金屬體積塑性成形過程表面積演化的宏微觀規(guī)律.pdf

1、金屬材料在塑性變形過程中的體積、表面積以及表面形貌等幾何特性參數(shù)與塑性變形本身密切相關(guān)，且存在著復(fù)雜的相互關(guān)系。經(jīng)典塑性理論認(rèn)為，致密金屬塑性變形過程中的體積保持不變，該假設(shè)已在實踐中得到大量驗證，并在有限元模擬等理論分析以及生產(chǎn)現(xiàn)場的坯料計算等場合得到應(yīng)用。但迄今為止，對于金屬塑性變形過程表面積變化的研究很少，一些基礎(chǔ)性的問題如表面積的變化規(guī)律及其宏、微觀演化機(jī)制仍然缺乏深入認(rèn)識。事實上，金屬塑性變形過程中坯料的表面積不僅是變化的，在

2、鍛造、擠壓等體積成形中的變化程度還很大，同時這種變化對于金屬的塑性流動、表面摩擦特性及潤滑劑的使用狀態(tài)、坯料與環(huán)境的熱交換、坯料表面氧化狀態(tài)以及制件的表面質(zhì)量等，都有著直接影響。本文對金屬體積塑性成形過程的表面積變化規(guī)律進(jìn)行了研究，以期從宏、微觀的多尺度系統(tǒng)認(rèn)識塑性成形過程中坯料表面積變化的基本規(guī)律。首先，總結(jié)了金屬塑性變形過程中主要幾何特性參數(shù)演化的研究現(xiàn)狀；其次，選擇圓柱體這一典型幾何體的鐓粗成形基礎(chǔ)工序，結(jié)合數(shù)值模擬和物理實驗研究

3、了變形過程的宏觀表面積的變化規(guī)律；通過物理實驗，研究了金屬壓縮和拉伸過程微觀表面狀態(tài)的變化機(jī)制；最后，探討了一個實際生產(chǎn)中的微車曲軸鍛件成形過程表面積的變化情況。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①通過對圓柱體這一典型規(guī)則幾何體鐓粗成形過程的解析分析，發(fā)現(xiàn)坯料總表面積呈先減小、后增加的規(guī)律，當(dāng)高徑比k等于1時（即最接近球體），總表面積最小，這符合一定體積下球體表面積最小的幾何學(xué)理論。在坯料與上、下砧板不存在摩擦的理想狀態(tài)，坯料形狀始終為圓

4、柱體且由于變形體體積不變，可得出表面積 S是關(guān)于圓柱體直徑的二次函數(shù)；對于坯料與上下砧板間存在摩擦的實際情況，雖然摩擦導(dǎo)致“鼓形”，但表面積的變化規(guī)律類似。當(dāng)變形體形狀偏離球形越多（或某維度的幾何尺寸遠(yuǎn)大于或小于其他方向），則表面積越大。②圓柱體鐓粗的數(shù)值模擬和物理實驗表明：總表面積先減小、再增大，而其中側(cè)自由表面積S1為減小，端部與上、下砧板接觸表面積S2為增加；當(dāng)表面積最小時，變形體各方向尺寸都十分接近；坯料與上下砧板間的摩擦增加，

5、則總表面積S改變量減小，側(cè)表面積S1改變量增加，而端部表面積S2改變量減小。摩擦越大，表面積的變化越小。③在一定變形量前，圓柱體壓縮過程的微觀表面積也是先減小、后增加，其微觀機(jī)制主要是由于晶體的自由表面出現(xiàn)了皺褶等現(xiàn)象。④板料拉伸過程中的表面積一直增加，其微觀機(jī)制主要包括晶界的拉裂等。⑤通過對于微車曲軸這一復(fù)雜鍛件鍛造成形過程總表面積的分析，可以認(rèn)為：對于大多數(shù)的體積塑性成形過程，由于坯料在某些方向的尺寸與其他方向尺寸的差異較大、且偏離