外摩擦对金属流动与应力分布的影响

1. 外摩擦对金属流动与应力分布的影响 主讲教师：李慧中

2. 实验目的 通过带凹槽的钢锤头压缩园柱体铅试样，了解接触表面摩擦对接触面上金属质点流动及接触面上应力分布的影响，为以后深入了解变形体的应力应变状况打下基础。

3. 实验设备及材料 1．实验设备：60T油压机。 2．模具：压缩试验模具。 3．试样：Φ30×20铅块2块。 4．其他：机油、松香粉、红色涂料、 测量工具。

4. 实验原理 圆柱体试样平锤压缩时，在压缩力P的作用下，工件受到压缩而使高度减少，横断面积增加，由于接触面附近的金属变形时流动困难，而使园柱体工作变成鼓形。

5. 图1接触的站着滑动及侧面局部载移情况 压缩后试样图例 图中do为坯料的原始的直径 dmin为变形后接 触表面的直径 AC环为滑动 区 BD环为变形后接触表面的增加量 OA的部分为粘着区

6. 各区域分析 变形后接触表面的直径，接触表面直径的增大，不仅是由于接触面上质点的移动，而且是由于金属从侧面局部地转移到接触表面的结果 。 滑动区内金属质点相对工具有相对移动 。 变形后接触表面增加量BD环(dB=do)由两部分组成 BC环为滑动区内金属质点移动所构成，CD环依靠侧面金属局部转移翻平到接触表面所构成。 粘着区由于外摩擦影响强烈，在此区域内接触表面上的金属质点对工具完全不产生相对移动，好象彼此粘连在一起，故称为粘着区，实际上在此区域内接触表面附近的金属，由于受很大的外摩擦阻力而不发生塑为形(或变形很小可以忽略)，并且这种影响还扩展至一定深度，构成所谓“难变形区”，由于外摩擦的影响是沿径向，(或宽度方向)由侧面向中心逐渐增强，沿高度由端面向心逐渐减弱，所以通常想象形区的形状为以粘着区为基底的圆锥形或近似 圆锥形。

7. 图2 平锥平缩时接触摩擦时 图3 平锤压缩时单位压力分布图 变形及应力分布的影响 变形区整个体积大致分为三个区域；Ⅰ区表示外摩擦影响强烈的难变形区，Ⅱ区表示与作用力约成45°角的最有利于变形的易变形区，Ⅲ区表示变形程度处于中间状态的自由变形区

8. 外摩擦的影响分析 外摩擦不仅使变形不均匀，而且也使接触布的应力(或单位压力)分布不均匀(图2下部曲线所示) ；沿试样边缘，由于不受外摩的影响，所以其应力等于金属的屈服强度σS，由边缘向中部位，应力逐渐升高，此一情形，可用带与凹槽的钢锤头压缩铅试样的试验得证实(图2、图3) 。

9. 接触表面上应力所以呈现以上述的分布规律；可做如下解释：如图2所示。当外层1受到压力后：一面变形；一面向外移动，由于摩擦力的影响，使其移动到阻碍，因而使外层1对第2层产生了横向阻力，2层所需压力量要比第1层增加，因为除了使第2层变形的压力外，还需克服第1层给第2所加的横向阻力；第3层处于更不利的情况；因为要使其变形，必须克服第1层和第2层应力状态的不同，用Tresca屈服条件来解释。

10. 压缩实验过程数值模拟

11. 实验内容 在60吨材料试验机上，用带凹槽的钢锤头，压缩二个高径比相同的园柱体铅试样，一个样的接触面上涂上机油，另一个试样的接触面上涂上松香粉，压缩均取70~75%左右；试验前测量试样的高度和直径，试验时记录下最大压缩力。试验后，沿试样接触径向上，再选择4~5个测量点，用游标卡尺测量铅流入凹槽的深度值以各绘制成曲线，测量粘着区、滑动区和侧翻区的有关直径值。

12. 实验步骤 1.分组领取试样，讨论并制定压缩试验方 案。 2.压缩前，测量并记录试样的几何尺寸。 3.添加润滑剂，开动油压机，做好安全防护后，按确认方案完成压缩。 4.测量压缩后的试样几何尺寸，并记录压缩实验数据和结果。

13. 原始试样 带凹槽的垫座 装样 涂颜料的试样 实验过程演示

14. 开始压缩 产生单鼓 松香粉润滑 机油润滑 压缩结果 压缩终了

15. 实验结果记录在以下表格

16. 实验报告要求 实验后每个人必须书写实验报告，报告内容包括： 1.目的 2. 试验设备型号及有关参数，试样材质及原始尺寸，压缩后的尺寸并计算压缩率。 3. 试验结果及解释 a) 将试验结果列表关给成曲线或图形(分区示意图)。 b) 对上述现象简明的解释。 4. 结论：指出摩擦力对接触面上金属质点流动(粘着滑动、侧翻三区的大小)和变形力大小及应力分布的影响情况。 5. 写明报告人班次、姓名及书写报告，年、月、日

17. 谢谢大家！