材料成形技术基础第3章课件

1、材料成形技术基础第四章第四章 塑性成形理论基础塑性成形理论基础塑塑性性成成形形体积成形：锻造、轧制、挤压和拉拔体积成形：锻造、轧制、挤压和拉拔 板料成形：冲裁、弯曲、拉深和成形板料成形：冲裁、弯曲、拉深和成形 热成形、冷热成形、冷(温温)成形成形 加工加工?温度温度受力受力变形变形 材料成形技术基础基本概念基本概念l塑性成形塑性成形?利用金属的塑性，在外力的作用下使金属发生塑性变利用金属的塑性，在外力的作用下使金属发生塑性变形，从而获得所需要形状和性能工件的加工方法。形，从而获得所需要形状和性能工件的加工方法。l塑性塑性?当外力增加到使金属内部产生的应力超过该金属的屈当外力增加到使金属内部产生

2、的应力超过该金属的屈服点，使其内部原子排列的相对位置发生变化而相互服点，使其内部原子排列的相对位置发生变化而相互联系不被破坏的性能。联系不被破坏的性能。材料成形技术基础l塑性变形的特点塑性变形的特点?不能自行恢复其原始形状和尺寸，外力停止作用不能自行恢复其原始形状和尺寸，外力停止作用后，塑性变形不会消失。后，塑性变形不会消失。l塑性成形的共性塑性成形的共性塑性成形的物理本质和机理塑性成形的物理本质和机理塑性成形过程中金属的塑性行为、抗力行塑性成形过程中金属的塑性行为、抗力行为和组织性能的变化规律为和组织性能的变化规律变形体内部的应力、应变分布和质点流动变形体内部的应力、应变分布和质点流动规律规

3、律变形力和变形功的合理评估变形力和变形功的合理评估材料成形技术基础第一节第一节? ?金属冷态下的塑性变形金属冷态下的塑性变形 l多晶体多晶体由许多结晶方向不同的晶粒组成，每个晶粒可看成由许多结晶方向不同的晶粒组成，每个晶粒可看成是一个单晶是一个单晶? 体，在晶粒内部晶格的位向是一致的，而体，在晶粒内部晶格的位向是一致的，而各个晶粒之间存在着一定的位向差。各个晶粒之间存在着一定的位向差。多晶体晶粒之间存在着厚度相当小的晶界，晶界的多晶体晶粒之间存在着厚度相当小的晶界，晶界的结构与相邻两晶粒之间的位相差有关，一般分为小角结构与相邻两晶粒之间的位相差有关，一般分为小角度晶界和大角度晶界。度晶界和大角

4、度晶界。材料成形技术基础l晶界的特点晶界的特点晶界结构不完整，存在较多的空位、位错晶界结构不完整，存在较多的空位、位错和杂质原子。和杂质原子。表现出许多不同于晶粒内部的性质，如室表现出许多不同于晶粒内部的性质，如室温时晶界的强度和硬度高于晶内，高温时温时晶界的强度和硬度高于晶内，高温时相反；晶界中原子的扩散速度比晶内原子相反；晶界中原子的扩散速度比晶内原子快得多；晶界的熔点低于晶内；晶界易于快得多；晶界的熔点低于晶内；晶界易于腐蚀。腐蚀。材料成形技术基础一、冷塑性变形机理一、冷塑性变形机理?多晶体的塑性变形包括晶粒内部变形多晶体的塑性变形包括晶粒内部变形(也称晶内也称晶内变形变形)和晶界变形和

5、晶界变形(也称晶间变形也称晶间变形)两种。两种。 1晶内变形晶内变形?晶内变形的主要方式和单晶体一样为晶内变形的主要方式和单晶体一样为滑移和孪生滑移和孪生。其中滑移变形是主要的，而孪生变形是其中滑移变形是主要的，而孪生变形是? 次要的，一次要的，一般仅起调节作用。般仅起调节作用。 材料成形技术基础(1)滑移滑移?晶体在力的作用下，晶体中的一晶体在力的作用下，晶体中的一? 部分沿一定的部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动。晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动。l滑移系滑移系?一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。滑移系。材料成

6、形技术基础l晶体内部存在缺陷（点缺陷、线缺陷和面缺晶体内部存在缺陷（点缺陷、线缺陷和面缺陷），由于缺陷的存在，使晶体内部各原子处于陷），由于缺陷的存在，使晶体内部各原子处于不稳定状态，高位能的原子很容易地从一个相对不稳定状态，高位能的原子很容易地从一个相对平衡的位置移到另一位置上。平衡的位置移到另一位置上。l位错是晶体中的线缺陷，实际晶体结构的滑移位错是晶体中的线缺陷，实际晶体结构的滑移就是通过位错运动来实现的。就是通过位错运动来实现的。? 滑移的结果使大量滑移的结果使大量原子逐步地从一个稳定位置移到另一个稳定位置，原子逐步地从一个稳定位置移到另一个稳定位置，产生宏观的塑性变形。产生宏观的塑性

7、变形。?材料成形技术基础一般地，滑一般地，滑移总是沿着移总是沿着原子密度最原子密度最大的晶面和大的晶面和晶向发生。晶向发生。材料成形技术基础(2)?孪生孪生 在剪应力作用下，晶在剪应力作用下，晶体的一部分沿着一定的体的一部分沿着一定的晶面晶面(称为孪生面称为孪生面)和一和一定的晶向定的晶向(称称? 为孪生方向为孪生方向)发生均匀切变。孪生变发生均匀切变。孪生变形后，晶体的变形部分形后，晶体的变形部分与未变形部分构成了镜与未变形部分构成了镜面对称关系。面对称关系。材料成形技术基础2晶间变形晶间变形 晶间变形的主要方式是晶粒之间相互滑动和转晶间变形的主要方式是晶粒之间相互滑动和转? 动。动。? 多

8、晶体受力变形时，沿晶界处可能产生剪切应力，当多晶体受力变形时，沿晶界处可能产生剪切应力，当此剪切应力足以克服晶粒彼此间相对滑动的阻力时，便发此剪切应力足以克服晶粒彼此间相对滑动的阻力时，便发生相对滑动；另外，由于各晶粒所处位向不同，其变形情生相对滑动；另外，由于各晶粒所处位向不同，其变形情况及难易程度亦不同，这样，在相邻晶粒间必然引起力的况及难易程度亦不同，这样，在相邻晶粒间必然引起力的相互作用而可能产生一对力偶，造成晶粒间的相互转动。相互作用而可能产生一对力偶，造成晶粒间的相互转动。材料成形技术基础?在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要是主要是? 晶晶内变

9、形，晶间变形只起次要作用，内变形，晶间变形只起次要作用，而且需要有其它而且需要有其它? 变变形机制相协调。形机制相协调。?这是由于晶界强度高于晶内，各这是由于晶界强度高于晶内，各? 晶粒相互接触形晶粒相互接触形成犬牙交错状态，造成对晶界滑移的机械阻碍作用。成犬牙交错状态，造成对晶界滑移的机械阻碍作用。如果发生晶界变形，容易引如果发生晶界变形，容易引? 起晶界结构的破坏和产生起晶界结构的破坏和产生裂纹，因此晶间变形量只能是很小的。裂纹，因此晶间变形量只能是很小的。材料成形技术基础二、冷塑性变形特点二、冷塑性变形特点? 1各晶粒变形的不同时性各晶粒变形的不同时性? ?由于组成多晶体的各个晶粒位向不

10、同，塑性变由于组成多晶体的各个晶粒位向不同，塑性变形不是在所有形不是在所有? 晶粒内同时发生，而是首先在那些晶粒内同时发生，而是首先在那些位位向有利、滑移系上的剪应力分向有利、滑移系上的剪应力分? 量量已优先达到临界值已优先达到临界值的晶粒内进行。的晶粒内进行。 2 2各晶粒变形的相互协调性各晶粒变形的相互协调性 由于多晶体中的每一个晶粒都是处于其它晶粒由于多晶体中的每一个晶粒都是处于其它晶粒的包围之中，它们的变形不是孤立的和任意的包围之中，它们的变形不是孤立的和任意 的，而的，而是需要相互协调配合，否则无法保持晶粒之间的连是需要相互协调配合，否则无法保持晶粒之间的连续性。续性。 3 3晶粒与

11、晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性。间变形的不均匀性。 材料成形技术基础晶粒越小，金属的屈服极限越大晶粒越小，金属的屈服极限越大l 滑移由一个晶粒转移到另一个晶粒，主要取决于晶滑移由一个晶粒转移到另一个晶粒，主要取决于晶粒晶界附近位错塞积群所产生的应力场能否激发相粒晶界附近位错塞积群所产生的应力场能否激发相邻晶粒中的位错源也开动起来，以进行协调性的次邻晶粒中的位错源也开动起来，以进行协调性的次滑移，而位错塞积群所产生的应力场的强弱与塞积滑移，而位错塞积群所产生的应力场的强弱与塞积的位错数量相关，数量越大，应力场越大。的位错数量相关，数量越

12、大，应力场越大。l 晶粒越大，距离越大，位错源开动的时间就越长，晶粒越大，距离越大，位错源开动的时间就越长，位错数也越大。位错数也越大。材料成形技术基础由此可见，粗晶粒金属的变形由一个晶粒由此可见，粗晶粒金属的变形由一个晶粒转移到另一个晶粒会容易一些，而细晶粒转移到另一个晶粒会容易一些，而细晶粒则需要在更大的外力作用下才能使相邻晶则需要在更大的外力作用下才能使相邻晶粒发生塑性变形。粒发生塑性变形。材料成形技术基础细晶粒的塑性比粗晶粒好细晶粒的塑性比粗晶粒好l 在一定体积内，细晶粒金属的晶粒数目比粗晶粒在一定体积内，细晶粒金属的晶粒数目比粗晶粒金属的多，因而，塑性变形时，位向有利的晶粒金属的多，

13、因而，塑性变形时，位向有利的晶粒数较多，变形能够均匀分散到各个晶粒上。数较多，变形能够均匀分散到各个晶粒上。l 又从每个晶粒的应变分布来看，细晶粒晶界的影又从每个晶粒的应变分布来看，细晶粒晶界的影响区域相对较大，使得晶粒心部的应变和晶界处响区域相对较大，使得晶粒心部的应变和晶界处的应变差异减少，由于细晶粒金属的变形不均匀的应变差异减少，由于细晶粒金属的变形不均匀性较小，由此引起的应力集中必然也较小，内应性较小，由此引起的应力集中必然也较小，内应力分布较均匀，因而金属断裂前可承受的塑性变力分布较均匀，因而金属断裂前可承受的塑性变形量较大。形量较大。材料成形技术基础三、冷塑性变形对金属组织和性能的

14、影响三、冷塑性变形对金属组织和性能的影响? 除了在除了在? 晶粒内部出现滑移带和孪生带等组织特征外，晶粒内部出现滑移带和孪生带等组织特征外，还具有下列的组织变化。还具有下列的组织变化。? 1晶粒形状的变化晶粒形状的变化?变化趋势大体与金属宏观变形一致。变化趋势大体与金属宏观变形一致。? 2晶粒内产生亚结构晶粒内产生亚结构?由于位错运动和位错由于位错运动和位错? 交互作用，在晶内位错纠缠成群，形交互作用，在晶内位错纠缠成群，形成位错缠结，随着变形量的增加，最终形成胞状亚结构成位错缠结，随着变形量的增加，最终形成胞状亚结构? 3晶粒位向改变晶粒位向改变(变形结构变形结构)?多晶体塑性变形时伴随有晶

15、粒的转动，当变形量很大时，多晶体塑性变形时伴随有晶粒的转动，当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶多晶体中原为任意取向的各个晶? 粒，会逐渐调整其取向而粒，会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。彼此趋于一致。 材料成形技术基础 随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性降低，而塑性、韧性降低，? 这种现象称为这种现象称为加工硬化加工硬化。 加工硬化使金属塑性下降、变形抗力提高，继加工硬化使金属塑性下降、变形抗力提高，继续变形越来续变形越来 越困难，特别是对于高硬化速率金属的越困难，特别是对于高硬化速率金属的多道工序成形更是如此。多道工序成形

16、更是如此。 因此有时需要增加中间因此有时需要增加中间退退火火工序来消除加工硬化。工序来消除加工硬化。 ?材料成形技术基础加工硬化的原因加工硬化的原因 随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，位错随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，位错反应和相互交割加剧，结果产生反应和相互交割加剧，结果产生固定割阶、位错固定割阶、位错?缠结缠结等障碍，以致形成胞状亚结构，使位错难以等障碍，以致形成胞状亚结构，使位错难以越过这些障碍而越过这些障碍而? 被限制在一定范围内运动，这样，被限制在一定范围内运动，这样，要使金属继续变形，就需要不断增加外力，才能要使金属继续变形，就需要不断增加外力，才能克服位错间强大的交互

17、作用力。克服位错间强大的交互作用力。材料成形技术基础第二节第二节 金属热态下的塑性变形金属热态下的塑性变形l定义定义 在再结晶温度以上进行的塑性变形，称为热塑性在再结晶温度以上进行的塑性变形，称为热塑性变形或热塑性加工。如热锻、热轧和热挤压等变形或热塑性加工。如热锻、热轧和热挤压等l特点特点（1）、回复、再结晶与加工硬化同时发生）、回复、再结晶与加工硬化同时发生（2）、加工硬化不断被回复和再结晶抵消）、加工硬化不断被回复和再结晶抵消（3）、金属处于高塑性、低变形抗力的软化状态）、金属处于高塑性、低变形抗力的软化状态材料成形技术基础一、塑性变形时软化过程一、塑性变形时软化过程? ? 塑性变形时的

18、软化过程比较复杂，它与变形温塑性变形时的软化过程比较复杂，它与变形温度、应变速率、变形程度以及金属本身等因素有关。度、应变速率、变形程度以及金属本身等因素有关。?按其性质可分为以下几种：动态回复、动态再按其性质可分为以下几种：动态回复、动态再结晶、静态回复、静态再结晶、亚动态结晶、静态回复、静态再结晶、亚动态? 再结晶等。再结晶等。材料成形技术基础1动态回复动态回复?动态回复是在热变形过程中发生的回复，金属动态回复是在热变形过程中发生的回复，金属即使在远高于静态再结晶温度下塑性变形时，即使在远高于静态再结晶温度下塑性变形时，? 一般一般也只发生动态回复。也只发生动态回复。? ? 2动态再结晶动

19、态再结晶? ?动态再结晶是在热变形过程中发生的再结晶，也动态再结晶是在热变形过程中发生的再结晶，也是通过是通过? 形核和生长来完成。形核和生长来完成。3静态回复静态回复? ?具有向变形前低自由能状态自发恢复的趋势。具有向变形前低自由能状态自发恢复的趋势。? ? 4静态再结晶静态再结晶? ? 静态再结静态再结? 晶是一个显微组织彻底重新改组的过程，晶是一个显微组织彻底重新改组的过程，通过再结通过再结? 晶形核和生长来完成。晶形核和生长来完成。材料成形技术基础5亚动态再结晶亚动态再结晶? ? 是指热变形中已经形成的、但尚未长大的动态是指热变形中已经形成的、但尚未长大的动态?再结晶晶核，以及长大到中

20、途的再结晶晶粒被遗留再结晶晶核，以及长大到中途的再结晶晶粒被遗留?下来，当变形停止后，而温度又足够高时，这些晶下来，当变形停止后，而温度又足够高时，这些晶核核? 和晶粒会继续长大，此转化过程即称为亚动态再和晶粒会继续长大，此转化过程即称为亚动态再结结? 晶。它不需要形核时间，没有孕育期，所以进行晶。它不需要形核时间，没有孕育期，所以进行得很得很? 迅速。迅速。? ? ?动态回复和动态再结晶是在热塑性变形过程中动态回复和动态再结晶是在热塑性变形过程中? ? 发发生的；而静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶则生的；而静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶则是在热塑性变形的间歇期间和热变形后，利是在热塑性

21、变形的间歇期间和热变形后，利? 用金属用金属的高温余热进行的。的高温余热进行的。材料成形技术基础二、热塑性变形机理二、热塑性变形机理? ? 1晶内滑移晶内滑移? ? （最主要和最常见）（最主要和最常见）?在通常情况下，热变形的主要机理仍然是晶内滑移。在通常情况下，热变形的主要机理仍然是晶内滑移。? ?2晶界滑移晶界滑移? ? （高温高速）（高温高速）?热塑性变形时，由于晶界强度低于晶内，使得晶界滑热塑性变形时，由于晶界强度低于晶内，使得晶界滑动易于进行。但在常规动易于进行。但在常规? 热变形条件下，晶界滑动相对于晶热变形条件下，晶界滑动相对于晶内滑移变形量还是小的。内滑移变形量还是小的。3扩散

22、蠕变（高温变形）扩散蠕变（高温变形）? ? 由空位的定向移动所引起的。变形温度越高，晶粒越由空位的定向移动所引起的。变形温度越高，晶粒越细和应变速率越低，扩散蠕变所起的作用就越大。细和应变速率越低，扩散蠕变所起的作用就越大。 材料成形技术基础三、塑性变形对金属组织和性能的影响三、塑性变形对金属组织和性能的影响? ? 1改善晶粒组织改善晶粒组织2锻合内部缺陷锻合内部缺陷?缩松、空隙和微裂纹缩松、空隙和微裂纹? ? 3破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布? ? ?通过锻造或轧制，这些碳化物被打碎、并均匀分布通过锻造或轧制，这些碳化物被打碎、并均匀分布

23、? ? 4形成纤维组织形成纤维组织? ? ?材料成形技术基础作业：作业：P107：4，5材料成形技术基础第三节第三节? ?应力状态和应变状态分析应力状态和应变状态分析 l应力张量与应变张量的差异应力张量与应变张量的差异l什么是主应力和应力不变量，在应力分析中有什么是主应力和应力不变量，在应力分析中有什么作用什么作用l什么是应变偏张量、应变球张量？在变形中所什么是应变偏张量、应变球张量？在变形中所起的作用是什么？起的作用是什么？材料成形技术基础塑性变形中物理变量场塑性变形中物理变量场l 物理变量场物理变量场?位移场（速度场）、应变场和应力场位移场（速度场）、应变场和应力场l 物理变量场的作用物理

24、变量场的作用预测金属坯料形状尺寸的变化预测金属坯料形状尺寸的变化计算成形力、功能消耗和加工接触面上的压力分计算成形力、功能消耗和加工接触面上的压力分布布工件内部的变形分布、工件质量和可能出现的缺工件内部的变形分布、工件质量和可能出现的缺陷陷合理确定成型工艺、设计成型模具、选用成型设合理确定成型工艺、设计成型模具、选用成型设备和控制产品质量提供科学依据备和控制产品质量提供科学依据材料成形技术基础? ? 1外力、内力和应力外力、内力和应力? ?体积力：体积力：作用在变形体内每一质点上，如重作用在变形体内每一质点上，如重? 力、磁力、磁力和惯性力等。分析塑性成形过程时，体积力一般力和惯性力等。分析塑

25、性成形过程时，体积力一般可以不考虑。可以不考虑。表面力：表面力：作用在变形体表作用在变形体表? 面上，如工模具对变形体面上，如工模具对变形体的作用力和约束反力等。的作用力和约束反力等。? ?内力：内力：在外力作用下，为保持变形体的连续性，其在外力作用下，为保持变形体的连续性，其内部各质点间必然产生相互作用力，称为内力。内部各质点间必然产生相互作用力，称为内力。?应力：应力：单位面积的内力，称为应力。单位面积的内力，称为应力。一、点的应力状态分析一、点的应力状态分析材料成形技术基础? ? 2直角坐标系中一点的应力状态直角坐标系中一点的应力状态? ? ?一点的应力状态需用一点的应力状态需用9个应力

26、分量来描述。点个应力分量来描述。点的应力状态的的应力状态的9个应力分量中只有个应力分量中只有6个是独立的，即个是独立的，即点的应力状态是二阶对称点的应力状态是二阶对称? 矩阵。矩阵。 每个应力分量的符号带有两个下角标，第一个表示该应力分每个应力分量的符号带有两个下角标，第一个表示该应力分量作用面的外法线方向，第二个表示它的作用方向。量作用面的外法线方向，第二个表示它的作用方向。材料成形技术基础材料成形技术基础3主应力和应力不变量主应力和应力不变量 3 3个主应力彼此正交。个主应力彼此正交。 正应正应 力称为主应力，一般用力称为主应力，一般用1 1、2 2、3 3表示。而表示。而相应的三个相互垂

27、直的方向则称为主方向。与主方相应的三个相互垂直的方向则称为主方向。与主方 向一致向一致的坐标轴叫做主轴。的坐标轴叫做主轴。材料成形技术基础材料成形技术基础J1=15?J2=-60?J3=5405460152312393333材料成形技术基础材料成形技术基础?对于一个确定的应力状态，三个主应力是唯对于一个确定的应力状态，三个主应力是唯一的。因此，特征方程的系数一的。因此，特征方程的系数J1、J2、J3是单值是单值的，不随坐标而变。的，不随坐标而变。?尽管应力张量中的各个分量会随坐标而变化，尽管应力张量中的各个分量会随坐标而变化，但是但是J1、J2、J3是不变的，分别称为应力张量第是不变的，分别称

28、为应力张量第一、第二和第三不变量。一、第二和第三不变量。?当判定两个应力张量是否代表同一应力状态当判定两个应力张量是否代表同一应力状态时，可以通过它们的三个应力张量不变量是否对时，可以通过它们的三个应力张量不变量是否对应相等来确定。应相等来确定。材料成形技术基础4主剪应力和最大剪应力主剪应力和最大剪应力? ? 物体的塑性变形是由剪应力产生的，当物体的塑性变形是由剪应力产生的，当剪应力达到某个临界值剪应力达到某个临界值? 时，物体便由弹性时，物体便由弹性状态进入塑性状态进入塑性(屈服屈服)状态。通过点的应力状态。通过点的应力状态可状态可? 求出剪应力的极值。使剪应力取极求出剪应力的极值。使剪应力

29、取极限值的平面限值的平面为主剪应力平面为主剪应力平面。它们为与某。它们为与某一主平面垂直，而与另两个主平面成一主平面垂直，而与另两个主平面成450? 交交角的平面。主剪应力平面上的剪应力称为角的平面。主剪应力平面上的剪应力称为主剪应力。主剪应力。材料成形技术基础5 5应力球张量和应力偏张量应力球张量和应力偏张量 称为平均应力，又称为静水压力称为平均应力，又称为静水压力材料成形技术基础应力球张量应力球张量：当质点处于球应力状态下，过该：当质点处于球应力状态下，过该点的任意方向均为主方向，且各方向的主应力相点的任意方向均为主方向，且各方向的主应力相等，而任意切面上的剪应力均为零。所以球形应等，而任

30、意切面上的剪应力均为零。所以球形应力张量的作用与静水应力相同，它只能引起物体力张量的作用与静水应力相同，它只能引起物体的体积变化，而不能使物体发生形状变化。的体积变化，而不能使物体发生形状变化。材料成形技术基础应力偏张量应力偏张量：应力偏张量不会引起物体的体积变：应力偏张量不会引起物体的体积变化。再者，应化。再者，应? 力偏张量中的剪应力成分与整个应力偏张量中的剪应力成分与整个应力张量中的剪应力成分完全一致，因此应力偏张力张量中的剪应力成分完全一致，因此应力偏张量完全包含量完全包含? 了应力张量作用下的形状变化因素，了应力张量作用下的形状变化因素，也就是说，物体是否发生塑性变化只与应力偏张也就

31、是说，物体是否发生塑性变化只与应力偏张量有关。量有关。材料成形技术基础 归结起来，物体在应力张量作用下所发生的变归结起来，物体在应力张量作用下所发生的变化，包括体积变化和形状变化；体积变化取决于应化，包括体积变化和形状变化；体积变化取决于应 力张量中的应力球张量，而形状变化取决于应力偏力张量中的应力球张量，而形状变化取决于应力偏张量；体积变化只能是弹性的，当应力偏张量满足张量；体积变化只能是弹性的，当应力偏张量满足 一定数量关系时，则物体发生塑性变形。一定数量关系时，则物体发生塑性变形。材料成形技术基础1 1位移与应变位移与应变 二、点的应变状态分析二、点的应变状态分析?设某质点的位移矢量为设

32、某质点的位移矢量为u，它在三个主轴上的投影用，它在三个主轴上的投影用u、v、w表示，称为位移分量。由于物体在变形后仍然保持表示，称为位移分量。由于物体在变形后仍然保持连续，故位移分量为坐标的连续函数，即连续，故位移分量为坐标的连续函数，即?u=u(x,y,z)、v=v(x,y,z)、w=w(x,y,z)应变用位移的相对变化表示应变用位移的相对变化表示正应变（线应变），以线元长度的相对变化表示；剪应变正应变（线应变），以线元长度的相对变化表示；剪应变以两个相互垂直线元之间的角度的变化表示。以两个相互垂直线元之间的角度的变化表示。材料成形技术基础?2点的应变状态和小变形几何方程点的应变状态和小变形

33、几何方程 材料成形技术基础材料成形技术基础zwyvxuzyxxyyxyzzyxzzxvu,xywv,yzwu,xz材料成形技术基础为了使应变分量与应力分量在形式上取得一致，令为了使应变分量与应力分量在形式上取得一致，令材料成形技术基础材料成形技术基础3 3应变张量的一些主要结论应变张量的一些主要结论 (1)(1)微体的应变状态存在三个相互垂直的主方向和主轴，微体的应变状态存在三个相互垂直的主方向和主轴，在主方向上的线元没有角度偏转，在主方向上的线元没有角度偏转， 只有正应变，称为主只有正应变，称为主应变。应变。(2)(2)? 各应变分量之间的下列关系式恒为定值，分别称为各应变分量之间的下列关系

34、式恒为定值，分别称为应变张量第一、第二、第三不变量。应变张量第一、第二、第三不变量。 (3)(3)?主剪应变发生在通过一个应变主轴而与其它两个主主剪应变发生在通过一个应变主轴而与其它两个主轴成轴成45450 0的一对的一对 平面内，这种相互垂直的平面共有三平面内，这种相互垂直的平面共有三 对，对，主剪应变与主应变之间的关系，可以仿照主剪应力与主主剪应变与主应变之间的关系，可以仿照主剪应力与主应力的关系写出。三个主剪应变的最应力的关系写出。三个主剪应变的最 大者，称为最大剪大者，称为最大剪应变。应变。 (4)(4)?应变张量也可以分解为应变偏张量和应变球张量。应变张量也可以分解为应变偏张量和应变

35、球张量。材料成形技术基础材料成形技术基础材料成形技术基础4塑性变形时的体积不变条件塑性变形时的体积不变条件?一般认为塑性变形时体积不变，故有一般认为塑性变形时体积不变，故有(x、y、z)=0，该式该式? 即为塑性变形时的体积不变条件，它常即为塑性变形时的体积不变条件，它常作为对塑性成形过程进行力学分析的一个前提条件，作为对塑性成形过程进行力学分析的一个前提条件，也可也可? 用于工艺设计中计算原毛坯的体积。用于工艺设计中计算原毛坯的体积。? ? 5变形力学简图变形力学简图? ? ?用主应力表示质点的受力情况的示意图形，称为用主应力表示质点的受力情况的示意图形，称为主应力简图。它共有主应力简图。它

36、共有9种类型，其中单向应种类型，其中单向应? 力状态两力状态两种，平面应力状态三种，体应力状态种，平面应力状态三种，体应力状态4种。种。 材料成形技术基础主应力图主应力图主应变图主应变图材料成形技术基础第四节第四节 屈服准则屈服准则 ?质点处于单向应力状态时，当该单向应力达到质点处于单向应力状态时，当该单向应力达到某一数值时，质点即屈服，进入塑性状态。某一数值时，质点即屈服，进入塑性状态。屈服准则：屈服准则：? ? 在复杂应力状态下，只有当各应力分量在复杂应力状态下，只有当各应力分量满足一定的关系时，质点才能进入塑性状态。这种满足一定的关系时，质点才能进入塑性状态。这种关关? 系称为系称为屈服

37、准则屈服准则，也称塑性条件或塑性方程。屈，也称塑性条件或塑性方程。屈服准则的数学表达式一般呈如下形式：服准则的数学表达式一般呈如下形式：(ij)=C 应力分量的函数应力分量的函数与材料的力学性能有关的常数与材料的力学性能有关的常数材料成形技术基础一、屈雷斯加屈服准则一、屈雷斯加屈服准则 当材料当材料(质点质点)中的最大剪应力达到某一临界值时，中的最大剪应力达到某一临界值时，则材料发生屈服；该临界值取决于材料在则材料发生屈服；该临界值取决于材料在? 变形条件下变形条件下的性质，而与应力状态无关，因此，屈雷斯加屈服准的性质，而与应力状态无关，因此，屈雷斯加屈服准则又称为最大剪应力准则。其表达式为则

38、又称为最大剪应力准则。其表达式为?Cmax材料成形技术基础?式中式中C可通过试验确定，由于可通过试验确定，由于C的值与应力状态无的值与应力状态无关，故常采用简单拉伸试验来确定。当拉伸试样屈关，故常采用简单拉伸试验来确定。当拉伸试样屈服时，服时，3 3= =2 2=0=0，1 1= =s，?于是，屈雷斯加屈服准于是，屈雷斯加屈服准则的数学表达式为则的数学表达式为材料成形技术基础二、米泽斯屈服准则二、米泽斯屈服准则? ? ?材料质点产生屈服的条件，是其单位体积的弹性材料质点产生屈服的条件，是其单位体积的弹性形状变化能达到某一临界值；该临界值只取形状变化能达到某一临界值；该临界值只取? 决于材料决于

39、材料在变形条件下的性质，而与应力状态无关。故此，米在变形条件下的性质，而与应力状态无关。故此，米泽斯屈服准则又称为弹性形状能准泽斯屈服准则又称为弹性形状能准? 则。其表达式为则。其表达式为12zx2yz2xy2xz2zy2yxC)(6)()()(61材料成形技术基础?式中式中C1可通过试验确定，由于可通过试验确定，由于C1的值与应力状态的值与应力状态无关，故常采用简单拉伸试验来确定。当拉伸试样无关，故常采用简单拉伸试验来确定。当拉伸试样屈服时，屈服时，3 3= =2 2=0=0，1 1=1/3=1/3s2，?于是，米泽斯屈服于是，米泽斯屈服准则的数学表达式为准则的数学表达式为2222222xy

40、yzzxxyyzzxs()()()6()2材料成形技术基础 三、屈雷斯加屈服准则和米泽斯屈服准则的比较三、屈雷斯加屈服准则和米泽斯屈服准则的比较? ?对于屈雷斯加屈服准则，中间应力对于屈雷斯加屈服准则，中间应力2在在l和和3之间任之间任意变化，但并不影响材料的屈服，但意变化，但并不影响材料的屈服，但? 在米泽斯屈服准在米泽斯屈服准则中，中间应力则中，中间应力2是有影响的。是有影响的。? 当当2=l或或2=3?(即轴即轴? ? ? 对称应力状态对称应力状态)时，两个屈服时，两个屈服准则一致；准则一致； 当当2=1/2(l+3)?(平面应平面应? 变状态变状态)两个屈服准则的差两个屈服准则的差别最

41、大，达别最大，达15.5； 在其余应力状态在其余应力状态? 下，两个屈服准则的差别小于下，两个屈服准则的差别小于15.5，视中间应力，视中间应力2的相对大小而定。的相对大小而定。 材料成形技术基础罗代应力参数罗代应力参数材料成形技术基础材料成形技术基础材料成形技术基础作业：作业：P107，12，20材料成形技术基础第五节第五节? 塑性变形时的应力应变关系塑性变形时的应力应变关系 本构关系：本构关系：塑性变形时应力应变之间的关系，塑性变形时应力应变之间的关系，?这种关系的数学表达式称为本构方这种关系的数学表达式称为本构方程，也称程，也称? ? 物理方程。物理方程。? ?材料成形技术基础一、弹性变

42、形时的应力应变关系一、弹性变形时的应力应变关系? ? 材料成形技术基础弹性变形中包含了体积变化和形状变化弹性变形中包含了体积变化和形状变化 物体弹性变形时其单位体积变化率与平均应物体弹性变形时其单位体积变化率与平均应力成正比，应力球张量使物体产力成正比，应力球张量使物体产? 生弹性的体生弹性的体积改变。积改变。材料成形技术基础应变偏张量与应力偏张量成正比，表明物应变偏张量与应力偏张量成正比，表明物体形状的改变只是由应力偏张量引体形状的改变只是由应力偏张量引? 起。起。材料成形技术基础二、塑性变形时应力应变关系的特点二、塑性变形时应力应变关系的特点 与弹性变形相比，塑性变形时的应力应变关系与弹性

43、变形相比，塑性变形时的应力应变关系较为复杂。它具有如下特点：较为复杂。它具有如下特点：? ? ?(1)应力与应变之间的关系是非线型的；应力与应变之间的关系是非线型的；? ? ?(2)塑性变形时认为体积不变，即应变球张量为塑性变形时认为体积不变，即应变球张量为零，泊松比为零，泊松比为0.5；? ? ?(3)塑性变形是不可逆的，与应变历史有关，即塑性变形是不可逆的，与应变历史有关，即应力应变关系不再保持单值关系。应力应变关系不再保持单值关系。 材料成形技术基础 在一般情况下，只能在一般情况下，只能? 建立建立应力和应变增量应力和应变增量之间的关之间的关系。对于某瞬时的应力状态，与之相对应的只是塑性

44、应系。对于某瞬时的应力状态，与之相对应的只是塑性应变增量。变增量。? 要求得到要求得到塑性应变全量塑性应变全量，只有根据加载过程各，只有根据加载过程各段的增量，依次段的增量，依次积分积分才有可能。才有可能。但是如果加载过程但是如果加载过程? 中，中，各应力分量始终保持比例关系，且主轴的方向、顺序不各应力分量始终保持比例关系，且主轴的方向、顺序不变，则塑性应变分量也按比例增加。这变，则塑性应变分量也按比例增加。这? 时，塑性应变全时，塑性应变全量与应力状态，就有相对应的函数关系。这种加载状态量与应力状态，就有相对应的函数关系。这种加载状态称为称为简单加载状态简单加载状态。 材料成形技术基础 到目

45、前为止，所有描述塑性应力应变关系的理到目前为止，所有描述塑性应力应变关系的理论可分为两大类：论可分为两大类：? ? ?(1)增量理论：描述塑性状态下应力和应变增量增量理论：描述塑性状态下应力和应变增量(或应变速率或应变速率)之间的关系；之间的关系；? ? ?(2)全量理论：描述塑性状态下应力和应变全量全量理论：描述塑性状态下应力和应变全量之间的关系。之间的关系。?材料成形技术基础?一般而言，全量理论在数学上处理比较简单，一般而言，全量理论在数学上处理比较简单，便于实际便于实际? 应用。但应用范围受到限制，主要适用于应用。但应用范围受到限制，主要适用于简单加载状态及小简单加载状态及小? 塑性变形

46、塑性变形(弹、塑性变形处于同弹、塑性变形处于同一数量级一数量级)的情形。的情形。? ? ?而增量理论则不受加载条件的限制。但实际应而增量理论则不受加载条件的限制。但实际应用时，需，用时，需，? 沿加载过程中的变形路径进行积分，才沿加载过程中的变形路径进行积分，才能求得最终的塑性应能求得最终的塑性应? 变全量，计算比较复杂。变全量，计算比较复杂。 材料成形技术基础材料成形技术基础三、等效应力和等效应变的概念三、等效应力和等效应变的概念? ? ?等效应力和等效应变是两个具有特征意义的参数，等效应力和等效应变是两个具有特征意义的参数，它们使复杂的三维应力、应变状态等效为它们使复杂的三维应力、应变状态

47、等效为? 单向拉伸时单向拉伸时的应力、应变状态。的应力、应变状态。?等效应力和单向拉伸时应力是等效应力和单向拉伸时应力是? 等效的。等效的。? ? ?等效应变和单向拉伸时应等效应变和单向拉伸时应? 变也是等效的。变也是等效的。? ?因此，由单向拉伸所建立的应力应变曲线，可和复因此，由单向拉伸所建立的应力应变曲线，可和复杂应力状态下以等效应力和等效应变表示杂应力状态下以等效应力和等效应变表示? 的曲线联系的曲线联系起来，而且实验结果表明，它们可认为是同一曲线。起来，而且实验结果表明，它们可认为是同一曲线。 材料成形技术基础_2222222221223311()()()6()21()()()2xy

48、yzzxxyyzzx _2222222221223312()()()6()32()()()3xyyzzxxyyzzx_E材料成形技术基础四、增量理论四、增量理论? ?(1)列维列维米泽斯方程米泽斯方程? ? ? 材料为理想刚塑性材料，即弹性应变增量为零，塑性应变材料为理想刚塑性材料，即弹性应变增量为零，塑性应变增量就是总应变增量；增量就是总应变增量；? ? 材料服从米泽斯屈服准则，即：材料服从米泽斯屈服准则，即：? ?塑性变形时体积不变，即塑性变形时体积不变，即? 在上述假设的基础上，可认为应在上述假设的基础上，可认为应变增量与应力增量成正比变增量与应力增量成正比?(2)?圣维南塑性流动方程圣

49、维南塑性流动方程? 如果应变增量在很短时间内发生，则单位时间的应变增量即如果应变增量在很短时间内发生，则单位时间的应变增量即为应变速率。在采用速度场解塑性成型问题时较方便。为应变速率。在采用速度场解塑性成型问题时较方便。? ? (3)普朗特普朗特罗伊斯方程罗伊斯方程? ?该方程与列维该方程与列维米泽斯方程的区别，在于考虑了总应变增量米泽斯方程的区别，在于考虑了总应变增量中的弹性应变增量。中的弹性应变增量。材料成形技术基础 五、全量理论五、全量理论? ?增量理论虽然比较严密，但对于实际的变形过程，增量理论虽然比较严密，但对于实际的变形过程，要由每一瞬时的应变增量积分得到整个变要由每一瞬时的应变增

50、量积分得到整个变? 形过程的应形过程的应变全量比较困难。而人们感兴趣的又往往是应变全量。变全量比较困难。而人们感兴趣的又往往是应变全量。由于塑性应变的不可逆性，由于塑性应变的不可逆性，? 应力与应变关系完全取决应力与应变关系完全取决于加载过程。只有对加载过程加以限制，才有可能寻于加载过程。只有对加载过程加以限制，才有可能寻求到应力与全量求到应力与全量? 应变的统一规律。应变的统一规律。 伊柳辛理论认为，如果加载过程符合简单加载条伊柳辛理论认为，如果加载过程符合简单加载条件，则应力偏张量的各个分量与应变偏张量件，则应力偏张量的各个分量与应变偏张量? 的各个分的各个分量成正比。量成正比。 材料成形

51、技术基础第六节第六节? ?应力状态对塑性和变形抗力的影响应力状态对塑性和变形抗力的影响 塑性成形时，必须对金属施加外力，称为塑性成形时，必须对金属施加外力，称为变变形力形力；而金属抵抗变形的力，则称为；而金属抵抗变形的力，则称为变形抗变形抗? 力力，它们大小相等、方向相反。变形抗力反映了材料它们大小相等、方向相反。变形抗力反映了材料变形的难易程度。从工艺角度出发，总是希变形的难易程度。从工艺角度出发，总是希? 望变望变形金属具有高的塑性，低的变形抗力。形金属具有高的塑性，低的变形抗力。 材料成形技术基础一、应力状态对塑性的影响一、应力状态对塑性的影响应力状态对塑性的影响实际上是静水应力张量应力

52、状态对塑性的影响实际上是静水应力张量在起作用。其值越大，材料所受各向等拉作用在起作用。其值越大，材料所受各向等拉作用越强，塑性越差；反之越好。越强，塑性越差；反之越好。材料成形技术基础(1)拉应力会促使晶间变形，加速晶界的破坏，而压应力则能拉应力会促使晶间变形，加速晶界的破坏，而压应力则能阻止或阻止或? 减少晶间变形；随着三向等压作用的增强，晶间变形减少晶间变形；随着三向等压作用的增强，晶间变形愈加困难。愈加困难。(2)三向压应力有利于消除由于三向压应力有利于消除由于? 塑性变形所引起的损伤；而拉塑性变形所引起的损伤；而拉应力则相反，会促使损伤的发展。应力则相反，会促使损伤的发展。(3)三向压

53、应力能抑止金属中原三向压应力能抑止金属中原? 先存在的各种缺陷的发展，部先存在的各种缺陷的发展，部分或全部地消除其危害。分或全部地消除其危害。(4)三向压应力能抵消由于不均匀变形所三向压应力能抵消由于不均匀变形所? 引起的附加拉应力，引起的附加拉应力，从而防止裂纹的产生和发展。从而防止裂纹的产生和发展。? ? 因此，在塑性加工中，人们通过改变应力状态来提高金属因此，在塑性加工中，人们通过改变应力状态来提高金属塑性，以保证生产的顺利进行，并促塑性，以保证生产的顺利进行，并促? 使工艺的进步。使工艺的进步。材料成形技术基础二、应力状态对变形抗力的影响二、应力状态对变形抗力的影响 塑性成形时的变形抗

54、力不仅取决于材料的性质，塑性成形时的变形抗力不仅取决于材料的性质，还与塑性成形时的应力状态有关。还与塑性成形时的应力状态有关。材料成形技术基础材料成形技术基础第七章第七章?真实应力真实应力应变曲线应变曲线1、定义、定义?金属在单向应力状态下真实应力与应变程度金属在单向应力状态下真实应力与应变程度（应变）之间的关系曲线。（应变）之间的关系曲线。2、获取方法、获取方法?拉伸试验拉伸试验3、意义、意义?材料的塑性行为，应力材料的塑性行为，应力应变关系和求解应变关系和求解塑性成形问题不可缺少的基本试验资料塑性成形问题不可缺少的基本试验资料材料成形技术基础材料成形技术基础拉伸试验绘制真实应力拉伸试验绘制

55、真实应力应变曲线应变曲线根据三种变形程度的三种表示方法，以真实根据三种变形程度的三种表示方法，以真实应力应力S（瞬时变形力除以该瞬时试样的横截面（瞬时变形力除以该瞬时试样的横截面积）为纵坐标，以积）为纵坐标，以、和和为横坐标，将拉为横坐标，将拉伸试验所得的结果进行整理计算，即可绘制伸试验所得的结果进行整理计算，即可绘制出真实应力出真实应力应变曲线应变曲线材料成形技术基础材料成形技术基础材料成形技术基础?很多金属材料的真实应力很多金属材料的真实应力应变曲线应变曲线可以简化成幂强化模型，即可以简化成幂强化模型，即式中，式中，B与材料有关的常数；与材料有关的常数；?n硬化指数硬化指数材料成形技术基础

56、硬化指数硬化指数n表征材料在变形过程中的加工硬化速表征材料在变形过程中的加工硬化速率，并反映材料在拉伸时的抗局部变形（失稳）率，并反映材料在拉伸时的抗局部变形（失稳）的能力。的能力。n值大的材料，其均匀拉伸变形的能力也大，这值大的材料，其均匀拉伸变形的能力也大，这对于拉伸为主的冷塑性成形是有利的。对于拉伸为主的冷塑性成形是有利的。材料成形技术基础?根据理论曲线必须通过实际曲线的失稳对根据理论曲线必须通过实际曲线的失稳对应点，以及使两条曲线在失稳对应点处的斜率应点，以及使两条曲线在失稳对应点处的斜率相等的条件，可以导出相等的条件，可以导出B和和n，即，即材料成形技术基础设在试样的单向拉伸过程中，

57、任一变形瞬间的轴设在试样的单向拉伸过程中，任一变形瞬间的轴向力为向力为F，试样断面积为，试样断面积为A，真实应力为，真实应力为S，则有，则有SFA设试样的原始断面积为设试样的原始断面积为A0，由于，由于l0A0=lA，可有，可有010lnlnAllA 材料成形技术基础0A Ae0FAe当拉伸失稳时，当拉伸失稳时，F有极大值，所以有极大值，所以dF=0，于是有，于是有0() 0dF A e de d 0dd 材料成形技术基础记失稳时，记失稳时，S,bbS b|bdSd 设材料的真实应力设材料的真实应力-应变曲线为应变曲线为SnB 因此，拉伸失稳时，可得因此，拉伸失稳时，可得bn材料成形技术基础0

58、01lll 10l1l10llnln(1)l材料成形技术基础0 0b bA lA l0bb0A /Al /l在失稳点有在失稳点有b0bbAS Abb0bbb0bbS(A /A )(l /l )(1)材料成形技术基础材料成形技术基础第八节第八节? ?金属塑性成形中的摩擦金属塑性成形中的摩擦 在塑性成形中，在在塑性成形中，在被加工金属与工模具被加工金属与工模具之间都之间都有相对运动或有相对运动的趋势，因而在接触有相对运动或有相对运动的趋势，因而在接触? 表面表面之间便产生阻止切向运动的阻力，即之间便产生阻止切向运动的阻力，即(外外)摩擦摩擦。外。外摩擦力简称摩擦力，单位接触面上的摩擦摩擦力简称摩擦

59、力，单位接触面上的摩擦? 力称为摩力称为摩擦切应力，其方向与质点运动方向相反，它阻碍了擦切应力，其方向与质点运动方向相反，它阻碍了金属质点的流动。金属质点的流动。材料成形技术基础一、金属塑性成形时摩擦的特点一、金属塑性成形时摩擦的特点? ?(1)塑性成形中的摩擦总塑性成形中的摩擦总? 是是伴随着变形金属的流动伴随着变形金属的流动，在接触面上各点的摩擦也不一样。在接触面上各点的摩擦也不一样。 (2)塑性变形时作用在接触表面上的塑性变形时作用在接触表面上的单位单位? 压力很大压力很大，润滑剂容易被挤出。润滑剂容易被挤出。(3)塑性成形时是在塑性成形时是在高温下进行的高温下进行的。(4)在塑性成形过

60、程中，在塑性成形过程中，实际接触面积实际接触面积接近于名义接接近于名义接触面积。触面积。材料成形技术基础分析金属塑性成形中的摩擦有哪些消极的分析金属塑性成形中的摩擦有哪些消极的和积极的作用和积极的作用 有益有益的作用，可以利用摩擦阻力来控制金属的作用，可以利用摩擦阻力来控制金属? 流动流动方向。如，开式模锻时可利用飞边桥部的摩擦力方向。如，开式模锻时可利用飞边桥部的摩擦力来保证金属充满模膛；模锻和轧制是依靠摩来保证金属充满模膛；模锻和轧制是依靠摩? 擦力擦力使坯料咬人轧辊等。使坯料咬人轧辊等。材料成形技术基础有害有害的的作用：的的作用：(1)改变了变形改变了变形? 体内应力状态，增大体内应力状