金属塑性加工原理.ppt

金属塑性加工原理 中南大学材料科学与工程学院绪 论 0.1 材料加工在国民经济中的地位特点 0.2 材料加工的内涵 0.3 金属塑性加工 0.4 塑性加工理论的发展概况 0.5 本课程的任务 0.6 金属材料加工的主要方向0.1 0.1 0.1 0.1 材料加工在国民经济中的地位特点材料加工在国民经济中的地位特点材料加工在国民经济中的地位特点材料加工在国民经济中的地位特点 金属采用塑性加工方法成材，不仅以金属采用塑性加工方法成材，不仅以其原材料消耗少、生产效率高、产品质量其原材料消耗少、生产效率高、产品质量稳定，而且能有效地改善和控制金属的组稳定，而且能有效地改善和控制金属的组织与性能，在国民经济与国防建设中占有织与性能，在国民经济与国防建设中占有十分重要的地位。十分重要的地位。1 1 1 1、航空航天、航空航天、航空航天、航空航天2 2 2 2、武器装备、武器装备、武器装备、武器装备3 3 3 3、交通运输、交通运输、交通运输、交通运输4 4 4 4、建筑、建筑、建筑、建筑5 5 5 5、家用电器、家用电器、家用电器、家用电器0.2 0.2 0.2 0.2 材料加工的内涵材料加工的内涵材料加工的内涵材料加工的内涵1.1.1.1.材料加工材料加工材料加工材料加工 采用一定的加工方法和技术，使材料达采用一定的加工方法和技术，使材料达采用一定的加工方法和技术，使材料达采用一定的加工方法和技术，使材料达到与原材料不同的状态到与原材料不同的状态到与原材料不同的状态到与原材料不同的状态(化学成分上完全相同化学成分上完全相同化学成分上完全相同化学成分上完全相同),),),),使其具有更优良的物理性能、化学性能和使其具有更优良的物理性能、化学性能和使其具有更优良的物理性能、化学性能和使其具有更优良的物理性能、化学性能和力学性能。力学性能。力学性能。力学性能。2.2.2.2.材料的可加工性材料的可加工性材料的可加工性材料的可加工性 材料对加工成形和工艺所表现出来的特材料对加工成形和工艺所表现出来的特材料对加工成形和工艺所表现出来的特材料对加工成形和工艺所表现出来的特性，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、性，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、性，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、性，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。热处理性能和切削加工性能等。热处理性能和切削加工性能等。热处理性能和切削加工性能等。3.3.3.3.材料加工需考虑的基本原则材料加工需考虑的基本原则材料加工需考虑的基本原则材料加工需考虑的基本原则使用性能：高强、高韧、耐蚀等使用性能：高强、高韧、耐蚀等使用性能：高强、高韧、耐蚀等使用性能：高强、高韧、耐蚀等工艺性能：轧、挤、拉、锻、焊等工艺性能：轧、挤、拉、锻、焊等工艺性能：轧、挤、拉、锻、焊等工艺性能：轧、挤、拉、锻、焊等环保性能：放射性、毒气、环保性能：放射性、毒气、环保性能：放射性、毒气、环保性能：放射性、毒气、“三废三废三废三废”等等等等经经经经 济济济济 性：成本、性价比等性：成本、性价比等性：成本、性价比等性：成本、性价比等4.4.4.4.金属材料加工所涉及的内容金属材料加工所涉及的内容金属材料加工所涉及的内容金属材料加工所涉及的内容(1)(1)(1)(1)液态金属的熔炼与铸造；液态金属的熔炼与铸造；液态金属的熔炼与铸造；液态金属的熔炼与铸造；(2)(2)(2)(2)金属塑性加工与热处理；金属塑性加工与热处理；金属塑性加工与热处理；金属塑性加工与热处理；(3)(3)(3)(3)复合材料与层状复合材料加工；复合材料与层状复合材料加工；复合材料与层状复合材料加工；复合材料与层状复合材料加工；(4)(4)(4)(4)材料连接；材料连接；材料连接；材料连接；(5)(5)(5)(5)材料切削加工；材料切削加工；材料切削加工；材料切削加工；(6)(6)(6)(6)粉末冶金；粉末冶金；粉末冶金；粉末冶金；(7)CVD(chemical vapour deposition),(7)CVD(chemical vapour deposition),(7)CVD(chemical vapour deposition),(7)CVD(chemical vapour deposition),PVD(phsical vapour deposition)PVD(phsical vapour deposition)PVD(phsical vapour deposition)PVD(phsical vapour deposition)等等等等5.5.5.5.小结小结小结小结 金属材料在国民经济、国防军工建设中金属材料在国民经济、国防军工建设中金属材料在国民经济、国防军工建设中金属材料在国民经济、国防军工建设中占有极其重要战略地位，金属塑性加工原理占有极其重要战略地位，金属塑性加工原理占有极其重要战略地位，金属塑性加工原理占有极其重要战略地位，金属塑性加工原理这门课程旨在讲述有关高性能材料设计、成这门课程旨在讲述有关高性能材料设计、成这门课程旨在讲述有关高性能材料设计、成这门课程旨在讲述有关高性能材料设计、成形制备、性能表征与评价以及应用方面的重形制备、性能表征与评价以及应用方面的重形制备、性能表征与评价以及应用方面的重形制备、性能表征与评价以及应用方面的重要专业基础知识。要专业基础知识。要专业基础知识。要专业基础知识。金金金金属属属属坯坯坯坯料料料料在在在在外外外外力力力力作作作作用用用用下下下下产产产产生生生生塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形，从从从从而而而而获获获获得得得得具具具具有有有有一一一一定定定定几几几几何何何何形形形形状状状状，尺尺尺尺寸寸寸寸和和和和精精精精度度度度，以以以以及及及及服服服服役役役役性性性性能能能能的的的的材材材材料料料料、毛坯或零件的加工方法。毛坯或零件的加工方法。毛坯或零件的加工方法。毛坯或零件的加工方法。0.3 0.3 0.3 0.3 金属塑性加工金属塑性加工金属塑性加工金属塑性加工1.1.1.1.材料加工材料加工材料加工材料加工钢、铝、铜、钛等及其合金。钢、铝、铜、钛等及其合金。钢、铝、铜、钛等及其合金。钢、铝、铜、钛等及其合金。2.2.2.2.适用范围适用范围适用范围适用范围3.3.3.3.主要加工方法主要加工方法主要加工方法主要加工方法(1)(1)(1)(1)轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的过程。减小，长度增加的过程。减小，长度增加的过程。减小，长度增加的过程。(可实现连续轧制可实现连续轧制可实现连续轧制可实现连续轧制)纵轧、横纵轧、横纵轧、横纵轧、横轧、斜轧。轧、斜轧。轧、斜轧。轧、斜轧。举例：汽车车身板、烟箔等；举例：汽车车身板、烟箔等；举例：汽车车身板、烟箔等；举例：汽车车身板、烟箔等；其它：多辊轧制其它：多辊轧制其它：多辊轧制其它：多辊轧制(24(24(24(24辊辊辊辊)、孔型轧制等。、孔型轧制等。、孔型轧制等。、孔型轧制等。3.3.3.3.主要加工方法主要加工方法主要加工方法主要加工方法(2)(2)(2)(2)挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出而制取各种断面金属材料的加工方法。而制取各种断面金属材料的加工方法。而制取各种断面金属材料的加工方法。而制取各种断面金属材料的加工方法。举例：管、棒、型；举例：管、棒、型；举例：管、棒、型；举例：管、棒、型；其它：异型截面。其它：异型截面。其它：异型截面。其它：异型截面。正挤正挤正挤正挤反挤反挤反挤反挤3.3.3.3.主要加工方法主要加工方法主要加工方法主要加工方法卧式挤压机卧式挤压机3.3.3.3.主要加工方法主要加工方法主要加工方法主要加工方法(4)(4)(4)(4)锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形 A.A.A.A.自自自自由由由由锻锻锻锻：金金金金属属属属在在在在上上上上下下下下铁铁铁铁锤锤锤锤及及及及铁铁铁铁砧砧砧砧间间间间受受受受到到到到冲冲冲冲击击击击力力力力或压力而产生塑性变形的加工或压力而产生塑性变形的加工或压力而产生塑性变形的加工或压力而产生塑性变形的加工我国自行研制的万吨级水压机我国自行研制的万吨级水压机我国自行研制的万吨级水压机我国自行研制的万吨级水压机3.3.3.3.主要加工方法主要加工方法主要加工方法主要加工方法 B.B.B.B.模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲 击击击击力或压力而产生塑性变形的加工。力或压力而产生塑性变形的加工。力或压力而产生塑性变形的加工。力或压力而产生塑性变形的加工。举例：飞机大梁，火箭捆挷环等举例：飞机大梁，火箭捆挷环等举例：飞机大梁，火箭捆挷环等举例：飞机大梁，火箭捆挷环等万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环3.3.3.3.主要加工方法主要加工方法主要加工方法主要加工方法(5)(5)(5)(5)冲压：金属坯料在冲模之间受压产生分离或冲压：金属坯料在冲模之间受压产生分离或冲压：金属坯料在冲模之间受压产生分离或冲压：金属坯料在冲模之间受压产生分离或 变变变变形的加工方法。形的加工方法。形的加工方法。形的加工方法。4.4.4.4.特点特点特点特点(1)(1)(1)(1)质量比铸件好质量比铸件好质量比铸件好质量比铸件好(尺寸精度高，表面质量好、性尺寸精度高，表面质量好、性尺寸精度高，表面质量好、性尺寸精度高，表面质量好、性 能好能好能好能好)；a.a.a.a.细化晶粒；细化晶粒；细化晶粒；细化晶粒；b.b.b.b.消除微观缺陷。消除微观缺陷。消除微观缺陷。消除微观缺陷。(2)(2)(2)(2)不产生切削，金属利用率高；不产生切削，金属利用率高；不产生切削，金属利用率高；不产生切削，金属利用率高；(3)(3)(3)(3)易实现连续化、自动化、高速、大批量生产；易实现连续化、自动化、高速、大批量生产；易实现连续化、自动化、高速、大批量生产；易实现连续化、自动化、高速、大批量生产；(4)(4)(4)(4)设备较庞大，相对铸造能耗较高。设备较庞大，相对铸造能耗较高。设备较庞大，相对铸造能耗较高。设备较庞大，相对铸造能耗较高。金属塑性加工力学：连续介质力学晶体力学金属塑性加工力学：连续介质力学晶体力学金属塑性加工力学：连续介质力学晶体力学金属塑性加工力学：连续介质力学晶体力学 CMTP(Continuum Mechanics CMTP(Continuum Mechanics CMTP(Continuum Mechanics CMTP(Continuum Mechanics of Textured Polycrystals)of Textured Polycrystals)of Textured Polycrystals)of Textured Polycrystals)塑性变形材料学塑性变形材料学塑性变形材料学塑性变形材料学 :1:1:1:1）塑性变形组织控制）塑性变形组织控制）塑性变形组织控制）塑性变形组织控制 2 2 2 2）织构控制）织构控制）织构控制）织构控制塑性加工摩擦学塑性加工摩擦学塑性加工摩擦学塑性加工摩擦学 ：干摩擦、湿摩擦、边界摩擦、干摩擦、湿摩擦、边界摩擦、干摩擦、湿摩擦、边界摩擦、干摩擦、湿摩擦、边界摩擦、混合摩擦润滑剂混合摩擦润滑剂混合摩擦润滑剂混合摩擦润滑剂0.4 0.4 0.4 0.4 塑性加工理论的发展概况塑性加工理论的发展概况塑性加工理论的发展概况塑性加工理论的发展概况是是是是随随随随塑塑塑塑性性性性力力力力学学学学(塑塑塑塑性性性性理理理理论论论论)在在在在金金金金属属属属塑塑塑塑性性性性加加加加工工工工中中中中的的的的应应应应用用用用而而而而发展起来的一个分支。发展起来的一个分支。发展起来的一个分支。发展起来的一个分支。1.1.1.1.金属塑性加工力学金属塑性加工力学金属塑性加工力学金属塑性加工力学(力学冶金力学冶金力学冶金力学冶金)1864 1864 1864 1864年年年年TrescaTrescaTrescaTresca首次提出最大剪切屈服准则；首次提出最大剪切屈服准则；首次提出最大剪切屈服准则；首次提出最大剪切屈服准则；1925192519251925年年年年KarmanKarmanKarmanKarman将塑性力学应用于塑性加工；将塑性力学应用于塑性加工；将塑性力学应用于塑性加工；将塑性力学应用于塑性加工；SachsSachsSachsSachs和和和和SiebelSiebelSiebelSiebel提出工程法提出工程法提出工程法提出工程法(主应力法主应力法主应力法主应力法)；20202020世纪中期建立滑移线法研究平面变形；世纪中期建立滑移线法研究平面变形；世纪中期建立滑移线法研究平面变形；世纪中期建立滑移线法研究平面变形；20202020世纪世纪世纪世纪50505050年代发展变形功平衡法；年代发展变形功平衡法；年代发展变形功平衡法；年代发展变形功平衡法；现代，塑性有限元法。现代，塑性有限元法。现代，塑性有限元法。现代，塑性有限元法。2.2.2.2.金属塑性加工材料学金属塑性加工材料学金属塑性加工材料学金属塑性加工材料学运运运运用用用用物物物物理理理理冶冶冶冶金金金金原原原原理理理理研研研研究究究究塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形过过过过程程程程中中中中金金金金属属属属的的的的组织演变及性能变化的规律。组织演变及性能变化的规律。组织演变及性能变化的规律。组织演变及性能变化的规律。运运运运用用用用位位位位错错错错理理理理论论论论解解解解释释释释金金金金属属属属塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形过过过过程程程程，如如如如滑滑滑滑移移移移、机械孪生、加工硬化、裂纹形成、扩展和断裂。机械孪生、加工硬化、裂纹形成、扩展和断裂。机械孪生、加工硬化、裂纹形成、扩展和断裂。机械孪生、加工硬化、裂纹形成、扩展和断裂。胞胞胞胞状状状状结结结结构构构构、剪剪剪剪切切切切带带带带、过过过过渡渡渡渡带带带带、形形形形变变变变带带带带以以以以及及及及晶晶晶晶粒粒粒粒取向演变与分布。取向演变与分布。取向演变与分布。取向演变与分布。25 m(c)ND/001用电子背散射衍射（用电子背散射衍射（用电子背散射衍射（用电子背散射衍射（EBSDEBSDEBSDEBSD）技术获得的微取向分布上图）技术获得的微取向分布上图）技术获得的微取向分布上图）技术获得的微取向分布上图3.3.3.3.塑性加工摩擦学塑性加工摩擦学塑性加工摩擦学塑性加工摩擦学机械摩擦理论：机械摩擦理论：机械摩擦理论：机械摩擦理论：阿芒顿库仑定律；阿芒顿库仑定律；阿芒顿库仑定律；阿芒顿库仑定律；粘着摩擦理论：粘着摩擦理论：粘着摩擦理论：粘着摩擦理论：1 1 1 1、F.P.F.P.F.P.F.P.鲍鲍鲍鲍D.D.D.D.泰伯焊合摩擦理论泰伯焊合摩擦理论泰伯焊合摩擦理论泰伯焊合摩擦理论2 2 2 2、.B.B.B.B克拉盖尔斯基理论克拉盖尔斯基理论克拉盖尔斯基理论克拉盖尔斯基理论磨损磨损磨损磨损润滑润滑润滑润滑 塑塑塑塑性性性性加加加加工工工工过过过过程程程程中中中中接接接接触触触触表表表表面面面面间间间间的的的的相相相相对对对对运运运运动动动动引引引引 起起起起摩摩摩摩擦擦擦擦，发发发发生生生生一一一一系系系系列列列列物物物物理理理理、化化化化学学学学和和和和力力力力学学学学变变变变化化化化，对对对对金金金金属属属属塑塑塑塑性性性性变形应力应变分布和产品质量产生重要影响。变形应力应变分布和产品质量产生重要影响。变形应力应变分布和产品质量产生重要影响。变形应力应变分布和产品质量产生重要影响。0.5 0.5 0.5 0.5 本课程的任务本课程的任务本课程的任务本课程的任务增量理论增量理论 ：1 1、Levy-MisesLevy-Mises增量理论增量理论 2 2、Prandtl-ReussPrandtl-Reuss理论理论磨损全量理论：磨损全量理论：磨损全量理论：磨损全量理论：HenckyHenckyHenckyHencky全量理论全量理论全量理论全量理论 学学学学习习习习塑塑塑塑性性性性力力力力学学学学的的的的基基基基础础础础知知知知识识识识，掌掌掌掌握握握握应应应应力力力力应应应应变变变变分分分分析析析析、塑性变形物性方程等变形力学知识，为塑性加工过塑性变形物性方程等变形力学知识，为塑性加工过塑性变形物性方程等变形力学知识，为塑性加工过塑性变形物性方程等变形力学知识，为塑性加工过程中变形体的应力、应变分析及变形力与功的计算程中变形体的应力、应变分析及变形力与功的计算程中变形体的应力、应变分析及变形力与功的计算程中变形体的应力、应变分析及变形力与功的计算奠定奠定奠定奠定力学基础力学基础力学基础力学基础。0.5 0.5 0.5 0.5 本课程的任务本课程的任务本课程的任务本课程的任务 学习金属塑性变形的物理冶金知识，掌握塑性变形时学习金属塑性变形的物理冶金知识，掌握塑性变形时学习金属塑性变形的物理冶金知识，掌握塑性变形时学习金属塑性变形的物理冶金知识，掌握塑性变形时金属流动和变形不均匀分布规律，分析影响金属塑性流动金属流动和变形不均匀分布规律，分析影响金属塑性流动金属流动和变形不均匀分布规律，分析影响金属塑性流动金属流动和变形不均匀分布规律，分析影响金属塑性流动和变形不均匀的影响因素、金属塑性变形的微观机理和组和变形不均匀的影响因素、金属塑性变形的微观机理和组和变形不均匀的影响因素、金属塑性变形的微观机理和组和变形不均匀的影响因素、金属塑性变形的微观机理和组织性能变化规律，为确定塑性加工的温度、速度等条件，织性能变化规律，为确定塑性加工的温度、速度等条件，织性能变化规律，为确定塑性加工的温度、速度等条件，织性能变化规律，为确定塑性加工的温度、速度等条件，获得最佳塑性状态和制品组织性能奠定获得最佳塑性状态和制品组织性能奠定获得最佳塑性状态和制品组织性能奠定获得最佳塑性状态和制品组织性能奠定材料学基础材料学基础材料学基础材料学基础。0.5 0.5 0.5 0.5 本课程的任务本课程的任务本课程的任务本课程的任务 学习塑性加工过程中摩擦与润滑的基本知识，掌握学习塑性加工过程中摩擦与润滑的基本知识，掌握学习塑性加工过程中摩擦与润滑的基本知识，掌握学习塑性加工过程中摩擦与润滑的基本知识，掌握摩擦基本的特点与规律；摩擦对塑性加工过程的影响与摩擦基本的特点与规律；摩擦对塑性加工过程的影响与摩擦基本的特点与规律；摩擦对塑性加工过程的影响与摩擦基本的特点与规律；摩擦对塑性加工过程的影响与作用；塑性加工工艺润滑的基本理论，为合理选择润滑作用；塑性加工工艺润滑的基本理论，为合理选择润滑作用；塑性加工工艺润滑的基本理论，为合理选择润滑作用；塑性加工工艺润滑的基本理论，为合理选择润滑剂及润滑工艺奠定剂及润滑工艺奠定剂及润滑工艺奠定剂及润滑工艺奠定物理化学基础物理化学基础物理化学基础物理化学基础。0.6 0.6 0.6 0.6 金属材料加工的主要方向金属材料加工的主要方向金属材料加工的主要方向金属材料加工的主要方向常常常常规规规规材材材材料料料料加加加加工工工工工工工工艺艺艺艺的的的的短短短短流流流流程程程程化化化化和和和和高高高高速速速速、高高高高效效效效 化化化化连铸连轧连铸连轧连铸连轧连铸连轧 发发发发展展展展先先先先进进进进的的的的成成成成形形形形加加加加工工工工技技技技术术术术，实实实实现现现现组组组组织织织织与与与与性性性性能能能能的的的的精精精精确控制确控制确控制确控制热连轧，冷连轧热连轧，冷连轧热连轧，冷连轧热连轧，冷连轧 材料设计、制备与成形加工一体化材料设计、制备与成形加工一体化材料设计、制备与成形加工一体化材料设计、制备与成形加工一体化整体构件整体构件整体构件整体构件 0.6 0.6 0.6 0.6 金属材料加工的主要方向金属材料加工的主要方向金属材料加工的主要方向金属材料加工的主要方向开开开开发发发发新新新新型型型型制制制制备备备备与与与与成成成成形形形形加加加加工工工工技技技技术术术术，发发发发展展展展新新新新材材材材料料料料和和和和新新新新制品制品制品制品快速冷凝、喷射沉积快速冷凝、喷射沉积快速冷凝、喷射沉积快速冷凝、喷射沉积发发发发展展展展计计计计算算算算机机机机数数数数值值值值模模模模拟拟拟拟、仿仿仿仿真真真真模模模模拟拟拟拟及及及及神神神神经经经经网网网网络络络络技技技技 术，术，术，术，构筑完善的材料数据库构筑完善的材料数据库构筑完善的材料数据库构筑完善的材料数据库。材料的材料的材料的材料的智能制备与成形加工技术。智能制备与成形加工技术。智能制备与成形加工技术。智能制备与成形加工技术。金属塑性加工原理Principle of Plastic Deformation in Metal Processing中南大学中南大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料加工系材料加工系2005.072005.07绪绪 论论主要研究内容主要研究内容几个基本概念几个基本概念弹性、塑性变形的力学特征弹性、塑性变形的力学特征研究内容研究内容 塑性力学塑性力学(The mechanics of plasticity)(The mechanics of plasticity)是固体力学的是固体力学的一个分支，其主要任务是研究物体在塑性变形阶段的应力和一个分支，其主要任务是研究物体在塑性变形阶段的应力和应变的规律。应变的规律。与其它工程力学（如：理论力学、材料力学、结构力学）与其它工程力学（如：理论力学、材料力学、结构力学）的区别主要是研究方法、对象以及分析结果的差异。的区别主要是研究方法、对象以及分析结果的差异。弹性弹性(Elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。塑性塑性(Plasticity)：固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力 屈服屈服(Yielding)：开始产生塑性变形的临界状态损伤损伤(Damage)：材料内部缺陷产生及发展的过程断裂断裂(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弹性、塑性变形的力学特征弹性、塑性变形的力学特征变形方式变形方式弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形可逆性可逆性可逆可逆不可逆不可逆-关系关系线性线性非线性非线性与加载路径的关系与加载路径的关系无关无关有关有关对组织和性能的影响对组织和性能的影响无影响无影响影响大影响大变形机理变形机理原子间距的变化原子间距的变化位错运动为主位错运动为主弹塑性共存弹塑性共存 整体变形中包含弹性变形和塑性变形；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。塑性变形的发生必先经历弹性变形。金属塑性加工原理Principle of Plastic Deformation in Metal Processing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 1.1 1.1 1.1 应力与点的应力状态应力与点的应力状态应力与点的应力状态应力与点的应力状态外力外力(Load)(Load)与内力与内力(Internal force)(Internal force)外力外力P P：指施加在变形体上的外部载荷。可以分成表面力指施加在变形体上的外部载荷。可以分成表面力和体积力两大类。表面力即作用于工件表面的力和体积力两大类。表面力即作用于工件表面的力 ，它有集，它有集中载荷和分布载荷之分，一般由加工设备和模具提供。体积中载荷和分布载荷之分，一般由加工设备和模具提供。体积力则是作用于工件每一质点上的力，力则是作用于工件每一质点上的力，如重力、磁力、惯性如重力、磁力、惯性力等等。力等等。内力内力Q Q：内力是材料内部所受的力，它的产生来自于外界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。作用和物体内维持自身完整性的力。1.1.1 1.1.1 1.1.1 1.1.1 应力应力应力应力应力应力S S 是内力的集度是内力的集度 内力和应力均为矢量内力和应力均为矢量 应力的单位：应力的单位：1Pa=1N/m1Pa=1N/m2 2=1.0197Kgf/mm=1.0197Kgf/mm2 2 1MPa=106N/m 1MPa=106N/m2 2应力是某点应力是某点A A的坐标的函数，即受力体内不同点的应力的坐标的函数，即受力体内不同点的应力不同。不同。应力是某点应力是某点A A在坐标系中的方向余弦的函数，即同一点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。不同方位的截面上的应力是不同的。应力（应力（StressStress）：应力是单位面积上的内力应力是单位面积上的内力 （见右图）。（见右图）。其定义式为：其定义式为：Sn=dQ/dASn=dQ/dA 应力可以进行分解应力可以进行分解S Sn n n n、n n（nn法向）法向）某截面（外法线方向为某截面（外法线方向为n n）上的应力：）上的应力：或者或者截面应力分解一一点点的的应应力力状状态态：是是指指通通过过变变形形体体内内某某点点的的单单元元体体所所有有截截面面上的应力的有无、大小、方向等情况。上的应力的有无、大小、方向等情况。一点的应力状态的描述一点的应力状态的描述 数值表达：数值表达：x x=50MPa=50MPa，xzxz=35MPa=35MPa 图示表达：在单元体的三个正交面上标出（如图图示表达：在单元体的三个正交面上标出（如图 1-21-2）张量表达：张量表达：(i,j=x,y,z)(i,j=x,y,z)1.1.1 1.1.1 1.1.1 1.1.1 一点的应力状态及应力张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一点的应力状态及应力张量u 应力分量图示应力分量图示应力分量图示应力分量图示u 应力的分量表示及正负符号的规定应力的分量表示及正负符号的规定应力的分量表示及正负符号的规定应力的分量表示及正负符号的规定 ijij xxxx、xyxy、xzxz、yxyx、yyyy、yzyz、zxzx、zyzy、zzzz i i应力作用面的外法线方向应力作用面的外法线方向 jj应力分量本身作用的方向应力分量本身作用的方向 当当 i=j i=j 时为正应力时为正应力 i i、j j同号为正（拉应力），异号为负（压应力）同号为正（拉应力），异号为负（压应力）当当 ij ij 时为剪应力时为剪应力 i i、j j同号为正，异号为负同号为正，异号为负 应力的坐标变换（应力的坐标变换（例题讲解例题讲解）*实际应用：晶体取向、织构分析等实际应用：晶体取向、织构分析等应力莫尔圆应力莫尔圆*二维应力莫尔圆与三维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、如何分析掌握如何画、如何分析 1.2 1.2 1.2 1.2 点的应力状态分析点的应力状态分析点的应力状态分析点的应力状态分析1.2.1 1.2.1 主应力及应力张量不变量主应力及应力张量不变量1.2.2 1.2.2 主剪应力和最大剪应力主剪应力和最大剪应力1.2.3 1.2.3 八面体应力与等效应力八面体应力与等效应力1.2.1 1.2.1 1.2.1 1.2.1 主应力及应力张量不变量主应力及应力张量不变量主应力及应力张量不变量主应力及应力张量不变量 主应力主应力（Principal stressPrincipal stress）：指指作用面作用面上无切应力时上无切应力时所对应的正应力，该作用面称作主平面，法线方向为主轴或所对应的正应力，该作用面称作主平面，法线方向为主轴或主方向主方向 设主应力为设主应力为，当为主方向时，有，当为主方向时，有 ，代入整理，有，代入整理，有：求解求解l lx x、l ly y、l lz z的非零解，必有系数行列式值为零，最终的非零解，必有系数行列式值为零，最终可得可得 ：该面叫做主平面主平面，法线方向为主方向主方向 式中式中I I1 1、I I2 2、I I3 3称作称作应应力力张张量的第一、二、三量的第一、二、三不不变变量。量。讨论讨论：1.1.可以证明，在应力空间，主应力平面是存在的；可以证明，在应力空间，主应力平面是存在的；2.2.三个主平面是相互正交的；三个主平面是相互正交的；3.3.三个主应力均为实根，不可能为虚根；三个主应力均为实根，不可能为虚根；4.4.应力特征方程的解是唯一的；应力特征方程的解是唯一的；5.5.对于给定的应力状态，应力不变量也具有唯一性对于给定的应力状态，应力不变量也具有唯一性;6.6.应应力力第第一一不不变变量量I I1 1反反映映变变形形体体体体积积变变形形的的剧剧烈烈程程 度度，与与塑塑性性变变形形无无关关；I I3 3也也与与塑塑性性变变形形无无关关；I I2 2与与塑塑性性变形无关。变形无关。7.7.应力不变量不随坐标而改变，是点的确定性的判据。应力不变量不随坐标而改变，是点的确定性的判据。主应力的求解主应力的求解主应力的图示主应力的图示 1.2.2 1.2.2 1.2.2 1.2.2 主切应力和最大剪切应力主切应力和最大剪切应力主切应力和最大剪切应力主切应力和最大剪切应力主主切切应应力力(Principal(Principal shear shear stress)stress)：极极值值切切应应力力（不不为为零零）平面上作用的切应力。平面上作用的切应力。最大剪应力最大剪应力(Maximun shear stress)(Maximun shear stress)：通常规定：通常规定：则有则有最大剪应力最大剪应力：或者：或者：其中：其中：且有：且有：02,2,2,max312312133132232112312312max=+-=-=-=tttsstsstssttttt主应力空间的主应力空间的110110面族面族1.2.3 1.2.3 1.2.3 1.2.3 八面体应力与等效应力八面体应力与等效应力八面体应力与等效应力八面体应力与等效应力 在主应力空间中，每一卦限中均有一组与三个坐标轴成在主应力空间中，每一卦限中均有一组与三个坐标轴成等倾角的平面，八个卦限共有八组，构成等倾角的平面，八个卦限共有八组，构成正八面体面正八面体面。八面八面体表面上的应力为体表面上的应力为八面体应力八面体应力。正应力正应力剪应力剪应力总应力总应力 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。有关。八面体应力八面体应力八面体应力八面体应力u 八面体应力的求解思路：八面体应力的求解思路：关键关键等效应力等效应力等效应力等效应力 为了使不同应力状态具有可比性，定义了为了使不同应力状态具有可比性，定义了等效应力等效应力e e（Effective stress Effective stress），也称），也称相当应力相当应力。应变能相同的条件下或或公式：公式：1.1.等效的实质？等效的实质？n是（弹性）应变能是（弹性）应变能等效等效（相当于）。（相当于）。2.2.什么与什么等效？什么与什么等效？n复杂应力状态（二维和三维）与简单应力状态（一维）复杂应力状态（二维和三维）与简单应力状态（一维）等效。等效。3.3.如何等效？如何等效？n等效公式（注意：等效应力是标量，没有作用面）。等效公式（注意：等效应力是标量，没有作用面）。4.4.等效的意义？等效的意义？n屈服的判别、变形能的计算、简化问题的分析等。屈服的判别、变形能的计算、简化问题的分析等。讨论讨论1.3 1.3 1.3 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应力张量的分解与几何表示应力张量的分解与几何表示 塑性变形时体积变化为零，只有形状变化。因此，可以把塑性变形时体积变化为零，只有形状变化。因此，可以把ijij（Stress tensor Stress tensor）分解成与体积变化有关的量和形状变）分解成与体积变化有关的量和形状变化有关的量。前者称为化有关的量。前者称为应力球张量应力球张量(Spherical stress(Spherical stress tensor)tensor)，后者称为，后者称为应力偏张量应力偏张量(Deviatoric stress tensor)(Deviatoric stress tensor)。设。设m m为平均应力，则有为平均应力，则有按照应力叠加原理，按照应力叠加原理，ijij具有可分解性。因此有具有可分解性。因此有 式中，当式中，当i ij j时，时，ijij1 1；当；当ijij时，时，ijij0 0即即:上式第一项为应力偏张量，其主轴方向与原应力张上式第一项为应力偏张量，其主轴方向与原应力张量相同；第二项为应力球张量，其任何方向都是主方向，且量相同；第二项为应力球张量，其任何方向都是主方向，且主应力相同。主应力相同。值得一提的是，值得一提的是，mijmij只影响体积变化，不影响形状只影响体积变化，不影响形状变化，但它关系到材料塑性的充分发挥。三向压应力有利变化，但它关系到材料塑性的充分发挥。三向压应力有利于材料塑性的发挥。于材料塑性的发挥。应力偏张量仍然是一个二阶对称张量，同样有三个不应力偏张量仍然是一个二阶对称张量，同样有三个不变量，分别为变量，分别为 ，。表明应力偏张量已不含平均应力成分；表明应力偏张量已不含平均应力成分；与屈服准则有关与屈服准则有关反映了变形的类型：反映了变形的类型：0 0表示广义拉伸变形，表示广义拉伸变形，0 0表示广义剪切变形，表示广义剪切变形，0 0表示广义压缩变形。表示广义压缩变形。uu 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体形形状状的的改改变变，只只会会引引起起体体积积改改变变，即即对对塑塑性性条条件件无无影响。影响。为为引引出出形形状状改改变变的的偏偏应应力力张张量量，为为引引出出体体积积改改变变的的球球张张量（静水压力）。量（静水压力）。1.4 1.4 1.4 1.4 应力平衡微分方程应力平衡微分方程应力平衡微分方程应力平衡微分方程 应力平衡微分方程应力平衡微分方程就是物体任意无限相邻两点间就是物体任意无限相邻两点间ijij关关系，可以通过微体沿坐标轴力平衡来得到，一般应力平衡方系，可以通过微体沿坐标轴力平衡来得到，一般应力平衡方程在不同坐标系下有不同的表达式程在不同坐标系下有不同的表达式。直角坐标下的应力平衡微分方程直角坐标下的应力平衡微分方程*简记作 推导原理：推导原理：静力平衡条件：静力平衡条件：静力矩平衡条件：静力矩平衡条件：泰勒级数展开：泰勒级数展开：圆柱坐标下的应力平衡微分方程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？球坐标下的应力平衡微分方程？1.5 1.5 1.5 1.5 应变与位移关系方程应变与位移关系方程应变与位移关系方程应变与位移关系方程1.5.1 1.5.1 1.5.1 1.5.1 几何方程几何方程几何方程几何方程 物体变形时，内部各质点都在运动，质点在不同时刻物体变形时，内部各质点都在运动，质点在不同时刻所走的距离称作所走的距离称作位移位移(Displacement)(Displacement)。而变形则是指两点。而变形则是指两点间距的变化。这种变化有绝对变形与相对变形之分。间距的变化。这种变化有绝对变形与相对变形之分。应变应变(Strain)(Strain)属相对变