材料成型金属学ch03金属塑性变形的宏观规律

1、3.金属塑性变形的宏观规律金属塑性变形的宏观规律3.13.1基本概念和研究方法基本概念和研究方法3.1.13.1.1均匀变形与不均匀变形均匀变形与不均匀变形n均匀变形均匀变形：变形区某体积内的所有点的变形状态都相同：变形区某体积内的所有点的变形状态都相同, ,则此体积的变形称为均匀变形。则此体积的变形称为均匀变形。n均匀变形物体中任一点处均匀变形物体中任一点处, ,立方体变为斜角六面体立方体变为斜角六面体. .n均匀变形后任一点的坐标为其变形前坐标的线性函数。均匀变形后任一点的坐标为其变形前坐标的线性函数。均匀变形的基本特点均匀变形的基本特点变形前变形后1(平行)平面和直线(平行)平面和直线2

2、二阶曲面(如:球体)二阶曲面(椭球体)3几何相似且位置相似的单元体几何相似的单元体均匀变形条件均匀变形条件n变形物体为各向同性变形物体为各向同性. .n变形物体内各点处物理状态相同变形物体内各点处物理状态相同( (温度、变形抗力等温度、变形抗力等).).n接触面上任一点的绝对压下量和相对压下量相同接触面上任一点的绝对压下量和相对压下量相同. .n整个变形物体同时处于工具的直接作用下整个变形物体同时处于工具的直接作用下. .n接触面上完全没有接触摩擦或没有接触摩擦引起的阻力接触面上完全没有接触摩擦或没有接触摩擦引起的阻力. .3.1.23.1.2基本应力与附加应力基本应力与附加应力n基本应力基本

3、应力 : : 物体在塑性变形状态中物体在塑性变形状态中, ,完全根据弹性完全根据弹性状态所测出的应力状态所测出的应力. . 当使物体产生塑性变形的外力去除后当使物体产生塑性变形的外力去除后弹性变形恢复弹性变形恢复, ,此基本应力消失此基本应力消失. . 基本应力是由于外力的作用所引起的基本应力是由于外力的作用所引起的应力应力. .附加应力附加应力 : :物体产生不均匀变形时物体产生不均匀变形时, ,具有不同变形的各部分间具有不同变形的各部分间产生的相互平衡的应力产生的相互平衡的应力. .由于内力所产生的应力由于内力所产生的应力. .外力去除变形终止后外力去除变形终止后, ,此此附加应力仍将保留

4、在变形附加应力仍将保留在变形物体内物体内. .残余应力残余应力 : :此保留下来的附加应力此保留下来的附加应力工作应力工作应力 : :对变形物体实测出来的应力对变形物体实测出来的应力. .是基本应力与附加应力的代数和是基本应力与附加应力的代数和. .当物体的变形绝对均匀时当物体的变形绝对均匀时, ,其基本应力与工作应力相等其基本应力与工作应力相等. .变形不均匀分布时变形不均匀分布时, ,工作应力等于基本应力与附加应力的代数和工作应力等于基本应力与附加应力的代数和. .附加应力的分类附加应力的分类n变形物体的几个大部分间由于不均匀变形所引起的相互变形物体的几个大部分间由于不均匀变形所引起的相互

5、平衡的附加应力平衡的附加应力. .n变形物体局部的各部分之间变形物体局部的各部分之间( (如两个或几个晶粒间如两个或几个晶粒间) )由于由于不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力. .n变形物体的一个晶体内的各部分间由于不均匀变形所引变形物体的一个晶体内的各部分间由于不均匀变形所引起的附加应力起的附加应力. .3.1.33.1.3研究变形分布的主要方法研究变形分布的主要方法n坐标网格法坐标网格法：它是研究金属塑性加工中变形它是研究金属塑性加工中变形区内金属流动情况应用最广的方法。其实质区内金属流动情况应用最广的方法。其实质是观察变形前后，各网格所限定的区域金属

6、是观察变形前后，各网格所限定的区域金属几何形状的变化。目前网格法可作定量分析。几何形状的变化。目前网格法可作定量分析。 n硬度法硬度法：变形程度越大，加工硬化越强，金：变形程度越大，加工硬化越强，金属硬度越大。是一种极粗略的定量法，适用属硬度越大。是一种极粗略的定量法，适用于对加工硬化敏感的金属于对加工硬化敏感的金属n比较晶粒法比较晶粒法：变形程度增大，晶粒变细。适：变形程度增大，晶粒变细。适用于影响晶粒大小的因素之有变形程度而无用于影响晶粒大小的因素之有变形程度而无其它的情况。变形程度较大时，不适用。其它的情况。变形程度较大时，不适用。利利用再结晶图，近似地得出变形体内各处的变用再结晶图，近

7、似地得出变形体内各处的变形程度。此法也只能定性地显示变形分布情形程度。此法也只能定性地显示变形分布情况。对于热变形，因该过程中发生了再结晶况。对于热变形，因该过程中发生了再结晶现象，就很难判断变形的分布。现象，就很难判断变形的分布。 n云纹法、示踪原子法、光塑性法等云纹法、示踪原子法、光塑性法等组合圆柱体的压缩组合圆柱体的压缩坐标网的方格变化坐标网的方格变化a a 无剪变形时正方形变为长方形；无剪变形时正方形变为长方形； b b 有剪变形时正方形变为平行四边形。有剪变形时正方形变为平行四边形。r0r0原来的内切圆半径；原来的内切圆半径；a a和和b b为无剪变形时椭圆形的轴径；为无剪变形时椭圆

8、形的轴径；r1r1和和r2r2为有剪变形时椭圆形的轴径为有剪变形时椭圆形的轴径3.23.2自由变形理论自由变形理论n自由变形自由变形 : : 不由变形工具形成的空间尺寸所限定的变形不由变形工具形成的空间尺寸所限定的变形. . 如如: :直角六面体在二平锤头间压缩、板材在二平轧辊间轧制直角六面体在二平锤头间压缩、板材在二平轧辊间轧制. .n自由变形方向、自由变形平面自由变形方向、自由变形平面. .n自由变形理论可以用来确定自由变形理论可以用来确定: :n自由特性变形彼此间的比值自由特性变形彼此间的比值n金属塑性流动的运动学图形金属塑性流动的运动学图形1.1.由于不均匀变形由于不均匀变形, ,位于

9、自由平面内的断面所得到的形状位于自由平面内的断面所得到的形状自由变形理论基础自由变形理论基础: :最小阻力定律最小阻力定律-当物体各质点有在不同方向移动的可当物体各质点有在不同方向移动的可能时能时, ,变形物体内的每一个质点都将沿变形物体内的每一个质点都将沿其最小阻力方向移动其最小阻力方向移动. .移动各点的轨迹在自由变形平面的投移动各点的轨迹在自由变形平面的投影影, ,与位于此平面的断面周边的最短法与位于此平面的断面周边的最短法线重合线重合. .因此最短法线方向就是最小阻因此最短法线方向就是最小阻力方向力方向. .意义意义: :预测变形物体在自由变形平面内预测变形物体在自由变形平面内的断面形

10、状的断面形状. .n最小周边法则最小周边法则 : : 当最小阻力方向即为最短法线方向时当最小阻力方向即为最短法线方向时, ,任意断面形状任意断面形状的柱体镦粗的柱体镦粗, ,断面形状将趋于圆形断面形状将趋于圆形, ,因为圆形断面的周因为圆形断面的周界最小界最小. .n最短法线方向是最小阻力方向的条件最短法线方向是最小阻力方向的条件 : :n接触摩擦为各向同性接触摩擦为各向同性, ,即在任何方向上接触摩擦阻力即在任何方向上接触摩擦阻力均相同均相同. .n接触摩擦系数具有较高的数值接触摩擦系数具有较高的数值. .接触摩擦系数的各向异性对运动学图形的形式会产生重大影响：接触摩擦系数的各向异性对运动学

11、图形的形式会产生重大影响：试样长轴位于摩擦系数最小的方向上时，延伸大，宽展小。试样长轴位于摩擦系数最小的方向上时，延伸大，宽展小。试样长轴位于摩擦系数最大的方向上时，宽展大，延伸小。试样长轴位于摩擦系数最大的方向上时，宽展大，延伸小。自由变形理论在确定变形物体的纵向和横向的变形关系时具自由变形理论在确定变形物体的纵向和横向的变形关系时具有重要意义有重要意义. .压下量相同，轧制宽度相同轧件时，用大轧辊，宽展大。压下量相同，轧制宽度相同轧件时，用大轧辊，宽展大。3.33.3影响金属变形行为的因素及所呈现的现象影响金属变形行为的因素及所呈现的现象影响金属变形行为的因素影响金属变形行为的因素 ：n接

12、触摩擦接触摩擦n变形物体的外端变形物体的外端n变形物体的几何形状和工具形状变形物体的几何形状和工具形状n变形物体的温度不均和组织不均变形物体的温度不均和组织不均3.3.13.3.1接触摩擦接触摩擦一、呈现单鼓形的三个变形区一、呈现单鼓形的三个变形区区区: :难变形区，硬取向，三向压应力状难变形区，硬取向，三向压应力状态。附加拉应力较小态。附加拉应力较小. .区区: :易变形区，软取向，三向压应力状易变形区，软取向，三向压应力状态。附加压应力态。附加压应力. .区区: :自由变形区，二压一拉应力状态：自由变形区，二压一拉应力状态：环向拉，径向压。环向附加拉应力环向拉，径向压。环向附加拉应力. .

13、圆柱体镦粗时相对鼓形体积与试样几何尺寸的关系圆柱体镦粗时相对鼓形体积与试样几何尺寸的关系鼓形程度开始时随着压下率增加而增加，并达到最大值，之后逐渐鼓形程度开始时随着压下率增加而增加，并达到最大值，之后逐渐减小。原始减小。原始H/dH/d越小越小( (短试样短试样) )，鼓形越小，且在变形程度较小时，鼓形越小，且在变形程度较小时，达到鼓形的最大值。达到鼓形的最大值。二、呈现双鼓形二、呈现双鼓形单鼓几何条件单鼓几何条件 ：H/d2H/d2双鼓几何条件双鼓几何条件 ：H/d2H/d2区：圆柱体形状区：圆柱体形状 垂直单向压应力垂直单向压应力 均匀的塑性变形或弹性变形均匀的塑性变形或弹性变形双鼓双鼓单

14、鼓：单鼓：随着压下率增加，随着压下率增加，H/d H/d ，两个难变形，两个难变形区锥区锥区靠近时。区靠近时。双鼓形影响因素双鼓形影响因素 ：压下率，接触摩擦，变形区的几何因素，压下率，接触摩擦，变形区的几何因素，变形速度。变形速度。三、侧面翻平现象三、侧面翻平现象侧面翻平现象：侧面翻平现象：由于接触摩擦的作用，在出现单鼓形由于接触摩擦的作用，在出现单鼓形的同时出现的侧表面金属局部地转移的同时出现的侧表面金属局部地转移到接触表面上来的现象。到接触表面上来的现象。发生条件发生条件 ：侧表面面积的减小量大于接触面面积侧表面面积的减小量大于接触面面积的增加量。的增加量。接触面积的增加接触表面上金属质

15、接触面积的增加接触表面上金属质点滑动侧面质点翻平点滑动侧面质点翻平侧面金属翻平量大小的影响因素侧面金属翻平量大小的影响因素 ：接触摩擦条件接触摩擦条件变形物体的几何尺寸。变形物体的几何尺寸。原侧面上原侧面上aaaa和和bbbb镦粗后转移到端面镦粗后转移到端面四、粘着现象四、粘着现象n粘着现象粘着现象：圆柱体镦粗，若接触摩擦较大和高径比：圆柱体镦粗，若接触摩擦较大和高径比H/dH/d较大时，在端较大时，在端面中心部位有一区域，金属质点对工具完全不产生相对滑动而粘着在面中心部位有一区域，金属质点对工具完全不产生相对滑动而粘着在一起。一起。n粘着区粘着区：此粘着在一起的区域。：此粘着在一起的区域。n

16、难变形区难变形区：以粘着区为基底的圆锥形或近似圆锥形的体积：以粘着区为基底的圆锥形或近似圆锥形的体积n影响粘着区大小的因素影响粘着区大小的因素： 1.1.变形区几何因素：变形区几何因素：H/dH/d，粘着区，粘着区。 2.2.接触摩擦：接触摩擦接触摩擦：接触摩擦，粘着区，粘着区。n全粘着现象全粘着现象：在接触摩擦较大，：在接触摩擦较大，H/dH/d增加到一定程度，接触表面上不增加到一定程度，接触表面上不存在变形金属质点与工具间的相对滑动，即无滑动区时，接触面的面存在变形金属质点与工具间的相对滑动，即无滑动区时，接触面的面积增加仅由侧面金属的翻平造成。积增加仅由侧面金属的翻平造成。n全滑动区全滑

17、动区：接触摩擦较小，：接触摩擦较小，H/dH/d减小到一定程度时，粘着区完全消失，减小到一定程度时，粘着区完全消失，接触表面为全滑动区。接触表面为全滑动区。n接触表面上粘着区与滑动区同时存在。接触面积的增加接触表面上接触表面上粘着区与滑动区同时存在。接触面积的增加接触表面上金属质点滑动侧面质点翻平金属质点滑动侧面质点翻平圆柱体镦粗时出现的粘着区及难变形区圆柱体镦粗时出现的粘着区及难变形区五、接触表面上应力分布不均五、接触表面上应力分布不均 试件边缘的应力等于变形金属的屈服点，由边缘试件边缘的应力等于变形金属的屈服点，由边缘向中心应力逐渐增高。由于接触摩擦的作用向中心应力逐渐增高。由于接触摩擦的

18、作用. .n外端：变形过程中某一瞬间变形物体不直接承受外端：变形过程中某一瞬间变形物体不直接承受工具作用而处于变形区以外的部分。工具作用而处于变形区以外的部分。n外端分为外端分为封闭形外端封闭形外端和和非封闭形外端非封闭形外端。3.3.23.3.2变形物体的外端变形物体的外端被压缩体积的变形要影响到外端的被压缩体积的变形要影响到外端的一定区域一定区域; ;外端会阻碍被压缩体积的向外扩展外端会阻碍被压缩体积的向外扩展. .外端体积小时：外端高度减小外端体积小时：外端高度减小( (向周向周边减弱边减弱) )，外端向外扩展。，外端向外扩展。外端体积大时：变形很难进行。外外端体积大时：变形很难进行。外

19、压力非常大时压力非常大时, ,工具压入，部分金工具压入，部分金属沿工具周围被挤出。属沿工具周围被挤出。封闭形外端可减小被压缩物体的不封闭形外端可减小被压缩物体的不均匀变形，使其三向压应力状态均匀变形，使其三向压应力状态增强。增强。 封闭形外端下的塑压变形封闭形外端下的塑压变形1-1-工件，工件，2-2-外端，外端，3-3-工具工具封闭形外端封闭形外端非封闭形外端（锻造延伸、拉拔等）非封闭形外端（锻造延伸、拉拔等）1)H/l21)H/l2：无外端时：无外端时： 沿变形区高度沿变形区高度, ,中部延伸和宽展较大中部延伸和宽展较大, ,端部较小端部较小. . 单鼓单鼓; ; ABCDABCD; AB

20、CDABCD; 有外端时：有外端时： 外端对变形物体沿高度方向的纵向延外端对变形物体沿高度方向的纵向延伸有伸有”拉齐拉齐”作用作用; ; 中部中部: :附加压应力附加压应力; ; 端部端部: :附加拉应力附加拉应力; ; ABCD A”B”C”D” ABCD A”B”C”D” 由于外端对纵向延伸的由于外端对纵向延伸的”拉齐拉齐”作用作用, ,使变形区沿高向的中部的宽展最大使变形区沿高向的中部的宽展最大, ,端部宽展最小端部宽展最小. .矩形件局部压缩时外端对延伸矩形件局部压缩时外端对延伸及宽展的影响及宽展的影响1-1-工具，工具， 2-2-外端，外端，3-3-变形区变形区外端作用外端作用: :

21、变形物体的纵向变形的不均匀性减小变形物体的纵向变形的不均匀性减小, ,横横向变形的不均匀性增加向变形的不均匀性增加. .n沿变形区宽度方向（横向）：沿变形区宽度方向（横向）： 纵向延伸更均匀纵向延伸更均匀 中部：纵向附加压应力中部：纵向附加压应力 边部：纵向附加拉应力边部：纵向附加拉应力n沿变形区长度方向（纵向）：沿变形区长度方向（纵向）： 外端加剧了横向变形的不均匀性外端加剧了横向变形的不均匀性 靠近外端：宽展小靠近外端：宽展小 远离外端：宽展大远离外端：宽展大 变形区越长，外端对宽展影响越小。变形区越长，外端对宽展影响越小。H/l2H/l2的高件局部压缩：的高件局部压缩： 无外端时：双鼓无

22、外端时：双鼓 有外端时：拉齐有外端时：拉齐: :纵向不均匀性纵向不均匀性，横向不均匀性，横向不均匀性。 靠近外端的鼓形处靠近外端的鼓形处: :纵向附加压应力纵向附加压应力, , 宽展增大；宽展增大； 沿变形区高度的中部沿变形区高度的中部: :纵向附加拉应力纵向附加拉应力, ,宽展减小宽展减小. . 3.3.33.3.3变形工具和坯料的轮廓形状变形工具和坯料的轮廓形状 造成变形物体内变形与应力不均匀分布的根本原因造成变形物体内变形与应力不均匀分布的根本原因是沿某一方向上所经受的变形量不同是沿某一方向上所经受的变形量不同. . 工具与金属形状的差异，是造成金属沿各个方向流工具与金属形状的差异，是造

23、成金属沿各个方向流动的阻力有差异，因而金属向各个方向的流动（即变形动的阻力有差异，因而金属向各个方向的流动（即变形量）也有相应差别。量）也有相应差别。工具形状典型实例工具形状典型实例: :变形体横断面上延伸不均匀变形体横断面上延伸不均匀. .二凸形辊间轧制矩形断面坯料二凸形辊间轧制矩形断面坯料; ;挤压或拉伸棒材的后端凹入；挤压或拉伸棒材的后端凹入；平砧下镦粗圆柱体时出现的鼓形平砧下镦粗圆柱体时出现的鼓形; ;板材轧制时易出现舌头和鱼尾板材轧制时易出现舌头和鱼尾典型实例典型实例:二平辊轧制两侧厚中间薄的坯料二平辊轧制两侧厚中间薄的坯料中间中间: 附加拉应力附加拉应力;两侧两侧: 附加压应力附加

24、压应力.实际情况实际情况: 两侧延伸两侧延伸中间延伸中间延伸如两侧宽度如两侧宽度中间宽度中间宽度:中部中部: c; 周期性断裂周期性断裂如两侧宽度如两侧宽度中间宽度中间宽度:中部不断裂中部不断裂,两侧产生皱纹两侧产生皱纹 型钻中拔长型钻中拔长 a) a) 圆型砧圆型砧 b) V b) V型砧型砧 c) c) 凸型砧凸型砧沿孔型宽度上延伸分布图沿孔型宽度上延伸分布图 其他实例其他实例3.3.43.3.4变形物体温度分布不均变形物体温度分布不均n同一变形物体中：同一变形物体中： 高温部分高温部分: :变形抗力低，变形大。变形抗力低，变形大。附加压应力附加压应力 低温部分低温部分: :变形抗力高，变

25、形小。变形抗力高，变形小。附加拉应力附加拉应力 n变形物体内因温度不同所产生热变形物体内因温度不同所产生热膨胀不同而引起的热应力，与由膨胀不同而引起的热应力，与由不均匀变形所引起的附加应力相不均匀变形所引起的附加应力相叠加后，有时会加强应力的不均叠加后，有时会加强应力的不均匀分布，甚至引起断裂。匀分布，甚至引起断裂。n举例：举例： 轧件轧后上翘、下翘：原因之一是轧件轧后上翘、下翘：原因之一是钢坯加热时上或下加热不足。钢坯加热时上或下加热不足。 铝钢双层金属轧制：铝变形抗力低铝钢双层金属轧制：铝变形抗力低于钢于钢, ,轧件向钢侧弯曲轧件向钢侧弯曲 铝铝钢双金属轧制时由不钢双金属轧制时由不均匀变形

26、产生的弯曲现象均匀变形产生的弯曲现象3.3.53.3.5变形金属的材质不均变形金属的材质不均 变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相的变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异。形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异。如杂质和其周围晶粒的性质不同，出现应力集中现象，如杂质和其周围晶粒的性质不同，出现应力集中现象，结果这种缺陷周围的晶粒必须发生不均匀变形，并会产结果这种缺陷周围的晶粒必须发生不均匀变形，并会产生晶间及晶内附加应力。生晶间及晶内附加应力。3.43.4变形不均匀分布所引起的后果及防止措施变形不均匀分布所引起的后果及防止措

27、施n变形程度：造成变形后组织不变形程度：造成变形后组织不均均, ,如晶粒大小和形状不均如晶粒大小和形状不均, ,夹夹杂物分布不均杂物分布不均, ,相状态不均等相状态不均等, ,引起强度、塑性、韧性等不均引起强度、塑性、韧性等不均. .n接触摩擦：圆柱体镦粗接触摩擦：圆柱体镦粗, ,摩擦摩擦系数越大系数越大, ,晶粒大小越不均晶粒大小越不均, ,产产品质量越差品质量越差. .n不均匀变形影响产品形状和尺不均匀变形影响产品形状和尺寸寸: :薄板轧制时压下率不均，薄板轧制时压下率不均，产生镰刀弯、翘曲、皱纹等；产生镰刀弯、翘曲、皱纹等；n不均匀变形造成残余应力不均匀变形造成残余应力3.4.13.4.

28、1使变形后的组织性能不均，使变形后的组织性能不均，尺寸形状不合，产品质量下降尺寸形状不合，产品质量下降摩擦系数摩擦系数f f不同时塑压件退不同时塑压件退火后中心轴上晶粒大小分布火后中心轴上晶粒大小分布波浪波浪带状裂纹带状裂纹横裂纹横裂纹星裂星裂气泡气泡轧制折叠轧制折叠分层分层结疤结疤白色非金属夹杂白色非金属夹杂金属夹杂物金属夹杂物3.4.23.4.2降低金属的塑性加工工艺性能降低金属的塑性加工工艺性能n不均匀变形不均匀变形附加应力附加应力金属塑性降低、变形抗力升高金属塑性降低、变形抗力升高加工性能加工性能变坏。变坏。n教材教材P80P80图图3-253-25，挤压低塑性金属时，接触表面摩擦使物

29、体产生强烈，挤压低塑性金属时，接触表面摩擦使物体产生强烈不均匀变形，工作应力达到金属断裂强度时，表面周期性向内扩展不均匀变形，工作应力达到金属断裂强度时，表面周期性向内扩展裂纹。裂纹。n变形抗力升高原因：变形抗力升高原因： 附加应力的出现使工作应力变成三向同名应力状态，造成如：单向附加应力的出现使工作应力变成三向同名应力状态，造成如：单向拉伸，细颈处：单向拉拉伸，细颈处：单向拉三向拉。三向拉。3.4.33.4.3增加工具局部磨损，使技术操作复杂增加工具局部磨损，使技术操作复杂不均匀变形不均匀变形应力分布不均应力分布不均工具各部分受力不同工具各部分受力不同不均匀磨损，技不均匀磨损，技术操作增加困

30、难。术操作增加困难。举例：孔型轧制型材，压下量不均使轧辊孔型产生不均匀磨损，影响举例：孔型轧制型材，压下量不均使轧辊孔型产生不均匀磨损，影响产品形状和尺寸，给轧机调整增加困难。产品形状和尺寸，给轧机调整增加困难。避免或减少变形与应力的不均匀分布应采取的措施避免或减少变形与应力的不均匀分布应采取的措施n尽量减少接触摩擦的有害影响：尽量减少接触摩擦的有害影响： 工具表面光洁度、接触表面上加润滑剂、接触端加柔工具表面光洁度、接触表面上加润滑剂、接触端加柔软垫片。软垫片。n正确选择变形温度速度制度：正确选择变形温度速度制度： 加热温度均匀、变形在单相区温度范围完成；加热温度均匀、变形在单相区温度范围完

31、成； 锻压锻压H/dH/d较大件时低速变形更深透，较大件时低速变形更深透， 锻压锻压H/dH/d较小件时高速变形使鼓形减小。较小件时高速变形使鼓形减小。n合理设计工具形状和正确选择坯料：合理设计工具形状和正确选择坯料： 热轧薄板时，轧辊易热膨胀，采用凹辊；冷轧薄板时，热轧薄板时，轧辊易热膨胀，采用凹辊；冷轧薄板时，轧辊弹性弯曲和压扁大，采用凸辊。轧辊弹性弯曲和压扁大，采用凸辊。n尽量使坯料的成分和组织均匀：尽量使坯料的成分和组织均匀： 冶炼和锭的浇铸质量，对锭进行高温均匀化处理。冶炼和锭的浇铸质量，对锭进行高温均匀化处理。3.53.5残余应力残余应力n残余应力：塑性变形完毕后保留在变形物体内的

32、附加应力。残余应力：塑性变形完毕后保留在变形物体内的附加应力。n总位能释放位能约束位能总位能释放位能约束位能n释放位能作用：确定平衡外力作用的内力的数值。释放位能作用：确定平衡外力作用的内力的数值。n约束位能作用：确定由塑性变形引起的相互平衡内力的数值。约束位能作用：确定由塑性变形引起的相互平衡内力的数值。也可以确定在每一变形瞬间附加应力的数值。也可以确定在每一变形瞬间附加应力的数值。n约束位能塑性变形中由于软化释放的位能残余应力的位约束位能塑性变形中由于软化释放的位能残余应力的位能，残余应力的位能能，残余应力的位能 约束位能约束位能n残余应力产生原因：塑性变形、不均匀加热、冷却、淬火、残余应

33、力产生原因：塑性变形、不均匀加热、冷却、淬火、相变等过程中。相变等过程中。3.5.13.5.1残余应力的概念残余应力的概念残余应力的分类残余应力的分类按照残余应力平衡范围的不同，通常将其分为三类：按照残余应力平衡范围的不同，通常将其分为三类： 1 1第一类内应力，又称宏观残余应力。第一类内应力，又称宏观残余应力。 作用范围为整个工件，它是由金属材料（或零件）各个部分（如表面作用范围为整个工件，它是由金属材料（或零件）各个部分（如表面和心部）的宏观形变不均匀而引起的。此类应力使工件尺寸不稳定，和心部）的宏观形变不均匀而引起的。此类应力使工件尺寸不稳定，严重时甚至使工件在受力之下变形产生断裂。严重

34、时甚至使工件在受力之下变形产生断裂。2 2第二类内应力，属微观内应力。第二类内应力，属微观内应力。 作用尺度与晶粒尺寸为同一数量级，往往在晶粒内或晶粒之间保持平作用尺度与晶粒尺寸为同一数量级，往往在晶粒内或晶粒之间保持平衡，是由于晶粒或亚晶粒之间变形不均匀而引起的。此类应力使金属衡，是由于晶粒或亚晶粒之间变形不均匀而引起的。此类应力使金属更容易腐蚀，如：黄铜加工以后由于内应力，在春季或潮湿环境下发更容易腐蚀，如：黄铜加工以后由于内应力，在春季或潮湿环境下发生应力腐蚀开裂。生应力腐蚀开裂。 3 3第三类内应力，即晶格畸变应力，属微观内应力。第三类内应力，即晶格畸变应力，属微观内应力。 塑性变形时

35、产生大量空位和位错，其周围产生了点阵畸变和应力场，塑性变形时产生大量空位和位错，其周围产生了点阵畸变和应力场，此时的内应力是在几百或几千个原子范围内保持平衡，其中占主要的此时的内应力是在几百或几千个原子范围内保持平衡，其中占主要的又是由于生成大量位错所形成的应力。此类应力是产生加工硬化的主又是由于生成大量位错所形成的应力。此类应力是产生加工硬化的主要原因。要原因。 3.5.23.5.2变形条件对残余应力的影响变形条件对残余应力的影响n变形温度：变形温度： 变形温度变形温度，附加应力以及所形成的残余应力，附加应力以及所形成的残余应力 。（发生相变时，。（发生相变时，第二种附加应力产生，残余应力增

36、大。）第二种附加应力产生，残余应力增大。） 变形温度变形温度，出现附加应力和从而出现残余应力的可能，出现附加应力和从而出现残余应力的可能 。因此变。因此变形温度不宜过低。形温度不宜过低。 0 0和和E E0 0为室温下的应力和弹性模量为室温下的应力和弹性模量; ; t t和和E Et t为高于室温某一温度下的应力和弹性模量为高于室温某一温度下的应力和弹性模量; ;n变形速度变形速度 室温下：变形速度室温下：变形速度，附加应力以及所形成的残余应力，附加应力以及所形成的残余应力 高于室温：变形速度高于室温：变形速度，附加应力以及所形成的残余应力，附加应力以及所形成的残余应力n变形程度变形程度 变形

37、程度变形程度，残余应力，残余应力。20252025时，应力达到最大值。后逐渐减时，应力达到最大值。后逐渐减小，超过小，超过52-65%52-65%，应力接近，应力接近0 0。见图。见图n接触摩擦、工具和变形物体形状接触摩擦、工具和变形物体形状 ttEE00变形程度和残余应力能量的关系曲线变形程度和残余应力能量的关系曲线1-1-第一种、第二种和第三种残余应力总能量的变化曲线；第一种、第二种和第三种残余应力总能量的变化曲线；2-2-第一种残余应力能量的变化曲线；第一种残余应力能量的变化曲线；3-3-第二种和第三种残余应力总能量的变化曲线第二种和第三种残余应力总能量的变化曲线3.5.33.5.3残余

38、应力所引起的后果残余应力所引起的后果1)1)引起物体尺寸和形状的变化引起物体尺寸和形状的变化( (影响加工精度影响加工精度) ) 残余应力引起弹性变形或晶格畸变。若残余应力由于某种原因消失或其残余应力引起弹性变形或晶格畸变。若残余应力由于某种原因消失或其平衡遭到破坏，相应的变形也将发生变化，引起尺寸和形状的改变。平衡遭到破坏，相应的变形也将发生变化，引起尺寸和形状的改变。 对称形状：仅尺寸变化，形状不变；例对称形状：仅尺寸变化，形状不变；例: :机械加工（见图）机械加工（见图） 不对称形状：尺寸变化，形状有可能改变；不对称形状：尺寸变化，形状有可能改变； 时间延长时间延长( (精密仪器生产精密

39、仪器生产) )、热处理、冲击等也会发生尺寸和形状的改变、热处理、冲击等也会发生尺寸和形状的改变2)2)零件的使用寿命缩短零件的使用寿命缩短 对于有残余应力的物体，有的部分工作应力基本应力残余应力，有对于有残余应力的物体，有的部分工作应力基本应力残余应力，有的部分工作应力基本应力残余应力，造成应力分布不均。工作应的部分工作应力基本应力残余应力，造成应力分布不均。工作应力达到屈服强度，塑性变形，达到断裂强度时，断裂，缩短零件使用力达到屈服强度，塑性变形，达到断裂强度时，断裂，缩短零件使用寿命。寿命。3)3)降低金属的再塑性加工性能降低金属的再塑性加工性能 物体内应力和变形的不均匀分布，使变形抗力提

40、高，塑性降低物体内应力和变形的不均匀分布，使变形抗力提高，塑性降低4 4) )降低金属的耐蚀性以及冲击韧性的疲劳强度等降低金属的耐蚀性以及冲击韧性的疲劳强度等 切削具有残余应力的棒材示意图切削具有残余应力的棒材示意图3.5.43.5.4减小或消除残余应力的措施减小或消除残余应力的措施1）减小材料在加工和处理过程中所产生的不均匀变形）减小材料在加工和处理过程中所产生的不均匀变形2）热处理：减小残余应力，但晶粒大小、力学性能发生很大变化）热处理：减小残余应力，但晶粒大小、力学性能发生很大变化n回火：大大减小第一种残余应力；图。回火：大大减小第一种残余应力；图。n再结晶退火：完全消除残余应力再结晶退

41、火：完全消除残余应力n人工时效：残余应力的缓释性。人工时效：残余应力的缓释性。第二种残余应力：第二种残余应力：TT再。黄铜的三阶段退火。再。黄铜的三阶段退火。3）机械处理：工件表面具有残余拉应力时，使物体表面产生很小塑性变形，）机械处理：工件表面具有残余拉应力时，使物体表面产生很小塑性变形，减小第一种残余应力。图。减小第一种残余应力。图。n使零件彼此碰撞使零件彼此碰撞n用木槌打击表面用木槌打击表面n表面碾压和压平表面碾压和压平n表面拉制表面拉制n在模子中作表面校形或精压在模子中作表面校形或精压产生残余应力的根本原因：产生了不均匀变形产生残余应力的根本原因：产生了不均匀变形减小或消除残余应力的措施：减小或消除残余应力的措施：回火温度对钢棒力学性能及残余应力的影响回火温度对钢棒力学性能及残余应力的影响1-1-纵向残余应力；纵向残