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金属塑性成形原理指导书
《金属塑性成形原理》实验指导书
广东工业大学材料与能源学院
2005年9月
目录
实验一金属力学性能分析与真实应力应变曲线……3
实验二确定金属薄板塑性应变比实验……………8
实验三镦粗不均匀变形和变形力试验……………13
实验四板料塑性成形的应变测定试验……………15
实验一金属力学性能分析与真实应力应变曲线
一、目的
通过拉伸试验确定金属薄板的力学性能,如弹性模量(E)、屈服应力(σs)、抗拉强度(σb)、屈强比(σs/σb),均匀延伸率(δu)、总延伸率(δk)、应变硬化指数(n)、并绘制硬化曲线。
二、设备及工具
LJ—1000拉力试验机、千分尺、游标卡尺、直尺、标示工具等。
三、试验步骤和实验数据记录
1、查找相关书籍,了解金属材料在拉伸时载荷——伸长曲线变化的规律,了解反映金属材料机械性质的相关参数的含义。
2、准备试样,做好标记
可以使用图1、图2中所示两种形状试样中的任一种。
应在金属薄板平面上与轧制方向成0°、45°和90°三个方向切取试样。
试样厚度应当均匀,在标距长度内厚度变化不应大于0.01mm时,应不大于公称厚度的1%。
切取样坯和机加工试样时,应防止因加工硬化或热影响而改变材料的性能。
可用维氏金刚石压头或其它工具刻划标距点。
标距点应位于试样的轴线上,并对称于平行长度部分的中心。
图11号样
图12号样
表一:
参数
第1次
第2次
第3次
※
t
※
b
※
¤
3、测量试样拉伸前的相关参数的实验数据,填入表一。
4、按“回退”按钮,移动平台,调整上下夹头间的距离。
5、将试样放入试验机上下夹头内,并将其夹紧,调整好测力刻度和载荷——伸长曲线记录装置。
夹头的移动速度应在0.5~20mm/min范围内,并应保持加载速度恒定。
按“拉伸”按钮加载,对金属试样进行拉伸,测量并记录拉伸过程中的相关参数的实验数据,填入对应表格。
注意测量并记录产生屈服时的载荷Fs或F0.2、和最大载荷Fmax。
6、从试验机上取出上下夹头,将其松开并拿出试件,测量并记录相关实验数据,填入对应表格。
表二:
¤
ΔL
¤
F
¤
ΔL
¤
F
¤
ΔL
¤
F
¤
ΔL
¤
F
四、数据处理
根据测得的实验数据并参考实验绘制的载荷——伸长曲线,进行数据处理,便可确定板材的E、σs、σb、σs/σb、δu、δk
1、确定板材E、σs、σb、σs/σb、δu、δk
1.1E由下列式子确定
在金属薄板拉伸过程中的弹性变形阶段的某一时刻,读取的F和ΔL代入下列式子:
σ=
ε=
E=σ/ε
式中L0——试样原始标距长度,mm;
A0——试样原始横截面积,mm2。
1.2σs、σb及σs/σb由下式确定:
σs=或σ0.2=(MPa)
σb=(MPa)
式中Fs——屈服时的载荷,N;
F0.2——相对伸长为0.2%时的载荷,N;
Fmax——拉伸最大载荷,N;
A0——试样原始横截面积,mm2。
1.3δu及δk由下式确定:
δu=
δk=
式中——试样原始标距长度,mm;
——试样产生细颈时的标距长度,mm;
——试样断裂时的标距长度,mm。
2、绘制加工硬化曲线
根据实验测得数据,在坐标网格纸上,以ΔL为横坐标,F为纵坐标,为一一对应的ΔL和F的值进行描点,拟合绘制金属板料拉伸时的F-ΔL曲线。
比较拟合绘制拉伸F-ΔL曲线与试验时载荷——伸长曲线记录装置绘制的拉伸曲线异同。
对试验得到的拉伸曲线(图3)进行坐标变换:
图3拉伸F-△L(σ-ε)曲线
横坐标变换为对数应变
∈=ln=lnln(1+ε)
(1)
纵坐标变换为真实应力
(2)
式中∈——对数应变(真实应变);
ε——相对应变,ε=△L/L0;
△L——试样标距的伸长,mm;
S——真实应力,N/mm2;
σ0——名义应力,N/mm2;
绘制方法如下:
在拉伸曲线的横坐标取若干个△L,再找到相应的载荷F值,亦可取表二中的成对的F和△L,根据式
(1)和式
(2)计算出相应的S和∈值,即可绘制出加工硬化曲线(产生细颈前的均匀拉伸阶段)。
3、求硬化指数n值
多数金属材料的真实应力——真实应变关系为幂指数函数形式:
S=B∈n(3)
式中S——真实应力,N/mm2;
∈——真实应变;
B——与材料有关的系数,N/mm2;
n——应变硬化指数。
将式(3)两边取对数,有
∈(4)
根据硬化曲线,用线性回归方法便可计算其斜率,即n值。
下面介绍一种确定n值的简便方法。
可从表二中取出的两对的F和△L,或在拉伸曲线上取两点(F1,△L1)和(F2,△L2),按式
(1)和
(2)换算得(S1,∈1)和(S2,∈2),分别代入到式(4)中,消去lgB项,便得
(5)
五、试验报告
1、本试验的目的。
2、设备及工具。
3、试验用试样条件,试样材料、形状及尺寸。
4、试验步骤和实验记录的数据。
5、拟合绘制金属板料拉伸时F-ΔL曲线。
并将其与试验时载荷——伸长曲线记录装置绘制的拉伸曲线,分析两曲线异同点,并说明原因。
6、绘制加工硬化曲线。
7、按公式计算出材料的性能:
E、σs、σb、σs/σb、δu、δk、n。
实验二确定金属薄板塑性应变比试验
一、目的
通过拉伸试验确定金属薄板的塑性应变比(及)、凸耳参数(△)。
二、设备及工具
LJ—1000拉力试验机、千分尺、游标卡尺、直尺、标示工具等。
三、实验原理
塑性应变比r(也叫厚向异性系数r,简称r值)是评定板料压缩类成形性能的一个重要参数。
r值是板料试件单向拉伸试验中宽度应变与厚度应变之比,即
板料r值的大小,反映板平面方向与厚度方向应变能力的差异。
r=1时,为各向同性;r≠1时,为各向异性。
当r>1,说明板平面方向较厚度方向更容易变形,或者说板料不易变薄。
r值与板料中晶粒的择优取向有关,本质上是属于板料各向异性的一个量度。
r值与冲压成形性能有密切的关系,尤其是与拉深成形性能直接相关。
板料的r值大,拉深成形时,有利于凸缘的切向收缩变形和提高拉深件底部的承载能力。
图1示出拉深时的应力状态。
r值增加,会同时使底部的强度增加和凸缘的变形抗力减小,这对拉深是非常有利的。
大型覆盖件成形,基本上是拉深与胀形相结合的复合成形,当拉深变形的成分占主导地位时,板材r值大,成形性能好。
板平面中最主要的三个方向是与轧制方向呈0°、45°和90°,相应地用r0、r45和r90表示。
由于不同方向上测得的数值是变化的(图2),板料的厚向异性系数常用平均值表示。
板平面内各向异性的差别用△r表示。
图1拉深时的应力状态
图2r值在板平面内的变化
a)△r>0b)△r<0
用圆形坯料拉深筒形件,当△r>0时,凸耳出现在0°和90°方向;当△r<0时,凸耳出现在±45°方向;△r=0时,不产生凸耳。
由于凸耳的位置与大小和△r有关,所以△r也叫凸耳参数。
四、试验步骤和实验数据记录
1、准备试样,做好标记
可以使用实验一中的图1、图2所示两种形状试样中的任一种。
应在金属薄板平面上与轧制方向成0°、45°和90°三个方向切取试样。
试样厚度应当均匀,在标距长度内厚度变化不应大于0.01mm时,应不大于公称厚度的1%。
切取样坯和机加工试样时,应防止因加工硬化或热影响而改变材料的性能。
可用维氏金刚石压头或其它工具刻划标距点。
标距点应位于试样的轴线上,并对称于平行长度部分的中心。
2、测量试样拉伸前的相关参数的实验数据,填入对应表格。
3、按“回退”按钮,移动平台,调整上下夹头间的距离。
4、将试样放入试验机上下夹头内,并将其夹紧,夹头的移动速度应在0.5~20mm/min范围内,并应保持加载速度恒定,按“拉伸”按钮,对试样进行加载拉伸。
表一:
试样的轧制方向与受力方向的夹角,测量次数
t0(mm)※
b0(mm)※
t(mm)
b(mm)
0°
第一次
第二次
第三次
45°
第一次
第二次
第三次
90°
第一次
第二次
第三次
5、当试样标距从50mm伸长至60mm,即标距内金属材料伸长到约20%时,按“停止”按钮,接着按“慢速回退”按钮,向上移动平台,卸载后,再从试验机上取出上下夹头,将其松开并拿出试件,测量并记录相关实验数据,填入对应表格。
五、确定塑性应变比及凸耳参数△
塑性应变比亦称厚向异性指数,用板料单向拉伸试样的宽度应变和厚度应变的比值表示。
当试样伸长到约20%(注意:
应在屈服之后,产生细颈之前)时停止加载,卸下试样。
用千分尺测得试样变形后的宽度b及厚度t。
代入下式中便可求得值:
(1)
式中——试样的宽度应变,=;
——试样的厚向应变,=;
b0、t0——试样的原始宽度与厚度,mm;
b、t——变形后试样的宽度与厚度,mm。
由于在不同方向上不同的值,一般按下式计算平均塑性应变比:
(2)
凸耳参数又称塑性平面各向异性指数,表示板料平面内的塑性各向异性,表示,可按下式计算:
(3)
式
(2)、(3)中0、45、90表示在板表面内与轧制方向分别0°、45°和90°的试样。
式
(1)的根据体积不变条件,亦可由下式确定:
(4)
式中——试样标距长度应变。
本试验中,测量试样的原始宽度b0时允许测量偏差为±0.01mm,至少应在标距长度内等间隔地测量三处宽度,并取其平均值。
测量试样的原始宽度L0时允许测量偏差为±0.05mm,以同样的方式和精度测量变形后的试样宽度b1和标距长度L1。
若拉伸变形后,在宽度方向发生明显弯曲(图1),当凸度h>0.3mm时,应按下式修正测得的宽度:
(5)
图1试样横向弯曲示意
五、实验报告
1、本实验的目的。
2、设备及工具。
3、实验原理
4、实验用试样条件,试样材料、形状及尺寸。
5、实验步骤和实验记录的数据。
6、按公式计算出材料的性能:
、及△。
实验三镦粗不均匀变形和变形力试验
一、实验目的
通过对圆柱形坯料进行平板间镦粗,了解摩擦对镦粗变形过程和成形试件形状的影响,了解镦粗变形时的3个变形区和不均匀变形。
二、设备与工具
油压机,游标卡尺,直尺、圆规。
三、试样
图1零件毛坯示意图
试样采用如图1所示的坯料,由外套、半圆坯料和低熔点合金组成,基本材料为纯铝。
具体制作过程为:
选定或加工去直径为φ40、高度为40、壁后为2的外套;根据外套的内径,加工出圆柱形内坯料,并保证内坯料与外套过渡配合;将圆柱坯料用线切割或其它方法平分成2半;在半圆形坯料的平面上,刻画上如图1上所示的网格;将2半用低熔点合金焊合后,装配入外套,并最终制作成如图1所示的试件。
四、实验步骤
1、将1试件在油压机上进行镦粗,试件最终高度控制在为25;
2、改善端面的润滑条件后,将另1试件在油压机上进行镦粗,试件最终高度也控制在为25;
3、在成形时
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