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塑性变形对金属的组织和性能有什么影响
（一）变形程度的影响塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。变形程度过小，不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的；变形程度过大，不仅不会使力学性能再增高，还会出现纤维组织，增加金属的各向异性，当超过金属允许的变形极限时，将会出现开裂等缺陷。对不同的塑性成形加工工艺，可用不同的参数表示其变形程度。锻造比Y锻：锻造加工工艺中，用锻造比Y锻来表示变形程度的大小。拔长：Y锻=S0/S（S0、S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）；镦粗：Y锻=H0/H（H0、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。碳素结构钢的锻造比在2~3范围选取，合金结构钢的锻造比在3~4范围选取，高合金工具钢（例如高速钢）组织中有大块碳化物，需要较大锻造比（Y锻=5~12），采用交叉锻，才能使钢中的碳化物分散细化。以钢材为坯料锻造时，因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善，锻造比一般取1.1~1.3即可。表示变形程度的技术参数：相对弯曲半径（r/t）、拉深系数（m）、翻边系数（k）等。挤压成形时则用挤压断面缩减率（εp）等参数表示变形程度。（二）纤维组织的利用纤维组织：在金属铸锭组织中的不溶于金属基体的夹杂物（如FeS等），随金属晶粒的变形方向被拉长或压扁呈纤维状。当金属再结晶时，被压碎的晶粒恢复为等轴细晶粒，而夹杂物无再结晶能力，仍然以纤维状保留下来，形成纤维组织。纤维组织形成后，不能用热处理方法消除，只能通过锻造方法使金属在不同方向变形，才能改变纤维的方向和分布。纤维组织的存在对金属的力学性能，特别是冲击韧度有一定影响，在设计和制造零件时，应注意以下两点：（1）零件工作时的正应力方向与纤维方向应一致，切应力方向与纤维方向垂直。（2）纤维的分布与零件的外形轮廓应相符合，而不被切断。例如，锻造齿轮毛坯，应对棒料镦粗加工，使其纤维呈放射状，有利于齿轮的受力；曲轴毛坯的锻造，应采用拔长后弯曲工序，使纤维组织沿曲轴轮廓分布，这样曲轴工作时不易断裂(三）冷变形与热变形通常将塑性变形分为冷变形和热变形。冷变形：再结晶温度以下的塑性变形。冷变形有加工硬化现象产生，但工件表面质量好。热变形：再结晶温度以上的塑性变形。热变形时加工硬化与再结晶过程同时存在，而加工硬化又几乎同时被再结晶消除。由于热变形是在高温下进行的，金属在加热过程中表面易产生氧化皮，使精度和表面质量较低。自由锻、热模锻、热轧、热挤压等工艺都属于热变形加工。
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金属在锻造多功能冷热压力变形加工中，随着变形程度的增加，根据变形温度和变形速度的不同，在变形体中可能产生硬化、回复和再结晶等程度的不同，亦即变形结果是不同的。为此，我们把金属的变形分为冷变形、热变形、不完全冷变形和不完全热变形。这里我们要讲述的是多功能液压机实现金属的冷热变形技术。　　一、金属冷变形工艺。金属冷变形加工过程中，只有加工硬化作用而无回复与再结晶现象的变形过程，叫做冷变形。冷变形在低于再结晶温度的条件下发生。冷变形后产品的强度指标增加，塑性指标降低，致使金属严重硬化。欲想继续进行塑性加工，则必须加以软化退火。　　二、金属热变形工艺对于在再结晶温度以上，且再结晶的速度大于加工硬化速度的变形过程，即在变形过程中，由于完全再结晶的结果而全部消除加工硬化现象的变形过程称为热变形。这种变形过程不但能提高金属的塑性，降低变形抗力，同时，变形后可使金属获得等轴的再结晶显微组织。热变形通常发生在可达温度的范围内。
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金属塑性变形与轧制原理(教案).docx
备 课 本课程名称 金属塑性变形与轧制原理 课 时 数 适用班级 授课教师 使用时间64 金属材料 081、082 孙斌 2011 学年第 1 学期冶 金 工 程 学 院绪金属塑性成形及其特点 0.1 金属塑性成形及其特点论金属压力加工：即金属塑性加工，对具有塑性的金属施加外力作用使其产生 塑性变形，而不破坏其完整性，改变金属的形状、尺寸和性能而获得所要求的产 品的一种加工方法。 金属成型方法分类： （1）减少质量的成型方法:车、刨、铣、磨、钻等切削加工；冲裁与剪切、 气割与电切；蚀刻加工等。 （2）增加质量的成型方法：铸造、焊接、烧结等。 （3）质量保持不变的成型方法(金属塑性变形)：利用金属的塑性，对金属施 加一定的外力作用使金属产生塑性变形， 改变其形状尺寸和性能而获得所要求的 产品的一种加工方法。 如轧制、锻造、冲压、拉拔、挤压等金属压力加工 方法。 金属压力加工方法的优缺点： 优点：1）因无废屑,可节约大量金属； 2）改善金属内部组织及物理、机械性能； 3）产量高，能量消耗少，成本低，适于大量 生产。 缺点：1）对要求形状复杂，尺寸精确，表面十分光洁的加工产品尚不及金属切 削加工方法； 2）仅用于生产具有塑性的金属；0.2 金属塑性成形方法的分类0.2.1 按温度特征分类 1.热加工 在充分再结晶温度以上的温度范围内所完成的加工过程，T=0.75 ∽0.95T 熔 。 2.冷加工 在不产生回复和再结晶温度以下进行的加工 T=0.25T 熔以下。 3.温加工 介于冷热加工之间的温度进行的加工. 0.2.2 按受力和变形方式分类 由压力的作用使金属产生变形的方式有锻造、轧制和挤压 1.锻造：用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使金属进行塑性变形的过程。 分类： 自由锻造：即无模锻造，指金属在锻造过程的流动不受工具限制（摩擦力除 外）的一种加工方法。 模锻：锻造过程中的金属流动受模具内腔轮廓或模具内壁的严格控制的一种 工艺方法。图 0-1 锻造工艺示意图 a 镦粗； b 模锻2.轧制 轧制：金属坯料通过旋转的轧辊缝隙进行塑性变形。 分类： 纵轧：金属在相互平行且旋转方向相反的轧辊缝隙间进行塑性变形，而金属 的行进方向与轧辊轴线垂直。 斜轧： 金属在同向旋转且中心线相互成一定角度的轧辊缝隙间进行塑性变形。 横轧：金属在同向旋转且中心线相互平行的轧辊缝隙间进行塑性变形。3.挤压 挤压：将金属放入挤压机的挤压筒内，以一端施加压力迫使金属从模孔中挤 出，而得到所需形状的制品的加工方法。 挤压分为正挤压和反挤压。正挤压时，挤压杆的运动方向和从模孔中挤出的金属 方向一致；反挤压时挤压杆的运动方向和从模孔中挤出的金属方向相反。挤压法具有以下优点: ①具有比轧制、锻造更强的三向压缩应力，避免了拉应力的出现，金属可以 发挥其最大的塑性，使脆性材料的塑性提高； ②挤压不仅能生产简单的管材和型材,更主要的还能生产形状极其复杂的管 材和型材； ③生产上具有较大的灵活性， 非常适用于小批量多品种的生产； ④产品尺寸精确,表面质量较高，精确度、粗糙度的表面特性都好于热轧和 锻造产品。 挤压法也有一些缺点: ①挤压方法所采用的设备较为复杂，生产率比轧制方法低； ②挤压的废料损失一般较大； ③工具的损耗较大； ④制品的组织和性能沿长度和断面上不够均匀一致。 4．拉拔 金属通过固定的具有一定形状的模孔中拉拔出来， 从而使金属断面缩小长度 增加的一种加工方法。拉拔法具有以下特点: ①拉拔方法可以生产长度较大、直径极小的产品,并且可以保证沿整个长度 上横断面完全一致； ②拉拔制品形状和尺寸精确,表面质量好； ③拉拔制品的机械强度高； ④拉拔方法的缺点是每道加工率较小,拉拔道次较多，能量消耗较大。 5．冲压 （拉延） 压力机的冲头把板料顶入凹模中进行拉延，加工方法如图，用来生产薄壁空 心制品，如子弹壳，各种仪表器件、器皿及锅碗盆勺等。0.3 金属塑性变形与轧制原理的基本内容1．掌握塑性变形时金属流动和变形分布的基本规律，分析影响金属塑性和 变形抗力的各种因素，以寻求最优和加工条件，获得尺寸精度高、性能优良的产 品。 2．研究金属塑性成形过程中的摩擦与润滑，以便正确选用塑性成形时的摩 擦定律来计算变形力和变形功，采用合理的润滑剂改善塑性加工条件，达到高产 低消耗的目的。 3．在研究加工变形中变形物体内部应力及变形分布的基础上，介绍了材料 成形过程中应力应变的分布规律和确定变形力、 变形功的主要方法 （工程计算法、 滑移线法、上限法、下限法、有限无法等）主要讨论了工程计算法求解锻造、轧 制过程的变形力、变形功及轧制力矩等，以便正确选择压力加工设备和加工工具 的结构和强度。 4．详细讲述了轧制过程的基本概念、金属在轧制过程中的变形律、连轧过 程、轧制时的弹塑性曲线等基础理论。1应力及变形理论本章主要研究以下几个问题: 1.应力,应变概念; 2.物体内各点应力分量和应变分量函数之间的关系; 3.物体内的一点沿各个不同方向应力之间和应变之间的关系,即一点的应力 状态和一点的应变状态的分析; 4.塑性变形时,应力与应变之间的关系,标志进入塑性流动的应力条件即屈服 条件或塑性方程等.1.1 外力和应力外力:受力物体之外的物体施加给受力物体的力。外力可分为两类：接触力 和体力。 接触力分为作用力和约束反力。 体力；作用在物体每个质点上的力，如重力磁力及惯性力。 作用力：塑性加工设备的可动工具部分对工件所作用的力也叫主动力。 约束反力：工件在主动力的作用下，其运动将受到工具所阻碍而产生变形 的力。主要有正压力和摩擦力。 内力：物体受外力作用产生变形时，内部各部分因相对位置改变而引起的相 互作用力。分析内力用切面法。应力（全应力） ：单位面积上的内力。 全应力可分解成两个分量，正应力σ和剪应力τ1.2 直角坐标系中一点的应力状态应力状态：过一点所有不同方位的截面上的应力集合称为该点的应力状态。 取六面体中三个相互垂直的表面作为微分面， 如果这三个微分面上的应力为 已知，则该单元体任意方向上的应力分量都可以定出。这说是说，可以用质点在 三个相互垂直的微分面上的应力完整地描述该质点的应力状态。 三个相互垂直微分面上的应力都可以按坐标轴的方向分成三个分量。 三个应 力分量中有一个是正应力分量另外两个则是剪应力分量 ABCD 面叫 x 面，CDEF 面叫 y 面，CFGB 面叫 z 面。 每个应力分量的符号都带有两个下角标。 第一个角标表示该应力分量的作用 面，第二个角标则表示它的作用方向 σ xxτ xyτ xz ? ?作用在x面上τ y xσ yyτ yz ? ?作用在y面上 τ zxτ zyσ zz ? ?作用在z面上按以上的规则，共需九个应力符号，三个正应力 σ xx、σ yy、σ zz 六个剪应力 τ xy、 τ xz、 τ y x、 τ yz、 τ zx、 τ zy 它们统称为一点的应力分量。 对各应力分量的正负号按以下方法确定：在单元体上，外法线的指向与坐标 轴的正向一致的微分面叫正面，反之称为负面。在正面上，应力分量指向坐标轴 正向的取正号，指向负向的取负号。负面上的应力分量则相反，指向坐标轴负向 的为正，反之为负。按此规定，正应力分量以拉为正，以压为负。 、应力平衡微分方 1.3 应力平衡微分方程在外力作用下处于平衡状态的变形物体内，各点的应力分量是不同的，但是 必须满足应力平衡方程式。下面讨论平衡微分方程用直角坐标系表示。 如果忽略体积力，则变形体内任意个体素必须满足以下六个静力平衡方程 式： Σx=0,Σy=0 ,Σz=0 ΣMx=0, ΣMy=0 , ΣMz=0 经整理则得以下方程组?σ x ?τ yx ?τ zx + + =0 ?x ?y ?z ?τ xy ?σ y ?τ zy + + =0 ?x ?y ?z ?τ xz ?τ yz ?σ z + + =0 ?x ?y ?z τ xy = τ yx ,τ yz = τ zy ,τ zx = τ xz1.4 斜面上的应力现假定，已知物体内任意一点的六个应力分量σ x , σ y , σ z ,τ xy = τ yx ,τ yz = τ zy ,τ xz = τ zx可以证明，过此点所作的任意斜切面上的应力，皆可通过这六个应力分量求 出。也就是说，当已知一点上述六个应力分量时，该点的应力状态即可完全确定S x = σ x l + τ yx m + τ zx n S y = τ xy l + σ y m + τ zy n S z = τ xz l + τ yz m + σ z n作用在斜面上的合力2 2 2 S 2 = S X + SY + S Z全应力 S 向斜面 ABC 法线 N 上投影，就是该面上的正应力σ，也等于全应力 S 的各分量 SX、SY、SZ 分别向 N 方向的投影之和： 斜面上的剪应力τσ = S xl + S y m + S z nτ = S2 ?σ 2如果质点处在物体的边界上，斜面恰为物体的外表面，那么该面上作用的就 是外力 P，它们在各坐标轴上的分量分别为 PX、PY、PZ1.5 主应力和应力图示（1）主应力：没有剪应力的微分面称为过该点的主平面,主平面作用的正应 力称为主应力。主平面的法线方向称为该点应力主方向或应力主轴。对应于任一 点的应力状态，一定存在相互垂直的三个主方向、三个主平面和三个主应力。若 选三个相互垂直的主方向作为坐标轴，那么可以使问题大为简化。三个主应力用 σ1 、σ2 、σ3 表示， （2）主应力图示：表示一点的主应力大小和方向的应力状态图示。主应力 图示有九种。四个为三向主应力图，三个为平面主应力图，二个单向主应力图示 如下图1.6 主变形和主变形图示（1）主变形；主应力方向的变形 绝对主变形： ?h = H ? h 压下量 ?b = b ? B 宽展量 延伸量 ?l = l ? L相对主变形：相对压下量 相对宽展量 相对延伸量ε1 =l?L × 100% L b?B × 100% ε2 = B H ?h × 100% ε3 = H真实相对主变形：δ1 = In l L δ 2 = In b B δ 3 = In h H三个主变形间的关系：QV1 = V2 H ? B ? L = h ?b?l h ?b?l =1 H ?B?L两边取对数：h b l + In + In = 0 H B L δ1 + δ 2 + δ 3 = 0 In结论：①物体变形后其三个真实相对主变形之代数和等于零； ②当三个主变形同时存在时，则其中之一在数值上等于另外两个 主变形之和，且符号相反。 ?δ1 = δ 2 + δ 3 ③当一个主变形为 0 时，其余两个主变形数值相等符号相反，即?δ1 =+δ3延伸系数 压下系数 宽展系数l L H η= h b ω= B?=变形图示： 在小立方体素的面上用箭头表示三个主变形是否存在和方向， 但不表示变形 大小的图示。变形图示有以下三种： 1.一向缩短两向伸长，如轧制和自由锻压。 2.一向伸长一向缩短，如轧制宽板带钢。 3.两向缩短一向伸长，如挤压和拉拔。 平均应力σm =σ1 + σ 2 + σ 331.7 变形速度变形速度：变形程度对时间的变化率，或者说是应变对时间的变化率。ε=?dε dts?1一般用最大主变形方向的变形速度来表示各种变形过程的变形速度。 如轧制和锻压时用高向变形速度表示ε=锻压??vy hx?2vy ε= H +h ? H v y ln ? h ε= H ?h轧制ε=?2vH ?h R H +h拉伸ε=??vy l?Llnl L1.8 球应力分量与偏差应力分量一般来说,物体的变形可以看作是体积变形和形状变形的总和.因此,一 点的应力状态可分为两部分: 1.体积变化的应力分量,称之为球应力分量或静水压力分量. 2.物体几何形状变化的应力分量,称之为偏差应力分量. 球应力分量仅引起物体体积变化,偏差应力分量引起物体形状变化.σ m = (σ 1 + σ 2 + σ 3 )′ ′ σ x = σ x ? σ m ,σ ′ = σ y ? σ m ,σ z = σ z ? σ m y1 31.9 应力与应变的关系弹性变形时应力与应变的关系：由材料力学知,单向应力状态时的应力与应变关 系是虎克定律,一般应力状态的各向同性材料,应力与应变关系服从广义虎克定 律:1 [σ x ?ν (σ y + σ z )] E 1 ε y = [σ y ?ν (σ z + σ x )] E 1 ε z = [σ z ?ν (σ x + σ y )] Eεx =1 τ xy G 1 γ yz = τ yz G 1 γ zx = τ zx Gγ xy =E――弹性模量；G――剪切模量， E G= 2(1 + ν ) 塑性变形时应力与应变的关系： 塑性变形时应力与应变之间关系是非线性的，不可恢复的，应力与应变之间 没有一一对应关系，且与加载历史或应变路线有关。目前为止，所有描述塑性应 力应变关系的理论可分为两大类： 塑性变形时应力与应变增量之间的关系―― 1 增量理论； 2 塑性变形时全量应变和应力之间的关系――全量理论。 列维-米塞斯（Levy-Mises）方程 应变增量和偏差应力分量成正比关系，即：d ε x d ε y d ε z d γ xy d γ yz d γ zx = = = = = = dλ ′ σx σ′ σ z′ τ xy τ yz τ zx y塑性变形的全量理论：应力与应变全量之间的关系。 1 ′ + λ )σ x 2G 1 ε′ = ( + λ )σ ′ y y 2G 1 ′ ε z′ = ( + λ )σ z 2G ′ εx = ( 1 + λ )τ xy 2G 1 γ yz = ( + λ )τ yz 2G 1 γ zx = ( + λ )τ zx 2Gγ xy = (2金属塑性变形流动规律金属塑性变形时的体积不变条件 2.1 金属塑性变形时的体积不变条件不论是冷加工或热加工,金属体积改变都是很小的,以致在塑性变形过程中可 以忽略这些变化,而认为变形前后体积不发生变化.也变是说,金属塑性变形时,其 变形前的体积 V1 和变形后的体积 V2 相等.这种关系称之为体积不变条件,用数学 式表示为： V1=V2 金属或合金在外力的作用下，首先产生弹性变形，然后产生塑性变形。金属 在弹性变形过程中，除发生形状改变外，体积也要发生改变，但改变甚小。例如 钢试样拉伸时，当应力为 19.6×107Pa，体积改变仅为 0.04%左右。 金属塑性变形过程中体积也要发生一些改变，除弹性变形的存在外，还由于 冷变形过程中晶粒破碎，亚结构的形成使金属密度减小，体积略有增加。实验证 实其体积变化仅为 0.1%∽0.2%。 以镦粗为例分析变形程度的各种表示形式及其物理概念 绝对主变形： ?h = H ? h 压下量 ?b = b ? B 宽展量 延伸量 ?l = l ? L相对主变形：相对压下量 相对宽展量 相对延伸量ε1 =l?L × 100% L b?B × 100% ε2 = B H ?h × 100% ε3 = H真实变形程度：在变形过程中,如原始尺寸 H 经过无穷多个中间数值变成 h,则由 H 到 h 的终了变形程度可看作是各阶段相对变形的总和:ε h = lim ∑x→ ∞ i =1n? hi hiδ1 = In l L δ 2 = In b B δ 3 = In h H真变形与一般的相对变形相比较具有以下特点: 1. 一般的相对变形表示方法不能确切地反映变形的实际情况,变形程度愈大,误 差也愈大. 2. 真变形具有可加性,而一般相对变形无可加生3. 真变形为可比变形,相对变形为不可比变形. 4. 根据体积不变条件,轧制时变形前后的体积应相等. 5. 真变形可以表示相对的位移体积.2.2 金属流动及最小阻力定律2.2.1 最小阻力定律 最小阻力定律认为:如果变形物体内各质点有向各个方向流动的可能,则变形物 体内每个质点将沿力最小方向移动。 2.2.2 均匀变形和不均匀变形 均匀变形和不均匀变形 变形区内各金属质点处的变形状态相同,不仅是在变形区高度方向上,而且 在横断面内的两个互相垂直方向上的变形都是均匀的，称为均匀变形。 均匀变形有如下特点： 1．变形前彼此平行的直线和平面，变形后仍保持平行； 2．变形前位于同一圆面上或球面上的各点，变形后仍落于同一椭圆面上或 同一球面上。 要实现均匀变形状态必须满足以下条件； 1．变形物体的等向性； 2. 变形物体内任意质点处物理状态完全彻底均匀，特别是物体内任意质点 处的温度相同，变形抗力相等； 3．接触表面任意质点承受相同的绝对和相对压下量； 4．整个变形物体同时处于工具的直接作用下； 5．接触表面上完全没有外摩擦或没有外摩擦引起的应力变化。 二、基本应力、附加应力、工作应力、残余应力 基本应力、附加应力、工作应力、 （1）基本应力 由外力作用所引起的应力叫做基本应力。 表示这种应力分布的图形叫基本应力图。 （2）附加应力 由于物体内各层的不均匀变形受到物体整体性的限制， 而引起其间相互平衡 的应力叫做附加应力。 3）工作应力 基本应力与附加应力的代数和即为工作应力。 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。（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。图 5-1在凸形轧辊上轧制矩形坯的情形形及应力不均匀分布的原因和后果 2.3 变形及应力不均匀分布的原因和后果2.3.1 引起变形及应力不均匀分布的原因 引起变形及应力不均匀分布的原因主要有接触面上的外摩擦， 变形区的几何 形状和尺寸，工具和变形体的轮廓形状，变形物体的外端，变形体内温度不均匀 分布、金属本身性质的不均匀：化学成分及性质不均等等。 下面分别讨论这些因素对变形及应力分布的影响。 2.3.1.1 接触面的外摩擦 镦粗圆柱体时，由于接触表面外摩擦的影响，使接触表面附近变形金属流动 困难，使圆柱体坯料转变成鼓形。在此种情况下，可将变形金属整个体积大致分 为三个区域，图中 Ⅰ表示由于摩擦影响而产生的难变形区； Ⅱ表示与外作用力约成 45°的最有利方位的易变形区； Ⅲ表示变形程度居于中间的自由变形区。 由于不均匀变形的结果，在Ⅰ区及Ⅲ区内产生附加拉应力，在Ⅰ区内的附加 拉应力一般说来没有危险，因为在该区内主要是三向压应力状态图示。图5-2 镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响在Ⅲ区由于附加拉应力作用，使应力状态图示发生了变化：环向（切向）出 现拉应力，并且越靠近外层越大；径向压应力减弱，并且越靠近外层越小。镦粗 有时在侧面出现裂纹，即为此环向拉应力作用的结果。 由于外摩擦的影响，也使接触表面上的应力分布不均匀；沿试样边部的应力等于 金属的屈服点；由边缘向中心部分，应力逐渐升高。 2.3.1.2 变形区的几何因素 在镦粗试件时： 当 H/d≤2.0，即压缩低件时，将产生单鼓的不均匀变形； 当 H/d＞2.0，即压缩高件时，将产生双鼓的不均匀变形。图5-4当镦粗高件时不同区域的变形分布情况图5-3 切向附加拉应力引起的纵裂纹2.3.1.3 工件和工具的轮廓形状 加工工具和物体的轮廓形状， 其影响实质是造成某方向上所经受的变形量不 一致，从而使物体内的变形与应力分布不均匀。 例 1：椭圆孔型中轧制矩形件 例 2：当轧辊轴线安装不平行时，若轧制窄扁钢，若轧制宽带钢时，会出现什么现象？ 例 3：把一块矩形铅板两边向里弯折，然后在平辊上轧制。根据弯折部分的 宽度不同轧后会出现什么结果？ 第一种结果是中部出现破裂。图5-6中部周期性破裂图5-5沿孔型宽度上延伸分布图第二种结果是折迭部分宽度逐渐变小，使得中间受的拉应力减小，两边受的压应 力增加，但拉应力未引起金属破裂，近似为等强度。 第三种结果是边缘部分产生皱纹（浪形） 。图5-7边部在附加压应力作用下产生皱纹（浪形）示意图2.3.1.4 变形体温度分布不均匀 例：在轧钢生产中，由于加热不足而造成钢坯的上面温度高，下面温度低现 象。图5-8由于上部金属比下部金属延伸大而造成的弯曲现象2.3.1.5 变形物体的外端的影响 变形物体的外端， 是指在变形过程中某一瞬间不直接承受工具作用而处于变 形区以外的部分。外端又称外区或刚端。外端的强迫拉齐作用，使纵向变形不均匀性减小。横向变形不均匀性增加。 矩形坯在平辊间轧制后，其长度上两端部分宽展特别大，且端部略为凸出。 2.3.1.5 金属本身性质的不均匀 金属的化学成分、组织结构（晶粒大小、方位等） 、夹杂物等分布不均匀时， 都促使变形体内应力及变形分布不均匀。2.3.2变形及应力不均匀分布所引起的后果及克服措施 一、变形及应力不均匀分布的后果 （1）使单位变形力增大 （2）使塑性降低 （3）使产品质量降低 （4）工具磨损不均匀，操作技术复杂 二、减轻应力及变形不均匀分布的措施 （1）正确选定变形的温度-速度制度 （2）减少金属表面上的外摩擦 （3）合理设计加工工具形状 （4）尽可能保证变形金属的成分及组织均匀2.4 残余应力残余应力是变形物体由于变形分布不均匀产生附加应力， 变形结束后残留在变形物中的内应 力称之为残余应力。 一、残余应力所引起的后果（1）使物体发生不均匀的塑性变形 （2）缩短了零件的使用寿命 （3）物体的尺寸、形状发生变化 （4）降低金属的机械性能和耐蚀性二、减轻或消除残余应力的措施（1）变形后进行热处理 （2）变形后进行机械处理3金属在塑性加工变形中组织性能的变化课型： 课型：新课 教学目的与要求： 教学目的与要求： 1、了解在冷加工、热加工、温加工变形中组织性能的变化 2、了解回复与再结晶 教学重点与难点： 教学重点与难点： 冷加工、热加工、温加工变形中组织性能的变化 教学过程： 教学过程：3.1 在冷加工变形中组织性能的变化一、金属组织的变化 1、晶粒被拉长 在冷变形中，随着金属外形的改变，其内部晶粒的形状也大体上发生相应的 变化，即均沿最大主变形方向被拉长、拉细或压扁，如图 3-1。图 2-1冷轧前后晶粒形状变化（a）变形前的退火状态组织； （b）变形后的冷轧变形组织在晶粒被拉长的同时， 晶间夹杂物和第二相也跟着被拉长或拉碎呈点链状排 列，这种组织称为纤维组织。变形程度越大，纤维组织越明显。由于纤维组织的 存在，使变形金属的横向（垂直于延伸方向）机械性能降低，而呈现各向异性。 2、亚结构 亚结构是指金属经过冷变形后，其各个晶粒被分割成许多单个的小区域，如 图 3-2。图 3-2塑性变形时的亚结构3、变形织构 （1）定义：由原来位向紊乱的晶粒到出现有序化，并有严格位向关系的组 织结构，称为变形织构。 （2）种类： 按照坯料或产品的外形可分为丝织构和板织构。 1）丝织构 在拉拔和挤压条件下形成的织构称为丝织构。 特点：各晶粒有一共同晶向相互平行，并与拉伸轴线一致，以此晶向来表示 丝织构。如图 3-3 所示。 2）板织构 在轧制过程中形成的织构称为板织构。 特点： 。 特点：晶面与轧制面平行，晶向又与轧制方向一致（见图 3-3）（a） 图 3-3 多晶体晶粒的排列情况（a）晶粒的紊乱排列； （b）晶粒的整齐排列（b）二、金属性能的变化 1.机械性能的改变 金属的变形抗力指标随变形程度的增加而升高， 金属的塑性指标随变形程度 的增加而降低。 2、物理及物理-化学性质的变化 （1）金属的密度降低 （2）金属的导电性降低（或电阻增大） （3）导热性降低 （4）化学稳定性降低 （5）金属与合金经冷变形后所出现的纤维组织及结构，皆会使变形后的金 属与合金产生各向异性，即材料的不同方向上具有不同的性能。3.2 在热加工变形中对组织与性能的影响一、热加工的变形特点 在一定的条件下，热加工变形较其冷加工方法，具有一系列的优点： （1）变形抗力低 （2）塑性升高，产生断裂的倾向性减少 （3）不易产生织构 （4）生产周期短（5）组织与性能基本满足要求 不足之处： （1）生产细或薄的产品时较困难 （2）产品表面质量差 （3）组织与性能的不均匀 （4）产品的强度不高 （5）金属的消耗较大 （6）对含有低熔点的合金不宜加工 二、金属组织性能的变化 （1）使铸态组织得到压密和焊合。 （2）使晶粒细化和夹杂物破碎。 （3）形 成纤维组织。 （4）产生带状组织。3.3 回复与再结晶一、动态回复与动态再结晶 1、动态回复 金属在热变形中发生的一种软化过程，是通过位错的攀移、交滑移和位错 从结点的脱钉来实现。在动态回复过程中在变形金属内出现亚晶。亚晶的出现标 志着民已经发生了动态回复。 2、动态再结晶 金属在热变形中发生的一种软化过程，其软化作用远大于动态回复。变形 初期随着变形程度的增大，应力升高，并达到最大值。超过此最大值后，变形程 度再增大时， 应力开始下降， 最后达到稳定值或在稳定值附近上下呈周期性波动。 这时在最大应力值附近开始出现动态再结晶。 二、静态回复与静态再结晶 1、静态回复 依靠变形金属所具有的热量，使其原子运动的动能增加，而恢复到稳定位 置上去。由于回复的结果，部分地恢复了由变形所改变的力学、物理及物理-化 学性质，如电阻大部分得到恢复，强度和硬度等力学性能部分地恢复。 2、静态再结晶 再结晶完全消除了加工硬化所引起的一切后果：使拉长的晶粒变成等轴形； 消除了由晶粒拉长所形成的纤维组织及与其有关的方向性， 消除在回复后尚遗留 在物体内的第二种和第三种残余应力， 使势能降低； 消除了某些晶内和晶间破坏； 加强了变形的扩散机制的进行；使金属化学成分的分布更为均匀；恢复了金属的 力学性能(变形抗力降低，塑性升高)和物理、物理化学性质。3.4 在温加工变形中对组织与性能的影响温加工是指在回复温度以上， 再结晶开始温度以下进行的加工。 采用的温轧、 温锻、温挤和温拉均属温加工。一般，温加工制品的表面光洁度和尺寸精度要比 热加工时高， 轧辊、 锻模、 按压模和拉模等变形工具的使用寿命要比热加工时长。 温加工时金属的变形抗力比冷加工时低，能量消耗比冷加工时少，金属的塑性一 般要比冷加工时大。温加工不仅具有冷加工和热加工的某些特点，而且在加工中也有其自身的作用。在生产实践中采用温加工的目的主要有二：一是改善金属材 料的加工性能；二是改善产品的使用性能。4金属塑性成形过程摩擦与润滑 金属塑性成形过程摩擦与润滑 塑性成形过程课型： 课型：新课 教学目的与要求： 教学目的与要求： 1.了解塑性加工中摩擦的特点。 2.掌握摩擦的作用及减小摩擦的方法。 3.了解一些润滑的理论和一些常用的润滑剂。 4.了解有关摩擦系数的测定和估算方法。 教学重点与难点： 教学重点与难点： 掌握摩擦的作用及减小摩擦的方法 教学过程： 教学过程：金属塑性成形时外 成形时外摩擦 4.1 金属塑性成形时外摩擦4.1.1 外摩擦的定义及特点 两相互接触的物体在产生相对移动或有运动趋势时,产生的彼此相互阻碍现 象叫摩擦。 1．与机械摩擦相比特点如下： (1)工具与工件接触面上的单位压力比机械摩擦时大得多。 (2)接触表面温度较高。 (3)接触表面不断更新和扩大。 。 (4)作为摩擦对的工具与工件性质差别大。 2．塑性加工中的摩擦作用 摩擦引起的不良后果如下： （1）引起变形和能耗增加。 （2）摩擦引起变形不均匀及许多不良后果。 （3）引起工具磨损，缩短工具寿命，降低产品表面质量和尺寸精度，工具 消耗也大。 某些情况下，摩擦也起着有益作用： 例如：轧制时增加摩擦可改善轧辊咬入轧件的条件以增大每道压下量。 4.1.2 金属塑性成形时外摩擦的分类 金属塑性成形时外摩擦的分类 塑性成形时的摩擦根据其特点可分为干摩擦、边界摩擦和流体润滑摩擦三 种，分述如下： 4.1.2.1 干摩擦机构 干摩擦是指金属与工具之间不存任何外来介质或薄膜，只是金属间的接触。 （图 4-1 所示）。但在实际生产中，这种绝对理想的干摩擦是不存在的。因为金属塑性加工过程中， 其表面多少存在氧化膜， 或吸附一些气体和灰尘等其它介质。 但通常说的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。 干摩擦理论有以下三种主要理论，如机械摩擦理论、粘着摩擦理论和分子机 械摩擦理论。 1．机械摩擦理论 摩擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成正比例，与摩擦表面的大小无关； T = fN = f σ n FH 2．粘着摩擦理论 当两表面相接触时，在载荷作用下，某些接触点的单位压力很大，这些点将 牢固的粘着，使两表面形成一体即称为粘着或冷焊。当一表面相对另一表面滑动 时，粘着点则被剪断，而剪断这些连接的力就是摩擦力。 3．分子-机械摩擦理论 该理论认为，摩擦是一个混合的过程，它既要克服分子相互作用力，又要克 服机械变形阻力。发生在接触部分总的阻力就是我们测得的摩擦力。 4.1.2.2 边界摩擦机构 这是一种介于干摩擦与流体摩擦之间的摩擦状态， 称为边界摩擦 （图 4-2） 。图 4-2 接角面的放大模型图在实际生产中，由于摩擦条件比较恶劣，理想的流体润滑状态较难实现。此外， 在塑性加工中，无论是工具表面，还是坯料表面，都不可能是“洁净”的表面， 总是处于介质包围之中，总是有一层薄膜吸附在表面上，这种薄膜可以是自然污 染膜，油性吸附形成的金属膜，物理吸附形成的边界膜，润滑剂形成的化学反应 膜等。因此理想的干摩擦不可能存在。 4.1.2.3 流体摩擦机构当金属与工具表面之间完全被润滑剂隔开，摩擦发生在流体内部分子之间者 称为流体摩擦。它不同于干摩擦，摩擦力的大小与接触面的表面状态无关，而是 与流体的粘度、速度梯度等因素有关。因而流体摩擦的摩擦系数是很小的。塑性 加工中接触面上压力和温度较高，使润滑剂常易挤出或被烧掉，所以流体摩擦只 在有条件的情况下发生和作用。4.2 影响外摩擦系数的主要因素一、工具材料和表面状态 工具表面状态是影响摩擦系数的一个重要因素。工具表面粗糙度小，表面凸 凹不平愈小，这时被加工金属表面“犁削”的现象愈少，因此摩擦系数也愈小。 二、金属化学成分的影响 不同种类和化学成分的金属、合金，在相同的变形条件下，它们的摩擦系亦 不相同。例如，用光钢压头在常温下压缩时，低碳钢的摩擦系数为 0.17，铝的摩 擦系数为 0.18，黄铜的摩擦系数为 0.10 等。 三、变形温度的影响 高温变形条件下，由于表面生成的氧化层性质、厚度等不同，因此对摩擦系 数的影响也不同。 其次， 温度提高金属强度降低， 硬度减小， 也使摩擦系数减小。 润滑剂性质也发生变化。 四、润滑剂 1.固体与熔体润滑剂 在接触表面用液体不能形成很厚的润滑层以及加工温度较高时由于油的分 解、蒸发、燃烧和失去粘度的情况下，使用固体和熔体润滑剂。 （1）固体润滑剂 一般说来凡剪切强度比工件金属小的任何物质，原则 上都可以作为固体润滑剂。 （2）熔体润滑剂 作为润滑剂。 2.液体润滑剂 （1）优点： 价格便宜；易涂布；破裂的润滑膜易修复；对工具有冷却作用；制品表面光 整等。 （2）分类： 矿物润滑油； 动植物润滑油； 合成润滑油。 五、变形速度对摩擦系数的影响 钢铁材料及一些合金，在热锻和热挤压过程常用玻璃许多实验结果表明；随接触面相对运动速度增加，摩擦系数下降。4.3 轧制时的摩擦系数一、摩擦系数的测定方法 1.最大咬入角法： 按轧件开始接触轧辊时轧辊对轧件的力平衡条件可导出最大咬入角αmax 的正切等于开始咬入时的摩擦系数 ? b，即 ? b=tanαmax，才可是咬入。这样，只 要确定出刚好开始咬入时极限状态下的咬入角αmax，就可求出 ? b。αmax 可按 下式确定 αmax=arc cos(1 ?2.轧件强迫制动法 ?hmax ) D在轧件后端作用一制动力 Q，强迫轧件在转动的轧辊间停下来，在开始打滑 瞬间测定制动力 Q 和轧制力 P。 Q + tan ? ? s = 2P Q 1? tan ? 2P 3.轧制力矩法 测定前滑为零时的纯轧力矩 M 和轧制力 P，按下式计算： 2M 另外还有一种方法，即 ?s = DP 4.圆环镦粗法二、估算摩擦系数的方法1.热轧时的摩擦系数艾克隆德公式f = K1 K 2 K3 1.05 ? 0.0005t） （ 式中 K1 ――轧辊材质影响系数，对于钢轧辊=1.0，铸铁轧辊=0.8；K2――轧制速度影响系数，可按实验曲线图 4-7 确定； K3――轧件材质影响系数，可据表 4-4 所列的实验数据选取； t ――轧制温度（700～1200℃之间适用） 。 2.冷轧时的摩擦系数? ? 0.1v 2 f = K ?0.07 ? 2? 21 （ + v） 3v ? + ?式中 K 一一润滑剂的种类与质量的影响系数， v――轧制速度，米／秒。小结： 小结： 1.熟悉塑性加工中摩擦的特点。 2.掌握摩擦的作用及减小摩擦的方法。 3.熟悉一些润滑的理论和一些常用的润滑剂。 4.了解有关摩擦系数的测定和估算方法。5金属的塑性和变形抗力课型： 课型：新课 教学目的与要求： 教学目的与要求： 1.掌握金属的塑性基本概念，塑性的指标及其测量方法，以及金属塑性指标 于变形温度及加载方式的关系曲线图形――塑性图 2.掌握金属多晶体塑性变形的机制 3.了解金属的超塑性 教学重点与难点： 教学重点与难点： 塑性状态图、金属多晶体塑性变形的主要机制、影响金属塑性的因素、金 属的超塑性。金属多晶体塑性变形的主要机制、影响金属塑性的因素、金 属的超塑性。教学过程： 教学过程：课型： 课型：新课 教学目的与要求： 教学目的与要求： 1.了解金属变形抗力的概念及测定方法。 2.掌握影响金属变形抗力的因素。3.掌握减少金属变形抗力的措施。 教学重点与难点： 教学重点与难点： 掌握金属变形抗力的测定方法和影响金属变形抗力的因素，掌握减少金属 变形抗力的措施。教学过程： 教学过程：5.1 金属塑性和变形抗力的概念5.1.1 金属塑性的概念及测定方法 所谓塑性，是指金属在外力作用下，能稳定地产生永久变形而不破坏其完整 性的能力。 金属塑性的大小，用金属在断裂前产生的最大变形程度来表示。它表示塑性加工 时金属塑性变形的限度，叫“塑性极限”或“塑性指标”。塑性指标可以借助于各种 实验方法来测定，如拉伸，镦粗和冷、热扭转等试验方法。 注意： 不能把塑性和柔软性混淆起来。 柔软性反映金属的软硬程度， 它用变形抗力的大小来衡量， 表示变形的难易。 不要认为： 变形抗力小的金属塑性就好，或是变形抗力大的金属塑性就差。 例如： 室温下奥氏体不锈钢的塑性很好，能经受很大的变形而不破坏，但它的变形抗力却非常大； 过热和过烧的金属与合金，其塑性很小，甚至完全失去塑性变形的能力，而 变形抗力也很小； 室温下的铅，塑性很高而变形抗力又小。 3.1.2.1 金属塑性的测定方法 1、塑性指标 表示金属与合金塑性变形性能的主要指标有： 1）拉伸试验时延伸率（％）与断面收缩率（％） 2）扭转试验的扭转周数。 3）冲击试验时的冲击韧性 4）锻造及轧制时刚出现裂纹瞬间的相对压下量 5）深冲试验时的压进深度，损坏前的弯折次数。 2、金属塑性的测定方法 测定金属塑性的方法最常用的有机械性能试验方法和模拟试验法两大类。 （1）机械性能试验法 1）拉伸试验：是在材料试验机上进行的。 在拉伸试验中可以确定延伸率δ％和断面收缩率ψ%两个塑性指标， 这两个 指标越高，说明金属的塑性越好。 F ?F ψ= 0 % l?L δ= % F0 L图5-1W18Cr4V高速钢破断前扭转转数与试验温度的关系2）扭转试验：是在专用的扭转试验机上进行的。 试验时，将圆柱形试样的―端固定，另一端扭转，用破断前扭转的转数（n） 表示塑性的大小。 3）冲击弯曲试验。 aK 冲击韧性值 不完全是一种塑性指标， 它是弯曲变形抗力和试样弯曲挠度 值显著增大，这表明是由塑性急剧增高而引起的；的综合指标。 当σ变化不大或有所降低而而在 aK 值较高的温度范围内 σ b 值很高，则不能证明在此度范围内塑性最好。 （2）模拟试验法 1）顶锻试验：也称镦粗试验 是将圆柱形试样在压力机或落锤上镦粗， 把试样侧面出现第一条可见裂纹时的变形量，作为塑性指标即ε=式中H ?h × 100% HH ――试样的原始高度，mm。 h――试样的变形后高度，mm。 2）楔形轧制试验 一种是在平辊上将楔形试样轧成扁平带状。轧后观察、测量首先出现裂纹处 ，此变形量就表示塑性大小。 的变形量(Δh/H） 另一种方法是在偏心辊上将矩形轧件轧成楔形。 根据厚度变化的楔形件最初 出现裂纹处的变形量Δh/H 来确定其塑性大小。 3 、塑性图 （1）定义 塑性指标与变形温度关系的曲线图，称之为塑性图。 （图 5-2） （2）用途 1）由热拉伸、热扭转等机械性能试验法测绘的塑性图，可确定变形温度范 围； 2）由顶锻和楔形轧制的塑性图，不仅可以确定变形温度范围，还可以分别 确定自由锻造和轧制时的许用最大变形量。5.2 影响塑性的因素及提高塑性的途径影响塑性的因素大致可分三个方面： 1.金属的自然性质 2.变形的温度―速度条件 3.变形的力学条件 一、金属的自然性质对塑性的影响 1、组织状态的影响 （1）纯金属有最好的塑性 （2）单相组织（纯金属或固溶体）比多相组织塑性好 （3）晶粒细化有利于提高金属的塑性 （4）化合物杂质呈球状分布对塑性较好；呈片状、网状分布在晶界上时， 使金属的塑性下降 （5）经过热加工后的金属比铸态金属的塑性高 2、化学成分的影响 （1）铁、硫、锰 化学纯铁具有很高的塑性，工业纯铁在 900℃左右时，塑性突然下降。硫是 钢中有害杂质， 易产生“红脆”现象锰可提高钢的塑性， 但锰钢对过热的敏感性强， 在加热过程中晶粒容易粗大，使钢的塑性降低。 （2）碳 碳在碳钢中含碳量越高，塑性越差，热加工温度范围越窄。当 C&1.4%时， 有很好的塑性。 （3）镍 镍能提高钢的强度和塑性，减慢钢在加热时晶粒的长大。（4）铬 铬能使钢的塑性和导热性降低。 （5）钨、钼、钒 都能使塑性降低。 （6）硅、铝 在奥氏体钢中，Si&0.5%时，对塑性不利， Si&2.0%时,钢的塑性降低， Si&4.5%时，在冷状态下塑性很差。铝对钢的塑性有害。 （7）磷 钢中 P&1~1.5%时，在热加工范围内对塑性影响不大。在冷状态下，磷使钢 的强度增加塑性降低，产生“冷脆”现象。 （8）铅、锡、砷、锑、铋 钢中五大有害元素，它们在加热时熔化，使金属失去塑性。 （9）氧、氮、氢 氧能使钢的塑性降低， 氮也会使钢的塑性变差， 氢对钢的塑性无明显的影响。 （10）稀土元素 适当加入一些，能使钢的塑性得到改善。 3、铸造组织的影响 铸坯的塑性低、性能不均匀。造成原因： （1）铸态材料的密度较低，因为在接近铸锭的头部和轴心部分，分布有宏 观和微观的孔隙，沸腾钢钢锭有皮下气泡。 （2）用一般方法熔炼的钢锭，经常发现有害杂质（如硫、磷等）的很大偏 析，特别是在铸锭的头部和轴心部分。 （3）对于大钢锭，枝晶偏析会有较大的发展。 （4）在双相和多相的钢与合金中，第二相组织成粗大的夹杂物，常常分布 在晶粒边界上。 二、变形温度―速度对塑性的影响 1、变形温度的影响 一般是随着温度的升高，塑性增加。但并不是直线上升的。现以温度对碳钢 塑性的影响的一般规律分析说明： 1 区――位于 100～200℃之间，塑性增加是由于在冷变形时原子动能增加的 缘故（热振动） 。 2 区――位于 700～800℃之间，由于有再结晶和扩散过程发生，这两个过程 对塑性都有好的作用。 3 区――位于 950～1250℃的范围内，在此区域中没有相变，钢的组织是均 匀一致的奥氏体。 热轧时应尽可能地使变形在 3 区温度范围内进行，而冷加工的温度则应为 1 区。图7-3温度对碳素钢塑性的影响2、变形速度的影响图5-4变形速度对塑性的影响 Ⅰ区，即变形速度小于临界变形速度，该区随变形速度的增加，塑性是随之 下降的。 Ⅱ区， 是在大于临界变形速度的情况下， 随变形速度的增加， 塑性是增加的。 三、变形力学条件对塑性的影响 1、应力状态的影响 在进行压力加工的应力状态中，压应力个数越多，数值越大（即静水压力越 大） ，金属塑性越高。 三向压应力状态图最好，两压一拉次之，三向拉应力最坏。 其影响原因归纳如下： （1）三向压应力状态能遏止晶间相对移动，使晶间变形困难。 （2）三向压应力状态能促使由塑性变形和其它原因而破坏了的晶内和晶间 联系得到修复。 （3）三向压应力状态能完全或局部地消除变形体内数量很少的某些夹杂物甚至液相对塑性不良的影响； （4）三向压应力状态可以完全抵消或大大降低由不均匀变形而引起的附加 拉力，使附加拉应力所造成的破坏作用减轻。 2、变形状态的影响 主变形图中压缩分量越多，对充分发挥金属的塑性越有利。 两向压缩一向延伸的变形图最好，一向压缩一向延伸次之，两向延伸一向压缩的 主变形图最差。 四、其他因素对塑性的影响 1、不连续变形的影响 当热变形时，不连续变形可提高金属的塑性。 2、尺寸（体积）因素的影响 随着物体体积的增大塑性有所降低，但降低一定程度后，体积再增加其影响 减小。 五、提高塑性的途径 提高塑性的主要途径有以下几个方面： （1）控制金属的化学成份，改善组织结构。 （2）采用合适的变形温度-速度制度。 （3）选用三向压应力较强的变形过程。 （4）尽量造成均匀的变形过程。 （5）避免加热和加工时周围介质的不良影响。5.3 变形抗力概念一、基本概念 抵抗变形力的力称为变形抗力。 金属或合金的变形抗力通常以单向应力状态（单向拉伸、单向压缩）下所测 得的屈服极限 σs 来度量。但是金属塑性加工过程都是复杂的应力状态，对于 同一种金属材料来说，其变形抗力值一般要比单向应力状态时大得多。 二、测定方法 （1）拉伸法 使用圆柱试样，认为在拉伸过程中在试样出现细颈前，在其标距内工作部分 的应力状态为均匀分布的单向拉应力状态。这时，所测出的拉应力便为变形物体 在此变形条件下的变形抗力。 此时变形物体的真实变形应力为： Ρ σ= F 特点：测量精确，方法简单，但变形程度不应大于 20%~30%。ε = ln（2）压缩法 变形程度为：l Lε = LnH h由此所测得得变形抗力为： 特点：能允许式样具有比拉伸更大的变形，但完全保证试样处于单向压应力状态σ=较困难。一般取 H/D&2~2.5P P ?ε = e F F0三、变形抗力的确定 要计算金属塑性变形过程中所需的外力， 必须知道变形抗力的值。 确定方法： 先在变形的热力参数为某一种等值的条件下求出金属的变形抗力， 并将它作为基 础值。然后再用热力参数修正系数来修正此基础值。5.4 影响变形抗力的因素5.4.1 金属化学成分和显微组织的影响 不同的金属材料具有不同的变形抗力，同一种金属材料在不同的变形温度、 变形程度下，变形抗力也不同。前者是金属材料本身的属性,称之为影响金属变 形抗力的内因;而后者则是属于变形过程的工艺条件(变形温度,变形速度\变形程 度和应力状态)及其它外部条件对变形抗图片的影响,常称为影响金属变形抗力的 外因。 例如铅的变形抗力比钢的变形抗力低得多， 铅的屈服极限σ为 1 .6kgf/mm2 碳素结构钢 0.8Fσ为 18kgf/mm2， 1、化学成分的影响 （1） 碳 在较低的温度下随着钢中含碳量的增加，钢的变形抗力升高。一般钢中增 加 0.1％的碳可使钢的强度极限提高 6∽8kgf/mm2。温度升高时其影响减弱。 如图 5-1图 5-5 在不同变形温度和变形速度下含碳量对碳钢 变形抗力的影响（实线为静压缩，虚线为动压缩）（2）锰 由于钢中含锰量的增多，可使钢成为中锰钢和高锰钢。其中中锰结构钢 （15Mn～50Mn）的变形抗力稍高于具有相同含碳量的碳钢，而高锰钢（Mnl2）有更高的变形抗力。 （3）硅 钢中含硅对塑性变形抗力有明显的影响。用硅使钢合金化时，可使钢的变形 抗力有较大的提高。 （4）铬 对含铬量为 0.7％～1.0％的铬钢来讲，影响其变形抗力的主要不是铬，而是 钢中的含碳量，这些钢的变形抗力仅比具有相应含碳量的碳钢高 5％～10％。 对高碳铬钢，其变形抗力虽高于碳钢。 高铬钢在高速下变形时，其变形抗力大为提高。 （5）镍 镍在钢中可使变形抗力提高。 2、显微组织的影响 （1）晶粒越细小，变形抗力越大； （2）单相组织比多相组织的变形抗力要低； （3）晶粒体积相同时，晶粒细长者较等轴晶粒结构的变形抗力为大； （4）晶粒尺寸不均匀时，又较均匀晶粒结构时为大； （5）在一般情况下，夹杂物会使变形抗力升高； （6）钢中有第二相时，变形抗力也会相应提高。 5.4.2 变形温度的影响 在加热及轧制过程中，温度对钢的变形抗力影响非常大。随着钢的加热温度 的升高，变形抗力降低。钢的变形抗力和温度的关系如下： 温度升高，金属变形抗力降低的原因有以下几个方面： （1）发生了回复与再结晶 （2）金属原子热振动的振幅增大，原子间的键力减弱，金属原子之间的结 合力降低。临界剪应力降低 （3）金属的组织结构发生变化 （4）随温度的升高，新的塑性变形机制参与作用。 5.4.3 变形速度的影响 在热变形时，通常随变形速度的提高变形抗力提高。关于变形速度对变形抗 力的影响的物理本质研究还不够。强化-恢复理论认为，塑性变形过程中，变形 金属内有两个相反的过程：强化过程和软化过程同时存在。如图 3-2 所示。图 5-2 变形速度对碳钢变形抗力的影响压下率： a -50％； b -10％； c -2％5.4.4 变形程度的影响 在冷状态下，由于金属的强化（加工硬化） ，变形抗力随着变形程度的增大 而显著提高。 在热状态下，变形程度对变形抗力的影响较小，一般随变形程度增加，变形 抗力稍有增加。 5.4.5 应力状态对变形抗力的影响 具有同号主应力变形抗力大于异号主应力的变形抗力， 同时在同号主应力图 中，随着应力的增加，变形抗力亦增加。可以用塑性方程解释。 5.4.6 降低变形抗力常用的工艺措施 一、 合理的选择变形温度和变形速度 二、 采用良好的润滑 在塑性变形时，尽可能采取措施减小摩擦系数，使变形抗力降低。 三、 减小工、模具与变形金属的接触面积（直接承受变形力的面积） 由于接触面积减小，外摩擦作用降低而使单位压力减少，总变形力也减小。5.5 影响轧制过程力学参数的因素轧制过程力学参数通常是以轧制平均单位压力 p 表示， 轧制过程力学参数受 许多因素的影响，这些影响在生产条件下又常常表现为不同的形式，且各因素之 间还相互影响，从而使轧制过程复杂化。 影响轧制过程力学参数的因素可以大致分为两类。 属于第一类的是影响轧制 金属本身性质的一些因素：金属的化学成分和组织状态以及热力学条件．即变形 温度、变形速度和变形程度(或加工硬化)。属于第二类的是影响应力状态条件的 因素：轧件尺寸、轧辊尺才、润滑条件、外端及张力等。考虑上述因素的影响，轧制平均单位压力．可用下面的函数式表示：?分别为考虑外端、外摩擦、张力、变形温度、变形速度及变形程度或(加工 硬化)各个因素的影响系数。 应该指出，单向应力状态下 p=σs一、确定变形抗力的有关曲线及公式首先介绍近年来我国科学工作者结合国产某些钢和合金在高温高速下实测 的塑性变形抗力曲线。
为了计算冷轧和其他冷加工时的变形抗力， 下面介绍一些钢种的加工硬化曲 线。图 4―23 为英国钢铁协会(BISRA)实测一些钢种的平面变形抗力与压下率的 关系曲线。上面有关冷加工变形抗力曲线中所用变形程度 ε 是从入口到出口发生变化的， 因而 σs 也是变化的，所以在查找曲线时．应采用平均变形程度ε4．2 应力状态的影响 在研究应力状态条件对力学参数的影响时， 着重讨论下列因素的影响： 外 1) 摩擦的影响：2)工具形状及尺寸的影响；3)张力的影响；4)轧件几何尺寸的影响。 4．2．1 外摩擦的影响 外摩擦对单位压力的影响．大致可以归纳为如下两点： (1)摩擦系数越大．则所形成的三向压应力越强，因而使金属产生变形所需的 单位压力越大。(2)变形金属与工具的相对接触面积越大，三向应力状态越强，因而单位压 力越大。 外摩擦对单位压力的影响不仅取决于摩擦系数的大小． 而且取决于金属相 对工具的相对接触面积．即接触面积与变形金属体积之比，所以金属在三向压应 力状态下变形时(如锻造和轧制)．变形金属的厚度就体现相对接触面积的关 系．厚度越小，摩擦力表现得越显著，因而三向压应力状态影响越深。 4.2.2 工具形状和尺寸的影响 加工工具形状可以归纳为三种简单形式：第一种是凸形工具，第二种是板形 工具，第三种是凹形工具。 凸形工具和凹形工具的作用有本质的差别，这点有很大的实际意义。当加工 工具为凸形工具时、 由于 P 的作用减小了摩擦力对金属流动的阻碍． 因而减小三 向应力状态的影响，结果使单位压力减小。 当加工工具为凹形工具时、 由于 P 的作用在此情况下对变形金属具有拉应力 作用了，因而减小三向应力状态的影响，结果使单位压力减小。 张力的影响 轧制轧件时，在人口侧和出口侧施加张力．可以降低单位压力，这是由于： 1)改变了变形区的应力状态：2)可以减小轧辊的弹性压扁。 现代冷轧上都采用张力轧制、不仅可以减小轧制压力．降低能耗．而且保证钢板 平直度。 4.2.3 4 .2.4 轧件尺寸的影响 轧件越薄．变形深透程度越大变形体接触面积虽然相同，但变形体积减小，三向 压应力状态加强，所以单位压力增加。5.6 5.6 钢材组织性能的控制课型： 课型：新课 教学目的与要求： 教学目的与要求： 1、掌握钢材强韧性能的概念、衡量指标、提高强韧性能的手段 2、掌握影响强韧性能的因素 3、掌握轧制工艺参数的控制 教学重点与难点： 教学重点与难点： 轧制工艺参数的控制 教学过程： 教学过程： 一、强韧性能的概念 1.定义：指钢材应具有的强度和韧性性能，是钢材具有的重要的力学性能。 衡量钢材强度的指标有：屈服极限和强度极限等,常用屈服极限。 衡量钢材韧性的指标有：冲击功和脆性转变温度。 （1）冲击功： 用冲击弯曲试验方法将试样冲断时所消耗的功来表示。 即AK = Ae + Ap + AdAe:消耗于试样弹性变形的弹性功， Ap:消耗于试样塑性变形的塑性功， Ad:裂纹出现后,消耗于裂纹发展以至完全断裂的撕裂功。 弹性功的大小是表示材料在开始塑性变形前，所吸收的变形能的大小；塑性 功是表示材料开始塑性变形以后以及进一步发展直到裂纹形成以前， 所吸收的变 形能的大小；而撕裂功则表示裂纹发展直到断裂所吸收的变形能。 （2）脆性转变温度 以冲击试样断口上开始出现脆裂特征或断口上出现 50%脆性断面时的温度 为脆性转变温度。 2.提高强韧性能的手段 （1）控制轧制 是指在比常规轧制温度稍低的条件下， 采用强化压下和控制冷却等工艺措施 来提高热轧钢材的强度、韧性等综合性能的一种轧制方法。控制轧制钢的性能可 以达到或者超过现有热处理钢材的性能。 （2）控制冷却 是对控制轧制后的奥氏体用高于空冷的速度从 Ar3 以上温度控制冷却到相 变温度区域，进行控制铁素体使其进一步晶粒细化。二、影响强韧性能的因素 影响强韧性的主要因素有晶粒的大小，珠光体数量、大小及分布，Nb、V、 Ti 等合金元素的作用等。 1.晶粒的大小 随着晶粒尺寸的减小,金属的屈服极限升高，脆性转变温度下降。 关于晶粒尺寸的作用，可用位错观点加以说明。晶粒越细小，晶界就越多， 障碍也就越多。这就需要加大外力才能使晶体滑移。所以晶粒越细小，材料的屈 服极限越大。此外，晶粒越细小，在晶界处产生的应力集中越小，使变形金属的 脆化减小。 （1）屈服极限与晶粒大小的关系σ s = σ 0 + kyd式中?1 2σs――铁素体本身的内摩擦应力； d――铁素体晶粒的直径； Ky――系数。(2)脆性转变温度与晶粒大小的关系 vTrs = A + A' ?σ P ? Bd 式中? 1 2v T rs――脆性转变温度（指型缺口试样） ； △σ p ――由于析出硬化使内摩擦应力的增大值； A、A’、B――常数。 2.珠光体数量、大小及分布珠光体为铁素体与渗碳体所组成的混合物。在通常的情况下，珠光体中的铁 素体与渗碳体成相间排列而构成的片层状组织。在一定的条件下，珠光体中的渗 碳体呈颗粒状，称之为粒状珠光体。 珠光体的体积百分率增大，使钢材硬化，导致钢的韧性变坏，晶粒越细小， 珠光体量越少，钢的脆性转变温度越低。 3. Nb、V、Ti 等合金元素的作用 （1）延迟再结晶和阻碍在结晶后的晶粒长大，Nb 对再结晶的抑制作用非常 明显。 （2）细化晶粒，提高晶粒粗化温度，Nb、V 等合金元素皆有细化晶粒和提 高晶粒粗化温度的良好作用。 （3）产生析出硬化。 三、轧制工艺参数的控制 在轧制工艺参数中包括有： （1）温度参数，如加热温度、轧制温度、冷却终了温度； （2）速度参数，如变形速度、冷却速度等； （3）变形程度参数，如道次 变形程度、总变形程度等； （4）时间参数，如道次间的间隙时间、变形终了后到 开始急冷的时间等。 1.变形温度的控制 （1）加热温度的控制 降低加热温度，使轧前奥氏体晶粒细小，促进轧制后组织的细化，改善钢的 强韧性。 （2）终轧温度的控制 随着终轧温度的降低，所有钢的屈服强度升高。当终轧温度由 950℃降到了 800℃时，钢从韧性断裂到脆性断裂的转变温度降低。当终轧温度进一步降低到 700℃时，脆性转变温度反而升高。 2.变形程度的控制 随变形程度的增加，晶粒变细,使钢材的强度升高，脆性转变温度下降。 3.冷却速度的控制 （1）在相同的冷却条件下，终轧温度愈低，铁素体晶粒就愈细，与其相应 的屈服强度也大，脆性转变温度也就愈低。 （2）在相同的终轧温度和冷却条件下，含铌钢的晶粒尺寸较碳钢的小，故 与其相应的屈服强度高，脆性转变温度低 。 （3）在相同的终轧温度条件下，由于轧件断面的大小不同，使冷却速度不 同。6轧制过程的基本概念课型： 课型：新课 教学目的与要求： 教学目的与要求： 1.掌握实现轧制过程咬入条件、稳定轧制条件。 2.了解最大压下量的计算方法。 3 掌握影响咬入的因素及改善咬入的措施。 4.了解三种典型轧制情况。 教学重点与难点： 教学重点与难点： 掌握实现轧制过程咬入条件、稳定轧制条件；掌握影响咬入的因素及改善 咬入的措施 教学过程： 教学过程：6.1 轧制过程的基本概念轧制又称压延，是金属压力加工中应用最为广泛的一种生产形式。所谓轧制 过程就是指金属被旋转轧辊的摩擦力带入轧辊之间受压缩而产生塑性变形， 从而 获得一定尺寸、形状和性能的金属产品的过程。 根据轧制时轧辊旋转与轧件运动等关系， 可以将轧制分成纵轧、 横轧和斜轧。 所谓纵轧是指工作轧辊的轴线平行、轧辊旋转方向相反。轧件的运动方向与轧辊 的轴线垂直。横轧是指工作轧辊的轴线平行、轧辊旋转方向相同、轧件的运动方 向与轧辊的轴线平行．轧件与轧辊同步旋转。斜轧是指工作轧辊的轴线是异面直 线、轧辊旋转方向相同、轧件的运动方向与轧辊的轴线成一定角度。本书主要讨 论纵轧时的轧件变形和力能参数计算等问题。6.1.1 简单轧制与非简单轧制 在实际生产中，轧制变形是比较复杂的。为了便于研究，有必要对复杂的轧 制问题进行简化。即提出了所谓比较理想的轧制过程简单轧制过程。通常把具有 下列条件的轧制过程称为简单轧制过程。 (1)两个轧辊都被电动机带动，且两轧辊直径相同．转速相等．轧辊辊身为 平辊，轧辊为刚性； (2)两个轧辊的轴线平行．且在同一个垂直平面中； (3)被轧制金属性质均匀一致，即变形温度一致．变形抗力一致，且变形均 匀； (4)被轧制金属只受到来自轧辊的作用力．即不存在前后拉力或推力．且被 轧制金属做匀速运动。 简单轧制过程是一个理想化的轧制过程模型。为了简化轧制理论的研究，有 必要从简单轧制过程出发． 并在此基础上再对非简单轧制过程的问题进行探 讨。 6.1.2 变形区的主要参数 所谓轧制时的变形区就是指在轧制过程中， 轧件连续不断地处于塑性变 形的那个区域，也称为物理变形区。为研究问题方便起见．定义图 1―2 所 示的简单轧制过程示意图中 ABCD 所构成的区域，在俯视图中画有剖面的 梯形区域为几何变形区。近来轧制理论的发展，除了研究 ABCD 几何变形 区的变形规律之外．又对几何变形区之外的区域进行了研究。因为轧件实际 上不仅在 ABCD 范围内变形，其以外的范围也发生变形、故一般泛指变形 区均系专指几何变形区而言。 简单轧制时．变形区的纵横断面可以看作梯形，变形区可以用轧件入出口 断面的高度 H、h 和宽度度 BHBh 及变形区长度 l，接触弧所对应的圆心角即 咬入角来表示．以上各量称为变形区基本参数。变形区的平均高度及平均宽 度为：
6.2 咬入条件与稳定轧制过程6.2.1 咬入条件 咬入是指轧辊对轧件的摩擦力把轧件拖入辊缝的现象。为了实现轧制过程， 必须使轧辊能咬着轧件拖进辊缝使金属填充于轧辊之间。因此，首先必须研究金 属开始被轧辊咬着时的作用力。当轧件与轧辊接触时，轧件所受力如图 6.1 所 示。 1 轧件对轧辊的作用力与摩擦力 如图 6-1 所示，轧辊在两接触点受轧件的径向压力 N ′ 的作用与摩擦力 T ′ 2 轧辊对轧件的作用力与摩擦力 如图 6-2 所示，径向力 N 有阻止轧件继续运动的作用，切向 摩擦力 T 则有将轧件拉入轧辊辊缝的作用。图 6-1 轧件对轧辊的作用力图 6-2 轧辊对轧件的作用力3轧辊咬入轧件的条件 如图 6-3a 所示，作用力 N 与摩擦力 T 分解为垂直分力 Ny、Ty 和水平分力 Nx、Tx。垂直分力 Ny、Ty 对轧件起压缩作用，使轧件产生塑性变形； Nx 与轧件运动方向相反，阻止轧件咬入；Tx 与轧件运动方向一致，力图将 轧件拉入辊缝。显然 Nx 与 Tx 之间的关系是轧件能否咬入的关键，两者可能 有以下三种情况（参看图 6-3b） ： 若 Nx＞Tx，则轧件不能咬入； 若 Nx＜Tx，则轧件可以咬入； 当 Nx= Tx 时，轧件处于平衡状态，是咬入的临界条件。 由图可得到图 6-3 作用力与摩擦力的分解Tx = T cos α = fN cos α N x = N sin α （1）当 Tx ＞ N x 时fN cos α ＞ N sin αf ＞ tan α tan β ＞ tan αβ ＞α ，这就是轧件的咬入条件。 （2）当 Tx ＜ N x 时，同样可推得 β ＜ α ，轧件不能咬入轧机。 （3）当 Tx ＝ N x 时，同样可推得 β = α 是轧件咬入的临界条件。 结论：咬入角小于摩擦角是咬入的必要条件；咬入角等于摩擦角是咬入的极 限条件，即可能的最大咬入角等于摩擦角；如果咬入角大于摩擦角则不能咬 入。 咬入条件为α≤β6.2.2 剩余摩擦力的产生及稳定轧制的条件 一、 剩余摩擦力的产生轧件咬入后，其合力作用点在接触弧中点，如图 6-4 所示。随轧件逐渐进入 辊缝， 轧辊对轧件作用力的作用点所对应的轧辊圆心角由开始咬入时的 α 减小为α ? δ ，在轧件完全充填辊缝后，减小为 α 2 。在开始咬入瞬间，合力 P 的作用方向是垂直的。随轧件充填辊缝，α-δ角减 小，摩擦力水平分量 Tcos(α-δ)逐渐增大，正压力水平分量 Nsin(α-δ)逐渐减小， 合力 P 开始向轧制方向倾斜，其水平分量为Px = Tx ? N x = fN cos α ? δ） N sin α ? δ） （ ? （由开始时的零而逐渐加大，到轧件前端出辊缝后，即稳定轧制阶段为Px = fN cosα2? N sinα2剩余摩擦力：把用于克服推出力外还剩余的摩擦力的水平分量 Px 称为剩余 摩擦力。 在α＜β条件下开始咬入时， Px=Tx-Nx＞0。 有 即此时就已有剩余摩擦力存在， 并随轧件充填辊缝而不断增大。 由剩余摩擦力表达式可看出，摩擦系数越大，剩余摩擦力越大；而当摩擦系 数为定值时，随咬入角减小，剩余摩擦力增大。 二 建立稳定轧制状态后的轧制条件 轧件完全充填辊缝后进入稳定轧制状态。如图 6-6 所示，继续进行轧制的条 件仍为 Tx≥Nx，它可写成：T cosα2≥ N sinα2而T α ≥ tg N 2由此得出β≥α2或α ≤ 2 β这说明，在稳定轧制条件已建立后，可强制增大压下量，使最大咬入角α≤ 2β时，轧制仍可继续进行。这样，就可利用剩余摩擦力来提高轧机的生产率。图 6-6稳定轧制阶段 α 和 β 的关系大量实验研究还证明，在热轧情况下，稳态轧制时的摩擦系数小于开始咬入 时的摩擦系数，其最大咬入角约为 1.5～1.7 倍摩擦角，即α＝（1.5～1.7）β；冷 轧情况下，稳态轧制时的最大咬入角α＝（2～2.4）β。6.3 最大压下量的计算方法压下量、轧辊直径及咬入角三者之间的关系，即?h = D（ ? cos α） 1 一 按最大咬入角计算最大压下量 当咬入角的数值为摩擦条件允许的最大值时，相应的压下量为最大：?hmax = D（1 ? cos α max）在生产实际中，不同轧制条件所允许的最大咬入角如表 6-1 所列。 二 按摩擦系数计算最大压下量 由摩擦系数与摩擦角的关系及咬入条件tgβ = f 和 α max = β知 而由数学关系有tgα max = tgβ = fcos α max =1 1 + tg α max2=1 1+ f2将上式代入到 ?hmax = D（1 ? cos α max） 中可得?hmax = D（ ? 11 1+ f2）式中轧制时的摩擦系数 f 可由公式计算或由表 14-1 等资料查找。表 6-1不同轧制条件下的最大咬入角例题 假设热轧时轧辊直径 D=800mm，摩擦系数 f = 0.3，求咬入条件所允许 的最大压下量及建立稳定轧制过程后，利用剩余摩擦力可以达到的最大压下量。 （1）咬入条件允许的最大压下量 解：（ ?hmax = 800 1 ? 1 1 + 0 .3 2=34mm ）′ （2） 在建立稳定轧制过程后， 利用剩余摩擦力可达到的最大压下量 ?hmax 取 ∴α = 1.5 β = 1.5arctg 0.3 = 1.5 × 16.7° = 25°′ ?hmax =800（1 一 cos 25°）=75mm 75―34=41mm即利用剩余摩擦力可以增加的压下量为6.4 影响咬入的因素及改善咬入的措施一 影响咬入的因素 1 轧辊直径 D 、压下量 ?h 对咬入的影响 （1）当压下量不变时，随着轧辊直径的增大，咬入角 α 将减小，这有利于 咬入。 （2）如轧辊直径 D 不变时，随着压下量的减小，咬入角 α 也减小，这有利 于咬入。 2 作用在水平方向上的外力对咬入的影响 凡顺轧制方向的水平外力，一般都有利于咬入。在实际生产中，这些外力包 括作用在轧件上的推力、轧件运送时的惯性力及带钢轧制时受到的前张力等。凡是逆轧制方向作用在轧件上的外力，都不利于轧件的咬入。 3 轧制速度的影响 提高轧辊的圆周速度，则不利于轧件被咬入。降低轧制速度，则有利于轧件 被咬入。这是由于提高轧制速度，使轧辊与轧件间的摩擦系数 f 值下降；另一方 面的原因是由于轧辊速度较大，相对于轧件来说，轧件的惯性滞后作用将妨碍轧 件被咬入。因此，对于压下量较大的可逆式初轧机或中厚板轧机，由于咬入角较 大，必须采用低速咬入，咬入后再提高轧制速度的方法来进行轧制。 4 轧辊表面状态的影响 轧辊表面越粗糙，则摩擦系数越大，因而越有利于轧件咬入。 5 轧件的形状对轧件咬入的影响 轧件前端形状对轧件咬入的影响很大。轧件前端与轧辊接触面越大，轧件越 容易咬入。 轧制钢锭时，一般多以小头先进入轧辊，这正是便于从咬入考虑的。在中小 型轧制中，坯料端切成楔形，使得轧件容易被咬入，这种方法是利用减小开始时 的咬入角来实现的。 6 孔型形状对咬入的影响 型钢轧机的孔型有较小的孔型侧壁斜度时，对轧件的咬入是有利的。这是轧 件宽度大于孔型底部宽度，孔型侧壁对轧件起到夹持作用，使咬入变得容易。随 侧壁斜度增大，孔型的夹持作用减小，轧件的咬入变的困难。 菱形轧件进入方形孔轧制时容易咬入，因为轧件的前端容易被孔型侧壁夹 持，所以轧件容易咬入。 椭圆形轧件进入圆孔轧制时就不容易咬入， 因为轧件前端不容易被孔型侧壁 夹持，所以咬入困难。 二 改善咬入的措施 增大摩擦角β（即增大摩擦系数 f）和减小咬入角 a。1 提高摩擦系数的措施（1）轧辊刻痕、堆焊或用多边形轧辊的方法，可使压下量提高 20～40％。 刻痕或堆焊多用于初轧机上、开坯机及型钢轧机的开坯孔型中。 多边形轧辊用于中小型轧机上，它所以能改善咬入条件，主要是由于改变了 作用力方向，使作用力状态有利于咬入。 （2）合理使用润滑剂。这里指的是增加咬入瞬间的摩擦系数，而稳定轧制 阶段的摩擦系数并不增加。 （3）清除炉尘和氧化铁皮。一般在开始几道中，咬入比较困难，此时钢坯 表面有较厚的氧化铁皮。实践证明，钢坯表面的炉尘、氧化铁皮，可使最大 压下量降低 5～10％。 （4）在现场不能自然咬入的情况下，撒一把沙子或冷氧化铁皮可改善咬入。 （5）当轧件温度过高，引起咬入困难时，可将轧件在辊道上搁置一段时间， 使钢温适当降低后再喂入轧机。 （6）增大孔型侧壁对轧件的夹持力可改善轧件的咬入。例如，在轧制 5＃角 时，由于第 8 孔型（立轧孔）中的轧件宽度小，在孔型中的夹持力小，换槽后前 1～2 根轧件在此孔型中经常出现打滑现象。我们解决的办法之一是减 小前面孔型的压下量， 使得翻钢后进入第 8 孔型 （立轧孔） 中的轧件宽度大， 在孔型中的夹持力大，改善了咬入条件。 （7）合理调整轧制速度。利用随轧制速度降低而摩擦系数加大的规律，在 直流电机传动的轧机上，采用低速咬入，建立稳定轧制过程后，再提高轧制 速度，使之既能增大咬入角，又能合理利用剩余摩擦力。实验指出，咬入速 度在 2m/s 以下，摩擦系数就已经基本稳定到最大值，所以咬入速度再降低 也无意义。 2 降低咬入角的基本措施 （1）使用合理形状的连铸坯，可以把轧件前端制成楔形或锥形。 （2）强迫咬入，用外力将轧件顶入轧辊中，由于外力的作用，轧件前端压 扁，合力作用点内移，从而改善了咬入条件。 （3）减小本道次的压下量可改善咬入条件。例如：减小来料厚度或使得本 道次辊缝增大。6.5 三种典型轧制情况实验证明，对同一金属在相同的温度、速度条件下，决定轧制过程本质的主 要因素是轧件和轧辊尺寸。图 6-7 轧件横断面的变化情况 ( a )第一种轧制情况，( b )第二种轧制情况，( c )第三种轧制情第一种轧制情况 如图 14-7（α）所示，即以大压下量轧制薄轧件的轧制过程，其相对压下量 ε=34～50％，H/D 值较小。 （1）力学特征 1在这种情况下，单位接触面积上的轧制压力（单位压力）沿接触弧的分布曲 线有明显的峰值，而且压下量越大，单位压力越高，且峰值越尖，尖峰向轧件出 口方向移动 （如图 6-8）这是因为此种情况变形区的接触面积与变形区体积之比， 。图 6-8薄件轧制时单位压力 P 和单位摩擦力 t 沿接触弧之分布即F 2l B 2 = = 很大，表面摩擦阻力所起的作用大，即由摩擦力引起的三向压应 V l Bh h力最强的地方。 （2）变形特征 轧件变形后沿横断面呈单鼓形，如图 6-7（α）所示。 （3）运动学特征 如图 6-9（a）所示为薄件轧制时，由于受摩擦阻力影响，在后滑区，金属横 断面中心部份要比表面速度慢，而在前滑区，金属横断面中心部份要比表面速度 快。图 6-9 轧件金属质点沿横断面之速度图示( a )轧薄轧件，( b )轧厚轧件2第三种轧制情况相当于初轧开始道次或板坯立轧道次，是以小压下量轧制厚轧件的过程，ε 约为 10％以下，H/D 值较大。 （1）力学特征这类轧制过程的单位压力，沿其接触弧分布曲线在变形区入口处具有峰值， 且向出口方向急剧降低，如图 6-10 所示。此时，单位压力分布与单位摩擦力分 布之间已无明显联系，说明此时摩擦力已不是主要影响。图 6-10第三种轧制情况p、t 沿接触弧的分布（2）变形特征 产生局部强迫宽展而使轧件轧后横断面出现双鼓形，如图 6-7（C）所示。 厚件轧制时变形不深透而出现双鼓形的现象。如图 6-11（a）所示，在变图 6-11理想变形区与实际变形区形区 ABCD 以外的区域为外区，但在变形不均匀的情况下，如在第一种轧制 情况时，实际变形区可能扩展到几何变形区之外（图 6-11 b ） ，而在第三种轧制情况时， 。外摩擦和外区的作用是―个互相竞争的 外区也可能伸展到几何变形区的内部（图 6-11 c ）过程。图 6-12变形区内压下量的分布图 6-13 第二种轧制情况p、t 分布曲线在薄件轧制时，变形区内金属和轧辊的接触表面所占比重大，因而表面摩擦 阻力的影响大。 而对厚件轧制的情况， 接触表面积与变形区体积之比值 2 h 很小， 表面摩擦阻力的影响很小，此时起主要作用的是外区，它限制金属压下变形，使 三向压应力增强，单位压力加大。若局部压下量越大，压力的增加幅度也越大。 在整个变形区内，由于轧辊形状的影响，变形区长度上各点的压下量分布是 不均匀的。 如图 14-12 所示， x1 和 x 4 这两个相等线段内， 在 入口处的压下量 ?h1 远 大于 ?h4 ，由于局部的压下量大，相应的压力增加的程度越大，因此，单位压力 的峰值靠近变形区入口处。 （3）运动学特征 对于厚轧件轧制的情况，只有在邻近表面的区域由于塑性变形才与轧辊产生 相对运动，如图 6-9（ b ）所示。 3 第二种轧制情况 它是中等厚度轧件的轧制过程，相对压下量约为 15％左右。 （1）力学特征 由图 6-13 可以看出，第二种轧制情况的单位压力分布曲线没有明显峰值， 而且单位压力比第一种轧制情况和第三种轧制情况都要小。图 6-14 方坯轧制方坯时的平均单位压力1-160×160mm 方坯； 2-210×310mm 方坯； 3-170×170mm 方坯； 4-160×160mm（2）变形特征 对第二种典型轧制情况，外摩擦和外区的影响都有，但都不严重。压缩变形 刚好深透到整个变形区高度，变形比较均匀，如图 14-7（b）所示，变形后轧件 两侧面基本平直。 由上面研究不难得出如下结论： 根据 ε 和 H D 因素，使轧制过程分为三种典型轧制情况，具有明显的力学、 运动学和变形特征。但其它因素也具有重要影响。正是因为这些因素作用的差异 性，出现了各种轧制工艺，使各轧制工艺具有特殊性。例如热轧与冷轧薄板，从 尺寸因素来说它们同属于第一种轧制情况，它们都具有相的的轧制特征，压力较 高，宽展很小甚至无宽展，都有滑动，这种由基本因素所规定的本质是一致的， 这是共性。但是热轧要考虑变形温度与速度的影响，而冷轧中加工硬化影响更为 重要。热轧摩擦系数更多地取决于温度和钢种的影响，而冷轧主要决定于润滑剂 的选择。热轧时不能施加大张力，而冷轧则相反，没有张力是难以实现冷轧的。小结： 小结： 1.掌握实现轧制过程咬入条件、稳定轧制条件。 2.了解最大压下量的计算方法。 3．掌握影响咬入的因素及改善咬入的措施。 4.了解三种典型轧制情况。7轧制过程中的宽展课型： 课型：新课 教学目的与要求： 教学目的与要求： 1.掌握宽展及研究宽展的意义。 2.掌握宽展的种类和组成。 3.掌握影响宽展的因素。 4.熟悉计算宽展的公式。 5.掌握孔型中轧制时的宽展特点。 教学重点与难点： 教学重点与难点： 掌握宽展的种类和组成、影响宽展的因素及孔型中轧制时的宽展特点 教学过程： 教学过程：7.1 宽展与研究宽展的意义宽展：通常把轧制前、后轧件横向尺寸的绝对差值，称为绝对宽展，简称为宽 展。以?b 表示。即：?b=b-B 式中 B、b ――分别为轧前与轧后轧件的宽度。 研究宽展的意义 1、根据给定的坯料尺寸和压下量，来确定轧制后产品的尺寸，或已知轧 制后轧件的尺寸和压下量，要求定出所需坯料的尺寸。 2、宽展在实际生产中和孔型设计时得到了广泛的应用。在孔型设计中， 必须正确计算出宽展量。否则，孔型不是欠充满就是过充满。图 7-1圆钢轧制时可能出现的三种情况 1-正常；2-充不满；3-过充满7.2 宽展的种类和组成一、宽展的种类 根据金属沿横向流动的自由程度，宽展可分为：自由宽展，限制宽展和强 迫宽展。 1、自由宽展 金属流动除来自轧辊的摩擦阻力外，不受任何其它的阻碍和限制。图 7-2自由宽展2、限制宽展 金属质点的横向流动， 除受到摩擦阻力影响外， 还受到孔型侧壁的限制， 轧件轧制后的断面被迫取得孔型轮廓的形状。如在箱型孔型、闭口孔型中的 轧制所得到的宽展值均为限制宽展。这种情况下形成的宽展比自由宽展要 小。 3、强迫宽展 坯料在轧制过程中，金属体积受轧辊凸峰的切展而强制金属横向流动，使轧 件的宽度增加，这种变形叫做强制宽展。如图 7-5a 所示。轧制扁钢时，采用的 “切展”孔型也是说明强制宽展的实例，如图 7-5b 所示。图 7-5强迫宽展a-钢轨底层的强迫宽展；b-切展孔型的强迫宽展二、 宽展的组成 1、 宽展沿横断面高度上的分布 如图 7-6 所示，这种单鼓形宽展由三部份组成。 （1）滑动宽展是轧件在轧辊的接触表面上，由于产生相对滑动使轧件宽度增加的部份?b1 = B1 ? B（2）翻平宽展是由于接触表面摩擦阻力较大，使轧件侧面的金属在变形过 程中翻转到接触表面上来，结果轧件宽度增加。 ? b 2 = B 2 ? B 1 ， （3）鼓形宽展。由于接触面附近之金属流动落后于远离接触表面的金属， 轧件侧面变为鼓形而产生的宽度增加量， ? b 3 = B 3 ? B 2 2、 宽展沿轧件宽度上的分布 第一种假说认为，宽展沿轧件宽度是均匀分布的。 第二种假说认为，变形区可以分为四个区域，两边的区域为宽展区，中间为 前后两个延伸区，如图 7-9 所示。图 7-8 宽展沿宽度均匀分布的假说 图 7-9 变形区分区图示7.3 影响宽展的因素轧制时高向压下的金属如何分配给延伸和宽展，受最小阻力定律和体积 不变定律的支配。由体积不变定律可知，轧件在高度方向压缩的移动体积应 等于宽度方向和延伸方向增加的体积之和。而高度方向位移体积有多少分配 于宽度方向，则受到最小阻力定律的制约。若金属横向流动阻力较小，则大 量金属质点横向流动，表现为宽展较大。反之，若纵向流动阻力较小，则金 属质点大量纵向流动而造成宽展减小。 一、 压下量的影响 实验表明，随压下量增加，宽展量也增加。 1. 随高向位移体积增大，宽度方向和纵向位移体积都应增大，宽展自 然应该增加。 2. 随压下量增大，变形区长度增大，金属纵向流动所受到的摩擦阻力 增大，根据最小阻力定律，金属质点沿横向流动应变得更容易，因而宽展也 应增加。二、 轧辊直径的影响 随轧辊直径增大， 宽展量增大。 这是因为随轧辊直径增大， 变形区长度增加， 金属纵向流动受到的摩擦阻力增大，根据最小阻力定律，此时宽展应增加，相应 的延伸变形应减少。 为什么延伸总是大于宽展？ 轧制时工具形状为圆柱体，必然产生有利于延伸变形的水平分力，它使纵向 摩擦阻力减小，有利于金属纵向变形即使变形区长度与轧制宽度相等，延伸也大 于宽展。 三、 轧件宽度的影响 实验证明，轧件宽度小于某一定值时，随轧件宽度的增加宽展增加；超过此 一定宽度之后， 随轧件宽度的继续增加而宽展减小， 且以后不再对宽展发生影响。 宽展随轧件宽度变化而变化的规律，其实质可作如下说明： 四、 摩擦系数的影响 实验证明，当其它条件相同时，随摩擦系数增加，宽展增加。 凡是影响摩擦系数的因素，都对宽展产生影响。下面分别进行讨论。 （1）轧辊材质的影响 前面已讲过钢轧辊的摩擦系数比铸铁轧辊要大。 因而在钢轧辊上进行轧制时 的宽展比在铸铁辊上轧制时的要大。所以在实际生产中，若把在铸铁轧辊孔型中 轧制合适的轧件用在同样的钢轧辊孔型上轧制，就会产生过充满现象。 （2）轧制温度的影响 在低温阶段，有氧化铁皮的轧件宽展量远大于无氧化铁皮轧件的宽展。而在 高温阶段（大约 1100℃以上） ，由于氧化铁皮开始起润滑作用，使摩擦系数降低， 因此随温度升高，宽展急剧降低。 （3）轧制速度的影响 通过实验得，在所有压下量条件下，轧制速度由 1m/s 到 2m/s，宽展量有最 大值，当轧制速度大于 3m/s 时，轧制速度提高，宽展保持恒定。 （4）金属化学成分的影响 金属的化学成分主要是通过外摩擦系数的变化来影响宽展的。 合金钢的宽展比碳素钢的宽展大。 按一般公式计算出的宽展，很少考虑合金元素的影响，为了计算合金钢轧制 时的宽展，必须将按一般公式计算所得的宽展量乘以表 7―1 中的影响系数 m。 ?b合 = m × ?b 式中 ?b计 ――按一般公式计算的宽展量； ?b合 ――所计算的合金钢的宽展量； m ――考虑合金元素影响宽展的系数。 五、轧制道次的影响 实验证明，在总压下量相同的情况下，轧制道次越多，总的宽展量越小。因 为用较多道次轧制时，每一道次的压下量均较小，压下量小时，变形区长度小， 金属质点纵向流动的阻力较小， 将有更多金属质点沿纵向流动， 使延伸变形增大， 这样必然导致宽展减小。 六、后张力对宽展的影响实验证明，后张力对宽展有很大影响，而前张力对宽展影响很小。这是因为 轧制的压缩变形主要产生在后滑区。7.4 宽展的计算公式由于影响宽展的因素很多， 一般的公式中很难把所有的影响因素全部考虑进 去，甚至一些主要因素也很难考虑得很正确。下面介绍的几种计算宽展的公式， 多是根据一定的试验条件总结出来的，所以公式的应用是有条件的，并且计算是 近似的。 一、 若兹公式 德国学者若兹根据实际经验提出如下计算宽展的公式： ?b= β?h 式中 β――宽展系数，可以根据现场经验数据选用。如： 热轧低碳钢（℃） ，β=0.31～0.35 热轧合金钢或高碳钢，β=0.45 在轧制普通碳素钢时，采用不同的孔型，β的取值范围如表 7―1 所示。 若兹公式只考虑了绝对压下量的影响，因此是近似计算，局限性较大。但形 式简单，使用方便，所以在生产中应用较多。 二、 巴赫契诺夫公式 该公式为：?b = 1.15?h ?h ( R ? ?h ? ) 2H 2f式中 f――摩擦系数，用公式 f = k1 k 2 k 3 (1.05 ? 0.0005t ) 计算。 R――轧辊工作半径 H、?h――分别为轧件轧前厚度和压下量 巴赫契诺夫公式考虑了摩擦系数、相对压下量、变形区长度及轧辊形状对宽展的影响。表 7-1 宽 展 系 数用巴赫契诺夫公式计算平辊轧制和箱型孔型中的自由宽展可以得到与实际相接 近的结果，因此可用于实际变形计算中。 彼德诺夫― 三、 彼德诺夫―齐别尔公式 ?h ?b = c R?h H 式中，C 为实际导出的系数，一般为 0.35～0.45。在温度高于 1000℃时或轧制软 钢时取 C=0.35，在温度低于 1000℃或轧制较硬的钢时 C=0.45。 彼德诺夫―齐别尔公式考虑了变形区长度和轧前宽度以及相对压下量对宽 展的影响。 已知轧前轧件断面尺寸 H×B=100×200mm，轧后厚度 h=70mm，轧 例题 辊材质为铸钢，工作直径为 650mm，轧制速度 V=4m/s，轧制温度 t=1100℃，轧 件材质为低碳钢，计算该道次的宽展量。 解：1. 计算摩擦系数 因为轧辊材质为铸钢，所以取 k1=1； 由 v=4m/s，查图得 k2=0.8； 因为轧件材质为低碳钢，所以 k3=1。 故 f=k1k2k3（1.05-0.0005t） =0.8×（1.05-0.）=0.4 计算压下量及变形区长度 Δh=H-h=100-70=30mm；l = R ? ?h =650 × 30 = 98.7 22.按若兹公式计算宽展量 因轧制温度较高，轧件材质又是低碳钢，系数 k 可取上限，即 k=0.35。 故 ?b=k?h=0.35×30=10.5mm。 3.按巴赫契诺夫公式计算宽展量 ?b = 1.15= 1.15 ×?h ?h ( R ? ?h ? ) 2H 2f30 30 × (98.7 ? ) = 10.6mm 2 × 100 2 × 0.4 4.按彼德诺夫――齐别尔公式计算宽展量 因 t＞1000℃，又是低碳钢，取系数 c=0.35， ?h ?b = c R ? ?h H 30 = 0.35 × × 98.7 = 10.4mm 1007.5 孔型中轧制时的宽展特点图 7-10 中，a 为简单轧制情况，其余均为孔型中轧制的情况。由图中可以看 出，孔型中轧制的变形与简单轧制情况相比较，有如下―系列的特点。7-10 孔型中轧制与简单轧制比较一、在孔型中轧制时，沿轧件宽度的压下量不均匀 如图 7-10 所示，当方坯进椭圆孔型时，压下量沿宽度上的分布是不均匀的， 因而沿孔型宽度，轧件各部份金属的自然延伸也应该不均匀 二 、轧件与轧辊接触的非同时性 变形区长度沿轧件宽度也是变化的。由图 7-11 可清楚地看清这一点。以圆 形轧件进入平辊为例，轧件与轧辊首先在 A 点局部接触，随着轧件继续进入变 形区，B 点及 C 点相继接触轧辊辊面，而侧面的 D 点到最后也不与轧辊接触。 这样，在变形区内除轧件与轧辊表面相接触的接触区外，还存在着非接触区。轧 件与轧辊沿变形区长度不同时接触，并形成非接触区，叫做“接触非同时性”。 关于非同时接触的影响，我们从图（7-11）中清楚地看出来，在图中画出了 与轧辊轴线平行的变形区内若干的横断面。 三、 孔型形状的影响，凸起及侧壁的作用。在孔型中轧制时，除摩擦阻力 外，还存在着孔型侧壁的侧向力的作用。图 7-11 接触的非同时性例如，菱形孔型就如前述的凹形工具一样，而切入孔则如凸形工具。如图 15-12 所示，在菱形孔中，横向变形阻力为摩擦阻力与压力的水平分量之和图 7-12 孔型形状对宽展的影响 (a)菱形孔；(b)切入孔四、 孔型中轧制时有速度差现象 如图 15-13 所示，在孔型中轧制时，由于轧辊工作直径不同，轧件各点的自 然出辊速度应该不同。 由上述孔型中轧制时的变形特点可知，在孔型中轧制时的宽展不再是自图 7-13孔型中轧制时的速度差由宽展，而大部分成为强制宽展或限制宽展，并产生局部宽展或拉缩。小结： 小结： 1.掌握宽展及研究宽展的意义。 2.掌握宽展的种类和组成。 3.掌握影响宽展的因素。 4.熟悉计算宽展的公式。 5.掌握孔型中轧制时的宽展特点。8轧制过程中金属的纵变形 前滑 轧制过程中金属的纵变形--前滑与后滑 金属的纵变形 前滑与课型： 课型：新课 教学目的与要求： 教学目的与要求： 1.掌握前滑与后滑的概念。 2.了解除金属在前滑区、后滑区与中性面相对轧辊面的流动情况。 3.熟悉前滑量的计算方法。 4.了解中性面的确定方法。 教学重点与难点： 教学重点与难点： 掌握前滑与后滑的概念、前滑量的计算方法