金属塑性变形的力学基础教学教材

1、合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理金属塑性变形的力学基础合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理在塑性理论中，分析问题的方法：在塑性理论中，分析问题的方法：静力学：根据静力学平衡条件导出应力分量之间的关系静力学：根据静力学平衡条件导出应力分量之间的关系式式平衡微分方程。平衡微分方程。几何学：根据变形体的连续性和均匀性，导出应变与位移几何学：根据变形体的连续性和均匀性，导出应变与位移分量之间的关系式分量之间的关系式几何方程。几何方程。物理学：根据实验与假设导出应变与应

2、力分量之间的关系物理学：根据实验与假设导出应变与应力分量之间的关系式式物理方程或本构方程。物理方程或本构方程。此外，建立变形体在塑性状态下应力分量与材料性能之间此外，建立变形体在塑性状态下应力分量与材料性能之间的关系的关系屈服准则或塑性条件。屈服准则或塑性条件。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理主要内容第一节张量的基本知识第二节外力、应力和点的应力状态第三节主应力和主切应力第四节 应力平衡微分方程第五节 应力莫尔圆合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一节张量的

3、基本知识第一节张量的基本知识一、角标符号和求和约定一、角标符号和求和约定二、张量的基本概念二、张量的基本概念三、张量的基本性质三、张量的基本性质 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、角标符号和求和约定一、角标符号和求和约定 角标符号角标符号:成组的符号和数组可以用一个带下角标的成组的符号和数组可以用一个带下角标的符号表示，这种符号叫角标符号。符号表示，这种符号叫角标符号。 如可用如可用xi即（即（x1，x2，x3）表示一点的坐标；如应力）表示一点的坐标；如应力分量分量 xx， xy， xz，可简记为，可简记为 ij（i,j=

4、x,y,z）等。）等。 一般地，如果一个坐标系有一般地，如果一个坐标系有m个角标，每个角标取个角标，每个角标取n个值，则该角标符号代表着个值，则该角标符号代表着nm个元素，例如个元素，例如 ij（i,j=x,y,z） （ m=2，n=3）就包含有）就包含有9个元素。个元素。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 克氏符号：克氏符号： ijij称为克罗内克（称为克罗内克（KroneckerKronecker）符号，）符号， ijij定义为定义为 jijixuu,jijiij01 导数记号：导数记为导数记号：导数记为f,f,j j，表

5、示，表示f(xf(xi i) )对对x xj j的导数，逗的导数，逗号后边的下标表示对相应坐标的求导号后边的下标表示对相应坐标的求导合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理zyxii332211 nmlllllsiziyixiiijiji332211 332211,xxxxiiii 0332211,xxxxiiijijjij 求和约定：求和约定： 在一项中，没有重复出现的角标叫自由标，表示该项的个数。在一项中，没有重复出现的角标叫自由标，表示该项的个数。 在一项中，同一角标出现二次，则对该角标自在一项中，同一角标出现二次，则对该角标

6、自1到到n的所有元素的所有元素求和，这种角标在求和之后不再出现，称之为哑标，这一运算称求和，这种角标在求和之后不再出现，称之为哑标，这一运算称之为求和约定。之为求和约定。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、张量的基本概念二、张量的基本概念张量：由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量张量：由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量组成的集合，称为张量，需要用空间坐标系中的三个矢组成的集合，称为张量，需要用空间坐标系中的三个矢量，即量，即9个分量才能完整地表示。个分量才能完整地表示。它的重要特征是在不同的坐标系中分量之间可以用一

7、它的重要特征是在不同的坐标系中分量之间可以用一定的线性关系来换算。定的线性关系来换算。描述张量分量的个数用阶表示。在三维空间中，其张描述张量分量的个数用阶表示。在三维空间中，其张量分量的个数为量分量的个数为3n ，如应力、应变是二阶张量，有，如应力、应变是二阶张量，有32 =9个分量。个分量。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理ljkiijklll()3 ,2 ,1,; 3 , 2 , 1,lkji 其中，其中，lki，llj为新坐标系的坐标轴关于为新坐标系的坐标轴关于原坐标系的方向余弦。原坐标系的方向余弦。表示点应力状态的九个

8、应力分量构成二表示点应力状态的九个应力分量构成二阶张量，称为应力张量。阶张量，称为应力张量。不同坐标系中的应力分量之间的转换关系不同坐标系中的应力分量之间的转换关系合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、张量的基本性质三、张量的基本性质 张量不变量：张量不变量： 二阶张量存在三个独立的不变量。二阶张量存在三个独立的不变量。 张量可以叠加和分解：张量可以叠加和分解： 几个同阶张量各对应的分量之和或差定义为另一个同阶张量，几个同阶张量各对应的分量之和或差定义为另一个同阶张量， 张量可分为对称张量、非对称张量、反对称张量。张量可分为对

9、称张量、非对称张量、反对称张量。 任意非对称张量可以分解为一个对称张量和一个反对称张量，任意非对称张量可以分解为一个对称张量和一个反对称张量， 二阶对称张量存在三个主轴和三个主值二阶对称张量存在三个主轴和三个主值 。 以主轴为坐标轴，两个下角标不同的分量均为零，只留下两个以主轴为坐标轴，两个下角标不同的分量均为零，只留下两个下角标相同的三个分量，叫作主值。下角标相同的三个分量，叫作主值。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、外力和应力一、外力和应力二、直角坐标系中一点的应力状态二、直角坐标系中一点的应力状态第二节外力、应力和点

10、的应力状态合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理F FF 一、外力和应力一、外力和应力 外力：外力：塑性加工时，由外部施塑性加工时，由外部施加于物体的作用力叫外力。可加于物体的作用力叫外力。可以分为两类：面力或接触力和以分为两类：面力或接触力和体积力体积力 面力：面力：作用于物体表面的力，作用于物体表面的力，也叫接触力，如作用于物体表也叫接触力，如作用于物体表面的分布载荷，正压力和摩擦面的分布载荷，正压力和摩擦力都是面力。力都是面力。 体积力：体积力：作用在物体每个质点作用在物体每个质点上的力，如重力、磁力和惯性上的力，如重力、磁

11、力和惯性力等。力等。注：对于一般的塑性成形过程，体积力可以忽略不计。但在高速成形时，惯性力不能忽略。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 应力：应力：在外力的作用下，变形体内各质点就会产生相互作在外力的作用下，变形体内各质点就会产生相互作用的力，称为内力。单位面积上的内力称为用的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力应力，可采用，可采用截截面法面法进行分析。进行分析。 设设Q点处一无限小的面积点处一无限小的面积F上内力的合力为上内力的合力为P ，则定义，则定义S FPFPddlim0F 为截面为截面F上上Q点的点的全应力全应力，

12、可以分解成两个分，可以分解成两个分量：垂直于截面的正应力量：垂直于截面的正应力 和平行于截面的和平行于截面的切应力切应力 ，有，有222S注：注：过过Q点可以作无限多的切面，在不同方向的切面上，点可以作无限多的切面，在不同方向的切面上，Q点的应力不同。点的应力不同。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、直角坐标系中一点的应力状态二、直角坐标系中一点的应力状态 在三个互相垂直的微分面上有三个正应力分量和六个切应力在三个互相垂直的微分面上有三个正应力分量和六个切应力分量；分量； 一般情况下，共有一般情况下，共有9个应力分量完整地描

13、述一点的应力状态。个应力分量完整地描述一点的应力状态。14-3 直角坐标系中单元体的应力分量 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理zzyzxyzyyxxzxyx 作用在x面上 作用在y面上 作用在z面上 作用方向为 z 作用方向为 y 作用方向为 x 1）应力分量的符号带有两个下角标：）应力分量的符号带有两个下角标： 前一个角标表示该应力分量所在的坐标面（用该面的法前一个角标表示该应力分量所在的坐标面（用该面的法线命名）；线命名）； 第二个角标表示应力所指的坐标方向；第二个角标表示应力所指的坐标方向； 正应力分量的两个下角标相同

14、，两个下角标不同的是切正应力分量的两个下角标相同，两个下角标不同的是切应力分量。应力分量。 切应力互等定理切应力互等定理 9个应力分量中只有个应力分量中只有6个个是互相独立的，它们组是互相独立的，它们组成对称的应力张量。成对称的应力张量。xzzxzyyzyxxy；合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2）应力分量有正、负之分：）应力分量有正、负之分： 外法线指向坐标轴正向的微分面叫做外法线指向坐标轴正向的微分面叫做正面正面，反之为，反之为负面；负面； 在正面上指向坐标轴正向的应力分量取在正面上指向坐标轴正向的应力分量取正号正号，指

15、向，指向相反方向的取负号；相反方向的取负号； 负面上的应力分量则相反。按此规定，拉应力为正，负面上的应力分量则相反。按此规定，拉应力为正，压应力为负。压应力为负。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 任意斜面上的力：任意斜面上的力：已知变形体中一点的九个应力分量，由静力平衡条件，可求已知变形体中一点的九个应力分量，由静力平衡条件，可求得过该点的任意斜面上的应力。得过该点的任意斜面上的应力。已知已知Q点三个互相垂直坐标点三个互相垂直坐标面上的应力分量面上的应力分量 ij，过，过Q点任点任一斜面一斜面ABC（面积为（面积为dF）的）

16、的法线法线N与三个坐标轴的方向余与三个坐标轴的方向余弦为弦为l，m，n， l=cos(N,x) m=cos(N,y) n=cos(N,z)合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理分析：分析：1）斜面在三个坐标面的投影面积分别为）斜面在三个坐标面的投影面积分别为 dFx=ldF；dFy=mdF； dFz=ndF2）设斜面上的全应力为）设斜面上的全应力为S，它在三个坐标轴方向上的分量，它在三个坐标轴方向上的分量为为Sx、Sy、Sz，由静力平衡条件，由静力平衡条件， 得：得：整理得整理得 （13-6） (应力边界条件应力边界条件) 用角标

17、符号简记为用角标符号简记为0ddddzxyxxFzFFFSyxx 0 xPnmlSnmlSnmlSzyzxzzzyyxyyzxyxxxzyxjilSiijij， 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理全应力全应力 2222zyxSSSS3 3）斜面上的正应力）斜面上的正应力 斜面上的切应力为斜面上的切应力为 nSmSlSzyx)(2222nlmnlmnmlzxyzxyzyx注：已知过一点注：已知过一点9 9个应力分量，可以求出过该点任意方向微分个应力分量，可以求出过该点任意方向微分面上的应力，即这面上的应力，即这9 9个应力分量可

18、以确定该点的应力状态。个应力分量可以确定该点的应力状态。 222 S （13-8） 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第三节主应力和主切应力一、主应力一、主应力二、应力张量不变量二、应力张量不变量三、主切应力和最大切应力三、主切应力和最大切应力四、应力偏张量和应力球张量四、应力偏张量和应力球张量五、等效应力五、等效应力合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、主应力一、主应力主平面：主平面：切应力为零的平面称为切应力为零的平面称为主平面主平面；主应力：主应力：主平

19、面上的正应力叫做主平面上的正应力叫做主应力主应力；主方向主方向：主平面的法线方向，亦即主应力的方向称：主平面的法线方向，亦即主应力的方向称为主方为主方向向或或应力主轴应力主轴。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理主平面上全应力在三个坐标轴上的投影为主平面上全应力在三个坐标轴上的投影为nSmSlSzyx与式（与式（13-613-6）合并整理得）合并整理得其中，其中，l，m，n为未知数，其解为应力主轴方向为未知数，其解为应力主轴方向合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理

20、由几何关系由几何关系则则 0)()()(zyzxzzyyxyzxyxx合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理展开行列式，整理得应力状态特征方程展开行列式，整理得应力状态特征方程032213JJJ （14-13） 其中 它有一组唯一的实根，即三个主应力它有一组唯一的实根，即三个主应力(13-12)合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、应力张量不变量二、应力张量不变量尽管应力张量的各分量随坐标而变，但按式（尽管应力张量的各分量随坐标而变，但按式（13-1213-12）

21、组成）组成的函数值是不变的，所以的函数值是不变的，所以J1J1、J2J2、J3J3称为应力张量第一、第二称为应力张量第一、第二、第三、第三不变量不变量。应力张量的三个不变量表示了一个确定的应力状态其应力分应力张量的三个不变量表示了一个确定的应力状态其应力分量之间的确定关系。量之间的确定关系。在主轴坐标系中在主轴坐标系中，一点的应力状态只有三个主应力，应力张，一点的应力状态只有三个主应力，应力张量为量为321ij000000 （14-14） 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理主轴坐标系中斜面上的应力：主轴坐标系中斜面上的应力：合

22、肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、主切应力和最大切应力三、主切应力和最大切应力 主切应力平面主切应力平面：使切应力达到极大值的平面称为主切应力平：使切应力达到极大值的平面称为主切应力平面；面； 主切应力：主切应力：主切应力平面上所作用的切应力称为主切应力。主切应力平面上所作用的切应力称为主切应力。 在主轴空间中，垂直于一个主平面而与另两个主平面交角在主轴空间中，垂直于一个主平面而与另两个主平面交角为为4545 的平面就是主切应力平面。的平面就是主切应力平面。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教

23、材材料成形基本原理材料成形基本原理 a ） 1, 022nml b ）21, 0nml c ）21, 0nml c ）21, 0nlm d ）21, 0mln 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理222133132232112（13-18）主切应力平面上的主切应力为主切应力平面上的主切应力为 主切应力角标表示与主切应力平面呈主切应力角标表示与主切应力平面呈4545 相交的两相交的两主平面的编号。三个主切应力平面也是互相正交。主平面的编号。三个主切应力平面也是互相正交。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级

24、规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理最大切应力：最大切应力： 主切应力中绝对值最大的一个称为最大切应力，主切应力中绝对值最大的一个称为最大切应力，用用 max表示。表示。 设三个主应力的关系为设三个主应力的关系为 ，则，则222222133132232112133132232112；231max321主切应力平面上的正应力值和主切应力值主切应力平面上的正应力值和主切应力值（13-19）（13-20）合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理主切应力的性质：主切应力的性质：若若 1 1= = 2 2= = 3 3= =，即变形体处于

25、三向等拉或三向等压的，即变形体处于三向等拉或三向等压的应力状态（即球应力状态）时，主切应力为零：应力状态（即球应力状态）时，主切应力为零： 1212= = 2323= = 3131=0=0若三个主应力同时增加或减少一个相同的值时，主切若三个主应力同时增加或减少一个相同的值时，主切应力值将保持不变。应力值将保持不变。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理四、应力偏张量和应力球张量四、应力偏张量和应力球张量mmmzzyzxyzyyxxzxyxmzzyzxyzmyyxxzxymxzzyzxyzyyxxzxyxij000000mijij

26、ijmmmmmmij000000000000000000000000321321321或或（13-21）若取主坐标系，则若取主坐标系，则合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理其中，其中， m为三个正应力分量的平均值，称平均应力（或为三个正应力分量的平均值，称平均应力（或静静水压力水压力），即），即 应力球张量：应力球张量： 表示球应力状态，也称静水应力状态，表示球应力状态，也称静水应力状态，称为应力球张量，其任何方向都是主方向，且主应力相同，称为应力球张量，其任何方向都是主方向，且主应力相同，均为平均应力。均为平均应力。特点：特点

27、：在任何切平面上都没有切应力，所以不能使物体产在任何切平面上都没有切应力，所以不能使物体产生形状变化，而生形状变化，而只能产生体积变化只能产生体积变化，即不能使物体产生塑，即不能使物体产生塑性变形。性变形。132131)(31)(31Jzyxmmij合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理应力偏张量：应力偏张量： 称为应力偏张量，是由原应力张量分解称为应力偏张量，是由原应力张量分解出应力球张量后得到的。出应力球张量后得到的。应力偏张量的切应力分量、主切应力、最大切应力及应应力偏张量的切应力分量、主切应力、最大切应力及应力主轴等都与原

28、应力张量相同。力主轴等都与原应力张量相同。特点特点：应力偏张量：应力偏张量只使物体产生形状变化只使物体产生形状变化，而不能产生，而不能产生体积变化。材料的塑性变形是由应力偏张量引起的。体积变化。材料的塑性变形是由应力偏张量引起的。ij合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理应力偏张量不变量应力偏张量不变量)(2)(6)()()(61)(0)()()(222322222222221xyzzxyyzxzxyzxyzyxzxyzxyxzzyyxzxyzxyxzzyyxmzmymxzyxJJJ（13-22） 合肥工业大学材料科学与工程学院制

29、作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理321321323222121)()()(610JJJ对于主轴坐标系对于主轴坐标系 应力偏张量用来表示不同的变形类型。如应力偏张量用来表示不同的变形类型。如J J1 1 =0=0，J J2 2 与与屈服准则有关，屈服准则有关，J J3 3 决定了应变的类型：决定了应变的类型：J J3 3 00属伸长应变，属伸长应变，J J3 3 =0=0属平面应变，属平面应变，J J3 3 0 2 3，三向应力莫尔圆为，三向应力莫尔圆为:圆心的坐标和半径分别为 O3)0,2(21 O1)0,2(32 O2)0,2(31 R3=221 R2=

30、231 R1=232 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 应力莫尔圆形表示，三个圆的半径分别等于三个主切应力，应力莫尔圆形表示，三个圆的半径分别等于三个主切应力，主应力分别是三个圆两两相切的切点，位于水平坐标轴上。主应力分别是三个圆两两相切的切点，位于水平坐标轴上。212221222123121322132232322232)2()2()2()2()2()2( (13-31)三个圆的方程三个圆的方程 为为合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 每一个圆分别表示某方向余弦为零的斜面上的正每一个圆分别表示某方向余弦为零的斜面上的正应力和切应力的变化规律。应力和切应力的变化规律。 三个圆所围绕的面积内的点便表示三个圆所围绕的面积内的点便表示l，m，n均不均不为零的斜面上的正应力和切应力。故应力莫尔圆形为零的斜面上的正应力和切应力。故应力莫尔圆形象地表示出点的应力状态。象地表示出点的应力状态。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理例例 在直角坐标系中，一点的应力状态表示成张量的形式为在直角坐标系中，一点的应力状态表示