金属塑性成形理论的发展

金属塑性成形理论的发展概述金属塑性成形理论是在塑性成形的物理、物理一化学和塑性力学的基础上发展起来的一门工艺理论。本世纪四十年代，在大学中设立了这门课程，并出版了相应的教科书。金属塑性变形的物理和物理化学方面所研究的内容，属于金属学范畴。本世纪三十年代提出的位错理论从微观上对塑性变形的机理作出了科学的解释。金属材料的永久变形能力——塑性，也是变形物理方面的一个主要研究内容。1912年卡尔曼(VonKarman)对大理石和红砂石的著名压缩试验，揭示了通常认为是脆性的石料在三向压应力下却能发生塑性变形(大约ε＝8％)的事实。1964年勃立奇曼(P．W．Bridgman)在3万atm(3040MPa)下对中碳钢试棒进行拉伸试验，获得了99％的断面收缩率，由此建立了静水压力能提高材料塑性的概念。合适的加工温度、速度条件也能创造良好的塑性状态。例如，近年来，一些难变形合金、耐热合金，通过利用先进的成形技术，如等温锻造、超塑性成形等，均可以获得满意的结果。金属塑性成形原理的另一重要内容是塑性成形力学，它是在塑性理论发展和应用中逐渐形成的。塑性理论的发展历史可追溯到1864年，当时，法国工程师屈雷斯加(H．Tresca)首先提出了最大剪应力屈服准则，即屈雷斯加屈服准则。1870年圣维南(B．Saint—Venant)第一次利用屈雷斯加屈服准则求解了管子受弹塑性扭转和弯曲时的应力，随后又研究了平面应变方程式。同年，列维(M．Levy)按圣维南的观点提出了三维问题的方程式和平面问题方程式的线性化方法。但后来一段时间，塑性理论发展缓慢，直到本世纪初才有所进展。德国学者在这方面有很大贡献。1913年密席斯(VonMises)从纯数学角度提出了另一新的屈服准则——密席斯屈服准则。1923年汉基(H．Hencky)和普朗特(L．Prandtl)论述了平面塑性变形中滑移线的几何性质。1930年，劳斯(A．Reuss)根据普朗特的观点提出了考虑弹性应变增量应力应变关系式。至此，塑性理论的基础已经奠定。到四十年代以后，由于工业生产的需要，塑性理论在很多国家中相继发展，利用塑性理论求解塑性成形问题的各种方法陆续问世，塑性成形力学逐渐形成并不断得到充实。第一次将塑性理论用于金属塑性加工的学者可认为是德国的卡尔曼。他在1925年用初等方法分析了轧制时的应力分布，其后不久，萨克斯（G.Sachs）和齐别尔（E.Siebel）在研究拉丝过程中提出了相似的求解方法——切块法（slabmethod）,即后来所称的主应力法。五十年代中，苏联学者翁克索夫（yHKCOB）提出了一个实质上与主应力法相似的方法——近似平衡方程和近似塑性条件的联解法，并对镦粗时接触表面上的摩擦力分布提出了新见解。近二十年来，应用滑移线理论求解金属塑性成形问题的工作和论文逐渐增多。现在，滑移线方法除应用于求解各向同性硬化材料的平面变形问题外，人们还正在研究用它来求解平面应力问题、轴对称问题和各向异性材料方面的问题。五十年代，英国学者约翰逊(W．Johoson)和日本学者工藤(H．Kudo)等人，根据极值原理提出了一个比滑移线法简单的求极限载荷的上限法。利用该方法计算出的塑性成形载荷一般高于真实载荷，因此称之谓上限法。其后，对于复杂形状的工件，又发展出了所谓单元上限法。在五十年代中，美国学者汤姆生(E．G．Thomsen)等提出了视塑性法(VisioPlasticity)，这是一种由实验结果和理论计算相结合的方法。利用该方法，可以根据实验求得的速度场计算出变形体内的应变场和应力场。近年来已开始用有限元方法来研究金属塑性成形方面的问题。国内外一些学者对镦粗，挤压、摩擦等问题的有限元解发表过不少文章。一般认为有限元法是预测变形体应力、应变、应变速度和温度分布的强有力的手段。塑性成形中求解应力、应变等是一项繁重的计算工作。近年来电子计算机技术的引入，对塑性成形问题的求解起了很大促进作用。有限元方法过程复杂，计算工作繁重，必须借助电子计算机才能演算；而其他解法中的一些求解过程，如作滑移线场、求应力分布、确定分流点、标定摩擦系数等，都需经大量的计算工作，利用电子计算机，运用数值计算方法，可以快速地获得较精确的解答，或可直接画出滑移线场和相应的曲线，极大地提高了解题的效率。可以相信，在金属塑性成形理论今后的发展中，计算技术会愈来愈发挥它的作用，电子计算机的应用也必将日益广泛。