金属塑性成型原理课.ppt

金属塑性成型原理PrincipleofPlasticDeationinMetalsProcessing,辽宁工程技术大学材料科学与工程系材料成型及控制工程教研室2005.2,绪论,,研究内容基本概念弹性、塑性变形的力学特征塑性加工分类塑性成型理论的发展,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）。塑性加工力学就是运用塑性力学基础来求解塑性加工成型问题。它的任务就是对加工工件进行应力和应变分析的基础上建立求解塑性加工成型问题的变形力学方程和解析方法，从而确定塑性加工成型的力能参数和工艺变形参数以及影响这些参数的主要因素。,,研究内容,弹性elasticity卸载后变形可以恢复特性，可逆性塑性plasticity指金属在外力的作用下能够发生永久性的变形而不被破坏其完整性的性质，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,,,塑性变形,一．塑性成型的特点优点1．组织、性能都能得到改善和提高2．可以节省金属材料,材料利用率高。3．工件可以达到较高的精度，提高制件的强度。4．塑性成型方法具有很高的生产率。缺点1．投资大，经费多，制约新产品迅速投产的瓶颈。2．一定程度的环境污染,塑性加工分类,按照加工时受力和变形方式分锻造,,轧制挤压,按加工温度分热加工、冷加工和温加工,还有拉拔和冲压及弯曲,塑性成型理论的发展,本课程的具体任务阐明金属塑性变形的物理基础，从微观上研究塑性变形的机理以及变形条件对金属塑性的影响，以便使工件在塑性成形时获得最佳的塑性状态、最高的变形效率和优质的力学性能阐明金属塑性变形的力学基础，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、塑性变形时的力学条件等塑性理论基础知识。在此基础上分析研究塑性成形力学问题的各种工程解法及其在具体工艺中的应用，从而科学地确定变形体内的应力应变分布规律及所需要的变形力和变形功，为选择成形设备吨位和设计模具提供依据，并为降低变形力指明方向阐述金属塑性成形时的金属流动规律和变形特点，以便确定合理的坯料尺寸和成型工序，使工件顺利成形对成形件质量进行定性分析，理论联系实际，以便寻求提高成型件质量的途径,金属塑性成型原理PrincipleofPlasticDeationinMetalsProcessing,第一篇塑性变形物理基础,,第1章金属的塑性,1.1金属的塑性1.2金属多晶体塑性变形的主要机制1.3影响金属塑性的因素,,1.1金属的塑性,1.1.1塑性的基本概念1.1.2塑性指标及其测量方法1.1.3塑性状态图及其应用,,1.1.1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材料变形抗力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------塑性差，变形抗力小结论塑性与柔软性不是同一概念统一反映材料加工性能的好坏,,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,,1.1.2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。,,1.1.3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,图1-2Mg-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1-3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1-1MB5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。,,1.2金属多晶体塑性变形的主要机制,1.2.1多晶体变形的特点1.2.2多晶体的塑性变形机构1.2.3合金的塑性变形1.2.4变形机构图,,1.2.1多晶体变形的特点,1．变形不均匀,图1-4多晶体塑性变形的竹节现象,（a）变形前（b）变形后,图1-5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1-6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,1.2.2多晶体的塑性变形机构,1．晶粒的转动与移动,图1-7晶粒的转动,,1.2.3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,,1.2.4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1-9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,,1.3影响金属塑性的因素,1.3.1影响塑性的内部因素1.3.2影响金属塑性的外部因素1.3.3提高金属塑性的主要途径,,1.3.1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,,1.3.2影响金属塑性的外部因素,1．变形温度,塑性指标,温度，K,图1-14温度对塑性影响的典型曲线,,温度，℃,图1-15碳钢的塑性随温度变化图,塑性,纯铝,无氧铜,图1-16几种铝合金及铜合金的塑性图,2．变形速度,表1-1铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度,图1-20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,3．变形程度,4．应力状态,静水压力对提高金属塑性的良好影响,图1-20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,图1-24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,5．变形状态,6．尺寸因素,力学性能,1,,,2,体积,图1-25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,1.3.3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。,,第二篇塑性变形力学基础,基本假设连续性假设匀质性假设各向同性假设初应力为零假设体积为零假设体积不变假设,,2.1应力与点的应力状态,定义塑性加工是利用材料塑性，在外力作用下使材料发生塑性变形，制备具有一定外形尺寸及组织性能产品的一种加工方法。外力load与内力internalforce外力P施加在变形体上的外部载荷。主要包括体积力（重力、磁力、惯性力）和表面力（作用力和约束反力（正压力和摩擦力））内力Q变形体抗衡外力机械作用的体现。内力是材料内部所受的力，它的产生来自于外界作用和物体内维持自身完整性的力。外界作用可以是外力，也可以是物理作用、化学作用，如冷热不均,,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）1、按法线和切面方向分解2、按坐标轴方向分解,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,2.2点的应力状态分析,,,,在y方向，在z方向，整理得，矩阵形式表达合应力法线方向投影得到正应力,则微分斜面上的正应力为剪应力为,2.3点的应力状态分析,2.3.1主应力及应力张量不变量2.3.2主剪应力和最大剪应力2.3.3球应力分量和偏差应力分量,,2.3.1主应力及应力张量不变量,,主平面---剪应力为零的平面主应力---主平面上的正应力主方向应力主轴---主平面的法线方向,也就是主应力的方向.设斜面ABC是待求的主平面,其上的剪应力τ0,则正应力就是全应力,σS,S在三个坐标轴上的投影为整理相关公式得,上式为以l,m,n为未知数的齐次线性方程组.由于方向余弦之间满足l2m2n21,所以l,m,n不能同时为零,齐次线性方程组存在非零解的条件是方程组系数所组成的行列式等于零,即将行列式展开得----应力状态特征方程其中,方程的三个根就是三个主应力，令方程的三个根为,分别为一次、二次、三次应力张量不变量,对于同一点的应力状态，三个主应力的数值是一定的，而与过该点的坐标系的选择无关，尽管应力分量随坐标系的改变而改变，因此，过该点不论坐标如何选择，一次、二次、三次应力张量不变量等于常数,讨论1、证明三个主应力所作用的主微分面是相互垂直的。,证明2三个根是实根不是虚根。证明,证明3主应力的极值性质证明假设,例题1设下面两个应力张量为，判断两个应力张量是否表示同一应力状态。,例题2对于oxyz直角坐标系受力物体内一点的应力状态为1）画出该点的应力单元体2）试用应力状态特征方程求出该点的主应力及主方向,2.3.2主剪应力及最大剪应力,,与分析斜微分面上的主应力一样，切应力也随着微分面的方位而改变。切应力达到极值的平面称为主切应力平面，其上作用的切应力称为主切应力。,讨论1、方程的一个解为2、若3、一般,2.3.3球应力分量和偏差应力分量,球应力分量引起体积变化的分量偏差应力分量引起形状变化的分量1、八面体应力以相等角度倾斜于三个主方向的平面构成一个正八面体,正八面体的每个平面叫做八面体平面,八面体平面上的应力称为八面体应力,2、球应力分量过一点各向受同一符号和同样大小的正应力，则过该点任意微分斜面上的剪应力为零，因而不会产生塑性变形，仅能发生体积胀缩的弹性体积变化。,主应力图,,等效应力（equivalent,,,这样，同一金属在相同的变形温度和应变速率条件下，对任何应力状态，不论是初始屈服或在塑性变形过程中的继续屈服，只要等效应力等于金属变形抗力或等于倍的屈服剪应力时，便继续屈服。,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。,等效应力并不代表某一实际平面上的应力,因而不能在某一特定平面上表示出来,它表示的是三个主应力的综合效果.也可以理解为等效应力代表一点应力状态中应力偏张量的综合作用.等效应力和材料的塑性变形有密切的关系.单向拉伸时,由于σ2σ30,得,即等效应力等于单向拉伸时的主应力,其值可由简单拉伸实验求出.,应力莫尔圆,,设已知某应力状态三个主应力σ1≥σ2≥σ3.以应力主轴为坐标轴,做一斜切微分面,其方向余弦为l,m,n,则有如下方程解上述方程组得,整理得,在στ坐标平面上,上式表示三个圆,圆心都在σ轴上,距原点分别为σ2σ3/2,σ3σ1/2,σ1σ2/2,数值上为主剪应力平面上的正应力,三个圆的半径随方向余弦而变.对于一个确定的微分面,l,m,n都是定值,三个圆必然有共同的交点,交点P的坐标即该面上的正应力和剪应力.,将l0代入第一式,m0代入第二式,n0代入第三式,可得到三个圆方程,上式三个圆称为应力莫尔圆,半径分别等于三个主剪应力.其中圆心O1表示l0,m2n21时,即微分面法线N垂直于σ1轴且在σ2σ3旋转时,σ和τ的变化规律.圆O2,O3也可同样理解.,第三章应变分析,3.1应变分析,,3.1.1位移与应变位移位置的移动,物体中每点的位移是不同的对于连续体来说，每点的位移是其坐标的连续函数。如图,应变在外力的作用下，如果改变了物体中任意两个质点间的相对位置，则认为该物体已发生变形或者说其中有应变发生。,如图所示，体素受力后其形状和尺寸都发生改变，此种改变总可归结为长度的改变和角度的改变。任一线段，每单位长度的伸长或缩短称为线应变。用ε表示，下标加x则表示沿x轴方向的线应变。伸长为正，缩短为负任意两个线段之间原为直角，角度改变称为角应变或剪应变。,3.1.2无限小应变（不超过10-310-2数量级的小变形）一个塑性变形过程可按其过程中的每一瞬时来考虑,即利用一系列小应变问题来解决大应变问题,承受塑性加工的物体，通常处于体应力状态，而且应力的分布是不均匀的，与应力相对应，物体的应变也是不均匀的，不同的点上有不同的数值。但是如果我们研究一个微元体时，其应变可以认为是均匀的，即变形前是直角平行六面体，变形后则变为斜角平行六面体，平行直线仍然保持平行直线，平面仍保持平面。,,线段的无限小应变,3.1.3主应变和应变张量不变量,,3.1.4主剪应变和最大剪应变,,3.1.5球应变分量和偏差应变分量,,等效应变塑性和弹性等效应变,,分为三类变形图示一向缩短两向伸长压缩类变形（轧制和自由锻）一向缩短一向伸长（剪切类变形）轧制板带两向缩短一向伸长（伸长类变形）挤压和拉拔,3.1.6主变形图示,,讨论应力图示有九种而应变图示只有三种,3.1.7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,,3.1.8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,,3.1.9变形的表示方法,,工程计算中常用绝对变形和相对变形来表示变形的大小。若原始的尺寸H、B、L，变形后的尺寸为h、b、l。绝对变形不能确切的表示变形程度的大小，仅能表示工件外形尺寸的变化。,相对变形公称应变和真应变公称应变公称应变是用绝对变形与工件原始尺寸的比来表示,真应变,比较公称应变不能表示变形的实际情况，而且变形程度愈大，误差愈大。真应变为可加应变，公称应变为可加应变。,真应变为可比应变，公称应变为不可比应变,在体积不变的条件下，三个相互垂直方向的真应变的代数和为零。,第四章变形力学方程,静力方程力平衡方程和应力边界条件方程几何方程应变与位移关系方程或协调方程物理方程塑性条件和应力与应变关系方程,,4.1力平衡方程,,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,4.2应力边界条件方程,,4.2.1应力边界条件方程,4.2.2金属塑性加工中的接触摩擦,影响摩擦系数的因素1、工具与变形金属的性质及其表面状态相同金属间的摩擦系数大于不同金属间的摩擦系数，能形成合金的比不能形成合金的摩擦系数大。2、工具与变形金属间的相对运动速度静摩擦大于动摩擦。3、温度一般说变形金属的温度越高，摩擦系数越大4、润滑有润滑时，摩擦系数小,4.2.3应力边界条件的种类1、自由表面在工件的自由表面上，既没有正应力也没有剪应力。2、在工件与工具接触表面，在此边界上既有正应力也有摩擦应力3、变形区与非变形区的分界区，在此界面上既有正应力，也有剪应力且近似为屈服剪应力。,4.2.4平面问题和轴对称问题1、平面应力问题特点变形体内各质点在某方向轴（Z轴）垂直的平面上没有应力作用，即三个应力沿Z轴方向均匀分布，即应力分量与Z轴无关，对Z轴的偏倒数为零。,2、平面应变问题如果物体内所有质点都只是在一个坐标平面内发生变形，而在该平面的法线方向没有变形，这种变形称为平面变形或平面应变。,轴对称问题,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。假定金属有明显的屈服极限,4.3塑性条件,,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。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）,4.3.1屈雷斯加H.Tresca屈服准则（最大剪应力准则）当材料质点中的最大剪应力达到某一临界值C时，则材料发生屈服。该临界值C取决于材料在变形条件下的性质，而与应力状态无关.表达式为maxC设1＞2＞3，上式可写成max1-3/2C单向拉伸试样屈服时，230、1s，得Cs/2。于是，屈雷斯加屈服准则为1-3s,,若不知道主应力大小顺序,屈雷斯加屈服准则,三个式子只要满足一个,该点即进入塑性状态.,对于平面变形以及主应力异号的平面应力问题,由于所以用任意坐标系应力分量表示的屈雷斯加屈服准则为,4.3.2密塞斯（Von.Mises屈服准则（德国力学家1913年）,对于平面应力状态，设σzτyzτzx0,或σ30,则密塞斯屈服准则为对于平面应变状态,由于或者说密塞斯屈服准则简化为,对于轴对称状态,由于子午面θ面上τρθτθz0,特殊情况下,当σρσθ时,密塞斯屈服准则简化为,4.3.3塑性条件的几何解释,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，β11.155（例题讲解P81，例5-1。）,4.4塑性应力应变关系（本构关系）,几种简化模型simplifiedmodelsforplasticstress-strain,,1、弹性应力应变关系---广义虎克定律,E为拉压弹性模量；γ为泊松比；G为剪切弹性模量。,,整理可得如下关系式式中，m（xyz）/3，m（xyz）/3球应变m与球应力m成正比。即应力球张量使物体产生弹性体积变化。,偏应变与偏应力成正比。即应力偏张量使物体产生弹性形状变化。综上所述物体的体积变形与球应力成正比，与偏应力无关；物体的形状变化与偏应力成正比，与球应力无关。将广义虎克定律写成张量的形式得,塑性变形时应力与应变的关系,增量理论---描述应力与应变增量之间关系全量理论---描述应力与全量应变关系（1）增量理论1）普朗特耳-路斯理论,普朗特耳-路斯方程,2）、列维-密塞斯方程（流动法则）,列维-密塞斯方程比普朗特耳-路斯方程提出的更早一些，可以说前者是后者的特殊形式。列维-密塞斯理论假定塑性应变增量的个分量与相应的偏差应力分量成比例。,（2）全量理论（汉基小塑性变形理论）,全量应变的条件是比例加载，即指在加载的过程中所有的外力从一开始起就按同一比例增加。条件1、塑性变形是微小的，同弹性变形是同一数量级。2、外载荷各分量按比例增加，中途不卸载。3、在加载过程中，应力主轴方向和应变主轴方向固定不变，且重合。这说明应力和应变的积累和递增是沿着同一方向进行，对应变增量进行积分就可以得到全量应变。4、变形体不可压缩。,等效应力和等效应变的关系,