《金属塑性成形原理》课件

《金属塑性成形原理》PPT课件欢迎来到《金属塑性成形原理》课程！本课件旨在系统讲解金属塑性成形的基本理论、工艺方法和数值模拟技术。通过本课程的学习，您将掌握金属塑性变形的规律，了解各种成形工艺的特点，并能够运用所学知识解决实际工程问题。让我们一起探索金属塑性成形的奥秘！课程简介：塑性成形的定义与意义塑性成形的定义塑性成形是指利用金属材料的塑性，在外力作用下使其产生永久变形，从而获得所需形状、尺寸和性能的成形方法。它是一种重要的金属加工方法，广泛应用于各个工业领域。塑性成形的意义塑性成形具有节材、节能、高效、优质等优点，能够制造出形状复杂、尺寸精确、性能优良的金属零件，是实现轻量化、高性能产品的重要手段。它对于推动工业技术进步和经济发展具有重要意义。塑性成形在工业中的应用汽车工业汽车车身、底盘、发动机等关键部件，大量采用塑性成形工艺制造，例如冲压、锻造、轧制等，以满足轻量化、安全性和经济性的要求。航空航天工业飞机机身、发动机叶片、起落架等高性能部件，需要采用精密塑性成形工艺制造，例如等温锻造、精密轧制等，以保证材料的强度、韧性和可靠性。电子工业电子产品的外壳、连接器、散热器等小型精密零件，通常采用冲压、拉深等塑性成形工艺制造，以实现高效率、低成本的批量生产。塑性成形的基本特点1体积不变性在塑性变形过程中，金属材料的体积基本保持不变，只是形状发生改变。这是塑性成形的重要特点，也是进行工艺设计和计算的基础。2应力状态复杂塑性成形过程中的应力状态通常比较复杂，涉及拉应力、压应力、剪应力等多种应力分量。准确分析应力状态是控制变形过程、防止缺陷产生的关键。3变形抗力大金属材料在塑性变形过程中会产生变形抗力，需要施加较大的外力才能使其发生变形。变形抗力与材料的强度、温度、变形速度等因素有关。本课程的学习目标掌握塑性变形的基本理论理解晶体结构、位错理论、塑性变形机理等基本概念，为深入学习塑性成形工艺奠定理论基础。掌握应力应变分析方法能够进行塑性变形过程的应力状态和应变状态分析，为优化工艺参数、预测成形结果提供依据。了解常用塑性成形工艺熟悉锻压、轧制、拉拔等常用塑性成形工艺的原理、特点和应用，能够根据零件的要求选择合适的成形方法。本课程的重点与难点重点金属的塑性变形机理、塑性变形的应力状态分析、塑性本构关系、常用塑性成形工艺的原理与特点。难点位错理论的理解与应用、复杂应力状态下的塑性变形分析、塑性本构关系的建立与求解、塑性成形过程的数值模拟。参考书目与学习资源参考书目《金属塑性成形原理》，作者：XXX，出版社：XXX《金属塑性加工》，作者：XXX，出版社：XXX《有限元法在塑性成形中的应用》，作者：XXX，出版社：XXX学习资源相关学术期刊论文专业网站与论坛数值模拟软件教程第一章：金属的塑性变形本章主要介绍金属塑性变形的基本概念、微观机理和影响因素。首先，我们将回顾晶体结构与金属的微观组织，了解金属材料的基本构成。然后，我们将深入探讨位错理论，这是理解金属塑性变形的关键。最后，我们将分析冷变形与热变形的特点，以及冷作硬化现象的机理。晶体结构与金属的微观组织1晶体结构金属材料通常具有晶体结构，原子按一定规律排列形成晶格。常见的晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方等。不同的晶体结构具有不同的塑性变形能力。2晶粒与晶界金属材料由许多晶粒组成，晶粒之间存在晶界。晶粒的大小、形状和取向会影响金属的塑性变形行为。晶界是位错运动的阻碍，细晶粒金属具有更高的强度和塑性。3织构金属材料中晶粒的择优取向称为织构。织构会使金属材料的性能具有各向异性，对塑性成形过程产生影响。位错理论：位错的种类与特性位错的种类位错是晶体中一种常见的线缺陷，主要分为刃型位错和螺型位错。刃型位错有一个额外的半原子面，螺型位错的原子排列呈螺旋状。位错的特性位错具有应力场，可以与其他位错或缺陷相互作用。位错的运动是金属塑性变形的主要方式。位错的密度越高，金属的强度越高。位错的运动与滑移滑移面位错运动通常发生在晶体中原子密度最高的平面上，称为滑移面。1滑移方向位错在滑移面上沿原子排列最紧密的方向运动，称为滑移方向。2滑移系滑移面和滑移方向构成滑移系。金属材料的塑性变形能力取决于滑移系的数目和滑移阻力。3位错的增殖与塞积1位错源在外力作用下，晶体中的位错源会不断产生新的位错，导致位错密度增加。2位错塞积位错在运动过程中会遇到晶界、第二相质点等阻碍，发生塞积，形成应力集中。3塑性变形位错的增殖和塞积是金属塑性变形的重要微观机理。位错的增殖和塞积对金属材料的强度和塑性产生重要影响。位错的增殖可以提高材料的塑性变形能力，而位错的塞积则会导致材料的强度提高但塑性降低。金属的塑性变形机理滑移滑移是金属塑性变形的主要机理，通过位错在晶体中的运动实现。滑移过程需要克服晶格阻力和位错之间的相互作用。孪生孪生是另一种塑性变形机理，通过晶体中一部分原子沿一定晶面发生有规律的切变实现。孪生通常发生在滑移困难的情况下，例如密排六方晶体。晶界滑动在高温下，晶粒之间的晶界会发生相对滑动，导致塑性变形。晶界滑动是高温蠕变的重要机理。冷变形与热变形的概念冷变形冷变形是指在低于再结晶温度下进行的塑性变形。冷变形过程中，金属材料的强度和硬度提高，塑性降低，产生冷作硬化现象。热变形热变形是指在高于再结晶温度下进行的塑性变形。热变形过程中，金属材料的强度和硬度降低，塑性提高，可以进行较大的变形而不会产生裂纹。冷作硬化现象及机理1冷作硬化冷作硬化是指金属材料在冷变形过程中，强度和硬度提高，塑性降低的现象。冷作硬化是由于位错密度增加、位错塞积等原因造成的。2机理冷变形过程中，位错不断增殖，位错之间的相互作用增强，阻碍位错运动，导致材料的强度和硬度提高。同时，位错塞积会产生应力集中，容易导致裂纹产生，降低材料的塑性。第二章：塑性变形的应力状态分析本章主要介绍塑性变形的应力状态分析方法。我们将首先回顾应力张量的定义与表示，然后介绍主应力与主方向的概念，以及应力圆的绘制与应用。最后，我们将分析变形体的应力状态，并讨论常见塑性成形过程的应力状态。应力张量的定义与表示1应力应力是指物体内部单位面积上的内力。应力可以分为正应力（垂直于面积）和剪应力（平行于面积）。2应力张量应力张量是一个描述物体内部应力状态的数学工具。它是一个二阶张量，包含九个分量，表示物体在不同方向上的应力大小。3表示应力张量可以用矩阵的形式表示，其中对角线上的元素表示正应力，非对角线上的元素表示剪应力。主应力与主方向主应力主应力是指在某个方向上，物体内部的正应力达到最大值或最小值。主应力是描述应力状态的重要参数。主方向主方向是指与主应力相对应的方向。在主方向上，物体内部的剪应力为零。应力圆的绘制与应用应力圆应力圆是一种用图形表示应力状态的方法。它可以直观地显示物体内部的正应力和剪应力的大小，以及主应力的大小和方向。1绘制应力圆的绘制需要知道物体内部在两个相互垂直方向上的正应力和剪应力。根据这些值，可以确定应力圆的圆心和半径，从而绘制出应力圆。2应用应力圆可以用于分析物体内部的应力状态，判断物体是否会发生屈服或断裂，以及确定最佳的加工工艺参数。3变形体的应力状态分析1弹性变形弹性变形是指物体在外力作用下产生的变形，在卸载后可以完全恢复。弹性变形的应力状态可以用弹性力学理论进行分析。2塑性变形塑性变形是指物体在外力作用下产生的变形，在卸载后不能完全恢复。塑性变形的应力状态分析需要考虑材料的塑性本构关系。变形体的应力状态分析是塑性成形过程设计和控制的重要依据。通过分析应力状态，可以预测变形体的变形行为，防止缺陷产生，优化工艺参数。常见塑性成形过程的应力状态锻压锻压过程中的应力状态主要为压应力，有利于材料的致密化和强韧化。但如果压应力分布不均匀，容易导致裂纹产生。轧制轧制过程中的应力状态为压应力和剪应力的组合，有利于材料的延伸和减薄。但如果轧制参数不当，容易导致表面缺陷和内部裂纹。拉拔拉拔过程中的应力状态主要为拉应力，有利于材料的细化和强化。但如果拉拔力过大，容易导致断裂。第三章：塑性变形的应变状态分析本章主要介绍塑性变形的应变状态分析方法。我们将首先回顾应变张量的定义与表示，然后介绍主应变与主方向的概念，以及变形梯度与变形分解。最后，我们将讨论塑性变形中的体积不变性，并分析常见塑性成形过程的应变状态。应变张量的定义与表示1应变应变是指物体内部的变形程度。应变可以分为正应变（长度变化）和剪应变（角度变化）。2应变张量应变张量是一个描述物体内部应变状态的数学工具。它是一个二阶张量，包含九个分量，表示物体在不同方向上的应变大小。3表示应变张量可以用矩阵的形式表示，其中对角线上的元素表示正应变，非对角线上的元素表示剪应变。主应变与主方向主应变主应变是指在某个方向上，物体内部的正应变达到最大值或最小值。主应变是描述应变状态的重要参数。主方向主方向是指与主应变相对应的方向。在主方向上，物体内部的剪应变为零。变形梯度与变形分解变形梯度变形梯度是描述物体变形程度的张量，它将物体变形前后的坐标联系起来。1变形分解变形可以分解为弹性变形和塑性变形。弹性变形是可恢复的，塑性变形是不可恢复的。2塑性变形中的体积不变性1体积不变性在塑性变形过程中，金属材料的体积基本保持不变。这是塑性成形的重要特点，也是进行工艺设计和计算的基础。体积不变性是塑性变形的重要假设，它简化了塑性变形的分析和计算。但在实际的塑性成形过程中，由于材料的密度变化和缺陷产生，体积不变性并不完全成立。常见塑性成形过程的应变状态锻压锻压过程中的应变状态主要为压应变，导致材料的厚度减小，面积增大。轧制轧制过程中的应变状态为压应变和剪应变的组合，导致材料的厚度减小，长度增大。拉拔拉拔过程中的应变状态主要为拉应变，导致材料的长度增大，截面积减小。第四章：塑性本构关系本章主要介绍塑性本构关系，它是描述材料塑性变形行为的数学模型。我们将首先介绍材料的屈服准则，包括Tresca准则和VonMises准则。然后，我们将介绍强化模型，包括各向同性强化和运动强化。最后，我们将讨论时效效应与蠕变。材料的屈服准则：Tresca准则1Tresca准则Tresca准则认为，当材料内部的最大剪应力达到某一临界值时，材料开始发生屈服。该准则比较简单，但精度较低。材料的屈服准则：VonMises准则VonMises准则VonMises准则认为，当材料内部的畸变能密度达到某一临界值时，材料开始发生屈服。该准则精度较高，应用广泛。强化模型：各向同性强化各向同性强化各向同性强化模型认为，材料在塑性变形过程中，屈服面均匀扩大，强度在各个方向上都得到提高。强化模型：运动强化1运动强化运动强化模型认为，材料在塑性变形过程中，屈服面发生平移，强度在某些方向上提高，而在另一些方向上降低。运动强化模型能够更好地描述材料的包辛格效应和循环硬化现象。时效效应与蠕变时效效应时效效应是指金属材料在一定的温度下，强度和硬度随时间延长而提高的现象。蠕变蠕变是指金属材料在高温和恒定应力作用下，随时间延长而缓慢变形的现象。第五章：塑性成形过程的摩擦与润滑本章主要介绍塑性成形过程中的摩擦与润滑。我们将首先介绍摩擦的类型与机理，然后介绍润滑的作用与方式。最后，我们将讨论影响摩擦系数的因素，以及润滑剂的选择与应用。摩擦的类型与机理1摩擦类型摩擦可以分为干摩擦、边界摩擦和流体摩擦。干摩擦发生在两个固体表面直接接触的情况下，边界摩擦发生在两个固体表面之间有少量润滑剂的情况下，流体摩擦发生在两个固体表面之间有足够润滑剂的情况下。2摩擦机理摩擦的机理比较复杂，涉及表面粗糙度、粘着力、磨损等因素。不同的摩擦类型具有不同的摩擦机理。润滑的作用与方式润滑的作用润滑可以降低摩擦系数，减少能量消耗，延长模具寿命，提高成形质量。润滑的方式润滑的方式有多种，例如涂抹润滑剂、喷涂润滑剂、浸泡润滑剂等。不同的润滑方式适用于不同的成形工艺。影响摩擦系数的因素材料不同的材料具有不同的摩擦系数。1表面粗糙度表面粗糙度越大，摩擦系数越大。2温度温度升高，摩擦系数通常会降低。3压力压力增大，摩擦系数通常会增大。4润滑剂的选择与应用1润滑剂选择润滑剂的选择需要考虑材料、成形工艺、温度、压力等因素。2润滑剂应用润滑剂的应用需要考虑润滑方式、润滑量、润滑频率等因素。选择合适的润滑剂和应用方法，可以有效地降低摩擦系数，提高成形质量。第六章：塑性成形过程的温度效应本章主要介绍塑性成形过程的温度效应。我们将首先介绍变形功转化为热能，然后介绍温度对材料性能的影响。最后，我们将讨论热变形过程的特点，以及热处理对塑性成形的影响。变形功转化为热能1热能产生在塑性变形过程中，一部分变形功会转化为热能，导致材料温度升高。温度升高会对材料的性能产生影响。温度对材料性能的影响强度温度升高，材料的强度通常会降低。塑性温度升高，材料的塑性通常会提高。热变形过程的特点塑性提高热变形过程中，材料的塑性提高，可以进行较大的变形而不会产生裂纹。1强度降低热变形过程中，材料的强度降低，变形抗力减小。2热处理对塑性成形的影响1热处理热处理可以改变金属材料的组织结构和性能，从而影响塑性成形过程。常用的热处理方法有退火、正火、淬火和回火。不同的热处理方法对塑性成形的影响不同。第七章：塑性成形过程的数值模拟本章主要介绍塑性成形过程的数值模拟。我们将首先介绍有限元法的基本原理，然后介绍塑性成形的有限元模拟流程。最后，我们将讨论模拟结果的分析与验证，以及常用商业软件介绍。有限元法的基本原理1有限元法有限元法是一种将连续体离散为有限个单元，然后求解每个单元的近似解，最后将所有单元的解组合起来得到整体解的数值方法。塑性成形的有限元模拟流程流程建立几何模型划分有限元网格定义材料属性施加载荷和边界条件求解有限元方程后处理，分析结果模拟结果的分析与验证结果分析对模拟结果进行分析，例如应力分布、应变分布、温度分布等。1结果验证将模拟结果与实验结果进行对比，验证模拟结果的准确性。2常用商业软件介绍1常用软件ANSYSABAQUSDEFORM这些软件都具有强大的有限元分析功能，可以用于模拟各种塑性成形过程。第八章：锻压成形原理本章主要介绍锻压成形原理。我们将首先介绍锻压的基本概念与分类，然后介绍自由锻和模锻的工艺过程与特点。最后，我们将介绍锻造设备的类型与选择。锻压的基本概念与分类1锻压锻压是指利用冲击力或压力使金属坯料产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的成形方法。2分类锻压可以分为自由锻和模锻。自由锻是指在简单工具或设备上进行的锻造，模锻是指在模具中进行的锻造。自由锻的工艺过程与特点工艺过程加热镦粗拔长冲孔弯曲特点灵活性高生产效率低精度低模