材料成型基本原理第13章.1-3

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1、第二篇材料成形力学原理第十三章金属塑性成形的 物理基础材料成形力学原理研究的对:金属塑性成形第一节绪论塑性:材料在外力的作用下产生一定的永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性成形:材料成形的基本方法之一,它是利用材料的塑性,在外力作用下获得所需尺寸和形状的工件的一种加工方法,又称为塑性加工。一、金属塑性成形的特点生产效率高,适用于大批量生产冲硅钢片的高速冲床的速度可达2000次/min;锻造一根汽车发动机曲轴只需要40s;M12l螺栓的冷锻210件/min。改善了金属的组织和结构和性能钢锭内部的组织缺陷,如疏松、晶粒粗大,经塑性变形后,组织变得致密,夹杂物被击碎;与机械加工相比,金属的纤维

2、组织不会被切断,因而结构性能得到提高。同时,由于金属塑性变形后性能提高,在相同服役条件下,零件的截面可以减小。材料利用率高金属塑性成形主要靠金属的体积转移来获得一定的形状和尺寸,无切削,只有少量的工艺废料,因此材料利用率高,一般可达75%~85%,最高可达98%以上。尺寸精度高精密锻造、精密挤压、精密冲裁零件,可以达到不需机械加工就可以使用的程度。二、塑性成形工艺的分类体积成形(热加工)板料成形(冷加工)锻造轧制自由锻造拉拔挤压模锻成形工序分离工序轧制挤压拉拔自由锻开式模锻闭式模锻冲裁拉深三、塑性变形成形理论的发展概况塑性成形力学,是塑性理论(或塑性力学)的发展和应用中逐渐形成的:186

3、4年法国工程师H.Tresca首次提出最大切应力屈服准则1925年德国卡尔曼用初等应力法建立了轧制时的应力分布规律;萨克斯和齐别尔提出了切块法即主应力法;再后来,滑移线法、上限法、有限元法等相继得到发展。四、本课程的任务目的:科学系统地阐明金属塑性成形的基础和规律,为合理制订塑性成形工艺奠定理论基础。任务:掌握塑性成形时的金属学基础,以便使工件在成形时获得最佳的塑性状态,最高的变形效率和优质的性能;掌握应力、应变、应力应变关系和屈服准则等塑性理论基础知识,以便对变形过程进行应力应变分析,并寻找塑性变形物体的应力应变分布规律;掌握塑性成形时的金属流动规律和变形特点,分析影响金属塑性流动的各

4、种因素,以合理地确定坯料尺寸和成形工序,使工件顺利成形;掌握塑性成形力学问题的各种解法及其在具体工艺中的应用,以便确定变形体中的应力应变分布规律和所需的变形力和功,为选择成形设备和设计模具提供依据。第二节 金属在冷态下的塑性变形一、金属的晶体结构和组织合金:由两种或两种以上的金属构成,按组织特征分为单相合金(以基体金属为基的单相固溶体组织)和多相合金(除基体外,还有第二相)。多晶体:由许多大小、形状和位向都不同的晶粒组成,晶粒之间存在晶界。变形的不均匀性和各晶粒变形的相互协调性是其变形的主要特点。晶界:晶粒之间为晶界,晶界表现出许多与晶粒内部不同的性质;如:室温时晶界的强度和硬度高于晶内

5、,高温时则相反;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;晶界容易被腐蚀等。多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶界变形。二、金属冷态下的塑性变形机理(一)晶内变形晶内变形的主要方式为滑移和孪生,其中滑移是主要的1.滑移滑移:在切应力的作用下,晶体的一部分与另一部分沿一定的晶面(滑移面:原子密度最大或比较大的晶面)和晶向(滑移方向:原子密度最大的密排方向)产生相对滑动。一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成滑移系。滑移的结果使大量的原子逐步发生迁移,从而产生宏观的塑性变形。晶内滑移受到晶界的阻碍,还受到周围难滑移晶粒的阻碍。而且,随变形增加,还会发生多系滑移,滑移面还会发生扭转、

6、弯曲等。图13-3滑移方向与滑移面图13-4滑移面上的切应力分析其中:为横截面上的拉应力,称为取向因子==45时,最大,切应力最大,滑移系处于最佳取向。软取向:=0.5或接近于0.5的取向硬取向:=0或接近于0的取向注:单晶体的临界切应力,不随取向因子的变化而变化2.孪生孪生变形:在切应力的作用下,晶体的变形部分与未变形部分形成以孪晶面为分界面成镜面对称的位向关系孪生变形所需的切应力大于滑移变形时所需的切应力。所以,滑移是优先发生的变形方式。发生孪生变形的条件主要与晶体结构、变形温度和变形速度有关:密排立方和体心立方的金属易发生孪生变形,一般在冲击载荷和较低温度下易发生孪生

7、变形。如密排立方(锌、镁)——常温、慢速拉伸体心立方(铁)——室温、冲击载荷或低温、不太大的变形速率面心立方(纯铜)——特别低的温度(-230℃)注:孪生变形引起的变形量是较小的,因此,晶体的塑性变形主要依靠滑移变形。(二)晶间变形晶间变形的方式包括晶粒间的相互滑动和转动。在外力的作用下,当沿晶界处的切应力足以克服晶粒相互滑动的阻力时,晶粒间发生相互滑动。多晶体变形的不均匀性使得在相邻的晶粒间产生了力偶,造成晶粒间的相互转动。晶粒

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