《塑性加工原理》課件

塑性加工原理塑性加工是材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的重要學(xué)科之一。它研究金屬、塑料和其他材料在受力變形時的行為，以及如何利用這些行為來制造各種產(chǎn)品。塑性加工的基本概念塑性變形金屬材料在外力作用下發(fā)生永久變形而不發(fā)生斷裂的過程。塑性加工利用金屬材料的塑性，通過外力使其發(fā)生永久變形以獲得所需形狀和尺寸的加工方法。塑性加工工藝根據(jù)不同的產(chǎn)品形狀和尺寸，采用不同的加工方法和工具。塑性加工設(shè)備用于施加外力的機(jī)器，如沖壓機(jī)、壓力機(jī)、軋機(jī)等。晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形機(jī)理晶體結(jié)構(gòu)決定塑性變形機(jī)理。金屬晶體具有特定的原子排列方式，形成晶格結(jié)構(gòu)。金屬的塑性變形主要發(fā)生在晶格內(nèi)部的滑移和孿生?；剖侵妇w在剪切應(yīng)力作用下，沿特定晶面和晶向發(fā)生原子層面的相對滑動。孿生是指晶體在一定應(yīng)力作用下，通過原子層的重新排列，形成與母體晶體具有鏡像關(guān)系的晶體區(qū)域。塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系描述了材料在塑性變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。該關(guān)系對于理解和預(yù)測金屬材料在塑性加工過程中的行為至關(guān)重要。0.2%屈服強(qiáng)度材料開始發(fā)生永久變形時的應(yīng)力。UTS抗拉強(qiáng)度材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。E彈性模量材料在彈性變形階段的剛度，表示應(yīng)力和應(yīng)變之間的比例關(guān)系。n應(yīng)變硬化指數(shù)描述材料在塑性變形過程中硬化程度的指標(biāo)，數(shù)值越大，硬化程度越高。塑性加工過程中的能量變化能量輸入塑性加工過程需要能量輸入，例如機(jī)械能、熱能、電能等。這些能量通過不同的形式，例如機(jī)械力、熱量、電能，傳遞到金屬材料中。能量轉(zhuǎn)換輸入的能量在塑性加工過程中會發(fā)生一系列轉(zhuǎn)換，部分能量轉(zhuǎn)化為金屬材料的變形功，部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，還有部分能量會以其他形式散失。能量輸出塑性加工過程最終會輸出具有特定形狀和尺寸的金屬制品，以及部分以熱能形式散失的能量。能量的轉(zhuǎn)換效率取決于加工工藝和材料特性。熱塑性加工與冷塑性加工熱塑性加工在高于金屬再結(jié)晶溫度下進(jìn)行變形，變形抗力低，易于加工。冷塑性加工在低于金屬再結(jié)晶溫度下進(jìn)行變形，變形抗力高，可提高材料強(qiáng)度和硬度。塑性加工中的應(yīng)變均勻性應(yīng)變均勻性是指塑性加工過程中，材料變形程度在各個部位是否一致。均勻的變形有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低廢品率。應(yīng)變均勻性受到多種因素影響，例如材料的性質(zhì)、加工工藝、設(shè)備的精度等。在實(shí)際加工過程中，應(yīng)根據(jù)具體情況采取措施來提高應(yīng)變均勻性。單軸拉伸下的應(yīng)力-應(yīng)變分析1應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了材料在拉伸過程中力學(xué)性能變化規(guī)律。2彈性階段材料在彈性階段表現(xiàn)出線性關(guān)系，可恢復(fù)變形。3屈服階段材料發(fā)生永久變形，達(dá)到屈服強(qiáng)度時，應(yīng)力不再增加，但變形增加。4強(qiáng)化階段材料在拉伸過程中，強(qiáng)度不斷提高，應(yīng)力隨應(yīng)變增加而升高。5斷裂階段材料斷裂，應(yīng)力急劇下降，應(yīng)變不再增加。單軸拉伸是塑性加工中常見的一種應(yīng)力狀態(tài)，通過分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以深入理解材料的力學(xué)性能變化規(guī)律，為塑性加工工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。單軸壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變分析1應(yīng)力-應(yīng)變曲線單軸壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線通常呈現(xiàn)出非線性特征，包含彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和斷裂階段。2屈服強(qiáng)度材料在壓縮過程中開始發(fā)生永久變形時的應(yīng)力，也稱為屈服應(yīng)力，是衡量材料抵抗塑性變形的指標(biāo)之一。3壓縮強(qiáng)度材料在壓縮過程中所能承受的最大應(yīng)力，是衡量材料抵抗斷裂的指標(biāo)之一，反映材料的強(qiáng)度。剪切應(yīng)力下的應(yīng)力-應(yīng)變分析1剪切應(yīng)力平行于作用面的力2剪切應(yīng)變材料形變的角度變化3剪切強(qiáng)度材料抵抗剪切變形的能力4應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映材料在剪切應(yīng)力下的行為剪切應(yīng)力下的應(yīng)力-應(yīng)變分析是材料力學(xué)中的重要內(nèi)容，它可以幫助我們理解材料在剪切載荷下的變形行為和失效模式。多軸應(yīng)力狀態(tài)下的塑性變形11.復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)多軸應(yīng)力狀態(tài)下，材料受到多個方向的應(yīng)力作用，例如彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸組合。22.應(yīng)力方向影響應(yīng)力方向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懞艽?，不同的?yīng)力方向會導(dǎo)致不同的變形模式。33.應(yīng)變積累多軸應(yīng)力狀態(tài)下，材料的塑性變形通常伴隨著應(yīng)變積累，導(dǎo)致材料發(fā)生塑性變形。44.應(yīng)力集中由于多軸應(yīng)力狀態(tài)下存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易導(dǎo)致材料在某些部位發(fā)生斷裂。摩擦對塑性加工的影響摩擦力大小摩擦力影響塑性加工力的大小和變形均勻性。摩擦力過大會增加加工力，降低生產(chǎn)效率。摩擦力過小，會造成工件表面質(zhì)量下降。摩擦方向摩擦力方向影響塑性加工過程中的變形方向。摩擦力方向與加工方向一致時，有利于塑性變形；反之，則會造成工件表面出現(xiàn)劃痕或褶皺。摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)影響塑性加工過程中的變形程度和能量消耗。摩擦系數(shù)越大，變形程度越小，能量消耗越大。摩擦熱摩擦熱會導(dǎo)致工件溫度升高，影響塑性加工過程中的變形能力和表面質(zhì)量。摩擦熱過高會導(dǎo)致工件過熱，甚至造成表面燒傷。塑性加工過程中的變形阻力變形阻力是指在塑性變形過程中，材料抵抗變形的能力。它主要由材料的強(qiáng)度、硬度、塑性等因素決定。因素描述材料強(qiáng)度材料抵抗永久變形的強(qiáng)度越高，變形阻力越大。材料硬度材料的硬度越高，變形阻力越大。材料塑性材料的塑性越好，變形阻力越小。塑性加工中的變形熱變形熱金屬材料塑性變形機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能熱量累積溫度升高熱量耗散冷卻系統(tǒng)變形熱是塑性加工過程中不可避免的現(xiàn)象，它對加工工藝的影響至關(guān)重要。塑性加工中的應(yīng)變硬化定義金屬材料在塑性變形過程中，其強(qiáng)度和硬度會隨著變形量的增加而增大，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化。機(jī)理當(dāng)金屬材料發(fā)生塑性變形時，晶體內(nèi)部會產(chǎn)生位錯。位錯的積累和相互作用會導(dǎo)致金屬材料的強(qiáng)度和硬度增加。動態(tài)再結(jié)晶與動態(tài)回復(fù)動態(tài)再結(jié)晶塑性變形過程中，高溫條件下，新晶粒在舊晶粒內(nèi)部形成的過程。高溫可以促進(jìn)原子擴(kuò)散，消除應(yīng)力，并形成新的晶粒。動態(tài)回復(fù)塑性變形過程中，晶粒內(nèi)部的位錯發(fā)生重新排列，減少位錯密度，減小內(nèi)部應(yīng)力，從而提高材料的強(qiáng)度和韌性。動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶的區(qū)別動態(tài)再結(jié)晶是新晶粒的形成，而動態(tài)回復(fù)只是晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，沒有新晶粒的生成。金屬成型工藝的基本類型11.鍛造通過錘擊或壓力使金屬材料塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的工藝。22.軋制金屬材料在軋輥之間通過，受到壓縮而變形，獲得所需形狀和尺寸的工藝。33.拉拔金屬材料通過模具孔，受到拉伸而變形，獲得所需形狀和尺寸的工藝。44.沖壓利用沖床的沖頭和模具，對金屬材料進(jìn)行切割、彎曲、沖孔等加工的工藝。金屬板材成型工藝金屬板材成型工藝是指將金屬板材通過各種加工方法使其塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的工件的工藝過程。板材成型工藝主要包括：彎曲成型、拉伸成型、沖壓成型、冷彎成型、輥壓成型、折彎成型等。板材成型工藝在航空航天、汽車制造、電子產(chǎn)品、建筑等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用。金屬棒材成型工藝金屬棒材成型工藝是指將金屬棒材通過各種加工方法，使其形狀發(fā)生變化，從而獲得所需形狀和尺寸的工件。常見的棒材成型工藝包括拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓等，它們在機(jī)械、汽車、航空航天等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。拉伸：通過拉伸模具使棒材變細(xì)或改變截面形狀。彎曲：通過彎曲模具使棒材彎折成各種形狀。扭轉(zhuǎn)：通過扭轉(zhuǎn)模具使棒材發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。擠壓：通過擠壓模具使棒材從模具中擠出，形成所需的形狀。金屬管材成型工藝?yán)鋸澇尚屠鋸澇尚瓦m用于小直徑、薄壁管材，可加工出各種形狀的彎管，效率高，精度高，適合批量生產(chǎn)。熱彎成型熱彎成型適合于大直徑、厚壁管材，可避免冷彎時材料硬化，可加工出各種形狀的彎管，適用于少量生產(chǎn)。擠壓成型擠壓成型通過模具對管材施加壓力，使管材變形，可生產(chǎn)各種形狀的管材，工藝較為復(fù)雜。塑性加工工藝的選擇因素材料特性材料的塑性、強(qiáng)度、硬度、韌性等會影響加工工藝的選擇。產(chǎn)品形狀產(chǎn)品的形狀、尺寸、精度要求等影響加工工藝的復(fù)雜程度。生產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模決定了加工設(shè)備的規(guī)模和生產(chǎn)效率，影響工藝選擇。成本效益加工成本、設(shè)備投入、人力成本等因素會影響工藝選擇。塑性加工工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)1材料選擇選擇具有良好塑性的材料，并根據(jù)加工要求進(jìn)行熱處理和表面處理。材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能和加工性能都對塑性加工工藝的設(shè)計(jì)有著重要的影響。2工藝參數(shù)優(yōu)化通過合理的工藝參數(shù)設(shè)定，控制變形量、變形速度、變形溫度等因素，可以有效地提高產(chǎn)品的尺寸精度、表面質(zhì)量和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。3模具設(shè)計(jì)模具設(shè)計(jì)是塑性加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心。模具的形狀、尺寸、材料、加工精度和表面質(zhì)量都對產(chǎn)品質(zhì)量有著直接的影響。金屬材料塑性變形的缺陷裂紋塑性變形過程中，材料內(nèi)部可能產(chǎn)生裂紋，影響材料的強(qiáng)度和使用壽命。裂紋的形成與材料的應(yīng)力狀態(tài)、加工工藝、材料本身的缺陷等因素有關(guān)。表面缺陷塑性加工過程中的表面缺陷，如壓痕、劃痕等，會降低材料的表面質(zhì)量和美觀度。表面缺陷的產(chǎn)生與加工工具、加工參數(shù)、材料的表面狀態(tài)等因素有關(guān)。金屬材料表面質(zhì)量的控制表面粗糙度控制表面粗糙度直接影響零件的耐磨性、疲勞強(qiáng)度和表面光潔度。表面缺陷控制表面缺陷如裂紋、氣孔、夾雜物等會降低零件的強(qiáng)度和可靠性。表面涂層表面涂層可以提高零件的耐腐蝕性、耐磨性、耐高溫性和裝飾性。表面處理表面處理技術(shù)如熱處理、表面強(qiáng)化處理等可以提高零件的表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性。金屬材料的可塑性評價金屬材料的可塑性是指金屬材料在塑性變形過程中抵抗斷裂的能力，是衡量金屬材料加工性能的重要指標(biāo)?？伤苄栽u價方法多種多樣，包括拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)等，通過測試材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等指標(biāo)來評價材料的可塑性。金屬材料的熱處理對塑性的影響退火退火可降低材料的硬度和強(qiáng)度，同時提高其延展性和韌性。淬火淬火可使金屬材料的硬度和強(qiáng)度提高，但會降低其韌性和延展性?；鼗鸹鼗鹂山档痛慊鸾饘俚挠捕群痛嘈裕岣咂漤g性和延展性。金屬材料的合金化對塑性的影響合金化對塑性的影響合金化是提高金屬材料塑性的重要途徑之一，通過添加其他元素改變晶體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部組織，從而提升材料的強(qiáng)度、韌性和可塑性。固溶強(qiáng)化添加少量合金元素，形成固溶體，可以使晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，提高材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，從而提高其塑性。細(xì)化晶粒一些合金元素可以抑制晶粒長大，細(xì)化晶粒，從而提高材料的強(qiáng)度和韌性，增強(qiáng)其塑性。第二相強(qiáng)化添加合金元素，在基體中形成第二相粒子，可以提高材料的強(qiáng)度和硬度，并增加其塑性。塑性加工工藝中的能量效率塑性加工工藝的能量效率是衡量其經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性的重要指標(biāo)。它與材料的塑性變形特性、加工設(shè)備的能耗和加工參數(shù)密切相關(guān)。30%能耗塑性加工過程中，約有30%的能量轉(zhuǎn)化為熱量。50%機(jī)械能約50%的能量用于克服材料的變形阻力。20%損耗剩余20%的能量則因摩擦、振動等因素?fù)p失。塑性加工工藝中的經(jīng)濟(jì)性分析塑性加工工藝的經(jīng)濟(jì)性分析需要考慮多種因素，包括加工成本、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量以及環(huán)境保護(hù)等。加工成本包括原材料成本、加工設(shè)備折舊費(fèi)、人工成本、能源消耗等。生產(chǎn)效率則取決于加工速度、設(shè)備利用率以及生產(chǎn)組織效率。產(chǎn)品質(zhì)量直接影響產(chǎn)品價格和市場競爭力。環(huán)境保護(hù)則是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然要求。成本效率通過對成本和效率的分析，可以找到提高經(jīng)濟(jì)效益的途徑，例如優(yōu)化工藝參數(shù)、提高設(shè)備利用率、降低能源消耗等。塑性加