材料成形技术基础第3章.ppt
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1、第四章 塑性成形理论基础,基本概念,塑性成形 利用金属的塑性,在外力的作用下使金属发生塑性变形,从而获得所需要形状和性能工件的加工方法。 塑性 当外力增加到使金属内部产生的应力超过该金属的屈服点,使其内部原子排列的相对位置发生变化而相互联系不被破坏的性能。,塑性变形的特点 不能自行恢复其原始形状和尺寸,外力停止作用后,塑性变形不会消失。 塑性成形的共性 塑性成形的物理本质和机理 塑性成形过程中金属的塑性行为、抗力行为和组织性能的变化规律 变形体内部的应力、应变分布和质点流动规律 变形力和变形功的合理评估,第一节 金属冷态下的塑性变形 ,多晶体 由许多结晶方向不同的晶粒组成,每个晶粒可看成是一个
2、单晶体,在晶粒内部晶格的位向是一致的,而各个晶粒之间存在着一定的位向差。 多晶体晶粒之间存在着厚度相当小的晶界,晶界的结构与相邻两晶粒之间的位相差有关,一般分为小角度晶界和大角度晶界。,晶界的特点 晶界结构不完整,存在较多的空位、位错和杂质原子。 表现出许多不同于晶粒内部的性质,如室温时晶界的强度和硬度高于晶内,高温时相反;晶界中原子的扩散速度比晶内原子快得多;晶界的熔点低于晶内;晶界易于腐蚀。,一、冷塑性变形机理 多晶体的塑性变形包括晶粒内部变形(也称晶内变形)和晶界变形(也称晶间变形)两种。 1晶内变形 晶内变形的主要方式和单晶体一样为滑移和孪生。其中滑移变形是主要的,而孪生变形是次要的,
3、一般仅起调节作用。,(1)滑移 晶体在力的作用下,晶体中的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动。 滑移系 一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。,晶体内部存在缺陷(点缺陷、线缺陷和面缺陷),由于缺陷的存在,使晶体内部各原子处于不稳定状态,高位能的原子很容易地从一个相对平衡的位置移到另一位置上。 位错是晶体中的线缺陷,实际晶体结构的滑移就是通过位错运动来实现的。滑移的结果使大量原子逐步地从一个稳定位置移到另一个稳定位置,产生宏观的塑性变形。,一般地,滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生。,(2) 孪生 在剪应力作用下,晶体的一部分沿着一定的晶面(称为孪生面)和一定
4、的晶向(称为孪生方向)发生均匀切变。孪生变形后,晶体的变形部分与未变形部分构成了镜面对称关系。,2晶间变形 晶间变形的主要方式是晶粒之间相互滑动和转动。 多晶体受力变形时,沿晶界处可能产生剪切应力,当此剪切应力足以克服晶粒彼此间相对滑动的阻力时,便发生相对滑动;另外,由于各晶粒所处位向不同,其变形情况及难易程度亦不同,这样,在相邻晶粒间必然引起力的相互作用而可能产生一对力偶,造成晶粒间的相互转动。,在冷态变形条件下,多晶体的塑性变形主要是晶内变形,晶间变形只起次要作用,而且需要有其它变形机制相协调。 这是由于晶界强度高于晶内,各晶粒相互接触形成犬牙交错状态,造成对晶界滑移的机械阻碍作用。如果发
5、生晶界变形,容易引起晶界结构的破坏和产生裂纹,因此晶间变形量只能是很小的。,二、冷塑性变形特点 1各晶粒变形的不同时性 由于组成多晶体的各个晶粒位向不同,塑性变形不是在所有晶粒内同时发生,而是首先在那些位向有利、滑移系上的剪应力分量已优先达到临界值的晶粒内进行。 2各晶粒变形的相互协调性 由于多晶体中的每一个晶粒都是处于其它晶粒的包围之中,它们的变形不是孤立的和任意的,而是需要相互协调配合,否则无法保持晶粒之间的连续性。 3晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性。,晶粒越小,金属的屈服极限越大,滑移由一个晶粒转移到另一个晶粒,主要取决于晶粒晶界附近位错塞积群所产生的应力场能否
6、激发相邻晶粒中的位错源也开动起来,以进行协调性的次滑移,而位错塞积群所产生的应力场的强弱与塞积的位错数量相关,数量越大,应力场越大。 晶粒越大,距离越大,位错源开动的时间就越长,位错数也越大。,由此可见,粗晶粒金属的变形由一个晶粒转移到另一个晶粒会容易一些,而细晶粒则需要在更大的外力作用下才能使相邻晶粒发生塑性变形。,细晶粒的塑性比粗晶粒好,在一定体积内,细晶粒金属的晶粒数目比粗晶粒金属的多,因而,塑性变形时,位向有利的晶粒数较多,变形能够均匀分散到各个晶粒上。 又从每个晶粒的应变分布来看,细晶粒晶界的影响区域相对较大,使得晶粒心部的应变和晶界处的应变差异减少,由于细晶粒金属的变形不均匀性较小
7、,由此引起的应力集中必然也较小,内应力分布较均匀,因而金属断裂前可承受的塑性变形量较大。,三、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 除了在晶粒内部出现滑移带和孪生带等组织特征外,还具有下列的组织变化。 1晶粒形状的变化 变化趋势大体与金属宏观变形一致。 2晶粒内产生亚结构 由于位错运动和位错交互作用,在晶内位错纠缠成群,形成位错缠结,随着变形量的增加,最终形成胞状亚结构 3晶粒位向改变(变形结构) 多晶体塑性变形时伴随有晶粒的转动,当变形量很大时,多晶体中原为任意取向的各个晶粒,会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。,随着变形程度的增加,金属的强度、硬度增加,而塑性、韧性降低,这种现象称为加工硬化。 加
8、工硬化使金属塑性下降、变形抗力提高,继续变形越来越困难,特别是对于高硬化速率金属的多道工序成形更是如此。因此有时需要增加中间退火工序来消除加工硬化。,加工硬化的原因,随着塑性变形的进行,位错密度不断增加,位错反应和相互交割加剧,结果产生固定割阶、位错缠结等障碍,以致形成胞状亚结构,使位错难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动,这样,要使金属继续变形,就需要不断增加外力,才能克服位错间强大的交互作用力。,第二节 金属热态下的塑性变形,定义 在再结晶温度以上进行的塑性变形,称为热塑性变形或热塑性加工。如热锻、热轧和热挤压等 特点 (1)、回复、再结晶与加工硬化同时发生 (2)、加工硬化不断被回复
9、和再结晶抵消 (3)、金属处于高塑性、低变形抗力的软化状态,一、塑性变形时软化过程 塑性变形时的软化过程比较复杂,它与变形温度、应变速率、变形程度以及金属本身等因素有关。 按其性质可分为以下几种:动态回复、动态再结晶、静态回复、静态再结晶、亚动态再结晶等。,1动态回复 动态回复是在热变形过程中发生的回复,金属即使在远高于静态再结晶温度下塑性变形时,一般也只发生动态回复。 2动态再结晶 动态再结晶是在热变形过程中发生的再结晶,也是通过形核和生长来完成。 3静态回复 具有向变形前低自由能状态自发恢复的趋势。 4静态再结晶 静态再结晶是一个显微组织彻底重新改组的过程,通过再结晶形核和生长来完成。,5
10、亚动态再结晶 是指热变形中已经形成的、但尚未长大的动态再结晶晶核,以及长大到中途的再结晶晶粒被遗留下来,当变形停止后,而温度又足够高时,这些晶核和晶粒会继续长大,此转化过程即称为亚动态再结晶。它不需要形核时间,没有孕育期,所以进行得很迅速。 动态回复和动态再结晶是在热塑性变形过程中发生的;而静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶则是在热塑性变形的间歇期间和热变形后,利用金属的高温余热进行的。,二、热塑性变形机理 1晶内滑移(最主要和最常见) 在通常情况下,热变形的主要机理仍然是晶内滑移。 2晶界滑移(高温高速) 热塑性变形时,由于晶界强度低于晶内,使得晶界滑动易于进行。但在常规热变形条件下,晶界滑
11、动相对于晶内滑移变形量还是小的。 3扩散蠕变(高温变形) 由空位的定向移动所引起的。变形温度越高,晶粒越细和应变速率越低,扩散蠕变所起的作用就越大。,三、塑性变形对金属组织和性能的影响 1改善晶粒组织 2锻合内部缺陷 缩松、空隙和微裂纹 3破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布 通过锻造或轧制,这些碳化物被打碎、并均匀分布 4形成纤维组织,作业:P107:4,5,第三节 应力状态和应变状态分析,应力张量与应变张量的差异 什么是主应力和应力不变量,在应力分析中有什么作用 什么是应变偏张量、应变球张量?在变形中所起的作用是什么?,塑性变形中物理变量场,物理变量场 位移场(速度场)、应变场和应力
12、场 物理变量场的作用 预测金属坯料形状尺寸的变化 计算成形力、功能消耗和加工接触面上的压力分布 工件内部的变形分布、工件质量和可能出现的缺陷 合理确定成型工艺、设计成型模具、选用成型设备和控制产品质量提供科学依据,1外力、内力和应力 体积力:作用在变形体内每一质点上,如重力、磁力和惯性力等。分析塑性成形过程时,体积力一般可以不考虑。 表面力:作用在变形体表面上,如工模具对变形体的作用力和约束反力等。 内力:在外力作用下,为保持变形体的连续性,其内部各质点间必然产生相互作用力,称为内力。 应力:单位面积的内力,称为应力。,一、点的应力状态分析,2直角坐标系中一点的应力状态 一点的应力状态需用9个
13、应力分量来描述。点的应力状态的9个应力分量中只有6个是独立的,即点的应力状态是二阶对称矩阵。,每个应力分量的符号带有两个下角标,第一个表示该应力分量作用面的外法线方向,第二个表示它的作用方向。,3主应力和应力不变量 3个主应力彼此正交。 正应力称为主应力,一般用1、2、3表示。而相应的三个相互垂直的方向则称为主方向。与主方向一致的坐标轴叫做主轴。,J1=15 J2=-60 J3=54,对于一个确定的应力状态,三个主应力是唯一的。因此,特征方程的系数J1、J2、J3是单值的,不随坐标而变。 尽管应力张量中的各个分量会随坐标而变化,但是J1、J2、J3是不变的,分别称为应力张量第一、第二和第三不变
14、量。 当判定两个应力张量是否代表同一应力状态时,可以通过它们的三个应力张量不变量是否对应相等来确定。,4主剪应力和最大剪应力 物体的塑性变形是由剪应力产生的,当剪应力达到某个临界值时,物体便由弹性状态进入塑性(屈服)状态。通过点的应力状态可求出剪应力的极值。使剪应力取极限值的平面为主剪应力平面。它们为与某一主平面垂直,而与另两个主平面成450交角的平面。主剪应力平面上的剪应力称为主剪应力。,5应力球张量和应力偏张量,称为平均应力,又称为静水压力,应力球张量:当质点处于球应力状态下,过该点的任意方向均为主方向,且各方向的主应力相等,而任意切面上的剪应力均为零。所以球形应力张量的作用与静水应力相同
15、,它只能引起物体的体积变化,而不能使物体发生形状变化。,应力偏张量:应力偏张量不会引起物体的体积变化。再者,应力偏张量中的剪应力成分与整个应力张量中的剪应力成分完全一致,因此应力偏张量完全包含了应力张量作用下的形状变化因素,也就是说,物体是否发生塑性变化只与应力偏张量有关。,归结起来,物体在应力张量作用下所发生的变化,包括体积变化和形状变化;体积变化取决于应力张量中的应力球张量,而形状变化取决于应力偏张量;体积变化只能是弹性的,当应力偏张量满足一定数量关系时,则物体发生塑性变形。,1位移与应变,二、点的应变状态分析,设某质点的位移矢量为u,它在三个主轴上的投影用u、v、w表示,称为位移分量。由
16、于物体在变形后仍然保持连续,故位移分量为坐标的连续函数,即 u=u(x,y,z)、v=v(x,y,z)、w=w(x,y,z),应变用位移的相对变化表示 正应变(线应变),以线元长度的相对变化表示;剪应变以两个相互垂直线元之间的角度的变化表示。,2点的应变状态和小变形几何方程,为了使应变分量与应力分量在形式上取得一致,令,3应变张量的一些主要结论 (1)微体的应变状态存在三个相互垂直的主方向和主轴,在主方向上的线元没有角度偏转,只有正应变,称为主应变。 (2) 各应变分量之间的下列关系式恒为定值,分别称为应变张量第一、第二、第三不变量。 (3) 主剪应变发生在通过一个应变主轴而与其它两个主轴成4
17、50的一对平面内,这种相互垂直的平面共有三对,主剪应变与主应变之间的关系,可以仿照主剪应力与主应力的关系写出。三个主剪应变的最大者,称为最大剪应变。 (4) 应变张量也可以分解为应变偏张量和应变球张量。,4塑性变形时的体积不变条件 一般认为塑性变形时体积不变,故有(x、y、z)=0,该式即为塑性变形时的体积不变条件,它常作为对塑性成形过程进行力学分析的一个前提条件,也可用于工艺设计中计算原毛坯的体积。 5变形力学简图 用主应力表示质点的受力情况的示意图形,称为主应力简图。它共有9种类型,其中单向应力状态两种,平面应力状态三种,体应力状态4种。,第四节 屈服准则,质点处于单向应力状态时,当该单向
18、应力达到某一数值时,质点即屈服,进入塑性状态。 屈服准则:在复杂应力状态下,只有当各应力分量满足一定的关系时,质点才能进入塑性状态。这种关系称为屈服准则,也称塑性条件或塑性方程。屈服准则的数学表达式一般呈如下形式: (ij)=C,一、屈雷斯加屈服准则 当材料(质点)中的最大剪应力达到某一临界值时,则材料发生屈服;该临界值取决于材料在变形条件下的性质,而与应力状态无关,因此,屈雷斯加屈服准则又称为最大剪应力准则。其表达式为,式中C可通过试验确定,由于C的值与应力状态无关,故常采用简单拉伸试验来确定。当拉伸试样屈服时,3=2=0,1=s, 于是,屈雷斯加屈服准则的数学表达式为,二、米泽斯屈服准则
19、材料质点产生屈服的条件,是其单位体积的弹性形状变化能达到某一临界值;该临界值只取决于材料在变形条件下的性质,而与应力状态无关。故此,米泽斯屈服准则又称为弹性形状能准则。其表达式为,式中C1可通过试验确定,由于C1的值与应力状态无关,故常采用简单拉伸试验来确定。当拉伸试样屈服时,3=2=0,1=1/3s2, 于是,米泽斯屈服准则的数学表达式为,三、屈雷斯加屈服准则和米泽斯屈服准则的比较 对于屈雷斯加屈服准则,中间应力2在l和3之间任意变化,但并不影响材料的屈服,但在米泽斯屈服准则中,中间应力2是有影响的。 当2=l或2=3 (即轴对称应力状态)时,两个屈服准则一致; 当2=1/2(l+3) (平
20、面应变状态)两个屈服准则的差别最大,达15.5; 在其余应力状态下,两个屈服准则的差别小于15.5,视中间应力2的相对大小而定。,罗代应力参数,作业:P107,12,20,第五节 塑性变形时的应力应变关系,本构关系:塑性变形时应力应变之间的关系, 这种关系的数学表达式称为本构方程,也称物理方程。,一、弹性变形时的应力应变关系,弹性变形中包含了体积变化和形状变化,物体弹性变形时其单位体积变化率与平均应力成正比,应力球张量使物体产生弹性的体积改变。,应变偏张量与应力偏张量成正比,表明物体形状的改变只是由应力偏张量引起。,二、塑性变形时应力应变关系的特点 与弹性变形相比,塑性变形时的应力应变关系较为
21、复杂。它具有如下特点: (1)应力与应变之间的关系是非线型的; (2)塑性变形时认为体积不变,即应变球张量为零,泊松比为0.5; (3)塑性变形是不可逆的,与应变历史有关,即应力应变关系不再保持单值关系。,在一般情况下,只能建立应力和应变增量之间的关系。对于某瞬时的应力状态,与之相对应的只是塑性应变增量。要求得到塑性应变全量,只有根据加载过程各段的增量,依次积分才有可能。但是如果加载过程中,各应力分量始终保持比例关系,且主轴的方向、顺序不变,则塑性应变分量也按比例增加。这时,塑性应变全量与应力状态,就有相对应的函数关系。这种加载状态称为简单加载状态。,到目前为止,所有描述塑性应力应变关系的理论
22、可分为两大类: (1)增量理论:描述塑性状态下应力和应变增量(或应变速率)之间的关系; (2)全量理论:描述塑性状态下应力和应变全量之间的关系。,一般而言,全量理论在数学上处理比较简单,便于实际应用。但应用范围受到限制,主要适用于简单加载状态及小塑性变形(弹、塑性变形处于同一数量级)的情形。 而增量理论则不受加载条件的限制。但实际应用时,需,沿加载过程中的变形路径进行积分,才能求得最终的塑性应变全量,计算比较复杂。,三、等效应力和等效应变的概念 等效应力和等效应变是两个具有特征意义的参数,它们使复杂的三维应力、应变状态等效为单向拉伸时的应力、应变状态。 等效应力和单向拉伸时应力是等效的。 等效
23、应变和单向拉伸时应变也是等效的。 因此,由单向拉伸所建立的应力应变曲线,可和复杂应力状态下以等效应力和等效应变表示的曲线联系起来,而且实验结果表明,它们可认为是同一曲线。,四、增量理论 (1)列维米泽斯方程 材料为理想刚塑性材料,即弹性应变增量为零,塑性应变增量就是总应变增量; 材料服从米泽斯屈服准则,即: 塑性变形时体积不变,即在上述假设的基础上,可认为应变增量与应力增量成正比 (2) 圣维南塑性流动方程 如果应变增量在很短时间内发生,则单位时间的应变增量即为应变速率。在采用速度场解塑性成型问题时较方便。 (3)普朗特罗伊斯方程 该方程与列维米泽斯方程的区别,在于考虑了总应变增量中的弹性应变
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