第十八章 金属塑性变形与流动问题基本要求：1． 理解最小阻力定律、不均匀变形、附加应力和残余应力、塑性成形中摩擦与润滑等概念2． 定性分析金属塑性变形与流动对工艺和模具设计以及质量的影响第一节 金属流动方向——最小阻力定律金属的塑性流动方向可应用最小阻力定律进行判断。

最小阻力定律由前苏联学者古布金（С.И.Губкин）于1947年将它表达为“当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动”。

最小阻力定律是力学的普遍原理，可以定性地用来分析质点的流动方向，或调整某方向阻力来控制金属的流动。

例如，粗糙平板间矩形断面棱柱体镦粗时，由于接触面上质点向四周流动的阻力与质点离周边的距离成正比，因此离周边的距离愈近，阻力愈小，金属质点必然沿着这个方向移动。

该方向恰好是周边最短法线方向，因此可用点划线将矩形分成两个三角形和两个梯形，形成四个流动区域，如图18-1所示。

点划线是流动的分界线，线上各点至边界的距离相等，各个区域内的质点到各边界的法线距离最短。

这样镦粗后，矩形断面将变成双点划线所示的多边形，继续镦粗，断面周边变成椭圆直至变成圆为止。

以后各质点将沿着半径方向移动。

由于相同面积的任何形状，圆形的周边最小，故最小阻力定律在镦粗中也称为最小周边法则。

再例如，平砧间拔长是使其截面逐渐减小而长度增加的工序，其实质是沿坯料长度方向的逐次镦粗，如图18-2。

当坯料送进量小于料宽时，金属轴向延伸大于横向展宽，拔长效率高，如图18-2a ，反之采用图18-2b 的送进方式，展宽量大于延伸量，拔长效率低。

关于调整阻力控制金属流动的实例很多，例如开式模锻，如图18-3，增加金属流向飞边的阻力，以保证金属充填型腔；或者修磨圆角r ，减小金属流向A 腔的阻力，使A 腔充填饱满。

又例如，在大型覆盖件拉深成形时，常常要设置拉延筋，用来调整或增加板料进入模具型腔的流动阻力，以保证覆盖件的成形质量。

金属在塑性变形时遵循最小阻力定律和体积不变条件，据此可以大体上确定出塑性成形时金属流动模型，进而可以合理地制定成形工序、设计成形模具、分析成形质量。

因此，最小阻力定律在工艺分析中得到了广泛的应用。

图18-2 平砧拔长坯料的变形a ） b ）第二节 影响金属塑性变形和流动的因素一、摩擦对金属塑性变形和流动的影响在工具与坯料的接触面上由于摩擦力的存在，在一定程度上改变了金属的流动特性。

矩形断面的棱柱体在平板间镦粗时，若接触面上无摩擦，变形体均匀变形，金属质点必然沿着该断面的中心向四周的辐射线方向流动，如图18-4，变形后的断面形状仍为矩形，并与原来的形状相似。

当接触面上有摩擦时，由于摩擦力的作用，使各个方向的阻力不同，断面不再保持矩形，遵循最小周边原则，最后趋于圆形，如图18-1。

二、工具形状对金属塑性变形和流动的影响工具形状是影响金属塑性流动的重要因素。

工具形状不同，各个方向的流动阻力不一样。

在圆弧形砧上或V 型砧中拔长圆截面坯料时，如图18-5，由于工具的侧面压力使金属沿横向流动受到阻碍，金属大量沿轴向流动。

在凸弧形砧上，正好相反，加大横向流动。

模锻制坯时，为提高滚挤和拔长的效率，采用闭式滚挤和闭式拔长模膛，利用前一种流动模式；叉形件模锻时金属被劈料台分开则利用后一种流动模式。

利用工具的不同形状，除了可以控制金属的流动方向外，还可以在坯料内产生不同的应力状态，使局部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。

或者造成不同的静水压力，来改变材料在该状态下的塑性。

三、金属各部分之间的关系对塑性变形和流动的影响在塑性变形时，为保持变形体的完整性和连续性，变形体各部分之间通过内力的作用，对塑性变形和流动产生一定的影响，包括未变形的金属（俗称为“刚端”）对变形区金属的影响和变形金属相互之间的影响。

刚端对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动。

例如拔长时，砧子下面局部坯料镦粗，变形受到刚端部分的影响，其横向流动小于同等条件下的自由镦粗。

四、金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响由于金属本身的化学成分、组织和温度的不均匀，会造成金属各部分的变形和流动的差异。

变形抗力小的部分首先变形，但作为一个整体，先变形的部分与后变形的部分、变形大的部分与变形小的部分必然彼此影响。

以上分别讨论了各个因素对金属塑性变形和流动的影响，而在实际生产中常常是多因素的共同作用，因此，必须考虑各个可能方向上的阻力情况，才能正确分析金属流动问题。

掌握了塑性变形时金属流动规律，便可以采取有效的措施，控制各个可能流动方向上的阻力分布，使金属按预期的方向流动，以获得所需尺寸和形状的工件。

第三节 不均匀变形、附加应力和残余应力一、不均匀变形均匀变形是一种理想的假设，在工程上要实现均匀变形是困难的。

塑性成形时，由于金属本身性质的不均匀，摩擦和工具形状的影响，不同变形区之间的相互制约，实际上都是不均匀变形。

不均匀变形最典型的例子就是在平砧间镦粗圆柱体。

对圆柱体剖面进行网格划分，根据变形后网格变形程度的大小，可以将整个剖面划分成三个区域，如图18-6。

二、附加应力由于变形体各部分之间的不均匀变形受到整体性的限制，在各部分之间必将产生相互平衡的应力，该应力叫附加应力。

附加应力是由不均匀变形引起的，同时它又限制了不均匀变形的自由发展，附加应力总是互相平衡成对出现的。

以如图18-7所示的凸肚形轧辊轧制板材为例加以说明，矩形坯料边缘部分a 的变形程度小，而中间部分b 的变形程度大，若a 、b 部分不是同一个整体时，则中间部分b 比边缘部分a 发生更大的纵向伸长，如图18-7中的虚线所示，但矩形坯料实际上是一个整体，虽然各部分的变形量不同，但纵向伸长应趋于相等，故中间部分将给边缘部分施以拉力使其增加伸长，而边缘部分给中间部分施以压力使其减小伸长。

因此就产生相互平衡的内力，中间部分受到附加轴向压应力，两侧边缘部分受到附加轴向拉应力。

附加应力通常分为三类：第一类附加应力是变形体内各区域体积之间由不均匀变形引起的互相平衡的应力；第二类附加应力是各晶粒之间由于其性质、大小和方位不同，使晶粒之间产生不均匀变形所引起的附加应力；第三类附加应力是晶粒内部各部分之间的不均匀变形所引起的附加应力。

附加应力是由不均匀变形引起的，必然对金属塑性变形造成不良的后果。

1. 使变形体内的应力状态发生变化，应力分布更不均匀 凸肚形轧辊轧制板材时，基本应力是厚度方向压应力，由于变形不均匀，坯料中间部分受两向（厚度方向和轴向）压应力，两侧边缘部分受轴向拉应力和厚度方向压应力。

2.提高了单位变形力不均匀变形引起附加应力，使变形所消耗的能量增加，从而使单位变形力增高。

3.使塑性降低，甚至造成破坏挤压制品表面出现周期性的裂纹，是由第一类附加应力形成的残余应力所致。

4.造成物体形状歪扭当变形体某方向上各处的变形量差别过大，而物体的整体性不能起限制作用时，则所出现的附加应力不能自相平衡，而导致变形体外形的歪扭。

如薄板或薄带轧制、薄壁型材挤压时出现的镰刀弯、波浪形等。

5.形成残余应力由于附加应力成对出现，彼此平衡，只要变形的不均匀状态不消失，它始终存在，因此，当外力去除后，它仍残留在物体内而形成残余应力。

三、残余应力引起附加应力的外因去除后，在物体内仍残存的应力叫残余应力。

残余应力是弹性应力，不超过材料的屈服应力，也是相互平衡成对出现的。

（一）残余应力产生的原因凡是塑性变形不均匀的地方都可能出现残余应力。

上一节已介绍变形不均匀要产生附加应力，变形完成后，变形不均匀状态不消失，附加应力将残留在物体内而形成残余应力。

一般，不均匀变形引起的残余应力符号与引起残余应力的塑性应变符号相反。

此外，由于温度不均匀（加热或冷却不均匀）所引起的热应力以及由相变过程所引起的组织应力都会引起残余应力。

残余应力也分为三类：第一类残余应力存在于变形体各区域之间；第二类残余应力存在于各晶粒之间；第三类残余应力存在于晶粒内部。

（二）残余应力引起的后果（1） 具有残余应力的物体再承受塑性变形时，其应变分布及内部应力分布更不均匀。

（2） 缩短制品的使用寿命，当外载作用下的工作应力与残余应力叠加超过材料的强度时，使零件破坏，设备出现故障。

（3） 使制品的尺寸和形状发生变化，当残余应力的平衡受到破坏后，相应部分的弹性变形也发生变化，从而引起尺寸和形状变化。

（4） 增加塑性变形抗力，降低塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。

（5） 降低制品表面的耐蚀性，具有残余应力的金属在酸液中或其他溶液中的溶解速度加快。

残余应力一般是有害的，特别是表面层中具有残余拉应力的情况。

但当表面层具有残余压应力时，可以显著提高材料的强度和疲劳强度，反而可提高其使用性能。

（三）残余应力的消除方法1.热处理法采用去应力退火可较彻底地消除残余应力。

对第一类残余应力一般在回复温度下便可大部分消除，制品的硬化不受影响；第二类残余应力，接近再结晶温度也可完全消除；对第三类残余应力必须在再结晶温度以上才可消除。

在高温下，去应力退火时，应避免晶粒长大，影响其力学性能。

2.机械处理方法在制品表面再产生一些表面变形，使残余应力得到一定程度的释放和松弛，或者产生新的附加应力以抵消或减弱残余应力。

该法只适合于消除第一类残余应力，实践证明当表面变形量1.5％～3％左右效果最好。

第四节 金属塑性成形中的摩擦和润滑一、金属塑性成形中摩擦的特点及其影响塑性成形过程中，工具与变形金属接触面上存在运动或有运动的趋势时，其接触表面之间必然产生摩擦。

塑性成形中的摩擦与机械传动中的摩擦相比，有如下特点：1.接触面单位压力高塑性成形时的摩擦接触面上压力很高，热塑性时达500MPa，钢冷挤压时高达2500MPa。

而机械传动中重载轴承的工作压力一般为20～40MPa。

接触面压力愈高，润滑剂易挤出和失效，降低了润滑效果。

2. 伴随着塑性变形 塑性成形的摩擦接触面因金属的塑性流动，接触状态不断变化，同时会产生新的接触面。

而机械传动是接触面不变的弹性接触。

3. 在高温下进行 钢材热塑性加工温度一般为800～1200℃，这时，接触表面会产生金属氧化、模具软化、润滑剂分解等复杂的物理化学变化。

从以上分析可以看出，塑性成形中的摩擦比机械传动中的摩擦复杂得多。

塑性成形中的摩擦在多数情况下是有害的，具体表现如下：1. 改变应力状态，增大变形抗力 例如单向压缩时，若工具与坯料无摩擦存在，则坯料受单向应力状态；若存在摩擦时，则变成三向应力状态，且使端面压应力增加才能屈服，因而变形抗力增加。

2. 引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力 在挤压杆件时，由于挤压筒壁摩擦力的影响，使坯料边缘处的流动比中间慢，造成边缘受拉伸而中间受压缩的附加应力。

3. 降低模具寿命 摩擦必然带来磨损，同时摩擦热引起模具软化，以及变形抗力增加使模具工作应力增加，都会降低模具寿命。