1、金属塑性变形理论金属塑性变形理论第一讲第一讲Lesson OneLesson One张贵杰张贵杰Zhang GuijieZhang GuijieTelTel：1310269969813102699698E-MailE-Mail： 河北理工大学金属材料与加工工程系河北理工大学金属材料与加工工程系Department of Metal Material and PDepartment of Metal Material and Process rocess E EngineeringngineeringHebei Polytechnic University, Tangshan 063009Heb
2、ei Polytechnic University, Tangshan 063009Lesson OneLesson One* *2 2本课程的性质和教学目的本课程的性质和教学目的n n性质：性质：本课程为材料成型及控制工程和金属本课程为材料成型及控制工程和金属材料工程专业的专业基础课材料工程专业的专业基础课n n目的：目的：金属产生塑性变形时在金属学和力学金属产生塑性变形时在金属学和力学等方面有着共同的基础和规律。因此，金属等方面有着共同的基础和规律。因此，金属塑性变形理论是研究和探讨金属在各种塑性塑性变形理论是研究和探讨金属在各种塑性加工过程中可遵循的基础和规律的一门学科加工过程中可遵循的
3、基础和规律的一门学科。其目的在于科学地、系统地阐明这些基础。其目的在于科学地、系统地阐明这些基础和规律，为学习后续的工艺课程作理论准备和规律，为学习后续的工艺课程作理论准备，也为合理制订金属塑性成型工艺规范及选，也为合理制订金属塑性成型工艺规范及选择、设计加工设备奠定理论基础。择、设计加工设备奠定理论基础。Lesson OneLesson One* *3 3本课程的任务本课程的任务n n掌握金属塑性变形的物理基础，即掌握影响金属性能掌握金属塑性变形的物理基础，即掌握影响金属性能的主要因素及原理，掌握金属性能主要指标的测试方的主要因素及原理，掌握金属性能主要指标的测试方法；法；n n掌握金属塑性
4、力学的基础知识，即掌握金属塑性变形掌握金属塑性力学的基础知识，即掌握金属塑性变形体内的应力场、应变场、应力应变之间关系、塑性体内的应力场、应变场、应力应变之间关系、塑性变形时的力学条件等塑性理论基础知识。掌握塑性成变形时的力学条件等塑性理论基础知识。掌握塑性成型问题的几种主要解法（包括解析和数值解法）；型问题的几种主要解法（包括解析和数值解法）；n n掌握金属塑性成型时的金属流动规律和变形特点，分掌握金属塑性成型时的金属流动规律和变形特点，分析金属的基本成型工艺，以便确定合理的坯料尺寸和析金属的基本成型工艺，以便确定合理的坯料尺寸和成型工序；成型工序；n n掌握对成型质量进行定性分析及提高成型
5、质量的方法掌握对成型质量进行定性分析及提高成型质量的方法。 Lesson OneLesson One* *4 4课程实验课程实验n n开设综合实验课程（包括金相观察、力学性开设综合实验课程（包括金相观察、力学性能检验、模拟轧制过程实验、斜轧穿孔实验能检验、模拟轧制过程实验、斜轧穿孔实验等）等）Lesson OneLesson One* *5 5教材及参考书教材及参考书ReferencesReferences教教 材：材：n n金属塑性变形与轧制理论金属塑性变形与轧制理论（第（第2 2版），赵志业，版），赵志业，19961996参考书：参考书：n n金属塑性加工力学金属塑性加工力学，赵志业，赵志
6、业，19871987n n塑性加工金属学塑性加工金属学，王占学，王占学，19911991n n塑性成型力学塑性成型力学，王仲仁，王仲仁，19891989n n金属塑性加工理论与工艺金属塑性加工理论与工艺，罗子健，罗子健，19941994n n金属塑性加工原理金属塑性加工原理，彭大暑主编，彭大暑主编，20042004n n金属塑性加工过程无网格数值模拟方法金属塑性加工过程无网格数值模拟方法，李长生等著，李长生等著，20042004n n金属轧制过程人工智能优化金属轧制过程人工智能优化，王国栋，刘相华，王国栋，刘相华，20002000n nMetal working science and eng
7、ineeringMetal working science and engineering, Edward M. Mielnik,1991, Edward M. Mielnik,1991n nMetals Engineering-A Technical GuideMetals Engineering-A Technical Guide,Leonard E. Samuels,1988,Leonard E. Samuels,1988校园网超星图书馆或校图书馆借阅Lesson OneLesson One* *6 6学习要求学习要求n n作业必须按时交，如果有三次以上不交作业作业必须按时交，如果有三次
8、以上不交作业者，取消考试资格。者，取消考试资格。 作业形式包括：手写作作业形式包括：手写作业、电子稿作业、计算机程序、讨论业、电子稿作业、计算机程序、讨论PPTPPT等等几种形式。几种形式。n n做好课堂笔记，本课程中将有部分补充内容做好课堂笔记，本课程中将有部分补充内容，要求大家记笔记。，要求大家记笔记。n n要求上课前预习，本课程内容较难，且内容要求上课前预习，本课程内容较难，且内容多，信息量较大，要求大家自觉预习。多，信息量较大，要求大家自觉预习。 n n遵守课堂纪律，本课程不允许迟到早退。遵守课堂纪律，本课程不允许迟到早退。Lesson OneLesson One* *7 7本课程主要
9、内容本课程主要内容n n金属微观变形机理与宏观性能金属微观变形机理与宏观性能n n金属变形过程的力学分析金属变形过程的力学分析 n n变形体力学的求解方法变形体力学的求解方法Lesson OneLesson One* *8 8第一章第一章 绪论绪论Chapter 1 IntroductionChapter 1 Introduction主要内容主要内容Main ContentMain Contentn n什么是塑性加工什么是塑性加工(Whats plastic processing)(Whats plastic processing)n n塑性加工的分类塑性加工的分类(Classificatio
10、n)(Classification)n n塑性加工的历史塑性加工的历史(History)(History)n n塑性加工的发展塑性加工的发展(Development)(Development)Lesson OneLesson One* *9 91.1 1.1 什么是塑性加工什么是塑性加工? ?Whats plastic processing?Whats plastic processing?n n塑性：在外力作用下使金属材料发生塑塑性：在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力称为塑性变形而不破坏其完整性的能力称为塑性。是指材料的永久变形能力。性。是指材料的永久变形能力。n n弹
11、性：材料的可恢复变形的能力弹性：材料的可恢复变形的能力 n n弹塑性：弹性弹塑性：弹性+塑性塑性Lesson OneLesson One* *1010 金属铸锭或连铸坯在外力作用下使其产生金属铸锭或连铸坯在外力作用下使其产生塑性变形，变形后不仅能使其断面的形状和尺塑性变形，变形后不仅能使其断面的形状和尺寸改变，而且也能改变其组织与性能。这一过寸改变，而且也能改变其组织与性能。这一过程称为塑性加工（塑性成型或压力加工）。程称为塑性加工（塑性成型或压力加工）。 The The outside outside force force makes makes the the metal metal i
12、ngot ingot casting casting or or continuous continuous ingotingot casting casting produce produce plastic plastic deformation. deformation. The The processing processing can can not not only only make make the the size size and and the the shape shape of of its its section section change, but also i
13、ts structure and performance change. change, but also its structure and performance change. Lesson OneLesson One* *1111金属塑性加工的特点金属塑性加工的特点n n加工后组织性能得到改善和提高加工后组织性能得到改善和提高，经塑，经塑性成型，使其结构致密，组织改善性成型，使其结构致密，组织改善n n材料利用率高材料利用率高 ，主要依靠金属在塑性，主要依靠金属在塑性状态下的体积转移来实现状态下的体积转移来实现n n生产率高，可实现连续化生产生产率高，可实现连续化生产n n精度高，精密
14、塑性成型精度高，精密塑性成型Lesson OneLesson One* *1212铸造零件机械制造方法切削加工压力加工塑性成型特种加工锻造冲压车、铣、刨、磨、钻、铰、插等自由锻、模锻拉深、弯曲、冲裁、翻边、拉型等轧制Lesson OneLesson One* *1313切削加工种类Lesson OneLesson One* *14141.2 1.2 塑性加工的分类塑性加工的分类ClassificationClassificationn n按加工时工件的受力和变形方式按加工时工件的受力和变形方式 (Force and deformation)(Force and deformation)n n按
15、加工时工件的温度特征按加工时工件的温度特征 (Temperature)(Temperature)Lesson OneLesson One* *1515例延伸粗斜横模自由造 制 造分与名称 力基本受力方式基本力加工形方式按加工时工件的受力和变形方式按加工时工件的受力和变形方式(Force and deformation)(Force and deformation)Lesson OneLesson One* *1616Lesson OneLesson One* *1717Lesson OneLesson One* *1818例反正剪切弯曲拉伸成型冲（拉延）拉拔分与名称剪力弯矩拉力力基本受力方式按
16、加工时工件的受力和变形方式按加工时工件的受力和变形方式(Force and deformation)(Force and deformation)Lesson OneLesson One* *1919Lesson OneLesson One* *2020合加工形方式合方式造制制拉拔制制弯曲制剪切名称拔弯搓例按加工时工件的受力和变形方式按加工时工件的受力和变形方式(Force and deformation)(Force and deformation)Lesson OneLesson One* *2121挤压型材挤压型材模具Lesson OneLesson One* *2222工件驱动辊导向辊
17、蕊辊端面辊环轧示意图Lesson OneLesson One* *2323热连轧板生产线Lesson OneLesson One* *2424冷连轧板生产线Lesson OneLesson One* *2525典型冲压件Lesson OneLesson One* *2626n n热加工热加工(Hot forming)(Hot forming)n n冷加工冷加工(Cold forming)(Cold forming)n n温加工温加工 (Warm forming)(Warm forming)按加工时工件的温度特征按加工时工件的温度特征(Temperature)(Temperature)Lesso
18、n OneLesson One* *27271.3 1.3 塑性加工的历史塑性加工的历史(History)(History)n n对材料的塑性加工源于人类对材料使用对材料的塑性加工源于人类对材料使用方式的发展方式的发展n n下面简要回顾一下材料科学发展的里程下面简要回顾一下材料科学发展的里程碑碑Lesson OneLesson One* *2828材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC300,000 BC燧石，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展。 Lesson OneLesson One* *2929材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑 30
19、0,000 BC3,500 BC5,500 BC 天然金与铜被用天然金与铜被用作工具与武器，作工具与武器，开始了人类金属开始了人类金属的使用。的使用。 Lesson OneLesson One* *3030材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BCn n5000BC5000BCn n熔炼和锤击改变了熔炼和锤击改变了铜的性能铜的性能- -材料开始材料开始发展发展 Lesson OneLesson One* *3131材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BCn n4000BC4000BCn n金属铸造工艺金属铸造工艺- -人
20、们人们得到了他们需要的得到了他们需要的形状。形状。 最早的模铸件-一个铜制杖头Lesson OneLesson One* *3232材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BCn n3500BC3500BCn n从矿石中提从矿石中提炼铜炼铜- -冶金业冶金业的黎明的黎明 这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一Lesson OneLesson One* *3333材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑3,000 BC3,000 BC1,886 AD1,886 AD n n3000BC3000BCn n青铜的使青铜的使用用- -制造合制造合金金 青铜：第一种
21、合金Lesson OneLesson One* *3434材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑3,000 BC3,000 BC1,886 AD1,886 ADn n1450BC1450BCn n铁的发现铁的发现 铁制车轮Lesson OneLesson One* *3535材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑3,000 BC3,000 BC1,886 AD1,886 ADn n1500AD1500ADn n炼铁的需要促炼铁的需要促使了鼓风机与使了鼓风机与熔炉的发明熔炉的发明 廉价的冶铁业Lesson OneLesson One* *3636材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑3,0
22、00 BC3,000 BC1,886 AD1,886 ADn n1855AD1855ADn nHenry BessemerHenry Bessemer拥有钢铁冶炼的专拥有钢铁冶炼的专利利- -当代钢铁冶炼的当代钢铁冶炼的出现。他的方法是出现。他的方法是钢铁制品性能大大钢铁制品性能大大改观而成本也降低改观而成本也降低不少。不少。 Henry Bessemer (1813-1898)Lesson OneLesson One* *3737材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑3,000 BC3,000 BC1,886 AD1,886 ADn n1886AD1886ADn n电化学方法冶炼铝电化学方
23、法冶炼铝- -使铝成为一种常用使铝成为一种常用金属金属 Lesson OneLesson One* *3838材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑1,939 AD1,939 ADNOWNOW n n1939AD1939ADn n尼龙的商业发展，尼龙的商业发展，高分子材料发展的高分子材料发展的关键时期关键时期 尼龙的发明Lesson OneLesson One* *3939材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑1,939 AD1,939 ADNOWNOWn n19501950 s sn n高温合金的发展，高温合金的发展，掺镍合金促进了喷掺镍合金促进了喷气发动机的发展气发动机的发展 Less
24、on OneLesson One* *4040材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑1,939 AD1,939 ADNOWNOWn n19601960 s sn n制作越来越制作越来越小的硅芯片小的硅芯片 Lesson OneLesson One* *4141材料科学发展的里程碑材料科学发展的里程碑1,939 AD1,939 ADNOWNOWn n19801980 s sn n高温超导体，高温高温超导体，高温超导的革命时代超导的革命时代 Lesson OneLesson One* *4242n金属塑性变形理论是一门基于金属塑性加工的物理学、物理-化学、金属学与力学基础上的应用技术理论。n作为
25、塑性变形理论的重要基础的塑性理论的形成与发展也经历了一百多年的历史。在此其间提出的一些经典理论与方法归列于下Lesson OneLesson One* *4343n n法国工程师屈雷斯加（法国工程师屈雷斯加（H.TrescaH.Tresca）18641864提出最大剪应力屈服准提出最大剪应力屈服准则则n n德国米塞斯（德国米塞斯（Von MisesVon Mises），），19131913，MisesMises屈服准则屈服准则n nM.Levy 1871M.Levy 1871年，提出了应力应变增量关系年，提出了应力应变增量关系 Levy-MisesLevy-Misesn nB.Saint-Ve
26、nant B.Saint-Venant 18701870，应力应变速率方程，（塑性流动方程，应力应变速率方程，（塑性流动方程）n nM.levyM.levy、H.HenckyH.Hencky、L.Prandtl L.Prandtl 19231923，平面塑性变形的滑移线，平面塑性变形的滑移线几何性质几何性质n nA.Reuss 1930A.Reuss 1930，弹塑性应力应变关系，弹塑性应力应变关系n n19401940，H.HenckyH.Hencky、H.GeringerH.Geringer、CauchyCauchy、RiemanRieman等，滑移等，滑移线法线法n n19501950，
27、A.A.MapkobA.A.Mapkob、R.HillR.Hill、W.PragarW.Pragar等，极值分析方法等，极值分析方法 n n19701970，小林史郎，小林史郎，C.H.LeeC.H.Lee等，刚等，刚塑性有限元解析法塑性有限元解析法 n nLesson OneLesson One* *44441.4 1.4 塑性加工的发展塑性加工的发展(Development)(Development)n节约资源 用尽量少的原材料生产出要求的形状、尺寸、强度、塑性以及其它物理性能的产品。为此，合理利用资源选择最佳材质或通过变形与热处理相配合以改善材质、研究轻型薄壁断面和周期断面以及复合材料等
28、高效制品的成型成为今后节约资源的重要课题。Lesson OneLesson One* *4545n节约能源 金属材料热加工所需的热能比加工所需的机械能大许多倍，所以必须节约热能。缩短工艺流程、降低加工温度、热加工变为冷加工、减少或省去中间退火、降低材料的变形抗力、提高塑性等方面的技术开发成为今后节约能源的重要课题。Lesson OneLesson One* *4646n实现最佳的加工条件 研究创造最佳的工艺条件和使工艺内容定量化以及把能实现这种条件的新技术用于新加工机械设计和老设备的挖潜改造上，并进行最优控制。Lesson OneLesson One* *4747课下练习课下练习1 1、什么是
29、金属的塑性？什么是塑性加工、什么是金属的塑性？什么是塑性加工？塑性加工有何特点？塑性加工有何特点？2 2、试述塑性加工的一般分类。、试述塑性加工的一般分类。Lesson OneLesson One* *4848材料加工技术的主要发展方向材料加工技术的主要发展方向（1 1）高效化、高精度化高效化、高精度化（2 2）发展先进成形加工技术发展先进成形加工技术（3 3）材料设计、制备与成形加工一体化材料设计、制备与成形加工一体化（4 4）开发新型成形加工技术，发展新材料开发新型成形加工技术，发展新材料（5 5）计算机模拟与过程仿真技术计算机模拟与过程仿真技术（6 6）智能制备与加工技术智能制备与加工技
30、术补充材料补充材料Lesson OneLesson One* *4949传统技术的高效化与高精度化传统技术的高效化与高精度化高新技术改造传统技术高新技术改造传统技术将计算机技术、信息技术、先进控制技术应用于将计算机技术、信息技术、先进控制技术应用于传统加工技术传统加工技术提高生产效率提高生产效率高速、全自动、无人化高速、全自动、无人化扩大产品范围扩大产品范围形状、尺寸的精确控制形状、尺寸的精确控制Lesson OneLesson One* *5050 超小型精密挤压型材超小型精密挤压型材 铝合金镜面板铝合金镜面板Lesson OneLesson One* *5151发展先进成形加工技术发展先进
31、成形加工技术目的目的高附加值材料、难加工材料的加工高附加值材料、难加工材料的加工实现组织性能的精确控制实现组织性能的精确控制有发展前景的先进成形加工技术有发展前景的先进成形加工技术连续定向凝固技术连续定向凝固技术先进超塑性成形技术先进超塑性成形技术等温成形技术等温成形技术低温强加工技术低温强加工技术分散成形技术分散成形技术Lesson OneLesson One* *5252 超细无氧铜丝超细无氧铜丝（19.719.7 mm） 超细超细Al-SiAl-Si丝丝（2525 mm）连续定向凝固技术连续定向凝固技术+低温强加工技术低温强加工技术Lesson OneLesson One* *5353非
32、晶态合金超塑性非晶态合金超塑性成形技术的应用成形技术的应用微型齿轮微型齿轮微型拉伸机微型拉伸机Lesson OneLesson One* *5454材料设计、制备与成形加工一体化材料设计、制备与成形加工一体化目的目的提高成分、性能、工艺的可设计性提高成分、性能、工艺的可设计性实现材料与零部件的高效、近终形、短流程成形实现材料与零部件的高效、近终形、短流程成形（过程的一体化，是材料设计时代的特征之一）（过程的一体化，是材料设计时代的特征之一）典型技术典型技术激光快速成形激光快速成形喷射沉积技术喷射沉积技术半固态加工半固态加工连续铸挤连续铸挤连续铸轧（铸轧一体化）连续铸轧（铸轧一体化）Lesson
33、 OneLesson One* *5555激光快速成形激光快速成形喷嘴激光凝固材料前一层材料粉末激光/粉末作用区熔池零件运动方向CAD模型激光成形成形件精加工件Lesson OneLesson One* *5656激光快速成形零件之例激光快速成形零件之例Lesson OneLesson One* *5757喷射沉积技术喷射沉积技术Lesson OneLesson One* *5858开发新型制备与成形加工技术开发新型制备与成形加工技术目的目的发展高附加值的新材料、新制品发展高附加值的新材料、新制品典型技术典型技术双带快冷带材制备技术双带快冷带材制备技术双结晶器连铸技术双结晶器连铸技术双流铸造技
34、术双流铸造技术多坯料挤压技术多坯料挤压技术电磁成形技术电磁成形技术Lesson OneLesson One* *5959原原 理理 以高速运动的水冷以高速运动的水冷钢带代替常规的冷却钢带代替常规的冷却辊冷却法，增强冷却辊冷却法，增强冷却能力，并同时在凝固能力，并同时在凝固过程中实现软压下，过程中实现软压下，制备高性能带材。制备高性能带材。Lesson OneLesson One* *6060快速凝固制备厚带快速凝固制备厚带Lesson OneLesson One* *6161 双金属复合双金属复合材料双结晶器材料双结晶器连铸一次成形连铸一次成形原理图原理图Lesson OneLesson On
35、e* *6262Lesson OneLesson One* *6363计算机模拟与过程仿真技术计算机模拟与过程仿真技术目的目的减少试行错误，缩短研发周期减少试行错误，缩短研发周期优化成形方法和工艺优化成形方法和工艺实现全过程的精确设计与控制实现全过程的精确设计与控制典型技术典型技术各层次的数值模拟各层次的数值模拟各种工艺过程仿真各种工艺过程仿真注意问题注意问题数值模拟的陷阱数值模拟的陷阱Lesson OneLesson One* *6464智能制备与加工技术智能制备与加工技术定义定义 材料组织性能设计、零部件设计、制备与材料组织性能设计、零部件设计、制备与成形加工过程的实时在线监测和反馈控制融为成形加工过程的实时在线监测和反馈控制融为一体的制备加工技术一体的制备加工技术目的目的实现全过程的精确设计与控制实现全过程的精确设计与控制保证产品质量的均匀性与一致性保证产品质量的均匀性与一致性提高制备与加工的稳定性与可靠性提高制备与加工的稳定性与可靠性减少原材料、能源的消耗与废弃物的排放减少原材料、能源的消耗与废弃物的排放Lesson OneLesson One* *6565n n谢谢！谢谢！
