擠壓變形流動(dòng)與組織課件

金屬擠壓變形金屬擠壓變形、流動(dòng)和組織（部分）2.擠壓時(shí)金屬的變形流動(dòng)主要內(nèi)容：金屬變形流動(dòng)及擠壓力的變化特征；正、反向擠壓時(shí)金屬的變形流動(dòng)特點(diǎn)，擠壓制品的組織特點(diǎn)，擠壓力的變化規(guī)律；影響金屬流動(dòng)的因素分析。難點(diǎn)：擠壓時(shí)的應(yīng)力與變形分析，擠壓縮尾的產(chǎn)生機(jī)理，反向擠壓時(shí)的擠壓力變化分析，反向擠壓時(shí)的縮尾、紡錘體核組織、粗晶芯與粗晶環(huán)。重要概念：填充系數(shù)，擠壓比，難變形區(qū)，死區(qū)，擠壓縮尾，紡錘體核組織，粗晶芯，變形區(qū)壓縮錐。目的和要求：掌握擠壓過程三個(gè)階段的含義、擠壓力的變化規(guī)律；填充系數(shù)的意義及其對(duì)制品質(zhì)量的影響；擠壓時(shí)金屬的變形流動(dòng)特點(diǎn)；擠壓縮尾的概念及產(chǎn)生原因。2.1.1填充擠壓階段金屬的變形流動(dòng)2.1.1.1金屬變形流動(dòng)特點(diǎn)金屬發(fā)生橫向流動(dòng)，出現(xiàn)單鼓或雙鼓變形（見圖2-2）。其變形指數(shù)——用填充系數(shù)λc

來表示：λc=F0

/Fp

（2-1）2.1.1.2擠壓力的變化規(guī)律隨著擠壓桿的向前移動(dòng)，擠壓力呈直線上升。圖2-2填充擠壓時(shí)金屬的變形2.1.1.3金屬受力分析（見圖2-3）

圖2-3填充擠壓階段錠坯的受力狀態(tài)

隨著填充過程中錠坯直徑增大，在錠坯的表面層出現(xiàn)了阻礙其自由增大的周向附加拉應(yīng)力。

隨著填充過程進(jìn)行，錠坯長度縮短，直徑增大，中間部分首先與擠壓筒壁接觸，由于摩擦作用，從而在表面層出現(xiàn)了阻礙金屬向前后兩個(gè)空間流動(dòng)的縱向附加拉應(yīng)力。2.1.2基本擠壓階段金屬的變形與應(yīng)力2.1.2.1金屬變形流動(dòng)特點(diǎn)不發(fā)生橫向流動(dòng)。其變形指數(shù)——用擠壓比λ來表示：λ=F0

/F1

（2-2）2.1.2.2應(yīng)力分布（見圖2-4）

（1）軸向應(yīng)力σL

σL

邊

>σL中

σL入

>σL出

（2）徑向應(yīng)力σr與周向應(yīng)力σθ

σr中>σr邊

σr入>σr出σθ中>σθ邊

σθ入>σθ出2.1.2.3金屬的變形及流動(dòng)——用坐標(biāo)網(wǎng)格法分析（見圖2-5）A、縱向網(wǎng)格線的變化（1）變形前后均保持平行直線，間距仍相等。（2）每條線（除中間一條外）發(fā)生了兩次方向相反的彎曲。各條線的彎曲角度不同，外大內(nèi)小。（3）在擠壓制品的最前端，除了中間一條外，其它線分別向外彎曲。擠壓變形區(qū)：分別連接各條線的兩個(gè)拐點(diǎn)，形成兩個(gè)曲面。把這兩個(gè)曲面與?？族F面或死區(qū)界面間包圍的體積稱為擠壓變形區(qū)或變形區(qū)壓縮錐（見圖2-5中虛線）。

B、橫向網(wǎng)格線變化（1）靠近擠壓墊一方部分橫向線未變化；（2）進(jìn)入變形區(qū)后橫向線向前發(fā)生彎曲，越靠近模孔，彎曲越大，出?？缀蟛辉侔l(fā)生變化；（3）出?？缀蟮臋M向線的彎曲程度由前向后逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定；（4）橫向線距離不等，前小后大，最后趨于穩(wěn)定。

C、坐標(biāo)網(wǎng)格的變化（1）變形前為正方形，變形后橫向壓縮、縱向拉長為矩形或平行四邊形；（2）擠壓制品中心部位近似矩形，邊部為平行四邊形；（3）越靠近邊部，平行四邊形的短邊與原橫向線之間的夾角越大。2.1.2.4難變形區(qū)與劇烈變形區(qū)擠壓過程中的難變形區(qū)如圖2-6所示。圖2-6擠壓筒內(nèi)的金屬難變形區(qū)a-平模擠壓；b-錐模擠壓A、前端難變形區(qū)——死區(qū)

（1）死區(qū)概念：在基本擠壓階段，位于擠壓筒與模子端面交界處的金屬，基本上不發(fā)生塑性變形，故稱為死區(qū)。

死區(qū)的的大小和形狀并非絕對(duì)不變化，如圖2-7所示，擠壓過程中，死區(qū)界面上的金屬隨流動(dòng)區(qū)金屬會(huì)逐層流出?？锥纬芍破繁砻?，死區(qū)界面外移，高度減小，體積變小。（2）死區(qū)產(chǎn)生原因：

a、強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，金屬不容易達(dá)到屈服條件；

b、受工具冷卻，σs增大；

c、摩擦阻力大。從能量學(xué)角度來看，金屬沿著圖2-6中adc曲面流動(dòng)所消耗的能量較小。（3）影響死區(qū)大小的因素：

a、模角α模角大，死區(qū)大；

b、摩擦系數(shù)f摩擦系數(shù)大，死區(qū)大；

c、擠壓比λ擠壓比大，死區(qū)高度大，但總體積減??；

d、擠壓溫度熱擠壓死區(qū)大，冷擠壓死區(qū)小；

e、擠壓速度v擠壓速度快，死區(qū)?。?/p>

f、金屬的變形抗力σs金屬變形抗力大，死區(qū)大；

g、?？孜恢迷诙嗫啄D壓時(shí)，?？卓拷鼣D壓筒內(nèi)壁，死區(qū)減小。C、劇烈變形區(qū)如圖2-8所示，在變形區(qū)壓縮錐與死區(qū)的交界處，發(fā)生強(qiáng)烈的剪切變形，使晶粒破碎非常嚴(yán)重。這一部分金屬流出模孔后位于制品的表面層，造成制品內(nèi)外層晶粒大小不同，外層細(xì)小，內(nèi)層粗大，從而造成機(jī)械性能不均勻。在熱處理后易形成粗晶環(huán)。圖2-8一次擠壓棒材金屬流動(dòng)情況圖2-9擠壓墊進(jìn)入變形區(qū)示意圖

終了擠壓階段特點(diǎn)：（1）金屬的橫向流動(dòng)劇烈增加，并產(chǎn)生環(huán)流；（2）擠壓力進(jìn)一步增加；（3）產(chǎn)生擠壓縮尾。擠壓縮尾：擠壓快要結(jié)束時(shí)，由于金屬的徑向流動(dòng)及環(huán)流，錠坯表面的氧化物、潤滑劑及污物、氣泡、偏析榴、裂紋等缺陷進(jìn)入制品內(nèi)部，具有一定規(guī)律的破壞制品組織連續(xù)性、致密性的缺陷。2.1.3.1擠壓縮尾的形式三種：中心縮尾、環(huán)形縮尾、皮下縮尾。

（1）中心縮尾圖2-10正向擠壓棒材中心縮尾

（3）皮下縮尾圖2-12正向擠壓制品皮下縮尾2.1.3.2擠壓縮尾的形成圖2-13擠壓縮尾形成過程示意圖a-中心縮尾；b-環(huán)形縮尾；c-皮下縮尾

A、中心縮尾（1）筒內(nèi)剩余的錠坯高度較小，金屬處于紊流狀態(tài)，徑向流動(dòng)速度增加。（2）將錠坯表面的氧化物、油污等集聚到錠坯的中心部位。（3）進(jìn)入制品內(nèi)部，形成中心縮尾。隨著擠壓過程進(jìn)一步進(jìn)行，徑向流動(dòng)的金屬無法滿足中心部位的短缺，于是在制品中心尾部出現(xiàn)了漏斗狀的空缺，即中空縮尾。

A、中心縮尾（1）筒內(nèi)剩余的錠坯高度較小，金屬處于紊流狀態(tài)，徑向流動(dòng)速度增加。（2）將錠坯表面的氧化物、油污等集聚到錠坯的中心部位。（3）進(jìn)入制品內(nèi)部，形成中心縮尾。隨著擠壓過程進(jìn)一步進(jìn)行，徑向流動(dòng)的金屬無法滿足中心部位的短缺，于是在制品中心尾部出現(xiàn)了漏斗狀的空缺，即中空縮尾。

B、環(huán)形縮尾（1）隨著擠壓過程進(jìn)行，堆積在擠壓墊與擠壓筒角落部位中的帶有各種缺陷和污物的金屬會(huì)越來越多。（2）擠壓末期，當(dāng)中間金屬供應(yīng)不足，邊部金屬開始發(fā)生徑向流動(dòng)時(shí)，這部分金屬將沿著后端難變形區(qū)的邊界進(jìn)入錠坯的中間部位。（3）流入制品中，形成環(huán)形縮尾。擠壓厚壁管材時(shí)，將形成內(nèi)成層。

C、皮下縮尾

（1）死區(qū)與塑性流動(dòng)區(qū)界面因劇烈滑移使金屬受到很大剪切變形而斷裂。（2）表面層帶有氧化物、各種表面缺陷及污物的金屬，會(huì)沿著斷裂面流出。（3）與此同時(shí)，死區(qū)金屬也逐漸流出?？装苍谥破返谋砻嫔?，形成皮下縮尾（外成層）或起皮。2.1.3.3減少擠壓縮尾的措施

（1）對(duì)錠坯表面進(jìn)行機(jī)械加工——車皮。（2）采用熱剝皮擠壓，如圖2-14。

圖2-14擠壓生產(chǎn)線上熱剝皮示意圖

（3）采用脫皮擠壓，如圖2-15。

圖2-15銅合金脫皮擠壓示意圖a-擠壓；b-清除脫皮（4）進(jìn)行不完全擠壓——留壓余。（5）保持?jǐn)D壓墊工作面的清潔，減少錠坯尾部徑向流動(dòng)的可能性。2.2反向擠壓時(shí)金屬的變形流動(dòng)2.2.1坐標(biāo)網(wǎng)格線的變化反向擠壓時(shí)的坐標(biāo)網(wǎng)格線的變化如圖2-16所示。圖2-16反向擠壓的坐標(biāo)網(wǎng)格變化

（1）橫向網(wǎng)格線變形區(qū)中網(wǎng)格線與擠壓筒壁基本垂直，直至?？讜r(shí)才發(fā)生劇烈彎曲。

（2）縱向網(wǎng)格線進(jìn)入變形區(qū)時(shí)的彎曲程度比正向擠壓大得多。

2.2.2變形區(qū)及死區(qū)

（1）死區(qū)死區(qū)很小，緊靠模子端面。死區(qū)的高度約為擠壓筒直徑的1/8~1/4。（2）變形區(qū)

變形區(qū)緊靠模面，集中在?？赘浇Ｗ冃螀^(qū)的高度與摩擦系數(shù)及擠壓溫度有關(guān)，一般小于擠壓筒直徑的1/3。2.2.3金屬流動(dòng)反向擠壓時(shí)，金屬的變形僅集中在模孔附近，在擠壓筒內(nèi)不存在錠坯內(nèi)外層的流速差別，金屬的變形要比正向擠壓均勻得多。在擠壓末期一般也不會(huì)產(chǎn)生金屬環(huán)流現(xiàn)象。

圖2-17是正、反向擠壓棒材軸向主延伸變形的實(shí)測結(jié)果。圖中a是壓出長度為棒材直徑的1倍，b是2倍，c是5倍。圖2-17正、反向擠壓棒材軸向延伸比較

（1）開始擠壓時(shí)，?？赘浇髁现行牟课蛔冃瘟繛?.582，是正擠壓的三倍以上。（2）隨著被擠出棒材長度從1d棒—2d棒——5d棒，正擠壓中心部位的主延伸變形程度變化為1.767—3.904—6.32，反擠壓的為5.582—7.608—8.638。（3）邊部與中心部的主延伸變形之比，正擠壓為1.09/1.767—4.028/3.906—20.44/6.32；反擠壓為1.005/5.582—1.648/7.608—15.55/8.638。2.2.4反向擠壓時(shí)擠壓力的變化通常認(rèn)為，反擠壓時(shí)，由于錠坯與擠壓筒之間無摩擦，擠壓力大小與錠坯長度無關(guān)，在擠壓過程中擠壓力不變化。近年來研究發(fā)現(xiàn)，反擠壓棒材時(shí)，隨著擠壓過程的進(jìn)行擠壓力是逐漸增加的，特別是在擠壓后期，增加的較明顯（見圖2-18）。圖2-18正反向擠壓棒材的擠壓力變化1-正擠壓；2-反擠壓主要原因：（1）擠壓力大小與錠坯長度無關(guān)；（2）主延伸變形隨著壓出制品長度的增加而增大，而擠壓力與主延伸變形量大小成正比；（3）在連續(xù)、強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力作用下筒內(nèi)錠坯密度增大，變形抗力提高；（4）溫升小，軟化作用小，加工硬化作用明顯；（5）溫降的影響。反擠壓管材時(shí)，在開始階段，擠壓力呈下降趨勢，隨著擠壓過程進(jìn)行，逐漸趨于穩(wěn)定（見圖2-19）。

主要原因：在內(nèi)部有穿孔針的摩擦作用。隨著筒內(nèi)鑄錠長度縮短，摩擦力逐漸減小。當(dāng)摩擦力減小使擠壓力下降與上述因素使擠壓力升高的作用接近時(shí)，擠壓力將趨于穩(wěn)定。圖2-19正反向擠壓管材的擠壓力變化1-正擠壓；2-反擠壓2.2.5反向擠壓制品的表面質(zhì)量

反擠壓時(shí)死區(qū)體積較小且比較容易參與流動(dòng)，使得錠坯表面層帶有氧化物、臟物等的金屬易流入制品表面或表皮之下，形成起皮、氣泡等缺陷。圖2-20反擠壓錠坯表層流入制品示意圖

2.2.6擠壓縮尾反擠壓時(shí),金屬的變形集中在?？赘浇?并不波及整個(gè)錠坯，變形區(qū)是恒定的且隨著擠壓的進(jìn)行由錠坯的前端逐漸向后端推移，前端的金屬流出模孔，滯后的金屬卻沒有發(fā)生擠壓變形。這種流動(dòng)特征，不可能將邊部帶有臟物及缺陷的金屬帶進(jìn)制品中，也就不會(huì)形成環(huán)形縮尾。故反擠壓只有中心縮尾和皮下縮尾。

（1）中心縮尾當(dāng)擠壓過程即將終了時(shí)，擠壓筒內(nèi)可供流出的金屬嚴(yán)重不足，越來越難于充滿制品的中心部位，便形成了漏斗狀的中空縮尾（見圖2-21）。（2）皮下縮尾在反向擠壓過程中，即使在穩(wěn)定的擠壓階段也有可能形成明顯的皮下縮尾。

圖2-21反擠壓棒材的中心縮尾2.2.7紡錘體核組織單孔反向擠壓棒材，在切尾約300mm的縮尾處，有沿縱向分布的類似“紡錘體”的核組織，如圖2-22所示。圖2-22反擠壓棒材尾端的紡錘體核組織

（1）紡錘形核組織形成機(jī)制：反擠壓后期開始形成漏斗狀縮尾時(shí)，正對(duì)?？字行牟⒕o靠堵頭的金屬基本未產(chǎn)生變形而被邊部流動(dòng)金屬夾持到制品中心。隨后周圍金屬進(jìn)入不足便形成漏斗狀中空縮尾。

（2）組織結(jié)構(gòu)：主要由殘留的鑄造組織和加工組織組成。

（3）紡錘形核組織特征：紡錘體核組織在棒材縱向中心剖面上的形狀不一，有核桃形、棗核形等。

下圖是2A50合金Φ120mm棒材1/8個(gè)紡錘體核立體低倍組織。圖2-231/8個(gè)紡錘體核的立體形態(tài)2.2.8粗晶環(huán)與粗晶芯

反擠壓棒材橫截面邊緣只有較輕微的粗晶環(huán)，深度較正向擠壓的淺得多，晶粒尺寸也小得多。以2A50合金Φ120mm正、反向擠壓棒材為例，正擠壓粗晶環(huán)深度達(dá)26mm，晶粒為7.5級(jí)；反擠壓的深度不大于15mm，晶粒僅為3級(jí)。如圖2-24所示。

a

b圖2-24正反向擠壓棒材的粗晶環(huán)

a-正擠壓；b-反擠壓反擠壓棒材縱向低倍組織上，沿中心縮尾邊緣一直向前延伸，有一個(gè)特殊的粗晶區(qū)—粗晶芯，這是正擠壓所沒有的組織特征。在擠壓后期，在中心金屬補(bǔ)充困難的情況下，?？讉?cè)面金屬夾持著沿堵頭表面徑向流動(dòng)的金屬進(jìn)入棒材尾部中心，這部分金屬受表面摩擦作用，在淬火后形成粗大晶粒。2.3影響金屬流動(dòng)的因素2.3.1接觸摩擦及潤滑的影響摩擦是產(chǎn)生金屬流動(dòng)不均的主要原因,以擠壓筒壁影響最大。潤滑可減少摩擦，減少金屬流動(dòng)不均，并可以防止