金属塑性加工原理 Principle of Plastic Deformation in Metals Processing

1. 金属塑性加工原理Principle of Plastic Deformation in Metals Processing 中南大学 材料科学与工程学院 材料加工系 2004.3

2. 绪 论 • 研究内容 • 几个基本概念 • 弹性、塑性变形的力学特征

3. 研究内容 塑性力学是研究物体变形规律的一门学科，是固体力学的一个分支。研究变形体受外界作用（外载荷、边界强制位移、温度场等）时在变形体内的反应（应力场、应变场、应变速度场等）。 与其它工程力学（理论力学、材料力学、结构力学）的区别：研究方法、对象、结果的差异。弹塑性力学的研究对象是整体（而不是分离体）变形体内部的应力、应变分布规律（而不是危险端面）。

4. 几个基本概念 • 弹性(elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性 • 塑性(plasticity)：物体产生永久变形的能力，不可逆性 • 屈服(yielding)：开始产生塑性变形的临界状态 • 损伤(damage)：材料内部缺陷产生及发展的过程 • 断裂(fracture)：宏观裂纹产生、扩展到变形体破断的过程

5. 弹性、塑性变形的力学特征 • 可逆性：弹性变形——可逆；塑性变形——不可逆 • -关系：弹性变形——线性；塑性变形——非线性 • 与加载路径的关系：弹性——无关；塑性——有关 • 对组织和性能的影响：弹性变形——无影响；塑性变形——影响大（加工硬化、晶粒细化、位错密度增加、形成织构等） • 变形机理：弹性变形——原子间距的变化； 塑性变形——位错运动为主 • 弹塑性共存：整体变形中包含弹性变形和塑性变形；塑性变 形的发生必先经历弹性变形；在材料加工过程中，工件的塑性变形与工模具的弹性变形共存。

6. 金属塑性加工原理Principle of Plastic Deformation in Metals Processing 第一篇 塑性变形力学基础

7. 第1章 应力分析与应变分析 §1.1 应力与点的应力状态 §1.2 点的应力状态分析 §1.3 应力张量的分解与几何表示 §1.4 应力平衡微分方程 §1.5 应变与位移关系方程 §1.6 点的应变状态 §1.7 应变增量 §1.8 应变速度张量 §1.9 主应变图与变形程度表示

8. §1.1应力与点的应力状态 外力(load)与内力(internal force) 外力P：施加在变形体 上的外部载荷。 内力Q：变形体抗衡外 力机械作用的体现。

9. 应力（stress） • 应力S 是内力的集度 • 内力和应力均为矢量 • 应力的单位：1Pa=1N/m2 =1.0197kgf/mm2 1MPa=106 N/m2 • 应力是某点A的坐标的函数，即受力体内不同点的应力不同。 • 应力是某点A在坐标系中的方向余弦的函数，即同一点不同方位的截面上的应力是不同的。

10. 应力可以进行分解 Sn n 、n （n—normal,法向） 某截面（外法线方向为n）上的应力： 或者 （求和约定的缩写形式） 全应力(stress) 正应力(normal sress) 剪应力(shear stress)

11. 一点的应力状态及应力张量 • 一点的应力状态：是指通过变形体内某点的单元体所有 截面上的应力的有无、大小、方向等情况。 • 一点的应力状态的描述： 数值表达：x=50MPa，xz=35MPa 图示表达：在单元体的三个正交面上标出（如图 1-2） 张量表达： (i,j=x,y,z) （对称张量，9个分量，6个独立分量。）

12. 图1-2 平行于坐标面上应力示意图 应力分量图示

13. 应力的分量表示及正负符号的规定 ij xx 、 xz ……（便于计算机应用） i——应力作用面的外法线方向(与应力作用面的外 法线方向平行的坐标轴) j——应力分量本身作用的方向 当 i=j 时为正应力 i、j同号为正（拉应力），异号为负（压应力） 当 i≠j 时为剪应力 i、j同号为正，异号为负

14. 应力的坐标变换（例题讲解）* 实际应用：晶体取向、织构分析等 • 应力莫尔圆**： 二维应力莫尔圆与三维应力莫尔圆 掌握如何画、如何分析（工程力学已学，看书）

15. §1.2点的应力状态分析 §1.2.1 主应力及应力张量不变量 §1.2.2 主剪应力和最大剪应力 §1.2.3 八面体应力与等效应力

16. 设想并证明主应力平面（其上只有正应力，剪应力均为零）的存在，可得应力特征方程：设想并证明主应力平面（其上只有正应力，剪应力均为零）的存在，可得应力特征方程： §1.2.1主应力及应力张量不变量

17. 式中 • 应力不变量

18. 1. 可以证明，在应力空间，主应力平面是存在的； 2. 三个主平面是相互正交的； 3. 三个主应力均为实根，不可能为虚根； 4. 应力特征方程的解是唯一的； 5. 对于给定的应力状态，应力不变量也具有唯一性； 6. 应力第一不变量I1反映变形体体积变形的剧烈程 度，与塑性变形无关；I3也与塑性变形无关；I2与塑性 变形无关。 7. 应力不变量不随坐标而改变，是点的确定性的判据。 讨论：

19. 主应力的求解（略，见彭大暑《金属塑性加工力学》教材）主应力的求解（略，见彭大暑《金属塑性加工力学》教材） • 主应力的图示

20. 通常规定： 则有最大剪应力： 或者： 其中： 且有： §1.2.2主剪应力和最大剪应力 • 主剪应力(principal shear stress)：极值剪应力（不为零）平面上作用的剪应力。主应力空间的｛110｝面族。 • 最大剪应力(maximun shear stress)：

21. §1.2.3八面体应力与等效应力 即主应力空间的｛111｝等倾面上的应力。 这组截面的方向余弦为： 正应力 剪应力 总应力 八面体上的正应力与塑性变形无关，剪应力与塑性变形有 关。

22. 因为 • 八面体应力的求解思路：

23. 等效应力 讨论：1. 等效的实质？ 是（弹性）应变能等效（相当于）。 2. 什么与什么等效？ 复杂应力状态（二维和三维）与简单应力状态（一维）等效 3. 如何等效？ 等效公式（注意：等效应力是标量，没有作用面）。 4. 等效的意义？ 屈服的判别、变形能的计算、简化问题的分析等。

24. §1.3应力张量的分解与几何表示 (i,j=x,y,z) 其中 即平均应力， 为柯氏符号。 即

25. （体现变形体形状改变的程度） 讨论： • 分解的依据：静水压力实验证实，静水压力不会引起变形体形状的改变，只会引起体积改变，即对塑性条件无影响。 • 为引起形状改变的偏应力张量(deviatoric stress tensor)，为引起体积改变的球张量(spherical stress tensor)（静水压力）。 • 与应力张量类似，偏应力张量也存在相应的不变量：

26. §1.4应力平衡微分方程 直角坐标下的应力平衡微分方程* 即 （不计体力） 物理意义：表示变形体内无限相邻两质点的点的应力状态 的关系。对弹性变形和塑性变形均适用。

27. 推导原理： 静力平衡条件： 静力矩平衡条件： 泰勒级数展开：

28. 圆柱坐标下的应力平衡微分方程 • 球坐标下的应力平衡微分方程？

29. §1.5应变与位移关系方程 §1.5.1几何方程 §1.5.2变形连续方程

30. §1.5.1几何方程

31. 讨论： 1.物理意义：表示位移 (displacement) 与应变(strain) 之间的关系； 2.位移包含变形体内质点的相对位移 （产生应变）和变形体的刚性位移 （平动和转动）； 3.工程剪应变 理论剪应变：

32. 4.应变符号规定： 正应变或线应变 ( )： 伸长为正，缩短为负； 剪应变或切应变（ ）： 夹角减小为正，增大为负； 5.推导中应用到小变形假设、连续性假设及泰勒级数展开等。

33. §1.5.2变形连续方程

34. 讨论： 1.物理意义：表示各应变分量之间的相互关系“连续协调”即变形体在变形过程中不开裂，不堆积； 2.应变协调方程说明：同一平面上的三个应变分量中有两个确定，则第三个也就能确定；在三维空间内 三个切应变分量如果确 定，则正应变分量也就可以确定； 3.如果已知位移分量，则按几何方程求得的应变分量自然满足协调方程；若是按其它方法求得的应变分量，则必须校验其是否满足连续性条件。

35. §1.6点的应变状态 指围绕该点截取的无限小单元体的各棱长及棱间夹角的变化情况。 可表示为张量形式： 应变张量（strain tensor）也可进行与应力张量类似的分析。 ( i, j = x, y, z )

36. §1.7应变增量 全量应变与增量应变的概念 前面所讨论的应变是反映单元体在某一变 形过程终了时的变形大小，称作全量应变 增量应变张量

37. §1.8应变速度张量 设某一瞬间起dt时间内，产生位移增量dUi，则应有dUi=Vidt。其中Vi为相应位移速度。代入增量应变张量，有： 令 即为应变速率张量

38. §1.9主应变图与变形程度表示 主变形图是定性判断塑性变形类型的图示方法。主变形图只可能有三种形式

39. 主应力、主应变图示： 主应力—9种； 主应变—3种 [但只有23种可能的应力应变组合（塑性变形力学图），为什么？]

40. 变形程度表示 • 绝对变形量 ——指工件变形前后主轴方向上尺寸 的变化量 • 相对变形 ——指绝对变形量与原始尺寸的比值，常称为形变率 • 真实变形量 ——即变形前后尺寸比值的自然对数

41. 应力应变分析的相似性与差异性 • 相似性：张量表示、张量分析、张量关系相似

42. 差异性： • 概念：应力 研究面元ds 上力的集度 应变 研究线元dl 的变化情况 • 内部关系：应力—应力平衡微分方程 应变—应变连续（协调）方程 弹性变形：相容方程 塑性变形：体积不变条件

43. 等效关系： • 等效应力—弹性变形和塑性变形表达式相同 • 等效应变—弹性变形和塑性变形表达式不相同 对于弹性变形： （ ——泊松比） 对于塑性变形：

44. 表示某瞬时的应力值 表示对某瞬时之前的应变的积分 • 真实应力和真实应变含义：

45. 第2章 金属塑性变形的物性方程 回顾并思考 §2.1基本假设 §2.2屈服准则 比较两屈服准则的区别 两准则的联系 §2.3塑性应力应变关系（本构关系） §2.4变形抗力曲线与加工硬化 §2.5影响变形抗力的因素

46. 回顾并思考： 1．单向拉伸试验：随着外载荷或强制应变的增 加，会发生什么现象？ 弹性变形→屈服→均匀塑性变形→塑性失稳→断裂 2．应力增加到什么程度材料屈服？ 屈服条件，两种判别准则。 3．材料发生屈服后如何？ 塑性本构关系，两种理论，几种简化模型。

47. 4．为什么？ 物理机制：位错运动受阻，空位扩散等。 （“材料科学学基础”课程中将学到） 5．如何进行数值求解？ 塑性力学解析法： 工程法（主应力法）：“塑性加工原理”课程将 重点讲授 滑移线法 能量法（上限法） 有限单元法（FEM——Finite Element Method）： 硕士阶段“现代材料加工力学”详述 硕士阶段另一门学位课程

48. §2.1基本假设 • 材料为均匀连续，且各向同性； • 体积变化为弹性的,塑性变形时体积不变； • 静水压力不影响塑性变形，只引起体积弹性变化； • 不考虑时间因素，认为变形为准静态； • 不考虑Banschinger效应。

49. §2.2屈服准则 又称塑性条件(plastic conditions)或屈服条件(yield conditions)，它是描述不同应力状态下变形体某点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须满足的力学条件。 用屈服函数(yield function)表示：

50. Tresca 屈服准则（最大剪应力准则） Mises 屈服准则 回忆： ]