金属塑性变形理论金属塑性变形理论 Theory of metal plastic deformationTheory of metal plastic deformation第一讲第一讲 Lesson OneLesson One应力状态和塑性变形简介Lesson OneLesson One1 1金属塑性加工的金属塑性加工的 力学和热力学条件力学和热力学条件 拉力 压力 剪切力 弯折 扭转 残余应力各种塑性加工成型过程都是在某种变形力学状 态下以及一定的热力学条件下进行。力学状态： 变形温度 变形速度 变形程度热力学条件：随着上述条件不同，金属与合金的塑性、变形抗力、 加工时力能消耗、材料的组织和性能都将不同Lesson OneLesson One金属在外力作用下能稳定地改变其形状和尺寸 而不破坏的能力。塑性：用金属破坏前所能产生的最大变形程度来表示 。变形抗力：金属对变形的抵抗能力。用单向拉伸或压缩时试样横断面上所受的应力 来表示。Lesson OneLesson One1.1 塑性加工时所受的力一、作用力把塑性加工设备可动工具部分对变形金属所 作用的力叫作用力或主动力。作用力和约束反力Lesson OneLesson OneLesson OneLesson One二、约束反力阻碍金属质点运动的力。（1）正压力（2）摩擦力T=fN沿工具和工件接触面法线方向阻碍工件整体移动 或金属流动的力，方向和接触面垂直并指向工件沿工具和工件接触面切线方向阻碍金属流动的力， 并与金属质点流动方向和流动趋势相反Lesson OneLesson One注意：1、画受力图 2、可忽略重力和惯性力Lesson OneLesson One图1-2 原子间的作用力和 图1-3理想晶体中的 能同原子间距(r)的关系 原子排列及其势能曲线1.2 原子间的作用力和能Lesson OneLesson One（3）rro时原子间作用的内力表现为斥力若压缩原子使rro ，所加之力或能必须克服原 子间的斥力或排斥能。 由上述可得到：（1）r=ro时原子的斥力和引力相等内力为零，原子势能最低，原子处于最稳定位置（2）rro时原子间作用的内力表现为引力若拉开原子使rro ，所加之力或能必须克服原 子间的引力或吸引能。Lesson OneLesson One （4）弹性变形所加之力或能不足以克服势垒，仅使原子被 迫离开平衡位置，而处于不稳定状态。此时，去掉 所加的力后，原子回到原来的平衡位置，变形也就 消失。 特点：原子间距改变、原子间势能升高、物体的体 积发生变化（变化不大）（5）塑性变形所加之力或能足以克服势垒，而使大量的原子 多次地、定向地从一个平衡位置转移到另个平衡 位置。这样在宏观上就产生了不能复原的永久变形特点：形状和尺寸改变，但体积不变Lesson OneLesson One（6）弹塑性变形共存发生宏观屈服后的任意变形瞬间所产生的总 变形中都包括弹性变形和塑性变形，弹塑性变形是共存的。金属在发生塑性变形之前必先产生 弹性变形。Lesson OneLesson One图1-3 拉伸时应力与变形的关系 弹性模量 主要决定于原子间作用力的性质 与组织及热处理状态无关延伸率应力Lesson OneLesson One1.3 内力和应力一、内力1.定义:由于外力的机械作用或是因物体的整体性使 物体不均匀变形受到互相限制而引起物体内原子 之间的距离发生改变时,在物体内部产生的一种互 相平衡的力。导致整体性改 变的因素： 外力 不均匀加热 不均匀冷却 不均匀相变Lesson OneLesson One温度低温度高加热前+-加热后Lesson OneLesson One 2.产生内力的原因(1)为了平衡外部的机械作用所产生的内力；（2）由于物理或物理-化学过程所产生的相互 平衡的内力。3.内力产生的实质由于原子被迫偏离其平衡位置，使原子间 距改变。4.内力大小的度量应力Lesson OneLesson One二、应力内力的强度称为应力，即单位面积上所作用 的内力。 1.定义：2.应力的计算：用截面法计算Lesson OneLesson OneP: F上的总内 力T: F切线方向 的分内力N: F法线方向 分内力S=lim P/ F F0全应力=lim N/ F F0正应力=lim T/ F F0切应力FN PTLesson OneLesson One注意：1、仅当截面上应力均匀分布时，作用在 截面上的总内力与该截面面积之比才是实际 应力；2、当截面上的应力不均匀分布时，此比值 乃是平均应力，这时截面上的实际应力需用上 式来计算。Lesson OneLesson One1.4 应力状态及应力图示、变形图示一、应力状态所谓物体处于应力状态，就是物体内的 原子被迫偏离其平衡位置的状态。1.定义Lesson OneLesson One2.研究金属的应力状态的意义金属内部的应力状态，决定了金属内部各 质点所处的状态是弹性状态、塑性状态还是断 裂状态。而一切压力加工的目的均是在外力的 作用下，使金属产生塑性变形，获得所需要的 各种形状和尺寸的产品。因此，了解各种压力 加工中金属内部的应力状态特点，对于确定物 体开始产生塑性变形所需的外力，以及采用什 么样的工具与加工制度，使力能的消耗最小等 方面都具有重要的实际意义。 Lesson OneLesson One3.一般应力状态Lesson OneLesson OneLesson OneLesson OneS S 2 2= = 2 2+ + 2 2 0 0=S=S0 0=P/F=P/F0 0 =Pcos=Pcos /A=Pcos/A=Pcos /(F/(F0 0/cos/cos )=)= 0 0coscos2 2 =Psin=Psin /A=Psin/A=Psin /(F/(F0 0/cos/cos )= )= 0 0sinsin cos cos S S = = 0 0cos cos 小结：在单向均匀拉伸的情况下，通过小结：在单向均匀拉伸的情况下，通过 一点的不同切面上，应力是不同的。只要一点的不同切面上，应力是不同的。只要 已知过一点一个切面上的应力，就可确定已知过一点一个切面上的应力，就可确定 过任意切面上应力。过任意切面上应力。Lesson OneLesson One复杂应力状态下描述一点应力状态的必要条件复杂应力状态下描述一点应力状态的必要条件：Lesson OneLesson One 一点应力状态表示方法：x xy xz 在法线方向为x的面上所作用的应力yx y yz 在法线方向为y的面上所作用的应力zx zy z 在法线方向为z的面上所作用的应力应力作用线沿z轴方向应力作用线沿y轴方向应力作用线沿x轴方向xy yx xz zx yz zy x xy xz 1 0 0 y yz 0 2 0 z 0 0 3 Lesson OneLesson Onen n小结：描述一点应力状态的必要条件为小结：描述一点应力状态的必要条件为 过该点三个互相垂直坐标上的六个独立过该点三个互相垂直坐标上的六个独立 应力分量或三个主应力。应力分量或三个主应力。任意斜面上的应力任意斜面上的应力描述一点应力状态的充分条件描述一点应力状态的充分条件 可以证明：只要已知受力物体上过某一点可以证明：只要已知受力物体上过某一点 的一组三个互相垂直坐标面上的六个应的一组三个互相垂直坐标面上的六个应 力分量或主坐标面上的三个主应力，则力分量或主坐标面上的三个主应力，则 与三个坐标轴任意倾斜的平面上的应力与三个坐标轴任意倾斜的平面上的应力 都可求出。都可求出。Lesson OneLesson OneLesson OneLesson One4.用主应力来表示应力状态(1)主平面:只有正应力而无切应力的平面。（2)主轴：与主平面法线方向平行的坐标轴。（3)主应力：主平面作用的正应力。Lesson OneLesson One规定:三个主应力大小，按代数值进行排列，即 1 2 3。 Lesson OneLesson One二、应力图示1.定义:应力图示就是用来定性说明变形体内 某点（或所研究物体的某部分）在各主轴方 向上，有无主应力存在及其主应力方向如何 的定性图。 Lesson OneLesson One2.应力图示的种类主应力图示共有九种可能的形式线应力状态两种平面应力状态三种体应力状态四种 Lesson OneLesson One主应力状态图：主应力状态图：Lesson OneLesson OneX1(00-)X2(+00)M1(0-)M2(+0-)M3(+0)T1(-)T2(+-)T3(+-)T4(+)Lesson OneLesson One三、变形图示1.定义：就是在小立方体素的面上用箭头表示 三个主变形是否存在。规定：拉伸时箭头向外指；压缩时箭头向里指。Lesson OneLesson One2.变形图示的种类共三种。（2）一向伸长一向缩短。又称平面变形图示。如宽度较大的板带轧制（1）一向缩短两向伸长。例如有宽展情况的轧制和自由锻压。（3）两向缩短一向伸长。如挤压和拉拔。Lesson OneLesson One三种可能的变形图示 （a）变形方式；（b）变形 图示Lesson OneLesson One 四、应力图示和变形图示之间的关系应力图示与变形图示的符号往往不一致。注意：应力图示和变形图示之间的关系：从各主应力中把 扣除，余下的应力分量与 塑性变形相对应。即：变形图示符号与 符号 相对应。Lesson OneLesson One33 - m 21123 121 - m 3 - m 1 - m 2 - m 1 - m 3 - m 2 - m Lesson OneLesson One五、典型塑性变形的应力应变状态分析Lesson OneLesson OneLesson OneLesson One六、变形程度表示绝对变形量绝对变形量指工件变形前后主轴方向上尺寸的变化量指工件变形前后主轴方向上尺寸的变化量压下量压下量 h=H-h; h=H-h; 宽展量宽展量 b=b-B; b=b-B; 延伸量延伸量 l=l-Ll=l-L相对变形相对变形指绝对变形量与原始尺寸的比值，常称为形变率指绝对变形量与原始尺寸的比值，常称为形变率e e1 1=(=(l-Ll-L)/)/L L*100%; *100%; e e2 2=(=(b-Bb-B)/)/B B*100%; *100%; e e3 3=(=(H-H-h h)/)/H H*100%; *100%; 真实变形量真实变形量即变形前后尺寸比值的自然对数即变形前后尺寸比值的自然对数 1 1= =( (l l/L/L); ); 2