1擠壓金屬的流動
在擠壓力的作用下，金屬流動是在擠壓變形區(qū)內發(fā)生的塑性變形過程。金屬流動狀況對擠壓制品的組織、尺寸形狀以及表面狀態(tài)有重要的影響，而金屬的流動又受到金屬的性質、擠壓方法及工藝條件的限制。

擠壓過程金屬的流動分為填充擠壓、基本擠壓和紊流擠壓3個階段，各個階段金屬的流動有各自的特點。
1.1 填充擠壓階段
為了便于把錠坯裝入擠壓筒中，錠坯的直徑應小于擠壓筒內徑。因此，在擠壓時，首先進行填充擠壓，迫使金屬在擠壓筒內鐓粗和充滿?？?，使擠壓力上升到最大值。填充擠壓過程如圖4-2所示。開始時，坯料與模端面接觸部分的軸向應力σ比其他部分大，因而先達到塑性條件，發(fā)生塑性變形。但由于端面摩擦力的作用，變形量很小。當繼續(xù)加大擠壓力時，坯料的變形類似自由體鐓粗，因而呈鼓形。隨后繼續(xù)壓縮坯料，由于在部位II處的金屬對容器壁的摩擦，徑向應力σ,增加，此時的軸向應力σ1、徑向應力σ,和周向應力σ.都很大，繼續(xù)塑性變形困難。在部位I上的坯料所受的平均單位壓力比部位III上的大。因此，部位I上的擠壓筒中空腔的部位I首先被金屬所填滿，然后金屬填滿靠近凹模的部位
III.當擠壓坯料的長度與直徑的比等于或大于3~4,并且擠壓比又較大時，部位III處的空氣或潤滑劑完全燃燒的產物在擠壓時受到劇烈的壓縮明顯發(fā)熱，氣體會進入坯料表面的微裂紋中，通過?？妆缓负希^而在出?？缀笮纬蓺馀荩换蛘呶茨芎负?，而在出模孔后使擠壓制品表面起皮。坯料和擠壓筒之間的間隙越大，這種缺陷就越嚴重。為了避免制品表面起皮缺陷，錠坯的長度與直徑之

比最好小于3~4,或者采用梯溫加熱。
1.2 基本擠壓階段
金屬開始由?？琢鞒?，到擠壓過程將要結束時停止。在正向擠壓過程中，擠壓力隨著鑄錠長度的減少而平穩(wěn)下降；當反向擠壓時，擠壓力隨著擠壓過程的進行而基本保持不變，金屬流動比較均勻?；緮D壓階段金屬的流動隨擠壓條件的變化而有所不同。
般情況下，金屬流動相當于無數同心薄壁圓管的流動，內外層金屬不發(fā)生交錯或紊流。圖4-3所示為用單孔錐形模進行不帶潤滑的正向擠壓時，在基本擠壓階段中變形過程中的坐標網格發(fā)生的較大變化。橫向坐標線在擠壓后都有較大的彎曲，說明中心部分的金屬流動快，而外層金屬變形滯后于中心部分變形。橫向坐標線的彎曲程度由棒材的前端往后端逐漸增加，到一定位置后趨于穩(wěn)定?？v向坐標線在進出塑性變形區(qū)時發(fā)生方向相反的兩次彎曲，其彎曲角度由中心層向外層逐漸增加，這表明金屬內外層變形存在不均勻性?？v向坐標線有時在進入塑性變形區(qū)之前距離墊片不遠處發(fā)生明顯的彎曲，形成細頸。這是由于外層金屬向中心部分壓縮而形成的。擠壓后的坐標網格也存在著畸變。中間方格為
近似矩形，外層的方格變?yōu)榻破叫兴倪呅?，說明金屬有剪切變形。在擠壓筒內存在著前端和后端兩個難變形區(qū)。在金屬變形區(qū)中存在劇烈的滑移區(qū)，從低倍組織觀察來看，有明顯的金屬流線和

金屬晶粒的破碎。
1.3 紊流擠壓階段
正向擠壓時，在擠壓筒內錠坯長度減少到接近變形區(qū)壓縮錐高度時的金屬流動階段稱為紊流擠壓階段。這時擠壓力升高，金屬徑向流動增加，外層金屬沿著擠壓墊片從周邊向中心做回轉交錯的紊亂流動，并形成了擠壓縮尾。反向擠壓時，此階段的金屬流動與正向擠壓類似。
1.4 擠壓金屬的流動模型
在不同的工藝條件下擠壓各種制品，金屬流動是不同的。根據金屬流動的特性分析，擠壓金屬的流動模型基本上有4種（見圖4-4):
（1)流動模型1(見圖4-－4(a))。在反向擠壓和靜液擠壓時出現。錠坯與擠壓筒之間絕大部分沒有摩擦力，只有靠近模子附近處筒壁上才存在著摩擦力，金屬流動均勻，幾乎沿錠坯整個高度都沒有金屬周邊層剪切變形，彈性區(qū)的體積較大，塑性變形區(qū)只局限在?？诟浇绤^(qū)很小。在整個擠壓的過程中，壓力、變形和溫度條件穩(wěn)定，所以不產生中心縮尾和環(huán)行縮尾。

流動模型2(見圖4-4(b)).在潤滑擠壓時，錠坯與擠壓筒之間的摩擦力極小時出現。塑性變形區(qū)與死區(qū)比模型1大些，金屬的流動較均勻，不產生中心縮尾和環(huán)行縮尾。一般情況下，擠壓紫銅、黃銅、錫磷青銅、鋁、鎂合金、鋼等屬于流動模型2.
（3)流動模型3(見圖4-4-4(c)).錠坯內外溫差較大，且受到擠壓筒和模子之間的較大摩擦力時出現。塑性變形區(qū)幾乎擴展到整個錠坯，但在基本擠壓階段尚未發(fā)生外部金屬向中心流動的情況，在擠壓后期出現較短的縮尾。一般情況下，擠壓α黃銅、白銅、鎳合金、鋁合金等屬于流動模型3.
（4)流動模型4(見圖4-44(d))。當錠坯與擠壓筒之間的摩擦力很大，且錠坯內外溫差又很大時出現。擠壓α+β黃銅、鋁青銅、鈦合金等屬于流動模型4.
擠壓時影響金屬流動的主要因素有：
（1)擠壓方法。反向擠壓比正向擠壓金屬流動均勻，冷擠壓比熱擠壓金屬流動均勻，潤滑擠壓比不潤滑擠壓金屬流動均勻。擠壓方法的影響是通過摩擦條件的改變來實現的。
（2)擠壓溫度。擠壓溫度升高、坯料的變形抗力降低時金屬的不均勻流動加劇。擠壓過程中，如果擠壓筒和模子的加熱溫度過低，外層與中心層的金屬溫差大，則金屬流動的不均勻性增加。金屬導熱性越好，在錠坯端面上溫度分布越均勻。
（3)金屬強度。在其他條件相同時，金屬強度越高，金屬流動越均勻。
（4)模角。模角α(即模子端面和中軸線間的夾角）越大，則金屬流動性越不均勻。當采用多孔模擠壓時，模孔排列合理，則金屬流動趨于均勻。
（5)變形程度。變形程度過大或過小，金屬流動都不均勻。
（6)擠壓速度。擠壓速度增加，金屬流動的不均勻性加劇。
2 擠壓變形區(qū)
擠壓變形時，擠壓變形區(qū)分彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)，兩區(qū)的位置和大小與許多因素有關。擠壓變形區(qū)通常指塑性變形區(qū)。由金屬流動的坐標網格試驗可以確定塑性變形區(qū)剖面的形狀，如圖4-5中ABCDEF所示。

實心材正向擠壓時，塑性變形區(qū)有3個邊界：前部邊界、后部邊界及外側邊界。但是，后者只取決于擠壓針的幾何形狀。所以，無論擠壓實心材還是空心材，都需要確定塑性變形區(qū)的前、后及外側邊界。
對塑性變形區(qū)的邊界進行精確地確定是困難的，但是在宏觀上可以大致地確定。格列博夫（IЮ.II.Глeбов)提出，潤滑正向擠壓時，塑性變形區(qū)的后部和前部邊界可以看做是將坐標網格縱向線發(fā)生兩次彎曲的折點連接起來所形成的軌跡。塑性變形區(qū)的外側邊界取決于使用的模具。若采用錐形模時，外側邊界實際上完全取決于模子入口錐的形狀，它只存在很小的死區(qū)；若采用平模時，外側邊界則取決于自然流角的大小。反向擠壓時，塑性變形區(qū)集中在?？诟浇?，它的確定方法與正向擠壓時基本相同，但比正向擠壓時的小得多。
塑性變形區(qū)有3種形式：
（1)塑性變形區(qū)集中在?？赘浇ㄒ妶D4-6(a)).這種形式－6(a))。一般在反向擠壓時發(fā)生；若摩擦系數小和錠坯的材質均勻，正向擠壓時也會發(fā)生。由于金屬的流動均勻，制品的組織性能比較均勻，不會發(fā)生縮孔的缺陷。
（2)塑性變形區(qū)擴大到幾乎整個錠坯（見圖4-6(b)).當正向不潤滑擠壓時，錠坯與擠壓筒間的摩擦系數較大，錠坯的材質又不夠均勻，內層有前滑現象，則形成內層V1與外層V2區(qū)。外層比內層流動得慢，制品的組織性能不夠均勻，但是制品的表面質量較好。

塑性變形區(qū)擴展到全錠坯（見圖4-4-6(c))。當錠坯與擠壓筒間的摩擦系數相當大，錠坯的材質又很不均勻時，易形成內層V1、外層V2及靠近墊片處V3區(qū)。這3個區(qū)域的出現會導致制品的組織性能不均勻，因而擠壓時應當避免這3個區(qū)域出現。

用實心錠坯擠壓圓棒材時，塑性變形區(qū)體積V實按下式計算（見圖圖4-7(a))
V=V1-V2   （4-1)
式中
V1-一扇形球體OABC的體積；
V2-一扇形OA'B'C'的體積。

圓形實心錠坯擠壓空心材時（見圖4-7(b)),其塑性變形區(qū)的體積按下式計算：
V=B1-B2-B3-B4+B5  （4-2)
式中B1,B2,B3,B4,B5-－分別為扇形球冠體 OABCDE、扇形球冠體 ONMLKF、球冠體BCD、圓柱體MBDK和球冠體MLK的體積。
用空心錠坯擠壓空心材和用組合模擠壓型材時，都可以采用同樣的方法計算塑性變形區(qū)的體積。
擠壓筒內金屬存在兩個難變形區(qū)，一個位于擠壓筒和模子交界處，叫前端難變形區(qū)，也稱為死區(qū)（見圖4-8中abc區(qū)）；另一個位于錠坯后端面與墊片接觸的中心部位（見圖4-8中7區(qū)）。

在基本擠壓階段，位于死區(qū)內的金屬一般說來不產生塑性變形，也不參與流動。但實際上，隨著擠壓過程的進行，死區(qū)中的金屬也會緩緩地沿模面滑動流出?？?。
位于錠坯后端面與墊片接觸的中心部位的難變形區(qū)，是由于墊片與金屬間的摩擦作用與冷卻所造成的。當擠壓筒與錠坯間的摩擦力很大時，將使后端難變形區(qū)中的金屬向中心流動。但該區(qū)金屬受冷卻與墊片和金屬間的摩擦作用又難以流動，從而在附近形成一個細頸區(qū)（見圖4-8中6區(qū)）。最后，在基本擠壓階段的末期，后端難變形區(qū)形成一個倒錐狀。
3 擠壓變形狀態(tài)
擠壓時塑性變形區(qū)內金屬的變形狀態(tài)通常是兩向壓縮變形和一向延伸變形，即徑向壓縮變形εr、周向壓縮變形及周向延伸03變形（見圖4-9).根據塑性變形理論，在周對稱條件下，可認為周向壓縮變形和徑向壓縮變形相等，即εr=ε0.擠壓金屬的流動過程分3個階段，每個階段的變形狀態(tài)不同：

在填充擠壓變形階段，錠坯充滿擠壓筒及?？?，錠坯的變形狀態(tài)相當于自由鐓粗變形；
（2)在基本擠壓階段，一般情況下，其主要變形特點是金屬流動發(fā)生層流不交錯，變形狀態(tài)為兩向壓縮和一向延伸；
（3)在紊流擠壓階段，墊片進入塑性變形區(qū)中，迫使金屬向著擠壓軸線方向由周邊向中心發(fā)生劇烈的橫向流動。除部分金屬保持兩向壓縮和一向延伸之外，有相當一部分金屬處于一向壓縮和兩向延伸的變形狀態(tài)。
金屬在穩(wěn)定流動階段（基本擠壓階段）的受力狀態(tài)與鐓粗階段有較大的不同。正向擠壓基本擠壓階段金屬受力情況如圖4-10所示，包括擠壓筒壁、模子錐面和定徑帶作用在金屬上的正壓力和摩擦力，以及擠壓軸通過墊片作用在金屬上的擠壓力。
這些外力隨擠壓方式的不同而異：反向擠壓時，擠壓筒壁與金屬間的摩擦力為零；有效摩擦擠壓時，筒壁與金屬間的摩擦力與圖4-10所示的方向相反而成為擠壓力的一部分。不同擠壓條件下，接觸表面的應力分布各異，且不一定按線性規(guī)律變化。

4 擠壓力
擠壓時，擠壓桿通過擠壓墊片作用在擠壓筒內錠坯上，迫使錠坯從擠壓模孔流出所需的外力稱為擠壓力。擠壓過程中，擠壓力隨擠壓桿的移動而變化，通常所說的擠壓力是指擠壓過程中的突破壓力max.擠壓力是制定擠壓工藝、合理選擇與校核擠壓設備能力和正確設計擠壓工模具等的重要力學參數。
影響擠壓力的因素主要有金屬變形抗力、變形程度（擠壓比）、擠壓溫度、擠壓速度、錠坯與擠壓工模具的接觸摩擦條件、擠壓模角、制品斷面形狀、錠坯長度以及擠壓方法等。
擠壓力的實驗測定法分為壓力表觀測法和電阻應變儀測定法兩種：

壓力表觀測法是測定擠壓力和穿孔力大小最簡便的常用方法，但它只是在擠壓速度低于1mm/s的低速擠壓情況下才比較準確。這一測定方法是根據連接在擠壓主缸和穿孔缸高壓水或油路上的壓力表讀數，按下式計算出擠壓力或穿孔力P(kN):
P=nF缸P表／1000  （4-3)
式中
F缸一擠壓主缸或穿孔缸的橫斷面面積，m㎡;
P表—擠壓主缸或穿孔缸壓力表的讀數，MPa;
η一擠壓主缸或穿孔缸的工作效率，通常n為0.95～0.98.
（2)電阻應變儀測定法。這是一種適宜較高擠壓速度且比較精確的常用實測方法。它通過粘貼在壓力傳感器彈性元件上的電阻應變片組成的電橋輸出的電參數的變化來測定擠壓力的大小。壓力傳感器可以直接用擠壓機上的承力構件（如張力柱）作為壓力傳感器元件；也可以單獨用圓環(huán)形或管狀元件作彈性元件。測定時，環(huán)形壓力傳感器放在擠壓桿或擠壓模的后面，管狀壓力傳感器直接連接在擠壓主缸或穿孔缸的高壓管道上。
在測定過程中，一般配置有自動記錄和顯示裝置，它記錄和顯示測量部位上的壓力變化，也可以將測量信息作為擠壓過程自動控制用信號。
電阻應變法測得的典型的擠壓力一時間關系曲線如圖4-11

所示。它表示在整個擠壓過程中擠壓機負荷的變化情況。它是分析擠壓的變形力學過程的基本圖示。從圖4-11可以看出，擠壓過程的3個階段：OA段為填充擠壓階段，又稱鐓粗階段，此段時間極為短暫，擠壓機負荷由零增到最大值；AB段為正常擠壓階段，此階段開始于錠坯從模孔流出時，其壓力大體是穩(wěn)定的或是緩慢下降的；BC段為紊流擠壓階段，直至擠壓結束，擠壓機卸載。
實際上的擠壓力一時間關系曲線要比圖4-11復雜得多，形式也各不相同。擠壓W棒、擠壓Nb-10W-2.5Zr棒、Zr-2管和TA2管材時的擠壓力一時間關系曲線如圖4-12~圖4-15所示。

5 擠壓比
擠壓筒腔的橫斷面面積同擠壓制品總斷面面積之比稱為擠壓比，也叫擠壓系數。擠壓比是擠壓生產中用于表示金屬變形大小的參數，用入表示：
λ=F/ΣF  （4-4)
式中
Ft－錠坯在擠壓筒內填充后的橫斷面積，m㎡;
ΣF1—擠壓制品的總橫斷面積，m㎡.
擠壓時金屬變形量的大小也可用變形程度e表示：

因而，擠壓比同變形程度有如下關系：

擠壓比增大時，金屬流出?？椎睦щy程度會增大，擠壓力也增大，擠壓時錠坯外層金屬向?？琢鲃拥淖枇σ苍龃螅虼耸箖韧獠拷饘倭鲃铀俣炔钤龃?，變形不均勻。但當擠壓比增加到一定程度后，剪切變形深入到內部，變形開始向均勻方向轉化。研究證明，當擠壓變形程度ε達到85%~90%時，擠壓金屬流動均勻，制品內外層的力學性能也趨于均勻。
擠壓比入的選擇與合金種類、擠壓方法、產品性能、擠壓機能力、擠壓筒內徑及錠坯長度等因素有關。如果入值選用過大，擠壓機會因擠壓力過大而發(fā)生“悶車”，使擠壓過程不能正常進行，甚至損壞工具，影響生產率。如果入值選用過小，擠壓設備的能力不能得到充分利用，也不利于獲得組織和性能均勻的制品。擠壓比入一般應滿足下列要求：
一次擠壓的棒、型材                                ≥8~12
軋制、拉拔、鍛造用毛坯                         ≥5
二次擠壓用毛坯                                       不限

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