变形力学条件对变形的影响分析

变形力学条件是指应力与应变状态，冷挤压时的变形力学条件是指冷挤压时的基本应力与应变状态。应着重分析一下在冷挤压的应力与应变状态作用下，为什么既提高了塑性，也提高了变形抗力，以便于在生产实际中采用一些提高塑性、降低变形抗力的有效方法。

1.应力状态对冷挤压变形的影响

（1）对塑性的影响 应力状态的种类对冷挤压材料塑性的影响是很大的。在金属塑性变形加工中，变形区的金属受拉应力的影响越小，受压应力的影响越大，则塑性越高；相反，若受拉应力的影响越大，受压应力的影响越小，则塑性越差。从上述分析可知，冷挤压的基本应力状态是三向压应力状态，因此，冷挤压加工时材料的塑性是很高的。例如，生产薄壁筒形件，可以采用反挤压加工，也可采用拉深加工，前者变形量比后者大得多，这就是由于冷挤压加工时材料的塑性比拉深加工高得多的缘故。

从上述分析可知，挤压加工的基本应力状态是三向压应力状态。因此，被挤压材料的塑性可以大大提高，其原因可以归纳为以下几方面。

1）三向压应力状态能遏止晶间相对移动，使晶间变形更加困难。这是因为晶间变形在没有再结晶和溶解沉积等修复机构时，会引起晶间破坏的积累，从而引起多晶体的迅速断裂。

2）三向压应力状态能促使由于塑性变形和其他原因而破坏了晶内和晶间的联系得到恢复。这样，随着明显的三向压应力的增加，不仅使金属变得致密，而且还能使各种显微裂纹，甚至宏观破坏（组织缺陷）也可得到修复。

3）三向压应力状态能使金属内某些夹杂物的危害程度大为减少。金属内部夹杂物的存在，正如内部空洞一样，往往会形成应力集中。在压应力的作用下，使空洞减小的危害性明显降低。

4）三向压应力状态可以完全抵消或大大减小由于不均匀变形而引起的附加拉应力，因而减轻了附加拉应力所造成的破坏作用。

冷挤压变形区的基本应力状态虽然属于三向压应力状态，但是有时仍不能通过冷挤压方法来加工一些低塑性材料。为了扩大冷挤压工艺的应用范围，在生产实际中常采用增加三向压应力强烈程度的有效办法，来进一步提高金属材料的塑性，其主要措施有如下三种：

第一，采用直径稍大的毛坯进行挤压，以加大冷挤压件的变形程度，从而增加各向压应力，提高被挤毛坯的塑性。

第二，采用附加推力的方法进行挤压，如图1-41所示。在挤压过程中，零件挤出的顶端另外再加一个反向推力P′，这能进一步增加三向不均匀压缩状态，提高材料的塑性。

第三，采用在毛坯的外层加上包套的办法进行挤压，如图1-42所示。它是把塑性较差的材料置于用高塑性材料制成的包套中，然后一起进行冷挤压加工。这样，一方面可以减小不均匀变形引起的附加拉应力；另一方面也起到了增加侧向压应力的作用。应该指出的是，包套材料的厚薄必须选择合适，否则会因外套变形大，对芯材产生很大的附加拉应力，而引起拉裂。

图1-41 附加反向推力的挤压(www.xing528.com)

图1-42 采用包套的冷挤压

（2）对变形抗力的影响 三向压应力状态对变形抗力的影响是很大的。例如，用冷挤压和冷拉拔方法生产同一种退火纯铜材料相同尺寸的工件，如图1-43所示。测得冷挤压所需的总压力为35.3kN，单位挤压力为450MPa；冷拉拔所需总压力为10.5kN，单位拉深力为220MPa。冷挤压的单位压力约是冷拉拔的单位拉深力的2倍。这说明像冷挤压这样的塑性成形工艺，由于受三向压应力的作用，会增大材料的变形抗力。

上述这种现象可从塑性条件得到解释。例如，能量不变塑性条件（σ₁-σ₂）²+（σ₂-σ₃）²+（σ₃-σ₁）²=6k²（k为屈服剪应力）是在三向压应力状态下推导出来的。该式告知我们必须使三向压应力之差的平方和达到6k²，金属材料才开始产生塑性变形。而“两压一拉”应力状态（拉拔）的塑性条件应为（σ₁+σ₂）²+（σ₂-σ₃）²+（σ₃+σ₁）²=6k²，此式左边三项只有一项是应力之差的平方，而有两项为应力之和的平方。很显然，“两压一拉”的应力状态（拉拔）容易使左边三项数值之和达到6k²，这就是成形相同零件时，冷挤压的变形抗力大于拉拔的原因。

2.应变状态对冷挤压变形的影响

从主应变简图可知，应变状态对冷挤压变形有很大的影响。压缩变形有利于塑性的发挥，而拉伸变形则有损于塑性。主应变图中压应变分量越多，对于充分发挥材料的塑性越有利。按此原则可将主应变简图对塑性的影响排列为：两向压缩一向拉伸的主应变简图（挤压）最有利于塑性的发挥；一向压缩一向拉伸主应变简图（长毛坯压缩）次之；两向拉伸一向压缩主应变简图（薄板轧制）最差。

图1-43 不同应力状态对变形抗力的影响

a）拉拔 b）挤压

图1-44 主应变图对材料中缺陷的影响

1—未变形的情况 2—挤压变形后的情况 3—薄板轧制变形后的情况

“两压一拉”主应变简图可以充分发挥材料的塑性，“两拉一压”主应变简图有损于塑性。其原因可通过实例作如下解释：如图1-44所示，在实际的变形体内都不可避免的或多或少存在着各种缺陷，如气孔、夹杂、缩孔、空洞等。这些缺陷在“两拉一压”的主应变简图（薄板轧制）的影响下，就可能向两个方向扩大而暴露弱点，使点缺陷变为面缺陷，因而降低了塑性；而在“两压一拉”主应变简图（挤压）情况下，面缺陷可被压下而变成线缺陷，使其危害性大为减少，从而提高了塑性。