—塑性加工原理塑性与变形总.pptx

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1、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1页/共154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2页/共154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3页/共154页 图3-1 开式模锻的金属流动 图3-2 最小周边法则第4页/共154页

2、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5页/共154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6页/共154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7页/共154页 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

3、应力分布受到影响。 第8页/共154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9页/共154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10页/共154页 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11页/共154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12页/共154页 图3-12 h2 为各种数值时的情况 第13页/共154页 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

4、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14页/共154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15页/共154页 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16页/共154页图3-15 拔长时外端的影响 （a）（b）第17页/共154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18页/共154页 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

5、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19页/共154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20页/共154页 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21页/共154页 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22页/共154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

6、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23页/共154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24页/共154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25页/共154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，

7、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26页/共154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l图3-22 相邻晶粒的变形第27页/共154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28页/共154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

8、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29页/共154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30页/共154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31页/共154页3. 4. 1 金属在平锤间镦粗

9、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32页/共154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33页/共154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34页/共154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

10、材拉伸时金属的流动规律 3 棒材拉拔时的附加应力 第35页/共154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36页/共154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37页/共154页4.1 4.1 概述概述金属塑性加工

11、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38页/共154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

12、39页/共154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40页/共154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41页/共154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

13、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42页/共154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。 NFNN第43页/共154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（

14、）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44页/共154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45页/共154页0.130.120.110.100.090.080.070.060.050.040.0

15、30.020.0102006001000140018002200N/mm2摩擦系数0.14图4-6 正压力对摩擦系数的影响第46页/共154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47页/共154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48页/共154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

16、能耗 润滑机理流体力学原理吸附机制第49页/共154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50页/共154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

17、熔体润滑剂第51页/共154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52页/共154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53页/共154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54页/共154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

18、5. 1. 3 塑性状态图及其应用 第55页/共154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56页/共154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57页/共154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58页/共15

19、4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59页/共154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60页/共154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61页/共154页拉伸试验法拉伸试验法00100%hLLL00100%hFFF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62页/共154页压缩试验法压缩

20、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： 00100%hHHH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63页/共154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（ ） 。 030nRL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64页/共154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65页/共154页5. 1. 3 塑性状态图及其应用塑性状

21、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66页/共154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67页/共154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68页/共154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-

22、Al二元系状态图 第69页/共154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70页/共154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71页/共154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72页/共154页从塑性图上获取的信息从塑性图上

23、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73页/共154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74页/共154页5

24、. 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75页/共154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76页/共154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77页/共154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

25、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78页/共154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79页/共154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80页/共154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

26、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81页/共154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82页/共154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83页/共154页5. 3. 2 影

27、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84页/共154页温度，图5-15 碳钢的塑性随温度变化图塑塑性性第85页/共154页纯铝无氧铜图5-16 几种铝合金及铜合金的塑性图 第86页/共154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87页/共154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88页/共154页3变形程度变形

28、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89页/共154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90页/共154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 12第91页/共154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92页/共154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

29、塑性； 2变形抗力； 3临界体积点第93页/共154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94页/共154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95页/共1

30、54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96页/共154页6. 1. 1 冷变形冷变形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 第97页/共154页6. 1. 2 热变形热变形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 第98页/共154页6. 1. 3 塑性变形对固态相变的影响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 第99页/共154页6. 2 金属塑性变形的温度金属塑性变形的温度速度

31、效速度效应应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 第100页/共154页6. 2. 1 变形温度变形温度 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。 第101页/共154页6. 2. 2 变形速度变形速度 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； dtdVV

32、dtd1（秒-1） 第102页/共154页6. 2. 3 变形中的热效应及温度效变形中的热效应及温度效应应 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。(%)AATAA%)100(112TTT 第103页/共154页6. 2. 4 热力学条件之间的相互关热力学条件之间的相互关系系1变形温和变形速度恒定时，变形程度与变形抗力 的 关系

33、 :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、 、 、 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。 asbTsecs（6-4） （6-5） （6-6） bTcaseA)()(（6-7） 第104页/共154页6. 3 形变热处理形变热处理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 第105页/共154页温度时间图6-23 时效型合金形变热处

34、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）预形变热处理第106页/共154页t6767132413254676713245424 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 第107页/共154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108页/共154页q 解析对象解析对象 主要是求解主要是求解变形力变形力，此外可以求解变形量和变形速度等，此外可以求解变形量和变形

35、速度等q 解析方法解析方法 工程法（工程法（slabslab法，主应力法）法，主应力法） 滑移线法（滑移线法（slip lineslip line） 上限法（上限法（upper boundupper bound）（下限法）、上限单元法）（下限法）、上限单元法 有限单元法（有限单元法（FEM,Finite Element MethodFEM,Finite Element Method）金属塑性加工时，加工设备可动工具使金属产生塑性金属塑性加工时，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

36、工工艺规程和确定力、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。毛坯形状尺寸的必要的基本力学参数。 第109页/共154页第第7 7章章 金属塑性加工变形力的金属塑性加工变形力的工程法解析工程法解析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第110页/共154页7.1 工程法及其要点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 SpdsPnSnp第111页/共154页求解要点

37、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。第112页/共154页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

38、条件 可简化为22244)(kxyyx02yxyxkyxdd2223)(Tzrzr0zrdd第113页/共154页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。 nkfkkkn3/sk第114页/共154页例题一1. 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

39、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直角坐标平面应变问题解析析 第115页/共154页单元体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：02)(dxhdhkxxx02hdxdkxfyxk0dydxhdxdky2ykfhfdxdyy2xhfCy2exp1第116页/共154页在接触边缘处，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： 2/Wx 0 xfykhfWKCfexphxWfKfy)5 . 0(2exp

40、1exp)(22/0hWffhKdxPfWy第117页/共154页 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 第118页/共154页圆柱坐标圆柱坐标轴对称问题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： 02sin22)()(ddrhdrrdddrrhdrdhkrrr第119页/共154页由于很小

41、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：22sindd 02rhdrdrkrr20krddrhzrdd02hdrdkz第120页/共154页接触面上正应力 的分布规律1滑动区上式积分得：当r=R时， ，将近似塑性条件 代入上式，得积分常数C1因此：zzkf02hfdrdzzhfrCz2exp10rTzhRfCT2exp1)(2exprRhfTz第121页/共154页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/Tk032hdrdTz232CrhTz3/ZbkffTzb3

42、/)21(3/2hfCbT)(1 3rrhffbTz第122页/共154页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 hrchrhrTck/3/0/ 322hrdrdTz322/3/ChrTzhrrczcz3/3TzcC)(3222rhhTZCz)(2130hrhffTZC第123页/共154页 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：zz)(213)(2expbbTbTrrhffrRhfffhDrb23ln2第124页/共154页5平均单位

43、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。 pdrrRrdrRpRZRz0202221z第125页/共154页7.4 极坐标平面应变问题解析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题。由于变形的对称性， 、 均为主应力。r第126页/共154页因此平衡微分方程为：将塑性条件 代入上式得然后利用边界条件进行拉深力的求解。0rdrdrrfrKCrKfrln第127页/共154页 单孔模正挤压圆棒 （球坐标轴对称问题）

44、 分四个区进行求解。图7-7 圆棒正挤压受力情况7.5 球球坐标轴对称问题的解析坐标轴对称问题的解析 第128页/共154页第第8 8章章 滑移线理论及应用滑移线理论及应用8.1 平面应变问题和滑移线场8.2 汉盖（Hencky）应力方程滑 移线的沿线力学方程8.3 滑移线的几何性质8.4 应力边界条件和滑移线场的绘制8.5 三角形均匀场与简单扇形场组合 问题及实例8.6 双心扇形场问题及实例第129页/共154页8.1 平面应变问题和滑移线场平面应变问题和滑移线场（a）塑性流动平面（物理平面），（b）正交曲线坐标系的应力特点，（c）应力莫尔圆 图8-1 平面应变问题应力状态的几何表示第130

45、页/共154页平面应变问题平面应变问题根据平面流动的塑性条件， （对Tresca塑性条件 ； 对Mises塑性条件 ）于是，由图8-1c的几何关系可知，有式中 静水压力 定义为最大切应力 方向与坐标轴Ox的夹角。2sinkpx2sinkpy2coskxykmax2/Tk3/Tk)2/ )(yxmp)(maxk第131页/共154页平面应变问题平面应变问题 对于平面塑性流动问题，由于某一方向上的位移分量为零 （设duZ=0），故只有三个应变分量（ 、 、 ），也称 平面应变问题。根据塑性流动法则，可知 式中， 为平均应力；p称为静水压力。 根据塑性变形增量理论，平面塑性流动问题独立的应力分量 也

46、只有三个（ 、 、 ），于是平面应变问题的最大切应力 为： xdydxydpmyxZ2/)(2mxyxy2231max2/)(2/)(xyyx第132页/共154页 对于理想刚塑材料，材料的屈服切应力k为常数。因此塑性变形区内各点莫尔圆半径（即最大切应力 ）等于材料常数k。如图8-2所示，在x-y坐标平面上任取一点P1，其 的，即 方向为 ，沿 方向上取一点P2，其 方向为 ，依此取点a2，其 线方向为 ，依次连续取下去，直至塑性变形区的边界为止，最后获得一条折线P1-P2-P3-P4，称为 线。按正、负两最大切应力相互正交的性质，由P点沿与 的垂直方向上，即在P点的 的，即 方向上取点，也可

47、得到一条折线 ，称为 线。 max0012)(max4321PPPPkmax第133页/共154页由图8-2可知，滑移线的微分方程为： 对 线 对 线图8-2 x-y坐标系与滑移经网络 tgdxdyctgtgdxdy/)(第134页/共154页 滑移线理论法是一种图形绘制与数值计算相结合的方法，即根据平面应变问题滑移线场的性质绘出滑移线场，再根据精确平衡微分方程和精确塑性条件建立汉盖（Hencky）应力方程，求得理想刚塑性材料平面应变问题变形区内应力分布以及变形力的一种方法。 滑移线理论法滑移线理论法第135页/共154页8.2 汉盖（汉盖（HenckyHencky）应力方程）应力方程滑移线的

48、沿线力学方程滑移线的沿线力学方程推导：推导：有平面应变问题的微分平衡方程 将式（8-3）代入上式，得 0yxyxx0yxyxy02cos22sin202sin22cos2ykxkypykxkxp第136页/共154页整理得表达成 对 线取“+”号 对 线取“-”号 式中， 上式表明，沿滑移线的静水压力差（ ）与滑移线上相应的倾角差（ ）成正比。故式表明了滑移线的沿线性质。 汉盖应力方程不仅体现了微分平衡方程，同时也满足了塑性条件方程。ababkp2baabpppbaababpab第137页/共154页8.3 滑移线的几何性质滑移线的几何性质 一、汉盖第一定理 同族的两条滑移线与加族任意一条滑移

49、线相交两点的倾角差和静水压力变化量均保持不变。 二、汉盖第二定理 一动点沿某族任意一条滑移线移动时，过该动点起、始位置的另一族两条滑移线的曲率变化量等于该点所移动的路程第138页/共154页8.4 应力边界条件和滑应力边界条件和滑 移线场的绘制移线场的绘制应力边界条件1）自由表面2）光滑（无摩擦）接触表面4）滑动摩擦接触表面3）粘着摩擦接触表面第139页/共154页滑移线场绘制的滑移线场绘制的数值计算方法数值计算方法1）特征线问题 这是给定两条相交的滑移线为初始线，求作整个滑移线网的边值问题，即所谓黎曼（Riemann）问题。 2）特征值问题 这是已知一条不为滑移线的边界AB上任一点的应力分量

50、（ 、 、 ）的初始值，求作滑移线场的问题，即所谓柯西（Cauchy）问题。 3）混合问题 这是给定一条线OA，和与之相交的另一条不是滑移线的某曲线OB（可能是接触边界线或变形区中的对称轴线）上倾角值 xyxy第140页/共154页第第9 9章章 功平衡法和上限功平衡法和上限 法及其应用法及其应用9.1 功平衡法9.2 极值原理及上限法9.3 速度间断面及其速度特性9.4 Johnson上限模式及应用9.5 Aviztur上限模式及应用第141页/共154页9.1 功平衡法功平衡法功平衡法是利用塑性变形过程中的功平衡原 理来计算变形力的一种近似方法，又称变形功 法。功平衡原理是指：塑性变形过程