第1講緒論金屬塑形變形理論

1、張貴杰張貴杰Tel-Mail： 河北聯(lián)合大學金屬材料及加工工程系河北聯(lián)合大學金屬材料及加工工程系金屬塑性變形理論金屬塑性變形理論第一講第一講2022-3-152本課程的性質和教學目的 性質：本課程為材料成型及控制工程和金屬材料工程專本課程為材料成型及控制工程和金屬材料工程專業(yè)的專業(yè)基礎課業(yè)的專業(yè)基礎課 目的：金屬產(chǎn)生塑性變形時在金屬學和力學等方面有著金屬產(chǎn)生塑性變形時在金屬學和力學等方面有著共同的基礎和規(guī)律。因此，金屬塑性變形理論是研究和共同的基礎和規(guī)律。因此，金屬塑性變形理論是研究和探討金屬在各種塑性加工過程中可遵循的基礎和規(guī)律的探討金屬在各種塑性加工過程中可遵循的

2、基礎和規(guī)律的一門學科。其目的在于科學地、系統(tǒng)地闡明這些基礎和一門學科。其目的在于科學地、系統(tǒng)地闡明這些基礎和規(guī)律，為學習后續(xù)的工藝課程作理論準備，也為合理制規(guī)律，為學習后續(xù)的工藝課程作理論準備，也為合理制訂金屬塑性成型工藝規(guī)范及選擇、設計加工設備奠定理訂金屬塑性成型工藝規(guī)范及選擇、設計加工設備奠定理論基礎。論基礎。2022-3-153本課程的任務 掌握金屬塑性變形的物理基礎，即掌握影響金屬性能的掌握金屬塑性變形的物理基礎，即掌握影響金屬性能的主要因素及原理，掌握金屬性能主要指標的測試方法；主要因素及原理，掌握金屬性能主要指標的測試方法； 掌握金屬塑性力學的基礎知識，即掌握金屬塑性變形體掌握金屬

3、塑性力學的基礎知識，即掌握金屬塑性變形體內的應力場、應變場、應力應變之間關系、塑性變形內的應力場、應變場、應力應變之間關系、塑性變形時的力學條件等塑性理論基礎知識。掌握塑性成型問題時的力學條件等塑性理論基礎知識。掌握塑性成型問題的幾種主要解法（包括解析和數(shù)值解法）；的幾種主要解法（包括解析和數(shù)值解法）； 掌握金屬塑性成型時的金屬流動規(guī)律和變形特點，分析掌握金屬塑性成型時的金屬流動規(guī)律和變形特點，分析金屬的基本成型工藝，以便確定合理的坯料尺寸和成型金屬的基本成型工藝，以便確定合理的坯料尺寸和成型工序；工序； 掌握對成型質量進行定性分析及提高成型質量的方法。掌握對成型質量進行定性分析及提高成型質量

4、的方法。2022-3-154課程實驗 開設綜合實驗課程開設綜合實驗課程 金相觀察金相觀察 力學性能檢驗力學性能檢驗 模擬軋制過程實驗模擬軋制過程實驗 斜軋穿孔實驗斜軋穿孔實驗 2022-3-155教材及參考書校園網(wǎng)超星圖書館或校圖書館借閱教教 材：材：金屬塑性變形與軋制理論（第金屬塑性變形與軋制理論（第2版），趙志業(yè)，版），趙志業(yè)，1996參考書：參考書：金屬塑性成型力學，王平，崔建忠，金屬塑性成型力學，王平，崔建忠，2006.8材料成型力學，趙德文，材料成型力學，趙德文，2002金屬塑性加工力學，趙志業(yè)，金屬塑性加工力學，趙志業(yè)，1987塑性加工金屬學，王占學，塑性加工金屬學，王占學，199

5、1塑性成型力學，王仲仁，塑性成型力學，王仲仁，1989金屬塑性加工理論與工藝，羅子健，金屬塑性加工理論與工藝，羅子健，1994金屬塑性加工原理，彭大暑主編，金屬塑性加工原理，彭大暑主編，2004金屬塑性加工過程無網(wǎng)格數(shù)值模擬方法，李長生等著，金屬塑性加工過程無網(wǎng)格數(shù)值模擬方法，李長生等著，2004金屬軋制過程人工智能優(yōu)化，王國棟，劉相華，金屬軋制過程人工智能優(yōu)化，王國棟，劉相華，2000Metal working science and engineering, Edward M. Mielnik,1991Metals Engineering-A Technical Guide,Leonard

6、 E. Samuels,19882022-3-156學習要求 作業(yè)必須按時交，如果有三次以上不交作業(yè)者，取消考作業(yè)必須按時交，如果有三次以上不交作業(yè)者，取消考試資格。試資格。 作業(yè)形式包括：手寫作業(yè)、電子稿作業(yè)、計算作業(yè)形式包括：手寫作業(yè)、電子稿作業(yè)、計算機程序、討論機程序、討論PPT等幾種形式。等幾種形式。 做好課堂筆記，本課程中將有部分補充內容，要求大家做好課堂筆記，本課程中將有部分補充內容，要求大家記筆記。記筆記。 要求上課前預習，本課程內容較難，且內容多，信息量要求上課前預習，本課程內容較難，且內容多，信息量較大，要求大家自覺預習。較大，要求大家自覺預習。 遵守課堂紀律，本課程不允許遲

7、到早退。遵守課堂紀律，本課程不允許遲到早退。2022-3-157本課程主要內容2022-3-158第一章 緒論主要內容主要內容 什么是塑性加工什么是塑性加工 塑性加工的分類塑性加工的分類 塑性加工的歷史塑性加工的歷史 塑性加工的發(fā)展塑性加工的發(fā)展2022-3-1591.1 什么是塑性加工? 塑性：在外力作用下使金屬材料發(fā)生塑性塑性：在外力作用下使金屬材料發(fā)生塑性變形而不破壞其完整性的能力稱為塑性。變形而不破壞其完整性的能力稱為塑性。是指材料的永久變形能力。是指材料的永久變形能力。 彈性：材料的可恢復變形的能力彈性：材料的可恢復變形的能力 彈塑性：彈性彈塑性：彈性+塑性塑性2022-3-1510

8、2022-3-1511金屬塑性加工的特點 加工后組織性能得到改善和提高加工后組織性能得到改善和提高，經(jīng)塑性，經(jīng)塑性成型，使其結構致密，組織改善成型，使其結構致密，組織改善 材料利用率高材料利用率高 ，主要依靠金屬在塑性狀態(tài)，主要依靠金屬在塑性狀態(tài)下的體積轉移來實現(xiàn)下的體積轉移來實現(xiàn) 生產(chǎn)率高，可實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)生產(chǎn)率高，可實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn) 精度高，精密塑性成型精度高，精密塑性成型2022-3-1512鑄造鑄造零零件件機機械械制制造造方方法法切削加工切削加工壓力加工壓力加工塑性成型塑性成型特種加工特種加工鍛造鍛造沖壓沖壓車、車、銑銑、刨刨、磨磨、鉆鉆、鉸鉸、插等插等自由鍛、自由鍛、模鍛模鍛拉深、拉深

9、、彎曲彎曲、沖裁沖裁、翻邊翻邊、拉型拉型等等軋制軋制2022-3-1513切削加工種類2022-3-15141.2 塑性加工的分類 按加工時工件的受力和變形方式按加工時工件的受力和變形方式 按加工時工件的溫度特征按加工時工件的溫度特征 2022-3-1515圖例圖例延伸延伸鐓粗鐓粗斜軋斜軋橫軋橫軋縱軋縱軋模鍛模鍛自由鍛造自由鍛造軋軋 制制鍛鍛 造造分類與分類與名稱名稱壓壓 力力基本受基本受力方式力方式基本壓力加工變形方式基本壓力加工變形方式2022-3-15162022-3-15172022-3-1518圖例圖例反擠壓反擠壓正擠壓正擠壓剪切剪切彎曲彎曲拉伸成型拉伸成型沖壓（拉延）沖壓（拉延）拉

10、拔拉拔擠壓擠壓分類分類與名與名稱稱剪力剪力彎矩彎矩拉力拉力壓力壓力基本基本受力受力方式方式2022-3-15192022-3-15202022-3-1521擠壓型材擠壓型材擠壓型材模具擠壓型材模具2022-3-1522工件工件驅動輥驅動輥導向輥導向輥蕊輥蕊輥端面輥端面輥環(huán)軋示意圖環(huán)軋示意圖2022-3-1523熱連軋板生產(chǎn)線熱連軋板生產(chǎn)線2022-3-1524冷連軋板生產(chǎn)線冷連軋板生產(chǎn)線2022-3-1525典型沖壓件典型沖壓件2022-3-1526 熱加工熱加工(Hot forming) 冷加工冷加工(Cold forming) 溫加工溫加工 (Warm forming)2022-3-152

11、71.3 塑性加工的歷史 材料的塑性加工源于人類對材料使用方式的發(fā)展材料的塑性加工源于人類對材料使用方式的發(fā)展 下面簡要回顧一下材料科學發(fā)展的里程碑下面簡要回顧一下材料科學發(fā)展的里程碑2022-3-1528材料科學發(fā)展的里程碑 300,000 BC3,500 BC300,000 BC燧石，這種容易燧石，這種容易制成工具的石頭，制成工具的石頭，開始了制陶業(yè)的開始了制陶業(yè)的發(fā)展。發(fā)展。 2022-3-1529材料科學發(fā)展的里程碑 300,000 BC3,500 BC5,500 BC天 然 金 與 銅天 然 金 與 銅被 用 作 工 具被 用 作 工 具與 武 器 ， 開與 武 器 ， 開始 了 人

12、 類 金始 了 人 類 金屬的使用。屬的使用。2022-3-1530材料科學發(fā)展的里程碑 300,000 BC3,500BC 5000BC 熔煉和錘擊改變了銅熔煉和錘擊改變了銅的性能的性能-材料開始發(fā)展材料開始發(fā)展 2022-3-1531材料科學發(fā)展的里程碑 300,000 BC3,500 BC 4000BC 金屬鑄造工藝金屬鑄造工藝-人們得到了他們人們得到了他們需要的形狀。需要的形狀。 最早的模鑄件最早的模鑄件-一個銅制杖頭一個銅制杖頭2022-3-1532材料科學發(fā)展的里程碑 300,000 BC3,500 BC 3500BC 從礦石中提煉從礦石中提煉銅銅-冶金業(yè)的冶金業(yè)的黎明黎明 這張埃

13、及古墓壁畫是這張埃及古墓壁畫是人類冶金業(yè)的最早紀錄之一人類冶金業(yè)的最早紀錄之一2022-3-1533材料科學發(fā)展的里程碑 3,000 BC1,886 AD 3000BC 青銅的使用青銅的使用-制造合金制造合金 青銅：青銅：第一種合金第一種合金2022-3-1534材料科學發(fā)展的里程碑 3,000 BC1,886 AD 1450BC 鐵的發(fā)現(xiàn)鐵的發(fā)現(xiàn) 鐵制車輪鐵制車輪2022-3-1535材料科學發(fā)展的里程碑 3,000 BC1,886 AD 1500AD 煉鐵的需要促使煉鐵的需要促使了鼓風機與熔爐了鼓風機與熔爐的發(fā)明的發(fā)明 廉價的冶鐵業(yè)廉價的冶鐵業(yè)2022-3-1536材料科學發(fā)展的里程碑 3

14、,000 BC1,886 AD 1855AD Henry Bessemer擁擁有鋼鐵冶煉的專利有鋼鐵冶煉的專利-當當代鋼鐵冶煉的出現(xiàn)。代鋼鐵冶煉的出現(xiàn)。他的方法是鋼鐵制品他的方法是鋼鐵制品性能大大改觀而成本性能大大改觀而成本也降低不少。也降低不少。 Henry Bessemer (1813-1898)2022-3-1537材料科學發(fā)展的里程碑 3,000 BC1,886 AD 1886AD 電化學方法冶煉鋁電化學方法冶煉鋁-使使鋁成為一種常用金屬鋁成為一種常用金屬 2022-3-1538材料科學發(fā)展的里程碑 1,939 ADNOW 1939AD 尼龍的商業(yè)發(fā)展，尼龍的商業(yè)發(fā)展，高分子材料發(fā)展的

15、高分子材料發(fā)展的關鍵時期關鍵時期 尼龍的發(fā)明尼龍的發(fā)明2022-3-1539材料科學發(fā)展的里程碑 1,939 ADNOW 1950s 高溫合金的發(fā)展，摻高溫合金的發(fā)展，摻鎳合金促進了噴氣發(fā)鎳合金促進了噴氣發(fā)動機的發(fā)展動機的發(fā)展 2022-3-1540材料科學發(fā)展的里程碑 1,939 ADNOW 1960s 制作越來越制作越來越小的硅芯片小的硅芯片 2022-3-1541材料科學發(fā)展的里程碑 1,939 ADNOW 1980s 高溫超導體，高高溫超導體，高溫超導的革命時溫超導的革命時代代 2022-3-1542 金屬塑性變形理論是一門基于金屬塑性加工的物金屬塑性變形理論是一門基于金屬塑性加工的物

16、理學、物理理學、物理-化學、金屬學與力學基礎上的應用技化學、金屬學與力學基礎上的應用技術理論。術理論。 作為塑性變形理論的重要基礎的塑性理論的形成作為塑性變形理論的重要基礎的塑性理論的形成與發(fā)展也經(jīng)歷了一百多年的歷史。在此其間提出與發(fā)展也經(jīng)歷了一百多年的歷史。在此其間提出的一些經(jīng)典理論與方法歸列于下的一些經(jīng)典理論與方法歸列于下2022-3-1543法國工程師屈雷斯加（法國工程師屈雷斯加（H.Tresca）1864提出最大剪應力屈服準則提出最大剪應力屈服準則M.Levy 1871年，提出了應力應變增量關系年，提出了應力應變增量關系 Levy-MisesB.Saint-Venant 1870，應力

17、應變速率方程，（塑性流動方程），應力應變速率方程，（塑性流動方程）德國米塞斯（德國米塞斯（Von Mises），），1913，Mises屈服準則屈服準則M.levy、H.Hencky、L.Prandtl 1923，平面塑性變形的滑移線幾何，平面塑性變形的滑移線幾何性質性質A.Reuss 1930，彈塑性應力應變關系，彈塑性應力應變關系1940，H.Hencky、H.Geringer、Cauchy、Rieman等，滑移線法等，滑移線法1950，A.A.Mapkob、R.Hill、W.Pragar等，極值分析方法等，極值分析方法 1970，小林史郎，小林史郎，C.H.Lee等，剛等，剛塑性有限元解

18、析法塑性有限元解析法 2022-3-15441.4 塑性加工的發(fā)展(Development) 節(jié)約資源節(jié)約資源 用盡量少的原材料生產(chǎn)出要求的形狀、尺寸、用盡量少的原材料生產(chǎn)出要求的形狀、尺寸、強度、塑性以及其它物理性能的產(chǎn)品。為此，合強度、塑性以及其它物理性能的產(chǎn)品。為此，合理利用資源選擇最佳材質或通過變形與熱處理相理利用資源選擇最佳材質或通過變形與熱處理相配合以改善材質、研究輕型薄壁斷面和周期斷面配合以改善材質、研究輕型薄壁斷面和周期斷面以及復合材料等高效制品的成型成為今后節(jié)約資以及復合材料等高效制品的成型成為今后節(jié)約資源的重要課題。源的重要課題。2022-3-1545 節(jié)約能源節(jié)約能源 金

19、屬材料熱加工所需的熱能比加工所需的機械金屬材料熱加工所需的熱能比加工所需的機械能大許多倍，所以必須節(jié)約熱能?？s短工藝流程、能大許多倍，所以必須節(jié)約熱能。縮短工藝流程、降低加工溫度、熱加工變?yōu)槔浼庸?、減少或省去降低加工溫度、熱加工變?yōu)槔浼庸?、減少或省去中間退火、降低材料的變形抗力、提高塑性等方中間退火、降低材料的變形抗力、提高塑性等方面的技術開發(fā)成為今后節(jié)約能源的重要課題。面的技術開發(fā)成為今后節(jié)約能源的重要課題。2022-3-1546 實現(xiàn)最佳的加工條件實現(xiàn)最佳的加工條件 研究創(chuàng)造最佳的工藝條件和使工藝內容定量化研究創(chuàng)造最佳的工藝條件和使工藝內容定量化以及把能實現(xiàn)這種條件的新技術用于新加工機械以

20、及把能實現(xiàn)這種條件的新技術用于新加工機械設計和老設備的挖潛改造上，并進行最優(yōu)控制。設計和老設備的挖潛改造上，并進行最優(yōu)控制。2022-3-1547課下練習1、什么是金屬的塑性？什么是塑性加工？、什么是金屬的塑性？什么是塑性加工？塑性加工有何特點？塑性加工有何特點？2、試述塑性加工的一般分類。、試述塑性加工的一般分類。2022-3-1548材料加工技術的主要發(fā)展方向材料加工技術的主要發(fā)展方向（1）高效化、高精度化高效化、高精度化（2）發(fā)展先進成形加工技術發(fā)展先進成形加工技術（3）材料設計、制備與成形加工一體化材料設計、制備與成形加工一體化（4）開發(fā)新型成形加工技術，發(fā)展新材料開發(fā)新型成形加工技術

21、，發(fā)展新材料（5）計算機模擬與過程仿真技術計算機模擬與過程仿真技術（6）智能制備與加工技術智能制備與加工技術2022-3-1549傳統(tǒng)技術的高效化與高精度化傳統(tǒng)技術的高效化與高精度化高新技術改造傳統(tǒng)技術高新技術改造傳統(tǒng)技術將計算機技術、信息技術、先進控制技術應用于將計算機技術、信息技術、先進控制技術應用于傳統(tǒng)加工技術傳統(tǒng)加工技術提高生產(chǎn)效率提高生產(chǎn)效率高速、全自動、無人化高速、全自動、無人化擴大產(chǎn)品范圍擴大產(chǎn)品范圍形狀、尺寸的精確控制形狀、尺寸的精確控制2022-3-1550 超小型精密擠壓型材超小型精密擠壓型材 鋁合金鏡面板鋁合金鏡面板2022-3-1551發(fā)展先進成形加工技術發(fā)展先進成形加

22、工技術目的目的高附加值材料、難加工材料的加工高附加值材料、難加工材料的加工實現(xiàn)組織性能的精確控制實現(xiàn)組織性能的精確控制有發(fā)展前景的先進成形加工技術有發(fā)展前景的先進成形加工技術連續(xù)定向凝固技術連續(xù)定向凝固技術先進超塑性成形技術先進超塑性成形技術等溫成形技術等溫成形技術低溫強加工技術低溫強加工技術分散成形技術分散成形技術2022-3-1552 超細無氧銅絲超細無氧銅絲（19.7 m） 超細超細Al-Si絲絲（25 m）連續(xù)定向凝固技術連續(xù)定向凝固技術+低溫強加工技術低溫強加工技術2022-3-1553非晶態(tài)合金超塑性成形技術的應用非晶態(tài)合金超塑性成形技術的應用微型齒輪微型齒輪微型拉伸機微型拉伸機2

23、022-3-1554材料設計、制備與成形加工一體化材料設計、制備與成形加工一體化目的目的提高成分、性能、工藝的可設計性提高成分、性能、工藝的可設計性實現(xiàn)材料與零部件的高效、近終形、短流程成形實現(xiàn)材料與零部件的高效、近終形、短流程成形（過程的一體化，是材料設計時代的特征之一）（過程的一體化，是材料設計時代的特征之一）典型技術典型技術激光快速成形激光快速成形噴射沉積技術噴射沉積技術半固態(tài)加工半固態(tài)加工連續(xù)鑄擠連續(xù)鑄擠連續(xù)鑄軋（鑄軋一體化）連續(xù)鑄軋（鑄軋一體化）2022-3-1555激光快速成形激光快速成形噴嘴激光凝固材料前一層材料粉末激光/粉末作用區(qū)熔池零件運動方向CAD模型模型激光成形激光成形成形件成形件精加工件精加工件2022-3-1556激光快速成形零件之例激光快速成形零件之例2022-3-1557噴射沉積技術噴射沉積技術2022-3-1558開發(fā)新型制備與成形加工技