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材料塑性加工原理》实验指导书 本文简介：实验一金属塑性变形力学特点（综合性实验）一、实验目的1、测定材料的真应力—真应变曲线，并与名义应力—应变曲线进行比较。2、采用一元线性回归的方法，求出材料的形变强化指数。3、进一步掌握有关设备、仪器的使用、操作方法。二、实验基本原理断裂力学中裂纹前方的应力应变场、裂纹尖端的钝化特性及扩展规律、在大变
材料塑性加工原理》实验指导书 本文内容：
实验一
金属塑性变形力学特点（综合性实验）
一、实验目的
1、测定材料的真应力—真应变曲线，并与名义应力—应变曲线进行比较。
2、采用一元线性回归的方法，求出材料的形变强化指数
。
3、进一步掌握有关设备、仪器的使用、操作方法。
二、实验基本原理
断裂力学中裂纹前方的应力应变场、裂纹尖端的钝化特性及扩展规律、在大变形条件下工作的构件与材料的变形与断裂行为、材料的塑性成型加工工艺都离不开对材料的塑性变形规律以及强化特性的了解和认识。材料的塑性变形规律以及强化特性参数主要是通过单轴拉伸试验及其数据处理得到的，即本实验要进行的材料的真应力—真应变曲线及形变强化指数的测定。
材料性能的测试是通过试样进行的，试样制备是试验的重要环节，国家标准GB6397-86对此有详细的规定。本试验采用圆棒试样，如图1所示。试样的工作部分应保持均匀光滑以确保材料的单向应力状态。均匀部分的有效工作长度称为标距，在本试验中由引伸计刀口的距离确定，参见图1，初始标距=50
mm，和分别为工作部分的初始直径和初始面积。试样的过渡部分应有适当的圆角以降低应力集中，两端的夹持部分用以传递载荷，其形状与尺寸应与试验机的钳口相匹配。
图1
圆棒拉伸试样简图
1.真应力—真应变曲线
在拉伸过程中由于试样任一瞬时的面积和标距（）随时都在变化，而名义应力和名义应变是按初始面积和标距计算的，因此任一瞬时的真实应力和真实应变与相应的和之间都存在着差异，进入塑性以后这种差异逐渐增大。在均匀变形阶段，真实应力的定义为
根据塑性变形体积不变的假设（），有
真实应变（也叫对数应变）的定义为
将上式展开：
这说明在均匀变形的范围内，真应力恒大于名义应力，而真应变恒小于名义应变。在弹性阶段由于应变值极小，二者的差异极小，没有必要加以区分。
2.
形变强化指数
实验表明，大多数金属材料的真应力—真应变关系可近似用Hollomon公式（即幂强化关系）描述：
式中即为形变强化指数，是表征材料形变强化能力的一个指标，也是断裂力学、塑性力学分析计算的重要材料参数，为另一个参数。将Hollomon公式两端取对数后得
说明幂强化关系在双对数坐标下为一直线，其斜率即为材料的形变强化指数，用一元线性回归对均匀变形阶段的一组数据进行直线拟合，即可求得值。
3.最大均匀变形与颈缩分析
在拉伸试验时，试样出现均匀变形阶段的前提是材料具有足够的形变强化能力。在最大载荷（）处有，即
另外按塑性变形体积不变（）的假设可以写出：
结合以上两式，有，代入Hollomon公式求导以后的关系式，可得
这个关系说明对于真应力—真应变关系符合Hollomon关系的材料，其最大均匀变形在数值上等于形变强化指数。
在颈缩阶段，虽然载荷下降了，但颈缩区的材料仍在继续强化，换言之，真应力必须不断提高，变形才有可能继续增加。颈缩区的几何形状类似于一个环形的缺口，颈缩区中心材料的横向收缩受到周围部分的约束，从而产生三向拉应力状态，使得应力提高。颈缩区的应力可采用Bridgman公式进行修正：
式中，为颈缩区最小截面的半径，为颈缩区轮廓线的曲率半径，如图2所示。
图2
颈缩区示意图
三、所需的主要实验设备和仪器
1、电子万能材料试验机WDW-100A。
2、计算机、打印机。
3、应变片式引伸计（初始标距
=50
mm）。
4、游标卡尺。
四、实验主要技术指标
1、计算各点的、、、。
2、在同一坐标纸中分别画出和曲线，标出刻度。
3、用一元线性回归公式求出材料的形变强化指数，给出标准差和相关系数。
五、实验任务要求
（一）实验方案的制定
（1）材料种类的确定。
（2）试样形状及其尺寸的确定
（3）加载条件(加载速率、实验温度等)的确定。
（二）试样制备
（1）材料的选择与拉伸试样的制备
（2）试验尺寸的测定
（三）材料变形力学性能特点表征
根据要求测定材料的、、、，分别画出和曲线，标出刻度以及形变强化指数。
六、实验任务书撰写要求
1、综合性实验课题
2、实验原理：叙述确定材料的理由、实验原理、获取真实应力－应变与硬化指数的原理。
3、性能指标要求
4、实验仪器设备
5、实验结果与分析
（1）将实验的工艺制度、测试数据进行归纳和数据处理。
（2）查阅文献资料，利用学过的有关理论知识解释自己的实验结果
（3）根据方案和实验要求写出综合性实验报告。
附录
试验机操作步骤
1.
原始尺寸测量：测量试样直径：在标距中央及两条标距线附近各取一截面进行测量，每截面沿互相垂直方向各测一次取平均值，采用三个截面中的平均值的最小值。
2.
初始条件设定：如图3，（1）首先进行载荷清零，用鼠标点击载荷值（绿色）显示区右上方的0.0按纽，使其显示值为零。（2）点击左上方“曲线参数”，根据材料的强度与塑性，选择合适的显示量程。图3右下方为载荷—变形曲线的显示区，其X轴为引伸计位移（mm），Y轴为载荷（kN）。（3）点击左上方“试样信息”，输入试样参数。
3.
试样装夹：（1）选择“手动操作”，设定较快的横梁移动速度（20mm/min或50mm/min），点击“上升”或“下降”使横梁移动并观察。当横梁到达合适的位置时，点击“停止”使横梁停止移动。将试样的夹持端插入上楔形夹头并旋紧，点击“下降”使试样的另一端插入下楔形夹头，下降时注意对中以免产生碰撞，停机后旋紧下夹头。
注意，试样装夹之后不再进行载荷清零。
4.
引伸计安装：动作要轻，完成安装后取下小插板，点击变形值（绿色）显示区右上方的0.0按纽，使变形显示值为零。
5.加载试验：（1）选择“手动操作”，设定试验速度，建议选择1-100mm/min范围。（2）点击“上升”开始拉伸试验，注意观察试样、曲线显示区的曲线以及载荷与变形显示值的变化。从载荷-变形曲线上可以看到依次出现的变形各个阶段。
6.取下引伸计：因引伸计的量程有限，当载荷接近最大值时务必要取下引伸计，以免造成引伸计的损坏。取引伸计之前先点击“取引伸计”按钮，点击以后显示的曲线是载荷-位移曲线。试样断裂后试验自动停止。
7.试验结束前的重要工作：（1）打印记录曲线，开启打印机电源后，依次点击右上角“分析”（弹出新界面）、“打印”。
点击右上角“保存”，可以将本次试验的信息以文本文件的形式保存起来，文件名的后缀为“.dat”。（2）取下试样，整理现场。
图3
拉伸实验的计算机界面
实验二
变形与摩擦系数
一、实验目的
1．根据圆环镦粗后的变形，了解摩擦对金属流动的影响。
2．通过实验掌握实际测定摩擦系数的方法。
3．分析镦粗对材料组织的影响，并与铸态情形进行比较。
二、基本原理
1．塑性加工过程中摩擦的特点
凡是物体之间有相对运动或有相对运动的趋势就有摩擦存在。前一种是动摩擦，后一种是静摩擦。在机械传动过程中，主要是动摩擦。在塑性加工过程中的摩擦，虽然也是由两物体间相对运动产生的，但与一般机械传动中的摩擦有很大差别。
（1）接触面上压强高。在塑性加工过程中，接触面上的压强一般在100MPa以上。在冷挤压和冷轧过程中可高达2500-3000MPa。而一般机械传动过程中，摩擦副接触面上的压强仅20-40MPa。由于塑性加工过程中接触面上的压强高，隔开两物体的润滑剂容易被挤出，降低了润滑效果。
（2）
真实接触面积大。在一般机械传动中，由于接触表面凹凸不平，因而，实际接触面积比名义接触面积小得多。而在塑性加工过程中，由于发生塑性变形，接触面上凸起部分会被压平，因而实际接触面积接近名义接触面积。这使得摩擦阻力增大。
（3）不断有新的摩擦面产生。在塑性加工过程中，原来非接触表面在变形过程中会成为新的接触表面。例如，镦粗时，由于不断形成新的接触表面，工具与材料的接触表面随着变形程度的增加而增加。此外，原来的接触表面，随着变形程度的进行可能成为非接触表面。例如，板材轧制时，轧辊与板材的接触表面不断变为非接触表面向前滑出。因此，要不断给新的接触表面添加润滑剂。这给润滑带来困难。
（4）常在高温下发生摩擦。在塑性加工过程中，为了减少变形抗力，提高材料的塑性，常进行热加工。例如，钢材的锻造加热温度可达到800-1200℃。在这种情况下，会产生氧化皮，模具软化，润滑剂分解，润滑剂性能变坏等一系列问题。
2．摩擦对塑性加工过程的影响
摩擦对塑性加工过程的影响，既有有利的一面，也有不利的一面。轧制时，若无摩擦力，材料不能连续进入轧辊，轧制过程就不能进行。在摩擦力起积极作用的挤压过程中，浮动凹模与坯料之间的摩擦力有助于坯料运动，使变形过程容易进行。又如板料拉深时，有意降低凸模圆角半径处的光洁度，以增加该处的摩擦力，使拉深件不易在凸模圆角处流动，以免引起破裂。但是，对多数塑性加工过程，摩擦是有害的，主要表现在以下方面：
（1）增加能量消耗。在塑性加工过程中，除了使材料发生形状改变消耗能量外，克服摩擦力也要消耗能量。这部分能量消耗是无用的，有时这部分能量消耗可占整个外力所做功的50%以上。
（2）改变应力状态，增加变形抗力。单向压缩时，如工具与工件接触面上不存在摩擦，工件内应力状态为单向压应力状态。当接触面上存在摩擦时，工件内应力状态成为三向压应力状态。同时摩擦也引起接触面上应力分布状况的改变。无摩擦均匀压缩时，接触面上的正应力均匀分布；存在摩擦时，接触面上的正应力呈中间高两边低的状况。摩擦会使变形抗力提高，从而增加能量消耗和影响零件的质量。摩擦使金属流动阻力增加，坯料不易充满型腔。对于轧制过程，由于摩擦使变形抗力提高，轧辊的弹性变形加大，同时使轧辊之间的缝隙中间大、两边小，其结果是轧件中间厚两边薄。
（3）引起变形不均匀。在挤压实心件时，由于外层金属的流动受到摩擦阻力的影响，出现了流动速度中间快边层慢的现象，严重时会在挤压件尾部形成缩孔。有时，摩擦引起的变形不均匀会产生附加应力，使制件在变形过程中发生破裂。
（4）加剧了模具的磨损，降低模具的寿命。摩擦产生的热使模具软化，摩擦使变形抗力提高，从而导致模具的磨损加剧。
3．影响摩擦系数的主要因素
（1）金属的种类和化学成分。不同种类的金属，其表面硬度、强度、氧化膜的性质以及与工具之间的相互结合力等特性各不相同，所以摩擦系数也不相同。即使同一种金属，当化学成分不同时，摩擦系数也不相同。一般来说，材料的强度、硬度愈高，摩擦系数愈小。
（2）工具表面粗糙度。
通常情况下，工具表面越粗糙，变形金属的接触表面被刮削的现象愈大，摩擦系数也愈大。
（3）接触面上的单位压力。单位压力较小时，表面分子吸附作用小，摩擦系数保持不变，和正压力无关。当单位压力达到一定值后，接触表面的氧化膜破坏，润滑剂被挤掉，坯料和工具接触面间分子吸附作用愈益明显，摩擦系数便随单位压力的增大而增大。但增大到一定程度，便稳定了。
（4）变形温度。一般认为在室温下变形时，金属坯料的强度、硬度较大，氧化膜薄，摩擦系数最小。随着温度升高，金属坯料的强度硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力、原子扩散能力加强；同时高温使润滑剂性能变坏，所以，摩擦系数增大。到某一温度，摩擦系数达到最大值。此后，温度继续升高，由于氧化皮软化和脱落，氧化皮在接触面间起润滑剂的作用，摩擦系数却下降了。
（5）变形速度。由于变形速度增大，使接触面相对运动速度增大，摩擦系数便降低。
4．圆环镦粗法原理
这种方法适于测定体积成形过程中的摩擦系数或摩擦因子。采用这种方法时，将几何尺寸（指外径、内径、高度的比值）一定的圆环放在平板之间进行压缩。压缩后圆环内、外径的变化情况与平板接触面上的摩擦情况关系很大。理论分析结果与实验结果表明，圆环的内径变化对接触面上摩擦情况的变化比较敏感。如果接触面上不存在摩擦，则圆环压缩时的变形情况和实心圆柱体一样，其中各质点在径向均向外流动，流动速度与质点到对称轴之间的距离成正比，当接触面上的润滑情况很差时，压缩后圆环的内径将减小；如果接触面上的润滑情况较好，则压缩后圆环的内径将增大。因此，采用圆环镦粗法时，是以压缩后圆环的内径变化来确定摩擦系数或摩擦因子的。假设圆环的几何尺寸为外径：内径：高度=6:3:2，高度压缩30%后内径变化率为-10%。根据上述数据，在相应标定曲线上就可得一点。
三、所需的主要实验设备
1．试样。试样为工业纯铝，制成环状，其外圆、内径、高度比值为6：3：2，具体尺寸如图2所示。
图1
圆环试样
2．实验设备、工具及辅助材料
设备：600KN和1000KN万能材料试验机；
工具：150mm游标卡尺、垫板；
辅助材料：MoS2油膏。
四、实验具体内容
1．实验数据（分加润滑剂和未加润滑剂）；
2．计算、并查对校正曲线，得出实验结果
3．分析不同摩擦条件对圆环变形分布的影响
4．对测定摩擦系数的误差因素进行分析
5．通过金相分析，绘制出镦粗前后材料的组织特征，并说明有何不同。
五、实验步骤
1、开取圆环铝试样两个，分别在不同摩擦条件下（一个用油膏，一个不用油膏），在两平板间进行压缩，圆环要放在平板中心，保证变形均匀。
2、每次压缩量为15%左右，然后取出擦净测量变形后的圆环尺寸（外径、内径、高度）。注意测量时测量圆环内径的上、中、下三个直径尺寸，取其平均值。
3、重复进行上述步骤三次，控制总压缩量在50%。
4、根据所获得的内径、高度数据，查预习要求中指定教材的图9-10，得出摩擦系数值。
六、实验注意事项
1、注意控制总压缩量。
2、实验过程中注意安全。
七、实验任务书撰写要求
1、实验课题名称
2、实验原理：简要叙述镦粗变形的基本原理
3、实验结果与分析：根据实验要求写出规范的实验
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