第三章第三章 金属塑性变形的力学基础金属塑性变形的力学基础第二节第二节 应变分析应变分析第二讲第二讲 点的应变状态分析点的应变状态分析体积不变条件体积不变条件应变状态分析应变状态分析应变增量应变增量简单应变简单应变塑性变形时的体积不变条件塑性变形时的体积不变条件设设单元体初始边长为单元体初始边长为 dx,dy,dzdx,dy,dz变形前的体积变形前的体积变形后边长变形后边长变形后的体积变形后的体积展开，略去高阶微量展开，略去高阶微量体积变化率体积变化率在在弹性变形中，弹性变形中，可正可负，在塑性变形中，认为体积不变可正可负，在塑性变形中，认为体积不变为零。为零。体积不变条件为体积不变条件为塑性变形时，三个线应变分塑性变形时，三个线应变分量不可能全部同号，绝对值量不可能全部同号，绝对值最大的应变分量永远和另外最大的应变分量永远和另外两个应变分量的符号相反。两个应变分量的符号相反。塑性变形时的体积不变条件塑性变形时的体积不变条件对数应变表示的体积不变条件对数应变表示的体积不变条件: : 例:一块长、宽、厚为120mm36mm 0.5mm的平板，拉伸后在长度方向均匀伸长至144mm，若宽度不变时，求平板的最终尺寸。根据变形条件可求得长、宽、厚方向上的主应变（用对数应变表示)为：由体积不变条件得所以即所以，平板的最终尺寸为144mm36mm 0.417mm塑性变形时的体积不变条件塑性变形时的体积不变条件点的应变状态与应力状态相比较点的应变状态与应力状态相比较 点的应变张量与应力张量不仅在形式上相似，而且其性质和特性也相似。因此，在研究应变状态理论时，一些公式不需再推导，直接由与应力张量相似性得到，只要将应变张量中的线应变分量和切应变分量分别与应力张量中的正应力分量和切应力分量相对应即可。1、主应变、应变张量不变量、主切应变和最大切应变、主应变简图（1）主应变 过变形体内一点存在有三个相互垂直的应变主方向(也称应变主轴)，该方向上线元没有切应变，只有线应变，称为主应变。用1, 2, 3表示在主轴坐标系统中，应变张量为（2）应变张量不变量应变状态特征方程应变张量不变量（3）主切应变和最大切应变若123,则(4)主应变简图 用主应变的个数和符号来表示应变状态的简图称主应变状态图，简称为主应变简图或主应变图。a)压缩类变形 b)剪切类变形(平面变形) c)伸长类变形 特征应变为负应变，另外两个应变为正应变。一个应变为零，其他两个应变大小相等，方向相反。特征应变为正应变，另外两个应变为负正应变。2、八面体应变八面体线应变八面体切应变3、应变偏张量和应变球张量4、等效应变取八面体切应变绝对值的倍所得之参量称为等效应变，也称广义应变或应变强度。比较等效应变的特点1)是一个不变量；2)在塑性变形时，其数值上等于单向均匀拉伸或均匀压缩方向上的 线应变。应变增量和应变速率张量应变增量和应变速率张量1、速度分量和速度场速度分量：质点在单位时间内的位移称位移速度，位移速度在三个坐标轴上的投影称位移速度分量，简称速度分量。位移速度是坐标的连续函数，又是时间的函数，或2、位移增量和应变增量位移增量:物体在变形过程中，在一个极短的时间dt内，其质点产生极小的位移变化量称为位移增量,记为duiv全量应变和应变增量的概念全量应变:在变形的某过程或过程的某阶段终了时的应变应变增量：变形过程中某极短阶段的无限小应变速度分量：或位移增量分量：应变增量：代入几何方程即一点的应变增量也是二阶对称张量，称应变增量张量注意：dij中的d不是微分符号， dij不表示ij的微分。3、应变速率张量应变速率：单位时间内的应变称为应变速率将代入两边同除以时间dt或注意： 是应变增量dij对时间dt的微商，不是ij对时间的导数。应变速率表示变形程度的变化快慢，它不但取决于成形工具的运动速度，而且与变形体的形状尺寸及边界条件有关，所以不能仅仅用工具或质点的运动速度来衡量物体内质点的变形速度。例一：矩形柱体在无摩擦的光滑平板间压缩。设：u,v,w线性分布,压下量H:当z=0时，w=0, z=H时，w= -H所以：例题由体积不变条件：设压下量为H时，长宽方向伸长2L展开，略去高阶微量设：u=cx+d当x=0时，u=0, 得 d=0当x=L/2时，同理：平面应变平面应变v概念概念 如果物体内所有质点都只在同一个坐标平面内发生变形，而如果物体内所有质点都只在同一个坐标平面内发生变形，而在该平面的法线方向没有变形，这种变形称为平面变形或平面在该平面的法线方向没有变形，这种变形称为平面变形或平面应变。发生变形的平面称塑性流平面。应变。发生变形的平面称塑性流平面。 特点：特点：、z z 为主方向，各分量与为主方向，各分量与z z无关，对无关，对z z的偏导数为零的偏导数为零、塑性变形时体积不变、塑性变形时体积不变平面应变平面应变v几何方程几何方程 平面应变平面应变v应力特点应力特点1)1)由于平面变形时，物体内与由于平面变形时，物体内与z z轴垂直的平面轴垂直的平面始终不会倾斜扭曲，所以始终不会倾斜扭曲，所以z z平面上没有切应力平面上没有切应力分量，为应力主方向。分量，为应力主方向。为平均应力，是不变量平面应变平面应变v应力特点应力特点)平面变形的应力状态是平面变形的应力状态是纯切应力状态叠加一球纯切应力状态叠加一球应力状态。应力状态。平面应变平面应变v应力特点应力特点3)平面变形时，由于z是不变量，而且其它应力分量都与z轴无关，所以应力平衡微分方程和平面应力状态下的应力平衡微分方程是一样的，即平面应变平面应变平面应力和平面应变状态的共同点1) 某向（如z向）无切应力，z为主方向；2) z或为零（平面应力）或为m（平面应变），只有三个独立分量，所以都叫平面问题；3) 各应力分量与z无关，对z的偏导数为零，平衡微分方程相同。工程应用工程应用v绝对变形量绝对变形量 锻造和轧制时锻造和轧制时 压下：压下： 展宽：展宽： 管材拉拔时管材拉拔时 减径：减径： 减壁：减壁：1 1、特殊工艺，特殊的方向、特殊工艺，特殊的方向2 2、不能表示变形程度、不能表示变形程度工程应用工程应用v相对变形量相对变形量 相对压缩率相对压缩率: 相对伸长率相对伸长率: 相对展宽率相对展宽率: 工程应用工程应用v比值变形量比值变形量 锻锻 造造 比：比： 延伸系数：延伸系数：本章小结v对数应变对数应变v体积不变条件体积不变条件v主应变简图主应变简图v平面应变状态平面应变状态v与应力的对比与应力的对比v小变形几何方程小变形几何方程