轧制理论-绪论0 (2)

绪论,一、材料加工基本知识二、金属塑性变形三、本课程的任务,弹性(elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性塑性(plasticity)：在外力作用下使材料发生稳定、持久变形而不破坏其完整性的能力，不可逆性,一、材料加工基本知识,弹性变形塑性变形断裂,SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E,弹性(Elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。塑性(Plasticity)：固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力。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此外，应力，应变，塑性变形，变形抗力,几个基本概念,弹性、塑性变形的力学特征,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,材料加工,采用一定的加工方法和技术，使材料达到与原材料不同的状态(化学成分上完全相同),使其具有更优良的物理性能、化学性能和力学性能。材料的可加工性：材料对加工成形和工艺所表现出来的特性，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。,材料加工需考虑的基本原则,使用性能：高强、高韧、耐蚀等工艺性能：轧、挤、拉、锻、焊等环保性能：放射性、毒气、“三废”等经济性：成本、性价比等,金属材料加工所涉及的内容,(1)液态金属的熔炼与铸造；(2)金属塑性加工与热处理；(3)复合材料与层状复合材料加工；(4)材料连接；(5)材料切削加工；(6)粉末冶金；(7)CVD(chemicalvapourdeposition),PVD(physicalvapourdeposition)等,金属坯料在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定几何形状，尺寸和精度，以及服役性能的材料、毛坯或零件的加工方法。,二、金属塑性变形,1.塑性加工或者压力加工,钢、铝、铜、钛等及其合金。,2.适用范围,金属塑性成形的分类,塑性成形的种类有很多,分类方法可按以下四方面分类：（1）按工件的受力与变形方式（2）按工件的加工温度热成形在充分进行再结晶的温度以上所完成的加工如热轧、热锻、热挤压等；冷成形在不产生回复和再结晶的温度以下进行的加工，如冷轧、冷冲压、冷挤压、冷锻等：温成形在介于冷、热成形之间的温度下进行的加工，如温锻、温挤压等。（3）能量场种类：激光无模成型、爆炸成型、液压/吹塑胀形（4）材料热力学状态：连铸连轧、半固态成型、喷射成型。,塑性变形对金属的组织和性能影响,金属冷变形时可以产生加工硬化（强度、硬度增加，塑性降低）。金属塑性变形时，可以使晶粒得到细化（冷变形使晶粒破碎，热变形使晶粒动态再结晶）塑性变形可以使位错密度增加。金属塑性变形时，可以产生变形织构。,金属塑性成形的特点,生产效率高，适用于大批量生产冲硅钢片的高速冲床的速度可达2000次/min;锻造一根汽车发动机曲轴只需要40s；M12l螺栓的冷锻210件/min。改善了金属的组织和结构和性能钢锭内部的组织缺陷，如疏松、晶粒粗大，经塑性变形后，组织变得致密，夹杂物被击碎；与机械加工相比，金属的纤维组织不会被切断，因而结构性能得到提高。金属塑性变形后性能提高，在相同服役条件下，零件的截面可以减小。,材料利用率高金属塑性成形主要靠金属的体积转移来获得一定的形状和尺寸，无切削，只有少量的工艺废料，因此材料利用率高，一般可达75%85%，最高可达98%以上。尺寸精度高精密锻造、精密挤压、精密冲裁零件，可以达到不需机械加工就可以使用的程度。,不足：1)对于形状复杂，尺寸精确，表面十分光洁的产品尚不及切削加工；2)在成本及形状复杂方面不及铸造；3)只能用于生产具有塑性的金属。(4)设备较庞大，相对铸造能耗较高。,塑性变形技术需解决的基本问题,设备参数选择力能形状尺寸精度控制运动与变形学成形性、组织性能控制物理化学为学习后续的工艺课程作理论准备，也为合理制订塑性成形工艺规范及选择设备、设计模具奠定理论基础。,本领域的主要研究课题,如何提高产品外形尺寸精度；降低力、能消耗以及掌握力能参数计算方法；如何改善产品的组织性能和表面质量；如何建立工艺参数数学模型，以适应汁算机控制，使工艺过程最佳化：如何改变难变形钢与合金的塑性；如何采用新工艺和新技术，以扩大钢材品种和加工成型效率。,塑性加工的主要加工方法,(1)轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的过程。(可实现连续轧制)纵轧、横轧、斜轧。,举例：汽车车身板、烟箔等；其它：多辊轧制(24辊)、孔型轧制等。,(2)挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出而制取各种断面金属材料的加工方法。,举例：管、棒、型；其它：异型截面。,正挤,反挤,卧式挤压机,(3)拉拔：是指金属通过固定的具有一定形状的模孔中拉拔出来，而使金属断面缩小、长度增加的一种加工方法。,(4)锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形A.自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或压力而产生塑性变形的加工,我国自行研制的万吨级水压机,B.模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而产生塑性变形的加工。举例：飞机大梁，火箭捆挷环等,万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环,(5)冲压：金属坯料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法。,在国民经济中的特点和地位,金属采用塑性加工方法成材，产品轻量高强化，高附加值；用于结构件与外饰件，系国民经济支柱产业。通过塑性加工不仅以其原材料消耗少（材料利用率高）、生产效率高、产品质量稳定（精度高），而且能有效地改善和控制金属的组织与性能（性能高），在国民经济与国防建设中占有十分重要的地位。,1、航空航天,2、武器装备,3、交通运输,4、建筑,5、家用电器,金属塑性加工力学：连续介质力学晶体力学CMTP(ContinuumMechanicsofTexturedPolycrystals)塑性变形材料学:1）塑性变形组织控制2）织构控制塑性加工摩擦学：干摩擦、湿摩擦、边界摩擦、混合摩擦润滑剂,塑性加工理论的发展概况,是随塑性力学(塑性理论)在金属塑性加工中的应用而发展起来的一个分支。1864年Tresca首次提出最大剪切屈服准则；1925年Karman将塑性力学应用于塑性加工；Sachs和Siebel提出工程法(主应力法)；20世纪中期建立滑移线法研究平面变形；20世纪50年代发展变形功平衡法；现代，塑性有限元法。,金属塑性加工力学(力学冶金),金属塑性加工材料学,运用物理冶金原理研究塑性变形过程中金属的组织演变及性能变化的规律。运用位错理论解释金属塑性变形过程，如滑移、机械孪生、加工硬化、裂纹形成、扩展和断裂。胞状结构、剪切带、过渡带、形变带以及晶粒取向演变与分布。,25m,ND/001,用电子背散射衍射（EBSD）技术获得的微取向分布上图,塑性加工摩擦学,机械摩擦理论：阿芒顿库仑定律；粘着摩擦理论：1、F.P.鲍D.泰伯焊合摩擦理论2、.B克拉盖尔斯基理论磨损润滑,塑性加工过程中接触表面间的相对运动引起摩擦，发生一系列物理、化学和力学变化，对金属塑性变形应力应变分布和产品质量产生重要影响。,与其它学科的区别,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）。其主要任务是研究物体在塑性变形阶段的应力和应变的规律。与其它工程力学的区别：研究方法、对象、结果的差异。与其它材料力学、结构力学的区别：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）。与金属学、塑性力学的区别：将宏观变形力学条件/行为与微观组织性能联系起来。,金属材料加工的主要方向,常规金属材料加工工艺的短流程化和高速、高效化连铸连轧发展先进的成形加工技术，实现组织与性能的精确控制热连轧，冷连轧材料设计、制备与成形加工一体化整体构件,金属材料加工的主要方向（新技术）,开发新型制备与成形加工技术，发展新材料和新制品快速冷凝、喷射沉积发展计算机数值模拟、仿真模拟及神经网络技术，构筑完善的材料数据库。材料的智能制备与成形加工技术。,五、本课程的任务（一）,学习塑性力学的基础知识，掌握应力应变分析、塑性变形物性方程(本构)等变形力学知识，为塑性加工过程中变形体的应力、应变分析及变形力与功的计算奠定力学基础。,本课程的任务（二）,学习金属塑性变形的物理冶金知识，掌握塑性变形时金属流动和变形不均匀分布规律，分析影响金属塑性流动和变形不均匀的影响因素、金属塑性变形的微观机理和组织性能变化规律，为确定塑性加工的温度、速度等条件，获得最佳塑性状态和制品组织性能奠定材料学基础。,本课程的任务（三）,学习塑性加工过程中摩擦与润滑的基本知识，掌握摩擦基本的特点与规律；摩擦对塑性加工过程的影响与作用；塑性加工工艺润滑的基本理论，为合理选择润滑剂及润滑工艺奠定物理化学基础。,本课程的任务（四）,熟悉轧制过程中各种变化现象的变化规律；掌握力能参数工程计算法应用；为后续课程的学习打下基础（轧制工艺、轧制过程自动控制、轧制设备；板型理论与厚控、孔型设计；毕业设计等）,本课程的基本要求,1掌握金属塑性加工过程的热力学条件及应力应变分析的基本概念和基本理论。2熟悉和掌握塑性加工过程中金属变形的微观与宏观的基本规律，以及各种基本变形力学方程，能推导典型塑性加工问题的应力与应变计算公式。3掌握金属在塑性加工过程中组织性能的变化及金属的塑性、变形抗力、断裂等与加工条件的关系。能按照要求或给定公式进行变形程度、应变速度、工件尺寸与变形力能参数等计算。4根据所学知识，对金属