1、金屬塑性變形理論Theory of metal plastic deformation 第一講Lesson One張貴杰Zhang GuijieTel-Mail： zhguijie河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系Department of Metal Material and Process EngineeringHebei Polytechnic University, Tangshan 0630098/16/20221本課程的性質(zhì)和教學(xué)目的性質(zhì)：本課程為材料成型及控制工程和金屬材料工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課目的：金屬產(chǎn)生塑性變形時(shí)在金屬學(xué)和力學(xué)等方面有著共同的基礎(chǔ)和規(guī)律

2、。因此，金屬塑性變形理論是研究和探討金屬在各種塑性加工過(guò)程中可遵循的基礎(chǔ)和規(guī)律的一門學(xué)科。其目的在于科學(xué)地、系統(tǒng)地闡明這些基礎(chǔ)和規(guī)律，為學(xué)習(xí)后續(xù)的工藝課程作理論準(zhǔn)備，也為合理制訂金屬塑性成型工藝規(guī)范及選擇、設(shè)計(jì)加工設(shè)備奠定理論基礎(chǔ)。8/16/20222本課程的任務(wù)掌握金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)，即掌握影響金屬性能的主要因素及原理，掌握金屬性能主要指標(biāo)的測(cè)試方法；掌握金屬塑性力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，即掌握金屬塑性變形體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變之間關(guān)系、塑性變形時(shí)的力學(xué)條件等塑性理論基礎(chǔ)知識(shí)。掌握塑性成型問(wèn)題的幾種主要解法（包括解析和數(shù)值解法）；掌握金屬塑性成型時(shí)的金屬流動(dòng)規(guī)律和變形特點(diǎn)，分析金屬的基本成

3、型工藝，以便確定合理的坯料尺寸和成型工序；掌握對(duì)成型質(zhì)量進(jìn)行定性分析及提高成型質(zhì)量的方法。 8/16/20223課程實(shí)驗(yàn)開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)課程（包括金相觀察、力學(xué)性能檢驗(yàn)、模擬軋制過(guò)程實(shí)驗(yàn)、斜軋穿孔實(shí)驗(yàn)等）8/16/20224教材及參考書References教 材：金屬塑性變形與軋制理論（第2版），趙志業(yè)，1996參考書：金屬塑性加工力學(xué)，趙志業(yè)，1987塑性加工金屬學(xué)，王占學(xué)，1991塑性成型力學(xué)，王仲仁，1989金屬塑性加工理論與工藝，羅子健，1994金屬塑性加工原理，彭大暑主編，2004金屬塑性加工過(guò)程無(wú)網(wǎng)格數(shù)值模擬方法，李長(zhǎng)生等著，2004金屬軋制過(guò)程人工智能優(yōu)化，王國(guó)棟，劉相華，2000M

4、etal working science and engineering, Edward M. Mielnik,1991Metals Engineering-A Technical Guide,Leonard E. Samuels,1988校園網(wǎng)超星圖書館或校圖書館借閱8/16/20225學(xué)習(xí)要求作業(yè)必須按時(shí)交，如果有三次以上不交作業(yè)者，取消考試資格。 作業(yè)形式包括：手寫作業(yè)、電子稿作業(yè)、計(jì)算機(jī)程序、討論P(yáng)PT等幾種形式。做好課堂筆記，本課程中將有部分補(bǔ)充內(nèi)容，要求大家記筆記。要求上課前預(yù)習(xí)，本課程內(nèi)容較難，且內(nèi)容多，信息量較大，要求大家自覺預(yù)習(xí)。 遵守課堂紀(jì)律，本課程不允許遲到早退。8/16

5、/20226本課程主要內(nèi)容金屬微觀變形機(jī)理與宏觀性能金屬變形過(guò)程的力學(xué)分析 變形體力學(xué)的求解方法8/16/20227第一章 緒論Chapter 1 Introduction主要內(nèi)容Main Content什么是塑性加工(Whats plastic processing)塑性加工的分類(Classification)塑性加工的歷史(History)塑性加工的發(fā)展(Development)8/16/202281.1 什么是塑性加工?Whats plastic processing?塑性：在外力作用下使金屬材料發(fā)生塑性變形而不破壞其完整性的能力稱為塑性。是指材料的永久變形能力。彈性：材料的可恢復(fù)變形

6、的能力 彈塑性：彈性+塑性8/16/20229 金屬鑄錠或連鑄坯在外力作用下使其產(chǎn)生塑性變形，變形后不僅能使其斷面的形狀和尺寸改變，而且也能改變其組織與性能。這一過(guò)程稱為塑性加工（塑性成型或壓力加工）。 The outside force makes the metal ingot casting or continuous ingot casting produce plastic deformation. The processing can not only make the size and the shape of its section change, but also its s

7、tructure and performance change. 8/16/202210金屬塑性加工的特點(diǎn)加工后組織性能得到改善和提高，經(jīng)塑性成型，使其結(jié)構(gòu)致密，組織改善材料利用率高 ，主要依靠金屬在塑性狀態(tài)下的體積轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)精度高，精密塑性成型8/16/202211鑄造零件機(jī)械制造方法切削加工壓力加工塑性成型特種加工鍛造沖壓車、銑、刨、磨、鉆、鉸、插等自由鍛、模鍛拉深、彎曲、沖裁、翻邊、拉型等軋制8/16/202212切削加工種類8/16/2022131.2 塑性加工的分類Classification按加工時(shí)工件的受力和變形方式 (Force and deforma

8、tion)按加工時(shí)工件的溫度特征 (Temperature)8/16/202214圖例延伸鐓粗斜軋橫軋縱軋模鍛自由鍛造軋 制鍛 造分類與名稱壓 力基本受力方式基本壓力加工變形方式按加工時(shí)工件的受力和變形方式(Force and deformation)8/16/2022158/16/2022168/16/202217圖例反擠壓正擠壓剪切彎曲拉伸成型沖壓（拉延）拉拔擠壓分類與名稱剪力彎矩拉力壓力基本受力方式按加工時(shí)工件的受力和變形方式(Force and deformation)8/16/2022188/16/202219組合加工變形方式組合方式鍛造軋制軋制擠壓拉拔軋制軋制彎曲軋制剪切名稱鍛軋軋

9、擠拔軋輥彎搓軋圖例按加工時(shí)工件的受力和變形方式(Force and deformation)8/16/202220擠壓型材擠壓型材模具8/16/202221工件驅(qū)動(dòng)輥導(dǎo)向輥蕊輥端面輥環(huán)軋示意圖8/16/202222熱連軋板生產(chǎn)線8/16/202223冷連軋板生產(chǎn)線8/16/202224典型沖壓件8/16/202225熱加工(Hot forming)冷加工(Cold forming)溫加工 (Warm forming)按加工時(shí)工件的溫度特征(Temperature)8/16/2022261.3 塑性加工的歷史(History)對(duì)材料的塑性加工源于人類對(duì)材料使用方式的發(fā)展下面簡(jiǎn)要回顧一下材料科學(xué)發(fā)

10、展的里程碑8/16/202227材料科學(xué)發(fā)展的里程碑 300,000 BC3,500 BC300,000 BC燧石，這種容易制成工具的石頭，開始了制陶業(yè)的發(fā)展。 8/16/202228材料科學(xué)發(fā)展的里程碑 300,000 BC3,500 BC5,500 BC 天然金與銅被用作工具與武器，開始了人類金屬的使用。 8/16/202229材料科學(xué)發(fā)展的里程碑 300,000 BC3,500 BC5000BC熔煉和錘擊改變了銅的性能-材料開始發(fā)展 8/16/202230材料科學(xué)發(fā)展的里程碑 300,000 BC3,500 BC4000BC金屬鑄造工藝-人們得到了他們需要的形狀。 最早的模鑄件-一個(gè)銅制

11、杖頭8/16/202231材料科學(xué)發(fā)展的里程碑 300,000 BC3,500 BC3500BC從礦石中提煉銅-冶金業(yè)的黎明 這張埃及古墓壁畫是人類冶金業(yè)的最早紀(jì)錄之一8/16/202232材料科學(xué)發(fā)展的里程碑3,000 BC1,886 AD 3000BC青銅的使用-制造合金 青銅：第一種合金8/16/202233材料科學(xué)發(fā)展的里程碑3,000 BC1,886 AD1450BC鐵的發(fā)現(xiàn) 鐵制車輪8/16/202234材料科學(xué)發(fā)展的里程碑3,000 BC1,886 AD1500AD煉鐵的需要促使了鼓風(fēng)機(jī)與熔爐的發(fā)明 廉價(jià)的冶鐵業(yè)8/16/202235材料科學(xué)發(fā)展的里程碑3,000 BC1,886

12、 AD1855ADHenry Bessemer擁有鋼鐵冶煉的專利-當(dāng)代鋼鐵冶煉的出現(xiàn)。他的方法是鋼鐵制品性能大大改觀而成本也降低不少。 Henry Bessemer (1813-1898)8/16/202236材料科學(xué)發(fā)展的里程碑3,000 BC1,886 AD1886AD電化學(xué)方法冶煉鋁-使鋁成為一種常用金屬 8/16/202237材料科學(xué)發(fā)展的里程碑1,939 ADNOW 1939AD尼龍的商業(yè)發(fā)展，高分子材料發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期 尼龍的發(fā)明8/16/202238材料科學(xué)發(fā)展的里程碑1,939 ADNOW1950s高溫合金的發(fā)展，摻鎳合金促進(jìn)了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展 8/16/202239材料科學(xué)發(fā)展

13、的里程碑1,939 ADNOW1960s制作越來(lái)越小的硅芯片 8/16/202240材料科學(xué)發(fā)展的里程碑1,939 ADNOW1980s高溫超導(dǎo)體，高溫超導(dǎo)的革命時(shí)代 8/16/202241金屬塑性變形理論是一門基于金屬塑性加工的物理學(xué)、物理-化學(xué)、金屬學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)上的應(yīng)用技術(shù)理論。作為塑性變形理論的重要基礎(chǔ)的塑性理論的形成與發(fā)展也經(jīng)歷了一百多年的歷史。在此其間提出的一些經(jīng)典理論與方法歸列于下8/16/202242法國(guó)工程師屈雷斯加（H.Tresca）1864提出最大剪應(yīng)力屈服準(zhǔn)則德國(guó)米塞斯（Von Mises），1913，Mises屈服準(zhǔn)則M.Levy 1871年，提出了應(yīng)力應(yīng)變?cè)隽筷P(guān)系 L

14、evy-MisesB.Saint-Venant 1870，應(yīng)力應(yīng)變速率方程，（塑性流動(dòng)方程）M.levy、H.Hencky、L.Prandtl 1923，平面塑性變形的滑移線幾何性質(zhì)A.Reuss 1930，彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系1940，H.Hencky、H.Geringer、Cauchy、Rieman等，滑移線法1950，A.A.Mapkob、R.Hill、W.Pragar等，極值分析方法 1970，小林史郎，C.H.Lee等，剛塑性有限元解析法 8/16/2022431.4 塑性加工的發(fā)展(Development)節(jié)約資源 用盡量少的原材料生產(chǎn)出要求的形狀、尺寸、強(qiáng)度、塑性以及其它物理性能的

15、產(chǎn)品。為此，合理利用資源選擇最佳材質(zhì)或通過(guò)變形與熱處理相配合以改善材質(zhì)、研究輕型薄壁斷面和周期斷面以及復(fù)合材料等高效制品的成型成為今后節(jié)約資源的重要課題。8/16/202244節(jié)約能源 金屬材料熱加工所需的熱能比加工所需的機(jī)械能大許多倍，所以必須節(jié)約熱能?？s短工藝流程、降低加工溫度、熱加工變?yōu)槔浼庸?、減少或省去中間退火、降低材料的變形抗力、提高塑性等方面的技術(shù)開發(fā)成為今后節(jié)約能源的重要課題。8/16/202245實(shí)現(xiàn)最佳的加工條件 研究創(chuàng)造最佳的工藝條件和使工藝內(nèi)容定量化以及把能實(shí)現(xiàn)這種條件的新技術(shù)用于新加工機(jī)械設(shè)計(jì)和老設(shè)備的挖潛改造上，并進(jìn)行最優(yōu)控制。8/16/202246課下練習(xí)1、什么是

16、金屬的塑性？什么是塑性加工？塑性加工有何特點(diǎn)？2、試述塑性加工的一般分類。8/16/202247材料加工技術(shù)的主要發(fā)展方向（1）高效化、高精度化（2）發(fā)展先進(jìn)成形加工技術(shù)（3）材料設(shè)計(jì)、制備與成形加工一體化（4）開發(fā)新型成形加工技術(shù)，發(fā)展新材料（5）計(jì)算機(jī)模擬與過(guò)程仿真技術(shù)（6）智能制備與加工技術(shù)補(bǔ)充材料8/16/202248傳統(tǒng)技術(shù)的高效化與高精度化高新技術(shù)改造傳統(tǒng)技術(shù)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)加工技術(shù)提高生產(chǎn)效率高速、全自動(dòng)、無(wú)人化擴(kuò)大產(chǎn)品范圍形狀、尺寸的精確控制8/16/202249 超小型精密擠壓型材 鋁合金鏡面板8/16/202250發(fā)展先進(jìn)成形加工技術(shù)目的高附加

17、值材料、難加工材料的加工實(shí)現(xiàn)組織性能的精確控制有發(fā)展前景的先進(jìn)成形加工技術(shù)連續(xù)定向凝固技術(shù)先進(jìn)超塑性成形技術(shù)等溫成形技術(shù)低溫強(qiáng)加工技術(shù)分散成形技術(shù)8/16/202251 超細(xì)無(wú)氧銅絲（19.7m） 超細(xì)Al-Si絲（25m）連續(xù)定向凝固技術(shù)+低溫強(qiáng)加工技術(shù)8/16/202252非晶態(tài)合金超塑性成形技術(shù)的應(yīng)用微型齒輪微型拉伸機(jī)8/16/202253材料設(shè)計(jì)、制備與成形加工一體化目的提高成分、性能、工藝的可設(shè)計(jì)性實(shí)現(xiàn)材料與零部件的高效、近終形、短流程成形（過(guò)程的一體化，是材料設(shè)計(jì)時(shí)代的特征之一）典型技術(shù)激光快速成形噴射沉積技術(shù)半固態(tài)加工連續(xù)鑄擠連續(xù)鑄軋（鑄軋一體化）8/16/202254激光快速成形噴嘴激光凝固材料前一層材料粉末激光/粉末作用區(qū)熔池零件運(yùn)動(dòng)方向CAD模型激光成形成形件精加工件8/16/202255激光快速成形零件之例8/16/202256噴射沉積技術(shù)8/16/202257開發(fā)新型制備與成形加工技術(shù)目的發(fā)展高附加值的新材料、新制品典型技術(shù)雙帶快冷帶材制備技術(shù)雙結(jié)晶器連鑄技術(shù)雙流鑄造技術(shù)多坯料擠壓技術(shù)電磁成形技術(shù)8/16/202258原 理 以高速運(yùn)動(dòng)的水冷鋼帶代替常規(guī)的冷卻輥冷卻法，增強(qiáng)冷卻能力，并同時(shí)在凝固過(guò)程中實(shí)現(xiàn)軟壓下，制備高性能帶材。8/16/202259快速凝固制備厚帶8/16/2022