金属属性成型原理

金属塑性成型原理（塑性力学）金属冷态下的塑性变形机理：1、晶内变形的变形方式类似单晶体为滑移（主要的）和挛生（次要的〉滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移系=滑移面X滑移方向。滑移过程中晶体由于受到外界作用而发生转动，其结果是使原来任意取向的各个晶粒逐渐调整其方位而趋于一致。滑移过程的实质就是位错的移动和增殖过程。滑移方向的作用大于滑移面的作用，所以体心立方晶格（例如a-Fe）的塑性不如面心立方晶格（例如Y-Fe）。挛生：晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（挛生面）和一定的晶向（挛生方向）发生均匀切边。以何种方式进行塑性变形，取决于哪种方式变形所需的切应力为低。2、晶间变形的主要形式是晶粒之间相互滑动和转动。晶间变形是晶界附近具有一定厚度的区域内发生应变的结果。多晶体在冷态下的塑变主要是晶内变形，晶间变形只起次要作用，而且需要其它变形机制相协调。位错塞积群会产生很强的应力场，它越过晶界走用在相邻晶粒上，使其也具有位错趋势。理论上，为保持变形的连续性，每个晶粒至少要求有五个独立的滑移系启动。多晶体塑变的特点：1、各晶粒变形的不同时性；2、各晶粒变形的相互协调性；3、晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域直接按变形的不均匀性。晶粒越细小，金属屈服强度越大，。s=Zo+Kyd-i/2，其塑性也越好。粗晶粒材料冲压时易出现表面凸凹不平（桔皮现象）。材料经回火或长期存放后，拉伸时再次出现屈服现象，称为应变时效。屈服效应会使板料出现粗糙不平（吕德思带），是一种外观缺陷，预防方法是在拉延前进行一道微量（1-2%压下量）冷轧工序，以使被溶质碳原子钉扎的位错大部分脱钉。另一方法是在钢种加入少量钛、铝等强碳化物、氮化物形成元素，它们与碳、氮稳定结合，以减少碳、氮对位错的钉扎作用。多相合金可以分为两种：一类为聚合型两相合金（例如碳钢中的铁素体和粗大渗碳体），另一类是弥散分布型两相合金（例如钢种细小的渗碳体微粒分布在铁素体机体上）。精密冲裁中，对于碳的质量分数大于0.3%的碳钢板一般要预先进行球化处理，以获得球状渗碳体，提高精冲性能。（处理前为片状珠光体，即渗碳体+铁素体）钢中c>1.2%时，虽渗碳体数量增多，但其强度和塑性显著下降。原因是硬而脆的二次渗碳体呈网状分布于晶界处，削弱了各晶粒之间的结合力，并使晶内变形受阻而导致很大的应力集中，从而造成材料变形时提早断裂。弥散强化型合金中的第二相微粒是属于不可变形的；沉淀强化（时效强化）的粒子多属于可变性的，但当其在时效过程中长大到一定程度后，也能起到不可变形粒子的作用。对可变性粒子来说，其尺寸越大，位错切过粒子的阻力越大，合金的强化效果越好。生产中为减小制耳现象，可采用带圆角的正方形板坯来拉延圆筒件。加工硬化的成因：位错难以越过某些障碍而被限制在一定范围内运动。材料的硬化率可用真实应力-应变曲线来描述。加工硬化是强化金属的重要途径。例如自行车链片用3.5mm16Mn板经五道冷轧至1.2mm，硬度、强度均可成倍提高。去应力退火时回复在金属加工中的应用之一，既可以保持金属的加工硬化性能，又可消除残余应力，从而避免工件的畸变或开裂，改善耐蚀性。超塑性：金属盒合金具有超常的塑性变形能力，一般认为0>200%，应变速率敏感性指数m>0.3,大伸长率，无颈缩，低流动力，易成型。分为以下两种类型：1、细晶超塑性（结构超塑性或恒温超塑性）：在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所呈现的超塑性。（材料的晶粒必须超细化和等轴化，并在成型期间保持稳定）。2、相变超塑性：具有相变或同素异构转变的金属或合金在相变温度附近反复加热和冷却，经过一定的循环次数后，就可以获得很大伸长率。又叫动态超塑性，其研究和应用都较少，可用于钢与钢、铸铁与铸铁之间的焊接，以及一些简单的变形。超塑性的一个重要力学特征：流动应力（真实应力）对变形速率及其敏感。Y=k&m，其中Y-真实应力；k-决定于试验条件的材料常数；&-应变速率；m-应变速率敏感性指数。影响细晶超塑性的主要因素：应变速率、变形温度、组织结构和晶粒度等。这些因素大都直接影响1值的大小。影响金属塑性的因素分为：1、内在因素，如晶格类型、化学成分、组织状态等；2、外部条件，如变形温度、应变速率、变形的力学状态等。钢种杂质对材料的影响：1、磷：有害杂志，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性降低，在冷变形时更为严重（冷脆性）。2、硫：有害杂质，热变形时开裂（热脆性）。钢中Mn会与其形成MnS，从而消除S的有害作用。3、氮：当氮化物质量分数增加，钢的塑性降低，变脆，特别是在300^左右加工时（兰脆）。4、氢：有害元素，形成间隙固溶体，使钢的塑性韧性下降。锻、轧后冷却过快时，氢来不及向表面扩散逸出，聚集在显微缺陷处形成白点（微裂纹），在淬火或冷却过程中易开裂。5、氧：以固溶体和氧化物形式出现，都会降低钢的塑性。与其它杂物形成共晶体分布于晶界处时还会造成钢的硬脆性。许多合金元素（例如Mn、Cr、Mo、W、Nb、V、Ti）会使钢中的碳形成硬而脆的碳化物，钢的强度提高、而塑性下降。所有合金元素都能不同程度地熔入铁中形成固溶体，使变形抗力提高，而塑性降低。当合金元素与钢种的氧、硫形成氧化物或硫化物夹杂时，会造成钢的热脆性。合金元素会改变钢中相的组成，造成组织的多相性，从而使钢的塑性降低。有些合金元素（例如Si、Ni、Cr）会影响钢的铸造组织和刚才加热时晶粒长大倾向，从而影响钢的塑性。单相组织比多相组织塑性好，对于有固态相变的金属，应尽量在单相区内成形。在低温区，180°C左右时，钢的塑性是最好的。静水压力越大，金属的苏醒会越高，原因：1、压缩应力能阻止或减小晶间变形；2、三向压应力有利于愈合塑性变形过程中产生的各种损伤；3、三向压应力左右能抑制少量对塑性不利的杂质、液态相或组织缺陷，全部或部分地消除其危害；4、能抵抗由于不均匀变形引起的附加拉应力，从而减轻了附加拉应力所造成的拉裂作用。应变状态：两向压缩一向拉深〉一向压缩一向拉伸大于一向压缩两向拉伸。不连续热变形条件可以使金属塑性提高。提高金属塑性的基本途径：1、提高材料成分和组织的均匀性；2、合理选择变形温度和应变速率；3、选择三项压缩性较强的变形方式；4、减小变形的不均匀性。塑性力学（塑性理论）：研究金属在塑性状态下的力学行为，是连续介质力学的一个分支。通常采用以下假设：1、连续性假设；2、均质性假设；3、各向同性假设；4、初应力为零；5、体积力为零；6、体积不变假设。塑性力学的主要内容：1、静力学角度导出应力平衡微分方程；2、几何学角度导出小应变几何方程；3、物理学角度导出应力与应变之间的关系式；4、屈服准则。外力分为两类：1、面力（例如作用力、反作用力和摩擦力）；2、体积力（例如重力）。摩擦力的最大值不应超过材料的抗剪强度。规定（与材料力学不同）：外法线指向坐标轴正向的微分面为正面，在正面上指向坐标轴正向的应力分量取正好，在腹面上指向坐标轴负向的应力分量为正。即正应力分量以拉为正，以压为负。张量知识：重复出现的角标称为哑标（包含求和的意思），不重复出现的称谓自由标（表示表达式的个数）。应力状态特征方程：3-J2-JJ=0，其中J=++，J=-（ + + ）+2+2+2，1 2 3 1xyz2 xyyzzx xyyzzxJ=+2 -（ 2+ 2+ 2）。J，J，J分别称为应力张量的第一、第二、第三不变量。3xyz xyyzzx xyzyzxzxy 12 3应力张量不变量相等说明应力状态相同。主应力图分为9种：三向应力状态4种，两向应力状态3种，单向应力状态2种。最大切应力：尸13=±（1-2〉/2（或max=（max-min）"单位体积改变：0=（1-2v）・6m/E，其中v为泊松比，E为弹性模量，m=（1+2+3）/3为平均应力（静水应力）。应力偏张量是二阶对称张量，同样存在三个不变量，J「，Jj，J；。对于主轴坐标系：J，=0，表示已没有静水应力成分；J，=[（-）2+（-）2+（-）2]/6与屈1 2 1 2 2 3 3 1服准则有关；J，='''决定了应变类型，即J，＞0属伸长类应变，J，=0属平面应变，J，＜0属压缩类应3 1 2 3 3 3 3变。八面体平面方向余弦：l=m=n=±1/*3，则八面体正应力：8=（1+2+3）/3=m=J1/3；八面体切应力：

二±二气；2+2+2=±： J'。广义应力（应力强度）8 2 12 23 31 32广义应力（应力强度）也称等效应力，其有以下特点：1、是一个不变量；2、等于单相均匀拉深（或压缩）时的应力，=1；3、可以理解为一点应力状态中应力偏张量的综合作用。作应力莫尔圆时，切应力的正负号应按材料力学中的规定而确定。（顺时针作用于单元体的切应力为正，反之负）名义应变（即相对应变或工程应变），适用于小应变分析。分为线应变和切应变。自然应变（对数应变）仁二皿10，也称真实应变。（在应变主轴方向保持不变的情况下应变增量的总和。）当变形程度＜10%时，£与£的数值比较接近.8uM，点相对于M点的位移增量0*=*dx,.j伸长时线应变为正，反之为负.yx工程切应变（相对切应变）即为单位长度上的偏移量或两棱边所夹直角的变化量.Y=Y=13，当直角减小yxxy2jyx时,3yx取正号，反之负.（第一个角标表示线元（棱边）的方向，第二个角标表示偏转方向）。£=ln—=ln（1+£）=£-£2/2+£3/3-£4/4+…10对于大变形时的全量应变，需要用有限应变来分析.塑性变形时的体积不变条件:单位体积变化率3=里、=£+£+£=0.V xyz0应变张量I=£ +£ +£ =常数；I=-（£ £ +£ £ +£ £ =常数；I =£ ££=常数。1xyz 2 xy yz zx） 3xyz三对主切应变中,绝对值最大的主切应变称为最大切应变.作应变莫尔圆是,纵轴向下为正.（为了方便应变莫尔圆与应力莫尔圆配合使用）塑性变形只有三种变形类型：1、压缩类变形，£2+£3=-£；2、剪切类变形（平面变形），£广0，£1=-£3；3、伸长类变形，£1=-£2-£3。11八面体线应变为£8=3（£x+£y+£J=£m=3I1TOC\o"1-5"\h\z1二: : :八面体切应变为Y=±,；（£—£）2+（£—£）2+（£—£）2

3^ 八面体切应变为Y l —— .等小应变（也称广义应变或应变强度）£=*2『。="一（£—£）2+（£—£）2+（£—£）2，有如下特点:8 3* 1 2 2 3 3 11、是一个不变量；2、数值上等于单向均匀拉伸或均匀压缩方向上的线应变£1。如果物体的位移场已知，则可由小应变几何方程求得应变场。 1在每个坐标平面内，两个线应变分量一经确定，则线应变分量也就被确定了。全量应变：反映单元体在某一变形过程或变形过程中的某个阶段结束时的应变。速度分量（位移速度在某一变形过程或变形过程中的某个阶段结束时的应变。速度分量（位移速度在三个坐标轴上的投影）应变速率（单位时间内的应变）俗称变形速度。塑性加工中常用的几种变形量计算方法：1、绝对变形量；2、相对变形量；3、用面积比或线尺寸表示的变形量。实际塑性加工中为有限变形，即变形量较大。连续体的有限变形有两种表述方法：1、拉格朗日法：相对位移计算式以变形前物体内一点作为参考点，即以变形前的坐标作为自变量；2、欧拉法：相对位移计算是以变形后物体内一点作为参考点，即以变形后的坐标作为自变量。用拉格朗日方法分析，有限应变分量在工程实际中，薄壁管扭转、薄壁容器承受内压、板料成形中的一些工序等，由于厚度方向的应力相对很小而可以忽略，一般作为平面应力状态处理。平面应变问题状态下的几何方程。在一定的变性条件（变形温度、变形速度等）下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则，也称塑性条件。材料性质的分类：1、理想弹性材料；2、理想塑性材料（全塑性材料）；3、弹塑性材料（a、理想弹塑性材料；b、弹塑性硬化材料）；4、刚塑性材料（a、理想刚塑性材料；b、刚塑性硬化材料）。主要研究的是匀质、各向同性、理想刚塑性材料的屈服准则。屈雷斯加屈服准则（又称最大切应力不变条件）：max="max；bmm=C，还被称为主应力差不变条件。米塞斯屈服准则可表述为：在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力可达到某一值时，该点就开始进入塑性状态。米塞斯屈服准则的物理意义：当材料的单位体积形状改变的弹性位能（又称弹性变形能）达到某一常数时，材料就屈服。所以又称为能量准则或能量条件。屈服轨迹：两向应力状态下屈服准则的表达式在主应力坐标平面上的几何图形是一封闭的曲线。椭圆是平面应力状态下的米塞斯屈服轨迹，称为米塞斯椭圆。六边形&&&就是平面应力状态下的屈雷斯加屈服轨迹，称为屈雷斯加六边形。两个屈服准则相差最大的有六个点（其中两个为平面应变状态，两个为纯剪切状态），在这六个点上，两个屈服准则相差都是15.5%。n平面：在主应力空间中，通过坐标原点并垂直于等倾线ON的平面。一般韧性材料（例如铜、镍、铝、中碳钢、铝合金、铜合金）与米塞斯屈服准则符合较好；然而，有些材料（例如退火软钢），似乎与屈雷斯加屈服准则符合性更好。当主应力预知时，屈雷斯加屈服准则是线性的，使用方便，故工程中常采用。若用修正系数来考虑中间盈利的影响，则米塞斯屈服准则可以写成&&&。在单向受拉或受压及轴对称应力时，P=1；在纯切和平面应变状态下，P=1.155；其平均值为1.077.后续屈服轨迹的变化很复杂，通常采用各向同性硬化的假设（等向强化模型）。材料的真实屈服准则；对于理想塑性材料；对于应变强化材料，Y是真实应力（后续屈服应力）。本构关系：塑性变形时应力与应变之间的关系。（这种关系的数学表达式称为本构方程或物理方程）弹性变形时，应力-应变关系有以下特点：1、完全成线性关系，即应力主轴与全量应变主轴重合；2、弹性变形是可逆的，与应变历史无关；3、弹变时，应力球张量使物体产生体积的变化。增量理论（流动理论）：描述材料处于塑性状态时，应力与应变增量或应变速率之间关系的理论，是针对加载过程中每一瞬间的应力状态所确定该瞬间的应变增量。普朗特-路埃斯理论考虑了弹性变形，主要用于小应变及求解弹性回弹及残余应力问题；而列维-米塞斯理论仅适用于大应变，无法求弹性回跳及参与应力场问题。外摩擦：变形金属与工具之间接触面上产生的摩擦。内摩擦：变形金属内晶界面上或晶内滑移面上产生的摩擦。塑性成形中的摩擦有以下特点：1、伴随有变形金属的塑性流动；2、接触面上压强高；3、实际接触面积大；4、不断有新的摩擦面产生；5、常在高温下产生摩擦。摩擦对塑性成形通常是有害的，主要表现在：1、改变变形体内应力状态，增大变形抗力；2、引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力；3、降低模具寿命。残余应力：引起应力的外因去除后在变形体内仍保留下来的应力。摩擦可分为三类