#《材料塑性加工原理》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)一金屬塑性變形力學(xué)特點(diǎn)（綜合性實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)定材料的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線，并與名義應(yīng)力—應(yīng)變曲線進(jìn)行比較。2、采用一元線性回歸的方法，求出材料的形變強(qiáng)化指數(shù)。3、進(jìn)一步掌握有關(guān)設(shè)備、儀器的使用、操作方法。二、實(shí)驗(yàn)基本原理斷裂力學(xué)中裂紋前方的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、裂紋尖端的鈍化特性及擴(kuò)展規(guī)律、在大變形條件下工作的構(gòu)件與材料的變形與斷裂行為、材料的塑性成型加工工藝都離不開(kāi)對(duì)材料的塑性變形規(guī)律以及強(qiáng)化特性的了解和認(rèn)識(shí)。材料的塑性變形規(guī)律以及強(qiáng)化特性參數(shù)主要是通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)及其數(shù)據(jù)處理得到的，即本實(shí)驗(yàn)要進(jìn)行的材料的真應(yīng)力一真應(yīng)變曲線及形變強(qiáng)化指數(shù)的測(cè)定。材料性能的測(cè)試是通過(guò)試樣進(jìn)行的，試樣制備是試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6397-86對(duì)此有詳細(xì)的規(guī)定。本試驗(yàn)采用圓棒試樣，如圖1所示。試樣的工作部分應(yīng)保持均勻光滑以確保材料的單向應(yīng)力狀態(tài)。均勻部分的有效工作長(zhǎng)度上稱為標(biāo)距，在本試驗(yàn)中由引伸計(jì)刀口的距離確定，參見(jiàn)圖1,初始標(biāo)距,=50mm，,和4分別為工作部分的初始直徑和初始面積。試樣的過(guò)渡部分應(yīng)有適當(dāng)?shù)膱A角以降低應(yīng)力集中，兩端的夾持部分用以傳遞載荷，其形狀與尺寸應(yīng)與試驗(yàn)機(jī)的鉗口相匹配。引伸計(jì)刀口圖1圓棒拉伸試樣簡(jiǎn)圖1.真應(yīng)力一真應(yīng)變曲線在拉伸過(guò)程中由于試樣任一瞬時(shí)的面積4和標(biāo)距/（「+G隨時(shí)都在變化，而名義應(yīng)力°和l=l+△l °0名義應(yīng)變,是按初始面積4和1標(biāo)距計(jì)算的，因此0 0任一瞬時(shí)的真實(shí)應(yīng)力S和真實(shí)應(yīng)變e與相應(yīng)的°和8之間都存在著差異，進(jìn)入塑性以后這種差異逐O漸增大。在均勻變形階段，真實(shí)應(yīng)力S的定義為Js=P/4根據(jù)塑性變形體積v不變的假設(shè)（vAI4），有V V=41=4100s=Pl/Al=°（1+8）

00真實(shí)應(yīng)變6（也叫對(duì)數(shù)應(yīng)變）的定義為dl1e= =ln =ln(1+e)l0 0將上式展開(kāi)：82 83e=8——+——...2 3這說(shuō)明在均勻變形的范圍內(nèi)，真應(yīng)力恒大于名義應(yīng)力，而真應(yīng)變恒小于名義應(yīng)變。在彈性階段由于應(yīng)變值極小，二者的差異極小，沒(méi)有必要加以區(qū)分。.形變強(qiáng)化指數(shù)實(shí)驗(yàn)表明，大多數(shù)金屬材料的真應(yīng)力一真應(yīng)變關(guān)系可近似用Hollomon公式(即冪強(qiáng)化關(guān)系)描述：s=Ken式中〃即為形變強(qiáng)化指數(shù)，是表征材料形變強(qiáng)化In能力的一個(gè)指標(biāo)，也是斷裂力學(xué)、塑性力學(xué)分析計(jì)算的重要材料參數(shù)，K為另一個(gè)參數(shù)。將Hollomon公式兩端取對(duì)數(shù)后得ln(s)=ln(K)+nln(e)說(shuō)明冪強(qiáng)化關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下為一直線，其斜率即為材料的形變強(qiáng)化指數(shù)，用一元線性回歸對(duì)均勻變形階段的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，即可求得〃值。.最大均勻變形與頸縮分析在拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣出現(xiàn)均勻變形階段的前提是材料具有足夠的形變強(qiáng)化能力。在最大載荷（P=s3處有dP=Ads+sdA=0，即一dA/A=ds/s另外按塑性變形體積不變（dV-Adl十ldA-0）的假設(shè)\可以寫出：—dA/A=dl/1=de結(jié)合以上兩式，有s.d“加，代入Hollomon公式s-cistie求導(dǎo)以后的關(guān)系式ds/de-nKen-1，可得senix.ene-n這個(gè)關(guān)系說(shuō)明對(duì)于真應(yīng)力一真應(yīng)變關(guān)系符合Hollomon關(guān)系的材料，其最大均勻變形在數(shù)值上等于形變強(qiáng)化指數(shù)。在頸縮階段，雖然載荷下降了，但頸縮區(qū)的

材料仍在繼續(xù)強(qiáng)化，換言之，真應(yīng)力必須不斷提高，變形才有可能繼續(xù)增加。頸縮區(qū)的幾何形狀類似于一個(gè)環(huán)形的缺口，頸縮區(qū)中心材料的橫向收縮受到周圍部分的約束，從而產(chǎn)生三向拉應(yīng)力狀態(tài)，使得應(yīng)力提高。頸縮區(qū)的應(yīng)力可采用Bridgman公式進(jìn)行修正：sln[l+a—I2RJ式中AP/?！?,〃為頸縮區(qū)最小截面的半徑，尺為頸S—P/兒a2a R縮區(qū)輪廓線的曲率半徑，如圖2所示。圖2圖21b他示圖33、應(yīng)變片式引伸計(jì)（初始標(biāo)距l(xiāng)=50mm）。4、游標(biāo)卡尺。 l四、實(shí)驗(yàn)主要技術(shù)指標(biāo)三、所需的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1、電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)WDW-100A。2、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)。1、計(jì)算各點(diǎn)的0、八s、e。2、在同一坐標(biāo)紙中分別畫出。-和s-e曲線，標(biāo)出刻度。3、用一元線性回歸公式求出材料的形變強(qiáng)化指數(shù)，給出標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)。五、實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求（一）實(shí)驗(yàn)方案的制定（1）材料種類的確定。（2）試樣形狀及其尺寸的確定（3）加載條件（加載速率、實(shí)驗(yàn)溫度等）的確定。（二）試樣制備（1）材料的選擇與拉伸試樣的制備（2）試驗(yàn)尺寸的測(cè)定（三）材料變形力學(xué)性能特點(diǎn)表征根據(jù)要求測(cè)定材料的o、八s、e，分別畫出or和s-e曲線，標(biāo)出刻度以及形變強(qiáng)化指數(shù)〃。六、實(shí)驗(yàn)任務(wù)書撰寫要求1、綜合性實(shí)驗(yàn)課題2、實(shí)驗(yàn)原理：敘述確定材料的理由、實(shí)驗(yàn)原理、獲取真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變與硬化指數(shù)的原理。3、性能指標(biāo)要求4、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（1）將實(shí)驗(yàn)的工藝制度、測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和數(shù)據(jù)處理。（2）查閱文獻(xiàn)資料，利用學(xué)過(guò)的有關(guān)理論知識(shí)解釋自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（3）根據(jù)方案和實(shí)驗(yàn)要求寫出綜合性實(shí)驗(yàn)報(bào)告。附錄試驗(yàn)機(jī)操作步驟.原始尺寸測(cè)量：測(cè)量試樣直徑d:在標(biāo)距中央0及兩條標(biāo)距線附近各取一截面進(jìn)行測(cè)量，每截面沿互相垂直方向各測(cè)一次取平均值，d采用三個(gè)0截面中的平均值的最小值。.初始條件設(shè)定：如圖3,（1）首先進(jìn)行載荷清零，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊載荷值（綠色）顯示區(qū)右上方的0.0按紐，使其顯示值為零。（2）點(diǎn)擊左上方“曲線參數(shù)”，根據(jù)材料的強(qiáng)度與塑性，選擇合適的顯示量程。圖3右下方為載荷一變形曲線的顯示區(qū)，其X軸為引伸計(jì)位移（mm），Y軸為載荷（kN）。（3）點(diǎn)擊左上方“試樣信息”，輸入試樣參數(shù)。.試樣裝夾：（1）選擇“手動(dòng)操作”，設(shè)定較快的橫梁移動(dòng)速度（20mm/min或50mm/min），點(diǎn)擊“上升”或“下降”使橫梁移動(dòng)并觀察。當(dāng)橫梁到達(dá)合適的位置時(shí)，點(diǎn)擊“停止”使橫梁停止移動(dòng)。將試樣的夾持端插入上楔形夾頭并旋緊，點(diǎn)擊“下降”使試樣的另一端插入下楔形夾頭，下降時(shí)注意對(duì)中以免產(chǎn)生碰撞，停機(jī)后旋緊下夾頭。注意，試樣裝夾之后不再進(jìn)行載荷清零。.引伸計(jì)安裝：動(dòng)作要輕，完成安裝后取下小插板，點(diǎn)擊變形值（綠色）顯示區(qū)右上方的0.0按紐，使變形顯示值為零。.加載試驗(yàn)：（1）選擇“手動(dòng)操作”，設(shè)定試驗(yàn)速度，建議選擇1-100mm/min范圍。（2）點(diǎn)擊“上升”開(kāi)始拉伸試驗(yàn)，注意觀察試樣、曲線顯示區(qū)的曲線以及載荷與變形顯示值的變化。從載荷-變形曲線上可以看到依次出現(xiàn)的變形各個(gè)階段。.取下引伸計(jì)：因引伸計(jì)的量程有限，當(dāng)載荷接近最大值時(shí)務(wù)必要取下引伸計(jì)，以免造成引伸計(jì)的損壞。取引伸計(jì)之前先點(diǎn)擊“取引伸計(jì)”按鈕，點(diǎn)擊以后顯示的曲線是載荷-位移曲線。試樣斷裂后試驗(yàn)自動(dòng)停止。

.試驗(yàn)結(jié)束前的重要工作：（1）打印記錄曲線，開(kāi)啟打印機(jī)電源后，依次點(diǎn)擊右上角“分析”（彈出新界面）、“打印”。點(diǎn)擊右上角“保存”，可以將本次試驗(yàn)的信息以文本文件的形式保存起來(lái)，文件名的后綴為“.dat”。（2）取下試樣，整理現(xiàn)場(chǎng)。50J010.020030J040.0升析海森|「退出50J040J0拉伸試好ITemp,sifX物變不工n.9用試脂:力kH 25龍年1L月6日+.dat也1叩u50J010.020030J040.0升析海森|「退出50J040J0拉伸試好ITemp,sifX物變不工n.9用試脂:力kH 25龍年1L月6日+.dat也1叩u1陶:基母函切生舞LU曲戰(zhàn)參數(shù)試樣信息系統(tǒng)伏態(tài)保存手動(dòng)操作］自動(dòng)程控,遙控盒操作I設(shè)定橫梁速度mitiAnin500nnnuuu?nnnnuuuu圖3拉伸實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)界面實(shí)驗(yàn)二變形與摩擦系數(shù)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康腖根據(jù)圓環(huán)鐓粗后的變形，了解摩擦對(duì)金屬流動(dòng)的影響。2．通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握實(shí)際測(cè)定摩擦系數(shù)的方法。3．分析鐓粗對(duì)材料組織的影響，并與鑄態(tài)情形進(jìn)行比較。二、基本原理1．塑性加工過(guò)程中摩擦的特點(diǎn)凡是物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)就有摩擦存在。前一種是動(dòng)摩擦，后一種是靜摩擦。在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中，主要是動(dòng)摩擦。在塑性加工過(guò)程中的摩擦，雖然也是由兩物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，但與一般機(jī)械傳動(dòng)中的摩擦有很大差別。（1）接觸面上壓強(qiáng)高。在塑性加工過(guò)程中，接觸面上的壓強(qiáng)一般在100MPa以上。在冷擠壓和冷軋過(guò)程中可高達(dá)2500-3000MPa。而一般機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中，摩擦副接觸面上的壓強(qiáng)僅20-40MPa。由于塑性加工過(guò)程中接觸面上的壓強(qiáng)高，隔開(kāi)兩物體的潤(rùn)滑劑容易被擠出，降低了潤(rùn)滑效果。（2）真實(shí)接觸面積大。在一般機(jī)械傳動(dòng)中，由于接觸表面凹凸不平，因而，實(shí)際接觸面積比名義接觸面積小得多。而在塑性加工過(guò)程中，由于發(fā)生塑性變形，接觸面上凸起部分會(huì)被壓平，因而實(shí)際接觸面積接近名義接觸面積。這使得摩擦阻力增大。（3）不斷有新的摩擦面產(chǎn)生。在塑性加工過(guò)程中，原來(lái)非接觸表面在變形過(guò)程中會(huì)成為新的接觸表面。例如，鐓粗時(shí)，由于不斷形成新的接觸表面，工具與材料的接觸表面隨著變形程度的增加而增加。止匕外，原來(lái)的接觸表面，隨著變形程度的進(jìn)行可能成為非接觸表面。例如，板材軋制時(shí)，軋輥與板材的接觸表面不斷變?yōu)榉墙佑|表面向前滑出。因此，要不斷給新的接觸表面添加潤(rùn)滑劑。這給潤(rùn)滑帶來(lái)困難。（4）常在高溫下發(fā)生摩擦。在塑性加工過(guò)程中，為了減少變形抗力，提高材料的塑性，常進(jìn)行熱加工。例如，鋼材的鍛造加熱溫度可達(dá)到800-1200℃。在這種情況下，會(huì)產(chǎn)生氧化皮，模具軟化，潤(rùn)滑劑分解，潤(rùn)滑劑性能變壞等一系列問(wèn)題。2．摩擦對(duì)塑性加工過(guò)程的影響摩擦對(duì)塑性加工過(guò)程的影響，既有有利的一面，也有不利的一面。軋制時(shí)，若無(wú)摩擦力，材料不能連續(xù)進(jìn)入軋輥，軋制過(guò)程就不能進(jìn)行。在摩擦力起積極作用的擠壓過(guò)程中，浮動(dòng)凹模與坯料之間的摩擦力有助于坯料運(yùn)動(dòng)，使變形過(guò)程容易進(jìn)行。又如板料拉深時(shí)，有意降低凸模圓角半徑處的光潔度，以增加該處的摩擦力，使拉深件不易在凸模圓角處流動(dòng)，以免引起破裂。但是，對(duì)多數(shù)塑性加工過(guò)程，摩擦是有害的，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）增加能量消耗。在塑性加工過(guò)程中，除了使材料發(fā)生形狀改變消耗能量外，克服摩擦力也要消耗能量。這部分能量消耗是無(wú)用的，有時(shí)這部分能量消耗可占整個(gè)外力所做功的50%以上。（2）改變應(yīng)力狀態(tài)，增加變形抗力。單向壓縮時(shí)，如工具與工件接觸面上不存在摩擦，工件內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)為單向壓應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)接觸面上存在摩擦?xí)r，工件內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)成為三向壓應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)摩擦也引起接觸面上應(yīng)力分布狀況的改變。無(wú)摩擦均勻壓縮時(shí)，接觸面上的正應(yīng)力均勻分布；存在摩擦?xí)r，接觸面上的正應(yīng)力呈中間高兩邊低的狀況。摩擦?xí)棺冃慰沽μ岣?，從而增加能量消耗和影響零件的質(zhì)量。摩擦使金屬流動(dòng)阻力增加，坯料不易充滿型腔。對(duì)于軋制過(guò)程，由于摩擦使變形抗力提高，軋輥的彈性變形加大，同時(shí)使軋輥之間的縫隙中間大、兩邊小，其結(jié)果是軋件中間厚兩邊薄。（3）引起變形不均勻。在擠壓實(shí)心件時(shí)，由于外層金屬的流動(dòng)受到摩擦阻力的影響，出現(xiàn)了流動(dòng)速度中間快邊層慢的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在擠壓件尾部形成縮孔。有時(shí)，摩擦引起的變形不均勻會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，使制件在變形過(guò)程中發(fā)生破裂。(4)加劇了模具的磨損，降低模具的壽命。摩擦產(chǎn)生的熱使模具軟化，摩擦使變形抗力提高，從而導(dǎo)致模具的磨損加劇。3.影響摩擦系數(shù)的主要因素(1)金屬的種類和化學(xué)成分。不同種類的金屬，其表面硬度、強(qiáng)度、氧化膜的性質(zhì)以及與工具之間的相互結(jié)合力等特性各不相同，所以摩擦系數(shù)也不相同。即使同一種金屬，當(dāng)化學(xué)成分不同時(shí)，摩擦系數(shù)也不相同。一般來(lái)說(shuō)，材料的強(qiáng)度、硬度愈高，摩擦系數(shù)愈小。(2)工具表面粗糙度。通常情況下，工具表面越粗糙，變形金屬的接觸表面被刮削的現(xiàn)象愈大，摩擦系數(shù)也愈大。(3)接觸面上的單位壓力。單位壓力較小時(shí)，表面分子吸附作用小，摩擦系數(shù)保持不變，和正壓力無(wú)關(guān)。當(dāng)單位壓力達(dá)到一定值后，接觸表面的氧化膜破壞，潤(rùn)滑劑被擠掉，坯料和工具接觸面間分子吸附作用愈益明顯，摩擦系數(shù)便隨單位壓力的增大而增大。但增大到一定程度，便穩(wěn)定了。(4)變形溫度。一般認(rèn)為在室溫下變形時(shí)，金屬坯料的強(qiáng)度、硬度較大，氧化膜薄，摩擦系數(shù)最小。隨著溫度升高，金屬坯料的強(qiáng)度硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力、原子擴(kuò)散能力加強(qiáng)；同時(shí)高溫使?jié)櫥瑒┬阅茏儔?，所以，摩擦系?shù)增大。到某一溫度，摩擦系數(shù)達(dá)到最大值。此后，溫度繼續(xù)升高，由于氧化皮軟化和脫落，氧化皮在接觸面間起潤(rùn)滑劑的作用，摩擦系數(shù)卻下降了。(5)變形速度。由于變形速度增大，使接

觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度增大，摩擦系數(shù)便降低。4．圓環(huán)鐓粗法原理這種方法適于測(cè)定體積成形過(guò)程中的摩擦系數(shù)或摩擦因子。采用這種方法時(shí)，將幾何尺寸（指外徑、內(nèi)徑、高度的比值）一定的圓環(huán)放在平板之間進(jìn)行壓縮。壓縮后圓環(huán)內(nèi)、外徑的變化情況與平板接觸面上的摩擦情況關(guān)系很大。理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，圓環(huán)的內(nèi)徑變化對(duì)接觸面上摩擦情況的變化比較敏感。如果接觸面上不存在摩擦，則圓環(huán)壓縮時(shí)的變形情況和實(shí)心圓柱體一樣，其中各質(zhì)點(diǎn)在徑向均向外流動(dòng)，流動(dòng)速度與質(zhì)點(diǎn)到對(duì)稱軸之間的距離成正比，當(dāng)接觸面上的潤(rùn)滑情況很差時(shí)，壓縮后圓環(huán)的內(nèi)徑將減小；如果接觸面上的潤(rùn)滑情況較好，則壓縮后圓環(huán)的內(nèi)徑將增大。因此，采用圓環(huán)鐓粗法時(shí)，是以壓縮后圓環(huán)的內(nèi)徑變化來(lái)確定摩擦系數(shù)或摩擦