《金屬塑性成形原理2016新版》課件：第1講+應(yīng)力狀態(tài)和塑性變形簡(jiǎn)介

1、應(yīng)力狀態(tài)和塑性變形簡(jiǎn)介應(yīng)力狀態(tài)和塑性變形簡(jiǎn)介 拉力 壓力 剪切力 彎折 扭轉(zhuǎn) 殘余應(yīng)力 各種塑性加工成型過程都是在某種變形力學(xué)狀態(tài)下以及一定的熱力學(xué)條件下進(jìn)行。力學(xué)狀態(tài)： 變形溫度 變形速度 變形程度熱力學(xué)條件：隨著上述條件不同，金屬與合金的塑性、變形抗力、加工時(shí)力能消耗、材料的組織和性能都將不同 金屬在外力作用下能穩(wěn)定地改變其形狀和尺寸而不破壞的能力。塑性： 用金屬破壞前所能產(chǎn)生的最大變形程度來(lái)表示。變形抗力： 金屬對(duì)變形的抵抗能力。 用單向拉伸或壓縮時(shí)試樣橫斷面上所受的應(yīng)力來(lái)表示。1.1 塑性加工時(shí)所受的力一、作用力 把塑性加工設(shè)備可動(dòng)工具部分對(duì)變形金屬所作用的力叫作用力或主動(dòng)力。作用力和

2、約束反力二、約束反力二、約束反力阻礙金屬質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的力。（1 1）正壓力）正壓力（2）摩擦力T=fN 沿工具和工件接觸面沿工具和工件接觸面法線法線方向阻礙工件整體移動(dòng)方向阻礙工件整體移動(dòng)或金屬流動(dòng)的力，方向和接觸面垂直并指向工件或金屬流動(dòng)的力，方向和接觸面垂直并指向工件 沿工具和工件接觸面沿工具和工件接觸面切線切線方向阻礙金屬流動(dòng)的力方向阻礙金屬流動(dòng)的力，并與金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)方向和流動(dòng)趨勢(shì)相反，并與金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)方向和流動(dòng)趨勢(shì)相反注意：注意：1、畫受力圖、畫受力圖 2、可忽略重力和慣性力、可忽略重力和慣性力1.2 1.2 原子間的作用力和能原子間的作用力和能FRFA（3）rro時(shí)原子間作用的內(nèi)力表現(xiàn)為

3、斥力 若壓縮原子使rro ，所加之力或能必須克服原子間的斥力或排斥能。 由上述可得到：由上述可得到：（1）r=ro時(shí)原子的斥力和引力相等 內(nèi)力為零，原子勢(shì)能最低，原子處于最穩(wěn)定位置（2）rro時(shí)原子間作用的內(nèi)力表現(xiàn)為引力 若拉開原子使rro ，所加之力或能必須克服原子間的引力或吸引能。（4 4）彈性變形）彈性變形 所加之力或能不足以克服勢(shì)壘，僅使原子被迫離開平衡位置，而處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，去掉所加的力后，原子回到原來(lái)的平衡位置，變形也就消失。特點(diǎn)：原子間距改變、原子間勢(shì)能升高、物體的體積發(fā)生變化（變化不大）（5）塑性變形 所加之力或能足以克服勢(shì)壘，而使大量的原子多次地、定向地從一個(gè)平衡位置轉(zhuǎn)

4、移到另個(gè)平衡位置。這樣在宏觀上就產(chǎn)生了不能復(fù)原的永久變形特點(diǎn)：形狀和尺寸改變，但體積不變（6 6）彈）彈塑性變形共存塑性變形共存 發(fā)生宏觀屈服后的任意變形瞬間所產(chǎn)生的總變形中都發(fā)生宏觀屈服后的任意變形瞬間所產(chǎn)生的總變形中都包括彈性變形和塑性變形，彈包括彈性變形和塑性變形，彈塑性變形是共存的。金屬塑性變形是共存的。金屬在發(fā)生塑性變形之前必先產(chǎn)生彈性變形。在發(fā)生塑性變形之前必先產(chǎn)生彈性變形。彈性模量彈性模量 主要決定于原子間作用力的性質(zhì)主要決定于原子間作用力的性質(zhì) 與組織及熱處理狀態(tài)無(wú)關(guān)與組織及熱處理狀態(tài)無(wú)關(guān)1.3 1.3 內(nèi)力和應(yīng)力內(nèi)力和應(yīng)力 一、內(nèi)力一、內(nèi)力 1. 1.定義定義: : 由于外力

5、的機(jī)械作用或是因物體的整體性使物體不均勻變形受到互相限制而引起物體內(nèi)原子之間的距離發(fā)生改變時(shí),在物體內(nèi)部產(chǎn)生的一種互相平衡的力。導(dǎo)致整體性改導(dǎo)致整體性改變的因素：變的因素： 外力外力 不均勻加熱不均勻加熱 不均勻冷卻不均勻冷卻 不均勻相變不均勻相變溫度低溫度高加熱前加熱前+-加熱后加熱后2.產(chǎn)生內(nèi)力的原因 (1)為了平衡外部的機(jī)械作用所產(chǎn)生的內(nèi)力；（2）由于物理或物理-化學(xué)過程所產(chǎn)生的相互平衡的內(nèi)力。3.內(nèi)力產(chǎn)生的實(shí)質(zhì) 由于原子被迫偏離其平衡位置，使原子間距改變。4.內(nèi)力大小的度量二、應(yīng)力二、應(yīng)力 內(nèi)力的強(qiáng)度稱為應(yīng)力，即單位面積上所作用內(nèi)力的強(qiáng)度稱為應(yīng)力，即單位面積上所作用的內(nèi)力。的內(nèi)力。 1

6、.1.定義：定義：2.2.應(yīng)力的計(jì)算應(yīng)力的計(jì)算：用截面法計(jì)算用截面法計(jì)算P: F上的總內(nèi)上的總內(nèi)力力 T: F切線方向切線方向的分內(nèi)力的分內(nèi)力N: F法線方向法線方向分內(nèi)力分內(nèi)力S=lim P/ FF0 全應(yīng)力全應(yīng)力=lim N/ FF0正應(yīng)力正應(yīng)力=lim T/ FF0切應(yīng)力切應(yīng)力FNPT注意：注意： 1、僅當(dāng)截面上應(yīng)力均勻分布時(shí)，作用在截面上的總內(nèi)力與該截面面積之比才是實(shí)際應(yīng)力； 2、當(dāng)截面上的應(yīng)力不均勻分布時(shí)，此比值乃是平均應(yīng)力，這時(shí)截面上的實(shí)際應(yīng)力需用上式來(lái)計(jì)算。1.4 1.4 應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力圖示、變形圖示應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力圖示、變形圖示一、應(yīng)力狀態(tài)一、應(yīng)力狀態(tài) 所謂物體處于應(yīng)力狀態(tài)，就是

7、物體內(nèi)的原子被迫偏離其平衡位置的狀態(tài)。1.1.定義定義2.2.研究金屬的應(yīng)力狀態(tài)的意義研究金屬的應(yīng)力狀態(tài)的意義 金屬內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，決定了金屬內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)所處的狀態(tài)是彈性狀態(tài)、塑性狀態(tài)還是斷裂狀態(tài)。而一切壓力加工的目的均是在外力的作用下，使金屬產(chǎn)生塑性變形，獲得所需要的各種形狀和尺寸的產(chǎn)品。因此，了解各種壓力加工中金屬內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)特點(diǎn)，對(duì)于確定物體開始產(chǎn)生塑性變形所需的外力，以及采用什么樣的工具與加工制度，使力能的消耗最小等方面都具有重要的實(shí)際意義。 3.3.一般應(yīng)力狀態(tài)一般應(yīng)力狀態(tài)單向拉伸一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)表示方法： x xy xz 在法線方向?yàn)閤的面上所作用的應(yīng)力 yx y yz 在法線方向?yàn)閥

8、的面上所作用的應(yīng)力 zx zy z 在法線方向?yàn)閦的面上所作用的應(yīng)力 應(yīng)力作用線沿z軸方向 應(yīng)力作用線沿y軸方向 應(yīng)力作用線沿x軸方向 xy yx xz zx yz zy x xy xz 1 0 0 y yz 0 2 0 z 0 0 3 描述一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的必要條件為過該點(diǎn)三個(gè)互相垂直坐標(biāo)上的六個(gè)獨(dú)立應(yīng)力分量或三個(gè)主應(yīng)力。任意斜面上的應(yīng)力描述一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的充分條件?？梢宰C明：只要已知受力物體上過某一點(diǎn)的一組三個(gè)互相垂直坐標(biāo)面上的六個(gè)應(yīng)力分量或主坐標(biāo)面上的三個(gè)主應(yīng)力，則與三個(gè)坐標(biāo)軸任意傾斜的平面上的應(yīng)力都可求出。小結(jié)：4.4.用主應(yīng)力來(lái)表示應(yīng)力狀態(tài)用主應(yīng)力來(lái)表示應(yīng)力狀態(tài) (1)主平面主平面:只有正

9、應(yīng)力而無(wú)切應(yīng)力的平面只有正應(yīng)力而無(wú)切應(yīng)力的平面。（2)主軸：主軸：與主平面法線方向平行的坐標(biāo)軸。與主平面法線方向平行的坐標(biāo)軸。（3)主應(yīng)力：主應(yīng)力：主平面作用的正應(yīng)力。主平面作用的正應(yīng)力。規(guī)定規(guī)定: :三個(gè)主應(yīng)力大小，按代數(shù)值進(jìn)行排列，即三個(gè)主應(yīng)力大小，按代數(shù)值進(jìn)行排列，即1 1 2 2 3 3。 二、應(yīng)力圖示二、應(yīng)力圖示 1. 1.定義定義: : 應(yīng)力圖示就是用來(lái)定性說(shuō)明變形體內(nèi)某點(diǎn)（或所研究物體的某部分）在各主軸方向上，有無(wú)主應(yīng)力存在及其主應(yīng)力方向如何的定性圖。 2. 2.應(yīng)力圖示的種類應(yīng)力圖示的種類主應(yīng)力圖示共有主應(yīng)力圖示共有九九種可能的形式種可能的形式線應(yīng)力狀態(tài)線應(yīng)力狀態(tài)兩兩種種平面應(yīng)

10、力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)三三種種體應(yīng)力狀態(tài)體應(yīng)力狀態(tài)四四種種 單向單向雙向雙向三向三向三、變形圖示三、變形圖示1.1.定義：定義： 就是在小立方體素的面上用箭頭表示三個(gè)主變形是否存在。規(guī)定：拉伸時(shí)箭頭向外指；壓縮時(shí)箭頭向里指。2.2.變形圖示的種類變形圖示的種類共共三三種。種。（2 2）一向伸長(zhǎng)一向縮短。又稱平面變形圖示。）一向伸長(zhǎng)一向縮短。又稱平面變形圖示。 如寬度較大的板帶軋制（1）一向縮短兩向伸長(zhǎng)。 例如有寬展情況的軋制和自由鍛壓。（3 3）兩向縮短一向伸長(zhǎng)。）兩向縮短一向伸長(zhǎng)。 如擠壓和拉拔。四、應(yīng)力圖示和變形圖示之間的關(guān)系 應(yīng)力圖示與變形圖示的符號(hào)往往不一致。應(yīng)力圖示與變形圖示的符號(hào)往往不

11、一致。注意：應(yīng)力圖示和變形圖示之間的關(guān)系： 從各主應(yīng)力中把 扣除，余下的應(yīng)力分量與塑性變形相對(duì)應(yīng)。m即：變形圖示符號(hào)與 符號(hào)相對(duì)應(yīng)。123,mmm 12- m1- m31231323- m1- m1- m3- m2- m3- m五、典型塑性變形的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析彎曲壓縮拉伸無(wú)摩擦圓柱壓縮窄厚板彎曲寬厚板彎曲有摩擦圓柱壓縮應(yīng)力狀態(tài)有細(xì)頸拉伸拉 伸實(shí)例圖應(yīng)變狀態(tài)拉拔擠壓脹形模鍛軋制封閉筒受內(nèi)壓開式模鍛拉拔擠壓軋制六、變形程度表示)()(tAtptr表示某瞬時(shí)的應(yīng)力值表示某瞬時(shí)的應(yīng)力值)ln(0llttr表示對(duì)某瞬時(shí)之前的應(yīng)變的積分表示對(duì)某瞬時(shí)之前的應(yīng)變的積分七、變形速度1.sdtd八、金屬塑性加工時(shí)的熱力學(xué)條件八、金屬塑性加工時(shí)的熱力學(xué)條件23/21mmkg試確定與這三個(gè)主應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的變形圖示。 21/5mmkg22/5mmkg例1：從變形體內(nèi)任一點(diǎn)截取的體素各面上分別作用的主應(yīng)力。 因此，與這三個(gè)應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的變形圖示：1和2是伸長(zhǎng)，而3 是縮短。解：=3321m）（）（2155312/7mmkg=2/1275mmkg）（m1=2/14721mmkg）（2/275mmkg）（m2=m3=2020m例2：軋制板