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金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeationinMetalsProcessing,中南大学材料科学与工程学院材料加工系2004.3,绪论,研究内容几个基本概念弹性、塑性变形的力学特征,,研究内容,塑性力学是研究物体变形规律的一门学科，是固体力学的一个分支。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）。与其它工程力学（理论力学、材料力学、结构力学）的区别研究方法、对象、结果的差异。弹塑性力学的研究对象是整体（而不是分离体）变形体内部的应力、应变分布规律（而不是危险端面）。,,弹性elasticity卸载后变形可以恢复特性，可逆性塑性plasticity物体产生永久变形的能力，不可逆性屈服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、扩展到变形体破断的过程,几个基本概念,,可逆性弹性变形可逆；塑性变形不可逆-关系弹性变形线性；塑性变形非线性与加载路径的关系弹性无关；塑性有关对组织和性能的影响弹性变形无影响；塑性变形影响大（加工硬化、晶粒细化、位错密度增加、形成织构等）变形机理弹性变形原子间距的变化；塑性变形位错运动为主弹塑性共存整体变形中包含弹性变形和塑性变形；塑性变形的发生必先经历弹性变形；在材料加工过程中，工件的塑性变形与工模具的弹性变形共存。,弹性、塑性变形的力学特征,,金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeationinMetalsProcessing,第一篇塑性变形力学基础,,第1章应力分析与应变分析,1.1应力与点的应力状态1.2点的应力状态分析1.3应力张量的分解与几何表示1.4应力平衡微分方程1.5应变与位移关系方程1.6点的应变状态1.7应变增量1.8应变速度张量1.9主应变图与变形程度表示,,,1.1应力与点的应力状态,外力load与内力internalforce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。,,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1Pa1N/m21.0197kgf/mm21MPa106N/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。,,应力可以进行分解Snn、n（nnormal,法向）某截面（外法线方向为n）上的应力或者（求和约定的缩写形式）,,全应力stress正应力normalsress剪应力shearstress,,一点的应力状态是指通过变形体内某点的单元体所有截面上的应力的有无、大小、方向等情况。一点的应力状态的描述数值表达x50MPa，xz35MPa图示表达在单元体的三个正交面上标出（如图1-2）张量表达i,jx,y,z（对称张量，9个分量，6个独立分量。）,一点的应力状态及应力张量,,应力分量图示,,,图1-2平行于坐标面上应力示意图,应力的分量表示及正负符号的规定ijxx、xz（便于计算机应用）i应力作用面的外法线方向与应力作用面的外法线方向平行的坐标轴j应力分量本身作用的方向当ij时为正应力i、j同号为正（拉应力），异号为负（压应力）当i≠j时为剪应力i、j同号为正，异号为负,应力的坐标变换（例题讲解）*实际应用晶体取向、织构分析等应力莫尔圆**二维应力莫尔圆与三维应力莫尔圆掌握如何画、如何分析（工程力学已学，看书）,1.2点的应力状态分析,1.2.1主应力及应力张量不变量1.2.2主剪应力和最大剪应力1.2.3八面体应力与等效应力,,1.2.1主应力及应力张量不变量,设想并证明主应力平面（其上只有正应力，剪应力均为零）的存在，可得应力特征方程,,应力不变量,式中,讨论,1.可以证明，在应力空间，主应力平面是存在的；2.三个主平面是相互正交的；3.三个主应力均为实根，不可能为虚根；4.应力特征方程的解是唯一的；5.对于给定的应力状态，应力不变量也具有唯一性；6.应力第一不变量I1反映变形体体积变形的剧烈程度，与塑性变形无关；I3也与塑性变形无关；I2与塑性变形无关。7.应力不变量不随坐标而改变，是点的确定性的判据。,主应力的求解（略，见彭大暑金属塑性加工力学教材）主应力的图示,1.2.2主剪应力和最大剪应力,主剪应力principalshearstress极值剪应力（不为零）平面上作用的剪应力。主应力空间的｛110｝面族。最大剪应力maximunshearstress,,1.2.3八面体应力与等效应力,即主应力空间的｛111｝等倾面上的应力。这组截面的方向余弦为正应力剪应力总应力八面体上的正应力与塑性变形无关，剪应力与塑性变形有关。,,八面体应力的求解思路,因为,等效应力,讨论1.等效的实质是（弹性）应变能等效（相当于）。2.什么与什么等效复杂应力状态（二维和三维）与简单应力状态（一维）等效3.如何等效等效公式（注意等效应力是标量，没有作用面）。4.等效的意义屈服的判别、变形能的计算、简化问题的分析等。,,1.3应力张量的分解与几何表示,i,jx,y,z其中即平均应力，为柯氏符号。即,,讨论,分解的依据静水压力实验证实，静水压力不会引起变形体形状的改变，只会引起体积改变，即对塑性条件无影响。为引起形状改变的偏应力张量deviatoricstresstensor，为引起体积改变的球张量sphericalstresstensor（静水压力）。与应力张量类似，偏应力张量也存在相应的不变量,（体现变形体形状改变的程度）,1.4应力平衡微分方程,直角坐标下的应力平衡微分方程*即（不计体力）物理意义表示变形体内无限相邻两质点的点的应力状态,,的关系。对弹性变形和塑性变形均适用。,推导原理静力平衡条件静力矩平衡条件泰勒级数展开,圆柱坐标下的应力平衡微分方程球坐标下的应力平衡微分方程,1.5应变与位移关系方程,1.5.1几何方程1.5.2变形连续方程,,1.5.1几何方程,,,讨论1.物理意义表示位移displacement与应变strain之间的关系；2.位移包含变形体内质点的相对位移（产生应变）和变形体的刚性位移（平动和转动）；3.工程剪应变理论剪应变,,,4.应变符号规定正应变或线应变伸长为正，缩短为负；剪应变或切应变（）夹角减小为正，增大为负；5.推导中应用到小变形假设、连续性假设及泰勒级数展开等。,1.5.2变形连续方程,,讨论,1.物理意义表示各应变分量之间的相互关系“连续协调”即变形体在变形过程中不开裂，不堆积；2.应变协调方程说明同一平面上的三个应变分量中有两个确定，则第三个也就能确定；在三维空间内三个切应变分量如果确定，则正应变分量也就可以确定；3.如果已知位移分量，则按几何方程求得的应变分量自然满足协调方程；若是按其它方法求得的应变分量，则必须校验其是否满足连续性条件。,1.6点的应变状态,指围绕该点截取的无限小单元体的各棱长及棱间夹角的变化情况。可表示为张量形式应变张量（straintensor）也可进行与应力张量类似的分析。,i,jx,y,z,,1.7应变增量,全量应变与增量应变的概念前面所讨论的应变是反映单元体在某一变形过程终了时的变形大小，称作全量应变增量应变张量,,,1.8应变速度张量,设某一瞬间起dt时间内，产生位移增量dUi，则应有dUiVidt。其中Vi为相应位移速度。代入增量应变张量，有令即为应变速率张量,,,,1.9主应变图与变形程度表示,主变形图是定性判断塑性变形类型的图示方法。主变形图只可能有三种形式,,主应力、主应变图示主应力9种；主应变3种[但只有23种可能的应力应变组合（塑性变形力学图），为什么],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，常称为形变率真实变形量即变形前后尺寸比值的自然对数,,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,,差异性概念应力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,等效关系等效应力弹性变形和塑性变形表达式相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,真实应力和真实应变含义,第2章金属塑性变形的物性方程,回顾并思考2.1基本假设2.2屈服准则比较两屈服准则的区别两准则的联系2.3塑性应力应变关系（本构关系）2.4变形抗力曲线与加工硬化2.5影响变形抗力的因素,,回顾并思考,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。,,4．为什么物理机制位错运动受阻，空位扩散等。（“材料科学学基础”课程中将学到）5．如何进行数值求解塑性力学解析法工程法（主应力法）“塑性加工原理”课程将重点讲授滑移线法能量法（上限法）有限单元法（FEMFiniteElement）,硕士阶段“现代材料加工力学”详述,硕士阶段另一门学位课程,2.1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。,,2.2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,,,,,,Tresca屈服准则（最大剪应力准则）Mises屈服准则回忆],,,,,,,,,,比较两屈服准则的区别,（1）物理含义不同Tresca最大剪应力达到极限值KMises畸变能达到某极限（2）表达式不同;（3）几何表达不同Tresca准则在主应力空间中为一垂直π平面的正六棱柱；Mises准则在主应力空间中为一垂直于π平面的圆柱。π平面在主应力坐标系中，过原点并垂直于等倾线的平面,,,,,,比较两屈服准则的区别,,两准则的联系,（1）空间几何表达Mises圆柱外接于Tresca六棱柱；在π平面上两准则有六点重合；（2）通过引入罗德参数和中间主应力影响系数β，可以将两准则写成相同的形式其中称为中间主应力影响系数称为Lode参数。,,,,,,,,,讨论①当材料受单向应力时，β1，两准则重合；②在纯剪应力作用下，两准则差别最大；按Tresca准则按Mises准则③一般情况下，β1－1.154（例题讲解P81，例5-1。）,,,,,,,,,,2.3塑性应力应变关系（本构关系）,几种简化模型simplifiedmodelsforplasticstress-strain,,,,,,,,,,,增量理论d为一正的瞬时常数。等效应力，等效塑性应变增量主应力状态下,,,,,,,,,,,,,,,,,增量理论与全量理论,,全量理论或更详细的物理含义、理论推导、应用条件、推论等，将在“金属塑性加工原理”课程中详述。,例题讲解,例求之比（满足塑性条件）增量理论例题p102,,,,,,,,,,,,,,2.4变形抗力曲线与加工硬化,变形抗力曲线与等效应力应变曲线等效应力与等效应变曲线与数学模型根据不同的曲线，可以划分为以下若干种类型幂函数强化模型、线性强化模型、线性刚塑性强化模型、理想塑性模型、理想刚塑性模型等效应力的确定非稳态变形时等效应力的求法；稳态变形时等效应力的求法,,2.5影响变形抗力的因素,化学成份的影响组织结构的影响晶粒大小结构变化单组织和多组织变形温度的影响,变形程度的影响变形速度的影响接触摩擦的影响应力状态的影响,,金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeationinMetalsProcessing,第二篇金属塑性加工的流动与变形规律,,第3章金属塑性加工的宏观规律,3.1塑性流动规律（最小阻力定律）3.2影响金属塑性流动和变形的因素3.3不均匀变形、附加应力和残余应力3.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点3.5塑性加工过程的断裂与可加工性,,3.1塑性流动规律（最小阻力定律）,概念最小阻力定律最小周边法则实际应用分析,,最小阻力定律,变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的方向移动。即做最少的功，走最短的路。,,,图3-1开式模锻的金属流动图3-2最小周边法则,,图3-3正方形断面变形模式,图3-4拔长坯料的变形模式,,图3-5不同宽度坯料轧制时宽展情况,图3-6轨辊直径不同时轧件变形区纵横方向阻力图（D′＞D，B′2＞B2）,3.2影响金属塑性流动和变形的因素,3.2.1摩擦的影响3.2.2变形区的几何因素的影响3.2.3工具的形状和坯料形状的影响3.2.4外端的影响3.2.5变形温度的影响3.2.6金属性质不均的影响,,3.2.1摩擦的影响,,摩擦影响的实质由于摩擦力的作用，在一定程度上改变了金属的流动特性并使应力分布受到影响。,,图3-7圆柱体镦粗时摩擦力对变形及应力分布影响,图3-8用塑料镦粗时单位压力分布图,,图3-9圆环镦粗的金属流动a变形前b摩擦系数很小或为零c有摩擦,3.2.2变形区的几何因素的影响,变形区的几何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影响变形和应力分布很重要的因素。,,,,图3-12h2为各种数值时的情况,3.2.3工具的形状和坯料形状的影响,工具（或坯料）形状是影响金属塑性流动方向的重要因素。工具与金属形状的差异，是造成金属沿各个方向流动的阻力有差异，因而金属向各个方向的流动（即变形量）也有相应差别。,,图3-13型钻中拔长图3-14沿孔型宽度上延伸分布图a圆型砧bV型砧c凸型砧,3.2.4外端的影响,外端（未变形的金属）对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动，进而产生或加剧附加的应力和应变。,,图3-15拔长时外端的影响,（a）,（b）,图3-16开式冲孔时的“拉缩”图3-17弯曲变形对外端的影响,3.2.5变形温度的影响,变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形和流动的差异。变形首先发生在那些变形抗力最小的部分。一般，在同一变形物体中高温部分的变形抗力低，低温部分的变形抗力高。,,图3-18铝钢双金属轧制时由不均匀变形产生的弯曲现象1铝；2钢,3.2.6金属性质不均的影响,变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异。,,3.3不均匀变形、附加应力和残余应力,3.3.1均匀变形与不均匀变形,3.3.2研究变形分布的方法,3.3.3基本应力与附加应力,3.3.4残余应力,,3.3.1均匀变形与不均匀变形,若变形区内金属各质点的应变状态相同，即它们相应的各个轴向上变形的发生情况，发展方向及应变量的大小都相同，这个体积的变形可视为均匀的。不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。因此，凡是影响金属塑性流动的因素，都会对不均匀变形产生影响。,,3.3.2研究变形分布的方法,金属塑性加工中，研究变形物体内变形分布（即金属流动）的方法很多。常用的方法有网格法；硬度法；比较晶粒法。,,图3-19各种不同变形程度下镦粗圆柱体的不均匀变形,图3-20冷镦粗铝合金后垂直断面上洛氏硬度变化,3.3.3基本应力与附加应力,,金属变形时体内变形分布不均匀，不但使物体外形歪扭和内部组织不均匀，而且还使变形体内应力分布不均匀。此时，除基本应力外还产生附加应力。,图3-21在凸形轧辊上轧制矩形坯产生的附加应力la若边缘部分自成一体时轧制后的可能长度lb若中间部分自成一体时轧制后的可能长度l整个轧制后的实际长度,,图3-22相邻晶粒的变形,图3-23挤压时金属流动（a）及纵向应力分布（b）、（c），其中（c）为摩擦很大时应力分布；（一）基本应力；（）附加应力；（---）工作应力,假想应力，9.8N/mm2,φ18φ20,图3-24拉伸实验曲线1）带缺口试样δ22）未带缺口试样δ35,变形程度ε,应力σ,σsb,σsn,图3-25拉伸时真应力与变形程度的关系1无缺口试样拉伸时的真应力的曲线2）有缺口样拉伸的真应力曲线,3.3.4残余应力,,1．残余应力的来源2．变形条件对残余应力的影响3．残余应力所引起的后果4．减小或消除残余应力的措施5．研究残余应力的主要方法,3.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特点,3.4.1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点3.4.2平辊轧制时金属的应力及变形特点3.4.3棒材挤压时的应力及变形特点3.4.4棒材拉伸时的应力及变形特点,,3.4.1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点,,1．镦粗时组合件的变形特点2．基本应力的分布特点3．第一类附加应力的分布特点,3.4.2平辊轧制时金属的应力及变形特点,,1．基本应力特点2．变形区内金属质点流动特点3．平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点,3.4.3棒材挤压时的应力及变形特点,,1．棒材挤压时的基本应力状态2．棒材挤压时的金属流动规律3．棒材挤压时的附加应力,3.4.4棒材拉伸时的应力及变形特点,,1．棒材拉伸时的基本应力状态2．棒材拉伸时金属的流动规律3．棒材拉拔时的附加应力,3.5塑性加工过程的断裂与可加工性,3.5.1塑性加工中的常见裂纹3.5.2金属断裂的物理本质3.5.3塑性-脆性转变3.5.4金属的可加工性,,第4章金属塑性加工的摩擦与润滑,4.1概述4.2金属塑性加工时摩擦的特点及作用4.3塑性加工中摩擦的分类及机理4.4摩擦系数及其影响因素4.5测定摩擦系数的方法4.6塑性加工的工艺润滑,,4.1概述,金属塑性加工中是在工具与工件相接触的条件下进行的，这时必然产生阻止金属流动的摩擦力。这种发生在工件和工具接触面间，阻碍金属流动的摩擦，称外摩擦。由于摩擦的作用，工具产生磨损，工件被擦伤；金属变形力、能增加造成金属变形不均；严重时使工件出现裂纹，还要定期更换工具。因此，塑性加工中，须加以润滑。润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着压力加工新技术新材料新工艺的出现，必将要求人们解决新的润滑问题。,,4.2金属塑性加工时摩擦的特点及作用,塑性成形时摩擦的特点在高压下产生的摩擦较高温度下的摩擦摩擦副（金属与工具）的性质相差大在接触面上各点的摩擦也不一样,,外摩擦在压力加工中的作用,摩擦的不利方面改变物体应力状态，使变形力和能耗增加引起工件变形与应力分布不均匀恶化工件表面质量，加速模具磨损，降低工具寿命摩擦的利用例如，用增大摩擦改善咬入条件，强化轧制过程；增大冲头与板片间的摩擦，强化工艺，减少起皱和撕裂等造成的废品。,,4.3塑性加工中摩擦的分类及机理,外摩擦的分类干摩擦流体摩擦边界摩擦,摩擦机理分子吸附说表面凸凹学说,,塑性加工时接触表面摩擦力的计算,在计算金属塑性加工时的摩擦力时，分下列三种情况考虑1．库仑摩擦条件这时不考虑接触面上的粘合现象（即全滑动），认为摩擦符合库仑定律。其内容如下（1）摩擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成正比例，与摩擦表面的大小无关；（2）摩擦力与滑动速度的大小无关；（3）静摩擦系数大于动摩擦系数。,,其数学表达式为或式中F摩擦力；外摩擦系数；N垂直于接触面正压力；接触面上的正应力；接触面上的摩擦切应力。由于摩擦系数为常数（由实验确定），故又称常摩擦系数定律。对于像拉拔及其他润滑效果较好的加工过程，此定律较适用。,,,,,,2．最大摩擦条件当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状态时，单位摩擦力（）等于变形金属流动时的临界切应力k，即k3．摩擦力不变条件认为接触面间的摩擦力，不随正压力大小而变。其单位摩擦力是常数，即常摩擦力定律，其表达式为mk式中，m为摩擦因子,,,,4.4摩擦系数及其影响因素,摩擦系数随金属性质、工艺条件、表面状态、单位压力及所采用润滑剂的种类与性能等而不同。其主要影响因素有1.金属的种类和化学成分2.工具材料及其表面状态3.接触面上的单位压力4.变形温度5.变形速度6.润滑剂,,图4-6正压力对摩擦系数的影响,4.5测定摩擦系数的方法,夹钳轧制法楔形件压缩法塑性加工常用摩擦系数圆环镦粗法,,4.6塑性加工的工艺润滑,工艺润滑的目的及润滑机理润滑的目的减少工模具磨损，延长工具使用寿命提高制品质量降低金属变形时的能耗润滑机理流体力学原理吸附机制,,润滑剂的选择,1．塑性成形中对润滑剂的要求在选择及配制润滑剂时，必符合下列要求（1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑膜仍能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态；（2）润滑剂应有良好耐高温性能，在热加工时，润滑剂应不分解，不变质；（3）润滑剂有冷却模具的作用；（4）润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用；（5）润滑剂应对人体无毒，不污染环境；（6）润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。,,2．常用的润滑剂液体润滑剂包括矿物油、动植物油、乳液等固体润滑剂，包括石墨、二硫化钼、肥皂等液-固型润滑剂熔体润滑剂,润滑剂中的添加剂,润滑油中的添加剂，一般应易溶于机油，热稳定性要好，且应具有良好的物理化学性能，常用的添加剂有油性剂、极压剂、抗磨剂和防锈剂等。,,润滑方法的改进,1．流体润滑2．表面处理（1）表面磷化处理（2）表面氧化处理（3）表面镀层,,第三篇塑性变形材料学基础,金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeationinMetalsProcessing,,第5章金属的塑性,5.1金属的塑性5.2金属多晶体塑性变形的主要机制5.3影响金属塑性的因素5.4金属的超塑性,,5.1金属的塑性,5.1.1塑性的基本概念5.1.2塑性指标及其测量方法5.1.3塑性状态图及其应用,,5.1.1塑性的基本概念,什么是塑性塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性与柔软性的区别是什么塑性反映材料产生永久变形的能力。柔软性反映材料抵抗变形的能力。,,塑性与柔软性的对立统一,铅---------------塑性好，变形抗力小不锈钢--------塑性好，但变形抗力高白口铸铁----塑性差，变形抗力高结论塑性与柔软性不是同一概念,,为什么要研究金属的塑性,探索塑性变化规律寻求改善塑性途径选择合理加工方法确定最佳工艺制度提高产品质量,,5.1.2塑性指标及其测量方法,塑性指标的测量方法塑性指标,,塑性指标,概念金属在破坏前产生的最大变形程度，即极限变形量。表示方法断面收缩率延伸率冲击韧性最大压缩率扭转角（或扭转数）弯曲次数,,塑性指标的测量方法,拉伸试验法压缩试验法扭转试验法轧制模拟试验法,,拉伸试验法,式中L0拉伸试样原始标距长度；Lh拉伸试样破断后标距间的长度；F0拉伸试样原始断面积；Fh拉伸试样破断处的断面积,,压缩试验法,简单加载条件下，压缩试验法测定的塑性指标用下式确定,,式中压下率；H0试样原始高度；Hh试样压缩后，在侧表面出现第一条裂纹时的高度,扭转试验法,对于一定试样，所得总转数越高，塑性越好，可将扭转数换作为剪切变形（γ）。,式中R试样工作段的半径；L0试样工作段的长度；n试样破坏前的总转数。,,轧制模拟试验法,在平辊间轧制楔形试件，用偏心轧辊轧制矩形试样，找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压下量作为轧制过程的塑性指标。,,5.1.3塑性状态图及其应用,概念表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形，简称塑性图。应用合理选择加工方法制定冷热变形工艺,,确定MB5合金加工工艺规程的原则和方法,MB5属变形镁合金，主要成分为Al5.57.0Mn0.150.5Zn0.51.5,,确定MB5镁合金热加工工艺步骤,根据产品确定加工方式（慢速、快速等）根据相图确定合金的相组成根据塑性图确定热变形温度范围,,根据相图确定合金的相组成,温度℃,图5-2Mg-Al二元系状态图,,从二元相图上获取的信息,T＞530℃，合金为液相T＜270℃，合金为＋两相组织270℃＜T＜530℃，合金为单一的相,,铝含量对镁合金力学性能的影响,δσb，公斤/毫米2,HB公斤/毫米2,图5-3镁合金中铝含量对合金机械性能的影响,,根据塑性图确定热变形温度范围,试验温度，℃图5-1MB5合金的塑性图αk冲击韧性；εM慢力作用下的最大压缩率，εC冲击力作用下的最大压缩率；φ断面收缩率，α0弯曲角度,,从塑性图上获取的信息,慢速加工，温度为350400℃时,φ值和εM都有最大值，不论轧制或挤压，都可在此温度范围内以较慢的速度加工。锻锤下加工，在350℃左右有突变，变形温度应选择在400450℃。工件形状比较复杂，变形时易发生应力集中，应根据αK曲线来判定。从图中可知，在相变点270℃附近突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在250℃以下进行为佳。,,5.2金属多晶体塑性变形的主要机制,5.2.1多晶体变形的特点5.2.2多晶体的塑性变形机构5.2.3合金的塑性变形5.2.4变形机构图,,5.2.1多晶体变形的特点,1．变形不均匀,图5-4多晶体塑性变形的竹节现象,（a）变形前（b）变形后,图5-5多晶体塑性变形的不均匀性,,2．晶界的作用及晶粒大小的影响,在2mm内的延伸率，,晶粒5,晶粒4,晶粒3,晶粒2,晶粒1,位置，mm,图5-6多晶铝的几个晶粒各处的应变量。垂直虚线是晶界，线上的数字为总变形量,5.2.2多晶体的塑性变形机构,1．晶粒的转动与移动,图5-7晶粒的转动,,2．溶解沉积机构,该机构的实质是一相晶体的原子迅速而飞跃式的转移到另一相的晶体中去。保证两相有较大的相互溶解度外，还必须具备下列条件（1）随着温度的变化或原有相晶体表面大小及曲率的变化，伴随有最大的溶解度改变。2）变形时，应具备足够高的温度条件。,3．非晶机构,非晶机构是指在一定的变形温度和速度条件下，多晶体中的原子非同步的连续的在应力场和热激活的作用下，发生定向迁移的过程。,5.2.3合金的塑性变形,1．单相固溶体合金的变形2．多相合金的变形,,5.2.4变形机构图,理论剪切应力,-位错蠕变,扩散蠕变,Nabarro,蠕变,理论剪切应力,位错蠕变,扩散流变,弹性区,图5-9变形机制图（a）纯银和（b）锗给出不同变形机制起控制作用的应力-温度区间，两种材料的晶粒尺寸都是32μm以10-8/s的应变速率来确定弹性边界,,5.3影响金属塑性的因素,5.3.1影响塑性的内部因素5.3.2影响金属塑性的外部因素5.3.3提高金属塑性的主要途径,,5.3.1影响塑性的内部因素,1．化学成分（1）杂质（2）合金元素对塑性的影响2．组织结构,,5.3.2影响金属塑性的外部因素,1．变形温度,塑性指标,温度，K,图5-14温度对塑性影响的典型曲线,,温度，℃,图5-15碳钢的塑性随温度变化图,塑性,纯铝,无氧铜,图5-16几种铝合金及铜合金的塑性图,2．变形速度,表5-1铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度,3．变形程度,图5-20脆性材料的各向压缩曲线（a）大理石；（b）红砂石；轴向压力；侧向压力,4．应力状态,静水压力对提高金属塑性的良好影响,图5-20脆性材料的各向压缩曲线（a）大理石；（b）红砂石；轴向压力；侧向压力,,,5．变形状态,图5-24主变形图对金属中缺陷形状的影响（a）未变形的情况；（b）经两向压缩向延伸变形后的情况；（c）经向压缩两向延伸后的情况,6．尺寸因素,力学性能,1,,,2,体积,图5-25变形物体体积对力学性能的影响1塑性；2变形抗力；3临界体积点,5.3.3提高金属塑性的主要途径,提高塑性的主要途径有以下几个方面1控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；2采用合适的变形温度速度制度；3选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；4避免加热和加工时周围介质的不良影响。,,第6章塑性加工过程的组织性能变化和温度----速度条件,6.1塑性加工中金属的组织与性能6.2金属塑性变形的温度速度效应6.3形变热处理,,6.1塑性加工中金属的组织与性能,6.1.1冷变形6.1.2热变形6.1.3塑性变形对固态相变的影响,,6.1.1冷变形,1．冷变形的概念2．冷变形时金属显微组织的变化3．冷变形时金属性能的变化,,6.1.2热变形,1．热变形的概念2．热变形对金属组织性能的影响3．热变形过程中的回复与再结晶,,6.1.3塑性变形对固态相变的影响,1．应力与变形的作用2．温度和变形速度的作用,,6.2金属塑性变形的温度速度效应,6.2.1变形温度6.2.2变形速度6.2.3变形中的热效应及温度效应6.2.4热力学条件之间的相互关系,,6.2.1变形温度,塑性变形时金属所具有的实际温度，称为变形温度，它与加热温度是有区别的。变形温度既取决于金属变形前的加热温度，又与变形中能量转化而使金属温度提高的温度有关，同时又与变形金属同周围介质进行热交换所损失的温度有关。,,6.2.2变形速度,变形速度为单位时间内变形程度的变化或单位时间内的相对位移体积，即式中变形速度；变形程度；V变形物体的体积；,,,（秒-1）,,,6.2.3变形中的热效应及温度效应,所谓“热效应”是指变形过程中金属的发热现象，热效应可用发热率来表示式中发热率；AT转化为热的那部分能量；A使物体产生塑性变形时的能量。塑性变形过程中因金属发热而促使金属的变形温度升高的效果，称为温度效应，用表示式中T1变形前金属所具有的温度；T2变形后因热效应的作用金属实际具有的温度。,,,,,,6.2.4热力学条件之间的相互关系,1．变形温和变形速度恒定时，变形程度与变形抗力的关系2．变形程度和变形速度恒定时，变形抗力与单相状态条件下的变形温度的关系为3．变形程度和变形温度恒定时，变形抗力与变形速度的关系为综合（6-4）、（6-5）、（6-6）式可写成式中A、a、b、c、α、β、γ取决于变形条件和变形材料的常数，由实验确定；平均变形程度；平均变形速度；T变形温度，K。,,,,,（6-4）,（6-5）,（6-6）,,（6-7）,,,6.3形变热处理,6.3.1.低温形变热处理6.2.3高温形变热处理6.2.3预形变热处理,,图6-23时效型合金形变热处理工艺图（a）低温形变热处理；（b）高温形变热处理（c）综合形变热处理；（d）预形变热处理,t,6,7,6,7,1,3,2,4,1,3,2,5,4,6,7,6,7,1,3,2,4,5,4,2,4,图6-25高温形变热处理工艺1淬火加热与保温；2压力加工；3冷至变形温度；4快冷；5重新淬火加热短时保温；6淬火加热温度范围；7塑性区,金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeationinMetalsProcessing,第四篇金属塑性变形力学解析方法,,解析对象主要是求解变形力，此外可以求解变形量和变形速度等解析方法工程法（slab法，主应力法）滑移线法（slipline）上限法（upperbound）（下限法）、上限单元法有限单元法（FEM,FiniteElement）,,金属塑性加工时，加工设备可动工具使金属产生塑性变形所需加的外力称为变形力。变形力是确定设备能力、正确设计工模具、合理拟订加工工艺规程和确定毛坯形状尺寸的必要的基本力学参数。,第7章金属塑性加工变形力的工程法解析,7.1工程法及其要点7.2直角坐标平面应变问题解析7.3圆柱坐标轴对称问题7.4极坐标平面应变问题解析7.5球坐标轴对称问题的解析,,7.1工程法及其要点,求解原理工作应力，一般它在工作面上是不均匀的，常用单位压力表示S工作面积，按“工作面投影代替力的投影”法则求解,,,,,求解要点工程法是一种近似解析法，通过对物体应力状态作一些简化假设，建立以主应力表示的简化平衡微分方程和塑性条件。这些简化和假设如下1．把实际变形过程视具体情况的不同看作是平面应变问题和轴对称问题。如平板压缩、宽板轧制、圆柱体镦粗、棒材挤压和拉拔等。2．假设变形体内的应力分布是均匀的，仅是一个坐标的函数。这样就可获得近似的应力平衡微分方程，或直接在变形区内截取单元体切面上的正应力假定为主应力且均匀分布，由此建立该单元体的应力平衡微分方程为常微分方程。,3.采用近似的塑性条件。工程法把接触面上的正应力假定为主应力，于是对于平面应变问题，塑性条件可简化为或对于轴对称问题，塑性条件可简化为,,,,,,,,,4．简化接触面上的摩擦。采用以下二种近似关系库仑摩擦定律（滑动摩擦）常摩擦定律（粘着摩擦）式中摩擦应力k屈服切应力（）正应力f摩擦系数5．其它。如不考虑工模具弹性变形的影响，材料变形为均质和各向同性等。,,,,,,,,,例题一滑动摩擦条件下的薄板平锤压缩变形（直角坐标平面应变问题）高为b，宽为W，长为l的薄板，置于平锤下压缩。如果l比b大得多，则板坯长度方向几乎没有延伸，仅在x方向和y方向有塑性流动，即为平面应变问题，适用于直角坐标分析。,,,,,,,,,矩形工件的平锤压缩,,,7.2直角坐标平面应变问题解析,,单元体x方向的力平衡方程为整理后得由近似塑性条件或，得将滑动摩擦时的库仑摩擦定律代入上式得上式积分得,在接触边缘处，即时，，由近似塑性条件得于是因此接触面上正应力分布规律最后求得板坯单位长度（Z向单位长度）上的变形力P可求得为,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,下面讨论混合摩擦条件下，平锤均匀镦粗圆柱体时变形力计算。圆柱体镦粗时，如果锻件的性能和接触表面状态没有方向性，则内部的应力应变状态对称于圆柱体轴线（z轴），即在同一水平截面上，各点的应力应变状态与坐标无关，仅与r坐标有关。因此是一个典型的圆柱体坐标轴对称问题。,,,,,,,,,,,7.3圆柱坐标轴对称问题,,圆柱坐标轴对称问题,工件的受力情况如右图所示。分析它的一个分离单元体的静力平衡条件，得,由于很小d，，忽略高阶微分，整理得对于均匀变形，，上式即为将近似的塑性条件代入上式得,,接触面上正应力的分布规律1．滑动区上式积分得当rR时，，将近似塑性条件代入上式，得积分常数C1因此,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2．粘着区将代入平衡方程得上式积分得设滑动区与粘着区分界点为rb。由，得此处利用这一边界条件，得积分常数因此得,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3．停滞区一般粘着区与停滞区的分界面可近似取，于是得积分得当时，，代入上式得于是式中,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4．滑动区与粘着区的分界位置滑动区与粘着区的分界位置可由滑动区在此点的与粘着区在此点的相等这一条件确定，因此在rb点上有因此得,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5．平均单位压力圆柱体平锤压缩时的平均单位压力式中视接触面上的分区状况而异。,7.4极坐标平面应变问题解析,不变薄拉深（极坐标平面应变问题）。不变薄拉深时，由于板厚不变化，变形区主要是在凸缘部分，发生周向的压缩及径向延伸的变形，因而凸缘部分的变形是一种适用于极坐标描述的平面应变问