越來越多。（2）擠壓末期，當中間金屬供應不足，邊部金屬開始發(fā)生徑向流動時，這部分金屬將沿著后端難變形區(qū)的邊界進入錠坯的中間部位。（3）流入制品中，形成環(huán)形縮尾。擠壓厚壁管材時，將形成內成層。

C、皮下縮尾

（1）死區(qū)與塑性流動區(qū)界面因劇烈滑移使金屬受到很大剪切變形而斷裂。（2）表面層帶有氧化物、各種表面缺陷及污物的金屬，會沿著斷裂面流出。（3）與此同時，死區(qū)金屬也逐漸流出模孔包覆在制品的表面上，形成皮下縮尾（外成層）或起皮。2.1.3.3減少擠壓縮尾的措施

（1）對錠坯表面進行機械加工——車皮。（2）采用熱剝皮擠壓，如圖2-14。

圖2-14擠壓生產線上熱剝皮示意圖

（3）采用脫皮擠壓，如圖2-15。

圖2-15銅合金脫皮擠壓示意圖a-擠壓；b-清除脫皮（4）進行不完全擠壓——留壓余。（5）保持擠壓墊工作面的清潔，減少錠坯尾部徑向流動的可能性。2.2反向擠壓時金屬的變形流動2.2.1坐標網格線的變化反向擠壓時的坐標網格線的變化如圖2-16所示。圖2-16反向擠壓的坐標網格變化

（1）橫向網格線變形區(qū)中網格線與擠壓筒壁基本垂直，直至模孔時才發(fā)生劇烈彎曲。

（2）縱向網格線進入變形區(qū)時的彎曲程度比正向擠壓大得多。

2.2.2變形區(qū)及死區(qū)

（1）死區(qū)死區(qū)很小，緊靠模子端面。死區(qū)的高度約為擠壓筒直徑的1/8~1/4。（2）變形區(qū)

變形區(qū)緊靠模面，集中在?？赘浇?。變形區(qū)的高度與摩擦系數及擠壓溫度有關，一般小于擠壓筒直徑的1/3。2.2.3金屬流動反向擠壓時，金屬的變形僅集中在?？赘浇?，在擠壓筒內不存在錠坯內外層的流速差別，金屬的變形要比正向擠壓均勻得多。在擠壓末期一般也不會產生金屬環(huán)流現象。

圖2-17是正、反向擠壓棒材軸向主延伸變形的實測結果。圖中a是壓出長度為棒材直徑的1倍，b是2倍，c是5倍。圖2-17正、反向擠壓棒材軸向延伸比較

（1）開始擠壓時，模孔附近坯料中心部位變形量為5.582，是正擠壓的三倍以上。（2）隨著被擠出棒材長度從1d棒—2d棒——5d棒，正擠壓中心部位的主延伸變形程度變化為1.767—3.904—6.32，反擠壓的為5.582—7.608—8.638。（3）邊部與中心部的主延伸變形之比，正擠壓為1.09/1.767—4.028/3.906—20.44/6.32；反擠壓為1.005/5.582—1.648/7.608—15.55/8.638。2.2.4反向擠壓時擠壓力的變化通常認為，反擠壓時，由于錠坯與擠壓筒之間無摩擦，擠壓力大小與錠坯長度無關，在擠壓過程中擠壓力不變化。近年來研究發(fā)現，反擠壓棒材時，隨著擠壓過程的進行擠壓力是逐漸增加的，特別是在擠壓后期，增加的較明顯（見圖2-18）。圖2-18正反向擠壓棒材的擠壓力變化1-正擠壓；2-反擠壓主要原因：（1）擠壓力大小與錠坯長度無關；（2）主延伸變形隨著壓出制品長度的增加而增大，而擠壓力與主延伸變形量大小成正比；（3）在連續(xù)、強烈的三向壓應力作用下筒內錠坯密度增大，變形抗力提高；（4）溫升小，軟化作用小，加工硬化作用明顯；（5）溫降的影響。反擠壓管材時，在開始階段，擠壓力呈下降趨勢，隨著擠壓過程進行，逐漸趨于穩(wěn)定（見圖2-19）。

主要原因：在內部有穿孔針的摩擦作用。隨著筒內鑄錠長度縮短，摩擦力逐漸減小。當摩擦力減小使擠壓力下降與上述因素使擠壓力升高的作用接近時，擠壓力將趨于穩(wěn)定。圖2-19正反向擠壓管材的擠壓力變化1-正擠壓；2-反擠壓2.2.5反向擠壓制品的表面質量

反擠壓時死區(qū)體積較小且比較容易參與流動，使得錠坯表面層帶有氧化物、臟物等的金屬易流入制品表面或表皮之下，形成起皮、氣泡等缺陷。圖2-20反擠壓錠坯表層流入制品示意圖

2.2.6擠壓縮尾反擠壓時,金屬的變形集中在模孔附近,并不波及整個錠坯，變形區(qū)是恒定的且隨著擠壓的進行由錠坯的前端逐漸向后端推移，前端的金屬流出?？?，滯后的金屬卻沒有發(fā)生擠壓變形。這種流動特征，不可能將邊部帶有臟物及缺陷的金屬帶進制品中，也就不會形成環(huán)形縮尾。故反擠壓只有中心縮尾和皮下縮尾。

（1）中心縮尾當擠壓過程即將終了時，擠壓筒內可供流出的金屬嚴重不足，越來越難于充滿制品的中心部位，便形成了漏斗狀的中空縮尾（見圖2-21）。（2）皮下縮尾在反向擠壓過程中，即使在穩(wěn)定的擠壓階段也有可能形成明顯的皮下縮尾。

圖2-21反擠壓棒材的中心縮尾2.2.7紡錘體核組織單孔反向擠壓棒材，在切尾約300mm的縮尾處，有沿縱向分布的類似“紡錘體”的核組織，如圖2-22所示。圖2-22反擠壓棒材尾端的紡錘體核組織

（1）紡錘形核組織形成機制：反擠壓后期開始形成漏斗狀縮尾時，正對?？字行牟⒕o靠堵頭的金屬基本未產生變形而被邊部流動金屬夾持到制品中心。隨后周圍金屬進入不足便形成漏斗狀中空縮尾。

（2）組織結構：主要由殘留的鑄造組織和加工組織組成。

（3）紡錘形核組織特征：紡錘體核組織在棒材縱向中心剖面上的形狀不一，有核桃形、棗核形等。

下圖是2A50合金Φ120mm棒材1/8個紡錘體核立體低倍組織。圖2-231/8個紡錘體核的立體形態(tài)2.2.8粗晶環(huán)與粗晶芯

反擠壓棒材橫截面邊緣只有較輕微的粗晶環(huán)，深度較正向擠壓的淺得多，晶粒尺寸也小得多。以2A50合金Φ120mm正、反向擠壓棒材為例，正擠壓粗晶環(huán)深度達26mm，晶粒為7.5級；反擠壓的深度不大于15mm，晶粒僅為3級。如圖2-24所示。

a

b圖2-24正反向擠壓棒材的粗晶環(huán)

a-正擠壓；b-反擠壓反擠壓棒材縱向低倍組織上，沿中心縮尾邊緣一直向前延伸，有一個特殊的粗晶區(qū)—粗晶芯，這是正擠壓所沒有的組織特征。在擠壓后期，在中心金屬補充困難的情況下，?？讉让娼饘賷A持著沿堵頭表面徑向流動的金屬進入棒材尾部中心，這部分金屬受表面摩擦作用，在淬火后形成粗大晶粒。2.3影響金屬流動的因素2.3.1接觸摩擦及潤滑的影響摩擦是產生金屬流動不均的主要原因,以擠壓筒壁影響最大。潤滑可減少摩擦，減少金屬流動不均，并可以防止