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1、第十八章第十八章金属塑性变形与流动问题金属塑性变形与流动问题金属塑性成形问题实质上是金属的塑性流动问题。通过流动分析可以金属塑性成形问题实质上是金属的塑性流动问题。通过流动分析可以预测变形体的形状和尺寸，进行工艺和模具设计以及质量分析。但影响预测变形体的形状和尺寸，进行工艺和模具设计以及质量分析。但影响金属塑性流动的因素复杂，目前还难以进行定量描述。本章定性讨论金金属塑性流动的因素复杂，目前还难以进行定量描述。本章定性讨论金属塑性变形和流动的几个基本问题，如最小阻力定律、不均匀变形、附属塑性变形和流动的几个基本问题，如最小阻力定律、不均匀变形、附加应力和残余应力、塑性成形中摩擦与润滑等。加应力
2、和残余应力、塑性成形中摩擦与润滑等。第一节第一节金属流动方向金属流动方向最小阻力定律最小阻力定律 “当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动阻力最小的方向移动”。_古布金古布金 最小阻力定律最小阻力定律:例如，粗糙平板间矩形断面棱柱体镦粗时，由于接触面上质点向四周流动例如，粗糙平板间矩形断面棱柱体镦粗时，由于接触面上质点向四周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，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，金属质点必然沿着这个方向移动。金属质点必然沿着这个方向
3、移动。图图18-1有摩擦矩形断面镦粗不均匀有摩擦矩形断面镦粗不均匀流动模型流动模型再再例例如如，平平砧砧间间拔拔长长是是使使其其截截面面逐逐渐渐减减小小而而长长度度增增加加的的工工序序，其其实实质质是是沿沿坯坯料料长长度度方方向向的的逐逐次次镦镦粗粗，如如图图18-218-2。当当坯坯料料送送进进量量小小于于料料宽宽时时，金金属属轴轴向向延延伸伸大大于于横横向向展展宽宽，拔拔长长效效率率高高，如如图图18-2a18-2a，反反之之采采用用图图18-2b18-2b的送进方式，展宽量大于延伸量，拔长效率低。的送进方式，展宽量大于延伸量，拔长效率低。图图18-2平砧拔长坯料的变形平砧拔长坯料的变形模
4、式模式例例如如开开式式模模锻锻，如如图图18-318-3，增增加加金金属属流流向向飞飞边边的的阻阻力力，以以保保证证金金属属充充填填型腔；或者修磨圆角，减小金属流向型腔；或者修磨圆角，减小金属流向A A腔的阻力，使腔的阻力，使A A腔充填饱满。腔充填饱满。图图18-3开式模锻的金属流动开式模锻的金属流动一、摩擦对金属塑性变形和流动的影响一、摩擦对金属塑性变形和流动的影响 第二节第二节影响金属塑性变形和流动的因素影响金属塑性变形和流动的因素 在工具与坯料的接触面上由于摩擦力的存在，在一定程度上改变了金属的流在工具与坯料的接触面上由于摩擦力的存在，在一定程度上改变了金属的流动特性。动特性。图图18
5、-4无摩擦矩形断面镦粗放射形模型无摩擦矩形断面镦粗放射形模型1 1、矩形断面的棱柱体在平板间矩形断面的棱柱体在平板间镦粗无摩擦。镦粗无摩擦。2 2、环形零件镦粗时由于摩擦的作、环形零件镦粗时由于摩擦的作用，还会改变金属质点的流动方用，还会改变金属质点的流动方向。向。二、工具形状对金属塑性变形和流动的影响二、工具形状对金属塑性变形和流动的影响 工具形状是影响金属塑性流动的重要因素。工具形状不同，各个方工具形状是影响金属塑性流动的重要因素。工具形状不同，各个方向的流动阻力不一样。向的流动阻力不一样。a）b）c）图图18-5型砧拔长型砧拔长a)圆型砧圆型砧b)V型砧型砧c)凸型砧凸型砧在在圆圆弧弧形
6、形砧砧上上或或V V型型砧砧中中拔拔长长圆圆截截面面坯坯料料时时，如如图图18-518-5，由由于于工工具具的的侧侧面面压压力力使使金金属属沿沿横横向向流流动动受受到到阻阻碍碍，金金属属大大量量沿沿轴轴向向流流动动。在在凸凸弧弧形形砧砧上上，正正好好相相反反，加加大大横横向向流流动动。模模锻锻制制坯坯时时，为为提提高高滚滚挤挤和和拔拔长长的的效效率率，采采用用闭闭式式滚滚挤挤和和闭闭式式拔拔长长模模膛膛，利利用用前前一一种种流流动动模模式式；叉叉形形件件模模锻锻时时金金属属被被劈劈料料台台分分开开则则利利用用后一种流动模式。后一种流动模式。利用工具的不同形状，除了可以控制金属的流动方向外，还利
7、用工具的不同形状，除了可以控制金属的流动方向外，还可以在坯料内产生不同的应力状态，使局部金属先满足屈服准可以在坯料内产生不同的应力状态，使局部金属先满足屈服准则而进入塑性状态，以达到控制塑性变形区的作用。或者造成则而进入塑性状态，以达到控制塑性变形区的作用。或者造成不同的静水压力，来改变材料在该状态下的塑性。不同的静水压力，来改变材料在该状态下的塑性。刚端对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动。例如拔长时，刚端对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动。例如拔长时，砧子下面局部坯料镦粗，变形受到刚端部分的影响，其横向流动小于同砧子下面局部坯料镦粗，变形受到刚端部分的影响，其横向流动小于同等
8、条件下的自由镦粗。等条件下的自由镦粗。三、金属各部分之间的关系对塑性变形和流动的影响三、金属各部分之间的关系对塑性变形和流动的影响在塑性变形时，为保持变形体的完整性和连续性，变形体各部分之在塑性变形时，为保持变形体的完整性和连续性，变形体各部分之间通过内力的作用，对塑性变形和流动产生一定的影响，包括未变形的间通过内力的作用，对塑性变形和流动产生一定的影响，包括未变形的金属（俗称为金属（俗称为“刚端刚端”）对变形区金属的影响和变形金属相互之间的影）对变形区金属的影响和变形金属相互之间的影响。响。拔长时外端的影响拔长时外端的影响 外端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
9、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就受到外端的制约。开式冲孔中的开式冲孔中的“拉缩拉缩”以上分别讨论了各个因素对金属塑性变形和流动的影响，而在实际以上分别讨论了各个因素对金属塑性变形和流动的影响，而在实际生产中常常是多因素的共同作用，因此，必须考虑各个可能方向上的阻生产中常常是多因素的共同作用，因此，必须考虑各个可能方向上的阻力情况，才能正确分析金属流动问题。掌握了塑性变形时金属流动规律，力情况，才能正确分析金属流动问题。掌握了塑性变形时金属流动规律，便可以采取有效的措施，控制各个可能流动方向上的阻力分布，使金
10、属便可以采取有效的措施，控制各个可能流动方向上的阻力分布，使金属按预期的方向流动，以获得所需尺寸和形状的工件。按预期的方向流动，以获得所需尺寸和形状的工件。四、金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响由于金属本身的化学成分、组织和温度的不均匀，会造成金属各部由于金属本身的化学成分、组织和温度的不均匀，会造成金属各部分的变形和流动的差异。分的变形和流动的差异。变形抗力小的部分首先变形，但作为一个整体，变形抗力小的部分首先变形，但作为一个整体，先变形的部分与后变形的部分、变形大的部分与变形小的部分必然彼此先变形的部分与后变形的部分、变形大的部分与变形小的部分必然彼此影响。影响。弯曲变形对外端的影响
11、弯曲变形对外端的影响电电热热局局部部镦镦粗粗原原理理一、不均匀变形一、不均匀变形 第三节第三节不均匀变形、附加应力和残余应力不均匀变形、附加应力和残余应力 塑性成形时，由于金属本身性质的不均匀，摩擦和工具形状的影塑性成形时，由于金属本身性质的不均匀，摩擦和工具形状的影响，不同变形区之间的相互制约，实际上都是不均匀变形。响，不同变形区之间的相互制约，实际上都是不均匀变形。例如：在平砧间镦粗圆柱体例如：在平砧间镦粗圆柱体 图图186圆柱体镦粗时的不均匀变形圆柱体镦粗时的不均匀变形变形前变形后二、附加应力二、附加应力 附加应力是由不均匀变形引起的，同时它又限制了不均匀变形的附加应力是由不均匀变形引起
12、的，同时它又限制了不均匀变形的自由发展，附加应力总是互相平衡成对出现的。自由发展，附加应力总是互相平衡成对出现的。由于变形体各部分之间的不均匀变形受到整体性的限制，在各部分由于变形体各部分之间的不均匀变形受到整体性的限制，在各部分之间必将产生相互平衡的应力，该应力叫之间必将产生相互平衡的应力，该应力叫附加应力附加应力。图图18-7凸肚形轧辊轧制板材的附加应力凸肚形轧辊轧制板材的附加应力挤压的金属流动和纵向应力的分布挤压的金属流动和纵向应力的分布1）金属流动；）金属流动；2）附加应力较小；）附加应力较小；3）附加应力较大）附加应力较大第三类：附加应力是晶粒内部各部分之间的不均匀变形所引起的附加应
13、第三类：附加应力是晶粒内部各部分之间的不均匀变形所引起的附加应 力。力。附加应力通常分为三类：附加应力通常分为三类：第一类：附加应力是变形体内各区域体积之间由不均匀变形引起的互第一类：附加应力是变形体内各区域体积之间由不均匀变形引起的互 相平衡的应力；相平衡的应力；第二类：附加应力是各晶粒之间由于其性质、大小和方位不同，使晶粒之第二类：附加应力是各晶粒之间由于其性质、大小和方位不同，使晶粒之 间产生不均匀变形所引起的附加应力；间产生不均匀变形所引起的附加应力；附加应力的不良后果：附加应力的不良后果：1.使变形体内的应力状态发生变化，应力分布更不均匀使变形体内的应力状态发生变化，应力分布更不均匀
14、 如如 凸肚形轧辊轧制板材。凸肚形轧辊轧制板材。2.2.提提高高了了单单位位变变形形力力 不不均均匀匀变变形形引引起起附附加加应应力力，使使变变形形所消耗的能量增加，从而使单位变形力增高。所消耗的能量增加，从而使单位变形力增高。3.3.使使塑塑性性降降低低，甚甚至至造造成成破破坏坏 挤挤压压制制品品表表面面出出现现周周期期性性的裂纹，是由第一类附加应力形成的残余应力所致。的裂纹，是由第一类附加应力形成的残余应力所致。4.4.造造成成物物体体形形状状歪歪扭扭 如如薄薄板板或或薄薄带带轧轧制制、薄薄壁壁型型材材挤挤压压时出现的镰刀弯、波浪形等。时出现的镰刀弯、波浪形等。5.5.形形成成残残余余应应
15、力力 由由于于附附加加应应力力成成对对出出现现，彼彼此此平平衡衡，只只要要变变形形的的不不均均匀匀状状态态不不消消失失，它它始始终终存存在在，因因此此，当当外外力力去去除后，它仍残留在物体内而形成残余应力。除后，它仍残留在物体内而形成残余应力。三、残余应力三、残余应力引起附加应力的外因去除后，在物体内仍残存的应力叫残余应力。引起附加应力的外因去除后，在物体内仍残存的应力叫残余应力。残残余余应应力力是是弹弹性性应应力力，不不超超过过材材料料的的屈屈服服应应力力，也也是是相相互互平平衡衡成成对对出出现的。现的。（一）残余应力产生的原因（一）残余应力产生的原因1、塑性变形不均匀产生残余应力。、塑性变
16、形不均匀产生残余应力。变变形形不不均均匀匀产产生生附附加加应应力力，变变形形完完成成后后，变变形形不不均均匀匀状状态态不不消消失失，附加应力将残留在物体内而形成残余应力。附加应力将残留在物体内而形成残余应力。一一般般，不不均均匀匀变变形形引引起起的的残残余余应应力力符符号号与与引引起起残残余余应应力力的的塑塑性性应应变变符符号相反。号相反。2、温度不均匀（加热或冷却不均匀）所引起的热应力以及由相变过、温度不均匀（加热或冷却不均匀）所引起的热应力以及由相变过程所引起的组织应力都会引起残余应力。程所引起的组织应力都会引起残余应力。残余应力分类：残余应力分类：第一类残余应力存在于变形体各区域之间；第
17、一类残余应力存在于变形体各区域之间；第二类残余应力存在于各晶粒之间；第二类残余应力存在于各晶粒之间；第三类残余应力存在于晶粒内部。第三类残余应力存在于晶粒内部。（1）具具有有残残余余应应力力的的物物体体再再承承受受塑塑性性变变形形时时，其其应应变变分分布布及及内内部部应应力力分布更不均匀。分布更不均匀。（2）缩缩短短制制品品的的使使用用寿寿命命，当当外外载载作作用用下下的的工工作作应应力力与与残残余余应应力力叠叠加加超过材料的强度时，使零件破坏，设备出现故障。超过材料的强度时，使零件破坏，设备出现故障。（3）使使制制品品的的尺尺寸寸和和形形状状发发生生变变化化，当当残残余余应应力力的的平平衡衡
18、受受到到破破坏坏后后，相应部分的弹性变形也发生变化，从而引起尺寸和形状变化。相应部分的弹性变形也发生变化，从而引起尺寸和形状变化。（4）增加塑性变形抗力，降低塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。增加塑性变形抗力，降低塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。（5）降降低低制制品品表表面面的的耐耐蚀蚀性性，具具有有残残余余应应力力的的金金属属在在酸酸液液中中或或其其他他溶溶液中的溶解速度加快。液中的溶解速度加快。残余应力一般是有害的，特别是表面层中具有残余拉应力的情况。但当残余应力一般是有害的，特别是表面层中具有残余拉应力的情况。但当表面层具有残余压应力时，可以显著提高材料的强度和疲劳强度，反而可表面层具有残余压应力
19、时，可以显著提高材料的强度和疲劳强度，反而可提高其使用性能。提高其使用性能。（二）残余应力引起的后果（二）残余应力引起的后果1 1、热处理法热处理法 采采用用去去应应力力退退火火可可较较彻彻底底地地消消除除残残余余应应力力。对对第第一一类类残残余余应应力力一一般般在在回回复复温温度度下下便便可可大大部部分分消消除除，制制品品的的硬硬化化不不受受影影响响；第第二二类类残残余余应应力力，接接近近再再结结晶晶温温度度也也可可完完全全消消除除；对对第第三三类类残残余余应应力力必必须须在在再再结结晶晶温温度度以以上上才才可消除。在高温下，去应力退火时，应避免晶粒长大，影响其力学性能。可消除。在高温下，去
20、应力退火时，应避免晶粒长大，影响其力学性能。2 2、机械处理方法、机械处理方法 在在制制品品表表面面再再产产生生一一些些表表面面变变形形，使使残残余余应应力力得得到到一一定定程程度度的的释释放放和和松松弛弛，或或者者产产生生新新的的附附加加应应力力以以抵抵消消或或减减弱弱残残余余应应力力。该该法法只只适适合合于于消消除除第一类残余应力，实践证明当表面变形量第一类残余应力，实践证明当表面变形量1.51.53 3左右效果最好。左右效果最好。（三）残余应力的消除方法（三）残余应力的消除方法四、金属的断裂四、金属的断裂金属式样拉伸时断裂的形式金属式样拉伸时断裂的形式1 1、断裂的物理本质、断裂的物理本
21、质1 1）断裂的基本类型）断裂的基本类型韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂和脆性断裂。2 2）微裂纹的形成机理）微裂纹的形成机理微裂纹主要来源：微裂纹主要来源：一、材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微一、材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹锌缺陷；裂纹锌缺陷；二、在塑性变形过程中，由于位播的运动和塞积等原因而形成二、在塑性变形过程中，由于位播的运动和塞积等原因而形成的。的。形成微裂纹的机理形成微裂纹的机理n位错塞积理论位错塞积理论 认为同号位错在前进中认为同号位错在前进中遇到障碍物遇到障碍物(如夹杂、第二如夹杂、第二相和晶界等相和晶界等)而产生塞积，而产生塞积，当塞积
22、到一定程度后，就当塞积到一定程度后，就会在位错塞积群前端产生会在位错塞积群前端产生一个足够大的拉应力从一个足够大的拉应力从而形成微裂纹。而形成微裂纹。n位错反应理论位错反应理论该理论认为两个交叉滑移面的位错在交叉处相遇而形成新该理论认为两个交叉滑移面的位错在交叉处相遇而形成新位错，这些新位错不易运动，当新位错堆积较多时，则形成位错，这些新位错不易运动，当新位错堆积较多时，则形成微裂纹。微裂纹。n位错消毁理论位错消毁理论 该理论认为异号位错在距离很近时两个滑移面上相对滑该理论认为异号位错在距离很近时两个滑移面上相对滑移，则在交错处互毁，形成微裂纹移，则在交错处互毁，形成微裂纹)。n微裂纹形成理论
23、的基本出发点，是认为金属在切应力作用微裂纹形成理论的基本出发点，是认为金属在切应力作用下首先发生位错运动，然后内于不同的原因而造成位错受阻。下首先发生位错运动，然后内于不同的原因而造成位错受阻。由于位错塞积群的弹性应力场中的拉应力而产生小孔隙，孔由于位错塞积群的弹性应力场中的拉应力而产生小孔隙，孔隙积累而形成微裂纹。隙积累而形成微裂纹。实验表明在容易造成位错客积的地方，如晶界；亚晶界、实验表明在容易造成位错客积的地方，如晶界；亚晶界、孪晶界、夹杂物或第二相与其体相交界面等处，通常会首先孪晶界、夹杂物或第二相与其体相交界面等处，通常会首先形成微裂纹。形成微裂纹。n塑性加工中金属的断裂塑性加工中金
24、属的断裂塑性成形中的摩擦特点：1、接触面单位压力高 塑性成形时的摩擦接触面上压力很高，热塑性时达500MPa，钢冷挤压时高达2500MPa。而机械传动中重载轴承的工作压力一般为2040MPa。接触面压力愈高，润滑剂易挤出和失效，降低了润滑效果。2、伴随着塑性变形 塑性成形的摩擦接触面因金属的塑性流动，接触状态不断变化，同时会产生新的接触面。而机械传动是接触面不变的弹性接触。3、在高温下进行 钢材热塑性加工温度一般为8001200，这时，接触表面会产生金属氧化、模具软化、润滑剂分解等复杂的物理化学变化。第四节第四节金属塑性成形中的摩擦和润滑金属塑性成形中的摩擦和润滑一、金属塑性成形中摩擦的特点及
25、其影响1.改变应力状态，增大变形抗力改变应力状态，增大变形抗力 例例如如单单向向压压缩缩时时，若若工工具具与与坯坯料料无无摩摩擦擦存存在在，则则坯坯料料受受单单向向应应力力状状态态；若若存存在在摩摩擦擦时时，则则变变成成三三向向应应力力状状态态，且且使使端端面面压压应应力力增增加加才才能能屈屈服，因而变形抗力增加。服，因而变形抗力增加。2.引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力 在在挤挤压压杆杆件件时时，由由于于挤挤压压筒筒壁壁摩摩擦擦力力的的影影响响，使使坯坯料料边边缘缘处处的的流流动比中间慢，造成边缘受拉伸而中间受压缩的附加应力。动比中间慢，造成边缘受
26、拉伸而中间受压缩的附加应力。3.降低模具寿命降低模具寿命 摩摩擦擦必必然然带带来来磨磨损损，同同时时摩摩擦擦热热引引起起模模具具软软化化，以以及及变变形形抗抗力力增增加加使模具工作应力增加，都会降低模具寿命。使模具工作应力增加，都会降低模具寿命。在多数情况下是有害的，具体表现如下：在多数情况下是有害的，具体表现如下：塑性成形中的摩擦的作用塑性成形中的摩擦的作用 但是在塑性成形中也常常应用摩擦的有益作用。但是在塑性成形中也常常应用摩擦的有益作用。例如，模锻中利用飞边槽桥部的摩擦力来保证模膛充满，滚锻和轧例如，模锻中利用飞边槽桥部的摩擦力来保证模膛充满，滚锻和轧制时依靠足够的摩擦使坯料被咬入轧辊。
27、制时依靠足够的摩擦使坯料被咬入轧辊。二、塑性成形中的摩擦分类及机理二、塑性成形中的摩擦分类及机理（一）塑性成形中的摩擦分类（一）塑性成形中的摩擦分类根根据据塑塑性性成成形形中中坯坯料料与与工工具具表表面面之之间间的的润润滑滑状状态态的的不不同同，摩摩擦擦可可分分为为三三类类，即干摩擦、边界摩擦和流体摩擦，由此还可以派生出混合型摩擦。即干摩擦、边界摩擦和流体摩擦，由此还可以派生出混合型摩擦。1 1、干摩擦、干摩擦 通常所说的干摩擦是指不加任何润滑剂的摩擦。通常所说的干摩擦是指不加任何润滑剂的摩擦。2、边边界界摩摩擦擦 接接触触表表面面之之间间存存在在很很薄薄的的润润滑滑膜膜，凸凸凹凹不不平平的的
28、坯坯料料表表面面凸凸起起部部分分被被压压平平，润润滑滑剂剂被被压压入入凹凹坑坑中中，被被封封存存在在里里面面，如如图图18-8b18-8b。大大多多数数塑塑性性成形的摩擦属于边界摩擦。成形的摩擦属于边界摩擦。3 3、流体摩擦、流体摩擦 两表面的微观凸凹部分不直接接触，完全被润滑剂隔开的润滑两表面的微观凸凹部分不直接接触，完全被润滑剂隔开的润滑叫流体润滑，该状态下的摩擦叫流体摩擦，如图叫流体润滑，该状态下的摩擦叫流体摩擦，如图18-8c18-8c。流体摩擦与干摩擦和边界摩擦有着本质的区别，其摩擦特征与所加润滑剂的流体摩擦与干摩擦和边界摩擦有着本质的区别，其摩擦特征与所加润滑剂的性质和相对速度有关
29、，而与接触表面的状态无关。性质和相对速度有关，而与接触表面的状态无关。图图18-818-8摩擦分类示意图摩擦分类示意图a)干摩擦干摩擦b)边界边界摩擦摩擦c)流体摩擦流体摩擦塑塑性性成成形形过过程程中中的的摩摩擦擦是是非非常常复复杂杂的的，目目前前关关于于摩摩擦擦机机理理（即摩擦产生的原因）有三种学说。（即摩擦产生的原因）有三种学说。图18-9接触表面凹凸不平机械咬合机理示意图（二）摩擦机理（二）摩擦机理1 1、表面凹凸学说、表面凹凸学说 摩擦是由接触面上凹凸形状引起的。经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同程度的微观凸峰和凹坑，当微观粗糙的两表面接触时，一个表面的凸峰可能会陷入另一表面
30、的凹坑，产生机械咬合，2.分子吸附学说分子吸附学说 摩擦是接触面上分子相互吸引的结果摩擦是接触面上分子相互吸引的结果。两接触面越光滑，实际接触面积就越大，分子吸引力就越强，则摩擦力就越大。该学说解释了凸凹学说无法解释的表面越光滑，摩擦力不降低反而提高的现象。3.粘附理论粘附理论 摩擦是接触面上粘接或焊合的结果。摩擦是接触面上粘接或焊合的结果。两表面接触时，若接触面上某些接触点处压力很大，以致发生粘接或焊合，当两表面有相对运动时，需切断粘接或焊合点而产生相对滑动。现代摩擦学理论认为：摩擦力不仅包含有剪切接触面上机械咬合所产生的阻力，而且包含有表面分子吸附作用的吸引力及切断粘接点所产生的阻力。对于
31、流体摩擦，摩擦力主要表现在润滑剂层之间的流动阻力。三、塑性成形时摩擦力的计算三、塑性成形时摩擦力的计算 1.库伦摩擦条件 不考虑接触表面的粘合现象，认为单位面积上的摩擦力与接触面上的正应力成正比，即实际上摩擦切应力不能随的增大而无限地增大，当时接触面将产生塑性流动。此时的极限值为材料真实应力应变曲线上的屈服应力。根据Mises屈服准则，故由式（18-1）可确定摩擦系数的 极限值为 。式（18-1）适合正压力不太大、变形量较小的的冷成形工序。（18-1）2.最大摩擦力条件 当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状态时，摩擦的应力等于坯料塑性流动时的最大切应力，即（18-2）式中，为坯料的流动应力，
32、即屈服应力。根据Mises屈服准则，在轴对称的情况下，在平面变形条件下，式（18-2）适合于热变形3.摩擦力不变条件 认为接触面上的摩擦力不变，是一个常数，即（18-3）式中，称为摩擦因子，上式与式（18-2）相比，当 时，两条件一致。式（18-3）适合于摩擦系数低于最大值的三向应力显著的塑性成形过程，如挤压、变形量大的镦粗、模锻等。1.金属的种类和化学成分 材料的硬度、强度越高，摩擦系数就越小。2.工具表面状态 工具表面越光滑，摩擦系数就越小。若接触表面都非常光滑，分子吸附作用增强，反而会引起摩擦系数的增加，但这种情况，在塑性成形中并不常见。3.变形温度 变形温度对摩擦系数的影响很复杂。因为
33、变形温度变化时，材料的强度、硬度及接触面上氧化膜的性能都会发生变化。一般认为，开始时摩擦系数随温度升高而增加，达到最大值后又随温度升高而降低。4.变形速度 许多实验结果表明，摩擦系数随变形速度增加而有所下降。5.接触面上的单位压力 单位压力较小时，表面分子吸附作用不明显，摩擦系数保持不变，与正压力无关。四、影响摩擦系数的主要因素四、影响摩擦系数的主要因素 由于摩擦的复杂多变性，目前还难以定量化描述各种因素对摩擦系数的影响，只能采用实验的方法推算某特定环境工况的摩擦系数。常用夹钳轧制法、圆环镦粗法，下面介绍圆环镦粗法。五、塑性成形的摩擦系数的测定方法五、塑性成形的摩擦系数的测定方法a)变形前c)
34、摩擦系数大于临界值b)摩擦系数很小或无摩擦圆环镦粗法测定摩擦系数的标定曲线根据实验研究和塑性理论的分析，可将不同摩擦系数下的圆环压缩量与内外径变化关系绘制成曲线，称为摩擦系数标定曲线，（一）塑性成形对润滑剂的要求1）应有良好的耐压性能，在高压下能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态。2）应有良好的耐热性能，在高温下不分解，不失效。3）兼有冷却模具作用，降低模具温度，避免热失效。4）应无腐蚀作用，不应腐蚀金属坯料和模具。5）应对人体无毒，不污染环境。6）应使用、清理方便，来源丰富，价格便宜。六、塑性成形中的润滑六、塑性成形中的润滑润滑是减小摩擦对塑性成形过程不良影响的最有效的措施。润滑的目的是降
35、低接触面上的摩擦力，提高模具寿命（减小磨损，冷却模具）；便于脱模和获得光洁的制品；减小金属不均匀变形，提高金属充满模膛的能力。为实现上述目的，必须采用合适的润滑方式和润滑剂。用于塑性成形的润滑剂有液体润滑剂和固体润滑剂两大类。（二）塑性成形常用润滑剂（二）塑性成形常用润滑剂1、液体润滑剂包括动物油、植物油、矿物油和乳化液等（2）软（熔）化固体润滑剂，在工作温度超过其软（熔）化点时就会变软或熔化，但不会燃烧，不会逸出有害的气体。主要有玻璃、珐琅、天然矿物及无机盐等。此外，皂类和蜡类等有机盐和硬脂酸钠，硬脂酸锌及一般肥皂也常用来作润滑剂。固体润滑剂可以用粉末，但多数制成糊状或悬浮液。2、固体润滑剂
36、 在常温下呈固态。（1）干性固体润滑剂，在变形过程中不改变自身的聚集状态，如石墨、二硫化钼等。1.流体润滑法 坯料与工具之间不直接接触，中间形成足够的润滑膜。在线材拉拔、挤压、轧制时，当模具结构与工艺参数合适，能够产生流体润滑。2.表面磷化皂化处理 当压力很高时，即使加入添加剂，润滑剂还是会遭到破坏或被挤掉，而失去润滑作用。因此，须将坯料表面进行磷化处理，即在坯料表面用化学方法制成一层磷酸盐或草酸盐膜，这种磷化膜是由细小片状的无机盐结晶组成的，呈多孔状态，对润滑剂有吸附作用。膜厚一般约为1020m，与金属结合力强且有塑性，可与金属坯料一起变形。磷化后进行润滑处理，常用硬脂酸钠、肥皂等，故称为皂化。3.表面镀软金属 对于变形抗力大的金属坯料，一般的润滑剂易挤出，这时可在金属表面电镀一薄层软金属，如铜或锌，它与金属结合好、变形抗力小、延伸性好，在变形过程中可将坯料与工具隔开，起润滑作用，但成本较高。（四）塑性成形的润滑方法（四）塑性成形的润滑方法