金属塑性加工原理.pptx

绪绪 论论研究内容几个基本概念弹性、塑性变形的力学特征第1页/共215页研究内容研究内容 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）。第2页/共215页弹性(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 几个基本概念几个基本概念第3页/共215页可逆性：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弹性、塑性变形的力学特征第4页/共215页金属塑性加工原理金属塑性加工原理Principle of Plastic Deformation in Metals Processing第一篇 塑性变形力学基础第5页/共215页第第1 1章章 应力分析与应变分析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第6页/共215页1.1 应力与点的应力状态应力与点的应力状态外力(load)与内力(internal force)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。第7页/共215页应力（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/mm2 1MPa=106 N/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。第8页/共215页应力可以进行分解 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）全应力全应力(stress)正应力正应力(normal sress)剪应力剪应力(shear stress)第9页/共215页一点的应力状态：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：x=50MPa，xz=35MPa 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,j=x,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一点的应力状态及应力张量第10页/共215页u 应力分量图示应力分量图示图图1-2 平行于坐标面上应力示意图平行于坐标面上应力示意图 第11页/共215页 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 i=j 时为正应力 i、j同号为正（拉应力），异号为负（压应力）当 ij 时为剪应力 i、j同号为正，异号为负 第12页/共215页应力的坐标变换（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）第13页/共215页1.2 点的应力状态分析点的应力状态分析主应力及应力张量不变量主剪应力和最大剪应力八面体应力与等效应力第14页/共215页 主应力及应力张量不变量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：第15页/共215页u 应力不变量式中式中第16页/共215页 讨论讨论：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。第17页/共215页主应力的求解（略，见彭大暑金属塑性加工力学教材）主应力的图示 第18页/共215页 主剪应力和最大剪应力主剪应力和最大剪应力主剪应力(principal shear stress)：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(maximun shear stress)：通常规定：通常规定：则有最大剪应力则有最大剪应力：或者：或者：其中：其中：且有且有：第19页/共215页 八面体应力与等效应力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。第20页/共215页u 八面体应力的求解思路：因为因为第21页/共215页等效应力等效应力讨论：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。第22页/共215页1.3 应力张量的分解与几何表示应力张量的分解与几何表示 (i,j=x,y,z)(i,j=x,y,z)其中其中 即平均应力，即平均应力，为柯氏符号。为柯氏符号。即即 第23页/共215页u 讨论讨论：分分解解的的依依据据：静静水水压压力力实实验验证证实实，静静水水压压力力不不会会引引起起变变形形体形状的改变，只会引起体积改变，即对塑性条件无影响。体形状的改变，只会引起体积改变，即对塑性条件无影响。为为 引引 起起 形形 状状 改改 变变 的的 偏偏 应应 力力 张张 量量(deviatoric(deviatoric stress stress tensor)tensor)，为为引引起起体体积积改改变变的的球球张张量量(spherical(spherical stress stress tensor)tensor)（静水压力）。（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：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）（体现变形体形状改变的程度）第24页/共215页1.4 应力平衡微分方程应力平衡微分方程 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。第25页/共215页 推导原理：静力平衡条件：静力矩平衡条件：泰勒级数展开：第26页/共215页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？第27页/共215页1.5 应变与位移关系方程应变与位移关系方程 几何方程 变形连续方程第28页/共215页 几何方程几何方程 第29页/共215页u 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：第30页/共215页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。第31页/共215页 变形连续方程变形连续方程第32页/共215页讨论：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。第33页/共215页1.6 点的应变状态点的应变状态 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（strain tensor）也可进行与应力张量类似的分析。(i,j=x,y,z)第34页/共215页1.7 应变增量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第35页/共215页1.8 应变速度张量应变速度张量 设某一瞬间起dt时间内，产生位移增量dUi，则应有dUi=Vidt。其中Vi为相应位移速度。代入增量应变张量，有：令 即为应变速率张量第36页/共215页1.9 主应变图与变形程度表示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第37页/共215页主应力、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？第38页/共215页变形程度表示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第39页/共215页应力应变分析的相似性与差异性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 第40页/共215页 差异性：v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v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 第41页/共215页等效关系：v等效应力弹性变形和塑性变形表达式相同v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：第42页/共215页u 真实应力和真实应变含义：表示某瞬时的应力值表示某瞬时的应力值表示对某瞬时之前的应变的积分表示对某瞬时之前的应变的积分第43页/共215页第第2 2章章 金属塑性变形的物性方程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第44页/共215页回顾并思考：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。第45页/共215页 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（FEMFinite Element Method）：硕士阶段硕士阶段“现代材料加工力学现代材料加工力学”详述详述硕士阶段另一门学位课程硕士阶段另一门学位课程第46页/共215页2.1 基本假设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。第47页/共215页2.2 屈服准则屈服准则 又 称 塑 性 条 件(plastic conditions)或 屈 服 条 件(yield conditions)，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(yield function)表示：第48页/共215页 Tresca 屈服准则（最大剪应力准则）Mises 屈服准则 回忆：第49页/共215页比较两屈服准则的区别：比较两屈服准则的区别：（1 1）物理含义不同：Tresca：最大剪应力达到极限值K Mises：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平面的正六棱柱；Mises准则：在主应力空间中为一垂直于平面的圆柱。(平面:在主应力坐标系中，过原点并垂直于等倾线的平面)第50页/共215页比较两屈服准则的区别比较两屈服准则的区别第51页/共215页两准则的联系：两准则的联系：（1）空间几何表达：Mises圆柱外接于Tresca六棱柱；在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，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。第52页/共215页讨论：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 （例题讲解：P81，例5-1。）第53页/共215页2.3 塑性应力应变关系（本构关系）塑性应力应变关系（本构关系）几 种 简 化 模 型(simplified models for plastic stress-strain)第54页/共215页增量理论：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增量理论与全量理论第55页/共215页全量理论：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。)第56页/共215页例题讲解例题讲解：例：求 之比（满足塑性条件）增量理论例题：(p102)第57页/共215页2.4 变形抗力曲线与加工硬化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第58页/共215页2.5 影响变形抗力的因素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第59页/共215页金属塑性加工原理金属塑性加工原理Principle of Plastic Deformation in Metals Processing第二篇 金属塑性加工的流动 与变形规律第60页/共215页第第3 3章章 金属塑性加工的宏观规金属塑性加工的宏观规律律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 第61页/共215页3.1塑性流动规律（最小阻力定律）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第62页/共215页最小阻力定律最小阻力定律 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。第63页/共215页 图3-1 开式模锻的金属流动 图3-2 最小周边法则第64页/共215页图3-3 正方形断面变形模式（a）（b）B-B剖面（c）图3-4 拔长坯料的变形模式 第65页/共215页 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 （DD，B2B2）第66页/共215页3.2影响金属塑性流动和变形的因影响金属塑性流动和变形的因素素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第67页/共215页 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。第68页/共215页 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 第69页/共215页图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 第70页/共215页 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。第71页/共215页图3-10 钢球压缩时的流线 图3-11 受塑压时物体内部质点 滑移变形的近似模型 第72页/共215页 图3-12 h2 为各种数值时的情况 第73页/共215页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。第74页/共215页 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 b)V型砧 c)凸型砧 第75页/共215页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。第76页/共215页图3-15 拔长时外端的影响（a）（b）第77页/共215页 图3-16 开式冲孔时的“拉缩”图3-17 弯曲变形对外端的影响 第78页/共215页 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。第79页/共215页图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钢第80页/共215页 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。第81页/共215页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 第82页/共215页3.3.1 均匀变形与不均匀变形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。第83页/共215页3.3.2 研究变形分布的方法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。第84页/共215页图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 第85页/共215页3.3.3 基本应力与附加应力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。第86页/共215页图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 相邻晶粒的变形第87页/共215页图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；（-）工作应力第88页/共215页假想应力，9.8 N/mm2 1820图3-24 拉伸实验曲线 1）带缺口试样=2%2）未带缺口试样=35%变形程度应力sbsn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第89页/共215页3.3.4 残余应力残余应力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 第90页/共215页3.4金属塑性加工诸方法的应力与变形特金属塑性加工诸方法的应力与变形特点点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 第91页/共215页3.4.1金属在平锤间镦粗时的应力及变形特点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 第92页/共215页3.4.2平辊轧制时金属的应力及变形平辊轧制时金属的应力及变形特点特点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 第93页/共215页3.4.3棒材挤压时的应力及变形棒材挤压时的应力及变形特点特点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 第94页/共215页3.4.4棒材拉伸时的应力及变形特点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 第95页/共215页3.5塑性加工过程的断裂与可加工性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96页/共215页第第4 4章章 金属塑性加工的摩擦与润金属塑性加工的摩擦与润滑滑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 第97页/共215页4.1 4.1 概述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。第98页/共215页4.2 4.2 金属塑性加工时摩擦金属塑性加工时摩擦的特点及作用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第99页/共215页外摩擦在压力加工中的作用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。第100页/共215页4.3 4.3 塑性加工中摩塑性加工中摩擦的分类及机理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第101页/共215页塑性加工时接触表面摩擦力的计算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。第102页/共215页 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。第103页/共215页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：=k 3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 第104页/共215页4.4 4.4 摩擦系数及其影响因素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.润滑剂第105页/共215页0.130.120.110.100.090.080.070.060.050.040.030.020.0102006001000140018002200N/mm2摩擦系数0.14图4-6 正压力对摩擦系数的影响第106页/共215页0.50.40.30.20.102004006008000.40.20400600800图4-7 温度对钢的摩擦系数的影响 图4-8 温度对铜的摩擦系数的影响第107页/共215页4.5 4.5 测定摩擦系数的方法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第108页/共215页4.6 4.6 塑性加工的工艺润滑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第109页/共215页润滑剂的选择润滑剂的选择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。第110页/共215页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第111页/共215页润滑剂中的添加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。第112页/共215页润滑方法的改进润滑方法的改进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113页/共215页第三篇 塑性变形材料学基础 金属塑性加工原理金属塑性加工原理 Principle of Plastic Deformation in Metals Processing第114页/共215页第第5章章金属的塑性金属的塑性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 第115页/共215页5.1金属的塑性金属的塑性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 第116页/共215页5.1.1塑性的基本概念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。第117页/共215页塑性与柔软性的对立统一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第118页/共215页为什么要研究金属的塑性？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第119页/共215页5.1.2塑性指标及其测量方法塑性指标及其测量方法塑性指标的测量方法塑性指标 第120页/共215页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）弯曲次数第121页/共215页塑性指标的测量方法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第122页/共215页拉伸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 第123页/共215页压缩试验法压缩试验法 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 高度第124页/共215页扭转试验法扭转试验法 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（）。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。第125页/共215页轧制模拟试验法轧制模拟试验法 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。第126页/共215页5.1.3塑性状态图及其应用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 制定冷热变形工艺第127页/共215页确定确定MB5MB5合金加工工艺规程的原则和方法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：Al 5.5 7.0%Mn 0.15 0.5%Zn 0.5 1.5%第128页/共215页确定确定MB5MB5镁合金热加工工艺步骤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第129页/共215页根据相图确定合金的相组成根据相图确定合金的相组成温度图5-2 Mg-Al二元系状态图 第130页/共215页从二元相图上获取的信息从二元相图上获取的信息 T530，合金为液相 T270，合金为两相组织270 T530，合金为单一的 相第131页/共215页铝含量对镁合金力学性能的影响铝含量对镁合金力学性能的影响%b，公斤公斤/毫米毫米2HB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 第132页/共215页根据塑性图确定热变形温度范围根据塑性图确定热变形温度范围试验温度，图5-1 MB5合金的塑性图k 冲击韧性；M 慢力作用下的最大压缩率，C 冲击力作用下的最大压缩率；断面收缩率，0 弯曲角度 第133页/共215页从塑性图上获取的信息从塑性图上获取的信息慢速加工，温度为350400350400时,值和M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350350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K曲线来判定。从图中可知，在相变点270270附近突然降低，因此，锻造或冲压时的工作温度应在250250以下进行为佳。第134页/共215页5.2金属多晶体塑性变形的主要机制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 第135页/共215页5.2.1多晶体变形的特点多晶体变形的特点1 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 第136页/共215页2 2晶界的作用及晶粒大小的影响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 第137页/共215页5.2.25.2.2 多晶体的塑性变形机多晶体的塑性变形机构构1 1晶粒的转动与移动 图5-7 晶粒的转动第138页/共215页2 2溶解溶解沉积机构沉积机构 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。第139页/共215页3 3非晶机构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。第140页/共215页5.2.3合金的塑性变形合金的塑性变形1单相固溶体合金的变形 2多相合金的变形 第141页/共215页5.2.4 变形机构图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温度，温度，-位错滑移蠕变位错滑移（Nabarro蠕变）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32m 以10-8/s的应变速率来确定弹性边界 第142页/共215页5.3影响金属塑性的因素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 第143页/共215页5.3.1影响塑性的内部因素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 第144页/共215页5.3.2影响金属塑性的外部因影响金属塑性的外部因素素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第145页/共215页温度，图5-15 碳钢的塑性随温度变化图塑塑性性第146页/共215页纯铝无氧铜图5-16 几种铝合金及铜合金的塑性图 第147页/共215页2变形速度变形速度塑性变形速度，1/秒图5-18 变形速度对塑性的影响第148页/共215页表5-1 铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度合 金 号挤压系数挤压速度（毫米/秒）金属温度 L411150158195LD21116150294315LY111116150340350LY113165308第149页/共215页3变形程度变形程度1-2大气压1-2大气压 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 第150页/共215页4应力状态应力状态静水压力对提高金属塑性的良好影响第151页/共215页1-2大气压1-2大气压 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 第152页/共215页5变形状态变形状态 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 第153页/共215页6尺寸因素尺寸因素 力学性能12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临界体积点第154页/共215页5.3.3提高金属塑性的主要途提高金属塑性的主要途径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155页/共215页第第6章章塑性加工过程的组织性能塑性加工过程的组织性能变化和温度变化和温度-速度条件速度条件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 第156页/共215页6.1塑性加工中金属的组织与性能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 第157页/共215页6.1.1冷变形冷变形1冷变形的概念 2冷变形时