外摩擦对接触表面上金属质点流动及压力分布的影响

实验二外摩擦对接触表面上金属质点流动及压力分布的影响一、专业知识预习金属塑性加工中，工具与工件的接触面上，不可避免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表面之间的，阻碍金属自由流动的摩擦，称为外摩擦。与一般机械摩擦相比较，塑性加工过程中外摩擦的特性有：1)接触表面所受压强大，热变形时有10~15kg/mm2，冷变形可达50~250kg/mm2。因为压强大，接触表面要压扁，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)表面有更新作用，因为金属要产生塑性变形而表面不断扩大，致使内表面不断涌出。这种在变形过程中时刻形成的新表面及旧表面不断遭受破坏，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，促使工具表面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)表面组织是变化的，热变形时金属被加热到很高的温度，其表面被氧化而生成氧化层，塑性变形时此氧化层因表面扩大而脱落，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，也引起表面层附近金属组织状态的改变。由于表面组织的改变，既使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表面问题，而且与表面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)接触表面温度高，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，接触表面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300℃；当速度为10m／s时是l000℃。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，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、辊锻、模锻时的飞边)能起积极作用外，大多数情况下是有害因素：(1)接触摩擦引起不均匀变形。例如坯料镦粗时，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，无摩擦镦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。由于工具接触表面的直接摩损，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发展，尤其是一些新工艺、新材料的出现，摩擦与润滑问题显得日益重要。要求人们去解决更加苛刻的条件下的摩擦和润滑问题。ABCDEABECDOPd0dmaxdmin图2-2接触的粘着滑动及侧面局部载移情况ED二、实验目的通过带凹槽的钢锤头压缩圆柱体铅试样，了解接触表面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/d＞1）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d0为坯料的原始直径，dmin为变形后接触表面的直径，接触表面直径增大，不仅是由于接触表面上质点的移动，而且由于金属从侧面局部的转移到接触表面的结果，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表面上出现新外环而得到证实。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别，下同），在此区内金属质点相对工具有相对移动，变形后接触表面增加量BD环（dB=d0）由两部分组成，BC环为滑动区内金属质点移动多构成，CD环依靠侧面金属局部转移到接触表面所构成。图中OA的圆面积部分分为粘着区，由于外摩擦影响强烈，在此区域内接触表面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表面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，Ⅲ区表示变形程度处于中间状态的自由变形区。由于外摩擦的影响，不仅使变形不均匀，而且也使接触表面的应力（或单位压力）分布不均匀（图2-3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σs，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）。接触表面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）。四、实验设备及材料1.设备：60T材料实验机；2.材料：压缩试验模具一套；圆柱体铅试样若干个；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1.在60T材料试验机上，用带凹槽的钢锤头，压缩两个高径比相同的圆柱体铅试样，一个的接触表面上涂上润滑剂（如机油），另一个试样的接触表面上涂上松香粉，压缩均取70~75%左右；2.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4~5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：1.目的；2.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；3.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。4.结论：制出摩擦力对接触面上金属质点流动（粘着、滑动、测翻三区的大小）和变形力大小及应力分布的影响情况；图2-3平锤压缩时接触摩擦时变形记应力分布的影响σsPⅢⅢⅠⅡⅠ5432112345h单位压力dh/D＜＜1h/D＜1h/D=1h/D＞＞1图2-4平锤压缩时单位压力分布图5.写明报告人班次、姓名及书写报告日期。表2-2圆柱体工件实验数据1（mm）表2-3圆柱体工件实验数据2（mm）Hd0h压缩率dE=dmaxdD=dmin滑动区dc涂机油涂松香粉dB=d0粘着区dAPmaxh1h2h3h4h5h5-h1