金属塑形变形不均匀性及其在塑形加工中的效应

1/29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2/29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3/29均匀变形12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4/29均匀变形34变形条件变形物体的物理性质必须均匀且各向同性；整个物体任何瞬间承受相等的变形量；接触表面没有外摩擦，或没有接触摩擦所引起的阻力；整个变形体处于工具的直接作用下，即处于无外端的情况下。不均匀变形是绝对的挤压或拉伸棒材的后端凹入平砧下镦粗圆柱体时出现的鼓形板材轧制出现舌头和鱼尾等因此必须对不均匀变形规律加以研究，以便采取各种有效措施来防止或减轻其不良后果。均匀变形表明变形体横断面上延伸都是不均匀的。5/29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6/29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7/29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8/29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9/29研究变形分布的方法1网格法研究金属塑性加工中变形区内金属流动情况应用最广的方法。该方法是于变形前在试样的表面上或内部的剖面上用某种方法刻上坐标网，变形后测量和分析坐标网的变化，确定变形物体各处的变形大小及分布。其实质是观察变形前后，各网格所限定的区域金属几何形状的变化。目前网格法可作定量分析。研究变形分布的方法网的单元立体坐标网平面坐标网连续地分开的圆形正方形变形区单元圆形椭圆形椭圆轴尺寸、方向尺寸、方向主变形正方形内接圆椭圆轴尺寸、方向尺寸、方向主变形10/29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。11/29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12/29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13/29接触面上的外摩擦在工具和变形金属之间的接触面上必然存在摩擦。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。Ⅰ区由外摩擦影响而产生的难变形区Ⅱ区与作用力成45°角的最有利方位的易变形区Ⅲ区变形程度居于中间的自由变形区镦粗外摩擦变形不均匀应力不均匀（接触面上）沿试样边缘的应力=屈服极限边缘中心应力逐渐升高接触面变形体中部应力逐渐减小接触面接触表面附近金属流动困难圆柱形坯料转变成鼓形14/29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15/29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”16/29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Hd17/29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18/29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19/29变形体内部温度分布不均在热轧中常见到轧件轧出后会出现上翘或下翘现象，原因：轧件的温度不均所造成的。（轧制过程热应力与机械应力叠加，其中不同材料轧制过程的热应力大小不同）铝—钢双金属轧制时由不均匀变形产生的弯曲现象轧辊坯料不同的热应力20/29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21/29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22/29变形体外端外端变形物体“拉齐”作用纵向延伸趋于一致沿高度方向自由延伸大的中部附加压应力自由延伸小的端部附加拉应力影响着横向宽展的变化变形区内宽展被迫增大宽展被迫减小沿高向沿高向MAXMIN纵向变形的不均匀性减小横向变形的不均匀性增大23/29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24/29镦粗变形综合分析Ⅰ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。Ⅱ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；Ⅲ区变形程度居中；外层金属还阻碍着中心处的金属流动，Ⅱ区变形程度较Ⅲ区程度大，于是Ⅱ区金属向外流动时对Ⅲ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25/29变形体内部温度分布不均（a）小直径轧辊/每步的断面收缩率小轧制产生的残余应力（b）大直径轧辊/每步的断面缩减率大的轧制产生的残余应力+拉应力-压应力小直径轧辊大直径轧辊厚度方向表层变形量大心部变形量小+拉应力-压应力金属质点的流动速度沿断面厚度方向分布不均匀大直径轧辊/端面缩减率大时，变形量主要体现在厚度方向，沿厚度方向被压缩的多，所以心部的变形量较大，受到轧辊对其的压应力，而表层变形量较少，且受到轧辊与工件表面之间的摩擦力，因此工件表层产生了拉应力；小直径轧辊/端面缩减率小时，沿厚度方向被压缩的少，变形量主要体现在被拉长的方向，表层在轧辊与工件摩擦力的作用下产生了大的变形量，受到压应力，而心部由于相比较而言受到的变形量小，而承受拉应力。表层变形量小心部变形量大26/29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27/29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。123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。428/29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567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829/29THANKS