金属塑性变形理论
Theory of metal plastic deformation
第九讲 Lesson Nine
变形不均匀原因及影响措施
பைடு நூலகம்
Lesson Nine
第五章 塑性变形的不均匀性
主要内容
Main Content 变形不均匀的基本概念 变形不均匀的原因 减小变形不均匀的措施 残余应力
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铝—钢双金属轧制时由不均匀 变形产生的弯曲现象
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变形体的外端
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外端（未变形的金属）对变形区金属的影响 主要是阻碍变形区金属流动，进而产生或加 剧附加的应力和应变。在自由锻造中，除镦 粗外的其他变形工序，工具只与坯料的一部 分接触，变形是分段逐步进行的，因此，变 形区金属的流动是受到外端的制约的。
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圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦 粗过程中的变化
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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。
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翻平宽展
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鼓形宽展
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粘着现象
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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”。
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a
b
c
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。
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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。
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变形体内部温度分布不均
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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 中高温部分的变形抗力低，低温部分的变形 抗力高。这样，在同一外力的作用下，高温 部分变形量大，低温部分变形量小。而变形 物体是一整体，限制了物体各部分不均匀变 形的自由发展，从而产生相互平衡的附加应 力。
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在变形体内因温度不同所产生热膨胀的不同 而引起的热应力，与由不均匀变形所引起的 附加应力相叠加后，有时会加强应力的不均 匀分布，甚至会引起变形物体的断裂。
在热轧中常见到轧件轧出后会出现上翘或下 翘现象，产生此现象原因之一就是轧件的温 度不均所造成的。
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双鼓形
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工具与工件的轮廓形状
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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。
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б1
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镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响
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应力分布不均
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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。
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难变形区
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变形区的几何因素
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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/d<2.0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。
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5.2 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
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封闭形外端
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在被压缩体积的外部存在有封闭形外端时，一方面， 被压缩体积的变形要影响到外端的一定区域。另一方 面，外端会阻碍被压缩体积的向外扩展。
若外端的体积甚小时，则在变形过程中，在被压缩体 积变形的影响下，外端的高度也会有所减小，外端向 外扩展。如果外端的体积较大，则被压缩体积的变形 很难进行。若所施的压力非常大时，也可以把工具 (压头)压入变形物体内，此时部分变形金属将沿工具 的周围被挤出。可见，金属在具有封闭形外端条件下 的压缩与无外端时有很大差别。封闭形外端可以减小 被压缩物体的不均匀变形，并可使其三向压应力状态 增强。
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带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验
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侧面翻平
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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。