塑性变形过程中金属流动方向研究进展

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1、塑性变形过程中金属流动方向研究进展学生姓名：学号：学生所在院（系）：第1章绪论1.1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，物体各质点将向着阻力最小的方向移动。即做最少的功，走最短的路[1]。 可见，它与塑性变形应力应变增量理论中的应变增量与应力偏量成正比的关系是一致的。 最小阻力定律实际上是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。它把外界条件和金属流动直接联系起来。很直观，使用方便。 在塑性加工中，既可用最小阻力定律定性地分析各种情况下的

2、金属流动，又可通过调整某个方向的流动阻力，来改变金属在某些方向的流动量，使得成形合理。例如，在模锻中增加飞边阻力，或修磨圆角r，可减少金属流向上模腔的阻力，使金属充填得更好；在拔长锻造时改变送进比或采用凹型钻座增加金属横向流动阻力，以提高延伸效率。当接触表面存在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦粗时的流动。因为接触面上质点向周边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，金属质点必然沿这个方向流动。这个方向恰好是周边的最短法线方向，用点划线将矩形分成两个三角形和两个梯形，形成了四个不同流动区域。点划线是

3、四区域的流动分界线，线上各点至边界的距离相等，各个区域内的质点到各自边界的法线距离最短[2]。这样流动的结果，矩形断面将变成双点划线所示的多边形。继续镦粗，断面的周边将逐渐变成椭圆形。此后，各质点将沿着半径方向流动，相同面积的任何形状，圆形的周边最小。因而，最小阻力定律在镦粗中也称最小周边法则，最终变成圆形。金属塑性变形过程应满足体积不变条件，根据体积不变条件和最小阻力定律，便可以大体确定出塑性成形时的金属流动规律。有时还可用来选择坯料的断面和尺寸、加工工具的形状和尺寸等。如压下量、辊经相同的条件下，坯料宽度不同的轧制情

4、况是不同的。但与整个接触面上所有质点相比，第一种情况向宽向流动质点所占比例比第二种大，故窄板宽展比宽板的宽展率大。又如在压下量相同而轧辊直径不同的条件下，当轧制宽度相同的轧件时，则可预计大辊轧制时的宽展大。精轧时，为了控制宽展一般多采用工作辊较小的轧机轧制。可见，最小阻力定律在塑性加工工艺分析中得到广泛的应用。但是，最小阻力定律的“阻力”概念描述不够明确，无法作深入的数学—力学分析；精确的流动计算则需用塑性有限元法进行模拟计算[3]。1.2影响金属塑性流动和变形的因素影响金属塑性流动和变形的主要因素有：接触面上的外摩擦、

5、变形区的几何因素、变形物体与工具的形状、变形温度及金属本身性质等。这些内外因素的单独作用，或几个因素的交互影响，都可使流动和变形很不均匀[4]。1.2.1摩擦的影响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。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

6、间的自由变形区[5]。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。此情形可从带孔的玻璃锤头镦粗塑料的实验看出。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。1.2.2变形区的几何因素的影响变形区的几何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影响变形和应力分布很重要的因素，下面用经典滑移锥理论定性解释。钢球对板料进行压缩时，随着变形程度的增加，从试样断面上所观察的内部质点滑移变形（即所

7、谓滑移带）的发生与扩展情况。根据金属塑性屈服准则，滑移带为一些正交的网线，开始时与作用力成45°，随着压下量的增大而逐渐向深里扩充。图中表明45°方向上滑移带最多，变形最大。当在平行的平锤间塑压圆柱体时，可以接触表面为底作一个高度为底边尺寸一半的等腰直角三角形，这个锥体称为基本锥或主锤，它的两个边与作用力呈45°角。塑压时柱体首先在主锥附近产生塑性变形，因为45°剪应力最大，最易滑移。随着变形的继续，在主锥内外都可能产生滑移。主锥内的内部线因为发生在靠近接触表面处的难变形区附近，这个区静水压力高，产生变形所需能量多，即需

8、压力大；主锥外的外部线虽发生在静水压较小的易变形区内，但要向外，向深处扩充时，因距离增加也需足够多的能量。所以随着变形程度的增加，内部线、外部线皆能发生，谁占优势，则依上下两主锥间距离而定[6]。 1.2.3工具的形状和坯料形状的影响工具（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