第1讲绪论金属塑形变形理论

1、张贵杰张贵杰Tel-Mail： 河北联合大学金属材料及加工工程系河北联合大学金属材料及加工工程系金属塑性变形理论金属塑性变形理论第一讲第一讲2022-5-162本课程的性质和教学目的 性质：本课程为材料成型及控制工程和金属材料工程专本课程为材料成型及控制工程和金属材料工程专业的专业基础课业的专业基础课 目的：金属产生塑性变形时在金属学和力学等方面有着金属产生塑性变形时在金属学和力学等方面有着共同的基础和规律。因此，金属塑性变形理论是研究和共同的基础和规律。因此，金属塑性变形理论是研究和探讨金属在各种塑性加工过程中可遵循的基础和规律的探讨金属在各种塑性加工过程中可遵循的

2、基础和规律的一门学科。其目的在于科学地、系统地阐明这些基础和一门学科。其目的在于科学地、系统地阐明这些基础和规律，为学习后续的工艺课程作理论准备，也为合理制规律，为学习后续的工艺课程作理论准备，也为合理制订金属塑性成型工艺规范及选择、设计加工设备奠定理订金属塑性成型工艺规范及选择、设计加工设备奠定理论基础。论基础。2022-5-163本课程的任务 掌握金属塑性变形的物理基础，即掌握影响金属性能的掌握金属塑性变形的物理基础，即掌握影响金属性能的主要因素及原理，掌握金属性能主要指标的测试方法；主要因素及原理，掌握金属性能主要指标的测试方法； 掌握金属塑性力学的基础知识，即掌握金属塑性变形体掌握金属

3、塑性力学的基础知识，即掌握金属塑性变形体内的应力场、应变场、应力应变之间关系、塑性变形内的应力场、应变场、应力应变之间关系、塑性变形时的力学条件等塑性理论基础知识。掌握塑性成型问题时的力学条件等塑性理论基础知识。掌握塑性成型问题的几种主要解法（包括解析和数值解法）；的几种主要解法（包括解析和数值解法）； 掌握金属塑性成型时的金属流动规律和变形特点，分析掌握金属塑性成型时的金属流动规律和变形特点，分析金属的基本成型工艺，以便确定合理的坯料尺寸和成型金属的基本成型工艺，以便确定合理的坯料尺寸和成型工序；工序； 掌握对成型质量进行定性分析及提高成型质量的方法。掌握对成型质量进行定性分析及提高成型质量

4、的方法。2022-5-164课程实验 开设综合实验课程开设综合实验课程 金相观察金相观察 力学性能检验力学性能检验 模拟轧制过程实验模拟轧制过程实验 斜轧穿孔实验斜轧穿孔实验 2022-5-165教材及参考书校园网超星图书馆或校图书馆借阅教教 材：材：金属塑性变形与轧制理论（第金属塑性变形与轧制理论（第2版），赵志业，版），赵志业，1996参考书：参考书：金属塑性成型力学，王平，崔建忠，金属塑性成型力学，王平，崔建忠，2006.8材料成型力学，赵德文，材料成型力学，赵德文，2002金属塑性加工力学，赵志业，金属塑性加工力学，赵志业，1987塑性加工金属学，王占学，塑性加工金属学，王占学，199

5、1塑性成型力学，王仲仁，塑性成型力学，王仲仁，1989金属塑性加工理论与工艺，罗子健，金属塑性加工理论与工艺，罗子健，1994金属塑性加工原理，彭大暑主编，金属塑性加工原理，彭大暑主编，2004金属塑性加工过程无网格数值模拟方法，李长生等著，金属塑性加工过程无网格数值模拟方法，李长生等著，2004金属轧制过程人工智能优化，王国栋，刘相华，金属轧制过程人工智能优化，王国栋，刘相华，2000Metal working science and engineering, Edward M. Mielnik,1991Metals Engineering-A Technical Guide,Leonard

6、 E. Samuels,19882022-5-166学习要求 作业必须按时交，如果有三次以上不交作业者，取消考作业必须按时交，如果有三次以上不交作业者，取消考试资格。试资格。 作业形式包括：手写作业、电子稿作业、计算作业形式包括：手写作业、电子稿作业、计算机程序、讨论机程序、讨论PPT等几种形式。等几种形式。 做好课堂笔记，本课程中将有部分补充内容，要求大家做好课堂笔记，本课程中将有部分补充内容，要求大家记笔记。记笔记。 要求上课前预习，本课程内容较难，且内容多，信息量要求上课前预习，本课程内容较难，且内容多，信息量较大，要求大家自觉预习。较大，要求大家自觉预习。 遵守课堂纪律，本课程不允许迟

7、到早退。遵守课堂纪律，本课程不允许迟到早退。2022-5-167本课程主要内容2022-5-168第一章 绪论主要内容主要内容 什么是塑性加工什么是塑性加工 塑性加工的分类塑性加工的分类 塑性加工的历史塑性加工的历史 塑性加工的发展塑性加工的发展2022-5-1691.1 什么是塑性加工? 塑性：在外力作用下使金属材料发生塑性塑性：在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力称为塑性。变形而不破坏其完整性的能力称为塑性。是指材料的永久变形能力。是指材料的永久变形能力。 弹性：材料的可恢复变形的能力弹性：材料的可恢复变形的能力 弹塑性：弹性弹塑性：弹性+塑性塑性2022-5-1610

8、2022-5-1611金属塑性加工的特点 加工后组织性能得到改善和提高加工后组织性能得到改善和提高，经塑性，经塑性成型，使其结构致密，组织改善成型，使其结构致密，组织改善 材料利用率高材料利用率高 ，主要依靠金属在塑性状态，主要依靠金属在塑性状态下的体积转移来实现下的体积转移来实现 生产率高，可实现连续化生产生产率高，可实现连续化生产 精度高，精密塑性成型精度高，精密塑性成型2022-5-1612铸造铸造零零件件机机械械制制造造方方法法切削加工切削加工压力加工压力加工塑性成型塑性成型特种加工特种加工锻造锻造冲压冲压车、车、铣铣、刨刨、磨磨、钻钻、铰铰、插等插等自由锻、自由锻、模锻模锻拉深、拉深

9、、弯曲弯曲、冲裁冲裁、翻边翻边、拉型拉型等等轧制轧制2022-5-1613切削加工种类2022-5-16141.2 塑性加工的分类 按加工时工件的受力和变形方式按加工时工件的受力和变形方式 按加工时工件的温度特征按加工时工件的温度特征 2022-5-1615图例图例延伸延伸镦粗镦粗斜轧斜轧横轧横轧纵轧纵轧模锻模锻自由锻造自由锻造轧轧 制制锻锻 造造分类与分类与名称名称压压 力力基本受基本受力方式力方式基本压力加工变形方式基本压力加工变形方式2022-5-16162022-5-16172022-5-1618图例图例反挤压反挤压正挤压正挤压剪切剪切弯曲弯曲拉伸成型拉伸成型冲压（拉延）冲压（拉延）拉

10、拔拉拔挤压挤压分类分类与名与名称称剪力剪力弯矩弯矩拉力拉力压力压力基本基本受力受力方式方式2022-5-16192022-5-16202022-5-1621挤压型材挤压型材挤压型材模具挤压型材模具2022-5-1622工件工件驱动辊驱动辊导向辊导向辊蕊辊蕊辊端面辊端面辊环轧示意图环轧示意图2022-5-1623热连轧板生产线热连轧板生产线2022-5-1624冷连轧板生产线冷连轧板生产线2022-5-1625典型冲压件典型冲压件2022-5-1626 热加工热加工(Hot forming) 冷加工冷加工(Cold forming) 温加工温加工 (Warm forming)2022-5-162

11、71.3 塑性加工的历史 材料的塑性加工源于人类对材料使用方式的发展材料的塑性加工源于人类对材料使用方式的发展 下面简要回顾一下材料科学发展的里程碑下面简要回顾一下材料科学发展的里程碑2022-5-1628材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC300,000 BC燧石，这种容易燧石，这种容易制成工具的石头，制成工具的石头，开始了制陶业的开始了制陶业的发展。发展。 2022-5-1629材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC5,500 BC天 然 金 与 铜天 然 金 与 铜被 用 作 工 具被 用 作 工 具与 武 器 ， 开与 武 器 ， 开始 了 人

12、 类 金始 了 人 类 金属的使用。属的使用。2022-5-1630材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500BC 5000BC 熔炼和锤击改变了铜熔炼和锤击改变了铜的性能的性能-材料开始发展材料开始发展 2022-5-1631材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC 4000BC 金属铸造工艺金属铸造工艺-人们得到了他们人们得到了他们需要的形状。需要的形状。 最早的模铸件最早的模铸件-一个铜制杖头一个铜制杖头2022-5-1632材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC 3500BC 从矿石中提炼从矿石中提炼铜铜-冶金业的冶金业的黎明黎明 这张埃

13、及古墓壁画是这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一人类冶金业的最早纪录之一2022-5-1633材料科学发展的里程碑 3,000 BC1,886 AD 3000BC 青铜的使用青铜的使用-制造合金制造合金 青铜：青铜：第一种合金第一种合金2022-5-1634材料科学发展的里程碑 3,000 BC1,886 AD 1450BC 铁的发现铁的发现 铁制车轮铁制车轮2022-5-1635材料科学发展的里程碑 3,000 BC1,886 AD 1500AD 炼铁的需要促使炼铁的需要促使了鼓风机与熔炉了鼓风机与熔炉的发明的发明 廉价的冶铁业廉价的冶铁业2022-5-1636材料科学发展的里程碑 3

14、,000 BC1,886 AD 1855AD Henry Bessemer拥拥有钢铁冶炼的专利有钢铁冶炼的专利-当当代钢铁冶炼的出现。代钢铁冶炼的出现。他的方法是钢铁制品他的方法是钢铁制品性能大大改观而成本性能大大改观而成本也降低不少。也降低不少。 Henry Bessemer (1813-1898)2022-5-1637材料科学发展的里程碑 3,000 BC1,886 AD 1886AD 电化学方法冶炼铝电化学方法冶炼铝-使使铝成为一种常用金属铝成为一种常用金属 2022-5-1638材料科学发展的里程碑 1,939 ADNOW 1939AD 尼龙的商业发展，尼龙的商业发展，高分子材料发展的

15、高分子材料发展的关键时期关键时期 尼龙的发明尼龙的发明2022-5-1639材料科学发展的里程碑 1,939 ADNOW 1950s 高温合金的发展，掺高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发镍合金促进了喷气发动机的发展动机的发展 2022-5-1640材料科学发展的里程碑 1,939 ADNOW 1960s 制作越来越制作越来越小的硅芯片小的硅芯片 2022-5-1641材料科学发展的里程碑 1,939 ADNOW 1980s 高温超导体，高高温超导体，高温超导的革命时温超导的革命时代代 2022-5-1642 金属塑性变形理论是一门基于金属塑性加工的物金属塑性变形理论是一门基于金属塑性加工的物

16、理学、物理理学、物理-化学、金属学与力学基础上的应用技化学、金属学与力学基础上的应用技术理论。术理论。 作为塑性变形理论的重要基础的塑性理论的形成作为塑性变形理论的重要基础的塑性理论的形成与发展也经历了一百多年的历史。在此其间提出与发展也经历了一百多年的历史。在此其间提出的一些经典理论与方法归列于下的一些经典理论与方法归列于下2022-5-1643法国工程师屈雷斯加（法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）1864提出最大剪应力屈服准则提出最大剪应力屈服准则M.Levy 1871年，提出了应力应变增量关系年，提出了应力应变增量关系 Levy-MisesB.Saint-Venant 1870，应力

17、应变速率方程，（塑性流动方程），应力应变速率方程，（塑性流动方程）德国米塞斯（德国米塞斯（Von Mises），），1913，Mises屈服准则屈服准则M.levy、H.Hencky、L.Prandtl 1923，平面塑性变形的滑移线几何，平面塑性变形的滑移线几何性质性质A.Reuss 1930，弹塑性应力应变关系，弹塑性应力应变关系1940，H.Hencky、H.Geringer、Cauchy、Rieman等，滑移线法等，滑移线法1950，A.A.Mapkob、R.Hill、W.Pragar等，极值分析方法等，极值分析方法 1970，小林史郎，小林史郎，C.H.Lee等，刚等，刚塑性有限元解

18、析法塑性有限元解析法 2022-5-16441.4 塑性加工的发展(Development) 节约资源节约资源 用尽量少的原材料生产出要求的形状、尺寸、用尽量少的原材料生产出要求的形状、尺寸、强度、塑性以及其它物理性能的产品。为此，合强度、塑性以及其它物理性能的产品。为此，合理利用资源选择最佳材质或通过变形与热处理相理利用资源选择最佳材质或通过变形与热处理相配合以改善材质、研究轻型薄壁断面和周期断面配合以改善材质、研究轻型薄壁断面和周期断面以及复合材料等高效制品的成型成为今后节约资以及复合材料等高效制品的成型成为今后节约资源的重要课题。源的重要课题。2022-5-1645 节约能源节约能源 金

19、属材料热加工所需的热能比加工所需的机械金属材料热加工所需的热能比加工所需的机械能大许多倍，所以必须节约热能。缩短工艺流程、能大许多倍，所以必须节约热能。缩短工艺流程、降低加工温度、热加工变为冷加工、减少或省去降低加工温度、热加工变为冷加工、减少或省去中间退火、降低材料的变形抗力、提高塑性等方中间退火、降低材料的变形抗力、提高塑性等方面的技术开发成为今后节约能源的重要课题。面的技术开发成为今后节约能源的重要课题。2022-5-1646 实现最佳的加工条件实现最佳的加工条件 研究创造最佳的工艺条件和使工艺内容定量化研究创造最佳的工艺条件和使工艺内容定量化以及把能实现这种条件的新技术用于新加工机械以

20、及把能实现这种条件的新技术用于新加工机械设计和老设备的挖潜改造上，并进行最优控制。设计和老设备的挖潜改造上，并进行最优控制。2022-5-1647课下练习1、什么是金属的塑性？什么是塑性加工？、什么是金属的塑性？什么是塑性加工？塑性加工有何特点？塑性加工有何特点？2、试述塑性加工的一般分类。、试述塑性加工的一般分类。2022-5-1648材料加工技术的主要发展方向材料加工技术的主要发展方向（1）高效化、高精度化高效化、高精度化（2）发展先进成形加工技术发展先进成形加工技术（3）材料设计、制备与成形加工一体化材料设计、制备与成形加工一体化（4）开发新型成形加工技术，发展新材料开发新型成形加工技术

21、，发展新材料（5）计算机模拟与过程仿真技术计算机模拟与过程仿真技术（6）智能制备与加工技术智能制备与加工技术2022-5-1649传统技术的高效化与高精度化传统技术的高效化与高精度化高新技术改造传统技术高新技术改造传统技术将计算机技术、信息技术、先进控制技术应用于将计算机技术、信息技术、先进控制技术应用于传统加工技术传统加工技术提高生产效率提高生产效率高速、全自动、无人化高速、全自动、无人化扩大产品范围扩大产品范围形状、尺寸的精确控制形状、尺寸的精确控制2022-5-1650 超小型精密挤压型材超小型精密挤压型材 铝合金镜面板铝合金镜面板2022-5-1651发展先进成形加工技术发展先进成形加

22、工技术目的目的高附加值材料、难加工材料的加工高附加值材料、难加工材料的加工实现组织性能的精确控制实现组织性能的精确控制有发展前景的先进成形加工技术有发展前景的先进成形加工技术连续定向凝固技术连续定向凝固技术先进超塑性成形技术先进超塑性成形技术等温成形技术等温成形技术低温强加工技术低温强加工技术分散成形技术分散成形技术2022-5-1652 超细无氧铜丝超细无氧铜丝（19.7 m） 超细超细Al-Si丝丝（25 m）连续定向凝固技术连续定向凝固技术+低温强加工技术低温强加工技术2022-5-1653非晶态合金超塑性成形技术的应用非晶态合金超塑性成形技术的应用微型齿轮微型齿轮微型拉伸机微型拉伸机2

23、022-5-1654材料设计、制备与成形加工一体化材料设计、制备与成形加工一体化目的目的提高成分、性能、工艺的可设计性提高成分、性能、工艺的可设计性实现材料与零部件的高效、近终形、短流程成形实现材料与零部件的高效、近终形、短流程成形（过程的一体化，是材料设计时代的特征之一）（过程的一体化，是材料设计时代的特征之一）典型技术典型技术激光快速成形激光快速成形喷射沉积技术喷射沉积技术半固态加工半固态加工连续铸挤连续铸挤连续铸轧（铸轧一体化）连续铸轧（铸轧一体化）2022-5-1655激光快速成形激光快速成形喷嘴激光凝固材料前一层材料粉末激光/粉末作用区熔池零件运动方向CAD模型模型激光成形激光成形成形件成形件精加工件精加工件2022-5-1656激光快速成形零件之例激光快速成形零件之例2022-5-1657喷射沉积技术喷射沉积技术2022-5-1658开发新型制备与成形加工技