金属塑形变形不均匀性及其在塑形加工中的效应.ppt

,*,/29,金属塑形变形不均匀性及其在,塑形加工中的效应,金属塑形变形的物理基础,汇报内容：,变形不均匀的基本概念,变形不均匀的产生原因,不均匀性引起的不良后果,均匀变形,1,2,基本概念,若变形区内金属各质点的,应变状态,相同（即相应的各方向,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。,变形特点,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,。,均匀变形,不均匀变形的应力状态,金属塑形变形时,物体内变形的不均匀分布,物体外形歪扭,内部组织不均匀,物体内应力分布不均匀,基本应力,+,附加应力,由于,外力作用,所引起的应力,物体在塑性变形状态中，完全根据,弹性状态,所测出的应力,由于物体内各处的,不均匀变形,受到,物体整体性,的限制，而引起在其间,相互平衡,的应力,产生,a:,塑形变形的不同时性；,b:,塑形变形程度的不均匀性,含义,工作应力,工作应力,=,基本应力,处于应力状态的物体在变形时用各种方法,实测,出来的应力,不均匀变形的应力状态,当物体的变形,绝对均匀,时,当变形呈,不均匀分布,时,工作应力,=,基本应力,+,附加应力,不均匀变形的应力状态,基本应力,外力作用下,瞬时（加载,/,卸载,),弹性变形,外力,弹性变形（恢复）,基本应力（消失）,附加应力,不均匀变形受物体整体性阻碍,物体内自相平衡的内力,弹性变形或畸变,外力,变形终止,继续保留在变形体内部,在,塑性变形完毕,后仍保留于,物体内,的,自相平衡,的应力称为,残余应力,不均匀变形的应力状态,金属,整体性,的阻碍,趋向产生,较大变形,的金属层,附加,压应力,趋向产生,较小变形,的金属层,附加,拉应力,附加应力,在变形物体的,大部分体积之间,由不均匀变形所引起的彼此平衡的附加应力,在变形物体内,两个或几个相邻晶粒之间,由不均匀变形所引起的彼此平衡的附加应力,在一个晶粒内的,滑移面附近或在滑移带中各部分彼此之间,平衡起来的,晶格畸变,所引起的附加应力,宏观级,原子级,显微级,研究变形分布的方法,2,硬度法,在,冷变形,情况下，变形金属的,硬度随变形程度的增加而提高,研究变形分布的方法,3,比较晶粒法,根据,再结晶退火后的晶粒大小，与退火前的变形程度的关系,，来判断各部位变形的大小。变形越大，再结晶后晶粒越小。利用再结晶图，近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。,从图示可见，中心部分的硬度最高，接触表层的硬度则较小，越靠近表面的中心越小。在中心部分的同一层上，靠试样中部硬度比最外部（边部）大。这正好说明镦粗时三个区的存在。,变形不均匀的原因,金属塑形变形不均匀的原因,接触面上的外摩擦,变形区的几何因素,工具与工件的轮廓形状,变形体内部温度分布不均,变形体的外端,金属性质不均的影响,接触面上的外摩擦,圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦粗过程中的变化,侧表面的金属局部地转移到接触表面上来,侧表面,端面,aa,和,bb,部分,压下率的增加,侧表面面积,的减小量,接触面面积,的增加量,侧表面面积,的减小量,接触面面积,的增加量,新的接触面的形成将不再吸收侧面的多余面积,侧面翻平现象,接触面上的外摩擦,物体压缩时接触面积增加,=,接触面金属质点滑动,+,侧面翻平现象,侧面翻平量,接触摩擦,几何尺寸,接触面上,摩擦越大,，接触面上的,金属质点越不易滑动,，因而侧面金属转移上来的数量就越多,试样的,高度越大,，侧面金属越易于转移到接触表面上来；当试样的,高度大于直径,时，接触面积的增加将主要是由,侧面金属的转移,所造成,镦粗过程,接触摩擦较大,高径比,H,D,较大,在,端面的中心部位,有一区域，在此区域上金属质点对工具完全,不产生相对滑动,而粘着在一起,粘着现象,此粘着现象也影响到金属的,一定深度,，这样就构成了,以粘着区为基底,的圆锥形或近似圆锥形的,体积,“难变形区”,变形区的几何因素,变形的不均匀分布情况,变形区几何因素,(,如,H/d,、,H/L,、,H/B,等,),金属塑性加工中存在着外摩擦,镦粗圆柱体,H/d,2.0,时,单鼓形不均匀变形,H/d,2.0,时,形成双鼓形,坯料高度较大,变形程度甚小,双,鼓,形,往往只产生表面变形,中间层的金属不产生塑性变形,或塑性变形甚小,H,d,工具与工件的轮廓形状,工具与坯料金属形状的差异,金属沿各方向流动的阻力的差异,金属沿各方向流动（变形量）的差异,横向流动,圆形砧,V,型砧,拔长圆断面坯料,时，,a,、,b,侧面压力使金属沿,横向流动受阻,，被压下金属大量,沿轴向流动,，使拔长效率极大提高,图,c,所示的工具时，则产生相反的结果，金属,易于横向流动,。,在许多情况下，当,工具的形状,已得到了严格的控制时，为获得变形均匀的产品，还必须要考虑原始坯料形状的影响。,如果,坯料的尺寸和形状,的选择不当也会使物体产生不均匀变形。,轴向,变形体内部温度分布不均,变形体温度分布不均,金属各部分变形和流动产生差异,物体中变形抗力较小的部分先变形,高温部分的变形抗力低,低温部分的变形抗力高,同一变形物体,高温部分变形量大,低温部分变形量小,物体各部分,不均匀变形,的,自由发展受整体性的限制,同一外力的作用,相互平衡的,附加应力,变形体内因,温度不同,所产生,热膨胀,的不同,热应力,+,加强不均匀分布,甚至引起断裂,变形体外端,外端（未变形的金属）,变形区金属,阻碍流动,附加应力,/,应变,产生,/,加剧,自由锻造,镦粗,除外,其他变形工序,工具只与坯料的一部分接触变形是分段逐步进行的,变形区金属的流动,是受到外端的制约,封闭形外端,被压缩体积的变形要影响到外端的一定区域,外端会阻碍被压缩体积的向外扩展,封闭形外端可以减小被压缩物体的不均匀变形使其三向压应力状态增强,变形体外端,封闭性外端,体积较小,被压缩体积变形的影响下，外端的高度也会有所减小，外端向外扩展,体积较大,被压缩体积的变形很难进行,所施压力极大时,工具,(,压头,),压人变形物体内,部分变形金属将沿工具的周围被挤出,锻造延伸，拉拔等,封闭型外端,非封闭型外端,金属性质不均的影响,变形金属中,化学成分,组织结构,夹杂物,相的形态,金属各部分的,变形和流动,的差异,分布不均,受拉伸的金属内存在一团杂质,杂质和其周围晶粒的性质不同,应力集中现象,晶粒必然发生不均匀变形,产生晶间及晶内附加应力,镦粗变形综合分析,区,变形程度最小；受摩擦影响较大；温度降低快，变形抗力大，变形困难；,此区域铸态组织不易破碎和再结晶，仍保留粗大的铸态组织。,区,变形程度最大；受摩擦影响较小；温度降低慢，变形抗力小，变形容易；,铸态组织被破碎和再结晶充分，从而形成细小晶粒的锻态组织；,区,变形程度居中；,外层金属还阻碍着中心处的金属流动，,区,变形程度较,区,程度大，于是,区,金属向外流动时对,区,金属作用有,压应力,，并使其在,切向受拉应力,。越靠近表面,切向拉应力,越大。当切向拉应力越过材料强度极限，引起纵向裂纹。,外摩擦,温度,外端,平砧镦粗圆柱体坯料,汇报内容：,变形不均匀的基本概念,变形不均匀的产生原因,不均匀性引起的不良后果,可能引起物体应力状态的改变,如在,凸肚形轧辊,上轧制板条时，因为变形不均，两侧厚度方向受压应力，轴向受拉应力；中间部分厚度方向和轴向受压应力。,不均匀性引起的不良后果,不均匀性引起的不良后果,可能导致物体的破坏,导致坯料产生裂纹；如变形不均及附加应力引起大锻件内部的横向裂纹；冲孔和镦粗时锻件侧表面产生裂纹。,造成物体的歪扭,物体整体性不能起到限制作用，且在某方向存在较大变形量，最终坯料附加应力不能自相平衡，宏观表现即外形的扭曲。如轧制薄带、薄板时上翘下弯等。,1,2,3,形成残余应力,变形的不均匀状态消失，始终存在附加应力；变形过程完成,/,变形载荷去除后，附加应力残留在物体内，形成残余应力。,4,可能残留铸态组织或粗大晶粒,变形不均导致,小变形（难变形）区,，导致锻件中残留铸态组织或粗大晶粒,不均匀性引起的不良后果,不均匀性引起的不良后果,存在临界变形区和粗晶,变形不均且一般是由,大变形区连续过渡到小变形区,，因此存在临界变形区，引起晶粒粗大,使坯料轴心偏析区外移,镦粗变形时，坯料轴心部位质量较差的金属会向外流动，降低产品质量,5,6,7,可能引起剪切变形和局部粗晶,金属流速,/,变形的不均匀，导致剪切变形出现在坯料局部区域，如局部粗晶,8,