均匀变形基本概念的分析介绍

金属成形中的变形均匀性是指工件内部各部分变形的均匀程度。在成形过程中工件的变形均匀性越好，其各部分的变形就越趋于均匀，有利于产生均匀的内部组织，降低内应力，提高工件的性能和质量。并且，工件变形均匀性的提高，还可以减少或避免工件因局部变形剧烈而产生的缺陷，如开裂和折叠等。在锻造成形中对于金属流动性的研究以往主要采用的是塑性泥叠层法，该方法是一种物理模拟的方法。它采用与金属变形性质类似的塑性泥，作为实际金属的替代材料进行成形，在成形前先将不同颜色的塑性泥进行均匀叠加，从而达到变形后观察金属流动情况的目的。随着有限元技术在金属成形中的广泛应用，可以直观地显示出金属的流动特点及相关物理量的大小。以下将采用有限元方法，对金属成形中的均匀变形和不均匀变形的情况进行介绍和分析。

首先，以板材性能测试中的单向拉伸试验为例。拉伸试件形状如图6-40所示，为了实现变形区域内应变的准确测量，将试件的两端和夹具连接的部位宽度加大，并且使该区域通过光滑的圆弧和应变测量区相连。当夹具施加拉力时，应变测量区的宽度较窄，相应的截面积较小；在传递拉力时，所承受的拉应力较大，容易发生塑性变形。由于应变的测量区内各质点所处的受力状态是相等的，因此应变也相等。

采用有限元方法对板材试件单向拉伸过程进行分析，并在试件表面设置均匀的长方形网格来观察金属的流动情况（见图6-40），该方法与观察金属流动的塑性泥方法类似。图6-41所示为不同拉伸阶段的金属流动有限元分析结果，从图中可以看出，在拉伸的均匀变形阶段，应变测试区域内的金属流动均匀，即网格变化均匀，无畸变出现。当拉力继续增大达到某一数值时，试件中部产生不均匀变形，即出现局部变细的颈缩现象，并且可以看出在颈缩部位描述金属流动的网格发生了畸变。如果变形继续下去则在颈缩处试件的横截面积急剧减小，试件所能承受的拉力迅速下降，最后试件将在颈缩处被拉断。从图6-42所示不同拉伸阶段的金属等效应变分布可以看出，在拉伸的均匀变形阶段位于应变测试区内的等效应变分布均匀，而在颈缩阶段等效应变在应变测试区内的分布不均匀，最大值集中在颈缩部位。

图6-40 板材单向拉伸试件

图6-41 单向拉伸试件在不同拉伸阶段的金属流动情况

图6-42 低碳钢单向拉伸试件在不同拉伸阶段的金属等效应变分布

a）均匀变形 b）局部颈缩

判断变形体中某个区域的变形是否变形均匀，可以抽象地在变形开始前将该区域划分成形状规则的网格，如矩形或长方形网格，如果区域内的每个网格在变形前是平行的，变形后仍然保持平行，这就是均匀变形，如图6-43所示。如若变形前后的网格不平行，则为不均匀变形。(www.xing528.com)

图6-43 均匀变形的网格变化

a）变形前网格 b）压缩变形后网格 c）伸长变形后网格

镦粗是自由锻最基本的工艺，由于坯料和模具之间存在摩擦，镦粗后坯料的侧表面将凸起，造成坯料内部变形分布不均，而且还要增加修整工序。由此所引起的表面纵裂，对低塑性金属尤为敏感。有摩擦的镦粗是典型的不均匀变形。图6-44所示为直径和高度均为40mm的08碳素钢在摩擦因子为0.2的条件下的压缩变形情况，从图中可以看出坯料中部出现明显的鼓形。为了了解坯料变形是否均匀，对坯料的三个典型区域（见图6-44a），进行网格变形的分析，如图6-45所示。从镦粗前后的网格的变形情况可以看出，在这三个区域金属的变形都是不均匀的，其中区域Ⅱ的网格畸变最严重，即变形均匀性最差，这是由于Ⅱ区距离接触面及自由表面均较近，剪切变形明显。

图6-44 圆柱镦粗金属的变形情况

a）镦粗前网格 b）镦粗后网格

图6-45 圆柱镦粗典型区域金属流动情况

a）变形前网格 b）变形后Ⅰ区网格 c）变形后Ⅱ区网格 d）变形后Ⅲ区网格