金屬塑性變形理論第1講-緒論

金屬塑性變形理論

Theoryofmetalplasticdeformation

第一講LessonOne張貴杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092/5/20231本課程的性質(zhì)和教學(xué)目的性質(zhì)：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(chǔ)課目的：金屬產(chǎn)生塑性變形時(shí)在金屬學(xué)和力學(xué)等方面有著共同的基礎(chǔ)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(chǔ)和規(guī)律的一門學(xué)科。其目的在于科學(xué)地、系統(tǒng)地闡明這些基礎(chǔ)和規(guī)律，為學(xué)習(xí)后續(xù)的工藝課程作理論準(zhǔn)備，也為合理制訂金屬塑性成型工藝規(guī)范及選擇、設(shè)計(jì)加工設(shè)備奠定理論基礎(chǔ)。2/5/20232本課程的任務(wù)掌握金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)，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(biāo)的測(cè)試方法；掌握金屬塑性力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，即掌握金屬塑性變形體內(nèi)的應(yīng)力場、應(yīng)變場、應(yīng)力－應(yīng)變之間關(guān)系、塑性變形時(shí)的力學(xué)條件等塑性理論基礎(chǔ)知識(shí)。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）；掌握金屬塑性成型時(shí)的金屬流動(dòng)規(guī)律和變形特點(diǎn)，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工序；掌握對(duì)成型質(zhì)量進(jìn)行定性分析及提高成型質(zhì)量的方法。

2/5/20233課程實(shí)驗(yàn)開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)課程（包括金相觀察、力學(xué)性能檢驗(yàn)、模擬軋制過程實(shí)驗(yàn)、斜軋穿孔實(shí)驗(yàn)等）2/5/20234教材及參考書

References教材：《金屬塑性變形與軋制理論》（第2版），趙志業(yè)，1996參考書：《金屬塑性加工力學(xué)》，趙志業(yè)，1987《塑性加工金屬學(xué)》，王占學(xué)，1991《塑性成型力學(xué)》，王仲仁，1989《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，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，2004《金屬軋制過程人工智能優(yōu)化》，王國棟，劉相華，2000《Metalworkingscienceandengineering》,EdwardM.Mielnik,1991《MetalsEngineering-ATechnicalGuide》,LeonardE.Samuels,1988校園網(wǎng)超星圖書館或校圖書館借閱2/5/20235學(xué)習(xí)要求作業(yè)必須按時(shí)交，如果有三次以上不交作業(yè)者，取消考試資格。作業(yè)形式包括：手寫作業(yè)、電子稿作業(yè)、計(jì)算機(jī)程序、討論P(yáng)PT等幾種形式。做好課堂筆記，本課程中將有部分補(bǔ)充內(nèi)容，要求大家記筆記。要求上課前預(yù)習(xí)，本課程內(nèi)容較難，且內(nèi)容多，信息量較大，要求大家自覺預(yù)習(xí)。遵守課堂紀(jì)律，本課程不允許遲到早退。2/5/20236本課程主要內(nèi)容金屬微觀變形機(jī)理與宏觀性能金屬變形過程的力學(xué)分析變形體力學(xué)的求解方法2/5/20237第一章緒論

Chapter1Introduction主要內(nèi)容MainContent什么是塑性加工(What’splasticprocessing)塑性加工的分類(Classification)塑性加工的歷史(History)塑性加工的發(fā)展(Development)2/5/202381.1什么是塑性加工?

What’splasticprocessing?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。是指材料的永久變形能力。彈性：材料的可恢復(fù)變形的能力彈塑性：彈性+塑性2/5/20239

金屬鑄錠或連鑄坯在外力作用下使其產(chǎn)生塑性變形，變形后不僅能使其斷面的形狀和尺寸改變，而且也能改變其組織與性能。這一過程稱為塑性加工（塑性成型或壓力加工）。Theoutsideforcemakesthemetalingotcastingorcontinuousingot

castingproduceplasticdeformation.Theprocessingcannotonlymakethesizeandtheshapeofitssectionchange,butalsoitsstructureandperformancechange.2/5/202310金屬塑性加工的特點(diǎn)加工后組織性能得到改善和提高，經(jīng)塑性成型，使其結(jié)構(gòu)致密，組織改善材料利用率高，主要依靠金屬在塑性狀態(tài)下的體積轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)精度高，精密塑性成型2/5/202311鑄造零件機(jī)械制造方法切削加工壓力加工塑性成型特種加工鍛造沖壓車、銑、刨、磨、鉆、鉸、插等自由鍛、模鍛拉深、彎曲、沖裁、翻邊、拉型等軋制2/5/202312切削加工種類2/5/2023131.2塑性加工的分類

Classification按加工時(shí)工件的受力和變形方式(Forceanddeformation)按加工時(shí)工件的溫度特征(Temperature)2/5/202314圖例延伸鐓粗斜軋橫軋縱軋模鍛自由鍛造軋制鍛造分類與名稱壓力基本受力方式基本壓力加工變形方式按加工時(shí)工件的受力和變形方式(Forceanddeformation)2/5/2023152/5/2023162/5/202317圖例反擠壓正擠壓剪切彎曲拉伸成型沖壓（拉延）拉拔擠壓分類與名稱剪力彎矩拉力壓力基本受力方式按加工時(shí)工件的受力和變形方式(Forceanddeformation)2/5/2023182/5/202319組合加工變形方式組合方式鍛造－軋制軋制－擠壓拉拔－軋制軋制－彎曲軋制－剪切名稱鍛軋軋擠拔軋輥彎搓軋圖例按加工時(shí)工件的受力和變形方式(Forceanddeformation)2/5/202320擠壓型材擠壓型材模具2/5/202321工件驅(qū)動(dòng)輥導(dǎo)向輥蕊輥端面輥環(huán)軋示意圖2/5/202322熱連軋板生產(chǎn)線2/5/202323冷連軋板生產(chǎn)線2/5/202324典型沖壓件2/5/202325熱加工(Hotforming)冷加工(Coldforming)溫加工(Warmforming)按加工時(shí)工件的溫度特征(Temperature)2/5/2023261.3塑性加工的歷史(History)對(duì)材料的塑性加工源于人類對(duì)材料使用方式的發(fā)展下面簡要回顧一下材料科學(xué)發(fā)展的里程碑2/5/202327材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

300,000BC——3,500BC300,000BC燧石，這種容易制成工具的石頭，開始了制陶業(yè)的發(fā)展。2/5/202328材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

300,000BC——3,500BC5,500BC天然金與銅被用作工具與武器，開始了人類金屬的使用。2/5/202329材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

300,000BC——3,500BC5000BC熔煉和錘擊改變了銅的性能-材料開始發(fā)展2/5/202330材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

300,000BC——3,500BC4000BC金屬鑄造工藝-人們得到了他們需要的形狀。最早的模鑄件-一個(gè)銅制杖頭2/5/202331材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

300,000BC——3,500BC3500BC從礦石中提煉銅-冶金業(yè)的黎明這張埃及古墓壁畫是

人類冶金業(yè)的最早紀(jì)錄之一2/5/202332材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

3,000BC——1,886AD

3000BC青銅的使用-制造合金青銅：第一種合金2/5/202333材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

3,000BC——1,886AD1450BC鐵的發(fā)現(xiàn)鐵制車輪2/5/202334材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

3,000BC——1,886AD1500AD煉鐵的需要促使了鼓風(fēng)機(jī)與熔爐的發(fā)明廉價(jià)的冶鐵業(yè)2/5/202335材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

3,000BC——1,886AD1855ADHenryBessemer擁有鋼鐵冶煉的專利-當(dāng)代鋼鐵冶煉的出現(xiàn)。他的方法是鋼鐵制品性能大大改觀而成本也降低不少。HenryBessemer(1813-1898)2/5/202336材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

3,000BC——1,886AD1886AD電化學(xué)方法冶煉鋁-使鋁成為一種常用金屬2/5/202337材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

1,939AD——NOW

1939AD尼龍的商業(yè)發(fā)展，高分子材料發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期尼龍的發(fā)明2/5/202338材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

1,939AD——NOW1950‘s高溫合金的發(fā)展，摻鎳合金促進(jìn)了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展2/5/202339材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

1,939AD——NOW1960’s制作越來越小的硅芯片2/5/202340材料科學(xué)發(fā)展的里程碑

1,939AD——NOW1980‘s高溫超導(dǎo)體，高溫超導(dǎo)的革命時(shí)代2/5/202341金屬塑性變形理論是一門基于金屬塑性加工的物理學(xué)、物理-化學(xué)、金屬學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)上的應(yīng)用技術(shù)理論。作為塑性變形理論的重要基礎(chǔ)的塑性理論的形成與發(fā)展也經(jīng)歷了一百多年的歷史。在此其間提出的一些經(jīng)典理論與方法歸列于下2/5/202342法國工程師屈雷斯加（H.Tresca）1864提出最大剪應(yīng)力屈服準(zhǔn)則德國米塞斯（VonMises），1913，Mises屈服準(zhǔn)則M.Levy1871年，提出了應(yīng)力應(yīng)變?cè)隽筷P(guān)系Levy-MisesB.Saint-Venant1870，應(yīng)力應(yīng)變速率方程，（塑性流動(dòng)方程）M.levy、H.Hencky、L.Prandtl1923，平面塑性變形的滑移線幾何性質(zhì)A.Reuss1930，彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系1940，H.Hencky、H.Geringer、Cauchy、Rieman等，滑移線法1950，A.A.Mapkob、R.Hill、W.Pragar等，極值分析方法1970，小林史郎，C.H.Lee等，剛—塑性有限元解析法……2/5/2023431.4塑性加工的發(fā)展(Development)節(jié)約資源用盡量少的原材料生產(chǎn)出要求的形狀、尺寸、強(qiáng)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(zhì)或通過變形與熱處理相配合以改善材質(zhì)、研究輕型薄壁斷面和周期斷面以及復(fù)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。2/5/202344節(jié)約能源金屬材料熱加工所需的熱能比加工所需的機(jī)械能大許多倍，所以必須節(jié)約熱能?？s短工藝流程、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、提高塑性等方面的技術(shù)開發(fā)成為今后節(jié)約能源的重要課題。2/5/202345實(shí)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(nèi)容定量化以及把能實(shí)現(xiàn)這種條件的新技術(shù)用于新加工機(jī)械設(shè)計(jì)和老設(shè)備的挖潛改造上，并進(jìn)行最優(yōu)控制。2/5/202346課下練習(xí)1、什么是金屬的塑性？什么是塑性加工？塑性加工有何特點(diǎn)？2、試述塑性加工的一般分類。2/5/202347材料加工技術(shù)的主要發(fā)展方向（1）高效化、高精度化（2）發(fā)展先進(jìn)成形加工技術(shù)（3）材料設(shè)計(jì)、制備與成形加工一體化（4）開發(fā)新型成形加工技術(shù)，發(fā)展新材料（5）計(jì)算機(jī)模擬與過程仿真技術(shù)（6）智能制備與加工技術(shù)補(bǔ)充材料2/5/202348傳統(tǒng)技術(shù)的高效化與高精度化高新技術(shù)改造傳統(tǒng)技術(shù)

將計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)加工技術(shù)提高生產(chǎn)效率

高速、全自動(dòng)、無人化擴(kuò)大產(chǎn)品范圍形狀、尺寸的精確控制2/5/202349

超小型精密擠壓型材鋁合金鏡面板2/5/202350發(fā)展先進(jìn)成形加工技術(shù)目的高附加值材料、難加工材料的加工實(shí)現(xiàn)組織性能的精確控制有發(fā)展前景的先進(jìn)成形加工技術(shù)連續(xù)定向凝固技術(shù)先進(jìn)超塑性成形技術(shù)等溫成形技術(shù)低溫強(qiáng)加工技術(shù)分散成形技術(shù)2/5/202351 超細(xì)無氧銅絲（19.7m）

超細(xì)Al-Si絲（25m）連續(xù)定向凝固技術(shù)+低溫強(qiáng)加工技術(shù)2/5/202352非晶態(tài)合金超塑性成形技術(shù)的應(yīng)用微型齒輪微型拉伸機(jī)2/5/202353材料設(shè)計(jì)、制備與成形加工一體化目的提高成分、性能、工藝的可設(shè)計(jì)性實(shí)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(shè)計(jì)時(shí)代的特征之一）典型技術(shù)激光快速成形噴射沉積技術(shù)半固態(tài)加工連續(xù)鑄擠連續(xù)鑄軋（鑄軋一體化）2/5/2