金属塑性变形的不均匀性

1、 金属塑性变形的不均匀性金属塑性变形的不均匀性 4.0 金属的流动规律金属的流动规律 一体积不变定律一体积不变定律 变形前后，材料的体积保持不变。变形前后，材料的体积保持不变。 hblhbl 用真变形表示：用真变形表示：1230 忽略了弹性变形引起的体积变化忽略了弹性变形引起的体积变化 忽略了密度变化引起的体积变化忽略了密度变化引起的体积变化二最小阻力定律二最小阻力定律定义：变形过程中，金属质点有向各个方向移动定义：变形过程中，金属质点有向各个方向移动 的可能时，它向阻力最小的方向移动。的可能时，它向阻力最小的方向移动。如果满足以下条件：如果满足以下条件： 接触摩擦各向同性接触摩擦各向同性 摩

2、擦系数较高摩擦系数较高 f0 则最小阻力方向就是：则最小阻力方向就是： 离周边距离最短的法线方向。离周边距离最短的法线方向。 对矩形断面的金属，随对矩形断面的金属，随： 矩形矩形椭圆形椭圆形圆形圆形结论：任何断面形状的物体随结论：任何断面形状的物体随都有转变成圆都有转变成圆 形断面的现象。形断面的现象。因为任何断面形状的周边长度以圆形为最小，故因为任何断面形状的周边长度以圆形为最小，故最小阻力定律也称最小阻力定律也称最小周边定律最小周边定律。因为金属变形时，任何部分的质点均按最短的路因为金属变形时，任何部分的质点均按最短的路程花费最小的功来移动，故亦称程花费最小的功来移动，故亦称最小功定律最小

3、功定律。 注意前提条件：注意前提条件： f 各向同性各向同性 假如假如 f 各向异性呢？各向异性呢？ 如车削材料，如车削材料， f 各向异性各向异性 按以上规则，按以上规则，a点应向最短法线点应向最短法线 1方向移动，可方向移动，可 实际上，实际上，a点向点向2方向移动，因为方向移动，因为 2方向的阻力小。方向的阻力小。12 f0 假如接触面上假如接触面上f0 ，即理想情况？，即理想情况？ 此时，物体产生均匀变形，质点流动呈放射状。此时，物体产生均匀变形，质点流动呈放射状。 f 各向同性，各向同性，f 较大，较大，ad f 较小，较小，ab f0，理想情况，理想情况，ac f，ab靠近靠近ad

4、 f， ab靠近靠近acd bc 4.1 一般概念一般概念 一均匀变形与不均匀变形一均匀变形与不均匀变形概念概念 hx/hxh/h 高向变形均匀高向变形均匀 bx/bxb/b 宽向变形均匀宽向变形均匀 同时满足以上二式即为：同时满足以上二式即为： 均匀变形均匀变形均匀变形的条件均匀变形的条件 物体是各向同性的均匀连续体物体是各向同性的均匀连续体 物体内各点的物理状态绝对相等物体内各点的物理状态绝对相等 接触表面接触表面 f0，即无外摩擦，即无外摩擦 接触面上各点的压下量绝对相同接触面上各点的压下量绝对相同 无外端作用，即整个物体表面都无外端作用，即整个物体表面都 与工具直接接触与工具直接接触

5、实际生产时的条件实际生产时的条件 不可能绝对的各向同性不可能绝对的各向同性 物体内各点的物理状态不能绝对相同物体内各点的物理状态不能绝对相同 f0 压下量绝对相等难以做到压下量绝对相等难以做到 除镦粗外，一般都有外端作用除镦粗外，一般都有外端作用 二附加应力二附加应力 由变形不均匀引起的在物体内部自相平由变形不均匀引起的在物体内部自相平 衡的应力衡的应力 分类分类 附加应力分为三种附加应力分为三种 第一类附加应力第一类附加应力 在变形物体大部分体积之间彼此平衡的附加在变形物体大部分体积之间彼此平衡的附加 应力，由应力，由宏观的宏观的不均匀变形产生。不均匀变形产生。 以凸辊轧制矩形坯为例说明以凸

6、辊轧制矩形坯为例说明轧件边缘部分轧件边缘部分a: 压下量小，延伸小压下量小，延伸小轧件中间部分轧件中间部分b： 压下量大，延伸大压下量大，延伸大由于轧件是一整体，纵向由于轧件是一整体，纵向延伸趋于一致。所以延伸趋于一致。所以b对对a有一拉伸的应力，使有一拉伸的应力，使a伸长，伸长，a产生产生附附(+)a对对b有一压缩的应力，使有一压缩的应力，使b缩短，缩短，b产生产生附附(-) 影响因素：影响因素： 接触面上的外摩擦接触面上的外摩擦 变形体内的性质不均匀变形体内的性质不均匀 变形体的形状与工具的形状变形体的形状与工具的形状 第二类附加应力第二类附加应力 在变形体内两个或几个晶粒之间在变形体内两

7、个或几个晶粒之间 彼此平衡的附加应力，由彼此平衡的附加应力，由微观的微观的不均匀变形产生不均匀变形产生 影响因素：晶粒的性质不同，晶粒的大小与方位不同。影响因素：晶粒的性质不同，晶粒的大小与方位不同。 第三类附加应力第三类附加应力 在滑移面附近或在滑移带中各部在滑移面附近或在滑移带中各部 分彼此平衡的附加应力，由分彼此平衡的附加应力，由原子级的原子级的不均匀变形不均匀变形 产生。产生。 影响因素：晶粒内部的变形不均匀，产生晶格畸变影响因素：晶粒内部的变形不均匀，产生晶格畸变 附附特征特征 三个方向都存在三个方向都存在附附 物体内部有物体内部有附附(+)，必然有，必然有附附(-) 变形大的部分产

8、生变形大的部分产生附附(-)， 变形小的部分产生变形小的部分产生附附(+) 外力去除后，外力去除后， 附附以残余应力的形以残余应力的形 式仍保留在物体内部式仍保留在物体内部 4.2 产生应力、应变不均匀的原因产生应力、应变不均匀的原因 一金属本身性质的不均匀一金属本身性质的不均匀 化学成分不均匀化学成分不均匀 成分偏析成分偏析 组织不均匀组织不均匀 金属呈现多相状态金属呈现多相状态 杂质杂质 晶粒大小及方向性不同晶粒大小及方向性不同 软取向软取向 硬取向硬取向二温度分布不均匀二温度分布不均匀 产生二种附加应力产生二种附加应力t高，膨胀大高，膨胀大 t低，膨胀小低，膨胀小 产生附加热应力产生附加

9、热应力 t高，变形抗力小，变形大高，变形抗力小，变形大 t低，变形抗力大，变形小低，变形抗力大，变形小 产生附加应力产生附加应力 这二种附加应力的叠加，可能造成较大的这二种附加应力的叠加，可能造成较大的 附附(+)，使金属断裂，使金属断裂例如：金属在实心底炉加热，时间不够，则：例如：金属在实心底炉加热，时间不够，则： 上层温度高，下层温度低上层温度高，下层温度低上：上： t高高 附热附热(-)下：下： t低低 附热附热(+)上：上： t高，抗力小，高，抗力小，大，大， 附附(-)下：下： t低低 ，抗力大，抗力大，小，小， 附附(+)金属是一整体，下部金属要阻碍上部金属的自由金属是一整体，下部

10、金属要阻碍上部金属的自由延伸，造成轧件向下弯曲，缠住下辊。延伸，造成轧件向下弯曲，缠住下辊。 假若钢件假若钢件塑性较低，则下部区域可能产生裂纹，以至断裂塑性较低，则下部区域可能产生裂纹，以至断裂 。在轧制大钢锭时，若均热时间不足，常发现钢锭在轧制大钢锭时，若均热时间不足，常发现钢锭中间部分产生裂纹。为什么？中间部分产生裂纹。为什么？ 钢锭比较厚，若加热时间不足，则中间部分温度钢锭比较厚，若加热时间不足，则中间部分温度 较低较低 中部：中部：t低，膨胀小，低，膨胀小， 附热附热(+) 轧制开始时，表面变形大，轧制开始时，表面变形大， 附附(-) 中部变形小，中部变形小， 附附(+) 这二种拉应力

11、叠加，可能造成中间部分金属开裂这二种拉应力叠加，可能造成中间部分金属开裂 三工具和工件形状的影响（三工具和工件形状的影响（h不均）不均） 由于由于h不均匀，造成不均匀，造成不均匀，产生不均匀，产生附附 下面以凹辊轧制矩形坯为例来讨论下面以凹辊轧制矩形坯为例来讨论 在椭圆孔型中轧制矩形坯时，中部在椭圆孔型中轧制矩形坯时，中部h小，小， 边缘边缘h大，故沿宽度方向纵向延伸不均匀。大，故沿宽度方向纵向延伸不均匀。 中部：中部：小，产生小，产生附附(+) 开裂开裂 两边：两边：大，产生大，产生附附(-) 皱折（波纹）皱折（波纹） 两端：呈自由延伸，鱼尾状两端：呈自由延伸，鱼尾状四外摩擦的影响四外摩擦的

12、影响下面以下面以 h/d2的圆柱体的圆柱体镦粗为例来说明。镦粗为例来说明。镦粗后：镦粗后：工件由圆柱形工件由圆柱形单鼓形单鼓形 发生了不均匀变形发生了不均匀变形这就是外摩擦所致这就是外摩擦所致1f 对应力分布的影响对应力分布的影响接触表面接触表面轴向应力（单位压力）：轴向应力（单位压力）：z第第1层：层：1s 产生塑性变形产生塑性变形第第2层：层：2s 1第第3层：层：3s 1 2 .由外层到内层轴向应力逐渐升高。由外层到内层轴向应力逐渐升高。 径向应力：径向应力：r 由外层到内层由外层到内层r 逐渐升高逐渐升高 中心面中心面沿高度方向，由接触面至变形体中部，外摩擦沿高度方向，由接触面至变形体

13、中部，外摩擦的影响逐渐减弱。的影响逐渐减弱。即：离接触面越远，径向流动阻力越小，要使即：离接触面越远，径向流动阻力越小，要使 它变形所需的单位压力越小，其应力分布它变形所需的单位压力越小，其应力分布 是逐渐减小的。是逐渐减小的。另：另： 离中心面越远，径向流动阻力越小，应力离中心面越远，径向流动阻力越小，应力 越小。越小。2f 对应变分布的影响对应变分布的影响 接触表面接触表面 边缘：径向流动阻力小，边缘：径向流动阻力小，大大 中部：径向流动阻力大，中部：径向流动阻力大，小小在接触表面的中部，在接触表面的中部，f 的影响最大，所受三向压的影响最大，所受三向压应力最强，有可能完全没有变形，应力最

14、强，有可能完全没有变形， = 0 中心面中心面 近接触表面：近接触表面：f 影响大，影响大，小小 变形区中部：变形区中部：f 影响小，影响小，大大3变形区的划分变形区的划分 根据以上分析，常将镦粗时的物体分为三个变形区根据以上分析，常将镦粗时的物体分为三个变形区区：难变形区，与上下压头相区：难变形区，与上下压头相 接触的区域，接触的区域，f 影响大，影响大， 三向压应力强烈，金属流三向压应力强烈，金属流 动困难，动困难， 0由于由于 f 的影响的影响 随离接触表面的距随离接触表面的距离而减弱，所以离而减弱，所以区大体上是一区大体上是一个圆锥体。个圆锥体。区：易变形区（大变形区）区：易变形区（大

15、变形区） 区受区受 f 的影响小，金属流动的影响小，金属流动 阻力阻力，径向扩展，径向扩展 由于由于区的楔入作用，促使周区的楔入作用，促使周 围质点流动围质点流动，向四周移动。，向四周移动。区处于区处于45的有利方位的有利方位区：小变形区区：小变形区 变形量介于变形量介于区与区与区之间区之间 远离接触表面，受远离接触表面，受 f 影响小，变形较为自影响小，变形较为自 由，故称为自由变形区由，故称为自由变形区 f 影响小，可自由变形，同时影响小，可自由变形，同时 又受到又受到区的扩展作用。区的扩展作用。 区不处于区不处于45有利方位，有利方位， 其变形主要取决于其变形主要取决于区对它区对它 的推

16、挤。的推挤。 网格变形不大。网格变形不大。从图从图5-2可明显看出三个变形区可明显看出三个变形区的变形情况，与理论分析相符的变形情况，与理论分析相符合。合。如图如图5-3，可见：中间变形最，可见：中间变形最大，加工硬化显著，硬度大，加工硬化显著，硬度此时，此时，区几乎耗尽了自身区几乎耗尽了自身的塑性，处于脆性状态，若的塑性，处于脆性状态，若继续变形便会破裂。所以要继续变形便会破裂。所以要重新加热以消除加工硬化。重新加热以消除加工硬化。 冷镦粗过程是：加热冷镦粗过程是：加热镦粗镦粗加热加热镦粗镦粗.4变形区的应力状态变形区的应力状态 基基附附 工工a点点 c点点5主要现象主要现象产生单鼓形产生单

17、鼓形 h/d2 由于由于 f 的影响，表面层的变形比中间层要小，的影响，表面层的变形比中间层要小， 随随，便形成了单鼓形。，便形成了单鼓形。产生双鼓形产生双鼓形 h/d2 变形金属的高度较大，而变形力或压下量较小变形金属的高度较大，而变形力或压下量较小时，仅产生表面变形，而中部的金属不产生变形时，仅产生表面变形，而中部的金属不产生变形或变形甚小，这样，沿侧面高度上便形成了双鼓或变形甚小，这样，沿侧面高度上便形成了双鼓形。形。变形区分为四个部分：变形区分为四个部分：、区与前相同区与前相同区：不变形区区：不变形区 h太大，两个易变形区相距很太大，两个易变形区相距很远，不能相交。远，不能相交。 随随

18、，h，区相交区相交 单单鼓形鼓形侧面翻平现象侧面翻平现象 侧表面上的金属局部转移到接触表面上的现象侧表面上的金属局部转移到接触表面上的现象ob 原始表面原始表面 od 变形后的表面变形后的表面bd环环 变形后接触面的增加变形后接触面的增加 部分部分 它包括两个部分它包括两个部分bc环环 原接触面的径向滑动原接触面的径向滑动 而成而成cd环环 侧面翻平而成的新的侧面翻平而成的新的 表面表面 粘着现象粘着现象接触表面上的金属对工具接触表面上的金属对工具完全不产生相对滑动而粘完全不产生相对滑动而粘着在一起。着在一起。oa园园粘着区粘着区难变形区难变形区区的基底区的基底 bc环实际上是由环实际上是由a

19、b环滑环滑动而成动而成 1 影响因素：影响因素：a) f，粘着区，粘着区,金属移动阻力金属移动阻力 ， 不易滑动，侧面翻平不易滑动，侧面翻平 b) h/d，粘着区，粘着区两个极端：两个极端：f，h/d 可能发生完全粘着，没有滑可能发生完全粘着，没有滑 动，接触表面的增加完全靠动，接触表面的增加完全靠 侧面翻平。侧面翻平。f，h/d 无粘着区无粘着区 侧面开裂侧面开裂 五外端的影响五外端的影响 1. 外端的概念外端的概念 在变形过程中的某一瞬时，不直接承受工具作在变形过程中的某一瞬时，不直接承受工具作 用而处于变形区以外的部分。也称刚端或外区。用而处于变形区以外的部分。也称刚端或外区。 例：例：

20、 镦粗镦粗 无外端无外端 轧制开始（结束）轧制开始（结束） 一个外端一个外端 轧制过程轧制过程 二个外端二个外端 封闭型外端封闭型外端 如图示如图示2. 外端对应力、应变不均匀分布的影响外端对应力、应变不均匀分布的影响 外端使纵向不均匀减小，横向不均匀增加外端使纵向不均匀减小，横向不均匀增加 以局部锻造为例讨论以局部锻造为例讨论a)沿高度方向的变形沿高度方向的变形无外端时无外端时纵向：单鼓形纵向：单鼓形横向：单鼓形横向：单鼓形 有外端时有外端时 纵向：由于外端的作用，使变形强迫拉齐，不均纵向：由于外端的作用，使变形强迫拉齐，不均 匀变形匀变形 表层：表层：小，产生纵向的小，产生纵向的附附(+)

21、 中部：中部：大，产生纵向的大，产生纵向的附附(-) 横向横向：表层：由于受纵向：表层：由于受纵向附附(+)作用，使宽展作用，使宽展b 中部：由于受纵向中部：由于受纵向附附(-)作用，作用， 使宽展使宽展b 这样，形成的鼓形更大，所以，这样，形成的鼓形更大，所以， 外端使横向不均匀变形外端使横向不均匀变形 1b) 沿水平方向的变形沿水平方向的变形无外端时无外端时abcd abcd有外端时有外端时近外端处，因为外端的拉齐作用，近外端处，因为外端的拉齐作用，ada”d” bcb”c”远外端处，受外端的影响远外端处，受外端的影响，外端的拉齐作用，外端的拉齐作用小，小，b abcd a”b”c”d”

22、外端使总的宽展外端使总的宽展，总的延伸，总的延伸 因为外端的拉齐作用因为外端的拉齐作用,使横向移动阻力使横向移动阻力 ， b 1 由于外端对宽展的影响由外端至变形区中由于外端对宽展的影响由外端至变形区中 部逐渐消失，故：部逐渐消失，故： 变形区长度增加，外端对宽展的影响减小变形区长度增加，外端对宽展的影响减小 变形区长度减小，外端对宽展的影响增变形区长度减小，外端对宽展的影响增 大，使大，使b，4.3 变形不均匀的后果变形不均匀的后果 及预防措施及预防措施一后果一后果1使变形抗力使变形抗力2使塑性使塑性3使产品质量使产品质量 不同，产品组织不同，产品组织 性能不同，性能不同， 质量质量 产生产

23、生附附(+)，材料发生断裂，废品，材料发生断裂，废品 4使技术操作复杂使技术操作复杂 使工具使用寿命使工具使用寿命 工具设计、制造、维护复杂工具设计、制造、维护复杂 使导卫装置复杂化使导卫装置复杂化 使热处理工艺复杂使热处理工艺复杂 组织性能不均组织性能不均5使变形后形成使变形后形成残残 残残 外力取消后在变形体内所遗留下来外力取消后在变形体内所遗留下来 的附加应力的附加应力 残残 的后果：的后果： 使工件在变形时应力、应变分布更不均匀使工件在变形时应力、应变分布更不均匀 无无残残：工工 =基基 +附附 有有残残：工工 =基基 +附附 +残残 使工具的使用寿命使工具的使用寿命 =外加外加+残残

24、 当当 s时，时， 工具发生变形，缩短零件的使用寿命工具发生变形，缩短零件的使用寿命 使工件的形状、尺寸发生变化使工件的形状、尺寸发生变化 物体内存在物体内存在残残 时，表明在各部分存在符时，表明在各部分存在符 号不同的弹性变形号不同的弹性变形 使工件的耐腐蚀性使工件的耐腐蚀性二减轻措施二减轻措施1尽可能使化学成分均匀尽可能使化学成分均匀2正确选择变形温度正确选择变形温度 加热均匀加热均匀 变形在单相区进行，使组织均匀变形在单相区进行，使组织均匀 t变变tz 3正确选择变形速度正确选择变形速度 h/d2 双鼓形双鼓形 表表 中中 变形速度应该慢，变形易渗入，变形速度应该慢，变形易渗入，中中， 不均匀不均匀 h/d2 单鼓形单鼓形 表表 中中 变形速度应该快，变形集中在表面，变形速度应该快，变形集中在表面， 表表,不均匀不均匀4减少外摩擦减少外摩擦 表面光