金属塑性成形原理

金属塑性成形原理演讲人：日期：目录02金属塑性变形的力学基础01金属塑性成形概述03金属塑性成形的主要工艺04影响塑性成形的关键因素05塑性成形中的缺陷与控制06现代塑性成形技术发展01金属塑性成形概述金属塑性成形金属材料在应力作用下能发生永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性变形物体在外力作用下，其形状、尺寸或体积发生改变的现象。指在外力作用下，通过材料内部的塑性变形来改变金属材料形状和尺寸的工艺方法。定义与基本概念晶体滑移金属材料在塑性变形过程中，晶体内部沿原子最密排面发生滑移，使其形状改变。孪生变形晶体在特定方向上发生均匀切变，形成与原来晶体结构相同的镜像结构。位错运动塑性变形过程中，位错在晶格中的移动和相互作用，导致晶体结构的改变。变形抗力金属塑性变形时，由于内部晶格畸变和位错交互作用，会产生抵抗变形的应力。塑性变形的物理本质用于制造飞机、火箭等飞行器的结构件和发动机部件。航空航天金属塑性成形的应用领域用于生产汽车车身、发动机、底盘等关键部件。汽车行业塑性成形是机械制造中重要的成形方法之一，如锻造、冲压等。机械制造塑性成形技术可用于生产建筑材料，如钢筋、钢管等。建筑材料02金属塑性变形的力学基础应力状态应变状态弹性应变与塑性应变应变率物体受到外力作用后，其内部会产生应力，应力大小与外力大小、物体形状和材料性质有关。物体在应力作用下会发生形状或尺寸的改变，应变是描述这种变形的物理量。弹性应变在卸载后能恢复原状，塑性应变则不能。描述应变随时间变化的速率，对材料塑性变形有重要影响。应力与应变分析当最大剪应力达到一定值时，材料开始屈服，适用于韧性材料。考虑所有应力分量的综合作用，当等效应力超过一定值时，材料发生屈服，适用于大多数金属材料。判断材料何时从弹性状态进入塑性状态，是塑性成形的重要理论基础。在塑性成形过程中，通过控制应力状态使材料达到屈服状态，从而实现塑性变形。屈服准则（如Tresca、Mises准则）Tresca准则Mises准则屈服准则的意义屈服准则的应用塑性本构方程塑性变形的不可逆性塑性硬化规律塑性本构关系的应用描述材料在塑性变形过程中，屈服极限随应变增加而提高的现象。描述塑性应变与应力之间的关系，是塑性成形理论基础的核心。通过合理的塑性本构模型，可以预测材料在塑性成形过程中的应力、应变分布和演化规律，为工艺制定和优化提供理论依据。塑性变形后的材料不能恢复到原来的形状和尺寸，这种不可逆性是塑性成形的重要特点。塑性本构关系03金属塑性成形的主要工艺锻造工艺原理锻造定义与分类锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得所需形状和尺寸的工艺。根据成形温度不同，可分为热锻、温锻和冷锻。锻造对金属的影响锻造工艺的应用锻造能细化金属晶粒、提高金属的致密度和力学性能，同时能消除金属内部的气孔、缩孔等缺陷。锻造广泛应用于机械制造、航空航天、汽车、船舶等领域，如锻造发动机叶片、曲轴、连杆等重要零件。123轧制成形原理轧制定义与分类轧制是将金属坯料通过旋转的轧辊进行塑性变形的一种加工方法。根据轧制温度可分为热轧和冷轧；根据轧辊形状可分为平板轧制、型材轧制和管材轧制等。轧制对金属的影响轧制可使金属坯料获得一定的形状和尺寸精度，同时能改善金属的力学性能和表面质量。热轧可消除铸造组织，细化晶粒；冷轧则可使金属产生加工硬化，提高强度。轧制工艺的应用轧制广泛应用于钢铁、有色金属等行业，如生产钢板、带钢、钢管等。挤压与拉拔工艺挤压是将金属坯料放入挤压筒中，通过挤压模孔使金属从模孔中挤出，获得所需形状和尺寸的工艺。拉拔则是通过拉拔模具对金属坯料进行拉伸，使其截面减小、长度增加的塑性变形过程。挤压与拉拔定义及原理挤压能改善金属的力学性能，提高材料的抗拉强度和屈服强度；拉拔则可使金属获得很高的尺寸精度和表面光洁度。同时，两者都能使金属的组织更加致密，提高材料的利用率。挤压与拉拔对金属的影响挤压广泛应用于铝合金型材、管材和棒材的生产；拉拔则主要用于生产金属线材、棒材和小直径管材等。挤压与拉拔工艺的应用04影响塑性成形的关键因素加工硬化塑性变形过程中，金属材料的强度和硬度会不断提高，而塑性和韧性则相应降低。材料性能（如加工硬化、各向异性）各向异性金属材料的塑性、韧性、强度等性能在不同方向上表现出不同的特性，如轧制板材在轧制方向上的强度较高。应变率敏感性金属材料在塑性变形过程中，其应变率的变化会影响其塑性变形行为和成形性能。在室温下进行的塑性变形，通常会导致加工硬化和残余应力的产生，影响成形件的精度和性能。温度条件（冷变形与热变形）冷变形在高温下进行的塑性变形，可以降低材料的变形抗力，有利于成形复杂形状的产品，但需注意避免过热和过烧。热变形温度变化会显著影响金属材料的塑性、韧性、强度等性能，因此需在不同温度下选择合适的成形工艺。温度对材料性能的影响摩擦的影响合理的润滑可以减小摩擦，降低成形力，提高产品表面质量，同时也可延长模具的使用寿命。润滑的作用润滑剂的选择不同的成形工艺和材料需要选择不同的润滑剂，以确保良好的润滑效果和成形质量。塑性成形过程中，摩擦会阻碍金属的流动，导致成形件表面质量降低和模具磨损加剧。摩擦与润滑作用05塑性成形中的缺陷与控制裂纹金属在塑性变形过程中，由于应力超过其强度极限而产生的断裂现象。折叠金属在塑性变形时，由于流动不均匀而产生的折叠或重叠现象。气泡与孔洞金属内部或表面存在的气泡或孔洞，在塑性变形过程中可能扩大或暴露出来。缩孔与疏松金属在凝固过程中由于液态金属收缩或气体析出而形成的缩孔或疏松。常见缺陷类型（裂纹、折叠等）应力集中塑性流动不足气体析出与扩散凝固缺陷金属在塑性变形过程中，由于形状、尺寸或组织的不均匀性，导致应力在某些部位集中，超过强度极限而产生裂纹。金属在塑性变形时，若变形量过大或变形速度过快，可能导致塑性流动不足，从而产生折叠或裂纹。金属内部的气体在塑性变形过程中可能析出并聚集在一起，形成气泡或孔洞；同时，外部气体也可能扩散进入金属内部，加剧气泡的形成。金属在凝固过程中，由于液态金属的收缩和气体析出，可能导致缩孔和疏松的形成。缺陷形成机理优化工艺参数采用先进的检测技术加强过程控制选用高质量原材料通过合理的工艺设计，如调整变形温度、变形速度、变形程度等参数，使金属在塑性变形过程中处于最佳状态，减少缺陷的产生。利用无损检测、超声波检测等手段，对塑性成形件进行全面检测，确保产品质量符合要求。在塑性成形过程中，加强对金属流动、温度、应力等参数的监控，及时发现并处理潜在的问题。严格控制原材料的质量，避免将缺陷带入塑性成形过程中。工艺优化与质量控制06现代塑性成形技术发展精密塑性成形技术精密锻造技术利用精密模具和设备，通过锻造加工获得高精度、高质量的产品。精密冲压技术通过精细的模具设计和冲压工艺，实现零件的高精度和高质量。精密挤压技术将金属材料通过精密模具挤压成形，以获得高精度、高质量的零件。精密拉拔技术通过拉拔工艺将金属材料拉制成细小、高精度的线材或管材。通过有限元分析，对金属塑性成形过程进行数值模拟，优化工艺参数和模具设计。用于求解塑性成形过程中的偏微分方程，模拟材料的流动和变形。将材料划分为离散的颗粒或单元，模拟其在塑性变形过程中的运动和变形。如ABAQUS、DEFORM、AUTOFORM等，在塑性成形领域广泛应用。数值模拟在成形中的应用有限元法有限差分法离散元法数值模拟软件高强度材料复合材料高强度材料在塑性成形过程中容易出现开裂