1塑性加工时的变形条件

１．塑性加工时的变形条件本章内容:明确塑性加工时的变形条件变形力学条件：外力、内力及应力、应力状态、应变状态；变形热力学条件：变形程度、变形速度、变形温度。变形条件不同可导致金属的塑性、变形抗力、力能消耗、产品性能等等的改变。1.1塑性加工时工件所受的外力一．表面力作用于物体表面的外力１．作用力（主动力）由各种机械动作产生，迫使金属变形的力。特点：外部作用，方向与接触工作面垂直。２．反作用力（约束反力）工具对金属产生的压力，阻止变形金属移动的力。①正压力N垂直于工具的工作表面，指向工件。②摩擦力T沿工具与工件接触面的切线方向。反作用力即正压力与摩擦力的合力。a)摩擦力的方向摩擦力的方向取决于工具与变形金属的相对运动，当工具与工件运动方向一致时V工具＞V工件摩擦力的方向与金属运动方向相同V工具＜V工件摩擦力的方向与金属运动方向相反1b）摩擦力的大小库仑定律：T＝N·f与正压力成正比1前滑区：V工具＜V工件T2与金属流向相反后滑区：V工具＞V工件T１与金属流向相同影响摩擦系数f的因素：Ⅰ）工具与工件的表面状态粗糙↑，f↑Ⅱ）工具与工件的相对运动速度△Ｖ↑，f↓Ⅲ）单位压力压力↑，f↑Ⅳ）变形温度T＜Tc，T↑，f↑；T＞Tc，T↑，f↓二．体积力作用于物体内所有质点并与质量成正比的力如：惯性力、重力、磁力等等体积力相对于表面力来说，可忽略不计1.2原子间的作用力一．基本概念原子间的作用力与原子间距有关两个原子间的相互作用力与原子间距的关系如图1-2所示。１．r＝r0时，斥力＝引力，内力＝０，平衡位置，势能最底２．r＞r0时，斥力＜引力，合力表现为引力３．r＜r0时，斥力＞引力，合力表现为斥力1二．弹塑性变形的特征１．弹性变形弹性：卸载后材料恢复原子形状和尺寸的性质虎克定律：σ=E·εE：弹性模量E↑，刚度↑①与原子间作用力性质有关②与材料的结构因素关系不大弹性变形三个特征：①可逆性②线性关系③变形值小２．塑性变形所加外力大到足以克服原子的势垒，使原子从一个平衡位置移到另一个平衡位置。塑性：材料保留永久变形而不恢复原状的性质。塑性变形三个特征：①不可逆性②非线性③变形值大３．弹塑性变形共存EC段：弹性变形部分（恢复）OC段：永久变形1.3内力和应力一．内力１．定义：物体内各质点的相互作用力。其大小等于引力与斥力之和。产生的实质：原子偏离平衡位置，原子间距改变的结果。２．产生原因①由于外力的作用，为平衡外力的机械作用将发生内力。②由于物理及物理化学过程的作用，物体各部分变形大小不同。由于物体是一个整体，各部分的不均匀变形将互相限制，因此物体内发生了自相平衡的内力。以不均匀加热的金属为例：如图1-5左边温度低，右边温度高。右边受热膨胀的延伸大，由于金属的整体性，使各部分不均匀变形互相限制，因此物体内发生了自相平衡的内力。二．应力１．定义：作用在微小面素上的内力与该面积之比的极限。单位面积上的内力。内力的强度。S作用在面素δF上的全应力σ作用在面素δF上的法向应力正应力τ作用在面素δF上的切向应力切应力２．分类①基本应力：由于外力作用所引起的应力②附加应力：由于物理化学过程所引起的物体内部自相平衡的应力③工作应力：基本应力与附加应力的代数和外力去除后，基本应力消失，附加应力以残余应力的形式存留在金属内。1.4应力状态和应力图示一．应力状态——物体内的原子被迫偏离平衡位置的状态点的应力状态——物体内任意一点不同方位上所承受的应力情况在三个相互垂直的微分面上共作用有九个应力分量点的应力状态可用应力张量来描述。已知这九个应力分量，就可根据静力平衡关系求出任意方向上的应力。１．主平面主方向主应力主平面——切应力等于０的平面主方向——主平面的法线方向主应力——主平面上的法线应力用σ1、σ2、σ3表示并按代数值顺序σ１＞σ２＞σ３应力张量Tσ可分成二个部分：Tσ＝TσS＋TσDTσS：应力球张量，引起体积变化的应力张量，与平均应力有关。σm＝1/3（σ1＋σ2＋σ3）TσD：应力偏张量，引起形状变化的应力张量，与偏差应力有关。σi＝σ－σm２．主切平面切应力有极大值的平面。与主平面的夹角为45°和135°。３．静水压力σm＝1/3（σ1＋σ2＋σ3）为压缩应力，负值则：P＝│σm│＝－1/3（σ1＋σ2＋σ3）称为静水压力二．应力图示１．定义在单元立方体的面上用箭头表示有无主应力存在的图示。拉应力，用“＋”表示，箭头向外压应力，用“－”表示，箭头向里应力图示共有九种：线应力状态：二种常在拉伸试验或变形区边缘出现面应力状态：三种冲压变形常见体应力状态：四种大多数压力加工中出现塑性加工过程中常见的是体应力图示。如图1-1所示(a)平锤下的锻造三向压应力图示(b)通过模孔的挤压三向压应力图示(d)平辊间的板材轧制三向压应力图示(c)拉拔一向拉伸、二向压缩的应力图示２．影响因素①外力的方向②工具的形状③工件的形状④不均匀变形⑤外摩擦⑥变形前的残余应力３．作用①能定性判断材料在变形过程中塑性高低拉应力易导致材料破坏压应力则有利于减少或抑制破坏的发生和发展应力图示中，压应力比重越大，材料塑性越高静水压力P↑，塑性↑②能定性判断材料在变形过程中单位变形力的大小τmax＝（σ１－σ３）／２当τmax＝τk时，材料才能产生塑性变形。应力同号，τmax小，要达到τk值，须要较大的单位变形力。应力异号，τmax大，用较小的单位变形力就可达到τk值。1.5变形程度与变形图示一．变形程度一般以绝对值最大的主变形程度作为整个变形过程中的ε１．表示法设工件为平行六面体，变形前尺寸：H、B、L变形后尺寸：h、b、l①绝对变形：在主应力方向上，物体变形前后的尺寸差绝对压下量：△h＝H－h绝对宽展量：△b＝b－B绝对延伸量：△l＝l－L②相对变形：绝对变形与变形前尺寸之比相对压下量：eh＝(H－h)/H×100%相对宽展量:eb＝(b－B)/B×100%相对延伸量：el＝(l－L)/L×100%相对变形不能表示变形瞬间的真实变形程度③真实相对变形：用各阶段的相对变形之和来表示真实延伸量：εl＝lnl/L真实宽展量：εb＝lnb/B真实压下量：εh＝lnh/H反映了工件的真实变形程度，称真变形④变形系数压下系数：η＝H/h宽展系数：ω＝b/B延伸系数：μ＝l/L２．讨论为什么说真变形更能反映变形的真实情况？①真实变形体现了体积不变定律②真实变形体现了相对移动体积的概念③真实变形具有可加性④真实变形具有可比较性３．应用二．变形图示１．定义在单元立方体的面上用箭头表示三个主变形是否存在的图示。不表示变形大小。伸长——箭头向外缩短——箭头向里２．表示方法由于塑性加工中工件体积不变，变形图示只能有三种。①第一类变形图示一向缩短二向伸长如：自由锻造、有宽展的轧制②第二类变形图示一向缩短一向伸长无宽展的轧制③第三类变形图示二向缩短一向伸长如：挤压、拉拨３．应力图示与变形图示的关系变形图示中的主变形是指塑性变形而不包括弹性变形，它对应的是应力偏张量。σi－σm与变形图示相对应，应力为(σ1－σm)、(σ2－σm)和(σ3－σm)的图示也只有三种1.6变形速度一．一般概念变形速度——单位时间内的变形程度单位时间内的相对移动体积总结：①明确塑性加工的变形条件②应力状态的概念③确定变形体内的应力图示、变形图示、变形力学图示④主平面、主切平面、主变形的特点⑤变形速度的表示方法思考题:1.变形热力学条件有哪些因素构成?2.产生内力的实质、原因是什么?3.什么叫附加应力?基本应力?工作应力?残余应力?4.应力图示有几种?变形图示有几种?什么叫变形力学图示?它有什么作用?5.挤压和拉拔哪种变形方式对塑性发挥有利?为什么?6.有一异号的二向应力图示，拉应力按绝对值比压应力大，求它的变形图示？