第1讲 绪论-金属塑形变形理论

张贵杰Tel：13230587925E-Mail：[e-mail]河北联合大学金属材料及加工工程系金属塑性变形理论第一讲LessonOne2020/1/242本课程的性质和教学目的•性质：本课程为材料成型及控制工程和金属材料工程专业的专业基础课•目的：金属产生塑性变形时在金属学和力学等方面有着共同的基础和规律。因此，金属塑性变形理论是研究和探讨金属在各种塑性加工过程中可遵循的基础和规律的一门学科。其目的在于科学地、系统地阐明这些基础和规律，为学习后续的工艺课程作理论准备，也为合理制订金属塑性成型工艺规范及选择、设计加工设备奠定理论基础。LessonOne2020/1/243本课程的任务•掌握金属塑性变形的物理基础，即掌握影响金属性能的主要因素及原理，掌握金属性能主要指标的测试方法；•掌握金属塑性力学的基础知识，即掌握金属塑性变形体内的应力场、应变场、应力－应变之间关系、塑性变形时的力学条件等塑性理论基础知识。掌握塑性成型问题的几种主要解法（包括解析和数值解法）；•掌握金属塑性成型时的金属流动规律和变形特点，分析金属的基本成型工艺，以便确定合理的坯料尺寸和成型工序；•掌握对成型质量进行定性分析及提高成型质量的方法。LessonOne2020/1/244课程实验•开设综合实验课程金相观察力学性能检验模拟轧制过程实验斜轧穿孔实验……LessonOne2020/1/245教材及参考书校园网超星图书馆或校图书馆借阅教材：•《金属塑性变形与轧制理论》（第2版），赵志业，1996参考书：•《金属塑性成型力学》，王平，崔建忠，2006.8•《材料成型力学》，赵德文，2002•《金属塑性加工力学》，赵志业，1987•《塑性加工金属学》，王占学，1991•《塑性成型力学》，王仲仁，1989•《金属塑性加工理论与工艺》，罗子健，1994•《金属塑性加工原理》，彭大暑主编，2004•《金属塑性加工过程无网格数值模拟方法》，李长生等著，2004•《金属轧制过程人工智能优化》，王国栋，刘相华，2000•《Metalworkingscienceandengineering》,EdwardM.Mielnik,1991•《MetalsEngineering-ATechnicalGuide》,LeonardE.Samuels,1988LessonOne2020/1/246学习要求•作业必须按时交，如果有三次以上不交作业者，取消考试资格。作业形式包括：手写作业、电子稿作业、计算机程序、讨论PPT等几种形式。•做好课堂笔记，本课程中将有部分补充内容，要求大家记笔记。•要求上课前预习，本课程内容较难，且内容多，信息量较大，要求大家自觉预习。•遵守课堂纪律，本课程不允许迟到早退。LessonOne2020/1/247本课程主要内容金属微观变形机理与宏观性能金属变形过程的力学分析变形体力学的求解方法应用LessonOne2020/1/248第一章绪论主要内容•什么是塑性加工•塑性加工的分类•塑性加工的历史•塑性加工的发展LessonOne2020/1/2491.1什么是塑性加工?•塑性：在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力称为塑性。是指材料的永久变形能力。•弹性：材料的可恢复变形的能力•弹塑性：弹性+塑性LessonOne2020/1/2410•金属铸锭或连铸坯在外力作用下使其产生塑性变形，变形后不仅能使其断面的形状和尺寸改变，而且也能改变其组织与性能。这一过程称为塑性加工（塑性成型或压力加工）。LessonOne2020/1/2411金属塑性加工的特点•加工后组织性能得到改善和提高，经塑性成型，使其结构致密，组织改善•材料利用率高，主要依靠金属在塑性状态下的体积转移来实现•生产率高，可实现连续化生产•精度高，精密塑性成型LessonOne2020/1/2412铸造零件机械制造方法切削加工压力加工塑性成型特种加工锻造冲压车、铣、刨、磨、钻、铰、插等自由锻、模锻拉深、弯曲、冲裁、翻边、拉型等轧制LessonOne2020/1/2413切削加工种类LessonOne2020/1/24141.2塑性加工的分类•按加工时工件的受力和变形方式•按加工时工件的温度特征LessonOne2020/1/2415图例延伸镦粗斜轧横轧纵轧模锻自由锻造轧制锻造分类与名称压力基本受力方式基本压力加工变形方式按加工时工件的受力和变形方式LessonOne2020/1/2416LessonOne2020/1/2417LessonOne2020/1/2418图例反挤压正挤压剪切弯曲拉伸成型冲压（拉延）拉拔挤压分类与名称剪力弯矩拉力压力基本受力方式按加工时工件的受力和变形方式LessonOne2020/1/2419LessonOne2020/1/2420组合加工变形方式组合方式锻造－轧制轧制－挤压拉拔－轧制轧制－弯曲轧制－剪切名称锻轧轧挤拔轧辊弯搓轧图例按加工时工件的受力和变形方式LessonOne2020/1/2421挤压型材挤压型材模具LessonOne2020/1/2422工件驱动辊导向辊蕊辊端面辊环轧示意图LessonOne2020/1/2423热连轧板生产线LessonOne2020/1/2424冷连轧板生产线LessonOne2020/1/2425典型冲压件LessonOne2020/1/2426•热加工(Hotforming)•冷加工(Coldforming)•温加工(Warmforming)按加工时工件的温度特征LessonOne2020/1/24271.3塑性加工的历史•材料的塑性加工源于人类对材料使用方式的发展•下面简要回顾一下材料科学发展的里程碑LessonOne2020/1/2428材料科学发展的里程碑300,000BC—3,500BC300,000BC燧石，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展。LessonOne2020/1/2429材料科学发展的里程碑300,000BC—3,500BC5,500BC天然金与铜被用作工具与武器，开始了人类金属的使用。LessonOne2020/1/2430材料科学发展的里程碑300,000BC—3,500BC•5000BC•熔炼和锤击改变了铜的性能-材料开始发展LessonOne2020/1/2431材料科学发展的里程碑300,000BC—3,500BC•4000BC•金属铸造工艺-人们得到了他们需要的形状。最早的模铸件-一个铜制杖头LessonOne2020/1/2432材料科学发展的里程碑300,000BC—3,500BC•3500BC•从矿石中提炼铜-冶金业的黎明这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一LessonOne2020/1/2433材料科学发展的里程碑3,000BC—1,886AD•3000BC•青铜的使用-制造合金青铜：第一种合金LessonOne2020/1/2434材料科学发展的里程碑3,000BC—1,886AD•1450BC•铁的发现铁制车轮LessonOne2020/1/2435材料科学发展的里程碑3,000BC—1,886AD•1500AD•炼铁的需要促使了鼓风机与熔炉的发明廉价的冶铁业LessonOne2020/1/2436材料科学发展的里程碑3,000BC—1,886AD•1855AD•HenryBessemer拥有钢铁冶炼的专利-当代钢铁冶炼的出现。他的方法是钢铁制品性能大大改观而成本也降低不少。HenryBessemer(1813-1898)LessonOne2020/1/2437材料科学发展的里程碑3,000BC—1,886AD•1886AD•电化学方法冶炼铝-使铝成为一种常用金属LessonOne2020/1/2438材料科学发展的里程碑1,939AD—NOW•1939AD•尼龙的商业发展，高分子材料发展的关键时期尼龙的发明LessonOne2020/1/2439材料科学发展的里程碑1,939AD—NOW•1950‘s•高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展LessonOne2020/1/2440材料科学发展的里程碑1,939AD—NOW•1960’s•制作越来越小的硅芯片LessonOne2020/1/2441材料科学发展的里程碑1,939AD—NOW•1980‘s•高温超导体，高温超导的革命时代LessonOne2020/1/2442•金属塑性变形理论是一门基于金属塑性加工的物理学、物理-化学、金属学与力学基础上的应用技术理论。•作为塑性变形理论的重要基础的塑性理论的形成与发展也经历了一百多年的历史。在此其间提出的一些经典理论与方法归列于下LessonOne2020/1/2443•法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）1864提出最大剪应力屈服准则•M.Levy1871年，提出了应力应变增量关系Levy-Mises•B.Saint-Venant1870，应力应变速率方程，（塑性流动方程）•德国米塞斯（VonMises），1913，Mises屈服准则•M.levy、H.Hencky、L.Prandtl1923，平面塑性变形的滑移线几何性质•A.Reuss1930，弹塑性应力应变关系•1940，H.Hencky、H.Geringer、Cauchy、Rieman等，滑移线法•1950，A.A.Mapkob、R.Hill、W.Pragar等，极值分析方法•1970，小林史郎，C.H.Lee等，刚—塑性有限元解析法•……LessonOne2020/1/24441.4塑性加工的发展(Development)•节约资源用尽量少的原材料生产出要求的形状、尺寸、强度、塑性以及其它物理性能的产品。为此，合理利用资源选择最佳材质或通过变形与热处理相配合以改善材质、研究轻型薄壁断面和周期断面以及复合材料等高效制品的成型成为今后节约资源的重要课题。LessonOne2020/1/2445•节约能源金属材料热加工所需的热能比加工所需的机械能大许多倍，所以必须节约热能。缩短工艺流程、降低加工温度、热加工变为冷加工、减少或省去中间退火、降低材料的变形抗力、提高塑性等方面的技术开发成为今后节约能源的重要课题。LessonOne2020/1/2446•实现最佳的加工条件研究创造最佳的工艺条件和使工艺内容定量化以及把能实现这种条件的新技术用于新加工机械设计和老设备的挖潜改造上，并进行最优控制。LessonOne2020/1/2447课下练习1、什么是金属的塑性？什么是塑性加工？塑性加工有何特点？2、试述塑性加工的一般分类。LessonOne2020/1/2448材料加工技术的主要发展方向（1）高效化、高精度化（2）发展先进成形加工技术（3）材料设计、制备与成形加工一体化（4）开发新型成形加工技术，发展新材料（5）计算机模拟与过程仿真技术（6）智能制备与加工技术补充材料LessonOne2020/1/2449传统技术的高效化与高精度化高新技术改造传统技术将计算机技术、信息技术、先进控制技术应用于传统加工技术提高生产效率高速、全自动、无人化扩大产品范围形状、尺寸的精确控制LessonOne2020/1/2450超小型精密挤压型材铝合金镜面板LessonOne2020/1/2451发展先进成形加工技术目的高附加值材料、难加工材料的加工实现组织性能的精确控制有发展前景的先进成形加工技术连续定向凝固技术先进超塑性成形技术等温成形技术低温强加工技术分散成形技术LessonOne2020/1/2452超细无氧铜丝（19.7m）超细Al-Si丝（25m）连续定向凝固技术+低温强加工技术LessonOne2020/1/2453非晶态合金超塑性成形技术的应用微型齿轮微型拉伸机LessonOne2020/1/2454材料设计、制备与成形加工一体化目的提高成分、性能、工艺的可设计性实现材料与零部件的高效、近终形、短流程成形（过程的一体化，是材料设计时代的特征之一）典型技术激光快速成形喷射沉积技术半固态加工连续铸挤连续铸轧（铸轧一体化）