华中科技大学材料加工工程本科材料成型原理课件塑

材料塑性成形原理PrincipleofPlasticDeformationinMaterialProcessing王桂兰TEL:87557394Email:[e-mail]绪论塑性加工的定义与用途塑性加工的特点与分类研究内容及与其它课程的关系教学计划与参考书塑性加工的用途产品轻量高强化，高附加值用于结构件与外饰件，系国民经济支柱产业塑性加工的用途金属塑性成形的特点(1)可改善金属的组织与性能;(2)几乎无切屑,材料利用率高;(3)尺寸精度高,不少成形方法已达到少或无切削的要求;(4)生产效率高，适于大批量生产。金属塑性成形的分类塑性成形的种类有很多,分类方法可按以下四方面进行分类：（1）按工件的受力与变形方式（2）按工件的加工温度热成形——在充分进行再结晶的温度以上所完成的加工．如热轧、热锻、热挤压等；冷成形——在不产生回复和再结晶的温度以下进行的加工，如冷轧、冷冲压、冷挤压、冷锻等：温成形——在介于冷、热成形之间的温度下进行的加工，如温锻、温挤压等。（3）能量场种类：激光无模成型、爆炸成型、液压/吹塑胀形（4）材料热力学状态：连铸连轧、半固态成型、喷射成型。。。塑性加工的定义材料在外力作用下，利用其塑性而产生塑性变形，成为满足一定形状和组织性能要求的产品的加工方法称为塑性成形，也称压力加工。弹性(elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性塑性(plasticity)：在外力作用下使材料发生稳定、持久变形而不破坏其完整性的能力，不可逆性基本概念可逆性：弹性变形—可逆；塑性变形—不可逆-关系：弹性变形—线性；塑性变形—非线性与加载路径的关系：弹性—无关；塑性—有关对组织和性能的影响：弹性变形—无影响；塑性变形—影响大（加工硬化、晶粒细化、位错密度增加、形成织构等）变形机理：弹性变形—原子间距的变化；塑性变形—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；在材料加工过程中，工件的塑性变形与工模具的弹性变形共存。弹性、塑性变形的力学特征塑性成形技术需解决的基本问题设备参数选择——力能形状尺寸精度控制——运动与变形学成形性、组织性能控制——物理化学为学习后续的工艺课程作理论准备，也为合理制订塑性成形工艺规范及选择设备、设计模具奠定理论基础。本课程的基本任务1)阐明金属塑性变形的物理基础，即从微观上研究塑性变形的机理以及变形条件对塑性和变形抗力的影响，以便使工件在成形时获得最佳的塑性状态、最高的变形效率和优质的性能。2)阐明金属塑性变形的力学基础，即掌握金属塑性变形体内的应力场、应变场、应力一应变之间关系、塑性变形时的力学条件等塑性理论基础知识。在此基础上，分析研究塑性成形力学问题的各种解法及其在具体工艺中的应用．从而科学地确定变形体内的应力、应变分布规律及所需的变形力和变形功，为选择成形设备吨位和设计模具提供依据，并为降低变形力指明方向。3)阐述金属塑性成形时的流动规律和变形特点，以便确定合理的坯料尺寸和成形工艺，使工件顺利成形。本领域的主要研究课题1)如何提高产品外形尺寸精度；2)降低力、能消耗以及掌握力能参数计算方法；3)如何改善产品的组织性能和表面质量；4）如何建立工艺参数数学模型，以适应汁算机控制，使工艺过程最佳化：5)如何改变难变形钢与合金的塑性；6)如何采用新工艺和新技术，以扩大钢材品种和加工成型效率。本课程的基本要求1．熟悉和掌握塑性加工过程中金属变形的微观与宏观的基本规律，以及各种基本变形力学方程，能推导典型塑性加工问题的应力与应变计算公式。2．掌握金属在塑性加工过程中组织性能的变化及金属的塑性、变形抗力、断裂等与加工条件的关系。能按照要求或给定公式进行变形程度、应变速度、工件尺寸与变形力能参数等计算。3．根据所学知识，从金属的应力应变状态、材料流动、产品质量、能耗等方面，分析工艺与模具设计的合理性。与其它学科的区别与其它材料力学、结构力学的区别：弹塑性力学的研究对象是整体（而不是分离体）变形体内部的应力、应变分布规律（而不是危险端面）。与金属学的区别：将宏观变形力学条件/行为与微观组织性能联系起来第一章绪论第二章金属塑性变形的物理本质第三章金属塑性变形的力学基础第四章金属塑性成形中的摩擦第五章塑性加工中的流动与变形规律第六章主应力法及其应用主要参考资料【1】俞汉清，陈金德：金属塑性成形原理【2】彭大署：金属塑性成形原理【3】李尧：金属塑性成形原理【4】陈森灿：金属塑性加工原理【5】赵志业等：金属塑性加工原理及轧制理论第二章金属塑性变形的物理本质金属塑性加工原理PrincipleofPlasticDeformationinMetalsProcessing§2.1金属塑性变形的主要机制§2.2塑性加工中金属的组织与性能§2.3金属的塑性§2.4金属的超塑性§2.5塑性变形的温度——速度效应§2.6金属的变形抗力第二章金属塑性变形的物理本质§2.1金属塑性变形的主要机制2.1.1晶内塑性变形机构2.1.2晶间塑性变形机构2.1.3多晶体变形的特点2.1.4合金的塑性变形2.1.5变形机构图2.1.1晶内的塑性变形机构滑移面与滑移方向孪生滑移与宏观塑性变形的关系coscoscoscosu取向因子、硬取向、软取向2.1.2晶间的塑性变形机构1．晶粒的转动与移动2．溶解—沉积机构该机构的实质是一相晶体的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。3．非晶机构非晶机构是指在一定的变形温度和速度条件下，在应力场和热激活的作用下，多晶体中的原子非同步、连续地发生定向迁移的过程。2.1.3多晶体变形的特点1．晶粒内变形的不同时性与晶粒间变形的相互协调性（a）变形前（b）变形后图2-5多晶体塑性变形的不均匀性2．晶界的作用及晶粒大小的影响多晶体塑性变形的竹节现象晶界的作用在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晶粒大小的影响常温下，晶粒越细小，塑性变形抗力越大；变形分布越均匀，塑性就越好。2.1.4合金的塑性变形1．单相固溶体合金的变形“柯氏气团”与吕德斯带2．多相合金的变形聚合型，其强度和塑性取决于硬脆相的形态与相对分布沉淀强化/弥散强化型，位错的钉扎作用2.1.5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皆为32μm以10-8/s的应变速率来确定弹性边界拉伸应力拉伸应力位错蠕变位错蠕变§2.2塑性加工中金属的组织与性能2.2.1冷变形2.2.2热变形2.2.3塑性变形对固态相变的影响2.2.1冷变形1．冷变形的概念2．冷变形时金属显微组织变化3．冷变形时金属性能变化2.2.2热变形1)热变形的概念动态回复，动态再结晶，静态回复，静态再结晶亚动态再结晶2)热变形过程中的回复与再结晶3)热变形对金属组织性能的影响1）改善晶粒组织2）锻合内部缺陷3）破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布4）形成纤维组织5）改善偏析3．热变形对金属组织性能的影响动态再结晶图及其应用§2.3金属的塑性2.3.1塑性的基本概念2.3.2塑性指标及其测量方法2.3.3影响塑性的因素2.3.1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。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保证产品质量2.3.2塑性指标及其测量方法塑性指标的测量方法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轧制模拟试验法拉伸试验法00100%hLLL00100%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压缩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（γ）。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。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。§2.3.3影响金属塑性的因素1)影响塑性的内部因素2)影响金属塑性的外部因素3)提高金属塑性的主要途径4)塑性状态图及其应用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）组织结构影响金属塑性的外部因素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温度，℃图5-15碳钢的塑性随温度变化图塑性纯铝无氧铜图5-16几种铝合金及铜合金的塑性图2)变形速度塑性变形速度，1/秒ⅠⅡ图5-18变形速度对塑性的影响表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℃L411150158~195LD211~16150294~315LY1111~16150340~350LY1131653083)变形程度4)应力状态σ1-σ2大气压σ1-σ2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5)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6．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—塑性；2—变形抗力；3—临界体积点提高金属塑性的主要途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。塑性状态图及其应用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确定MB5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：Al5.5~7.0%Mn0.15~0.5%Zn0.5~1.5%确定MB5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根据相图确定合金的相组成温度℃图5-2Mg-Al二元系状态图从二元相图上获取的信息T＞530℃，合金为液相T＜270℃，合金为＋两相组织270℃＜T＜530℃，合金为单一的相铝含量对镁合金力学性能的影响δ%σb，公斤/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根据塑性图确定热变形温度范围试验温度，℃MB5合金的塑性图αk—冲击韧性；εM—慢力作用下的最大压缩率；α0—弯曲角度εC—冲击力作用下的最大压缩率