材料成形原理与工艺开篇.pptx

1、材料成形原理与工艺之塑性成形篇,周铁涛吴国清,课程安排,绪论塑性加工基础之加工力学材料学流动与变形规律塑性加工工艺之轧制挤压锻造冲压塑性加工新技术及发展趋势,2,绪论,第12章,几个概念金属塑性成形理论塑性力学金属的塑性成形塑性成形工艺的分类发展前景,内容:,4,弹性(elasticity),定义：物体在外力作用下发生形变，当外力撤消后能恢复原来大小和形状的性质。,概念,可逆性,5,塑性（Plasticity,Ductility,Briquettability）,定义：材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。,用一根铁丝做单人自行车,概念,不可逆性,6,整体变形中包含

2、弹性变形和塑性变形；塑性变形的发生必先经历弹性变形；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。,弹塑性共存：,7,金属的本质与塑性变形,许多材料都具有塑性，但塑性本质不一定相同；决定金属及其合金具有良好塑性的根本原因是金属键。良好的塑性是金属可进行变形加工的基础。,金属键,概念,8,塑性变形（PlasticDeformation）,定义：物质-包括流体及固体在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。,材料在外力作用下产生应力和应变（即变形）。当应力未超过材料的弹性极限时，产生的变形在外力去除后全部消除，材料恢复原状，这种变形是

3、可逆的弹性变形。当应力超过材料的弹性极限，则产生的变形在外力去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的形状，这种残留的变形是不可逆的塑性变形。,概念,9,塑性变形过程及其表征,特性从宏观过程来看，塑性变形是金属材料在外加载荷的作用下发生屈服或产生流变的特性。表征工程上以静载荷拉伸（压缩）时的延伸率（压缩率）和断面收缩率来表征材料的塑性。,概念,10,塑性材料（plasticmaterial）,定义：在外力作用下，虽然产生较显著变形而不被破坏的材料。,脆性材料：在外力作用下，发生微小变形即被破坏的材料。,5%,工程上:,概念,11,塑性加工（Plasticforming）,定义：

4、使材料在外力(通常是压力)作用下,产生塑性变形,获得所需形状,尺寸和组织,性能的制品的一种基本的金属加工技术,也常称为压力加工。,基本（传统）的塑性加工方法：锻造,轧制,挤压,拉拔,拉深,弯曲,剪切等。现代新型的塑性加工方法：金属材料的超塑性成形、难变形材料和非均质材料的等温锻造成形。将材料的连续铸造与轧制技术结合在一起的连铸-连轧、连续铸轧等技术；金属半固态加工技术；蠕变成形，热机械处理，以及复合加工等技术。,概念,12,13,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

5、体破断的过程。,概念,塑性力学,整体变形体内部的应力、应变分布规律（而不是危险端面）。,研究物体变形规律的一门学科,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）。,研究对象：,塑性力学,14,1单向拉伸试验：随着外载荷或强制应变的增加，会发生什么现象？弹性变形屈服均匀塑性变形塑性失稳断裂2应力增加到什么程度材料屈服？屈服条件，两种判别准则。3材料发生屈服后如何？塑性本构关系，两种理论，几种简化模型。,塑性力学,15,塑性力学塑性加工原理现代材料加工力学,塑性力学,16,应力与点的应力状态,外力(load)与内力(internalfor

6、ce)外力P：施加在变形体上的外部载荷。内力Q：变形体抗衡外力机械作用的体现。,塑性力学,17,面力：作用在金属表面上的力。可以是集中力，一般情况下是分布力。可分为作用力、反作用力和摩擦力。作用力是由塑性加工设备提供的，用于使金属坯料发生塑性变形。反作用力是工具反作用于金属坯料的力。一般情况下，作用力与反作用力互相平行，并组成平衡力系。摩擦力是金属在外力作用下产生塑性变形时，在金属与工具的接触面上产生阻止金属流动的力。该力的存在往往引起变形力的增加，对金属的塑性成形往往是有害的。体积力：作用在金属物体每个质点上的力。体积力是与变形力内各质点的质量成正比的力，如重力、磁力和惯性力等。,作用于金属

7、的外力,面力,体积力,塑性力学,18,应力（stress）应力S是内力的集度内力和应力均为矢量应力的单位：1Pa=1N/m2=1.0197kgf/mm21MPa=106N/m2应力是某点A的坐标的函数，即受力体内不同点的应力不同。应力是某点A在坐标系中的方向余弦的函数，即同一点不同方位的截面上的应力是不同的。,内力,塑性力学,19,应力,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应力。图1a在F面上围绕Q点取一很小的面积F，该小面积上内力的合力为P，则定义为截面F上Q点的全应力。全应力S是一个矢量，可以分解成两个分量，垂直于截面的正应力和平行于截面的切应

8、力。显然有,图1面力、内力和应力,塑性力学,20,若将截取的下半部分放入空间坐标系Oxyz中，并使截面F的法线方向N平行于y轴（图1b），则全应力S在三个坐标轴上的投影称为应力分量，它们是y、yx、yz。在变形体内各点的应力情况一般是不同的。对于任一点而言，过Q点可以作无限多的切面，在不同方向的切面上，Q点的应力是不同的。仅用某一个切面的应力不足以全面表示该点的应力情况。,图1面力、内力和应力,塑性力学,21,设在直角坐标系Oxyz中有一承受任意力系的变形体，过变形体内任意点Q切取一六面体作为单元体，其棱边分别平行于三坐标轴。在互相垂直的微分面上的全应力都可以按坐标轴方向分解成一个正应力和两个

9、切应力分量，这样，在三个互相垂直的微分面上就有三个正应力分量和六个切应力分量，共计9个应力分量，它们是xx,yy,zz,xy,yx,yz,zy，zx,xz。它们可以完整地描述一点的应力状态，如图2所示。按应力分量的符号规定，两个下角标相同的正应力分量，例如xx表示x面上平行于x轴的正应力分量，可简写为x；两个下角标不同的是切应力分量，例如xy表示x面上平行于y轴的切应力分量。将9个应力分量写成矩阵的形式为：,直角坐标系中一点的应力状态,图2直角坐标系中单元体的应力分量,塑性力学,22,变形程度表示,绝对变形量指工件变形前后主轴方向上尺寸的变化量相对变形指绝对变形量与原始尺寸的比值，常称为形变率

10、真实变形量即变形前后尺寸比值的自然对数,塑性力学,23,应变：物体在力的作用下内部质点的相对位置和形状发生变化，即产生了变形。是一个表示变形大小的物理量。应变分析主要是几何学和运动学问题，它和物体中的位移场或速度场有密切的联系；同时，对于小变形和大变形，其应变的表示方法是不同的；对于弹性变形和塑性变形，考虑的角度也不尽相同，解决弹性和小塑性变形问题时主要用全量应变，而解决塑性成形问题时主要用应变增量或应变速率。应变状态分析的最主要的目标是建立应变及应变速率的几何方程，并为描述应力与应变关系作准备。,应变,塑性力学,24,应变,(1)工程应变(相对应变、条件应变)-每单位原长的伸长量,工程应变的

11、无限小增量表示直线单元长度的变化与它原来长度l0之比，即,对数程应变的无限小增量表示直线单元长度的变化与它的瞬时长度之比，即,(2)对数应变(自然应变、真空应变)*-代表一尺寸的无限小增量与该变形瞬时尺寸的比值的积分,塑性力学,25,如某物体拉长一倍后拉=1=100%；缩短一倍后压=-0.5=-50%。拉长一倍与压缩一倍，物体的变形程度应该是一样的(体积不变)。然而，如用工程应变表示拉压的变形程度，则数值相差悬殊，失去可以比较的性质。但用对数应变表示拉压两种不同性质的变形程度，并不失去可以比较的性质。如某物体拉长一倍后*拉=ln2=69%；缩短一倍后*压=ln1/2=-69%。,对于微小应变，

12、用上述两种量度求出来的应变（和应变增量）值几乎是一样的。,(1)工程应变不能表示变形的真实情况，变形程度越大，误差越大。当变形程度小于10%时，与*的数值比较接近；反之，误差逐渐增加。(2)对数应变为可加应变，工程应变为不可加应变。(3)对数应变为可比应变，工程应变为不可比应变。,塑性力学,26,应力应变分析的相似性与差异性,相似性：张量表示、张量分析、张量关系相似,塑性力学,27,概念：应力研究面元ds上力的集度应变研究线元dl的变化情况内部关系：应力应力平衡微分方程应变应变连续（协调）方程弹性变形：相容方程塑性变形：体积不变条件,差异性：,塑性力学,28,等效应力弹性变形和塑性变形表达式相

13、同等效应变弹性变形和塑性变形表达式不相同对于弹性变形：（泊松比）对于塑性变形：,等效关系：,塑性力学,29,真实应力和真实应变含义：,塑性力学,30,基本假设,材料为均匀连续，且各向同性；体积变化为弹性的,塑性变形时体积不变；静水压力不影响塑性变形，只引起体积弹性变化；不考虑时间因素，认为变形为准静态；不考虑Banschinger效应。,塑性力学,31,屈服准则,又称塑性条件(plasticconditions)或屈服条件(yieldconditions)，它是描述不同应力状态下变形体某点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须满足的力学条件。用屈服函数(yieldfunction)表示：,塑性

14、力学,32,Tresca屈服准则（最大剪应力准则）Mises屈服准则,塑性力学,33,讨论：当材料受单向应力时，=1，两准则重合；在纯剪应力作用下，两准则差别最大；按Tresca准则：按Mises准则：一般情况下，=11.154,塑性力学,34,塑性应力应变关系（本构关系）,几种简化模型(simplifiedmodelsforplasticstress-strain),塑性力学,35,1864，Tresca屈服准则(最大剪应力准则)：当材料中一点处的最大剪应力达到某一定值时，该质点就发生屈服。1913，VonMises屈服准则(能量准则）：当单位体积的弹性形变能达到某一常数时，质点就发生屈服。

15、1948，Hill各向异性屈服准则,金属塑性成形理论塑性力学的发展,塑性力学,36,主应力法滑移线法上限法有限元法,金属塑性成形问题的求解方法,塑性力学,37,主应力法（初等解析法）从塑性变形体的应力边界条件出发，建立简化的平衡方程和屈服条件，并联立求解，得出边界上的正应力和变形的力能参数，不考虑变形体内的应变状态。,塑性力学,38,滑移线法假设材料为刚塑性体，在平面变形状态下，塑性变形区内任一点存在两族正交的滑移线族，结合边界条件可解出滑移线场和速度场，从而求出塑性变形区内的应力状态和瞬时流动状态，计算出力能参数。,塑性力学,39,上限法从变形体的速度边界条件出发，对塑性变形区取较大的单元，

16、根据极值原理，求出塑性变形能为极小值时满足变形连续条件和体积不变条件时的动可容速度场，计算出力能参数，不考虑塑性变形区的应力状态是否满足平衡方程。,塑性力学,40,有限元法将连续体离散为有限个单元的组合体，单元之间用节点连接，在每个单元内假设近似函数即插值函数来分片表示系统的求解场函数，插值函数由节点值确定，单元之间的作用由节点传递，建立物理方程，对全部单元的组合体进行数值计算，可求出变形体内的应变、应力等场变量以及力能参数。,塑性力学,41,超大超小高精尖高度集成,发展前景,塑性力学,42,金属的塑性和塑性变形能力,金属的塑性：在外力作用下，能够稳定的发生永久变形而保持其完整性不破坏的能力。

17、金属在加工过程中所显示的塑性和塑性变形能力是其重要的工艺性能。决定塑性的条件：内在条件：化学成分和微观组织结构等；外部条件：温度、变形速度、应力状态等；,金属的塑性成形,43,金属的塑性及其工程意义,塑性本质的和塑性变形规律的认识是塑性加工的基础，从塑性变形机制出发，可以进一步认识金属的屈服特性、加工硬化、强化和韧化机理、蠕变变形、塑性流变及流变应力等性质，掌握材料塑性变形的本质、规律和微观机制，有助于利用塑性实现材料的成形加工，控制加工后的组织和性能。,金属的塑性成形,44,材料结构致密，组织改善，性能提高材料利用率高，流线分布合理，制件强度提高尺寸精度高，可以实现少、无切削生产生产效率高，

18、适用于大批量生产,金属塑性成形的优点,金属的塑性成形,45,（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,塑性成形工艺的分类,塑性成形工艺分类,46,体积成形锻造、轧制、挤压、拉拔板料（冲压）成形冲裁、弯曲、拉深,通常，轧制、拉拔、挤压是生产型材、板材、管材和线材等金属材料

19、的加工方法，属于冶金工业领域，而锻造、冲压则是利用金属轧材来制造机器零件的加工方法，属于机械制造工业领域。,塑性成形工艺的分类,塑性成形工艺分类,47,锻造通过金属体积的转移和分配来进行塑性成形自由锻：锻件精度低，生产率不高，适于单件、小批量生产或大型锻件生产。,体积成形,塑性成形工艺分类,48,模锻（开式模锻、闭式模锻)：锻件外形和尺寸精度高，生产率高，适于大批量生产,开式模锻,闭式模锻,塑性成形工艺分类,49,50,轧制使金属锭料或坯料通过两个旋转轧辊间的直线或异型的特定空间来获得一定截面形状的材料，使大截面材料变成了小截面材料，可生产型材、板材等。,塑性成形工艺分类,51,拉拔将中等截面坯料拉过有一定形状的模孔来获得小截面材料，可生产棒材、管材和线材。