轧制原理的第三讲宽展.ppt

主要内容 v3.1塑性变形的不均匀性 v3.2 金属在变形区的流动规律 v3.3 宽展及其分类 v3.4 影响宽展的因素 v3.5 宽展计算公式 v3.6 孔型轧制的宽展 3.1金属塑性变形的不均匀性 3.1.1 金属的流动规律 一．体积不变定律 变形前后，材料的体积保持不变 H·B·L＝h·b·l 用真变形表示：ε1＋ε2＋ε3＝0 ①忽略了弹性变形引起的体积变化 ②忽略了密度变化引起的体积变化 二．最小阻力定律 定义：变形过程中，金属质点有向各个方向移动 的可能时，它向阻力最小的方向移动 如果满足以下条件： ① 接触摩擦各向同性 ② 摩擦系数较高 f≠0 则最小阻力方向就是： 离周边距离最短的法线方向 对矩形断面的金属，随ε↑： 矩形→椭圆形→圆形 结论：任何断面形状的物体随ε↑都有转变成圆 形断面的现象 因为任何断面形状的周边长度以圆形为最小，故 最小阻力定律也称最小周边定律 因为金属变形时，任何部分的质点均按最短的路 程花费最小的功来移动，故亦称最小功定律， 金属塑性变形时，若接触摩擦较大，其质点近似沿最法线方向 流动，也叫最短法线定律 注意前提条件： ① f 各向同性 假如 f 各向异性呢？？ 如车削材料， f 各向异性 按以上规则，A点应向最短法线 1方向移动，可 实际上，A点向2方向移动，因为 2方向的阻力小 。

1 2A ② f≠0 假如接触面上f＝0 ，即理想情况？？ 此时，物体产生均匀变形，质点流动呈放射状 f 各向同性，f 较大，A→D f 较小，A→B f＝0，理想情况，A→C f↑，AB靠近AD f↓， AB靠近AC D BC A • 3.1.2均匀变形和不均匀变形 若变形区内金属各质点的应变状态相同，即它们相 应的各个轴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 １．概念 Hx/hx＝H/h 高向变形均匀 Bx/bx＝B/b 宽向变形均匀 同时满足以上二式即为： 均匀变形 均匀变形的特点 v变形前体内的直线和平面，变形后仍然是直线和 平面； v变形前彼此平行的直线和平面，变形后仍然保持 平行； v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； v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 ２．均匀变形的条件 ① 物体是各向同性的均匀连续体 ② 物体内各点的物理状态绝对相等 ③ 接触表面 f＝0，即无外摩擦 ④ 接触面上各点的压下量绝对相同 ⑤ 无外端作用，即整个物体表面都 与工具直接接触 ３．实际生产时的条件 ① 不可能绝对的各向同性 ② 物体内各点的物理状态不能绝对相同 ③ f≠0 ④ 压下量绝对相等难以做到 ⑤ 除镦粗外，一般都有外端作用 由外力作用所引起的应力叫做基本应力。

3.1.3 基本应力、附加应力、工作应力、残余应力 金属塑性加工过程中由于材料各部分之间的变形不均匀和金 属的整体性限制了各处变形的自由发展，变形体内出现的互 相制约、互相平衡而符号相反的内应力这种不是由外载荷 导致的应力称为附加应力， 以与因外载荷所引起的工作应力(即基本应力)相区别 （1）基本应力 （2）附加应力 表示这种应力分布的图形叫基本应力图 （3）工作应力 基本应力与附加应力的代数和即为工作应力 （4）残余应力 塑性变形结束后附加应力仍残留在变形物体中时 ，这种应力即称之为残余应力 1)当附加应力等于零时，则基本应力等于工作应力 2)当附加应力与基本应力同号时，则工作应力的绝 对值大于基本应力的； 3)当附加应力与基本应力异号时，则工作应力的 绝对值小于基本应力的 附加应力 １．分类 附加应力分为三种 ① 第一类附加应力 在变形物体大部分体积之间彼此平衡的附加 应力，由宏观的不均匀变形产生 以凸辊轧制矩形坯为例说明 轧件边缘部分a: 压下量小，延伸小 轧件中间部分b： 压下量大，延伸大 由于轧件是一整体，纵向 延伸趋于一致所以 b对a有一拉伸的应力，使 a伸长，a产生σ附(+) a对b有一压缩的应力，使 b缩短，b产生σ附(-) 影响因素： ① 接触面上的外摩擦 ② 变形体内的性质不均匀 ③ 变形体的形状与工具的形状 ② 第二类附加应力 在变形体内两个或几个晶粒之间 彼此平衡的附加应力，由微观的不均匀变形产生 影响因素：晶粒的性质不同，晶粒的大小与方位不同。

③ 第三类附加应力 在滑移面附近或在滑移带中各部 分彼此平衡的附加应力，由原子级的不均匀变形 产生 影响因素：晶粒内部的变形不均匀，产生晶格畸变 溶质原子与位错间的交互作用 刃型位错周 围的应力场 ２．σ附特征 ① 三个方向都存在σ附 ② 物体内部有σ附(+)，必然有σ附(-) ③ 变形大的部分产生σ附(-)， 变形小的部分产生σ附(+) ④ 外力去除后， σ附以残余应力的形 式仍保留在物体内部 3.1.4 产生应力、应变不均匀的原因 一．金属本身性质的不均匀 ① 化学成分不均匀 成分偏析 ② 组织不均匀 金属呈现多相状态 杂质 ③ 晶粒大小及方向性不同 软取向 硬取向 二．温度分布不均匀 产生二种附加应力 １．T/℃高，膨胀大 T/℃低，膨胀小 产生附加热应力 ２．T/℃高，变形抗力小，变形大 T/℃低，变形抗力大，变形小 产生附加应力 这二种附加应力的叠加，可能造成较大的 σ附(+)，使金属断裂 例如：金属在实心底炉加热，时间不够，则： 上层温度高，下层温度低 上： T/℃高 σ附热(-) 下： T/℃低 σ附热(+) 上： T/℃高，抗力小，μ大， σ附(-) 下： T/℃低 ，抗力大，μ小， σ附(+) 金属是一整体，下部金属要阻碍上部金属的自由延 伸，造成轧件向下弯曲，缠住下辊。

假若钢件塑 性较低，则下部区域可能产生裂纹，以至断裂 在轧制大钢锭时，若均热时间不足，常发现钢锭 中间部分产生裂纹为什么？ 钢锭比较厚，若加热时间不足，则中间部分温度 较低 中部：T/℃低，膨胀小， σ附热(+) 轧制开始时，表面变形大， σ附(-) 中部变形小， σ附(+) 这二种拉应力叠加，可能造成中间部分金属开裂 三．工具和工件形状的影响（△h不均） 由于△h不均匀，造成μ不均匀，产生σ附 下面以凹辊轧制矩形坯为例来讨论 在椭圆孔型中轧制矩形坯时，中部△h小， 边缘△h大，故沿宽度方向纵向延伸不均匀 中部：μ小，产生σ附(+) 开裂 两边：μ大，产生σ附(-) 皱折（波纹） 两端：呈自由延伸，鱼尾状 四．外摩擦的影响 下面以 H/d＜2的圆柱体 镦粗为例来说明 镦粗后： 工件由圆柱形→单鼓形 发生了不均匀变形 这就是外摩擦所致 1．f 对应力分布的影响 ①接触表面 轴向应力（单位压力）：σZ 第1层：σ1＝-σs 产生塑性变形 第2层：σ2＝-(σs- σ1 ́ ) 第3层：σ3＝-(σs - σ1 ́ - σ2 ́) ……… 由外层到内层轴向应力逐渐升高。

径向应力：σr 由外层到内层σr 逐渐升高 ② 中心面 沿高度方向，由接触面至变形体中部，外摩擦 的影响逐渐减弱 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越小，其应力分布 是逐渐减小的 另： 离中心轴越远，径向流动阻力越小，应力 越小 2．f 对应变分布的影响 ① 接触表面 边缘：径向流动阻力小，ε大 中部：径向流动阻力大，ε小 在接触表面的中部，f 的影响最大，所受三向压 应力最强，有可能完全没有变形， ε= 0 ② 中心面 近接触表面：f 影响大，ε小 变形区中部：f 影响小，ε大 3．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 Ⅰ区：难变形区，与上下压头相 接触的区域，f 影响大， 三向压应力强烈，金属流 动困难， ε≈0 由于 f 的影响 随离接触表面的距 离而减弱，所以Ⅰ区大体上是一 个圆锥体 Ⅱ区：易变形区（大变形区） ① Ⅱ区受 f 的影响小，金属流动 阻力↓，径向扩展↑ ② 由于Ⅰ区的楔入作用，促使周 围质点流动↑，向四周移动 ③Ⅱ区处于45°的有利方位 Ⅲ区：小变形区 变形量介于Ⅰ区与Ⅱ区之间 远离接触表面，受 f 影响小，变形较为自 由，故称为自由变形区 ① f 影响小，可自由变形，同时 又受到Ⅱ区的扩展作用。

εⅢ＞εⅠ ② Ⅲ区不处于45°有利方位， 其变形主要取决于Ⅱ区对它 的推挤 εⅢ＜εⅡ 网格变形不大 从图5-2可明显看出三个变形区 的变形情况，与理论分析相符 合 C • A 如图可见：中间变形最 大，加工硬化显著，硬度↑ 此时，Ⅱ区几乎耗尽了自身 的塑性，处于脆性状态，若 继续变形便会破裂所以要 重新加热以消除加工硬化 冷镦粗过程是：加热→镦粗→加热→镦粗→…. 图 切向附加拉应力引起的纵裂纹 4．变形区的应力状态 Ⅰ Ⅱ Ⅲ σ基 σ附 σ工 A点 C点 5．主要现象 ①产生单鼓形 H/d＜2 由于 f 的影响，表面层的变形比中间层要小， 随ε↑，便形成了单鼓形 ②产生双鼓形 H/d＞2 变形金属的高度较大，而变形力或压下量较小 时，仅产生表面变形，而中部的金属不产生变形 或变形甚小，这样，沿侧面高度上便形成了双鼓 形 变形区分为四个部分： Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区与前相同 Ⅳ区：不变形区 H太大，两个易变形区相距很 远，不能相交 随ε↑，H↓，Ⅱ区相交→ 单 鼓形 ③侧面翻平现象 侧表面上的金属局部转移到接触表面上的现象 OB —— 原始表面 OD —— 变形后的表面 BD环 —— 变形后接触面的增加 部分 它包括两个部分 BC环 —— 原接触面的径向滑动 而成 CD环 ——侧面翻平而成的新的 表面 ④ 粘着现象 接触表面上的金属对工具 完全不产生相对滑动而粘 着在一起。

OA圆——粘着区 难变形区Ⅰ区的基底 BC环实际上是由AB环滑 动而成 1 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 ⑤ 侧面开裂 五．外端的影响 1. 外端的概念 在变形过程中的某一瞬时，不直接承受工具作 用而处于变形区以外的部分也称刚端或外区 例： 镦粗 无外端 轧制开始（结束） 一个外端 轧制过程 二个外端 封闭型外端 如图示 2. 外端对应力、应变不均匀分布的影响 ① 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 a)沿高度方向的变形 无外端时 纵向：单鼓形 横向：单鼓形 有外端时 纵向：由于外端的作用，使变形强迫拉齐，不均 匀变形↓ 表层：ε小，产生纵向的σ附(+) 中部：ε大，产生纵向的σ附(-) 横向：表层：由于受纵向σ附(+)作用，使宽展△b↓ 中部：由于受纵向σ附(-)作用， 使宽展△b↑ 这样，形成的鼓形更大，所以， 外端使横向不均匀变形↑ b) 沿水平方向的变形 无外端时 ABCD → ÁB ́C ́D ́ 有外端时 近外端处，因为外端的拉齐作用，AD→A ́́́́ ́D ́ ́ BC→B ́ ́C ́ ́ 远外端处，受外端的影响↓，外端的拉齐作用 小，△b↑ ABCD →A ́́́ ́ B ́ ́C ́ ́D ́ ́ ② 外端使总的宽展↓，总的延伸↑ 因为外端的拉齐作用,使横向移动阻力↑ ， △b↓ 由于外端对宽展的影响由外端至变形区中 部逐渐消失，故： 变形区长度增加，外端对宽展的影响减小 变形区长度减小，外端对宽展的影响增 大，使△b↓，μ↑ 3.1.5 变形不均匀的。