发布时间 : 星期六 文章《金属塑性成形原理及工艺》课程讲义更新完毕开始阅读5ee68d20af45b307e8719795
第一章 绪论
二、金属塑性成形的优点及分类
与金属切削、铸造、焊接等加工方法相比，金属塑性成形具有以下优点：
（1）经过塑性加工，金属的组织、性能得到改善和提高
金属在塑性加工过程中，往往要经过锻造、轧制、或者挤压等工序，这些工序使得金属的结构更加致密、组织得到改善、性能得到提高。对于铸造组织，这种效果更加明显。例如炼钢铸成的钢锭，其内部组织疏松多孔、晶粒粗大而且不均匀，偏析也比较严重，经过锻造、轧制或者挤压等塑性加工可以改变它的结构、组织性能。
（2）金属塑性成形的材料利用率高
金属塑性成形主要是依靠金属在塑性状态下的体积转移来实现的，这个过程不会产生切削，因而材料的利用率高。
（3）金属塑性成形具有很高的生产率
这一点对于金属材料的轧制、拉丝、挤压等工艺尤为明显。例如，在12000×10KN的机械压力机上锻造汽车用的六拐曲轴仅需40s；在曲柄压力机上压制一个汽车覆盖件仅需几秒钟；在弧形板行星搓丝机上加工M5mm的螺钉，其生产率可以高达12000件/min。随着生产机械化和自动化的不断发展，金属塑性成形的生产率还在不断提高。
（4）通过金属塑性成形得到的工件可以达到较高的精度
近年来，由于应用先进的技术和设备进行塑性加工，不少零件已经实现少、无切削的要求。例如，精密锻造的伞齿轮，其齿形部分精度可不经切削加工而直接使用，精锻叶片的复杂曲面可以达到只需磨削的精度，等等。
由于金属塑性成形具有上述优点，因而在国民经济中得到广泛使用。 三、金属塑性成形方法分类
金属塑性成形的种类很多，目前还没有统一的分类方法。按照其成形的特点，一般把塑性加工分为五大类：轧制、拉拔、挤压、锻造、冲压。其中每一类又包括了各种加工方法，形成了各自的加工领域。 四、金属塑性成形理论的发展
金属塑性成形理论是在塑性成形的物理、物理－化学和塑性力学的基础上发展起来的一门工艺理论。金属塑性变形的物理和物理化学基础属于金属学范畴。本世纪30年代提出的位错理论从微观上对塑性变形的机理做出了科学的解释。对于金属产生永久变形而不破坏其完整性的能力——塑性，人们也有了更深刻的认识。塑性，作为金属的状态属性，不仅取决于金属材料本身（如晶格类型、化学成分和组织结构等），还取决于变形的外部条件，如合适的温度、速度条件和力学状态等等。
金属塑性成形原理的另一重要方面是塑性成形力学，它是在塑性理论（或者称塑性力学）的发展和应用中逐渐形成的。 1864年，法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）首次提出最大切应力屈服准则；
1913年，密席斯从纯数学的角度出发，提出了另一新的屈服准则——密席斯准则；
1925年，德国学者卡尔曼（Von Karman）用初等方法建立了轧制时的应力分布规律，最早将塑性理论用于金属塑性加工技术。
继卡尔曼不久，萨克斯（G.Sachs）和奇别尔（E.Siebel）在研究拉丝过程中提出了相似的求解方法——切块法，即后来所称的主应力法。
此后，人们对塑性成形过程的应力、应变和变形力的求解逐步建立了许多理论求解方法：如滑移线法、工程计算法、变分法和变形功法、上限法、有限元法等等。
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五、课程内容
金属塑性成形原理这一部分课程将主要介绍金属的塑性和金属变形的原理、塑性变形的力学基础，对金属塑性变形时的应力状态、应变状态、屈服准则、应力应变关系及应力—应变曲线做了深入、系统的介绍，另外还将介绍金属塑性变形和流动规律（包括最小阻力定律、变形不均匀性和影响因素、附加应力、残余应力、金属断裂及塑性成形中的摩擦和润滑等），金属塑性成形基本工序的力学分析及主应力法等。
具体的内容如下；
（1）金属的结构和塑性变形：单晶体的塑性变形、位错理论的基本概念、多晶体的塑性变形、加工硬化；
（2）金属的塑性：塑性和塑性指标、金属的化学成分和对塑性的影响、变形温度、变形速度对塑性的影响、提高金属塑性的主要途径、金属超塑性；
（3）应力分析：外力和应力、直角坐标系统中的一点的应力状态、应力平衡微分方程、平面应力状态和轴对程应力状态；
（4）应变分析：有关变形的基本概念、小变形分析、应变增量和应变速率张量、平面变形问题和轴对程问题； （5）屈服准则：屈雷斯加屈服准则、密席斯屈服准则、屈服准则的几何表达、平面问题和轴对程问题中屈服准则的简化；
（6）本构方程：弹性应力应变关系、塑性变形时应力应变关系的特点、塑性变形的增量理论、塑性变形的全量理论； 积。
第四章 金属塑性变形的应力分析
一、金属塑性成形过程的受力分析
塑性成形是利用金属的塑性，在外力作用下使金属成形的一种加工方法。作用于金属的外力可以分为两类：第一类是作用于金属表面上的力，称为面力或者接触力；第二类是作用在金属的每一个质点上的力，叫做体积力。 1．面力
作用在物体表面的力叫做表面力，也称面力，面力一般是一种分布力。当面力的作面积与物体本身尺寸相比很小时，可以看作是一个集中力。它可以分为：作用力、反作用力和摩擦力。 2．体积力
体积力是与变形体内各个质点的质量成正比的力，如重力、磁力和惯性力等。在塑性加工中，体积力与面力相比占次要地位，所以通常可以忽略不计。 3．静力学平衡条件
对于一般的塑性成形过程，由于体积力和表面力相比要小得多，所以常常忽略不计。因此，一般假设物体塑性变形时是处于表面作用力下的静力平衡系统。塑性过程的应力分析就是从变形体中质点的应力分析出发，根据静力学平衡条件导出该点附近各应力分量之间的关系，即平衡微分方程。 二、应力概念
物体变形时的应力状态是表示物体内所承受应力的情况。
点的应力状态是指物体内一点任意方位微小面积上所承受的应力情况，即应力的方向、大小和个数。
只有了解了变形物体内任意一点的应力状态，才可能推断出整个变形物体的应力状态，所以，我们下面的应力分析将主要分析点的应力状态。
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三、应力分析的截面法 1.应力
在外力作用下，变形物体内部各点之间会产生相互作用的内力，单位面积上的内力被称为应力。 2．用截面法分析任意形状物体的应力
（1）已知条件
假设有一个任意形状的物体，如图4－1所示，它受到n个力（F1、F2、F3、F4…..Fn）的作用，并处于平衡状态，要求计算物体内任意点Q的应力。
图4-1 图4－2
（2）求解
首先过Q点作一个法线为N的平面B，用此平面将物体切成两部分，并且移除上半部分。这时，平面B上的内力就变成了外力，并与作用在下半部分的外力相平衡。
在B面上围绕Q点取一个无限小的面积ΔA，设该面积上的合力为ΔF，设S是B面上Q点的全应力，则
全应力S为B面上合力方向上的应力。它可以分解为两个分量，一个是垂直于B面的分量，叫做正应力或者法向应
力，一般用ζ表示；另一是平行于B面的分量，叫做切应力，一般用η表示。
在这里，我们所取的法向N是任意的，也就是说过Q点可以取任意多个法向，从而作出任意多个切面，在不同方位的切面上，外力合力不同，截面积也不相同，所以得到的Q点的应力也不相同。 3．用截面法分析均匀单向拉伸物体的应力
如图4－2所示的圆柱形试棒，受到单向拉伸力F的作用，试棒的横截面积为A0，根据上面任意形状物体的应力的分析法；
（1）首先可以得到垂直于拉伸轴线的横截面上的应力为（图4－2中的a所示）：
（4－1）
式中： F——轴向拉力；
A0——试棒的横截面积。 （2）任意斜面的应力
如果过Q点作一个切面B，其法线N与拉伸轴成θ角，则可以得到Q点的全应力、正应力和切应力公式分别为：
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（4－2）
4．结论
从式（2－2）可以看出，Q点任意截面上的应力随着法线的方向角θ的变化而变化。对于简单拉伸，只要确定出ζ0，则Q点任意切面上的应力也就可以确定了。因此，只用一个应力ζ0就可以表示出单向拉伸时的应力状态。 四、应力分量和应力张量
为了全面的反映物体内点的应力状态，人们使用了应力分量和应力张量来表示点的应力状态。 1．应力分量
（1）应力分量的提出
设在直角坐标系中有一个承受外力的物体，物体内有一个质点Q，如图4-3所示。
图4－3
现在围绕Q点切取一个矩形六面体作为单元体，六面体的棱边分别平行于坐标系的三根坐标轴。取六面体中三个互相垂直的表面作为微分面，从上面的内容可以知道，各个微分面上的全应力都可以按坐标轴方向分解为一个正应力和两个切应力，三个微分面共有九个应力分量，其中三个正应力分量，六个切应力分量。可以用这九个应力分量来表示物体内点的应力状态。
（2）应力分量的表示
为了清楚的表示各个微分面上的应力分量，我们给三个微分面命名为：X面、Y面、Z、面；让每一个应力分量都带上两个下标，第一个下标表示应力分量的作用面，第二个下标表示应力分量的作用方向。所以，九个应力分量可以表示为：
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