1、第十二章 金属塑性成型性能试验,第一节 金属塑性成型性能试验的内容一.冲压成型性能试验的内容,冲压成型性能,板材对冲压成型加工的适应能力，它取决于金属薄板的静态品质，还取决于冲压过程中的应力应变条件，以及薄板制件的几何特征,狭义冲压成型性能,广义冲压成型性能,材料开始出现破裂的极限变形程度，作为评定冲压性能的材料特性,成型性能,冻结性能,贴膜性能,锻造成型性能,衡量金属原材料经受锻造成型的难易程度的一项工艺性能。,狭义锻造成型性能,广义锻造成型性能,贴膜性，定形性,拉深性能 胀形性能 扩孔性能 弯曲性能 复合成型性能（拉深胀形） 局部成型性能（FLD）,二.锻造成型性能试验的内容,第二节 金属
2、塑性成型性能试验的分类及目的,直接试验方法,间接试验方法,间接试验又称基础试验，是使材料进行单纯的变形过程，通过测定各种与材料成型性能相关的各种参数，把握其物理意义，掌握强度及变形特性。,通过特定的压力设备，让试样所受到的应力状态和所产生的变形过程都与在实际加工中试样所受的负荷和产生的变形过程相似，从而测定特定的负荷或变形量，当作判定金属成型性能尺度的一种工艺性试验 。,第三节 金属塑性成型性能试验方法 一.冲压成型性能试验的方法,1.板材拉伸试验,1.1拉伸试验原理,利用板材的单向拉伸试验可以得到许多与板材冲压性能密切相关的试验值,（1）屈服点,（2）抗拉强度,（3）屈强比,（5）硬化指数,
3、（6）各项异性指数,（4）均匀伸长率,大多数金属板材的硬化规律接近于幂函数的关系，n值大的板材，在冲压成型时加工硬化剧烈， 变形抗力增加较快。拉伸试验确定n值的方法很多，例如 两点法：计算出拉伸过程中某两点的真实应力与应变，则可利用公式=Kn ，计算出n与K的数值。,板厚方向性系数r值是在拉伸过程中板材试样的宽度应变b与厚度应变l的比值。 r值大时，表明板材在厚度方向上的变形比较困难，比板平面方向上的变形小，在伸长类成型中，板材的变薄量小，有利于这类冲压成型。但试验与理论分析都证明，当板料的r值较大时，它的拉深性能也好，板材的极限拉伸系数Mc更小。 由于板材的r值常具有方向性，这时可以按平均值
4、计算：r0、r45与r90分别是与板材轧制方向成0、45与90的方向上截取的拉伸试样的测得r值。,板平面方向型系数,测定试样的屈服点s、抗拉强度b、屈服比s/b、均匀伸长率u、硬化指数n以及各向异性系数r。 观察材料在拉伸试验中的各种现象，并绘出拉伸曲线和名义应力拉伸曲线。 注意观察端口形貌 学习和掌握万能材料试验机的构造和工作原理，以及其使用方法。,1.2板材冲压性能拉伸试验方法,试验目的,试样是从待试验的板材上截取，加工按GB2975标准，拉伸试验的试样长度按标准（GB22887）确定，试样的宽度，根据原材料的厚度采用10、15、20和30mm四种，宽度尺寸偏差不宜大于0.02mm。 拉力
5、试验机（机械式或液压式） 游标卡尺和XY函数记录仪,试验试样、工具及设备,注明材料性能、取样部位纤维方向、试验温度规范、速度规范、试样形状、尺寸、试样断口形状、试样是否均匀变形。 试验结果的每一组数据，应至少来自五个试样，包括最大值、最小值和平均值。 试验报告可根据试验内容自行设计。,试验报告及要求,试验步骤,原始尺寸测量：测量板宽W0， 确定标距。 根据试样的负荷和变形水平，相应地设定试验机的量程范围 快速（一般50mm/min）调节上下夹头的距离，安装试样并保持上下对中。 设定加载速度（一般2mm/min）开机加载观察试验现象 停机,卸下试样观察断口形貌,2.1板材胀形试验原理,2.板材胀
6、形试验,板材的胀形性能试验又称为杯突试验或压穴试验 。一般包括Erichsen胀形试验和瑞典式纯胀形试验。它是测定板材冲压性能的一种工艺性试验。,杯突机上用一定规格的钢球或球状冲头向夹紧与规定的环形凹模内的试样施加压力，直至式样产生微细裂纹为止，此时冲头的压入深度称为材料的杯突深度值。该值反映材料对胀形的适应性，可作为衡量板料胀形、曲面零件拉深的冲压性能指标。,杯突试验,先将平板坯料试样放在凹模平面上，用压边圈压住试样外圈，然后，用球形冲头将试样压入凹模。由于坯料外径比凹模孔径大很多，所以，其外环不发生切向压缩变形，而与冲头接触的试样中间部分坯料受到双向拉应力作用而实现胀形成型 。在胀形成型中
7、，把试样出现裂纹时冲头的压入的深度称为胀形深度或Erichsen试验深度，简计为Er值。 Er值越大，胀形性能及拉深类成型性能越好。,Erichsen胀形试验,Er值的影响因素很多，如板料的厚度、压边力大小、润滑条件及模具的粗糙度等对他都有影响。此外，由于试验设备不同、操作方法不同以及对裂缝判断之差异等都会影响试验的结果。,学习确定板料胀形性能的试验方法；操作试验机，熟悉原理图并了解各手柄的作用。 了解胀形性能试验机的构造及操作,2.2板材冲压性能胀形试验方法,试验目的, 08、A1、H62、板材。 胀形性能试验模具；游标卡尺；千分尺等常用工具。 BT6型胀形性能试验机一台,试验试样、工具及设
8、备,先将手柄转到“反”和“慢”的位置上。 装好模具，将冲头装到冲头座中，再将冲头座拧紧到活塞上。 在试样与冲头接触的一面和冲头球面上涂润滑油。 夹紧试样，使压边力指示到10KN。 将手柄转到“正”并逐渐转动调速手柄向“快”移动，速度在10mm/min左右，注意观察试样变形情况，见有裂纹出现时即停车，记录杯突深度和压力值。 手柄转到“反”启动按钮，取出式样。 重复步骤（3）（6），每种材料应做两次以上试验，将所得胀形深度的算术平均值，作为该材料的胀形深度值。 试验完毕将模具拆下，并整理好各种工具,试验步骤,试验报告及记录表格,测量胀形性能试验模具尺寸，试样宽度、厚度 。,胀形性能试验记录表,在E
9、richsen胀形试验条件下，试样法兰边或多或少总会有某种变形，即法兰边金属会有少许流向凹模内。于是，中间部分材料的胀形成分就不十分纯。,瑞典式纯胀形试验,瑞典式纯胀形试验在凹模与压边圈相应位置上设置了三角形肋槽，以阻止法兰部分材料流入凹模，使球形冲头下面所对材料产生纯胀形。,同Erichsen试验相对应，纯胀形试验结果得到最大胀形深度hmax，hmax越大，表明板材的胀形性能越好。这个试验和richsen胀形试验相比，只是模具结构发生了一点变化，其试验方法、步骤和Erichsen胀形试验是一致的。但是，这种工试验方法尚未普及。其主要原因是，各种因素仍然会对试验结果产生影响，它不能从根本上取代
10、Erichsen胀形试验。,瑞典式纯胀形试验同Erichsen试验对比,3.1板材拉深试验原理,3.板材拉深试验,Swift求极限拉深比的试验，也叫Swift拉深试验,试验方法使用不同直径的圆形坯料，并按照逐级增大直径的操作程序在图示的装置中进行拉深成型试验，取试样侧壁不致破裂时可能拉深成功的最大坯料直径D0max与冲头直径dp之比值，称为极限拉深比（LDR），即，LDR值越大，则板材的拉深成型性能越好。,拉深极限试验原理,我国习惯用极限拉深系数m0表示拉深成型的极限变形程度，它是极限拉深比的倒数，故有。显然，其意义是：m0越小，表明拉深变形程度越大，板材拉深成型性能越好。Swift拉深试验能
11、比较直接地反映板材的拉深成型性能。但也受试验条件（如间隙、压边力及润滑等）的影响，使试验结果的可靠性有所降低。它的最大缺点是须制备较多的试样、经过多次的试验。,极限拉深系数与极限拉深比,通过试验测定板材的拉深成型性能参数，即极限拉深比LDR和极限拉深系数mc。 学习和掌握板料拉深试验方法。,极限拉深试验方法,试验目的,圆片状试样，按规定的直径级差分组，组数不少于2，每组内有效试样数量为6。相邻两级试样的直径级差为1.25mm，各级试样的外径偏差不大于0.05mm。按GB/T15825.2规定制备试样，并记录试样实测厚度。 拉深性能试验模具；游标卡尺；千分尺等常用工具。 BT6型拉深性能试验机一
12、台,试验试样、工具及设备,表119 拉深试样和模具尺寸的关系,对不同材料按试验要求制备试样，并按逐级增大顺序依次把放好。 根据试样按表119选择模具，并将测得的参数记录到表1110中。 对模具、试验装置和试验机进行清理、检查和润滑。 装好模具，进行预试验，确定合理的压边力。 将经过润滑处理的试样准确地放置在凹模与压边圈之间。 夹紧试样，注意夹紧的压边力的大小对拉深时的起皱与破裂有影响。,试验步骤,施加压边力后启动凸模，采用逐级增大试样直径的方法测定拉深杯体底部圆角附近的壁部不产生破裂时允许使用的最大试样直径(D0)max。试验时所用的初始试样直径可根据经验确定。当初始试样直径难于估计时，允许使
13、用单个试样进行快速试验，一旦发现试样直径接近(D0)max，则应开始对每组试样进行重复试验。 将手柄置“正”，调速手柄逐渐向“快”移与中间位置，直至筒形件拉成。取出筒形件，依次换大直径试样，重复步骤（5）（8）。当拉深某一直径毛坯，筒形件发生破裂时，再用相同直径毛坯重做一次，仍然拉裂，则比该值稍小的毛坯直径即为Dmax。计算LDR=Dmax/dp和Mmin=dp/Dmax并计入表中。,试验步骤,换另一种材料的试样，依次从小到达，重复步骤（4）（8）。 每组试样必须进行6次有效重复试验，并记录破裂与未破裂试样的个数。当试验出现下述任一种情况时，试验无效： a.破裂位置不在杯体底部圆角附近； b.
14、杯体出现纵向皱褶； c.杯体形状明显不对称，两个对向凸耳的峰高之差大于2mm。 试验结束。卸下模具，并整理好各种试验工具。,试验步骤,试验报告格式自行设计。 如何确定材料的极限拉深系数？使用怎样的计算方法。 注意观察并比较夹紧力对试验结果的影响。,试验报告及要求,表1110 杯形件拉深试验记录表,拉深潜力试验也叫TZP试验或拉深力对比试验。这种试验方法是由WEngelhardt和HGross开发的。,在一定的拉深变形程度下（TZP试验时取毛坯直径D052mm，冲头直径dp30mm）最大拉深力与试验中已经成型的试样侧壁的拉断力之间的关系作为判断拉深成型性能的依据。,拉深潜力试验原理,图1112示
15、出了拉深力Pmax与试样最终被拉断的力P，可得到一个表示板材拉深性能的材料特性值T，T值按下式计算：,这种方法特点之一是可一次试验成功。当试验进行到拉深力达到峰值Pmax时，随即加大压边力，使试样的法栏边固定，消除在以后拉深程中继续变形和被拉入凹模的可能。然后，再加大冲头压力直到试样被拉断，并测出拉断时的力P。本试验按JB4409.288标准来执行。,方法特点,T值越大，板材的拉深性能越好。,拉深潜力试验方法,测定板材的拉深潜力值T，以此来评定材料的拉深成型性能。 学习和掌握拉深潜力试验的试验方法。,试验目的,圆形试样直径取52mm。 凸模直径为30mm，凹模和内、外压边圈配做； 游标卡尺。
16、拉深潜力试验机一台（具有双向压边装置）。,试验试样、工具及设备,准备试样,对试验机、模具和试验装置进行清洗、检查和润滑。装好模具，进行预试验。 将经过润滑处理的试样准确地放置在凹模和内、外压边圈之间并用外压边圈把试样压紧。 启动凸模运动，开始拉深试样。当拉深力达到最大拉深力时，记录该值，并加大内压边圈压边力，把试样压死。 通过凸模对试样继续加载直到试样侧壁被拉断，测定试样低部圆角附近破裂时的极限载荷P。 试验结束。卸下模具，并整理好各种试验工具。,试验步骤,试验报告及要求,根据试验结果，画TZP试验中的力行程曲线。 分析各种材料的T值，判定其拉深潜力。 思考试验中的不足并提出改进措施。,对圆片
17、状试样进行拉深时，试样直径D0与最大拉深力Fpmax，以及与拉破试样的极限拉深力Fpf之间具有近似的线性关系，利用这种关系，对多种不同直径的试样进行试验测定Fpmax和Fpf以后，可以近似求出拉深杯体底部圆角附近壁部不产生破裂时允许使用的最大试样直径和相应的载荷极限拉深比LDR(T) 。,拉深载荷试验原理,4.1KWI扩孔试验,4.板材翻边试验,用有预加工小孔（小孔直径规定为扩孔冲头直径的30）的平板坯料进行扩孔. 试验时，将试样放在凹模与压边圈之间压死，凸模运动，直至孔口边缘因孔径扩大而出现裂纹为止。测量此时的最大孔径dfmax和最小孔径dfmin，用来计算极限扩孔率。极限扩孔率值是作为鉴定
18、板材翻边成型性能的一个材料特性值,值越大，板材的翻边性能越好。,KWI扩孔试验原理,4.2 福井、吉田扩孔试验,利用球形冲头进行扩孔试验 ,预加工小孔孔径取为冲头直径的2025 ,为了减小试验误差，规定该小孔需经过铰孔或其他切削加工。极限扩孔率来表示，即,福井、吉田扩孔试验原理,Ri孔缘破裂时的小孔孔半径平均值； ri试样中心预加工小孔半径。 其评价意义也是值越大，板材的翻边性能越好。,5.1最小相对弯曲半径试验原理,5.板材弯曲试验,一般用相对与板料厚度t的比值表示，即rmin/t0（rmin最小弯曲半径，t0试样基本厚度）。此比值越小，表明板材的弯曲性能越好。实际上，有好几种弯曲试验方法均
19、是测出弯曲外表面不致产生破环情况下的最小相对弯曲半径。,压弯法,卷弯法,模弯法,用弯曲模在冲床或液压机上进行弯曲试验，不仅可以测出最小相对弯曲半径，而且可以测出弯曲力及弯曲弹复等试验数据。,5.2反复弯曲试验原理,将金属板料夹紧在专用试验设备的钳口内，左右反复折弯90，以每弯曲90再扳直算作一次，每分钟不得超过60次，直至弯裂为止。弯曲次数可从试验机的转数表中读出。试验时，折弯的弯曲半径r越小、弯曲次数越多，表明板料的弯曲性能越好。,5.2弯曲件的回弹试验原理,采用一套凸模易于更换的弯曲模。配有一系列具有不同凸模圆角半径的凸模，其中包括一个制成局部凸起的凸模，其圆角半径与诸凸模中的一个相同。制
20、备一批具有不同材料、相同厚度和相同材料、不同厚度的弯曲件毛坯。用这些毛坯在冲模上依次更换凸模进行弯曲试验，就可以测算出以下几组数据： 1相同材料、不同变形程度时的弯曲回弹角 2不同材料在同一变形程度时的弯曲回弹角。 3局部凸起的凸模与相应的普通凸模所形成的不同的回弹角。,6.板材硬度试验,物体硬度的基本含义是当其他物体压入时，对于这种压入变形的抵抗程度。硬度试验方法与硬度值有很多种，可适用于金属板料的主要由维氏硬度（HV）、布氏硬度(HB)及渃氏硬度（HRB）等。,7.成型极限图试验,板料在发生失稳之前可以达到的最大变形程度叫做板料的成型极限。成型极限可分为总体成型极限和局部成型极限。,总体成
21、型极限反映板料失稳前某些特定的总体尺寸可以达到的最大变化程度，如极限拉深系数、极限胀形高度和极限翻边系数等 局部成型极限反映板料失稳前局部尺寸可达到的最大变化程度，如成型时的局部极限应变即属于局部成型极限。,8.板料对角拉伸试验,研究解决贴模性和定形性问题，1980年吉田青太在ASTM会议上提出了板料对角拉伸试验，用这种试验过程中产生的非均匀拉应力以及诱发产生的压应力可以模拟板料贴模时的情况 板料对角拉伸试验是沿方形或三角形试样的对角线方向拉伸，测取拉伸过程中试样的起皱高度，用以反映不均匀拉力条件下成型大尺寸零件（如汽车覆盖件）的板料的冲压成型性能。,9.锥杯试验（“拉深+胀形”复合成型性能试
22、验）,试验时，试样平放在锥角为60的锥形凹模孔内，并取冲头直径dp与试样外径D0的比值为dp/D0=0.35。通过钢球把试样冲成锥杯（锥杯上部侧壁为拉深成型，底部球面为胀形成型），直至锥杯底或附近发生破裂时停止试验并用下述公式计算锥杯试验值CCV作为“拉深+胀形”复合成型性能指标。,二.锻造成型性能试验的方法,1. 拉伸试验,1.1拉伸试验原理,试验提供的E，s，b，和等指标是评定材质和进行强度和刚度计算的重要依据 拉伸试验是在材料试验机上进行，拉伸速度通常在10mm/s以下，对应的应变速率为10-110-3s-1，, 弹性变形阶段； 屈服阶段，有些金属有明显的屈服平台，有些金属则没有，把产生
23、0.2%塑性变形时的应力定义为材料的屈服应力0.2； 均匀塑性变形阶段，此阶段中，塑性变形沿整个试样上均匀分布，外力逐渐增大，并达到最大值Pmax； 细颈形成阶段，在此阶段中，变形集中在试样的局部而出现细颈，直到拉断，外力由开始出现细颈时的最大值Pmax逐渐减小。,1.2拉伸试验方法,测定试样的屈服极限s，强度极限b，延伸率，截面收缩率。 观察以上两种材料拉伸过程中的各种现象，并绘出其拉伸曲线 了解万能材料试验机的构造和工作原理，掌握其使用方法。,试验目的,标距长度l0为直径d0的10倍和5倍的延伸率圆截面试样。 万能材料试验机；游标卡尺；千分尺等,试验试样、工具及设备,测量试件断口的l1值，
24、用刻线机在标距l0范围内每隔5mm刻划一根圆周线，将标距分成10格（对短试件）或20格（对长试件）。 根据低碳钢的强度极限b和试样的横截面面积A0估算试样的最大载荷。根据最大载荷的大小，选择合适的测力刻度盘。 先将试样安装在试验机的上夹头内，在移动下夹头使其达到适当位置，并把试样下端夹紧。 开动试验机，预加少量载荷（不能超所比例极限），卸载回零点，以检查试验机工作是否正常。 缓慢匀速加载。注意观察测力指针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象。当测力指针不动或倒退时，记录屈服载荷Ps，加载到试样断裂后停机，由随动指针读出最大载荷Pb。 取下试样，测量断裂后标距段的长度l1，断口（缩颈）处直径d
25、1，计算断口处的横截面面积A1。,试验步骤,试验数据整理（可列成表格或画出试验曲线），结果计算。 1.计算低碳钢的屈服极限s和强度极限b；2.计算低碳钢的延伸率和截面收缩率。 3.画出低碳钢的曲线，并将有关与力学性能指标标注在曲线上 对试验结果作出定性或定量的误差分析及讨论。,试验报告及要求,2. 压缩试验,压缩试验原理,压缩试样一般制成圆柱形，其高h0与直径d0之比在13的范围内 试验之前，将试样两端面涂以润滑剂外，同时还需保证试样端面加工应有较高的光洁度。两端面的平行度要好，且与试样轴线垂直。试验时还必须加球型承垫 在整个屈服阶段，载荷是上升的，看不到测力指针倒退的现象，为此，在判定压缩时
26、的Ps，测力指针的转动将出现减慢，这时所对应的载荷即为屈服载荷Ps 。,3. 镦粗试验,镦粗试验原理,将圆柱形试样在压力机或锻锤上进行镦粗而获得金属材料变形时的流动应力的试验 采用的圆柱形试样的高度H0一般为直径D0的1.5倍（例如H0 =30mm，D020mm），用试样侧表面出现第一条裂纹时的压缩程度c作为塑性指标，即：,4.平面应变压缩试验,平面应变压缩试验试验原理,平面应变压缩试验法测定材料的冷态流动应力。 平面应变压缩下的应力p 、应变3与单向压缩时应力S 、对数应变 关系如下,5.扭转试验,扭转试验原理,塑性指标用试样破断前的扭转角或扭转圈数来表示 材料的扭转过程可用M曲线来描述。M
27、代表施加在试样上的扭矩，代表试样的相对扭转角。最大剪应力为：,同种材料在不同受力形式下试验，由于应力状态不同其变形过程、断裂方式及破坏原因也明显不同。，若是不同材料，由于材料的韧脆程度不同其扭转曲线、破坏方式、破坏原因、强度指标有很大差异。,6.开式模锻成型性能试验,开式模锻成型性能试验原理,开式模锻时飞边槽尺寸对金属充填模膛和变形力的影响试验。 桥部阻力也不宜选得过大。桥部阻力的大小与桥部尺寸、桥部的表面粗糙度等因素有关，其中b/h值对阻力的影响最为明显。,采用三套桥部宽度相同（b=7mm），而桥部高度分别为h=3、1.6、0.6mm的模具，对同样尺寸的铅试样进行模锻，以便分析不同的b/h值
28、对模膛充满程度及模锻变形力的影响。,7.平砧间拔长变形试验,平砧间拔长变形试验原理,使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序称为拔长，拔长是通过逐次送进和反复转动坯料进行压缩变形 。 矩形坯料在平砧间拔长时，工艺参数（绝对送进量l0 ）对拔长效率和拔长质量有很大影响。,8.金属顶锻试验法,金属顶锻试验法原理,确定金属材料在冷、热状态下承受规定程度的顶锻变形性能，并显示其缺陷。 应用于直径或边长小于30mm的圆形和方形材料，压力机或锻压机上压或锻至规定高度h0 顶锻后检查试样侧面，在有关标准未作具体规定的情况下，一般如无裂缝、裂口、扯破、折迭或气泡，即认为试验合格。,第四节 金属塑性成型性能试验工程应用实例,一、冲压成型性试验的工程应用实例 二、锻造成型性试验的工程应用实例,
