金属塑性加工的宏观规律.pptx
第第3 3章章 金属塑性加工的宏观规律金属塑性加工的宏观规律 3.1 塑性流动规律（最小阻力定律）塑性流动规律（最小阻力定律）3.2 影响金属塑性流动和变形的因素影响金属塑性流动和变形的因素3.3 不均匀变形、附加应力和残余应力不均匀变形、附加应力和残余应力 3.4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点金属塑性加工诸方法的应力与变形特点3.5 塑性加工过程的断裂与可加工性塑性加工过程的断裂与可加工性 第1页/共125页3.1 3.1 塑性流动规律（最小阻力定律）塑性流动规律（最小阻力定律）最小阻力定律最小周边法则最短法线法则实际应用分析第2页/共125页最小阻力定律最小阻力定律 内涵：变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的方向移动。即做最少的功，走最短的路。1947年，前苏联学者古布金认为：当变形体的质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将向着阻力最小的方向移动。第3页/共125页实际上是力学质点流动的普遍原理，可以定性地用来分析金属质点的流动方向。把外界条件和金属流动直接联系起来，很直观，使用方便。最小阻力定律最小阻力定律 第4页/共125页模锻中增加飞边阻力，或修磨圆角r，可减少金属流向A腔的阻力，使金属重填得更好。在拔长锻造时改变送进比或采用凹型砧座增加金属横向流动的阻力，来提高延伸效率。最小阻力定律最小阻力定律 第5页/共125页最短法线法则、最小周边法则最短法线法则、最小周边法则无摩擦矩形断面镦粗放射形模型第6页/共125页 最短法线法则：镦粗矩形柱体时，在垂直镦粗方向的任一剖面内的任一点，其移动方向是朝着与周边垂直的最短法线方向进行的。最小周边法则：横断面为任意形状的棱柱体或圆柱体，在存在摩擦的条件下进行塑性镦粗时，将力图使断面的周界为最小，在极限情况下为一圆。第7页/共125页实际应用分析实际应用分析 第8页/共125页最小阻力定律的不足1981年，陈森灿撰文对“最小阻力定律”进行了阐述和改善第9页/共125页1979年，王仲仁撰文对最小阻力定律的不足之处进行了评述最小阻力定律的不足第10页/共125页最小阻力定律的不足针对矩形件镦粗，指出古布金根据“最小阻力定律”得到的各质点运动方向的不妥。第11页/共125页最小阻力定律的不足 “最小阻力定律”的先天不足可归结为：实验现象归纳不准确，是以质点运动的投影代替真实方向，局部规律当成普遍规律；理论上：(1)错误地将运动方向与力建立关系，事实上，力和加速度存在一一对应关系，而运动方向则应和质点的速度相对应；(2)力学上分析问题应从力与应力出发，阻力概念不清，质点流动不能离开了应力场，不应孤立地分析。第12页/共125页3.2 3.2 影响金属塑性流动和变形的因素影响金属塑性流动和变形的因素 摩擦的影响 变形区的几何因素的影响工具的形状和坯料形状的影响 外端的影响变形温度的影响 金属性质不均的影响第13页/共125页摩擦的影响摩擦的影响 摩擦影响的实质：由于摩擦力的作用，在一定程度上改变了金属的流动特性并使应力分布受到影响。第14页/共125页选择合适的径高比；尽可能减少接触面的摩擦系数；造成非自由的变形状态。圆柱体镦粗时的分区第15页/共125页应力分布不均匀第16页/共125页局部改变金属质点的流动方向圆环镦粗第17页/共125页塑压时试件侧面翻平与摩擦的关系(a)用3垫板;(b)用9垫板;(c)用10垫板;(d)用12垫板侧面翻平圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦粗过程中的变化第18页/共125页 变形区的几何因素的影响变形区的几何因素的影响 变形区的几何因子 H/D、H/L、H/B等等滑移锥理论 第19页/共125页第20页/共125页第21页/共125页工具的形状和坯料形状的影响工具的形状和坯料形状的影响 第22页/共125页（1 1）控制金属的流动方向（2 2）可以在坯料内产生不同的应力状态使部分金属先满足屈服准则而进入塑性状使部分金属先满足屈服准则而进入塑性状态，以达到控制塑性变形区的作用，或造态，以达到控制塑性变形区的作用，或造成不同的静水压力，来改变材料在该状态成不同的静水压力，来改变材料在该状态下的塑性。下的塑性。第23页/共125页 外端的影响外端的影响 变形体的外端是指在变形过程中某一瞬间不 直接承受工具的作用而处于变形区以外的部 分，称为外端或刚端。外端（未变形的金属）对变形区金属的影响 主要是阻碍变形区金属流动，进而产生或加 剧附加的应力和应变。第24页/共125页第25页/共125页第26页/共125页变形温度的影响变形温度的影响 第27页/共125页金属性质不均的影响金属性质不均的影响 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。第28页/共125页3.3 3.3 不均匀变形、附加应力和残余应力不均匀变形、附加应力和残余应力 3.3.1 3.3.1 均匀变形与不均匀变形均匀变形与不均匀变形 3.3.2 3.3.2 研究变形分布的方法研究变形分布的方法 3.3.3 3.3.3 基本应力与附加应力基本应力与附加应力 3.3.4 3.3.4 残余应力残余应力 第29页/共125页 若变形区内金属各质点的应变状态相同，即它们相应的各个轴向上变形的发生情况，发展方向及应变量的大小都相同，这个体积的变形可视为均匀的。均匀变形与不均匀变形均匀变形与不均匀变形第30页/共125页均匀变形的特点均匀变形的特点变形前体内的直线和平面，变形后仍然是直线和平面；变形前彼此平行的直线和平面，变形后仍然保持平行；任何一个二阶曲面变形后仍为二阶曲面，其中变形前的球体于变形后变为椭球体；两个几何相似且位置相似的单元体，于变形后仍保持几何相似。第31页/共125页均匀变形必需满足的条件均匀变形必需满足的条件变形体物理性质均匀且各向同性整个物体任何瞬间承受相等变形量变形完全没有外端的作用接触表面没外摩擦或摩擦阻力第32页/共125页单鼓形第33页/共125页双鼓形第34页/共125页粘着现象及难变形区第35页/共125页轧件头尾凸形轧件头部镰刀弯第36页/共125页不均匀变形的种类不均匀变形的种类1）第一类不均匀变形 由于摩擦力、变形体外端条件的影响，使变形体中不同区域的变形不同。2）第二类不均匀变形 由于变形体中晶粒的位相不同，使变形体中不同晶粒变形不同。3）第三类不均匀变形 由于同一晶粒中各滑移系取向不同，使变形体中同一晶粒内部的各部分变形不同。第37页/共125页变形不均匀产生的原因变形不均匀产生的原因接触面上的外摩擦 变形区的几何因素 工具的形状与坯料的形状 变形体内部温度分布不均 变形体的外端 金属性质不均 不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。第38页/共125页研究变形分布的方法研究变形分布的方法 网格法硬度法比较晶粒法其他方法第39页/共125页网格法网格法 原理：观察变形前原理：观察变形前后，各网格所限定后，各网格所限定的区域金属几何形的区域金属几何形状的变化。状的变化。目前网格法可作定目前网格法可作定量分析，应用最广。量分析，应用最广。第40页/共125页硬度法硬度法 原原理理：在在冷冷变变形形情情况况下下，变变形形金金属属的的硬硬度度随随变变形形程程度度的的增加而提高。增加而提高。中中心心部部分分的的硬硬度度最最高高，接接触触表表层层的的硬硬度度则则较较小小，越越靠靠近近表表面面的的中中心心越越小小。在在中中心心部部分分的的同同一一层层上上，靠靠试试样样中中部部硬硬度度比比最最外外部部（边边部部）大大。这这正正好好说说明明镦镦粗粗时时三三个个区区的的存在。存在。第41页/共125页比较晶粒法比较晶粒法 原原理理：根根据据再再结结晶晶退退火火后后的的晶晶粒粒大大小小，与与退退火火前前的的变变形形程程度度的的关关系系，来来判判断断各各部位变形的大小。部位变形的大小。此此法法只只能能定定性性地地显显示示变变形形分分布布情情况况。对对于于热热变变形形，因因该该过过程程中中发发生生了了再再结结晶晶现现象，就很难判断变形的分布。象，就很难判断变形的分布。第42页/共125页基本应力：基本应力：由外力作用所引起的应力叫基本应力，表示这种应力分布的图形叫做基本应力图。附加应力：附加应力：在物体中，由于各部分的变形不均匀受到物体的整体性限制而引起的相互平衡的应力。基本应力与附加应力基本应力与附加应力第43页/共125页工作应力工作应力工作应力是处于应力状态的物体在变形时用各种方法测出来的应力，其分布图为工作应力图。当物体的变形绝对均匀时，基本应力图与工作应力图相同。当变形不均匀时，工作应力等于基本应力与附加应力的代数和。第44页/共125页第45页/共125页附加应力的种类附加应力的种类第一类附加应力（宏观级）存在于物体的局部之间存在于物体的局部之间第二类附加应力（显微级）存在于物体内的晶粒之间存在于物体内的晶粒之间第三类附加应力（原子级）存在于晶粒内部滑移面或滑移带之间存在于晶粒内部滑移面或滑移带之间第46页/共125页附加应力特点附加应力特点附加应力是由不均匀变形所引起的，但同时它又限制不均匀变形的自由发展。附加应力是相互平衡、成对出现的，当一处受附加压应力时，另一处必受附加拉应力。第47页/共125页附加应力定律附加应力定律 任何塑性变形的物体内，在变形过程中均有自相平衡的附加应力。第48页/共125页变形不均匀产生的后果变形不均匀产生的后果 （1）引起变形体的应力状态发生变化，使应力分布更不均匀。（2）造成物体的破坏。（3）使材料变形抗力提高和塑性降低。（4）使产品质量降低。（5）使生产操作复杂化。（6）形成残余应力。第49页/共125页(1)第50页/共125页挤压件上表面裂纹及应力分布图(2)第51页/共125页(3)第52页/共125页摩擦系数f不同时塑压件退火后中心轴上晶粒大小分布(4)第53页/共125页减轻不均匀变形的主要措施减轻不均匀变形的主要措施1正确选定变形的温度-速度制度 2尽量减小接触面上外摩擦的有害影响 3合理设计加工工具形状 4尽可能保证变形金属的成分及组织均匀 第54页/共125页残余应力残余应力1残余应力的来源 2变形条件对残余应力的影响 3残余应力所引起的后果 4减小或消除残余应力的措施 5研究残余应力的主要方法 第55页/共125页1.1.残余应力的来源残余应力的来源残余应力是塑性变形完毕后保留在变形物体内的附加应力。残余应力是由附加应力变化而来，所以残余应力也是相互平衡的。并与附加应力相对应，残余应力也分为第一类、第二类和第三类残余应力。第56页/共125页残余应力的种类残余应力的种类第一类残余应力（宏观应力）存在于物体全部或部分范围内存在于物体全部或部分范围内第二类残余应力（显微应力）存在于各相组成物或各晶粒之间存在于各相组成物或各晶粒之间第三类残余应力（超显微应力）存在于金属点阵内部存在于金属点阵内部第57页/共125页2.2.变形条件对残余应力的影响变形条件对残余应力的影响残余应力与附加应力一样也同样受到变形条件的影响。主要是变形温度、变形速度、变形程度、接触摩擦、工具和变形物体形状等。第58页/共125页3.3.残余应力所引起的后果残余应力所引起的后果(1)引起物体尺寸和形状的变化板材裁剪后的变形第59页/共125页(2)使零件的使用寿命缩短(3)降低了金属的塑性加工性能(4)降低金属的耐蚀性以及冲击韧性和疲劳强度等。第60页/共125页4.4.减小或消除残余应力的措施减小或消除残余应力的措施减小不均匀变形热处理方法 去应力退火去应力退火机械处理法 零件彼此碰撞零件彼此碰撞 用木槌敲打表面或喷丸法用木槌敲打表面或喷丸法 表面碾压和压平表面碾压和压平 表面拉制表面拉制 在模子中表面校形或精压在模子中表面校形或精压第61页/共125页表面层中具有残余拉应力的板材经表面辗压后，其残余应力大为减小。在一定限度内，表面变形越大，残余应力减小得越多。第62页/共125页拉制黄铜棒经辗压后，表面残余应力几乎减小一倍，甚至可使表面拉应力变成压应力。表面变形程度越大、残余应力减少得越多。但不应超过某一限度，一般是在1.53以下。若超过此限度，会造成有害的后果，因为这样不但不会减小残余应力，反而会使残余应力增加。第63页/共125页5.5.研究残余应力的主要方法研究残余应力的主要方法 机械法化学法X X射线法第64页/共125页三种方法的比较三种方法的比较（1）机械法可以比较精确地确定残余应力的大小和分布，但在测定时要损害物体的整体性。（2）化学法基本是定性的测定，定量性差，需要专门的试样。（3）X射线法是一种“非破坏性”的测定方法，能定量测出物体内的残余应力，但仅适用于能给出清晰敏锐衍射线条的材料。第65页/共125页3.4 3.4 金属塑性加工诸方法的应力与变形金属塑性加工诸方法的应力与变形特点特点 金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点 平辊轧制时金属的应力及变形特点 棒材挤压时的应力及变形特点 棒材拉伸时的应力及变形特点 第66页/共125页1.1.镦粗时组合件的变形特点镦粗时组合件的变形特点鼓形；侧面翻平金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点第67页/共125页2.2.基本应力的分布特点基本应力的分布特点 第68页/共125页3.3.第一类附加应力的分布特点第一类附加应力的分布特点 法向附加应力 法向附加拉应力法向附加拉应力 法向附加压应力法向附加压应力切向附加应力第69页/共125页一基本应力特点 平辊轧制时金属的应力及变形特点平辊轧制时金属的应力及变形特点第70页/共125页1.金属质点纵向流动特点 前滑 后滑 中性面 二、变形区内金属质点流动特点第71页/共125页第72页/共125页1 1）外摩擦 2 2）变形区的尺寸3 3）刚端 2、宽展及宽度上的纵向流动 第73页/共125页3 3平辊轧制时，第一类附加应力的分布特平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点点 后滑区：中心层给表面层以附加压应力，而表面层给中心层以附加拉应力。前滑区：中心层对表面层产生附加拉应力，而表面层对中心层产生附加压应力。第74页/共125页一、棒材挤压时的基本应力状态 挤压过程：填充+挤压 棒材挤压时的应力及变形特点棒材挤压时的应力及变形特点第75页/共125页区-延伸变形区区-压缩变形区区-切变区区-未变形区区-“死区”二、棒材挤压时的金属流动规律 第76页/共125页三、棒材挤压时的附加应力三、棒材挤压时的附加应力 1.1.在塑性变形区和变形终了的外端部分2.2.在未变形区的横截面上 第77页/共125页第78页/共125页棒材拉伸时金属的流动规律棒材拉伸时金属的流动规律 一、棒材拉伸时的基本应力状态 第79页/共125页二、棒材拉伸时金属流动规律 第80页/共125页三三.棒材拉拔时的附加应力棒材拉拔时的附加应力第81页/共125页棒材拉拔产生附加应力的不利影响棒材拉拔产生附加应力的不利影响表面层承受的轴向附加拉应力，是棒材拉伸时产生横向周期裂纹的根源。周向承受的附加拉应力则是产生纵向裂纹的主要原因。对于某些塑性较低的合金来说，拉伸后形成的残余应力如果不能及时消除，经过一定时间后棒材就会产生裂纹。第82页/共125页3.5 3.5 塑性加工过程的断裂与可加工性塑性加工过程的断裂与可加工性 塑性加工中的常见裂纹金属断裂的物理本质 塑性-脆性转变金属的可加工性 第83页/共125页压力加工制品的断裂形式 塑性加工中的常见裂纹1.绝大多数的断裂由不均匀变形造成2.表面裂纹和内部裂纹第84页/共125页1锻造时的表面开裂 一、锻造时的断裂 第85页/共125页预防措施预防措施 尽量减少鼓形所引起的周向拉应力尽量减少鼓形所引起的周向拉应力(1)(1)减少工件与工具间的接触摩擦 (2)(2)采用凹形模(3)(3)采用软垫(4)(4)采用活动套环和包套第86页/共125页(3)第87页/共125页第88页/共125页2锻造时的内部裂纹 第89页/共125页锻压圆坯时产生的十字横裂锻压圆坯时产生的十字横裂 第90页/共125页预防措施预防措施 采用槽形和弧形锤头，从而减少坯料中心采用槽形和弧形锤头，从而减少坯料中心处的水平拉应力，或把原来的拉应力变为压应处的水平拉应力，或把原来的拉应力变为压应力。力。两种锤头：顶角不超过110110的槽形锤头和RrRr，包角为100100110110的弧形锤头。第91页/共125页二、轧制时的断裂二、轧制时的断裂 1轧制时的表面开裂 第92页/共125页预防措施预防措施1.适宜的良好辊型和坯料尺寸形状2.制定合理的轧制工艺规程（压下量控制、张力调整、润滑适宜等）。第93页/共125页2轧制时内部裂纹 第94页/共125页预防措施预防措施第95页/共125页三、挤压和拉拔时的断裂三、挤压和拉拔时的断裂 1表面裂纹严重时裂纹变成竹节状 第96页/共125页第97页/共125页预防措施预防措施减少摩擦阻力减少摩擦阻力1.加强润滑2.垂直压力和接触面积影响摩擦力：采用反向挤压、反张力拉伸、辊式模拉伸等方法来减少有害摩擦。第98页/共125页2 2内部裂纹内部裂纹 挤压比（挤压变形程度）较小拉拔时L/d0较小第99页/共125页预防措施预防措施1.挤压：增大挤压比2.拉拔：增加L/d0，即增大变形程度和减少模孔锥角第100页/共125页金属断裂的物理本质金属断裂的物理本质一、断裂的基本类型根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变 形：韧性断裂与脆性断裂按断裂面相对作用力方向的取向关系：正断与剪断第101页/共125页韧性断裂：单向拉伸时的断面收缩率大于5%脆性断裂：单向拉伸时的断面收缩率小于5%正断：垂直于最大正应力的断裂剪断：沿最大切应力方向发生的断裂通常正断沿解理面断裂；剪断沿滑移面断裂。第102页/共125页1 1脆性断裂脆性断裂 在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，直接由弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴接近正交，断口平齐。第103页/共125页13第104页/共125页第105页/共125页2 2韧性断裂韧性断裂 在断裂前金属经受了较大的塑性变形，其断口呈纤维状，灰暗无光。韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界处有夹杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断裂。第106页/共125页韧性断裂的表现形式韧性断裂的表现形式 (1)(1)切变断裂:hcphcp(2)(2)试样在塑性变形后出现缩颈:Au,Pb,AlAu,Pb,Al(3)(3)对于一般的韧性金属，断裂则由试样中心开始，然后沿图3-68d3-68d所示的虚线断开，形成杯锥状断口。第107页/共125页1.1.一种高能量的吸收过程；2.2.通常表现为多断裂源；3.3.缓慢的撕裂过程；4.4.随着变形的不断进行裂纹不断生成、扩展和集聚，变形一旦停止，裂纹的扩展也将随着停止。韧性断裂的特点韧性断裂的特点 第108页/共125页二、断裂过程与物理本质二、断裂过程与物理本质 金属的塑性变形过程和断裂过程是同时发生的，而断裂过程通常又可以分为裂纹生核和裂纹扩展两个阶段。第109页/共125页金属断裂的基本过程金属断裂的基本过程 1、微裂纹的萌生机理 微裂纹的主要来源：一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷；二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞积等原因而形成的。第110页/共125页裂纹形核理论裂纹形核理论 u位错塞积理论u位错反应理论u位错墙侧移理论u位错销毁理论 第111页/共125页(1)位错塞积理论 同号位错在前进中遇到障碍物（如夹杂、第二相和晶界等）而产生塞积，当塞积到一定程度的时候，就会在位错塞积群前端产生一个足够大的拉应力，从而形成微裂纹。第112页/共125页(2)(2)位错反应理论位错反应理论 两个交叉滑移面上的位错在交叉处相遇而形成新的位错。这些新的位错不易运动，当新位错堆积较多时，形成微裂纹。第113页/共125页(3)(3)位错墙侧移理论位错墙侧移理论 由于刃型位错的垂直排列构成了位错墙，同时引起了滑移面的弯折。当在适当的外力作用下，晶体发生滑移，就会使位错墙发生侧移，而促使裂纹在滑移面上生成。第114页/共125页(4)(4)位错销毁理论位错销毁理论 异号位错在距离很近（1010个原子层）的两个平行滑移面上相对滑移，则在交错处互毁，形成微裂纹。如果在晶界两侧同时塞积两列符号相反的位错，则在晶界处形成微裂纹。第115页/共125页微裂纹形成理论的基本出发点微裂纹形成理论的基本出发点 金属在切应力作用下首先发生位错运动，然后由于不同的原因而造成位错受阻，由于位错塞积群中的弹性应力场中的拉应力产生小孔隙，孔隙积累而形成微裂纹。容易造成位错塞积的地方：晶界、亚晶界、孪晶界、夹杂物或第二相与基体相交界面第116页/共125页2 2、裂纹的扩展、裂纹的扩展 金属材料在塑性变形过程中形成微裂 纹，并不意味着材料即将断裂。微裂纹的修复 第117页/共125页GriffithGriffith公式公式第118页/共125页GriffithGriffith公式的局限性公式的局限性1.Griffith只适用于脆性材料或非晶体2.对于塑性材料必需修正 Orowan修正理论：将表面能改为有效表面能（表面能加塑性变形功）第119页/共125页塑性塑性-脆性转变脆性转变塑性与脆性并非金属固定不变的特性。金属是韧性断裂还是脆性断裂，取决于各种内在因素和外在条件。第120页/共125页第121页/共125页与一般金属从塑性区到脆性区的过渡是有区别的，即在转变区内，塑性指标急剧下降，而强度指标则陡峭上升，形成一个明显的塑性-脆性转变区。一般规定塑性下降百分之五十的点的温度为塑性-脆性转变温度，用Tc表示。第122页/共125页影响塑性影响塑性-脆性转变的主要因素脆性转变的主要因素(1)变形温度(2)变形速度(3)应力状态(4)金属材料的化学成分和组织状态第123页/共125页 金属的可加工性是不同加工方法进行塑性加工时，工件出现第一条可见裂纹前所达到的最大变形量。金属的可加工性金属的可加工性 第124页/共125页感谢您的观看。第125页/共125页
