弹塑性力学讲义01.ppt

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1、弹塑性力学基础弹塑性力学基础昆明理工大学材料科学与工程学院高 鹏 1 1、弹塑性力学、弹塑性力学弹塑性力学是固体力学的一个重要分支学科，是研究可变形固体受到外荷载或温度变化等因素的影响而发生的应力、应变和位移及其分布规律的一门科学，是研究固体在承载过程中产生的弹性变形和塑性变形阶段这两个紧密相连的变形阶段力学响应的一门科学。绪绪论论一、弹塑性力学的发展一、弹塑性力学的发展2 2、弹塑性力学的研究对象、弹塑性力学的研究对象 在研究对象上，材料力学的研究对象是固体，且基本上是各种杆件，即所谓一维构件一维构件。弹塑性力学研究对象也是固体，是不受 几何尺寸与形态限制的能适应各种工程技术工程技术 问题需

2、求的物体。3、弹塑性力学的基本思路与研究方法、弹塑性力学的基本思路与研究方法1 1）、弹塑性力学分析问题的基本思路）、弹塑性力学分析问题的基本思路 弹塑性力学与材料力学同属固体力学的 分支学科，它们在分析问题解决问题的基本 思路上都是一致的，但在研究问题的基本方 法上各不相同。其基本思路如下：(1)(1)受力分析及静力平衡条件受力分析及静力平衡条件(力的分析力的分析)对一点单元体的受力进行分析。若物体受力作对一点单元体的受力进行分析。若物体受力作用，处于平衡状态，则应当满足的条件是什么？（静用，处于平衡状态，则应当满足的条件是什么？（静力平衡条件）力平衡条件）(2)(2)变形分析及几何相容条件

3、变形分析及几何相容条件 (几何分析几何分析)材料是材料是连续连续的，物体在受力变形后仍应是连续的。的，物体在受力变形后仍应是连续的。固体内既不产生固体内既不产生“裂隙裂隙”，也不产生，也不产生“重叠重叠”。则材。则材料变形时，对一点单元体的变形进行分析，应满足的料变形时，对一点单元体的变形进行分析，应满足的条件是什么？（几何相容条件）条件是什么？（几何相容条件）（A A）在弹性变形阶段）在弹性变形阶段（B B）在弹塑性变形阶段，屈服函数）在弹塑性变形阶段，屈服函数 增量理论（流动理论）：增量理论（流动理论）：则有：全量理论（形变理论）：全量理论（形变理论）：固体材料受力作用必然产生相应的变形。

4、不同的固体材料受力作用必然产生相应的变形。不同的材料，不同的变形，就有相应不同的物理关系。则材料，不同的变形，就有相应不同的物理关系。则对对一点单元体的受力与变形间的关系进行分析，应满足一点单元体的受力与变形间的关系进行分析，应满足的条件是什么？（物理条件，也即的条件是什么？（物理条件，也即本构方程本构方程。）。）(3)(3)力与变形间的本构关系力与变形间的本构关系(物理分析物理分析)2 2）、弹塑性力学研究问题的基本方法）、弹塑性力学研究问题的基本方法 材料力学研究问题的基本方法：材料力学研究问题的基本方法：选一维构件整体为研究对象变形前，在某表面绘制标志线；变形后，观察总结构件表面变形的规

5、律。做出平截面假设，经三方面分析，解决问题。a、研究方法较简单粗糙；研究方法较简单粗糙；b、涉及数学理论较简单；涉及数学理论较简单；c、材料力学的工程解答一般为近似解。材料力学的工程解答一般为近似解。弹塑性力学研究问题的基本方法弹塑性力学研究问题的基本方法以受力物以受力物体内某一体内某一点（单元点（单元体）为研体）为研究对象究对象 单元体的受力单元体的受力应力理论；应力理论；单元体的变形单元体的变形变形几何理论；变形几何理论；单元体受力与变形单元体受力与变形间的关系间的关系本构理本构理论；论；建立起普建立起普遍适用的遍适用的理论与解理论与解法。法。1 1、涉及数学理论较复杂，并以其理论与解法的

6、严密性和涉及数学理论较复杂，并以其理论与解法的严密性和 普遍适用性为特点；普遍适用性为特点；2 2、弹塑性力学的工程解答一般认为是精确的；弹塑性力学的工程解答一般认为是精确的；3 3、可对初等力学理论解答的精确度和可靠进行度量。可对初等力学理论解答的精确度和可靠进行度量。4 4、弹塑性力学的基本任务弹塑性力学的基本任务可归纳为以下几点：可归纳为以下几点：1 1建立求解固体的建立求解固体的应力、应变和位移应力、应变和位移分布规律的分布规律的 基本方程和理论；基本方程和理论；2 2给出初等理论无法求解的问题的理论和方法，给出初等理论无法求解的问题的理论和方法，以及对初等理论可靠性与精确度的度量；以

7、及对初等理论可靠性与精确度的度量；3 3确定和充分发挥一般工程结构物的承载能力，确定和充分发挥一般工程结构物的承载能力，提高经济效益；提高经济效益；4 4为进一步研究工程结构物的强度、振动、稳定为进一步研究工程结构物的强度、振动、稳定 性、断裂等力学问题，奠定必要的理论基础。性、断裂等力学问题，奠定必要的理论基础。5 5、弹塑性力学的基本假设弹塑性力学的基本假设（1 1）连续性假设：假定物质充满了物体所占有的）连续性假设：假定物质充满了物体所占有的 全部空间，不留下任何空隙。全部空间，不留下任何空隙。（2 2）均匀性与各向同性的假设：假定物体内部各点）均匀性与各向同性的假设：假定物体内部各点

8、处，以及每一点处各个方向上的物理性质相同。处，以及每一点处各个方向上的物理性质相同。1、物理假设、物理假设:（3 3）力学模型的简化假设：）力学模型的简化假设：（A A）完全弹性假设完全弹性假设 ；（；（B B）弹塑性假设。弹塑性假设。2、几何假设、几何假设小变形条件小变形条件（1 1）在弹塑性体产生变形后建立平衡方程时，可以）在弹塑性体产生变形后建立平衡方程时，可以 不考虑因变形而引起的力作用线方向的改变；不考虑因变形而引起的力作用线方向的改变；从而使得平衡条件与几何变形条件线性化。从而使得平衡条件与几何变形条件线性化。（2 2）在研究问题的过程中可以略去相关的二次及二）在研究问题的过程中可

9、以略去相关的二次及二 次以上的高阶微量；次以上的高阶微量；假定物体在受力以后，体内的位移和变形是微小假定物体在受力以后，体内的位移和变形是微小 的，即体内各点位移都远远小于物体的原始尺寸，而的，即体内各点位移都远远小于物体的原始尺寸，而 且应变且应变(包括线应变与角应变包括线应变与角应变)均远远小于均远远小于1 1。根据。根据 这一假定：这一假定：6 6、弹塑性力学发展概况、弹塑性力学发展概况 1678 1678年年英国科学家虎克英国科学家虎克(R.HookeR.Hooke)提出提出了固体材了固体材料的弹性变形与所受外力成正比料的弹性变形与所受外力成正比虎克定律。虎克定律。1919世纪世纪20

10、20年代，法国科学家纳维叶年代，法国科学家纳维叶(C.L.M.H.NavierC.L.M.H.Navier)、柯西柯西(A.L.CauchyA.L.Cauchy)和和圣文南圣文南(A.J.C.B.Saint A.J.C.B.Saint VenantVenant)等建立了等建立了弹性力学的理论基础。弹性力学的理论基础。法国科学家库伦法国科学家库伦(C.A.Corlomb1773年）、年）、屈雷斯卡屈雷斯卡(H.Tresca1864年）、年）、圣文南和莱圣文南和莱(M.Levy)波兰力学家胡勃波兰力学家胡勃(M.T.Houber1904年）、年）、米塞斯米塞斯(R.vonMises1913年）、年

11、）、普朗特普朗特(L.Prandtl1924)罗伊斯罗伊斯(A.Reuss1930)、享奇享奇（H.Hencky)、纳戴纳戴(A.L.Nadai)、伊留申伊留申(A.A.)阐明了应力、应变的概念和理论；阐明了应力、应变的概念和理论；弹性力学和弹塑性力学的基本理论框弹性力学和弹塑性力学的基本理论框架得以确立架得以确立。7、弹塑性力学的目的应用弹塑性力学基础求解应用弹塑性力学基础求解塑性加工成型塑性加工成型问题。问题。在应力、应变分析的基础上求解塑性加工成形中的在应力、应变分析的基础上求解塑性加工成形中的变形力学方程和解析方法，从而确定变形力学方程和解析方法，从而确定力能参数力能参数和和工工艺变形

12、参数艺变形参数以及影响这些参数的主要因素。以及影响这些参数的主要因素。无论是何种材料，在载荷的作用下，都要产生无论是何种材料，在载荷的作用下，都要产生一些变化，我们管它叫一些变化，我们管它叫变形变形。弹性变形弹性变形：能恢复的变形称之为弹性变形能恢复的变形称之为弹性变形塑性变形塑性变形：变形不能恢复的变形称之为塑性变形：变形不能恢复的变形称之为塑性变形塑性力学和弹性力学的区别在于，塑性力学考塑性力学和弹性力学的区别在于，塑性力学考虑物体内产生的永久变形，而弹性力学不考虑虑物体内产生的永久变形，而弹性力学不考虑.二、金属的弹性和塑性二、金属的弹性和塑性工程上，是用工程上，是用应力应力与与应变应变

13、间的关系来衡量材料的变形间的关系来衡量材料的变形能力。能力。应力应力：=P/A0P为载荷，为载荷，A0为试件的起始横截面积；为试件的起始横截面积；应变应变：=L/L0即试件相对变形的大小。即试件相对变形的大小。L0为试件的长度，为试件的长度，L为在载荷作用下试件的伸长。为在载荷作用下试件的伸长。弹性：弹性：当材料发生当材料发生弹性变形弹性变形的时候，应力与应变呈线的时候，应力与应变呈线性关系，即：性关系，即：E这就是著名的这就是著名的虎克定律虎克定律：E：杨氏模量，一般称为弹性模量，是材料弹：杨氏模量，一般称为弹性模量，是材料弹性性能的表征。性性能的表征。从微观上讲，材料弹性变形是外力作用所引

14、起的从微观上讲，材料弹性变形是外力作用所引起的原子间距离原子间距离发生可逆变化的结果。因此，材料对弹性发生可逆变化的结果。因此，材料对弹性变形的变形的抗力抗力取决于取决于原子间作用力原子间作用力的大小，也就是说，的大小，也就是说，与原子间结合键类型、原子大小、原子间距离有关。与原子间结合键类型、原子大小、原子间距离有关。塑性：塑性：n金属在外力作用下，能稳定地发生金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形永久变形而不破而不破坏其完整性的能力。坏其完整性的能力。n塑性是金属固有的一种性质塑性是金属固有的一种性质,反映材料产生塑性变反映材料产生塑性变形的能力。形的能力。n影响金属塑性的因素：影响金属塑

15、性的因素：a.内因：化学成分、组织结构等内因：化学成分、组织结构等b.外因：变形温度、变形速度、应力状态等外因：变形温度、变形速度、应力状态等1 1、金属塑性的影响因素、金属塑性的影响因素n纯金属具有较高塑性。纯金属具有较高塑性。n纯金属加入其它合金元素后成单相固溶体时也有较纯金属加入其它合金元素后成单相固溶体时也有较好塑性好塑性.n合金的某元素与基体金属形成固溶体时，此二元合合金的某元素与基体金属形成固溶体时，此二元合金的塑性主要由基体元素的塑性决定，此情况也适金的塑性主要由基体元素的塑性决定，此情况也适用于三元合金。用于三元合金。n合金成分中不溶于固溶体或部分溶于固溶体中元素合金成分中不溶

16、于固溶体或部分溶于固溶体中元素将形成某种成分的将形成某种成分的过剩相过剩相存在于晶内或晶界，这些存在于晶内或晶界，这些过剩相对其塑性有非常大的影响过剩相对其塑性有非常大的影响。n若所含的元素形成若所含的元素形成化合物化合物时，塑性降低。时，塑性降低。n面心立方面心立方 体心立方体心立方 六方晶格六方晶格1 1）化学成分的影响化学成分的影响2 2）合金元素的影响）合金元素的影响nFeFe化学纯铁塑性高，工业纯铁不完全高塑性。化学纯铁塑性高，工业纯铁不完全高塑性。nCC碳含量越高，钢的塑性越差，热加工温度范围窄。碳含量越高，钢的塑性越差，热加工温度范围窄。nMnMn锰钢具有高加热速度敏感性。锰钢具

17、有高加热速度敏感性。MnMn可消除或减轻可消除或减轻S S和和O O的的有害作用，使塑性提高。有害作用，使塑性提高。nSS仅微量溶于固溶体，以仅微量溶于固溶体，以FeSFeS、MnSMnS等硫化物形式存在于钢等硫化物形式存在于钢中。中。含硫量较多，并存在有低熔点的硫的共晶体和化合物时，钢含硫量较多，并存在有低熔点的硫的共晶体和化合物时，钢的塑性与的塑性与变形温度变形温度有关。加热温度高于硫的共晶体和化合物有关。加热温度高于硫的共晶体和化合物的熔点时，由于软化或熔化使晶间联系削弱，变形时易出现的熔点时，由于软化或熔化使晶间联系削弱，变形时易出现红脆红脆。网状包围晶粒形式的硫化物降低塑性。球状硫化

18、物使塑性提网状包围晶粒形式的硫化物降低塑性。球状硫化物使塑性提高。高。nPP易出现易出现冷脆冷脆。对热变形影响不大。对热变形影响不大。nOO也会产生红脆。也会产生红脆。FeOFeO 、Al2O3 Al2O3、SiO2,SiO2,熔点低熔点低分布在分布在晶界的共晶体，由于软化或熔化使晶间联系减弱，出现红脆。晶界的共晶体，由于软化或熔化使晶间联系减弱，出现红脆。nSiSi以以固溶体固溶体形式存在：对塑性影响不大，含量过高，塑形式存在：对塑性影响不大，含量过高，塑性下降。以性下降。以硅化物硅化物形式存在：变形温度下不溶解，使塑性下形式存在：变形温度下不溶解，使塑性下降。降。nNiNi、W W、MoM

19、o：强度：强度，塑性塑性nCrCr：塑性：塑性 ；nV V：强度：强度，塑性塑性不变。含量高时，不变。含量高时，塑性塑性；nAlAl：晶界形成：晶界形成AlNAlN，塑性塑性nCuCu：塑性塑性，还原气氛中加热，还原气氛中加热，塑性塑性；nB B：0.02%铸钢铸钢原因：网状碳化物破碎原因：网状碳化物破碎且均匀分布。且均匀分布。碳钢的延伸率和断面收缩率与温度的关系碳钢的延伸率和断面收缩率与温度的关系n随变形温度随变形温度，塑性，塑性。原因：温度原因：温度，原子热运动的能量，原子热运动的能量，滑移系，滑移系，扩散性质明显的塑性变形机构（非晶机构、溶，扩散性质明显的塑性变形机构（非晶机构、溶解机构

20、等）作用解机构等）作用。温度温度，软化作用，软化作用，变形过程中产生的，变形过程中产生的破坏和缺陷的恢复破坏和缺陷的恢复。n实际变形中，随温度变化而产生的实际变形中，随温度变化而产生的相态的变化相态的变化和和晶粒边界的变化对塑性有影响。晶粒边界的变化对塑性有影响。n通常，塑性与温度的关系曲线中会出现通常，塑性与温度的关系曲线中会出现三个脆性三个脆性区区：低温脆性区、中温脆性区、高温脆性区。有：低温脆性区、中温脆性区、高温脆性区。有时不只三个脆性区。时不只三个脆性区。4 4）变形的温度变形的温度-速度条件对塑性的影响速度条件对塑性的影响a.a.变形温度的影响变形温度的影响温度对塑性影响的典型示意

21、图温度对塑性影响的典型示意图变形温度对碳钢的塑性的影响变形温度对碳钢的塑性的影响四个低塑性区四个低塑性区：区区：塑性极低。：塑性极低。-200-200时，接近时，接近0 0。原子热运动能力极低，也原子热运动能力极低，也可能与晶粒边界的某些组可能与晶粒边界的某些组织组成物的脆化有关。织组成物的脆化有关。区区：蓝脆区，：蓝脆区，200400 200400 ；区区：800950 800950 ，与相，与相变有关。也有人认为与变有关。也有人认为与S S有有关，称之为红脆（热脆）关，称之为红脆（热脆）区。区。区区：温度接近熔化温度，：温度接近熔化温度，易过热或过烧，使晶间强易过热或过烧，使晶间强度减弱，

22、塑性度减弱，塑性。三个高塑性区三个高塑性区：1 1区：区：100200100200原因：原子热振动原因：原子热振动。2 2区：区：700800700800原因：发生再结晶、扩散。原因：发生再结晶、扩散。3 3区：区：95012509501250原因：具有均匀原因：具有均匀组织，充组织，充分软化。分软化。在非常低的变形速度下，塑性降在非常低的变形速度下，塑性降低。低。第一次第一次上升：上升：随变形速度随变形速度，晶，晶粒边界上的粘性流动消失，变形粒边界上的粘性流动消失，变形抗力减小，滑移开始作用，塑性抗力减小，滑移开始作用，塑性。继续提高变形速度，塑性又开始继续提高变形速度，塑性又开始下降下降：

23、随变形速度随变形速度，变形抗力，变形抗力升高，达到相应于更小变形程度升高，达到相应于更小变形程度下的断裂抗力之值。下的断裂抗力之值。粘性流动时变形速度对塑性的影响粘性流动时变形速度对塑性的影响b.b.变形速度的影响变形速度的影响第二次上升第二次上升：热效应起作用，温度：热效应起作用，温度 ，变形抗力下降。，变形抗力下降。第二次下降第二次下降：热效应极大，把金属加热到出现：热效应极大，把金属加热到出现液相液相或大大或大大降降低低其晶间物质的强度。其晶间物质的强度。5 5）不同变形温度区间，温度）不同变形温度区间，温度-速度因素对塑速度因素对塑性的影响性的影响1 1）低温塑性变形（冷变形）低温塑性

24、变形（冷变形）范围：室温范围：室温-开始再结晶温度（纯金属：开始再结晶温度（纯金属：0.3-0.4Tm0.3-0.4Tm；合金：；合金：0.5Tm0.5Tm），），变形速度为变形速度为1010-4-4-10-10-3-3s s-1-1时，塑性变形机构为时，塑性变形机构为滑移滑移。bccbcc、hcphcp：存在脆性转变温度，降低温度提高变形：存在脆性转变温度，降低温度提高变形速度，滑移系减少，滑移作用速度，滑移系减少，滑移作用，孪生作用，孪生作用，塑，塑性性。fccfcc:温度温度，塑性不，塑性不。脆性转变温度区：宜低变形速度；脆性转变温度区：宜低变形速度；冷脆点在室温：宜低速；冷脆点在室温：

25、宜低速；冷脆点高于室温：宜高速；（热效应）冷脆点高于室温：宜高速；（热效应）n2 2）中温塑性变形（温变形）：）中温塑性变形（温变形）：上限：开始再结晶温度。上限：开始再结晶温度。基本塑性变形机构：基本塑性变形机构：晶内滑移晶内滑移。bcc bcc：塑性好，但变形速度：塑性好，但变形速度时，塑性时，塑性；fccfcc 、hcphcp：由于相变，规律不同。：由于相变，规律不同。形变时效：变形抗力形变时效：变形抗力，塑性，塑性。（钢的兰脆：。（钢的兰脆：400 400 金属的硬化和塑性降低与析出化合物的高弥散质金属的硬化和塑性降低与析出化合物的高弥散质点有关，点有关，变形速度变形速度 ，弥散硬化来

26、不及形成，弥散硬化来不及形成，塑性不会塑性不会。变形温度变形温度 ，塑性无影响。，塑性无影响。3 3）高温塑性变形（热变形）高温塑性变形（热变形）变形温度变形温度 ，塑性，塑性。红脆：红脆：0.5-0.8Tm0.5-0.8Tm，晶间断裂晶间断裂，塑性，塑性。一般含较。一般含较多多O O、N N、H H、C C等夹杂。等夹杂。成因：各种化合物在晶界上的成因：各种化合物在晶界上的偏析偏析。夹杂偏析：扩。夹杂偏析：扩散产生红脆；易熔化合物偏析：晶界熔化、晶界散产生红脆；易熔化合物偏析：晶界熔化、晶界强度强度；脆性化合物：；脆性化合物：（难熔金属和合金）阻碍难熔金属和合金）阻碍晶界滑移，晶界连续变形遭

27、破坏，导致晶间断裂。晶界滑移，晶界连续变形遭破坏，导致晶间断裂。变形速度变形速度，抑制红脆；抑制了控制晶间破坏的热，抑制红脆；抑制了控制晶间破坏的热活化扩散过程，减少晶间变形对总变形的贡献。活化扩散过程，减少晶间变形对总变形的贡献。6 6）变形的力学条件对塑性的影响变形的力学条件对塑性的影响(1)(1)应力状态的影响应力状态的影响n金属由单向拉应力状态过渡到三向金属由单向拉应力状态过渡到三向拉应力拉应力状态时状态时,其塑性其塑性有显著下降有显著下降.n按应力状态图的不同按应力状态图的不同,将其对塑性的影响程度排序将其对塑性的影响程度排序:三向压三向压 二压一拉二压一拉 二拉一压二拉一压 三向拉

28、三向拉n静水压力值越大静水压力值越大,金属的塑性发挥得越好金属的塑性发挥得越好.n静水压力提高塑性的原因静水压力提高塑性的原因:1)1)体压缩能遏止晶粒边界的相对移动体压缩能遏止晶粒边界的相对移动,使晶间变形困难使晶间变形困难.2)2)体压缩能促进由于塑性变形和其它原因而破坏了的晶内体压缩能促进由于塑性变形和其它原因而破坏了的晶内联系的恢复联系的恢复.3)3)体压缩能完全或局部地消除变形物体内数量很小的某些体压缩能完全或局部地消除变形物体内数量很小的某些夹杂物甚至液相对塑性的不良影响夹杂物甚至液相对塑性的不良影响.4)4)体压缩能完全抵偿或大胆降低由于不均匀变形所引起的体压缩能完全抵偿或大胆降

29、低由于不均匀变形所引起的附加拉伸应力附加拉伸应力,减轻了拉应力的不良影响减轻了拉应力的不良影响.(2)(2)变形状态的影响变形状态的影响n主变形图中压缩分量越多主变形图中压缩分量越多,对充分发挥金属的塑性对充分发挥金属的塑性越有利越有利.n主变形图排序主变形图排序:二压一拉二压一拉 二拉一压二拉一压n原因原因:实际变形物体中的缺陷实际变形物体中的缺陷:如气孔、夹杂、缩如气孔、夹杂、缩孔、空洞等孔、空洞等.二拉一压时二拉一压时,向两个方向扩大暴露弱向两个方向扩大暴露弱点点,但二压一拉下但二压一拉下,可成为线缺陷可成为线缺陷,使危害减小使危害减小.n变形物体内变形物体内变形状态均匀变形状态均匀分布

30、时分布时,则因避免不均匀则因避免不均匀变形的出现变形的出现,使金属的使金属的塑性提高塑性提高.n虽然三向压最有利于发挥塑性虽然三向压最有利于发挥塑性,但会使单位变形力但会使单位变形力增加增加,因此因此,选择加工方法时应视具体条件而定选择加工方法时应视具体条件而定.7 7）其它因素对塑性的影响其它因素对塑性的影响n分散变形：分散变形：塑性塑性 ；原因：每次变形量小，远低于塑性指标，因此，产生原因：每次变形量小，远低于塑性指标，因此，产生应力小，不会引起断裂。变形间隙中的软化，应力小，不会引起断裂。变形间隙中的软化，塑性塑性n尺寸因素：随物体体积尺寸因素：随物体体积，塑性，塑性，达到一定值后不，达

31、到一定值后不变。变。原因：原因：1 1）体积）体积，缺陷分布不均匀性，缺陷分布不均匀性，应力分布不，应力分布不均匀性均匀性；2 2）体积越小，表面积与体积比越大，塑性）体积越小，表面积与体积比越大，塑性越好。越好。n周围介质：周围介质：1 1）金属表面形成脆性相，塑性）金属表面形成脆性相，塑性 ；2 2）金属表层腐蚀，塑性）金属表层腐蚀，塑性 ；3 3）金属表面形成吸附润滑层，塑性）金属表面形成吸附润滑层，塑性n塑性与柔软性的区别：塑性与柔软性的区别：柔软性反映金属的软硬程度，指金属变形抗力的大小。柔软性反映金属的软硬程度，指金属变形抗力的大小。塑性指金属的形变能力，用断裂前的变形程度的大小衡

32、量。塑性指金属的形变能力，用断裂前的变形程度的大小衡量。二者并不总是一致的二者并不总是一致的.讨论金属在塑性加工中的软硬程度不用柔软性讨论金属在塑性加工中的软硬程度不用柔软性,而用变形抗力而用变形抗力.n塑性与粘性的区别：塑性与粘性的区别：塑性塑性:金属在产生永久变形时金属在产生永久变形时,伴随有组织的变化伴随有组织的变化,但没有但没有尺寸尺寸数量级数量级超过光的波长尺寸的完整性的破坏超过光的波长尺寸的完整性的破坏.粘性粘性:物体虽也具有永久性变形物体虽也具有永久性变形,但无组织的变化和完整性的破但无组织的变化和完整性的破坏坏.在工程使用中，绝大部分结构件和机器零件，都在工程使用中，绝大部分结

33、构件和机器零件，都要求在要求在弹性弹性状态下工作，不允许发生塑性变形。因此状态下工作，不允许发生塑性变形。因此人们十分关注材料抵抗塑性变形的能力，表征这种能人们十分关注材料抵抗塑性变形的能力，表征这种能力的是一些强度指标。力的是一些强度指标。塑性的表征：塑性的表征：材料的材料的塑性塑性是以断裂后的塑性变形大小来表是以断裂后的塑性变形大小来表示的。示的。实际实验中：实际实验中：=(Lf-L0)/L0100%=(A0-Af)/A0100%其中其中Lf、Af分别表示断裂时试样的伸长与横截面分别表示断裂时试样的伸长与横截面积。积。n塑性指标塑性指标(塑性极限塑性极限):是指金属在不同变形条件下允许的极

34、限变形量。是指金属在不同变形条件下允许的极限变形量。塑性指标与变形金属的材质和变形条件有关。塑性指标与变形金属的材质和变形条件有关。n测量方法：测量方法：1）简单加载条件下塑性指标的测定）简单加载条件下塑性指标的测定2）模拟塑性加工过程塑性指标的测定）模拟塑性加工过程塑性指标的测定3）与应力状态无关的通用的塑性指标的确定）与应力状态无关的通用的塑性指标的确定（如：古布金的确定平均塑性法）（如：古布金的确定平均塑性法）4）绘制塑性图）绘制塑性图2、塑性指标及其测量方法、塑性指标及其测量方法1)1)简单加载条件下塑性指标的测定简单加载条件下塑性指标的测定 拉伸（拉伸（tension)tension

35、)试验法试验法:延伸率延伸率(elongation):(elongation):延伸率延伸率=均匀变形均匀变形+局部集中变形局部集中变形 试样计算长度越长试样计算长度越长,集中变形比例越小，延伸越小集中变形比例越小，延伸越小.断面收缩率断面收缩率(fractionalreductionfractionalreduction in cross section area)in cross section area)断面收缩率与试样计算长度无关断面收缩率与试样计算长度无关.压缩压缩(compression)(compression)试验法试验法:压下率：压下率：影响因素：摩擦、散热、几何尺寸影响因素

36、：摩擦、散热、几何尺寸 扭转扭转(torsion)(torsion)试验法试验法:破断前的扭转数破断前的扭转数n n或扭转角或扭转角,整个长度上均匀变形整个长度上均匀变形如加载至如加载至A点后卸载，应变沿点后卸载，应变沿AB线变线变化，当载荷降至零时应变不为零，这化，当载荷降至零时应变不为零，这残余的应变就是残余的应变就是塑性变形塑性变形。屈服强度屈服强度：发生：发生0.2%残余应变时的应残余应变时的应力，力，0.2。表示材料发生明显塑性变。表示材料发生明显塑性变形的抗力。形的抗力。抗拉强度抗拉强度：对应最大的应力值，也称：对应最大的应力值，也称之为强度极限之为强度极限b。b是材料发生最大是材

37、料发生最大均匀变形的抗力，是材料在拉伸条件均匀变形的抗力，是材料在拉伸条件下所能承受的最大负荷的应力值。下所能承受的最大负荷的应力值。2 2）模拟塑性加工过程塑性指标的测定）模拟塑性加工过程塑性指标的测定n条件条件:基本基本应力状态应力状态图示与所图示与所模拟的塑性加工过程模拟的塑性加工过程或所模或所模拟的工序相同拟的工序相同.n工艺塑性指标工艺塑性指标:模拟塑性加工过程法测定的模拟塑性加工过程法测定的塑性指标塑性指标.其名其名称与被确定塑性的该压力加工过程的名称相对应称与被确定塑性的该压力加工过程的名称相对应,如如:轧制轧制性、锻造性、模锻性性、锻造性、模锻性.n确定材料锻造钢锭法确定材料锻

38、造钢锭法：镦粗光滑圆柱体试样或沿轮廓线带：镦粗光滑圆柱体试样或沿轮廓线带切口的圆柱体试样，在二斜砧中锻造钢锭法。切口的圆柱体试样，在二斜砧中锻造钢锭法。n确定纵轧时材料的轧制性法确定纵轧时材料的轧制性法：平轧辊上轧制楔形试样法和：平轧辊上轧制楔形试样法和偏心轧辊上轧制矩形断面试样法。偏心轧辊上轧制矩形断面试样法。n确定板料冲压性的方法确定板料冲压性的方法：杯突试验法，锥形杯深延法及圆：杯突试验法，锥形杯深延法及圆形板坯冲压成柱形杯法。形板坯冲压成柱形杯法。塑性成形塑性成形：指固态金属在外力作用下产生塑指固态金属在外力作用下产生塑性变形，获得所需形状、尺寸及力学性能的性变形，获得所需形状、尺寸及

39、力学性能的毛坯或零件的加工方法。具有较好塑性的材毛坯或零件的加工方法。具有较好塑性的材料如钢和有色金属及其合金均可在冷态或热料如钢和有色金属及其合金均可在冷态或热态下进行塑性成形加工。态下进行塑性成形加工。三、金属塑性成型加工三、金属塑性成型加工1、金属塑性成型的、金属塑性成型的基本生产方法基本生产方法轧制示意图轧制示意图挤压示意图挤压示意图锻压生产方式示意图锻压生产方式示意图2 2、塑性变形理论及假设、塑性变形理论及假设1 1 最小阻力定律最小阻力定律如果金属颗粒在几个方向上都可移动，那么金属颗粒就沿如果金属颗粒在几个方向上都可移动，那么金属颗粒就沿着着阻力最小阻力最小的方向移动，这就叫做的

40、方向移动，这就叫做最小阻力定律最小阻力定律。圆形、方形、圆形、方形、矩形截面矩形截面上各质点在上各质点在镦粗时的流动方向，镦粗时的流动方向，方形截面镦粗后的截方形截面镦粗后的截面形状。面形状。2、塑性成形加工的基本原则：、塑性成形加工的基本原则：1）质量不变原则；）质量不变原则；2）体积不变原则；）体积不变原则；3、塑性成形加工的优点：、塑性成形加工的优点：1）改善金属的组织，提高金属的力学性能；）改善金属的组织，提高金属的力学性能；2）节约金属材料和切削加工工时，提高金属材料）节约金属材料和切削加工工时，提高金属材料的利用率和经济效益；的利用率和经济效益；3）具有较高的劳动生产率。）具有较高

41、的劳动生产率。4）适应性广。）适应性广。4、塑性成形加工的分类：、塑性成形加工的分类：1）按加工时工件温度特征；）按加工时工件温度特征；2）按加工时工件受力和变形方式；）按加工时工件受力和变形方式；工件工作温度特征热加工再结晶温度以上温加工冷加工在不产生回复和再结晶温度以下改善产品组织性能加热温度变形终了温度变形程度冷却速度降低金属变形抗力改善金属塑性提高强度冷加工退火表面光洁，尺寸精确，组织性能良好冷变形冷变形变形温度低于回复温度时，金属在变形温度低于回复温度时，金属在变形过程中只有变形过程中只有加工硬化加工硬化而无回复与再而无回复与再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬结晶现象，变形后的金属

42、只具有加工硬化组织，这种变形称为化组织，这种变形称为冷变形冷变形。热变形热变形变形温度在再结晶温度以上时，变变形温度在再结晶温度以上时，变形产生的形产生的加工硬化加工硬化被随即发生的再结晶被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的等轴所抵消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为种变形称为热变形热变形。冷变形及热变形冷变形及热变形压力作用锻造轧制挤压自由锻模锻纵轧横轧斜轧正挤压反挤压生产各种主轴、曲轴、连杆生产各种主轴、曲轴、连杆锻造的锻造的纤维组织纤维组织：1、将铸锭加热进行压力加工后，由于金属经、将铸锭加热进行压力加工

43、后，由于金属经过塑性变形及再结晶，从而改变了粗大的铸造组织，过塑性变形及再结晶，从而改变了粗大的铸造组织，获得获得细化细化的再结晶组织。的再结晶组织。2、同时还可以将铸锭中的气孔、缩松等结合、同时还可以将铸锭中的气孔、缩松等结合在一起，使金属更加在一起，使金属更加致密致密，其机械性能会有很大提，其机械性能会有很大提高。高。3、此外，铸锭在压力加工中产生塑性变形时，、此外，铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的基体金属的晶粒形状晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形生了变形，它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫状。

44、这种结构叫纤维组织纤维组织。使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断；使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断；使零件所受的最大使零件所受的最大拉应力拉应力与纤维方向一致，最大与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。切应力与纤维方向垂直。4、具有纤维组织的金属，各个方向上的机、具有纤维组织的金属，各个方向上的机械性能不相同。械性能不相同。顺纤维方向的机械性能比横纤顺纤维方向的机械性能比横纤维方向的好。维方向的好。金属的变形程度越大，纤维组织金属的变形程度越大，纤维组织就越明显，机械性能的方向性也就越显著。就越明显，机械性能的方向性也就越显著。当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与杆部当采

45、用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力顺着纤维切应力顺着纤维方向方向，故螺钉的承载能力，故螺钉的承载能力较弱较弱(如图如图a示示)。当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(如图如图b示示)，纤纤维不被切断维不被切断且连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较且连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。好。实例：实例：金属材料（或非金属材料）在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑金属材料（或非金属材料）在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，获得要求的截面形状并改

46、变其性能的方法称为轧制。性变形，获得要求的截面形状并改变其性能的方法称为轧制。坯料坯料横切面减小，形状改变，长度增加。可生产板带材，简单端面或异横切面减小，形状改变，长度增加。可生产板带材，简单端面或异形断面，管材，钢球，麻花钻头等。形断面，管材，钢球，麻花钻头等。纵轧纵轧 横轧横轧 斜轧斜轧 轧轧轧轧 辊辊辊辊 轴轴轴轴线线线线与与与与坯坯坯坯料料料料轴轴轴轴线方向垂直线方向垂直线方向垂直线方向垂直。工工字字钢钢的的轧轧制制过过程程 纵轧纵轧纵轧纵轧：固定芯杆固定芯杆移动芯杆移动芯杆无芯杆无芯杆芯杆凹轧辊芯杆凹轧辊几种常见的管材轧制工艺几种常见的管材轧制工艺 楔横轧主要楔横轧主要用于加工阶梯

47、轴、锥形轴等各种对称的零件或毛坯。用于加工阶梯轴、锥形轴等各种对称的零件或毛坯。楔楔楔楔横横横横轧轧轧轧：利利利利用用用用两两两两个个个个外外外外表表表表镶镶镶镶有有有有凸凸凸凸块块块块并并并并作作作作同同同同向向向向旋旋旋旋转转转转的的的的平平平平行行行行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法。轧件的组织变化轧件的组织变化轧件的组织变化轧件的组织变化：金属的超塑性（金属的超塑性（super plasticity)super plasticity)n超塑性：材料的延伸率超过

48、超塑性：材料的延伸率超过100%100%。n超塑性材料：凡具有能超过超塑性材料：凡具有能超过100%100%延伸率的材料。延伸率的材料。n超塑性材料的延伸率最大可超过超塑性材料的延伸率最大可超过1000%1000%，有的可达，有的可达2000%2000%。n根据超塑性效应的表现，可分为两大类：根据超塑性效应的表现，可分为两大类：1 1）组织超塑性组织超塑性:条件：条件：超细晶粒超细晶粒；T0.4Tm,T0.4Tm,变形速度：慢；变形速度：慢；成因：扩散蠕变、晶界滑动、位错滑移、晶界迁移等。成因：扩散蠕变、晶界滑动、位错滑移、晶界迁移等。2 2）相变相变超塑性：超塑性：条件：不一定超细晶粒；应力作用下多次循环相变。条件：不一定超细晶粒；应力作用下多次循环相变。n流动应力对变形温度和变形速度特别敏感。流动应力对变形温度和变形速度特别敏感。超塑性变形在工业技术上的应用超塑性变形在工业技术上的应用n无模拉伸无模拉伸n板料冲压板料冲压n压焊加工压焊加工