1、2023-1-61模锻变形的不均匀性o 主要内容o Main Contento 变形不均匀的基本概念 o 变形不均匀的原因o 减小变形不均匀的措施o 残余应力2023-1-62变形不均匀的原因o 接触面上的外摩擦接触面上的外摩擦 o 变形区的几何因素变形区的几何因素 o 工具与工件的轮廓形状工具与工件的轮廓形状 o 变形体内部温度分布不均变形体内部温度分布不均 o 变形体的外端变形体的外端 o 金属性质不均的影响金属性质不均的影响 2023-1-63接触面上的外摩擦o 在工具和变形金属之间的接触面上必然存在摩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擦。由
2、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。金属的流动特性并使应力分布受到影响。外摩擦的影响外摩擦的影响下面以下面以 H/d2的圆柱的圆柱体体镦粗为例来说明。镦粗为例来说明。镦粗后：镦粗后：工件由圆柱形工件由圆柱形单鼓形单鼓形 发生了不均匀变形发生了不均匀变形这就是外摩擦所致这就是外摩擦所致2023-1-65镦粗时的分区o 圆柱体镦粗时，由于接触面上有摩擦存在，在圆柱体镦粗时，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成鼓形。在此情况下，可将变形金属整个体积大致分为
3、三个区：大致分为三个区：o 区表示由外摩擦影响而产生的难变形区；区表示由外摩擦影响而产生的难变形区；o 区表示与作用力成区表示与作用力成45角的最有利方位的易角的最有利方位的易变形区；变形区；o 区表示变形程度居于中间的自由变形区。区表示变形程度居于中间的自由变形区。2023-1-66镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响 2023-1-67外摩擦对应力分布影响o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，从边缘到中布不均匀，沿试样边缘的应力等于金属的
4、屈服极限，从边缘到中心部分，应力逐渐升高。心部分，应力逐渐升高。另外，沿物体高度方向由接触面至变另外，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的，这是因外摩擦的影响逐渐减弱所致。即：离接触面越远，径向流动阻致。即：离接触面越远，径向流动阻力越小，要使它变形所需的单位压力力越小，要使它变形所需的单位压力越小，其应力分布是逐渐减小的。越小，其应力分布是逐渐减小的。2023-1-682f 对应变分布的影响对应变分布的影响 接触表面接触表面 边缘：径向流动阻力小，边缘：径向流动阻力小，大大 中部：径向流动阻力大，中部：径
5、向流动阻力大，小小在接触表面的中部，在接触表面的中部，f 的影响最大，所受三向压的影响最大，所受三向压应力最强，有可能完全没有变形，应力最强，有可能完全没有变形，=0 中心面中心面 近接触表面：近接触表面：f 影响大，影响大，小小 变形区中部：变形区中部：f 影响小，影响小，大大3变形区的划分变形区的划分 根据以上分析，常将镦粗时的物体分为三个变形区根据以上分析，常将镦粗时的物体分为三个变形区区：难变形区，与上下压头相区：难变形区，与上下压头相 接触的区域，接触的区域，f 影响大，影响大，三向压应力强烈，金属三向压应力强烈，金属流动困难，流动困难，0由于由于 f 的影响的影响 随离接触表面的随
6、离接触表面的距离而减弱，所以距离而减弱，所以区大体上是区大体上是一个圆锥体。一个圆锥体。区：易变形区（大变形区）区：易变形区（大变形区）区受区受 f 的影响小，金属流动的影响小，金属流动 阻力阻力，径向扩展，径向扩展 由于由于区的楔入作用，促使周区的楔入作用，促使周 围质点流动阻力围质点流动阻力，向四周移动。，向四周移动。区处于区处于45的有利方位的有利方位(最短法线最短法线）区：小变形区区：小变形区 变形量介于变形量介于区与区与区之间区之间 远离接触表面，受远离接触表面，受 f 影响小，变形较为影响小，变形较为自由，故称为自由变形区自由，故称为自由变形区如图，可见：中间变形最如图，可见：中间
7、变形最大，加工硬化显著，硬度大，加工硬化显著，硬度此时，此时，区几乎耗尽了自身区几乎耗尽了自身的塑性，处于脆性状态，若的塑性，处于脆性状态，若继续变形便会破裂。所以要继续变形便会破裂。所以要重新加热以消除加工硬化。重新加热以消除加工硬化。冷镦粗过程是：加热冷镦粗过程是：加热镦粗镦粗加热加热镦粗镦粗.区区f 影响小，可自由变形，影响小，可自由变形，同时同时 又受到又受到区的扩展作用。区的扩展作用。区不处于区不处于45有利方位，有利方位，其变形主要取决于其变形主要取决于区对它区对它 的推挤。的推挤。网格变形不大。网格变形不大。从图可明显看出三个变形区从图可明显看出三个变形区的变形情况，与理论分析相
8、符的变形情况，与理论分析相符合。合。CA2023-1-614侧面翻平o 变形物体在压缩时，由于接触摩擦的作用，在变形物体在压缩时，由于接触摩擦的作用，在出现鼓形的同时，还会出现侧表面的金属局部出现鼓形的同时，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。地转移到接触表面上来的侧面翻平现象。2023-1-615圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦粗过程中的变化粗过程中的变化随着压下率的增加，随着压下率的增加，ab部分由侧表面逐步部分由侧表面逐步地转移到端面上来。地转移到端面上来。镦粗时毛坯高度不断镦粗时毛坯高度不断降低，侧表面面积不降低，侧表面面积不断减少，断减
9、少，2端面面积随端面面积随着半径增大而增加端着半径增大而增加端面半径增大使得侧面面半径增大使得侧面积变大。侧面翻平现积变大。侧面翻平现象发生在侧表面面积象发生在侧表面面积的减小量大于接触面的减小量大于接触面面积的增加量的时候。面积的增加量的时候。如果接触面面积增加如果接触面面积增加量大于侧面的减小量量大于侧面的减小量时，则因新的接触面时，则因新的接触面的形成将不再吸收侧的形成将不再吸收侧面的多余面积。面的多余面积。2023-1-616o 由此可见，物体在压缩时接触面积的增加，可由此可见，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由接触表面上金属质点滑动和侧面质点翻平
10、两部分组成。侧面金属翻平量的大小取决于接触部分组成。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，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。加将主要是由侧面金属的转移所造成。2023-1-617翻平宽展翻平宽展鼓形宽展鼓形宽
11、展2023-1-618粘着现象o 实验结果表明，圆柱体金属在镦粗过程中，若实验结果表明，圆柱体金属在镦粗过程中，若接触摩擦较大和高径比接触摩擦较大和高径比HD较大时，则在端较大时，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，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
12、，此体积称为似圆锥形的体积，此体积称为“难变形区难变形区”。影响因素：a)f，粘着区,金属移动阻力，不易滑动，侧面翻平 b)H/d，粘着区两个极端：f，H/d 可能发生完全粘着，没有滑 动，接触表面的增加完全靠 侧面翻平。f，H/d 无粘着区 侧面开裂2023-1-6202023-1-621变形区的几何因素 o 在金属塑性加工中存在着外摩擦，变形的不均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匀分布情况与变形区几何因素(如如H/d等等)有密有密切关系。实验表明：镦粗圆柱体时，当试样原切关系。实验表明：镦粗圆柱体时，当试样原始高度与直径比始高度与直径比H/d2.0时才发生
13、上述的单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鼓形不均匀变形。当坯料高度较大且变形程度甚小时甚小时(当当H/d2.0时时)，由于墩粗力的增加，由于墩粗力的增加使得摩擦力变大。则往往只产生表面变形，而使得摩擦力变大。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。，结果导致形成双鼓形。2023-1-622变形区分为四个部分：变形区分为四个部分：、区与前相同区与前相同区：不变形区区：不变形区 H太大，两个易变形区太大，两个易变形区相距很远，不能相交。相距很远，不能相交。2023-1-623工具与工件的轮
14、廓形状o 工具（或坯料）形状是影响金属塑性流动方工具（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）也有而金属向各个方向的流动（即变形量）也有相应差别。相应差别。2023-1-624o 如图所示，在圆形砧或如图所示，在圆形砧或V型砧中拔长圆断面坯料时，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，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被压下的金属大
15、量沿轴向流动，这就使拔长效率大大提高。当采用图提高。当采用图c所示的工具时，则产生相反的结果所示的工具时，则产生相反的结果，金属易于横向流动。，金属易于横向流动。a b c2023-1-625o 在许多情况下，当工具的形状已得到在许多情况下，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。不当也会使物体产生不均匀变形。2023-1-626变形体内部温度分布不均o 变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变变
16、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。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，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。从而产生相互平衡的附加应力。2023-1-627o 在变
17、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。o 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在加热炉中加热时由于下面加热不足，轧件上面温度高于下面温度，这样，在轧制时钢坯的上层压下率大，产生的延伸就大，下层压下率小，延伸也就小。结果轧出轧件向下弯曲。2023-1-628金属轧制时由不均匀变形产生金属轧制时由不均匀变形产生的弯曲现象的弯曲现象 2023-1-629变形体的外端o 外端（未变形的金属）对变形区金属的影响主外端（未变形的金属）对变形区金属的影响主要是阻碍变形
18、区金属流动，进而产生或加剧附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，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。流动是受到外端的制约的。o 拉深拉深2.外端对应力、应变不均匀分布的影响外端对应力、应变不均匀分布的影响 外端使纵向不均匀减小，横向不均匀增加外端使纵向不均匀减小，横向不均匀增加 以局部锻造为例讨论以局部锻造为例讨论a)沿高度方向的变沿高度方向的变形形无外端时无外端时
19、纵向：单鼓形纵向：单鼓形横向：单鼓形横向：单鼓形 有外端时有外端时 纵向：由于外端的作用，使变形强迫拉齐，不均纵向：由于外端的作用，使变形强迫拉齐，不均 匀变形匀变形 表层：表层：小，产生纵向的小，产生纵向的附附(+)中部：中部：大，产生纵向的大，产生纵向的附附(-)横向横向：表层：由于受纵向：表层：由于受纵向附附(+)作用，使宽展作用，使宽展b 中部：由于受纵向中部：由于受纵向附附(-)作用，作用，使宽展使宽展bb)沿水平方向的变形沿水平方向的变形无外端时无外端时ABCD AB C D 有外端时有外端时近因为外端的拉齐作用近因为外端的拉齐作用 ABCD A B C D 2023-1-633金
20、属性质不均的影响o 变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异。例如，在受拉伸的金属内存在和流动的差异。例如，在受拉伸的金属内存在一团杂质，由于杂质和其周围晶粒的性质不同一团杂质，由于杂质和其周围晶粒的性质不同，出现应力集中现象，结果这种缺陷周围的晶，出现应力集中现象，结果这种缺陷周围的晶粒必须发生不均匀变形，并会产生晶间及晶内粒必须发生不均匀变形，并会产生晶间及晶内附加应力。附加应力。2023-1-634变形不均的防止措施o 变形不均产生的后果变形不均产生的后果
21、o 减轻变形不均的措施减轻变形不均的措施 2023-1-635变形不均产生的后果o 使单位变形力增大使单位变形力增大 o 当变形不均匀分布时，将使物体内部产生相互当变形不均匀分布时，将使物体内部产生相互平衡的附加应力，使变形能量消耗增加，也使平衡的附加应力，使变形能量消耗增加，也使单位变形力增大。此外，当应力不均匀分布时单位变形力增大。此外，当应力不均匀分布时，将使变形体内实际的应力分布情况与基本应，将使变形体内实际的应力分布情况与基本应力有很大不同，有时虽然作用着单向的基本应力有很大不同，有时虽然作用着单向的基本应力，但工作应力却可能变成三向应力状态，此力，但工作应力却可能变成三向应力状态，
22、此时也会使单位变形力增大。时也会使单位变形力增大。2023-1-636o 使塑性降低使塑性降低o 在具有应力不均匀分布的变形物体内，当某处在具有应力不均匀分布的变形物体内，当某处的工作应力达到金属的断裂强度时，则在该处的工作应力达到金属的断裂强度时，则在该处将首先产生断裂，从而导致金属的塑性下降。将首先产生断裂，从而导致金属的塑性下降。2023-1-637o 使产品质量降低使产品质量降低o 由于变形的不均匀分布使物体内产生附加应力由于变形的不均匀分布使物体内产生附加应力，若变形后物体的温度较低不足以消除此附加，若变形后物体的温度较低不足以消除此附加应力时，则在物体内将存有残余应力，从而使应力时
23、，则在物体内将存有残余应力，从而使物体的力学性能下降。同时，由于变形体内各物体的力学性能下降。同时，由于变形体内各处的变形不同，其再结晶后各处的晶粒大小也处的变形不同，其再结晶后各处的晶粒大小也不同，造成组织与性能分布不均。不同，造成组织与性能分布不均。2023-1-638摩擦系数摩擦系数f不同时塑压件退火不同时塑压件退火后中心轴上晶粒大小分布后中心轴上晶粒大小分布2023-1-639o 使技术操作复杂使技术操作复杂o 由于变形体内应力的分布不均，使加工工具的由于变形体内应力的分布不均，使加工工具的各部分受力不均，以致使工具各部分的弹性变各部分受力不均，以致使工具各部分的弹性变形和磨损不均。这
24、样就使工具设计、制造和维形和磨损不均。这样就使工具设计、制造和维护复杂。同时也使对材料进行的热处理制度复护复杂。同时也使对材料进行的热处理制度复杂化。杂化。5使变形后形成使变形后形成残残 残残 外力取消后在变形体内所遗留下来外力取消后在变形体内所遗留下来 的附加应力的附加应力 残残 的后果：的后果：使工件在变形时应力、应变分布更不均使工件在变形时应力、应变分布更不均匀匀 无无残残：工工=基基+附附 有有残残：工工=基基+附附+残残 使工具的使用寿命使工具的使用寿命 =外加外加+残残 当当 s时，时，工具发生变形，缩短零件的使用寿命工具发生变形，缩短零件的使用寿命 使工件的形状、尺寸发生变化使工
25、件的形状、尺寸发生变化 物体内存在物体内存在残残 时，表明在各部分存在时，表明在各部分存在符符 号不同的弹性变形号不同的弹性变形 使工件的耐腐蚀性使工件的耐腐蚀性2023-1-642减轻变形不均的措施o 正确选定变形的温度速度制度正确选定变形的温度速度制度o 变形温度应保证物体在单相区完成塑性变形，变形温度应保证物体在单相区完成塑性变形，并在整个物体内分布均匀。变形速度制度的选并在整个物体内分布均匀。变形速度制度的选择也应使变形在物体内分布均匀，如择也应使变形在物体内分布均匀，如Hd比较比较大的厚件，在速度较低的压力机上锻压较合适大的厚件，在速度较低的压力机上锻压较合适。2023-1-643o
26、 减小金属表面上的外摩擦减小金属表面上的外摩擦o 为减小接触表面上的摩擦系数，应提高和保持为减小接触表面上的摩擦系数，应提高和保持工具表面的光洁度和采用适宜的润滑剂。也可工具表面的光洁度和采用适宜的润滑剂。也可采用超声振动加工等方法来减少外摩擦的不利采用超声振动加工等方法来减少外摩擦的不利影响。影响。2023-1-644o 合理设计加工工具形状合理设计加工工具形状o 要正确选择与设计锻模、轧辊孔型及其它工具要正确选择与设计锻模、轧辊孔型及其它工具，使其形状与坯料断面能很好的配合，以保证，使其形状与坯料断面能很好的配合，以保证变形与应力分布较为均匀。变形与应力分布较为均匀。2023-1-645o 尽可能保证变形金属的成分及组织均匀尽可能保证变形金属的成分及组织均匀o 这首先要从提高冶炼及浇铸质量方面入手；其这首先要从提高冶炼及浇铸质量方面入手；其次，对已浇铸的钢锭必要时采用高温均匀化退次，对已浇铸的钢锭必要时采用高温均匀化退火的办法，也可进一步改善其化学成分的均匀火的办法，也可进一步改善其化学成分的均匀性。性。
