外摩擦对金属流动与应力分布的影响

1、外摩擦对金属流动与应力分布的影响一、专业知识预习金属塑性加工中，工具与工件的接触面上，不可防止的会发生相对滑动或有相对滑动趋 势，因此在接触面上就会存在阻碍这种滑动的摩擦，这种发生在金属工具与工件相接触外表 之间的，阻碍金属自由流动的摩擦，称为外摩擦。与i般机械摩擦相比较，塑性加工过程中外摩擦的特性有：1)接触外表所受压强大，热变形时有1015kg/mnR冷变形可达5()250 kg/mm 2。因为 压强大，接触外表要压扁，凸牙凹坑的相互咬合很厉害，故摩擦系数较高。另外，大压强下 也容易将润滑剂挤走或压成极薄一层，这就使得金属塑性加工中，为减少摩擦而使用的润滑 剂具有一定的特殊性。2)外表有更

2、新作用，因为金属要产生塑性变形而外表不断犷大，致使内外表不断涌出。 这种在变形过程中时刻形成的新外表及旧外表不断遭受破坏，使金属塑性加工过程中的摩擦 情况是不断变化的。另外，工具在加工过程中也不断遭受磨损，促使工具外表情况在使用过 程中不断发生变化，这也直接影响摩擦情况的改变。3)外表组织是变化的，热变形时金属被加热到很高的温度，其外表被氧化而生成氧化层， 塑性变形时此氧化层因外表扩大而脱落，由于温度高且露置于空气中又要生成新的氧化物。 原生氧化物与次生氧化物的形成条件的不同，结构组织也不同。另外，冷变形时，晶粒的破 碎、点阵的歪扭，也引起外表层附近金属组织状态的改变。由于外表组织的改变，既使

3、加工 时摩擦情况不断变化着，也使加工时的外摩擦不仅是个外表问题，而且与外表层附近金属晶 体结构与状态相关。4)摩擦对的性质相差较大，工具甚硬，被加工金属相对而言柔软得多，二者性质相差悬 殊，也使金属塑性加工时的外摩擦特殊。5)接触外表温度高，热变形过程中，有时温度可高达千度，低的也有数百度，即使是冷 变形，也因瞬时变形可造成温度的急剧提高。例如，曾测出在润滑情况不佳时，接触外表某 个凸凹点因塑性变形、切断而造成的瞬时温升的典型数值是：当速度为3m/s时是300C； 当速度为IOm/s时是1000C。虽说一般情况下速度较低，没有上述那样高的瞬时温升，但 因温度的变化太剧烈，也使摩擦情况受到影响，

4、故应对此种温升的作用给予足够的重视。接触摩擦对塑性加工过程有着很大的影响。除少数情况(如轧制、短锻、模锻时的匕边) 能起积极作用外，大多数情况下是有害因素：(I)接触摩擦引起不均匀变形。例如坯料取粗时，在坯料与工具接触的上下端面附近造 成难变形区，结果使变形体分为变形程度不同的几个区域。出于变形的不均匀，不仅最后使 工件得到不均匀的组织和性能，而且会引起附加应力：附加拉应力严重时会使工件开裂。(2)接触摩擦会改变变形体的应力状态。例如，无摩擦锁粗是单向压应力状态，而有摩 擦徽粗却是三向压应力状态。因而，接触摩擦增大了变形力和变形功，增加能耗。(3)接触摩擦降低了工具寿命。由于工具接触外表的直接

5、摩损，附加发热及由于变形力 引起的应力增大所造成的。为了减轻接触摩擦引起的种种有害作用，迫使人们采取润滑，即在工具和变形金属的接 触面上涂上润滑剂。这样，就使金属塑性加工技术复杂化。随着金属塑性加工技术的开展，尤其是一些新工艺、新材料的出现，摩擦与润滑问题显 得H益重要。要求人们去解决更加苛刻的条件下的摩擦和润滑问题。二、实验目的通过带凹槽的钢锤头压缩圆柱体铅试样，了解接触外表摩擦对接触面上金属质点流动及 接触面上应力分布的影响，为以后深入了解变形体的应力应变状况打下实验基础。三、实验原理圆柱体试样（h/dl）平锤压缩时，在压缩力P 的作用下，工件受到压缩而使高度减少，横截面积 增加，由于接触

6、面附近的金属变形时流动困难，而 使圆柱体工件变成鼓形（如图2-2所示）。图中do为坏料的原始直径，dmin为变形后接触 外表的直径，接触外表直径增大，不仅是由于接触 外表上质点的移动，而且由于金属从侧面局部的转 移到接触外表的结果，这点可由压缩端部涂色的圆 柱体试样，变形后看到的圆柱体端部接触外表上出 现新外环而得到证实。图2-2接触的粘着滑动及侧面局部载移情况图2-2中AC环为滑动（这里的各个命名是从 变形流动规律来区分的，与本课程后面将要讲到的 按摩擦规律来区分有差异，下同），在此区内金属质 点相对工具有相对移动，变形后接触外表增加量BD 环（dB=d0）由两局部组成，BC环为滑动区内金属

7、 质点移动多构成，CD环依靠侧面金属局部转移到接 触外表所构成。图中0A的圆面积局局部为粘着区， 由于外摩擦影响强烈，在此区域内接触外表上的金 属质点对工具完全不产生相对移动，好像彼此粘在 一起，故称为粘着区，实际上在此区域内接触外表 附近的金属由于受到很大的外摩擦阻力而不发生塑 性变形（或变形很小可以忽略），并且这种影响还扩 展至一定深度，构成所谓“难变形区”，由于外摩擦的影响是沿径向，（或宽度方向）由侧面 向中心逐渐增强，沿高度由端面向中心逐渐减弱，所以通常想象变形区的形状为以粘着区为 基底的圆锥形（图2-3中的I区），在此情况下可将变形区整个体积大致分为三个区域：I 区表示外摩擦影响强烈

8、的难变形区，II区表示与作用力成45角的最有利变形的易变形区， 【II图2-2接触的粘着滑动及侧面局部载移情况由于外摩擦的影响，不仅使变形不均匀，而且也使接触外表的应力（或单位压力）分 布不均匀（图23下部曲线所示）；沿试样边缘，由于不受外摩擦的影响，所以其应力等于 金属的屈服强度。s，由边缘向中部位，应力逐渐升高，此一情景，可用带有凹槽的钢锤头 压缩铅试样的实验得以证实（图2-3、图2-4）。接触外表上的应力所以呈现以上的分布规律，可做如下解释：如图2-3所示，当外层1 受到压力后，一面变形，一面向外移动，由于摩擦力的影响，使其移动受到阻碍，因而使外 层1对第2层产生了横向阻力，2层所需压力

9、量要比第1层增加，因为除了第2层变形的压 力外，还需要克服第1层给第2层的横向阻力；第3层处于更不利的情况；因为要使其变形, 必须克服第1层和地2层应力状态的不同，可用Trcsca屈服条件来解释（同学们自己分析）。123 45 54 321K 与？h/D1图123 45 54 321K 与？h/D1图2-4平锤压缩时单位压力分布图图2-4平锤压缩时单位压力分布图图图2-4平锤压缩时单位压力分布图四、实验设备及材料L设备：60T材料实验机；2.材料：压缩试验模具一套；圆柱体铅试样假设干个：游标卡尺和钢尺一把；机油，松香粉及清洗锭坯和工具用汽油。五、实验内容及步骤.在60T材料试验机上，用带凹槽的

10、钢锤头，压缩两个高径比相同的圆柱体铅试样， 一个的接触外表上涂上润滑剂（如机油），另一个试样的接触外表上涂上松香粉，压缩均取 7075% 左右;.实验前测量实验的高度和直径，实验时记录下最大压缩力。实验后，沿试样接触径 向上，再选择45个测量点，用游标卡尺测量铅流入凹槽的深度值以及绘制成曲线，测量粘 着区、滑动区和侧翻区的有关直径值。六、实验报告要求实验后每位同学必须书写实验报告，报告要写明实验名称，只要内容应包括：.目的；.实验设备型号及有关参数，试样材质及原始尺寸，压缩后的尺寸并计算压缩率；.实验结果集解释：a）将实验结果列表并绘制出曲线或图形（分区示意图）；b）对上述现象简明的解释。.结论：制出摩擦力对接触面上金属质点流动（粘着、滑