塑性變形力學(xué)基礎(chǔ)

1、沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 1.2 塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ) 外力外力 內(nèi)力內(nèi)力 模具模具 毛坯毛坯 零件零件1.2.1 點(diǎn)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài).應(yīng)力：應(yīng)力：內(nèi)力的強(qiáng)度，用內(nèi)力的強(qiáng)度，用表示。表示。 2.點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)(如圖如圖1.2.1) 3.應(yīng)變：應(yīng)變：微小六面體的變形，用微小六面體的變形，用表示。表示。 主應(yīng)變主應(yīng)變 4.點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài) 空間一點(diǎn)無論受多少個(gè)力，都可簡化為九個(gè)應(yīng)力分量。在空間一點(diǎn)無論受多少個(gè)力，都可簡化為九個(gè)應(yīng)力分量。在靜力平衡時(shí)，根據(jù)剪應(yīng)力互等定理，可簡化為六個(gè)應(yīng)力分量。靜力平衡時(shí)，根據(jù)剪應(yīng)力互等定理，可簡化為六個(gè)應(yīng)力分量。 主平面

2、主平面：剪應(yīng)力為零的平面。：剪應(yīng)力為零的平面。 主應(yīng)力主應(yīng)力：主平面上的應(yīng)力。：主平面上的應(yīng)力。321塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 1.1.3金屬的塑性與變形抗力金屬的塑性與變形抗力.塑性及塑性指標(biāo)塑性及塑性指標(biāo) 塑性：指金屬在外力的作用下，能穩(wěn)定的發(fā)揮塑性變形而塑性：指金屬在外力的作用下，能穩(wěn)定的發(fā)揮塑性變形而不破壞其完整性的能力。不破壞其完整性的能力。 塑性指標(biāo)：常用的塑性指標(biāo)塑性指標(biāo)：常用的塑性指標(biāo) 2.變形抗力及其指標(biāo)變形抗力及其指標(biāo) 金屬產(chǎn)生塑性變形的力為變形力，金屬抵抗變形的力稱為金屬產(chǎn)生塑性變形的力為變形力，金屬抵抗變形的力稱為變形抗力。通常以真實(shí)應(yīng)力作

3、為變形抗力的指標(biāo)。變形抗力。通常以真實(shí)應(yīng)力作為變形抗力的指標(biāo)。%100%100%100000000HHHAAALLLKcKK鐓粗率：斷面收縮率：伸長率：沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 1.1.4影響金屬的塑性與變形抗力的因素影響金屬的塑性與變形抗力的因素 1.影響塑性的因素影響塑性的因素 內(nèi)因內(nèi)因 ：化學(xué)成分的影響；組織結(jié)構(gòu)的影響化學(xué)成分的影響；組織結(jié)構(gòu)的影響 外因外因：變形溫度變形溫度 ；變形速度；變形速度 ；變形的應(yīng)力狀態(tài)；變形的應(yīng)力狀態(tài) 2.影響金屬變形抗力的主要因素影響金屬變形抗力的主要因素 1)化學(xué)成分及組織的影響化學(xué)成分及組織的影響 2)變形溫度對變形抗力的影響變形溫度對變形抗力的影響(如圖如

4、圖1.1.3) 3)變形速度對變形抗力的影響變形速度對變形抗力的影響 4)變形程度對變形抗力的影響變形程度對變形抗力的影響 5)應(yīng)力狀態(tài)對變形抗力的影響應(yīng)力狀態(tài)對變形抗力的影響1.1.5金屬塑性變形對組織和性能的影響金屬塑性變形對組織和性能的影響 晶粒形狀和方位變化；晶粒形狀和方位變化； 產(chǎn)生應(yīng)力；產(chǎn)生應(yīng)力； 產(chǎn)生加工硬化。產(chǎn)生加工硬化。沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)圖1.1.1 晶體變形圖1.1.2多晶體的塑性變形沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 5.主應(yīng)變及主應(yīng)變狀態(tài)主應(yīng)變及主應(yīng)變狀態(tài) 點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài) 主應(yīng)變狀態(tài)主應(yīng)變狀態(tài)6.體積不變定律體積不變定律 該式說明：金屬塑性變形前后，只有形狀

5、的變化，而無體該式說明：金屬塑性變形前后，只有形狀的變化，而無體積的變化。積的變化。 三個(gè)推論：三個(gè)推論： 塑性變形時(shí)，只有形狀的變化，而無體積的變化；塑性變形時(shí)，只有形狀的變化，而無體積的變化； 不論什么應(yīng)變狀態(tài)，其中一個(gè)主應(yīng)變的符號與另外兩個(gè)不論什么應(yīng)變狀態(tài)，其中一個(gè)主應(yīng)變的符號與另外兩個(gè)主應(yīng)變的符號相反；主應(yīng)變的符號相反； 已知兩個(gè)應(yīng)變就可求第三個(gè)應(yīng)變已知兩個(gè)應(yīng)變就可求第三個(gè)應(yīng)變。0321沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 1.2.2 屈服準(zhǔn)則（塑性條件）屈服準(zhǔn)則（塑性條件） 屈服準(zhǔn)則屈服準(zhǔn)則：材料進(jìn)入塑性狀態(tài)的力學(xué)條件。當(dāng)材料中的某材料進(jìn)入塑性狀態(tài)的力學(xué)條件。當(dāng)材料中的某點(diǎn)的應(yīng)力滿足屈服準(zhǔn)則，該點(diǎn)就進(jìn)

6、入塑性狀態(tài)。點(diǎn)的應(yīng)力滿足屈服準(zhǔn)則，該點(diǎn)就進(jìn)入塑性狀態(tài)。 1.屈雷司加準(zhǔn)則屈雷司加準(zhǔn)則 2.密席思準(zhǔn)則密席思準(zhǔn)則 3.工程上常采用屈服準(zhǔn)則通式：工程上常采用屈服準(zhǔn)則通式： s21沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 1.2.3 塑性變形時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系塑性變形時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系 單向拉伸應(yīng)力單向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線(如圖如圖1.2.2) 1.增量理論增量理論 2.全量理論全量理論 3.例：全量理論分析應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系例：全量理論分析應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 1) 稱平面應(yīng)變稱平面應(yīng)變(或稱平面變形或稱平面變形),由上式可得出由上式可得出: 2) 材料受單向拉應(yīng)力材料受單向拉應(yīng)力,由上式可得由上式可得: C13133232

7、2121Cdddddd131332322121時(shí)，022/ )(212時(shí)，且0, 03211321)2/1 (, 0沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 變形時(shí)的硬化現(xiàn)象和硬化曲線變形時(shí)的硬化現(xiàn)象和硬化曲線 1.硬化現(xiàn)象的表現(xiàn)形式硬化現(xiàn)象的表現(xiàn)形式: 材料的強(qiáng)度指標(biāo)隨變形程度的增加而增加材料的強(qiáng)度指標(biāo)隨變形程度的增加而增加,塑性隨之降低塑性隨之降低. 2.加工硬化的結(jié)果加工硬化的結(jié)果 引起材料力學(xué)性能的變化引起材料力學(xué)性能的變化. 3.加工硬化有利及不利方面加工硬化有利及不利方面 有利方面有利方面:板料硬化能夠減小過大的局部變形板料硬化能夠減小過大的局部變形,使變形趨于均使變形趨于均勻勻,增大成形極限增大成形極

8、限,同時(shí)也提高了材料的強(qiáng)度同時(shí)也提高了材料的強(qiáng)度 不利方面不利方面:使進(jìn)一步變形困難使進(jìn)一步變形困難. 4.硬化曲線硬化曲線(如圖如圖1.2.3) 沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)圖1.2.1 點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)a)任意坐標(biāo)系; b) 主軸坐標(biāo)系沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)圖.單向拉應(yīng)力應(yīng)變曲線沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)圖.幾種常用沖壓板料的硬化曲線沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 1.3 各種沖壓成形方法的力學(xué)特點(diǎn)與分類各種沖壓成形方法的力學(xué)特點(diǎn)與分類 1.3.1 變形毛坯的分區(qū)變形毛坯的分區(qū)(如圖如圖1.3.1)1.3.2 變形區(qū)的應(yīng)力與應(yīng)變特點(diǎn)變形區(qū)的應(yīng)力與應(yīng)變特點(diǎn) 1 沖壓毛坯兩向受拉應(yīng)力的作用沖壓毛坯兩向受拉應(yīng)力的作用 (可分兩種情況

9、可分兩種情況)： （圖1.3.2象限） 2沖壓毛坯變形區(qū)受兩向壓應(yīng)力的作用沖壓毛坯變形區(qū)受兩向壓應(yīng)力的作用 （圖1.3.2象限）0, 00, 0trt且且r0, 00, 0trt且且r沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 3沖壓毛坯變形區(qū)受異號應(yīng)力的作用，而且拉應(yīng)力的絕對值沖壓毛坯變形區(qū)受異號應(yīng)力的作用，而且拉應(yīng)力的絕對值大于壓應(yīng)力的絕對值。大于壓應(yīng)力的絕對值。(可以分為兩種情況可以分為兩種情況) （圖1.3.2）4沖壓毛坯變形區(qū)受異號應(yīng)力的作用而且壓應(yīng)力的絕對值大沖壓毛坯變形區(qū)受異號應(yīng)力的作用而且壓應(yīng)力的絕對值大于拉應(yīng)力的絕對值。于拉應(yīng)力的絕對值。 (可以分為以下兩種情況可以分為以下兩種情況)綜上所述：綜上所

10、述： 沖壓變形可分為伸長類變形和壓縮類變形沖壓變形可分為伸長類變形和壓縮類變形rrr且且0,00,0trtrrr且且0,00,0trt沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 1.3.3 沖壓成形過程中變形趨向性及其控制沖壓成形過程中變形趨向性及其控制1、變形趨向性、變形趨向性(如圖如圖1.3.3) 弱區(qū)必先變形，變形區(qū)應(yīng)為弱區(qū)弱區(qū)必先變形，變形區(qū)應(yīng)為弱區(qū)2、變形趨向性的控制、變形趨向性的控制 改變坯料各部分的相對尺寸改變坯料各部分的相對尺寸 改變模具工作部分的幾何形狀和尺寸改變模具工作部分的幾何形狀和尺寸 改變坯料和模具之間的摩擦阻力改變坯料和模具之間的摩擦阻力 改變坯料局部區(qū)域的溫度改變坯料局部區(qū)域的溫度沖壓工

11、藝及模具設(shè)計(jì)沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)A變形區(qū)；B傳力區(qū)；C已變形區(qū)圖.變形趨向性對沖壓工藝的影響沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 1.4 板料沖壓成形性能及沖壓材料板料沖壓成形性能及沖壓材料 1.4.1 板料的沖壓成形性能板料的沖壓成形性能 沖壓成形性能沖壓成形性能: 板料對各種沖壓成形加工的適應(yīng)能力板料對各種沖壓成形加工的適應(yīng)能力. 抗破裂性、抗破裂性、 貼模性、定形性貼模性、定形性 成形極限成形極限 沖壓件形狀尺寸精度沖壓件形狀尺寸精度1.4.2 板料的沖壓成形性能試驗(yàn)板料的沖壓成形性能試驗(yàn)1、間接試驗(yàn)（圖、間接試驗(yàn)（圖.） 伸長率、屈服點(diǎn)、屈強(qiáng)比、硬化指數(shù)、伸長率、屈服點(diǎn)、屈強(qiáng)比、硬化指數(shù)

12、、 板厚方向性系數(shù)、板平面方向性板厚方向性系數(shù)、板平面方向性2、直接試驗(yàn)、直接試驗(yàn) 脹形成形性能試驗(yàn)、拉深成形性能試驗(yàn)脹形成形性能試驗(yàn)、拉深成形性能試驗(yàn)（圖.）沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 1、屈服極限、屈服極限 屈服極限屈服極限 小小,材料容易屈服材料容易屈服,則變形抗力小則變形抗力小.2、屈強(qiáng)比、屈強(qiáng)比 屈強(qiáng)比小屈強(qiáng)比小,說明說明 值小而值小而 值大值大3、伸長率、伸長率 拉伸實(shí)驗(yàn)中拉伸實(shí)驗(yàn)中,試樣拉斷時(shí)的伸長率稱總伸長率試樣拉斷時(shí)的伸長率稱總伸長率4、硬化指數(shù)、硬化指數(shù) 單向拉伸硬化曲線可寫成單向拉伸硬化曲線可寫成 其中其中n為硬化指數(shù)為硬化指數(shù)5、厚向異性指數(shù)、厚向異性指數(shù) 厚向異性指數(shù)是指單向拉伸試樣寬度應(yīng)變和厚度應(yīng)厚向異性指數(shù)是指單向拉伸試樣寬度應(yīng)變和厚度應(yīng)變之比變之比6、板平面各向異性指數(shù)、板平面各向異性指數(shù)1.4.3 板料的力學(xué)性能與沖壓成形性能的關(guān)系板料的力學(xué)性能與沖壓成形性能的關(guān)系ssbnktb/2/ )2(45900沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 1.4.4常用沖壓材料及其力