【材料课件】金属塑性加工原理

金属塑性加工原理主讲：张新明教授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织与性能，在国民经济与国防建设中占有十分重要的地位。1、航空航天2、武器装备3、交通运输4、建筑5、家用电器§0.2材料加工的内涵1.材料加工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(化学成分上完全相同),使其具有更优良的物理性能、化学性能和力学性能。2.材料的可加工性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、热处理性能和切削加工性能等。3.材料加工需考虑的基本原则使用性能：高强、高韧、耐蚀等工艺性能：轧、挤、拉、锻、焊等环保性能：放射性、毒气、“三废”等经济性：成本、性价比等4.金属材料加工所涉及的内容(1)液态金属的熔炼与铸造；(2)金属塑性加工与热处理；(3)复合材料与层状复合材料加工；(4)材料连接；(5)材料切削加工；(6)粉末冶金；(7)CVD(chemicalvapourdeposition),PVD(phsicalvapourdeposition)等5.小结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要专业基础知识。金属坯料在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定几何形状，尺寸和精度，以及服役性能的材料、毛坯或零件的加工方法。§0.3金属塑性加工1.材料加工钢、铝、铜、钛等及其合金。2.适用范围3.主要加工方法(1)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。(可实现连续轧制)纵轧、横轧、斜轧。举例：汽车车身板、烟箔等；其它：多辊轧制(24辊)、孔型轧制等。3.主要加工方法(2)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。举例：管、棒、型；其它：异型截面。正挤反挤3.主要加工方法卧式挤压机3.主要加工方法(4)锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形A.自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力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3.主要加工方法B.模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而产生塑性变形的加工。举例：飞机大梁，火箭捆挷环等万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环3.主要加工方法(5)冲压：金属坯料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法。4.特点(1)质量比铸件好(尺寸精度高，表面质量好、性能好)；a.细化晶粒；b.消除微观缺陷。(2)不产生切削，金属利用率高；(3)易实现连续化、自动化、高速、大批量生产；(4)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CMTP(ContinuumMechanicsofTexturedPolycrystals)塑性变形材料学:1）塑性变形组织控制2）织构控制塑性加工摩擦学：干摩擦、湿摩擦、边界摩擦、混合摩擦＋润滑剂§0.4塑性加工理论的发展概况是随塑性力学(塑性理论)在金属塑性加工中的应用而发展起来的一个分支。1.金属塑性加工力学(力学冶金)1864年Tresca首次提出最大剪切屈服准则；1925年Karman将塑性力学应用于塑性加工；Sachs和Siebel提出工程法(主应力法)；20世纪中期建立滑移线法研究平面变形；20世纪50年代发展变形功平衡法；现代，塑性有限元法。2.金属塑性加工材料学运用物理冶金原理研究塑性变形过程中金属的组织演变及性能变化的规律。运用位错理论解释金属塑性变形过程，如滑移、机械孪生、加工硬化、裂纹形成、扩展和断裂。胞状结构、剪切带、过渡带、形变带以及晶粒取向演变与分布。25m(c)ND//[001]用电子背散射衍射（EBSD）技术获得的微取向分布上图3.塑性加工摩擦学机械摩擦理论：阿芒顿－库仑定律；粘着摩擦理论：1、F.P.鲍－D.泰伯焊合摩擦理论2、И.B克拉盖尔斯基理论磨损润滑塑性加工过程中接触表面间的相对运动引起摩擦，发生一系列物理、化学和力学变化，对金属塑性变形应力应变分布和产品质量产生重要影响。§0.5本课程的任务增量理论：1、Levy-Mises增量理论2、Prandtl-Reuss理论磨损全量理论：Hencky全量理论学习塑性力学的基础知识，掌握应力应变分析、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奠定力学基础。§0.5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材料学基础。§0.5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，为合理选择润滑剂及润滑工艺奠定物理化学基础。§0.6金属材料加工的主要方向常规材料加工工艺的短流程化和高速、高效化连铸连轧发展先进的成形加工技术，实现组织与性能的精确控制热连轧，冷连轧材料设计、制备与成形加工一体化整体构件§0.6金属材料加工的主要方向开发新型制备与成形加工技术，发展新材料和新制品快速冷凝、喷射沉积发展计算机数值模拟、仿真模拟及神经网络技术，构筑完善的材料数据库。材料的智能制备与成形加工技术。金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeformationinMetalProcessing中南大学材料科学与工程学院材料加工系2005.07绪论主要研究内容几个基本概念弹性、塑性变形的力学特征研究内容塑性力学(Themechanicsofplasticity)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）的区别主要是研究方法、对象以及分析结果的差异。弹性(Elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。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(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弹性、塑性变形的力学特征变形方式弹性变形塑性变形可逆性可逆不可逆-关系线性非线性与加载路径的关系无关有关对组织和性能的影响无影响影响大变形机理原子间距的变化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。金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeformationinMetalProcessing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应力与点的应力状态外力(Load)与内力(Internalforce)外力P：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，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。体积力则是作用于工件每一质点上的力，如重力、磁力、惯性力等等。内力Q：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。§1.1.1应力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/mm21MPa=106N/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。应力（Stress）：应力是单位面积上的内力（见右图）。其定义式为：Sn=dQ/dA应力可以进行分解Snn、n（n—法向）某截面（外法线方向为n）上的应力：或者截面应力分解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)§1.1.1一点的应力状态及应力张量应力分量图示应力的分量表示及正负符号的规定ijxx、xy、xz、yx、yy、yz、zx、zy、zzi——应力作用面的外法线方向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i≠j时为剪应力i、j同号为正，异号为负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§1.2点的应力状态分析§1.2.1主应力及应力张量不变量§1.2.2主剪应力和最大剪应力§1.2.3八面体应力与等效应力§1.2.1主应力及应力张量不变量主应力（Principalstress）：指作用面上无切应力时所对应的正应力，该作用面称作主平面，法线方向为主轴或主方向设主应力为σ，当为主方向时，有，，，代入整理，有：求解lx、ly、lz的非零解，必有系数行列式值为零，最终可得：该面叫做主平面，法线方向为主方向式中I1、I2、I3称作应力张量的第一、二、三不变量。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。主应力的求解主应力的图示§1.2.2主切应力和最大剪切应力主切应力(Principalshearstress)：极值切应力（不为零）平面上作用的切应力。最大剪应力(Maximunshearstress)：通常规定：则有最大剪应力：或者：其中：且有：02,2,2},,max{312312133132232112312312max=++-±=-±=-±==主应力空间的｛110｝面族§1.2.3八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等倾角的平面，八个卦限共有八组，构成正八面体面。八面体表面上的应力为八面体应力。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。八面体应力八面体应力的求解思路：关键等效应力为了使不同应力状态具有可比性，定义了等效应力σe（Effectivestress），也称相当应力。应变能相同的条件下或公式：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。讨论§1.3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σij（Stresstensor）分解成与体积变化有关的量和形状变化有关的量。前者称为应力球张量(Sphericalstresstensor)，后者称为应力偏张量(Deviatoricstresstensor)。设σm为平均应力，则有按照应力叠加原理，σij具有