材料成型概论 第二章 材料成型的基础1(可编辑)

材料成型概论q 第一章 材料成型 概述q 第二章 材料塑性成型的基础q 第三章 轧制成型q 第四章 挤压成型q 第五章 拉拔成型q 第六章 锻造成型q 第七章 冲压成型q 第八章 陶瓷成型第 二章 材料塑性成型的基础2.1 材料 塑性成型的基础2.1.1 金属塑性成型的力学基础2.1.2 金属塑性成型的金属学基础2.2 金属材料的种类 及编号2.2.1 钢铁材料的种类及编号2.2.2 铝 铝合金及铜 铜合金2.2.3 钛及钛合金金属塑性成型的过程：q 是在某种变形力学条件和热力学条件下进行的 .q 即在某种应力状态与变形状态及一定的 变形温度、 变形速度 及 变形程度 范围内进行的。q 随着这些条件的不同，金属的 塑性 、 变形抗力 、成型时的 力能消耗 和 组织性能 均不同。2.1 材料塑性成型的基础2.1.1.1 外力、内力和应力1.外力 : 作用力、反作用力、摩擦力在压力加工过程中 ,作用在金属表面上的力。n 作用力 ：是使金属产生塑性变形的主动力。是各种机械动作产生，迫使金属变形的力。如锻造、轧制、拉拔等过程特点：外部作用，方向与接触工作面垂直。2.1.1 金属塑性成型的力学基础n 反作用力 ：工具阻碍金属工件在某个方向上运动而产生的力。方向垂直于工具的工作表面，作用在金属工件上。n 摩擦力 ：n 阻碍相对接触的工件与工具间相对运动趋势时的力，方向沿工具与工件接触面的切线方向。n 摩擦力一方面有着阻碍变形金属质点流动的作用，使金属变形不均匀（锻造） ； 同时，也有促使变形过程建立并使之稳定的作用（轧制咬入） 。2.1.1.1 外力、内力和应力在变形体内原子被迫偏离平衡位置，则该物体便出现了内力和应力。2.内力 : 是材料内部所受的力。材料在外力的作用下，其内部就会产生相应的作用力以抵抗变形，并在整体上与外力达到平衡。这种作用力称为内力。2.1.1.1 外力、内力和应力q 内力产生的原因 :1）平衡外力；2）由于工件的整体性，各部分的 不均匀变形 、 不均匀加热和冷却 、 不均匀相变 等必将互相限制，因此物体内部出现了自相平衡的内力。 如加热不均 ; 轧制变形不均等。2.1.1.1 外力、内力和应力 产生的实质：原子偏离平衡位置，原子间距改变的结果。2.1.1.1 外力、内力和应力2.1.1.1 外力、内力和应力3.应力 : 分布在单位面积上的内力称为应力。在数值上等于一个无限小的面积上内力总和与该面积比值的极限 :平均应力 等于在某一个面积上的内力 P和该面积 F的比值。即 : = P F国际单位： 1MPa = 1MN m2 = 1N mm2 2.1.1.1 外力、内力和应力3.应力 :通常，作用于物体任意截面上的应力往往与该截面成任意角度，可以分解为垂直于截面 F的法线正应力 : 和作用于截面 F切线方向的切应力 : 2.1.1.1 外力、内力和应力3.应力 : 取适当的坐标轴，使之按此轴方向所截取的截面上只有法线应力作用，而没有切线应力作用：（ ）(1 ,2 ,3 ) 叫 主应力拉应力为正，压应力为负按代数顺序：9种主应力状态图示定性反映所需 单位变形力的大小 和工件破坏前可能产生的 塑性变形程度 , 即塑性大小 。主应力状态图示主应力状态图示应力 结论n 拉应力易导致材料破坏，压应力有利于减少或抑制破坏的发生和发展。n 应力图示中，压应力比重越大，材料塑性越高。n 三向均匀压缩可以迫使金属内部组织致密， 使滑移面紧密结合， 可以焊合裂纹，提高塑性。 拉应力的数量愈多，则其塑性愈差，因为它使缺陷扩大， 使滑移面分离 。1.变形 : 材料在外力的作用下将发生 形状 和 尺寸 变化，称为变形。 q 外力去除后能够恢复的变形称为 弹性变形。q 外力去除后不能恢复的变形称为 塑性变形。2.1.1.2 变形、应变和主应变弹性变形特征： 拉伸 : = E ， E-杨氏模数；剪切： = G ， G-切变模数塑性变形特征： 应力与应变的关系偏离虎克定律n 变形区：金属在外力作用下正在发生塑性变形的区域。n 刚端：变形区以外的区域。2.1.1.2 变形、应变和主应变绝对主应变 相对主应变 真实相对主应变2.应变 :物体变形前后变形程度的大小3.主应变 :和主轴方向一致的变形叫主应变伸长 :箭头向外 ; 缩短 :箭头向里根据变形前、后体积不变的条件，HBL hbl 或 hbl / HBL = 1两边取对数，即得 ln(h/H)+ln(b/B)+ln(l/L)=0或 1+2+3= 0n 主应变图示： 是用来表示 3个主应变的存在及其正负，而不注明其具体数值的简明立方体示意图形。3.主应变n 第一类变形图示 一向缩短 ,二向伸长如 有 宽展轧制 ；n 第二类变形图示 一向缩短 ,一向伸长如 无 宽展轧制 ；n 第三类变形图示 二向缩短 ,一向伸长如 挤压轧制 。n 与金属的塑性密切相关，反映金属的塑性好坏。3.主应变物体在外力作用下产生应力和变形 .以单向拉伸为例说明塑性变形过程与特点 .金属变形分为 弹性 、 塑性变形 、破裂 三个阶段。当 弹性变形阶段；当 S以后，塑性阶段是非线性关系；当应力达到 b之后，不均匀塑性变形 ,然后断裂。2.1.1.3 应力与变形的关系时 ，n 若在均匀塑性变形阶段出现卸载现象，一部分变形得以恢复，另一部分则成为永久变形。卸载阶段 - 呈线性关系。这说明了塑性变形时，弹性变形依然存在。n 弹塑性共存 与 加载、卸载过程不同的 - 关系 是塑性变形的两个基本特征。n 塑性变形改变了材料的力学和物化性能。2.1.1.3 应力与变形的关系2.1.1.4 塑性变形条件1.Trescu屈服条件 : 最大切应力理论。金属的塑性变形是由切应力达到某一值时引起的。又称简单塑性条件。2.1.1.4 塑性变形条件2.Mises屈服条件 : 形变能定值理论。当变形金属内的变形剪切能达到一个临界值时，金属就由弹性变形进入塑性变形。又称精确塑性条件。对于板带轧制，简化为： 1 3 = 1.15 S KK： 平面变形抗力。2.1.2.1 金属的塑性变形机构工业用的金属及合金材料都是由无数个单晶体构成的多晶体，它们是由 大小 、 形状 和 取向 各不相同的许多晶粒通过晶界联结而成为一体的。2.1.2 金属塑性成型的金属学基础n 单晶体塑性变形单晶体受力后，外力 P在任何晶面上都可分解为正应力 和切应力 ，如图所示。正应力 只能引起弹性变形及解理断裂。 只有在切应力 的作用下金属晶体才能产生塑性变形。2.1.2.1 金属的塑性变形机构a. 外应力在晶面上的分解 ；b. 在切应力 作用下的变形； c. 铝单晶的拉伸变形照片 . n 滑移 （ sliding） ： 最重要的变形方式晶体的一部分沿一定的 晶面 和 晶向 相对于另一部分发生滑动位移的现象。 滑移面 滑移方向n 孪生（ twinning） ：孪生 是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。单晶体塑性变形n 滑移变形的特点1.滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称 临界切应力 . 2.滑移 常沿晶体中 原子密度 最大的晶面和晶向发生。3.滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍