金属塑性成形原理指导书

1、金属塑性成形原理实验指导书广东工业大学材料与能源学院2005年9月目 录实验一 金属力学性能分析与真实应力应变曲线3实验二 确定金属薄板塑性应变比实验 8实验三 镦粗不均匀变形和变形力试验 13实验四 板料塑性成形的应变测定试验 15实验一 金属力学性能分析与真实应力应变曲线一、目的通过拉伸试验确定金属薄板的力学性能，如弹性模量（E）、屈服应力（s）、抗拉强度（b）、屈强比（s/b），均匀延伸率（u）、总延伸率（k）、应变硬化指数（n）、并绘制硬化曲线。二、设备及工具LJ1000拉力试验机、千分尺、游标卡尺、直尺、标示工具等。三、试验步骤和实验数据记录1、 查找相关书籍，了解金属材料在拉伸时载

2、荷伸长曲线变化的规律，了解反映金属材料机械性质的相关参数的含义。2、 准备试样，做好标记可以使用图1、图2中所示两种形状试样中的任一种。应在金属薄板平面上与轧制方向成0°、45°和90°三个方向切取试样。试样厚度应当均匀，在标距长度内厚度变化不应大于0.01mm时，应不大于公称厚度的1%。切取样坯和机加工试样时，应防止因加工硬化或热影响而改变材料的性能。可用维氏金刚石压头或其它工具刻划标距点。标距点应位于试样的轴线上，并对称于平行长度部分的中心。图1 1号样图1 2号样表一：参数第1次第2次第3次tb¤3、 测量试样拉伸前的相关参数的实验数据，填入表一。

3、4、 按“回退”按钮，移动平台，调整上下夹头间的距离。5、 将试样放入试验机上下夹头内，并将其夹紧，调整好测力刻度和载荷伸长曲线记录装置。夹头的移动速度应在0.520mm/min范围内，并应保持加载速度恒定。按“拉伸”按钮加载，对金属试样进行拉伸，测量并记录拉伸过程中的相关参数的实验数据，填入对应表格。注意测量并记录产生屈服时的载荷Fs或F0.2、和最大载荷Fmax。6、 从试验机上取出上下夹头，将其松开并拿出试件，测量并记录相关实验数据，填入对应表格。表二：¤L¤F¤L¤F¤L¤F¤L¤F四、数据处理根据测得的实

4、验数据并参考实验绘制的载荷伸长曲线，进行数据处理，便可确定板材的E、s、b、s/b、u、k 1、确定板材E、s、b、s/b、u、k1.1 E由下列式子确定在金属薄板拉伸过程中的弹性变形阶段的某一时刻，读取的F和L代入下列式子：= E=/式中L0试样原始标距长度 ，mm；A0 试样原始横截面积，mm2。1.2 s、b及s/b由下式确定：s=或0.2=（MPa）b=（MPa）式中Fs屈服时的载荷 ，N； F0.2相对伸长为0.2%时的载荷，N； Fmax拉伸最大载荷，N； A0 试样原始横截面积，mm2。1.3 u及k由下式确定： u=k=式中 试样原始标距长度，mm；试样产生细颈时的标距长度，m

5、m；试样断裂时的标距长度，mm。2、绘制加工硬化曲线根据实验测得数据，在坐标网格纸上，以L为横坐标，F为纵坐标，为一一对应的L和F的值进行描点，拟合绘制金属板料拉伸时的F-L曲线。比较拟合绘制拉伸F-L曲线与试验时载荷伸长曲线记录装置绘制的拉伸曲线异同。对试验得到的拉伸曲线（图3）进行坐标变换：图3 拉伸F-L（-）曲线横坐标变换为对数应变=ln= lnln(1+) （1）纵坐标变换为真实应力 （2）式中 对数应变（真实应变）； 相对应变，=L/L0；L试样标距的伸长，mm；S真实应力，N/mm2；0名义应力，N/mm2；绘制方法如下：在拉伸曲线的横坐标取若干个L，再找到相应的载荷F值，亦可取

6、表二中的成对的F和L，根据式（1）和式（2）计算出相应的S和值，即可绘制出加工硬化曲线（产生细颈前的均匀拉伸阶段）。3、求硬化指数n值多数金属材料的真实应力真实应变关系为幂指数函数形式：S=Bn （3）式中 S真实应力，N/mm2;真实应变；B与材料有关的系数， N/mm2; n应变硬化指数。将式（3）两边取对数，有 （4）根据硬化曲线，用线性回归方法便可计算其斜率，即n值。下面介绍一种确定n值的简便方法。可从表二中取出的两对的F和L，或在拉伸曲线上取两点（F1，L1）和（F2，L2），按式（1）和（2）换算得（S1，1）和（S2，2），分别代入到式（4）中，消去lgB项，便得 （5）五、试验

7、报告1、 本试验的目的。2、 设备及工具。3、 试验用试样条件，试样材料、形状及尺寸。4、 试验步骤和实验记录的数据。5、 拟合绘制金属板料拉伸时F-L曲线。并将其与试验时载荷伸长曲线记录装置绘制的拉伸曲线，分析两曲线异同点，并说明原因。6、 绘制加工硬化曲线。7、 按公式计算出材料的性能：E、s、b、s/b、u、k、n。实验二 确定金属薄板塑性应变比试验一、目的通过拉伸试验确定金属薄板的塑性应变比（及）、凸耳参数（）。二、设备及工具LJ1000拉力试验机、千分尺、游标卡尺、直尺、标示工具等。三、实验原理塑性应变比r（也叫厚向异性系数r，简称r值）是评定板料压缩类成形性能的一个重要参数。r值是

8、板料试件单向拉伸试验中宽度应变与厚度应变之比，即板料r值的大小，反映板平面方向与厚度方向应变能力的差异。r=1时，为各向同性；r1时，为各向异性。当r1，说明板平面方向较厚度方向更容易变形，或者说板料不易变薄。r值与板料中晶粒的择优取向有关，本质上是属于板料各向异性的一个量度。r值与冲压成形性能有密切的关系，尤其是与拉深成形性能直接相关。板料的r值大，拉深成形时，有利于凸缘的切向收缩变形和提高拉深件底部的承载能力。图1示出拉深时的应力状态。r值增加，会同时使底部的强度增加和凸缘的变形抗力减小，这对拉深是非常有利的。大型覆盖件成形，基本上是拉深与胀形相结合的复合成形，当拉深变形的成分占主导地位时

9、，板材r值大，成形性能好。板平面中最主要的三个方向是与轧制方向呈0°、45°和90°，相应地用r0、r45和r90表示。由于不同方向上测得的数值是变化的（图2），板料的厚向异性系数常用平均值表示。 板平面内各向异性的差别用r表示。 图1 拉深时的应力状态 图2 r值在板平面内的变化a)r0 b)r0用圆形坯料拉深筒形件，当r0时，凸耳出现在0°和90°方向；当r0时，凸耳出现在±45°方向；r=0时，不产生凸耳。由于凸耳的位置与大小和r有关，所以r也叫凸耳参数。四、试验步骤和实验数据记录1、 准备试样，做好标记可以

10、使用实验一中的图1、图2所示两种形状试样中的任一种。应在金属薄板平面上与轧制方向成0°、45°和90°三个方向切取试样。试样厚度应当均匀，在标距长度内厚度变化不应大于0.01mm时，应不大于公称厚度的1%。切取样坯和机加工试样时，应防止因加工硬化或热影响而改变材料的性能。可用维氏金刚石压头或其它工具刻划标距点。标距点应位于试样的轴线上，并对称于平行长度部分的中心。2、 测量试样拉伸前的相关参数的实验数据，填入对应表格。3、 按“回退”按钮，移动平台，调整上下夹头间的距离。4、 将试样放入试验机上下夹头内，并将其夹紧，夹头的移动速度应在0.520mm/min范围内，

11、并应保持加载速度恒定，按“拉伸”按钮，对试样进行加载拉伸。表一：试样的轧制方向与受力方向的夹角，测量次数t0 (mm) b0 (mm) t (mm)b(mm)0°第一次第二次第三次45°第一次第二次第三次90°第一次第二次第三次5、 当试样标距从50 mm伸长至60 mm，即标距内金属材料伸长到约20%时，按“停止” 按钮，接着按“慢速回退”按钮，向上移动平台，卸载后，再从试验机上取出上下夹头，将其松开并拿出试件，测量并记录相关实验数据，填入对应表格。五、确定塑性应变比及凸耳参数塑性应变比亦称厚向异性指数，用板料单向拉伸试样的宽度应变和厚度应变的比值表示。当试样伸

12、长到约20%（注意：应在屈服之后，产生细颈之前）时停止加载，卸下试样。用千分尺测得试样变形后的宽度b及厚度t。代入下式中便可求得值： （1）式中 试样的宽度应变，=； 试样的厚向应变，=；b0、t0试样的原始宽度与厚度，mm；b、t变形后试样的宽度与厚度，mm。由于在不同方向上不同的值，一般按下式计算平均塑性应变比： （2）凸耳参数又称塑性平面各向异性指数，表示板料平面内的塑性各向异性，表示，可按下式计算： （3）式（2）、（3）中0、45、90表示在板表面内与轧制方向分别0°、45°和90°的试样。式（1）的根据体积不变条件，亦可由下式确定： （4）式中试样标距

13、长度应变。本试验中，测量试样的原始宽度b0时允许测量偏差为±0.01mm，至少应在标距长度内等间隔地测量三处宽度，并取其平均值。测量试样的原始宽度L0时允许测量偏差为±0.05mm，以同样的方式和精度测量变形后的试样宽度b1和标距长度L1。若拉伸变形后，在宽度方向发生明显弯曲（图1），当凸度h>0.3mm时，应按下式修正测得的宽度： （5）图1 试样横向弯曲示意五、实验报告1、 本实验的目的。2、 设备及工具。3、 实验原理4、 实验用试样条件，试样材料、形状及尺寸。5、 实验步骤和实验记录的数据。6、 按公式计算出材料的性能：、及。实验三 镦粗不均匀变形和变形力试验

14、一、实验目的通过对圆柱形坯料进行平板间镦粗，了解摩擦对镦粗变形过程和成形试件形状的影响，了解镦粗变形时的3个变形区和不均匀变形。二、设备与工具油压机，游标卡尺，直尺、圆规。三、试样图1零件毛坯示意图试样采用如图1所示的坯料，由外套、半圆坯料和低熔点合金组成，基本材料为纯铝。具体制作过程为：选定或加工去直径为40、高度为40、壁后为2的外套；根据外套的内径，加工出圆柱形内坯料，并保证内坯料与外套过渡配合；将圆柱坯料用线切割或其它方法平分成2半；在半圆形坯料的平面上，刻画上如图1上所示的网格；将2半用低熔点合金焊合后，装配入外套，并最终制作成如图1所示的试件。四、实验步骤1、 将1试件在油压机上进

15、行镦粗，试件最终高度控制在为25；2、 改善端面的润滑条件后，将另1试件在油压机上进行镦粗，试件最终高度也控制在为25；3、 在成形时，记录成形的压力与位移的曲线；成形后测量试件的形状尺寸；4、 将两试件沿焊合面剖开，并将低熔点合金去除；5、 测量试样上网格的尺寸变化，并计算各位置真实应变的大小，具体过程为：设变形前圆形网格的直径为d0；变形后网格形状改变，一般变成椭圆形。取椭圆长轴方向为1方向和短轴为2方向，量取相应的长度d1和d2；则 6、 根据椭圆的长轴与试件r方向夹角的大小（有方向性）计算出、和，具体过程为： 五、实验报告1、 本实验的目的，实验用的设备及成形工艺，试样的材料、形状尺寸

16、，变形后的试样形状和尺寸；2、 计算试样变形后典型位置的应变，同时根据外形说明摩擦对变形的影响以及镦粗变形的特点；3、 记录成形的压力与位移的曲线。实验四 板料塑性成形的应变测定试验一、实验目的通过测量板料液压成形后试样上相关形状尺寸的变化，计算试样上典型部位的应变大小以及零件的壁后改变；并由此理解真实应变和塑性变形体积不变条件等相关内容等。二、设备与工具板料实验机，游标卡尺，直尺、圆规。三、试样采用如图1所示的零件坯料，要求试样的厚度均匀为t0=0.51.5mm，在成形区域其厚度变化不应大于0.05mm，D=200mm，材料为低碳钢。图1零件毛坯示意图四、实验步骤1、 在毛坯上表面相应位置刻画上如图1所示的圆形网格，圆形网格形状应均匀、大小适度、轮廓清晰；2、 对毛坯进行液