金属塑性原理实验指导书(金材)

《金属塑性成形原理》

实验指导书

编写：刘易凡

广东工业大学材料与能源学院

二零一三年九月印刷

实验一金属板材成形力学性能测试 (3)

实验二杯突实验 (19)

实验项目名称：金属板材成形力学性能测试

实验项目性质：综合性

所属课程名称：金属塑性成形原理

实验计划学时：4

一、实验目的

通过本试验，理解和掌握金属塑性理论的相关知识，理解和掌握金属板料力学性能对塑性成形工艺的影响。

二、实验内容

1．理解和掌握金属弹性模量（E）的概念，弹性模量与变形的关系。

2．理解和掌握屈服应力（ζs）、抗拉强度（ζb）、屈强比（ζs/ζb）。

3．理解和掌握金属薄板的均匀延伸率（δu）、总延伸率（δk

），及其对金属薄板塑性成形性能的影响。

4．理解和掌握金属材料的加工硬化概念及其在金属塑性成形加工中的一些应用，掌握确定金属薄板应变硬化指数（n）的方法。

5．理解和掌握金属薄板的塑性应变比（γ及-

γ）、凸耳参数

（△γ），塑性应变比γ值与冲压成形性能的关系。

6．掌握金属薄板拉伸时伸长ΔL 与载荷F 曲线的拟合绘制方法，

7掌握金属薄板拉伸时标称应力—应变曲线的拟合绘制方法；掌握金属薄板实际应力—应变曲线（硬化曲线）的绘制方法。

三、 相关知识概述

1．标称应力—应变曲线

金属板料单向静力拉伸实验中，标称应力ζ=0A F

与相对线

应变ε= 0L L

的关系曲线称为标称应力—应变曲线，其中 F 为

拉伸载荷，A 0为试样原始横截面积，ΔL 为试样标距伸长量，L 0为试样原始标距长度。

2．标称应力—应变曲线的变形三阶段

它分为弹性变形、均匀塑性变形和局部塑性变形阶段。 3．屈服应力

屈服点是弹性变形与塑性变形分界点，对于有明显屈服点的金属，标称应力—应变曲线上屈服平台的应力称为屈服应力ζs ；对于没有明显屈服点的金属，在曲线上无屈服平台，这时规定试件产生残余应变ε=0.2%的应力作为材料的屈服应力，称为屈服强度，一般用ζ

0.2表示。

对于理想塑性材料，屈服应力为常数，但对于一般工程材料，进入塑性状态后，继续变形时，会产生强化，则屈服应力将不断变化，即为后继屈服应力。屈服应力是金属塑性加工变形抗力指标。

4．抗拉强度

标称应力—应变曲线的最高点是均匀塑性变形和局部塑性变形的分界点，这时载荷达到最大值，其对应的标称应力称为抗拉强度，用ζb表示，它是衡量零件抵抗变形损坏能力的指标。

5．弹性模量

在弹性变形阶段，标称应力与相对线应变的比值称为弹性模量，即E=ζ/ε，弹性模量的大小反映了材料抵抗变形的能力，是衡量材料刚度的性能指标。

6．加工硬化

塑性变形使金属内部组织发生一系列变化，致使金属的性能也发生改变。其中变化最为显著的是金属的力学性能，随着变形程度的增加，金属的强度和硬度增加，塑性韧性降低，这种现象称为加工硬化。常温下的加工硬化亦称为冷作硬化。

加工硬化可作为强化金属的一种手段，常用这种塑性加工方法来提高机械零件的强度。金属塑性加工方法中，冷拔、冷挤压、冷镦、冷轧等都能得到冷作硬化的效果。

加工硬化还可改善一些冷加工工艺的工艺性，金属板料拉深和胀形加工时，由于加工硬化使塑性变形能较均匀的分布于整个工件；没有加工硬化，拉拔就不能实现。

7．硬化曲线

标称应力是假设试样横截面的面积A0为常数的条件下得到的，而在金属薄板单向拉伸过程中，试样横截面的面积是不断减下的，这样，标称应力—应变曲线不能真实地反映材料在塑性变形阶段的力学特征，所以，在实际应用中，常用实际应力—应变曲线，即硬化曲线，它可由标称应力—应变曲线得到。

8．应变硬化指数

多数金属材料的真实应力与真实应变之间为幂指数函数关系，其形式：

S=B∈n

其中n为硬化指数，B为强化系数，它们与材料的化学成分、热处理状态有关的参数，它们的大小可由硬化曲线获得。

9．均匀延伸率（δu）、总延伸率（δk）。

延伸率是衡量材料塑性性能的指标，延伸率愈大材料的塑性愈高。

10．塑性应变比和凸耳参数

金属薄板的塑性应变比（γ及-

γ）是反映板料平面方向与厚

度方向应变能力的差异。γ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。

γ值也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。

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。凸耳参数值的正负，在板料拉深成形时，可反映凸耳出现位置与板料轧制方向的关系；凸耳参数绝对值的大小与凸耳的高度相关。

四、实验主要仪器设备和材料

LJ—1000拉力试验机、千分尺、游标卡尺、直尺、标示工具等。实验材料为08钢板。

五、实验方法、步骤

（一）试样

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%。

图1 1号样

图2 2号样

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。

（二）实验方法

1 确定板材E、ζs、ζb、ζs/ζb、δu、δk

1.1 E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 代入下列各式：

ζ=0A F

ε= 0L L ?

E=ζ/ε

式中L 0——试样原始标距长度 ，mm ； A 0 ——试样原始横截面积，mm 2。 1.2 ζs 、ζb 及ζs /ζb 由下式确定：

ζs =0A F S

或ζ

0.2

=2

02

0/mm ，N A F 。（MPa ）

ζb =

0max

A F 2

/,mm N （MPa ）

式中F s ——屈服时的载荷 ，N ；

F 0.2——相对伸长为0.2%时的载荷，N ； F max ——拉伸最大载荷，N ； A 0 ——试样原始横截面积，mm 2。 1.3 δu 及δk 由下式确定： δu =

%1000

?-L L L u

δk =%

10000

?-L L L k

式中

0L ——试样原始标距长度，mm ； u L ——试样产生细颈时的标距长度，mm ； k

L ——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 曲线与试验时载荷与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： 横坐标变换为对数应变 ∈=ln

L L = ln

=?+0

0L L

L ln(1+ε) （1）

纵坐标变换为真实应力

)1()1(00

εσε+=+==

A F A F S （2）

式中 ∈——对数应变（真实应变）； ε——相对应变，ε=△L/L 0；

△L ——试样标距的伸长，mm ； S ——真实应力，N/mm 2； ζ0——名义应力，N/mm 2；

图3 拉伸F-△L（ζ-ε）曲线

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与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

S+

=∈（4）lg n

lg

lg

B

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（F 1，△L 1）和（F 2，△L 2），按式（1）和（2）换算得（S 1，∈1）和（S 2，∈2），分别代入到式（4）中，消去lgB 项，便得

1

21

2

lg lg

∈∈=

S S n （5）

4 确定塑性应变比γ

4.1塑性应变比γ亦称厚向异性指数，它是评定板料压缩类成形性能的一个重要参数。γ值是板料试件单向拉伸试验中宽度应变b ∈与厚度应变t ∈之比，即

0ln ln

t t b b

t

b =

∈∈=γ （6）

式中 b ∈——试样的宽度应变； t ∈——试样的厚向应变；

b 0、t 0——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 。 式（6）的t ∈根据体积不变条件，亦可由下式确定：

)(1b t ∈+∈-=∈

（7）

式中1∈——试样标距长度应变。

板平面与轧制方向呈0°、45°和90°的三个方向的塑性应变比γ，相应地用γ0、γ45和γ90表示。由于不同方向上测得的塑性应变比数值是变化的（图5），板料的厚向异性系数常用平

均值-

γ表示，一般按下式计算：

)

2

(

4

1

90

45

γ

γ

γ

γ+

+

=

-

（8）

板料γ值的大小，反映板平面方向与厚度方向应变能力的差异。γ=1时，为各向同性；γ≠1时，为各向异性。当γ＞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。γ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。

图4 拉深时的应力状态

γ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γ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4示出拉深时的应力状态。γ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γ值大，成形性能好。

4.2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，用γ?表示，可按下式计算：

45

900)(21

γγγγ-+=? （9）

式（8）、（9）中0、45、90表示在金属板材表面内试样的长度方向与轧制方向分别成0°、45°和90°。

图5 γ值在板平面内的变化

a)△γ＞0 b)△γ＜0

用圆形坯料拉深筒形件，当△γ＞0时，凸耳出现在0°和90°方向；当△γ＜0时，凸耳出现在±45°方向；△γ=0时，不产生凸耳。由于凸耳的位置与大小和△γ有关，所以△γ也叫凸耳参数。

本试验中，测量试样的原始宽度b 0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L 0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b 1和标距长度L 1。

图6 试样横向弯曲示意

若拉伸变形后，在宽度方向发生明显弯曲（图6），当凸度h>0.3mm 时，应按式（10）修正测得的宽度：

2

2

1214''4arcsin )4'(h b h

b t h b h b +-+= （10）

（三）实验步骤

1学习金属材料在拉伸时载荷与伸长曲线变化的规律，学习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

3测量试样拉伸前的相关参数的实验数据，填入表1中。

表1：金属板料拉伸实验数据

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。

6双击进入。

7单击“联机”后选实验方案，或从旧的方案中编辑新方案。

8拉伸参数设置。

9清零后，对金属试样进行拉伸，测试软件自动记录实验曲线和数据。

10拉伸曲线结果，力—变形曲线（图7）和力与变形不同时刻对应的数值（表2）。

图7 力—变形曲线

表2：力—变形曲线的参数值

11从试验机上松开并拿出试件，测量并记录相关实验数据，填入对应表格。

12 确定塑性应变比时，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。当试样标距从50 mm伸长至60 mm，也就是曲线变形某一点，该点在横坐标上的卸载点为10 mm，即标距内金属材料伸长到约20%时，停止拉伸，慢速回退，卸载后，再松开并拿出试件，测量并记录相关实验数据，填入表3。

表3：确定塑性应变比

六、实验报告要求

1实验目的，实验内容，实验主要仪器设备。

2试样材料、形状、尺寸（绘制实验采用的试样图）。

3板料拉伸的F-ΔL曲线。绘制加工硬化曲线。

4按公式计算出材料的力学性能：E、ζs、ζb、ζs/ζb、

δu、δk、n、γ、-

γ、△γ。

七、思考题

1分析F-ΔL曲线与载荷与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。

2分析γ和△γ对金属板料冲压性能的影响。

实验二

实验项目名称：杯突实验

实验项目性质：普通实验

所属课程名称：金属塑性成形原理

实验计划学时：2

一、实验目的

测定金属薄板的胀形成形性能。

二、基本原理

用一块一定尺寸的试件毛坯，夹持在图1所示的压边圈4和凹模3之间压死，用球形凸模1进行冲压，直到试件圆顶附近出现能透光的裂缝时停止加截。

把凸模压入的深度称为IE值，作为评价金属薄板胀形成形性能指标。IE值越高，钣料的胀形成形性能越好。杯突实验又称为艾利克森（Erichsen）实验。

三、实验设备及工具

1.本实验在BHB－80A型钣料实验机上进行。测量工具为高度尺或磁力千分表架及百分表。

四、模具与试件

按GB4156-84“金属杯突实验方法”中试件尺寸和模具的

试件为90×90mm，厚度≤2的方形金属薄板。试件表面应平整无伤痕，边缘不应有毛刺。

五、实验步骤

1把凸模座2装到实验机的中心活塞上，再把压边圈4放到压边活塞上。压边圈上的凸梗与压边活塞上的沟槽合好。起定位作用。

2把试件清洗干净，涂上润滑油后放到压边圈上，并由压边圈上的正方形沟槽定位。

3把凹模3装在实验机的凹模座中，并把凹模底放置到模筒中，置于锁紧位置。

4按下压边开关的按钮。调整压边调压阀的液压手柄，使液压达到2.6MPa,此时压边力约为10KN。

5按下中心活塞上行按钮（即胀型开关的按钮），凸模上升进行冲压，注意观察试件，当试件圆顶附近出现能透光的裂缝