塑性成形4-6

1.塑性成形过程中的摩擦有哪些特点？

①伴随有变形金属的塑性流动；

②接触面上压强高；

③实际接触面积大；

④不断有新的摩擦面残生；

⑤常在高温下产生摩擦。

2.简述摩擦对塑性成形的有利和不利影响。

有利的影响：

可以了利用摩擦阻力来控制金属的流动方向。例如，在开始模锻时利用飞边桥部的摩擦力来保证金属充填模膛；辊锻和轧制是凭借足够的摩擦力使坯料被咬入轧辊等。

不利的影响：

①盖面变形体内应力状态，增大变形抗力；

②引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力；

③降低模具寿命。

3.塑性成形中的摩擦分为哪几类？

①干摩擦：当变形金属与工具之间的接触表面上不存在任何外来的介质，即直接接触时所产生的摩擦称为干摩擦；

②边界摩擦：接触表面被单分子膜隔开状态，即边界润滑状态下产生的摩擦；

③流体摩擦：当变形金属与工具表面之间的润滑剂层较厚，两表面完全被润滑剂隔开，此时的润滑状态称为流体润滑，这种状态下的摩擦称为流体摩擦。

4.产生摩擦的机理是什么？

①表面凹凸学说：认为摩擦是由于接触面上的凹凸形状引起的；

②分子吸附学说：认为摩擦产生的原因是由于接触表面上分子之间相互吸引的结果；

③粘着理论：当两个表面接触时，接触面上某些接触点处压力很大，以致发生粘结或焊合，当两表面产生相对运动时，接触点被切断而产生相对滑动。

5.在计算金属塑性成形中的摩擦力时，常采用的摩擦条件有哪几种？

①库伦摩擦条件：不考虑接触面上的粘合现象，认为摩擦符合库伦定律，即摩擦力与接触面上的正压力成正比，其数学表达式为T=μPn或τ=μσ，μ为摩擦系数；

②常摩擦力条件：这一条件认为接触面上的摩擦切应力τ与被加工金属的剪切屈服强度K 成正比，即τ=mK，式中m为摩擦因子，0≤m≤1。

6.简述影响摩擦系数的主要因数。

①金属的种类和化学成分的影响

②工具表面状态的影响：越光滑摩擦系数越小，但非常光滑时，摩擦系数会增加；

③接触面上的单位压力：压力较小时，变化不明显；压力越大，摩擦系数越大；

④变形温度：

⑤变形速度：摩擦系数随变形速度的增加会有所下降。

7.简述用圆环镦粗法测定摩擦系数的原理和方法。P153-154

8.塑性成形对润滑剂有何要求？常用润滑剂有哪些？

塑性成形中使用的润滑剂一般应符合下述要求：

①应有良好的耐压性能②应有良好的耐热性能③应有冷却磨具的作用

④应无腐蚀作用⑤应无毒

⑥应使用、清理方便，并考虑其来源丰富，价格便宜等因素常用的润滑剂有

1)液体润滑剂：矿物油、植物油、动物油、乳液和有机化合物液体等；

2)固体润滑剂：干性固体润滑剂(如石墨、二硫化钼、云母等)；软(熔)化型固体润滑剂(如玻璃、珐琅、天然矿物及各种无机盐等)。

第五章塑性成形件质量的定性分析

1.对塑性成形件进行质量分析有何重要意义？

对塑性成形件进行质量分析，是检验成形件的质量的一种手段，能够对成形件作出较为全面的评估，指明成形件能否使用和在使用过程中应该注意的问题，可有效防止不必要的安全事故和经济损失。

2.试述对塑性成形件进行质量分析的一般过程即分析方法。

一般过程：调查原始情况→弄清质量问题→试验研究分析→提出解决措施；

分析方法：低倍组织试验、金相试验及金属变形金属变形流动分析试验。

3.试分别从力学和组织方面分析塑性成形件中产生裂纹的原因。

①力学分析：

能否产生裂纹，与应力状态、应变积累、应变速率及温度等很多因素有关。其中应力状态主要反映力学的条件。

物体在外力的作用下，其内部各点处于一定的应力状态，在不同的方位将作用有不同的正应力及切应力。材料断裂(产生裂纹)形式一般有两种：一是切断，断裂面是平行于最大切应力或最大切应变方向；另一种是正断，断裂面垂直于最大正应力或正应变方向。

塑性成形过程中，材料内部的应力除了由外力引起外，还有由于变形不均匀而引起的附加应力。由于温度不均而引起的温度应力和因组织转变不同时进行而产生的组织应力。这些应力超过极限值时都会使材料发生破坏(产生裂纹)。

1)由外力直接引起的裂纹；

2)由附加应力及残余应力引起的裂纹；

3)由温度应力(热应力)及组织应力引起的裂纹。

②组织分析：

塑性成形中的裂纹一般发生在组织不均匀或带有某些缺陷的材料中，同时，金属的晶界往往是缺陷比较集中的地方，因此，塑性成形件中的裂纹一般产生于晶界或相界处。

1)材料中由冶金和组织缺陷处应力集中而产生裂纹；

2)第二相及夹杂物本身的强度低和塑性低而产生裂纹：a晶界为低熔点物质；b晶界存在脆性的第二相或非金属夹杂物；c第二相为强度低于基体的韧性相；

3)第二相及非金属夹杂与基体之间的力学性能和理化性能上有差异而产生裂纹。

4.防止产生裂纹的原则措施是什么？

1)增加静水压力；

2)选择和控制合适的变形温度和变形速度；

3)采用中间退火，以便消除变形过程中产生的硬化、变形不均匀、残余应力等；

4)提高原材料的质量。

5.什么是钢的奥氏体本质晶粒度和钢的奥氏体实际晶粒度？

钢的奥氏体本质晶粒度是将钢加热到930℃，保温一段时间(一般3—8h)，冷却后在室温下放大100倍观察到的晶粒大小。钢的本事晶粒度一般反映钢的冶金质量，它表征钢的工艺特性；

钢的奥氏体实际晶粒度是指钢加热到某一温度下获得奥氏体晶粒大小。奥氏体实际晶粒度则影响零件的使用性能。

6.晶粒大小对材料的力学性能有何影响？

一般情况下，晶粒细化可以提高金属材料的屈服强度、疲劳强度、塑性和冲击韧度，降低钢的脆性转变温度。

7.影响晶粒大小的主要因素有哪些？这些因素是如何影响晶粒大小的？

对于热加工过程来说，变形温度、变形程度和机械阻碍物是影响形核速度和长大速度的三个基本参数。下面讨论这三个基本参数对晶粒大小的影响。

1)加热温度(包括塑性变形前的加热温度和固溶处理时的加热温度)

温度对原子的扩散能力有重要影响。随着温度的升高，原子(特别是晶界原子)的移动、扩散能力不断增强，晶粒之间并吞速度加剧，晶粒的这种长大可以在很短的时间内完成。所以晶粒随温度升高而长大是一种必然现象。

2)变形程度

热变形的晶粒大小与变形程度之间

的关系和5-17相似。

第一个大晶粒区，叫临界变形区。临

界变形区是属于一种小变形量范围。因为

其变形量小，金属内部只是局部地区受到

变形。在再结晶时，这些受到变形的局部

地区会产生再结晶核心，由于产生的核心数目不多，这些为数不多的核心将不断长大直到它们互相接触，结果获得了粗大晶粒。

当变形量大于临界变形程度时，金属内部均产生了较大的塑性变形，由于具有了较高的畸变能，因而再结晶时能同时形成较多的再结晶核心，这些核心稍微长大就相互解除了，所以再结晶后获得了细晶粒。

当变形量足够大时，出现了第二个大晶粒区。该区的粗大晶粒与临界变形时所产生的大晶粒不同。一般认为，该区是在变形时先形成变形织构，经再结晶后形成了织构大晶粒所致。可能的原因还可能是：

①由于变形程度大(90%以上)，内部产生很大的热效应，引起锻件实际变形温度大幅度升高；

②由于变形程度大，使那些沿晶界分布的杂质破碎并分散，造成变形的晶粒与晶粒之间局部地区直接接触(与织构的区别在于这时相互接触的晶粒位向差可以是比较大的)，从而促使形成大晶粒。

3)机械阻碍物

机械阻碍物的存在形式分两类：一类是钢在冶炼凝固时从液相直接析出的，颗粒比较大，成偏析或统计分布；另一类是钢凝固后，在继续冷却过程中从奥氏体晶粒内析出的，颗粒十分细小，分布在晶界上。后一类比前一类的阻碍作用大得多。

机械阻碍物的作用主要表现在对晶界的钉扎作用上。

一旦机械阻碍物溶入晶内时，晶界上就不存在机械阻碍作用了，晶粒便可立即长大到与所处温度对应的晶粒大小。

对晶粒的影响，除以上三个基本因素外，还有变形速度、原始晶粒度和化学成分等。

8.细化晶粒的主要途径有哪些？

①在原材料冶炼时加入一些合金元素(如钽、铌、锆、钼、钨、钒、钛等)及最终采用铝、钛等作脱氧剂。它们的细化作用主要在于：当液态金属凝固时，那些高熔点化合物起弥散的结晶核心作用，从而保证获得极细晶粒。此外这些化合物同时又都起到机械阻碍的作用，是已形成的细晶粒不易长大。

②采用适当的变形程度和变形温度。塑性变形时应恰当控制最高变形温度(既要考虑加热温度，也要考虑到热效应引起的升温)，以免发生聚集再结晶。如果变形量较小时，应适当降低变形温度。

③采用锻后正火(或退火)等相变重结晶的方法。必要时利用奥氏体再结晶规律进行高温正火来细化晶粒。

9.折叠有哪些特征？锻件中的折叠一般具有以下特征：

①折叠与周围金属流线方向一致(5-22)；

②折叠尾端一般呈小圆角或枝杈形(鸡爪形)(5-23,5-24)；

③折叠两侧有较重的脱碳、氧化现象。

10.试述折叠的类型和形成原因。(P174-177)

①由两股(或多股)金属对流汇合而形成的折叠;

②由一股金属的急速大量流动将邻近部分的表层金属带着流动，两者汇合而形成的折叠；③由于变形金属发生弯曲、回流而形成的折叠；

④部分金属局部变形，被压入另一部分金属内而形成的折叠。

11.什么是塑性失稳？拉伸失稳与压缩失稳有什么本质区别？

塑性失稳：在塑性加工中，当材料所受载荷达到某一临界值后，即使载荷下降，塑性变形还会继续，这种现象称为塑性失稳。

压缩失稳的主要影响因素是刚度参数，它在塑性成形中主要表现为坯料的弯曲和起皱，在弹性和塑性变形范围内都可能产生；

拉伸失稳的主要影响因素是强度参数，它主要表现为明显的非均匀伸长变形，在坯料上产生局部变薄或变细的现象，其进一步发展是坯料的拉断和破裂，它只产生于塑性变形范围内。

12.单向拉伸时，塑性失稳有何特点？(P178-179)当时，而且标距内的试样横截面积相等，

n ＜∈变形将是均匀的。当时，出现缩颈，由于缩颈

n ＞∈处的加工硬化不能补偿横截面积的减小，使变形集中在缩颈处，而其他截面的变形几乎不再增长。因此

处就是单向拉伸时的失稳点。

n =∈

13.杆件的塑性压缩失稳与板料的塑性压缩失稳其表现形式有何不同？

杆件的压缩失稳表现为弯曲；板料的压缩失稳表现为起皱

14.塑性压缩失稳的临界压应力与那些因素有关？(P180-184)

15.在板料拉深中，引起法兰变形区起皱的原因是什么？在生产实践中，如何防止法兰变形区的起皱？

原因：压缩力引起的失稳起皱。成形过程中变形区坯料的径向拉应力和切向压应力1σ的平面应力状态下变形，当切向压应力达到失稳临界值时，坯料将产生失稳起皱。

3σ3σ防止方法：加设压边圈。

第六章主应力法及其应用

1.主应力法的基本原理和求解要点是什么？

主应力法的实质是将应力平衡微分方程和屈服方程联立求解。但为使问题简化，采用以下基本假设：

1)把问题简化成平面问题或轴对称问题。对于形状复杂的变形，则根据金属流动的情况，将其划分成若干部分，每一部分分别按平面问题或轴对称问题求解，然后“拼合”在一起，即得到整个问题的解。

2)根据金属的流动趋向和所选取的坐标系，对变形体截取包括接触面在内的基元体或基元板块，切面上的正应力假定为主应力，且均匀分布(即与一坐标轴无关)。由于已将实际问题归结为平面问题或轴对称问题，所以各正应力分量仅随单一坐标变化，对该基元体所建立的平衡微分方程，简化为常微分方程。

3)由于以任意应力分量表示的屈服方程是非线性的，即使对于平面问题或轴对称问题，也难以将其与平衡微分方程联解。因此，在对该基元体或基元板块列屈服方程时，假定其各坐标平面上作用的正应力即为主应力，而不考虑面上的切应力(包括摩擦切应力)对材料屈服方程的影响。这样，就可以将屈服方程简化为线性方程。

将上述简化的平衡微分方程和屈服方程联立求解，并应用应力边界条件确定积分常数，以求得接触面上的应力分布，进而求的变形力等，这就是主应力法。

2.实测和理论推导都证明，圆柱体镦粗时接触表面中心处压应力最大，而边缘处最小，z σ而且m 或d/h 越大，则中心处的也越大，试从物理概念出发解释此现象。

z σ

4.在平砧上镦粗长矩形截面的钢坯，其宽度为a，高度为h，长度l＞＞a，若接触面上的摩擦条件符合库伦摩擦定律，试用主应力法推导单位流动压力p的表达式。

5.一圆柱体，侧面作用有均布压应力，

0σ试用主应力法求镦粗力P 和单位流动压力

p(见图6-17)，设=mY/2.τ

6.试求圆锥凹模拉拔圆棒时的单位拉拔力(采用球坐标，见图6-18)。已知按绝对值列出的近似屈服方程为。

Y p r =+σ