挤压变形流动与组织课件

金属挤压变形金属挤压变形、流动和组织（部分）2.挤压时金属的变形流动主要内容：金属变形流动及挤压力的变化特征；正、反向挤压时金属的变形流动特点，挤压制品的组织特点，挤压力的变化规律；影响金属流动的因素分析。难点：挤压时的应力与变形分析，挤压缩尾的产生机理，反向挤压时的挤压力变化分析，反向挤压时的缩尾、纺锤体核组织、粗晶芯与粗晶环。重要概念：填充系数，挤压比，难变形区，死区，挤压缩尾，纺锤体核组织，粗晶芯，变形区压缩锥。目的和要求：掌握挤压过程三个阶段的含义、挤压力的变化规律；填充系数的意义及其对制品质量的影响；挤压时金属的变形流动特点；挤压缩尾的概念及产生原因。2.1.1填充挤压阶段金属的变形流动2.1.1.1金属变形流动特点金属发生横向流动，出现单鼓或双鼓变形（见图2-2）。其变形指数——用填充系数λc

来表示：λc=F0

/Fp

（2-1）2.1.1.2挤压力的变化规律随着挤压杆的向前移动，挤压力呈直线上升。图2-2填充挤压时金属的变形2.1.1.3金属受力分析（见图2-3）

图2-3填充挤压阶段锭坯的受力状态

随着填充过程中锭坯直径增大，在锭坯的表面层出现了阻碍其自由增大的周向附加拉应力。

随着填充过程进行，锭坯长度缩短，直径增大，中间部分首先与挤压筒壁接触，由于摩擦作用，从而在表面层出现了阻碍金属向前后两个空间流动的纵向附加拉应力。2.1.2基本挤压阶段金属的变形与应力2.1.2.1金属变形流动特点不发生横向流动。其变形指数——用挤压比λ来表示：λ=F0

/F1

（2-2）2.1.2.2应力分布（见图2-4）

（1）轴向应力σL

σL

边

>σL中

σL入

>σL出

（2）径向应力σr与周向应力σθ

σr中>σr边

σr入>σr出σθ中>σθ边

σθ入>σθ出2.1.2.3金属的变形及流动——用坐标网格法分析（见图2-5）A、纵向网格线的变化（1）变形前后均保持平行直线，间距仍相等。（2）每条线（除中间一条外）发生了两次方向相反的弯曲。各条线的弯曲角度不同，外大内小。（3）在挤压制品的最前端，除了中间一条外，其它线分别向外弯曲。挤压变形区：分别连接各条线的两个拐点，形成两个曲面。把这两个曲面与模孔锥面或死区界面间包围的体积称为挤压变形区或变形区压缩锥（见图2-5中虚线）。

B、横向网格线变化（1）靠近挤压垫一方部分横向线未变化；（2）进入变形区后横向线向前发生弯曲，越靠近模孔，弯曲越大，出模孔后不再发生变化；（3）出模孔后的横向线的弯曲程度由前向后逐渐增加，最后趋于稳定；（4）横向线距离不等，前小后大，最后趋于稳定。

C、坐标网格的变化（1）变形前为正方形，变形后横向压缩、纵向拉长为矩形或平行四边形；（2）挤压制品中心部位近似矩形，边部为平行四边形；（3）越靠近边部，平行四边形的短边与原横向线之间的夹角越大。2.1.2.4难变形区与剧烈变形区挤压过程中的难变形区如图2-6所示。图2-6挤压筒内的金属难变形区a-平模挤压；b-锥模挤压A、前端难变形区——死区

（1）死区概念：在基本挤压阶段，位于挤压筒与模子端面交界处的金属，基本上不发生塑性变形，故称为死区。

死区的的大小和形状并非绝对不变化，如图2-7所示，挤压过程中，死区界面上的金属随流动区金属会逐层流出模孔而形成制品表面，死区界面外移，高度减小，体积变小。（2）死区产生原因：

a、强烈的三向压应力状态，金属不容易达到屈服条件；

b、受工具冷却，σs增大；

c、摩擦阻力大。从能量学角度来看，金属沿着图2-6中adc曲面流动所消耗的能量较小。（3）影响死区大小的因素：

a、模角α模角大，死区大；

b、摩擦系数f摩擦系数大，死区大；

c、挤压比λ挤压比大，死区高度大，但总体积减小；

d、挤压温度热挤压死区大，冷挤压死区小；

e、挤压速度v挤压速度快，死区小；

f、金属的变形抗力σs金属变形抗力大，死区大；

g、模孔位置在多孔模挤压时，模孔靠近挤压筒内壁，死区减小。C、剧烈变形区如图2-8所示，在变形区压缩锥与死区的交界处，发生强烈的剪切变形，使晶粒破碎非常严重。这一部分金属流出模孔后位于制品的表面层，造成制品内外层晶粒大小不同，外层细小，内层粗大，从而造成机械性能不均匀。在热处理后易形成粗晶环。图2-8一次挤压棒材金属流动情况图2-9挤压垫进入变形区示意图

终了挤压阶段特点：（1）金属的横向流动剧烈增加，并产生环流；（2）挤压力进一步增加；（3）产生挤压缩尾。挤压缩尾：挤压快要结束时，由于金属的径向流动及环流，锭坯表面的氧化物、润滑剂及污物、气泡、偏析榴、裂纹等缺陷进入制品内部，具有一定规律的破坏制品组织连续性、致密性的缺陷。2.1.3.1挤压缩尾的形式三种：中心缩尾、环形缩尾、皮下缩尾。

（1）中心缩尾图2-10正向挤压棒材中心缩尾

（3）皮下缩尾图2-12正向挤压制品皮下缩尾2.1.3.2挤压缩尾的形成图2-13挤压缩尾形成过程示意图a-中心缩尾；b-环形缩尾；c-皮下缩尾

A、中心缩尾（1）筒内剩余的锭坯高度较小，金属处于紊流状态，径向流动速度增加。（2）将锭坯表面的氧化物、油污等集聚到锭坯的中心部位。（3）进入制品内部，形成中心缩尾。随着挤压过程进一步进行，径向流动的金属无法满足中心部位的短缺，于是在制品中心尾部出现了漏斗状的空缺，即中空缩尾。

A、中心缩尾（1）筒内剩余的锭坯高度较小，金属处于紊流状态，径向流动速度增加。（2）将锭坯表面的氧化物、油污等集聚到锭坯的中心部位。（3）进入制品内部，形成中心缩尾。随着挤压过程进一步进行，径向流动的金属无法满足中心部位的短缺，于是在制品中心尾部出现了漏斗状的空缺，即中空缩尾。

B、环形缩尾（1）随着挤压过程进行，堆积在挤压垫与挤压筒角落部位中的带有各种缺陷和污物的金属会越来越多。（2）挤压末期，当中间金属供应不足，边部金属开始发生径向流动时，这部分金属将沿着后端难变形区的边界进入锭坯的中间部位。（3）流入制品中，形成环形缩尾。挤压厚壁管材时，将形成内成层。

C、皮下缩尾

（1）死区与塑性流动区界面因剧烈滑移使金属受到很大剪切变形而断裂。（2）表面层带有氧化物、各种表面缺陷及污物的金属，会沿着断裂面流出。（3）与此同时，死区金属也逐渐流出模孔包覆在制品的表面上，形成皮下缩尾（外成层）或起皮。2.1.3.3减少挤压缩尾的措施

（1）对锭坯表面进行机械加工——车皮。（2）采用热剥皮挤压，如图2-14。

图2-14挤压生产线上热剥皮示意图

（3）采用脱皮挤压，如图2-15。

图2-15铜合金脱皮挤压示意图a-挤压；b-清除脱皮（4）进行不完全挤压——留压余。（5）保持挤压垫工作面的清洁，减少锭坯尾部径向流动的可能性。2.2反向挤压时金属的变形流动2.2.1坐标网格线的变化反向挤压时的坐标网格线的变化如图2-16所示。图2-16反向挤压的坐标网格变化

（1）横向网格线变形区中网格线与挤压筒壁基本垂直，直至模孔时才发生剧烈弯曲。

（2）纵向网格线进入变形区时的弯曲程度比正向挤压大得多。

2.2.2变形区及死区

（1）死区死区很小，紧靠模子端面。死区的高度约为挤压筒直径的1/8~1/4。（2）变形区

变形区紧靠模面，集中在模孔附近。变形区的高度与摩擦系数及挤压温度有关，一般小于挤压筒直径的1/3。2.2.3金属流动反向挤压时，金属的变形仅集中在模孔附近，在挤压筒内不存在锭坯内外层的流速差别，金属的变形要比正向挤压均匀得多。在挤压末期一般也不会产生金属环流现象。

图2-17是正、反向挤压棒材轴向主延伸变形的实测结果。图中a是压出长度为棒材直径的1倍，b是2倍，c是5倍。图2-17正、反向挤压棒材轴向延伸比较

（1）开始挤压时，模孔附近坯料中心部位变形量为5.582，是正挤压的三倍以上。（2）随着被挤出棒材长度从1d棒—2d棒——5d棒，正挤压中心部位的主延伸变形程度变化为1.767—3.904—6.32，反挤压的为5.582—7.608—8.638。（3）边部与中心部的主延伸变形之比，正挤压为1.09/1.767—4.028/3.906—20.44/6.32；反挤压为1.005/5.582—1.648/7.608—15.55/8.638。2.2.4反向挤压时挤压力的变化通常认为，反挤压时，由于锭坯与挤压筒之间无摩擦，挤压力大小与锭坯长度无关，在挤压过程中挤压力不变化。近年来研究发现，反挤压棒材时，随着挤压过程的进行挤压力是逐渐增加的，特别是在挤压后期，增加的较明显（见图2-18）。图2-18正反向挤压棒材的挤压力变化1-正挤压；2-反挤压主要原因：（1）挤压力大小与锭坯长度无关；（2）主延伸变形随着压出制品长度的增加而增大，而挤压力与主延伸变形量大小成正比；（3）在连续、强烈的三向压应力作用下筒内锭坯密度增大，变形抗力提高；（4）温升小，软化作用小，加工硬化作用明显；（5）温降的影响。反挤压管材时，在开始阶段，挤压力呈下降趋势，随着挤压过程进行，逐渐趋于稳定（见图2-19）。

主要原因：在内部有穿孔针的摩擦作用。随着筒内铸锭长度缩短，摩擦力逐渐减小。当摩擦力减小使挤压力下降与上述因素使挤压力升高的作用接近时，挤压力将趋于稳定。图2-19正反向挤压管材的挤压力变化1-正挤压；2-反挤压2.2.5反向挤压制品的表面质量

反挤压时死区体积较小且比较容易参与流动，使得锭坯表面层带有氧化物、脏物等的金属易流入制品表面或表皮之下，形成起皮、气泡等缺陷。图2-20反挤压锭坯表层流入制品示意图

2.2.6挤压缩尾反挤压时,金属的变形集中在模孔附近,并不波及整个锭坯，变形区是恒定的且随着挤压的进行由锭坯的前端逐渐向后端推移，前端的金属流出模孔，滞后的金属却没有发生挤压变形。这种流动特征，不可能将边部带有脏物及缺陷的金属带进制品中，也就不会形成环形缩尾。故反挤压只有中心缩尾和皮下缩尾。

（1）中心缩尾当挤压过程即将终了时，挤压筒内可供流出的金属严重不足，越来越难于充满制品的中心部位，便形成了漏斗状的中空缩尾（见图2-21）。（2）皮下缩尾在反向挤压过程中，即使在稳定的挤压阶段也有可能形成明显的皮下缩尾。

图2-21反挤压棒材的中心缩尾2.2.7纺锤体核组织单孔反向挤压棒材，在切尾约300mm的缩尾处，有沿纵向分布的类似“纺锤体”的核组织，如图2-22所示。图2-22反挤压棒材尾端的纺锤体核组织

（1）纺锤形核组织形成机制：反挤压后期开始形成漏斗状缩尾时，正对模孔中心并紧靠堵头的金属基本未产生变形而被边部流动金属夹持到制品中心。随后周围金属进入不足便形成漏斗状中空缩尾。

（2）组织结构：主要由残留的铸造组织和加工组织组成。

（3）纺锤形核组织特征：纺锤体核组织在棒材纵向中心剖面上的形状不一，有核桃形、枣核形等。

下图是2A50合金Φ120mm棒材1/8个纺锤体核立体低倍组织。图2-231/8个纺锤体核的立体形态2.2.8粗晶环与粗晶芯

反挤压棒材横截面边缘只有较轻微的粗晶环，深度较正向挤压的浅得多，晶粒尺寸也小得多。以2A50合金Φ120mm正、反向挤压棒材为例，正挤压粗晶环深度达26mm，晶粒为7.5级；反挤压的深度不大于15mm，晶粒仅为3级。如图2-24所示。

a

b图2-24正反向挤压棒材的粗晶环

a-正挤压；b-反挤压反挤压棒材纵向低倍组织上，沿中心缩尾边缘一直向前延伸，有一个特殊的粗晶区—粗晶芯，这是正挤压所没有的组织特征。在挤压后期，在中心金属补充困难的情况下，模孔侧面金属夹持着沿堵头表面径向流动的金属进入棒材尾部中心，这部分金属受表面摩擦作用，在淬火后形成粗大晶粒。2.3影响金属流动的因素2.3.1接触摩擦及润滑的影响摩擦是产生金属流动不均的主要原因,以挤压筒壁影响最大。润滑可减少摩擦，减少金属流动不均，并可以防止