金属塑性加工原理

金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeformationinMetalsProcessing 中南大学材料科学与工程学院材料加工系2007 3 绪论 研究内容几个基本概念弹性 塑性变形的力学特征 研究内容 塑性力学是研究物体变形规律的一门学科 是固体力学的一个分支 研究变形体受外界作用 外载荷 边界强制位移 温度场等 时在变形体内的反应 应力场 应变场 应变速度场等 与其它工程力学 理论力学 材料力学 结构力学 的区别 研究方法 对象 结果的差异 弹塑性力学的研究对象是整体 而不是分离体 变形体内部的应力 应变分布规律 而不是危险端面 弹性 elasticity 卸载后变形可以恢复特性 可逆性塑性 plasticity 物体产生永久变形的能力 不可逆性屈服 yielding 开始产生塑性变形的临界状态损伤 damage 材料内部缺陷产生及发展的过程断裂 fracture 宏观裂纹产生 扩展到变形体破断的过程 几个基本概念 可逆性 弹性变形 可逆 塑性变形 不可逆 关系 弹性变形 线性 塑性变形 非线性与加载路径的关系 弹性 无关 塑性 有关对组织和性能的影响 弹性变形 无影响 塑性变形 影响大 加工硬化 晶粒细化 位错密度增加 形成织构等 变形机理 弹性变形 原子间距的变化 塑性变形 位错运动为主弹塑性共存 整体变形中包含弹性变形和塑性变形 塑性变形的发生必先经历弹性变形 在材料加工过程中 工件的塑性变形与工模具的弹性变形共存 弹性 塑性变形的力学特征 金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeformationinMetalsProcessing 第一篇塑性变形力学基础 第1章应力分析与应变分析 1 1应力与点的应力状态 1 2点的应力状态分析 1 3应力张量的分解与几何表示 1 4应力平衡微分方程 1 5应变与位移关系方程 1 6点的应变状态 1 7应变增量 1 8应变速度张量 1 9主应变图与变形程度表示 1 1应力与点的应力状态 外力 load 与内力 internalforce 外力P 施加在变形体上的外部载荷 内力Q 变形体抗衡外力机械作用的体现 应力 stress 应力S是内力的集度内力和应力均为矢量应力的单位 1Pa 1N m2 1 0197kgf mm21MPa 106N m2应力是某点A的坐标的函数 即受力体内不同点的应力不同 应力是某点A在坐标系中的方向余弦的函数 即同一点不同方位的截面上的应力是不同的 应力可以进行分解Sn n n n normal 法向 某截面 外法线方向为n 上的应力 或者 求和约定的缩写形式 全应力 stress 正应力 normalsress 剪应力 shearstress 一点的应力状态 是指通过变形体内某点的单元体所有截面上的应力的有无 大小 方向等情况 一点的应力状态的描述 数值表达 x 50MPa xz 35MPa图示表达 在单元体的三个正交面上标出 如图1 2 张量表达 i j x y z 对称张量 9个分量 6个独立分量 一点的应力状态及应力张量 应力分量图示 图1 2平行于坐标面上应力示意图 应力的分量表示及正负符号的规定 ij xx xz 便于计算机应用 i 应力作用面的外法线方向 与应力作用面的外法线方向平行的坐标轴 j 应力分量本身作用的方向当i j时为正应力 i j同号为正 拉应力 异号为负 压应力 当i j时为剪应力 i j同号为正 异号为负 应力的坐标变换 例题讲解 实际应用 晶体取向 织构分析等应力莫尔圆 二维应力莫尔圆与三维应力莫尔圆掌握如何画 如何分析 工程力学已学 看书 1 2点的应力状态分析 1 2 1主应力及应力张量不变量 1 2 2主剪应力和最大剪应力 1 2 3八面体应力与等效应力 1 2 1主应力及应力张量不变量 设想并证明主应力平面 其上只有正应力 剪应力均为零 的存在 可得应力特征方程 应力不变量 式中 讨论 1 可以证明 在应力空间 主应力平面是存在的 2 三个主平面是相互正交的 3 三个主应力均为实根 不可能为虚根 4 应力特征方程的解是唯一的 5 对于给定的应力状态 应力不变量也具有唯一性 6 应力第一不变量I1反映变形体体积变形的剧烈程度 与塑性变形无关 I3也与塑性变形无关 I2与塑性变形无关 7 应力不变量不随坐标而改变 是点的确定性的判据 主应力的求解 略 见彭大暑 金属塑性加工力学 教材 主应力的图示 1 2 2主剪应力和最大剪应力 主剪应力 principalshearstress 极值剪应力 不为零 平面上作用的剪应力 主应力空间的 110 面族 最大剪应力 maximunshearstress 1 2 3八面体应力与等效应力 即主应力空间的 111 等倾面上的应力 这组截面的方向余弦为 正应力剪应力总应力八面体上的正应力与塑性变形无关 剪应力与塑性变形有关 八面体应力的求解思路 因为 等效应力 讨论 1 等效的实质 是 弹性 应变能等效 相当于 2 什么与什么等效 复杂应力状态 二维和三维 与简单应力状态 一维 等效3 如何等效 等效公式 注意 等效应力是标量 没有作用面 4 等效的意义 屈服的判别 变形能的计算 简化问题的分析等 1 3应力张量的分解与几何表示 i j x y z 其中即平均应力 为柯氏符号 即 讨论 分解的依据 静水压力实验证实 静水压力不会引起变形体形状的改变 只会引起体积改变 即对塑性条件无影响 为引起形状改变的偏应力张量 deviatoricstresstensor 为引起体积改变的球张量 sphericalstresstensor 静水压力 与应力张量类似 偏应力张量也存在相应的不变量 体现变形体形状改变的程度 1 4应力平衡微分方程 直角坐标下的应力平衡微分方程 即 不计体力 物理意义 表示变形体内无限相邻两质点的点的应力状态 的关系 对弹性变形和塑性变形均适用 推导原理 静力平衡条件 静力矩平衡条件 泰勒级数展开 圆柱坐标下的应力平衡微分方程球坐标下的应力平衡微分方程 1 5应变与位移关系方程 1 5 1几何方程 1 5 2变形连续方程 1 5 1几何方程 讨论 1 物理意义 表示位移 displacement 与应变 strain 之间的关系 2 位移包含变形体内质点的相对位移 产生应变 和变形体的刚性位移 平动和转动 3 工程剪应变理论剪应变 4 应变符号规定 正应变或线应变 伸长为正 缩短为负 剪应变或切应变 夹角减小为正 增大为负 5 推导中应用到小变形假设 连续性假设及泰勒级数展开等 1 5 2变形连续方程 讨论 1 物理意义 表示各应变分量之间的相互关系 连续协调 即变形体在变形过程中不开裂 不堆积 2 应变协调方程说明 同一平面上的三个应变分量中有两个确定 则第三个也就能确定 在三维空间内三个切应变分量如果确定 则正应变分量也就可以确定 3 如果已知位移分量 则按几何方程求得的应变分量自然满足协调方程 若是按其它方法求得的应变分量 则必须校验其是否满足连续性条件 1 6点的应变状态 指围绕该点截取的无限小单元体的各棱长及棱间夹角的变化情况 可表示为张量形式 应变张量 straintensor 也可进行与应力张量类似的分析 i j x y z 1 7应变增量 全量应变与增量应变的概念前面所讨论的应变是反映单元体在某一变形过程终了时的变形大小 称作全量应变增量应变张量 1 8应变速度张量 设某一瞬间起dt时间内 产生位移增量dUi 则应有dUi Vidt 其中Vi为相应位移速度 代入增量应变张量 有 令即为应变速率张量 1 9主应变图与变形程度表示 主变形图是定性判断塑性变形类型的图示方法 主变形图只可能有三种形式 主应力 主应变图示 主应力 9种 主应变 3种 但只有23种可能的应力应变组合 塑性变形力学图 为什么 变形程度表示 绝对变形量 指工件变形前后主轴方向上尺寸的变化量相对变形 指绝对变形量与原始尺寸的比值 常称为形变率真实变形量 即变形前后尺寸比值的自然对数 应力应变分析的相似性与差异性 相似性 张量表示 张量分析 张量关系相似 差异性 概念 应力 研究面元ds上力的集度应变 研究线元dl的变化情况内部关系 应力 应力平衡微分方程应变 应变连续 协调 方程弹性变形 相容方程塑性变形 体积不变条件 等效关系 等效应力 弹性变形和塑性变形表达式相同等效应变 弹性变形和塑性变形表达式不相同对于弹性变形 泊松比 对于塑性变形 真实应力和真实应变含义 第2章金属塑性变形的物性方程 回顾并思考 2 1基本假设 2 2屈服准则比较两屈服准则的区别两准则的联系 2 3塑性应力应变关系 本构关系 2 4变形抗力曲线与加工硬化 2 5影响变形抗力的因素 回顾并思考 1 单向拉伸试验 随着外载荷或强制应变的增加 会发生什么现象 弹性变形 屈服 均匀塑性变形 塑性失稳 断裂2 应力增加到什么程度材料屈服 屈服条件 两种判别准则 3 材料发生屈服后如何 塑性本构关系 两种理论 几种简化模型 4 为什么 物理机制 位错运动受阻 空位扩散等 材料科学学基础 课程中将学到 5 如何进行数值求解 塑性力学解析法 工程法 主应力法 塑性加工原理 课程将重点讲授滑移线法能量法 上限法 有限单元法 FEM FiniteElementMethod 硕士阶段 现代材料加工力学 详述 硕士阶段另一门学位课程 2 1基本假设 材料为均匀连续 且各向同性 体积变化为弹性的 塑性变形时体积不变 静水压力不影响塑性变形 只引起体积弹性变化 不考虑时间因素 认为变形为准静态 不考虑Banschinger效应 2 2屈服准则 又称塑性条件 plasticconditions 或屈服条件 yieldconditions 它是描述不同应力状态下变形体某点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须满足的力学条件 用屈服函数 yieldfunction 表示 Tresca屈服准则 最大剪应力准则 Mises屈服准则回忆 比较两屈服准则的区别 1 物理含义不同 Tresca 最大剪应力达到极限值KMises 畸变能达到某极限 2 表达式不同 3 几何表达不同 Tresca准则 在主应力空间中为一垂直 平面的正六棱柱 Mises准则 在主应力空间中为一垂直于 平面的圆柱 平面 在主应力坐标系中 过原点并垂直于等倾线的平面 比较两屈服准则的区别 两准则的联系 1 空间几何表达 Mises圆柱外接于Tresca六棱柱 在 平面上两准则有六点重合 2 通过引入罗德参数和中间主应力影响系数 可以将两准则写成相同的形式 其中称为中间主应力影响系数称为Lode参数 讨论 当材料受单向应力时 1 两准则重合 在纯剪应力作用下 两准则差别最大 按Tresca准则 按Mises准则 一般情况下 1 1 154 例题讲解 P81 例5 1 2 3塑性应力应变关系 本构关系 几种简化模型 simplifiedmodelsforplasticstress strain 增量理论 d 为一正的瞬时常数 等效应力 等效塑性应变增量主应力状态下 增量理论与全量理论 全量理论 或 更详细的物理含义 理论推导 应用条件 推论等 将在 金属塑性加工原理 课程中详述 例题讲解 例 求之比 满足塑性条件 增量理论例题 p102 2 4变形抗力曲线与加工硬化 变形抗力曲线与等效应力应变曲线等效应力与等效应变曲线与数学模型根据不同的曲线 可以划分为以下若干种类型 幂函数强化模型 线性强化模型 线性刚塑性强化模型 理想塑性模型 理想刚塑性模型等效应力的确定 非稳态变形时等效应力的求法 稳态变形时等效应力的求法 2 5影响变形抗力的因素 化学成份的影响组织结构的影响晶粒大小结构变化单组织和多组织变形温度的影响 变形程度的影响变形速度的影响接触摩擦的影响应力状态的影响 金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeformationinMetalsProcessing 第二篇金属塑性加工的流动与变形规律 第3章金属塑性加工的宏观规律 3 1塑性流动规律 最小阻力定律 3 2影响金属塑性流动和变形的因素 3 3不均匀变形 附加应力和残余应力 3 4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点 3 5塑性加工过程的断裂与可加工性 3 1塑性流动规律 最小阻力定律 概念 最小阻力定律最小周边法则实际应用分析 最小阻力定律 变形过程中 物体各质点将向着阻力最小的方向移动 即做最少的功 走最短的路 图3 1开式模锻的金属流动图3 2最小周边法则 图3 3正方形断面变形模式 图3 4拔长坯料的变形模式 图3 5不同宽度坯料轧制时宽展情况 图3 6轨辊直径不同时轧件变形区纵横方向阻力图 D D B 2 B2 3 2影响金属塑性流动和变形的因素 3 2 1摩擦的影响3 2 2变形区的几何因素的影响3 2 3工具的形状和坯料形状的影响3 2 4外端的影响3 2 5变形温度的影响3 2 6金属性质不均的影响 3 2 1摩擦的影响 摩擦影响的实质 由于摩擦力的作用 在一定程度上改变了金属的流动特性并使应力分布受到影响 图3 7圆柱体镦粗时摩擦力对变形及应力分布影响 图3 8用塑料镦粗时单位压力分布图 图3 9圆环镦粗的金属流动a 变形前b 摩擦系数很小或为零c 有摩擦 3 2 2变形区的几何因素的影响 变形区的几何因子 如H D H L H B等 是影响变形和应力分布很重要的因素 图3 12h2为各种数值时的情况 3 2 3工具的形状和坯料形状的影响 工具 或坯料 形状是影响金属塑性流动方向的重要因素 工具与金属形状的差异 是造成金属沿各个方向流动的阻力有差异 因而金属向各个方向的流动 即变形量 也有相应差别 图3 13型钻中拔长图3 14沿孔型宽度上延伸分布图a 圆型砧b V型砧c 凸型砧 3 2 4外端的影响 外端 未变形的金属 对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动 进而产生或加剧附加的应力和应变 图3 15拔长时外端的影响 a b 图3 16开式冲孔时的 拉缩 图3 17弯曲变形对外端的影响 3 2 5变形温度的影响 变形物体的温度不均匀 会造成金属各部分变形和流动的差异 变形首先发生在那些变形抗力最小的部分 一般 在同一变形物体中高温部分的变形抗力低 低温部分的变形抗力高 图3 18铝 钢双金属轧制时由不均匀变形产生的弯曲现象1 铝 2 钢 3 2 6金属性质不均的影响 变形金属中的化学成分 组织结构 夹杂物 相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异 3 3不均匀变形 附加应力和残余应力 3 3 1均匀变形与不均匀变形 3 3 2研究变形分布的方法 3 3 3基本应力与附加应力 3 3 4残余应力 3 3 1均匀变形与不均匀变形 若变形区内金属各质点的应变状态相同 即它们相应的各个轴向上变形的发生情况 发展方向及应变量的大小都相同 这个体积的变形可视为均匀的 不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的 因此 凡是影响金属塑性流动的因素 都会对不均匀变形产生影响 3 3 2研究变形分布的方法 金属塑性加工中 研究变形物体内变形分布 即金属流动 的方法很多 常用的方法有 网格法 硬度法 比较晶粒法 图3 19各种不同变形程度下镦粗圆柱体的不均匀变形 图3 20冷镦粗铝合金后垂直断面上洛氏硬度变化 3 3 3基本应力与附加应力 金属变形时体内变形分布不均匀 不但使物体外形歪扭和内部组织不均匀 而且还使变形体内应力分布不均匀 此时 除基本应力外还产生附加应力 图3 21在凸形轧辊上轧制矩形坯产生的附加应力la 若边缘部分自成一体时轧制后的可能长度lb 若中间部分自成一体时轧制后的可能长度l 整个轧制后的实际长度 图3 22相邻晶粒的变形 图3 23挤压时金属流动 a 及纵向应力分布 b c 其中 c 为摩擦很大时应力分布 一 基本应力 附加应力 工作应力 假想应力 9 8N mm2 18 20 图3 24拉伸实验曲线1 带缺口试样 2 2 未带缺口试样 35 变形程度 应力 sb sn 图3 25拉伸时真应力与变形程度的关系1 无缺口试样拉伸时的真应力的曲线2 有缺口样拉伸的真应力曲线 3 3 4残余应力 1 残余应力的来源2 变形条件对残余应力的影响3 残余应力所引起的后果4 减小或消除残余应力的措施5 研究残余应力的主要方法 3 4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点 3 4 1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点3 4 2平辊轧制时金属的应力及变形特点3 4 3棒材挤压时的应力及变形特点3 4 4棒材拉伸时的应力及变形特点 3 4 1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点 1 镦粗时组合件的变形特点2 基本应力的分布特点3 第一类附加应力的分布特点 3 4 2平辊轧制时金属的应力及变形特点 1 基本应力特点2 变形区内金属质点流动特点3 平辊轧制时 第一类附加应力的分布特点 3 4 3棒材挤压时的应力及变形特点 1 棒材挤压时的基本应力状态2 棒材挤压时的金属流动规律3 棒材挤压时的附加应力 3 4 4棒材拉伸时的应力及变形特点 1 棒材拉伸时的基本应力状态2 棒材拉伸时金属的流动规律3 棒材拉拔时的附加应力 3 5塑性加工过程的断裂与可加工性 3 5 1塑性加工中的常见裂纹3 5 2金属断裂的物理本质3 5 3塑性 脆性转变3 5 4金属的可加工性 第4章金属塑性加工的摩擦与润滑 4 1概述 4 2金属塑性加工时摩擦的特点及作用 4 3塑性加工中摩擦的分类及机理 4 4摩擦系数及其影响因素 4 5测定摩擦系数的方法 4 6塑性加工的工艺润滑 4 1概述 金属塑性加工中是在工具与工件相接触的条件下进行的 这时必然产生阻止金属流动的摩擦力 这种发生在工件和工具接触面间 阻碍金属流动的摩擦 称外摩擦 由于摩擦的作用 工具产生磨损 工件被擦伤 金属变形力 能增加造成金属变形不均 严重时使工件出现裂纹 还要定期更换工具 因此 塑性加工中 须加以润滑 润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展 随着压力加工新技术新材料新工艺的出现 必将要求人们解决新的润滑问题 4 2金属塑性加工时摩擦的特点及作用 塑性成形时摩擦的特点在高压下产生的摩擦较高温度下的摩擦摩擦副 金属与工具 的性质相差大在接触面上各点的摩擦也不一样 外摩擦在压力加工中的作用 摩擦的不利方面改变物体应力状态 使变形力和能耗增加引起工件变形与应力分布不均匀恶化工件表面质量 加速模具磨损 降低工具寿命摩擦的利用例如 用增大摩擦改善咬入条件 强化轧制过程 增大冲头与板片间的摩擦 强化工艺 减少起皱和撕裂等造成的废品 4 3塑性加工中摩擦的分类及机理 外摩擦的分类干摩擦流体摩擦边界摩擦 摩擦机理分子吸附说表面凸凹学说 塑性加工时接触表面摩擦力的计算 在计算金属塑性加工时的摩擦力时 分下列三种情况考虑1 库仑摩擦条件这时不考虑接触面上的粘合现象 即全滑动 认为摩擦符合库仑定律 其内容如下 1 摩擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成正比例 与摩擦表面的大小无关 2 摩擦力与滑动速度的大小无关 3 静摩擦系数大于动摩擦系数 其数学表达式为 或式中F 摩擦力 外摩擦系数 N 垂直于接触面正压力 接触面上的正应力 接触面上的摩擦切应力 由于摩擦系数为常数 由实验确定 故又称常摩擦系数定律 对于像拉拔及其他润滑效果较好的加工过程 此定律较适用 2 最大摩擦条件当接触表面没有相对滑动 完全处于粘合状态时 单位摩擦力 等于变形金属流动时的临界切应力k 即 k3 摩擦力不变条件认为接触面间的摩擦力 不随正压力大小而变 其单位摩擦力是常数 即常摩擦力定律 其表达式为 m k式中 m为摩擦因子 4 4摩擦系数及其影响因素 摩擦系数随金属性质 工艺条件 表面状态 单位压力及所采用润滑剂的种类与性能等而不同 其主要影响因素有 1 金属的种类和化学成分2 工具材料及其表面状态3 接触面上的单位压力4 变形温度5 变形速度6 润滑剂 图4 6正压力对摩擦系数的影响 4 5测定摩擦系数的方法 夹钳轧制法楔形件压缩法塑性加工常用摩擦系数圆环镦粗法 4 6塑性加工的工艺润滑 工艺润滑的目的及润滑机理润滑的目的减少工模具磨损 延长工具使用寿命提高制品质量降低金属变形时的能耗润滑机理流体力学原理吸附机制 润滑剂的选择 1 塑性成形中对润滑剂的要求在选择及配制润滑剂时 必符合下列要求 1 润滑剂应有良好的耐压性能 在高压作用下 润滑膜仍能吸附在接触表面上 保持良好的润滑状态 2 润滑剂应有良好耐高温性能 在热加工时 润滑剂应不分解 不变质 3 润滑剂有冷却模具的作用 4 润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用 5 润滑剂应对人体无毒 不污染环境 6 润滑剂要求使用 清理方便 来源丰富 价格便宜等 2 常用的润滑剂液体润滑剂包括矿物油 动植物油 乳液等固体润滑剂 包括石墨 二硫化钼 肥皂等液 固型润滑剂熔体润滑剂 润滑剂中的添加剂 润滑油中的添加剂 一般应易溶于机油 热稳定性要好 且应具有良好的物理化学性能 常用的添加剂有油性剂 极压剂 抗磨剂和防锈剂等 润滑方法的改进 1 流体润滑2 表面处理 1 表面磷化处理 2 表面氧化处理 3 表面镀层 第三篇塑性变形材料学基础 金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeformationinMetalsProcessing 第5章金属的塑性 5 1金属的塑性 5 2金属多晶体塑性变形的主要机制 5 3影响金属塑性的因素 5 4金属的超塑性 5 1金属的塑性 5 1 1塑性的基本概念5 1 2塑性指标及其测量方法5 1 3塑性状态图及其应用 5 1 1塑性的基本概念 什么是塑性 塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力 塑性与柔软性的区别是什么 塑性反映材料产生永久变形的能力 柔软性反映材料抵抗变形的能力 塑性与柔软性的对立统一 铅 塑性好 变形抗力小不锈钢 塑性好 但变形抗力高白口铸铁 塑性差 变形抗力高结论 塑性与柔软性不是同一概念 为什么要研究金属的塑性 探索塑性变化规律寻求改善塑性途径选择合理加工方法确定最佳工艺制度提高产品质量 5 1 2塑性指标及其测量方法 塑性指标的测量方法塑性指标 塑性指标 概念 金属在破坏前产生的最大变形程度 即极限变形量 表示方法 断面收缩率延伸率冲击韧性最大压缩率扭转角 或扭转数 弯曲次数 塑性指标的测量方法 拉伸试验法压缩试验法扭转试验法轧制模拟试验法 拉伸试验法 式中 L0 拉伸试样原始标距长度 Lh 拉伸试样破断后标距间的长度 F0 拉伸试样原始断面积 Fh 拉伸试样破断处的断面积 压缩试验法 简单加载条件下 压缩试验法测定的塑性指标用下式确定 式中 压下率 H0 试样原始高度 Hh 试样压缩后 在侧表面出现第一条裂纹时的高度 扭转试验法 对于一定试样 所得总转数越高 塑性越好 可将扭转数换作为剪切变形 式中 R 试样工作段的半径 L0 试样工作段的长度 n 试样破坏前的总转数 轧制模拟试验法 在平辊间轧制楔形试件 用偏心轧辊轧制矩形试样 找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压下量作为轧制过程的塑性指标 5 1 3塑性状态图及其应用 概念 表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形 简称塑性图 应用 合理选择加工方法制定冷热变形工艺 确定MB5合金加工工艺规程的原则和方法 MB5属变形镁合金 主要成分为 Al5 5 7 0 Mn0 15 0 5 Zn0 5 1 5 确定MB5镁合金热加工工艺步骤 根据产品确定加工方式 慢速 快速等 根据相图确定合金的相组成根据塑性图确定热变形温度范围 根据相图确定合金的相组成 温度 图5 2Mg Al二元系状态图 从二元相图上获取的信息 T 530 合金为液相T 270 合金为 两相组织270 T 530 合金为单一的 相 铝含量对镁合金力学性能的影响 b 公斤 毫米2 HB公斤 毫米2 图5 3镁合金中铝含量对合金机械性能的影响 根据塑性图确定热变形温度范围 试验温度 图5 1MB5合金的塑性图 k 冲击韧性 M 慢力作用下的最大压缩率 C 冲击力作用下的最大压缩率 断面收缩率 0 弯曲角度 从塑性图上获取的信息 慢速加工 温度为350 400 时 值和 M都有最大值 不论轧制或挤压 都可在此温度范围内以较慢的速度加工 锻锤下加工 在350 左右有突变 变形温度应选择在400 450 工件形状比较复杂 变形时易发生应力集中 应根据 K曲线来判定 从图中可知 在相变点270 附近突然降低 因此 锻造或冲压时的工作温度应在250 以下进行为佳 5 2金属多晶体塑性变形的主要机制 5 2 1多晶体变形的特点5 2 2多晶体的塑性变形机构5 2 3合金的塑性变形5 2 4变形机构图 5 2 1多晶体变形的特点 1 变形不均匀 图5 4多晶体塑性变形的竹节现象 a 变形前 b 变形后 图5 5多晶体塑性变形的不均匀性 2 晶界的作用及晶粒大小的影响 在2mm内的延伸率 晶粒5 晶粒4 晶粒3 晶粒2 晶粒1 位置 mm 图5 6多晶铝的几个晶粒各处的应变量 垂直虚线是晶界 线上的数字为总变形量 5 2 2多晶体的塑性变形机构 1 晶粒的转动与移动 图5 7晶粒的转动 2 溶解 沉积机构 该机构的实质是一相晶体的原子迅速而飞跃式的转移到另一相的晶体中去 保证两相有较大的相互溶解度外 还必须具备下列条件 1 随着温度的变化或原有相晶体表面大小及曲率的变化 伴随有最大的溶解度改变 2 变形时 应具备足够高的温度条件 3 非晶机构 非晶机构是指在一定的变形温度和速度条件下 多晶体中的原子非同步的连续的在应力场和热激活的作用下 发生定向迁移的过程 5 2 3合金的塑性变形 1 单相固溶体合金的变形2 多相合金的变形 5 2 4变形机构图 理论剪切应力 位错蠕变 扩散蠕变 Nabarro 蠕变 理论剪切应力 位错蠕变 扩散流变 弹性区 图5 9变形机制图 a 纯银和 b 锗给出不同变形机制起控制作用的应力 温度区间 两种材料的晶粒尺寸都是32 m以10 8 s的应变速率来确定弹性边界 5 3影响金属塑性的因素 5 3 1影响塑性的内部因素5 3 2影响金属塑性的外部因素5 3 3提高金属塑性的主要途径 5 3 1影响塑性的内部因素 1 化学成分 1 杂质 2 合金元素对塑性的影响2 组织结构 5 3 2影响金属塑性的外部因素 1 变形温度 塑性指标 温度 K 图5 14温度对塑性影响的典型曲线 温度 图5 15碳钢的塑性随温度变化图 塑性 纯铝 无氧铜 图5 16几种铝合金及铜合金的塑性图 2 变形速度 表5 1铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度 3 变形程度 图5 20脆性材料的各向压缩曲线 a 大理石 b 红砂石 轴向压力 侧向压力 4 应力状态 静水压力对提高金属塑性的良好影响 图5 20脆性材料的各向压缩曲线 a 大理石 b 红砂石 轴向压力 侧向压力 5 变形状态 图5 24主变形图对金属中缺陷形状的影响 a 未变形的情况 b 经两向压缩 向延伸变形后的情况 c 经 向压缩两向延伸后的情况 6 尺寸因素 力学性能 1 2 体积 图5 25变形物体体积对力学性能的影响1 塑性 2 变形抗力 3 临界体积点 5 3 3提高金属塑性的主要途径 提高塑性的主要途径有以下几个方面 1 控制化学成分 改善组织结构 提高材料的成分和组织的均匀性 2 采用合适的变形温度 速度制度 3 选用三向压应力较强的变形过程 减小变形的不均匀性 尽量造成均匀的变形状态 4 避免加热和加工时周围介质的不良影响 第6章塑性加工过程的组织性能变化和温度 速度条件 6 1塑性加工中金属的组织与性能 6 2金属塑性变形的温度 速度效应 6 3形变热处理 6 1塑性加工中金属的组织与性能 6 1 1冷变形6 1 2热变形6 1 3塑性变形对固态相变的影响 6 1 1冷变形 1 冷变形的概念2 冷变形时金属显微组织的变化3 冷变形时金属性能的变化 6 1 2热变形 1 热变形的概念2 热变形对金属组织性能的影响3 热变形过程中的回复与再结晶 6 1 3塑性变形对固态相变的影响 1 应力与变形的作用2 温度和变形速度的作用 6 2金属塑性变形的温度 速度效应 6 2 1变形温度6 2 2变形速度6 2 3变形中的热效应及温度效应6 2 4热力学条件之间的相互关系 6 2 1变形温度 塑性变形时金属所具有的实际温度 称为变形温度 它与加热温度是有区别的 变形温度既取决于金属变形前的加热温度 又与变形中能量转化而使金属温度提高的温度有关 同时又与变形金属同周围介质进行热交换所损失的温度有关 6 2 2变形速度 变形速度为单位时间内变形程度的变化或单位时间内的相对位移体积 即 式中 变形速度 变形程度 V 变形物体的体积 秒 1 6 2 3变形中的热效应及温度效应 所谓 热效应 是指变形过程中金属的发热现象 热效应可用发热率来表示 式中 发热率 AT 转化为热的那部分能量 A 使物体产生塑性变形时的能量 塑性变形过程中因金属发热而促使金属的变形温度升高的效果 称为温度效应 用表示 式中T1 变形前金属所具有的温度 T2 变形后因热效应的作用金属实际具有的温度 6 2 4热力学条件之间的相互关系 1 变形温和变形速度恒定时 变形程度与变形抗力的关系 2 变形程度和变形速度恒定时 变形抗力与单相状态条件下的变形温度的关系为 3 变形程度和变形温度恒定时 变形抗力与变形速度的关系为 综合 6 4 6 5 6 6 式可写成式中A a b c 取决于变形条件和变形材料的常数 由实验确定 平均变形程度 平均变形速度 T 变形温度 K 6 4 6 5 6 6 6 7 6 3形变热处理 6 3 1 低温形变热处理6 2 3高温形变热处理6 2 3预形变热处理 图6 23时效型合金形变热处理工艺图 a 低温形变热处理 b 高温形变热处理 c 综合形变热处理 d 预形变热处理 t 6 7 6 7 1 3 2 4 1 3 2 5 4 6 7 6 7 1 3 2 4 5 4 2 4 图6 25高温形变热处理工艺1 淬火加热与保温 2 压力加工 3 冷至变形温度 4 快冷 5 重新淬火加热短时保温 6 淬火加热温度范围 7 塑性区 金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeformationinMetalsProcessing 第四篇金属塑性变形力学解析方法 解析对象主要是求解变形力 此外可以求解变形量和变形速度等解析方法工程法 slab法 主应力法 滑移线法 slipline 上限法 upperbound 下限法 上限单元法有限单元法 FEM FiniteElementMethod 金属塑性加工时 加工设备可动工具使金属产生塑性变形所需加的外力称为变形力 变形力是确定设备能力 正确设计工模具 合理拟订加工工艺规程和确定毛坯形状尺寸的必要的基本力学参数 第7章金属塑性加工变形力的工程法解析 7 1工程法及其要点 7 2直角坐标平面应变问题解析 7 3圆柱坐标轴对称问题 7 4极坐标平面应变问题解析 7 5球坐标轴对称问题的解析 7 1工程法及其要点 求解原理 工作应力 一般它在工作面上是不均匀的 常用单位压力表示S 工作面积 按 工作面投影代替力的投影 法则求解 求解要点工程法是一种近似解析法 通过对物体应力状态作一些简化假设 建立以主应力表示的简化平衡微分方程和塑性条件 这些简化和假设如下 1 把实际变形过程视具体情况的不同看作是平面应变问题和轴对称问题 如平板压缩 宽板轧制 圆柱体镦粗 棒材挤压和拉拔等 2 假设变形体内的应力分布是均匀的 仅是一个坐标的函数 这样就可获得近似的应力平衡微分方程 或直接在变形区内截取单元体切面上的正应力假定为主应力且均匀分布 由此建立该单元体的应力平衡微分方程为常微分方程 3 采用近似的塑性条件 工程法把接触面上的正应力假定为主应力 于是对于平面应变问题 塑性条件可简化为或对于轴对称问题 塑性条件可简化为 4 简化接触面上的摩擦 采用以下二种近似关系库仑摩擦定律 滑动摩擦 常摩擦定律 粘着摩擦 式中 摩擦应力k 屈服切应力 正应力f 摩擦系数5 其它 如不考虑工模具弹性变形的影响 材料变形为均质和各向同性等 例题一滑动摩擦条件下的薄板平锤压缩变形 直角坐标平面应变问题 高为b 宽为W 长为l的薄板 置于平锤下压缩 如果l比b大得多 则板坯长度方向几乎没有延伸 仅在x方向和y方向有塑性流动 即为平面应变问题 适用于直角坐标分析 矩形工件的平锤压缩 7 2直角坐标平面应变问题解析 单元体x方向的力平衡方程为 整理后得 由近似塑性条件或 得 将滑动摩擦时的库仑摩擦定律代入上式得 上式积分得 在接触边缘处 即时 由近似塑性条件得于是因此接触面上正应力分布规律最后求得板坯单位长度 Z向单位长度 上的变形力P可求得为 下面讨论混合摩擦条件下 平锤均匀镦粗圆柱体时变形力计算 圆柱体镦粗时 如果锻件的性能和接触表面状态没有方向性 则内部的应力应变状态对称于圆柱体轴线 z轴 即在同一水平截面上 各点的应力应变状态与 坐标无关 仅与r坐标有关 因此是一个典型的圆柱体坐标轴对称问题 7 3圆柱坐标轴对称问题 圆柱坐标轴对称问题 工件的受力情况如右图所示 分析它的一个分离单元体的静力平衡条件 得 由于很小d 忽略高阶微分 整理得 对于均匀变形 上式即为 将近似的塑性条件代入上式得 接触面上正应力的分布规律1 滑动区上式积分得 当r R时 将近似塑性条件代入上式 得积分常数C1因此 2 粘着区将代入平衡方程得 上式积分得 设滑动区与粘着区分界点为rb 由 得此处利用这一边界条件 得积分常数因此得 3 停滞区一般粘着区与停滞区的分界面可近似取 于是得 积分得 当时 代入上式得 于是式中 4 滑动区与粘着区的分界位置滑动区与粘着区的分界位置可由滑动区在此点的与粘着区在此点的相等这一条件确定 因此在rb点上有 因此得 5 平均单位压力圆柱体平锤压缩时的平均单位压力式中视接触面上的分区状况而异 7 4极坐标平面应变问题解析 不变薄拉深 极坐标平面应变问题 不变薄拉深时 由于板厚不变化 变形区主要是在凸缘部分 发生周向的压缩及径向延伸的变形 因而凸缘部分的变形是一种适用于极坐标描述的平面应变问题 由于变形的对称性 均为主应力 因此平衡微分方程为 将塑性条件代入上式得然后利用边界条件进行拉深力的求解 单孔模正挤压圆棒 球坐标轴对称问题 分四个区进行求解 图7 7圆棒正挤压受力情况 7 5球坐标轴对称问题的解析 第8章滑移线理论及应用 8 1平面应变问题和滑移线场 8 2汉盖 Hencky 应力方程 滑移线的沿线力学方程 8 3滑移线的几何性质 8 4应力边界条件和滑移线场的绘制 8 5三角形均匀场与简单扇形场组合问题及实例 8 6双心扇形场问题及实例 8 1平面应变问题和滑移线场 a 塑性流动平面 物理平面 b 正交曲线坐标系的应力特点 c 应力莫尔圆图8 1平面应变问题应力状态的几何表示 平面应变问题 根据平面流动的塑性条件 对Tresca塑性条件 对Mises塑性条件 于是 由图8 1c的几何关系可知 有式中 静水压力 定义为最大切应力方向与坐标轴Ox的夹角 平面应变问题 对于平面塑性流动问题 由于某一方向上的位移分量为零 设duZ 0 故只有三个应变分量 也称平面应变问题 根据塑性流动法则 可知式中 为平均应力 p称为静水压力 根据塑性变形增量理论 平面塑性流动问题独立的应力分量也只有三个 于是平面应变问题的最大切应力为 对于理想刚塑材料 材料的屈服切应力k为常数 因此塑性变形区内各点莫尔圆半径 即最大切应力 等于材料常数k 如图8 2所示 在x y坐标平面上任取一点P1 其的 即方向为 沿方向上取一点P2 其方向为 依此取点a2 其线方向为 依次连续取下去 直至塑性变形区的边界为止 最后获得一条折线P1 P2 P3 P4 称为线 按正 负两最大切应力相互正交的性质 由P点沿与的垂直方向上 即在P点的的 即方向上取点 也可得到一条折线 称为线 绘制滑移线 由图8 2可知 滑移线的微分方程为 对线对线 图8 2x y坐标系与滑移经网络 滑移线理论法是一种图形绘制与数值计算相结合的方法 即根据平面应变问题滑移线场的性质绘出滑移线场 再根据精确平衡微分方程和精确塑性条件建立汉盖 Hencky 应力方程 求得理想刚塑性材料平面应变问题变形区内应力分布以及变形力的一种方法 滑移线理论法 8 2汉盖 Hencky 应力方程 滑移线的沿线力学方程 推导 有平面应变问题的微分平衡方程将式 8 3 代入上式 得 整理得表达成对线取 号对线取 号式中 上式表明 沿滑移线的静水压力差 与滑移线上相应的倾角差 成正比 故式表明了滑移线的沿线性质 汉盖应力方程不仅体现了微分平衡方程 同时也满足了塑性条件方程 8 3滑移线的几何性质 一 汉盖第一定理同族的两条滑移线与加族任意一条滑移线相交两点的倾角差和静水压力变化量均保持不变 二 汉盖第二定理一动点沿某族任意一条滑移线移动时 过该动点起 始位置的另一族两条滑移线的曲率变化量等于该点所移动的路程 8 4应力边界条件和滑移线场的绘制 应力边界条件1 自由表面2 光滑 无摩擦 接触表面4 滑动摩擦接触表面3 粘着摩擦接触表面 滑移线场绘制的数值计算方法 1 特征线问题这是给定两条相交的滑移线为初始线 求作整个滑移线网的边值问题 即所谓黎曼 Riemann 问题 2 特征值问题这是已知一条不为滑移线的边界AB上任一点的应力分量 的初始值 求作滑移线场的问题 即所谓柯西 Cauchy 问题 3 混合问题这是给定一条 线OA 和与之相交的另一条不是滑移线的某曲线OB 可能是接触边界线或变形区中的对称轴线 上倾角值 第9章功平衡法和上限法及其应用 9 1功平衡法 9 2极值原理及上