[工学]第三章 金属塑性加工的宏观规律.ppt

第二章 金属塑性加工的宏观规律 2.1 最小阻力定律 2.2 影响金属塑性流动和变形的因素 2.3 不均匀变形、附加应力和残余应力 2.1 最小阻力定律 金属塑性加工时，质点的流动规律可以应用最小阻力定律分析。最小阻力定律可表述为：变形过程中，当变形体中的质点有可能沿着不同的方向发生流动时，质点将向着阻力最小的方向流动。即“做最少的功，走最短的路”。最小阻力定律实际上是力学质点流动的普遍原理，它可以定性地用来分析金属质点的流动方向。 利用最小阻力定律可以推断，任何形状的物体只要有足够的塑性，都可以在平锤头下镦粗使坯料逐渐接近于圆形。这是因为在镦粗时，金属流动距离越短，摩擦阻力也越小。图2-1所示方形坯料镦粗时，沿四边垂直方向摩擦阻力最小，而沿对角线方向阻力最大，金属在流动时主要沿垂直于四边方向流动，很少向对角线方向流动，随着变形程度的增加，断面将趋于圆形。由于相同面积的任何形状总是圆形周边最短，因而最小阻力定律在镦粗中也称为最小周边法则。 通过调整某个方向的流动阻力来改变某些方向上金属的流动量，以便合理成形，消除缺陷。例如，在模锻中增大金属流向分型面的阻力，或减小流向型腔某一部分的阻力，可以保证锻件充满型腔。在模锻制坯时，可以采用闭式滚挤和闭式拔长模膛来提高滚挤和拔长的效率。 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 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。 镦粗时的分区 圆柱体镦粗时，由于接触面上有摩擦存在，在接触表面附近金属流动困难，圆柱形坯料转变成鼓形。在此情况下，可将变形金属整个体积大致分为三个区： Ⅰ区表示由外摩擦影响而产生的难变形区； Ⅱ区表示与作用力成45°角的最有利方位的易变形区； Ⅲ区表示变形程度居于中间的自由变形区。 应力分布不均 外摩擦不仅影响变形，而且使接触面上的应力（或单位压力）分布不均匀，沿试样边缘的应力等于金属的屈服极限，从边缘到中心部分，应力逐渐升高。 另外，沿物体高度方向由接触面至变形体的中部，应力的分布是逐渐减小的，这是因外摩擦的影响逐渐减弱所致。 侧面翻平 变形物体在压缩时，由于接触摩擦的作用，在出现单鼓形的同时，还会出现侧表面的金属局部地转移到接触表面上来的侧面翻平现象。随着压下率的增加，aa和bb部分由侧表面逐步地转移到端面上来。此侧面翻平现象发生在侧表面面积的减小量大于接触面面积的增加量的时候。如果接触面面积增加量大于侧面的减小量时，则因新的接触面的形成将不再吸收侧面的多余面积。 由此可见，物体在压缩时接触面积的增加，可由接触表面上金属质点滑动和侧面质点翻平两部分组成。侧面金属翻平量的大小取决于接触摩擦条件和变形物体的几何尺寸。接触面上的摩擦越大，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。 粘着现象 实验结果表明，圆柱体金属在镦粗过程中，若接触摩擦较大和高径比H／D较大时，则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。此现象称为粘着现象。此粘着在一起的区域称为粘着区。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，此体积称为“难变形区”。 变形区的几何因素 在金属塑性加工中存在着外摩擦，变形的不均匀分布情况与变形区几何因素(如H/d、H/L、H/B等)有密切关系。实验表明：镦粗圆柱体时，当试样原始高度与直径比H/d2.0时才发生上述的单鼓形不均匀变形。当坯料高度较大且变形程度甚小时(当H/d＞2.0时)，则往往只产生表面变形，而中间层的金属不产生塑性变形或塑性变形甚小，结果导致形成双鼓形。 工具与工件的轮廓形状 工具（或坯料）形状是影响金属塑性流动方向的重要因素。工具与金属形状的差异，是造成金属沿各个方向流动的阻力有差异，因而金属向各个方向的流动（即变形量）也有相应差别。 如图所示，在圆形砧或V型砧中拔长圆断面坯料时，工具的侧面压力使金属沿横向流动受到很大的阻碍，被压下的金属大量沿轴向流动，这就使拔长效率大大提高。当采用图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。 变形体内部温度分布不均 变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形和流动的差异。变形首先发生在那些变形抗力最小的部分。一般，在同一变形物体中高温