塑性变形的力学原理
塑性变形名词解释
塑性变形名词解释塑性变形是指物质在受外力作用下发生不可逆的形变现象，其过程中原子或分子之间的排列和结构发生变化。
与弹性变形不同，塑性变形一旦发生，物质会永久性地保留其新的形状，无法恢复到原来的状态。
塑性变形广泛应用于材料科学、工程设计和制造等领域。
塑性变形的机制主要包括滑移、位错、扩散和相变等。
滑移是指晶格中的层状或面状结构在外力作用下沿着特定的晶面滑动，使晶体形成一种新的排列方式。
位错是晶格中原子位置的不连续和错位，是塑性变形的主要因素。
位错可以通过滑移、扩散或界面运动等方式发生移动，从而导致物质发生形变。
扩散是指物质中原子、离子或分子在固态中的移动，可以促使位错发生移动并引起塑性变形。
相变是一种物质由一个物态转变为另一个物态的过程，通过控制相变条件，可以实现塑性变形。
塑性变形对于材料的物理性质和力学性能具有重要影响。
塑性变形可以提高材料的延展性和塑性，降低其脆性和硬度，使其更适合于各种加工工艺。
塑性变形还可以改善材料的强度、硬度和韧性等机械性能，使之更适合于工程设计和制造。
此外，塑性变形还可以提高材料的导电性、导热性和耐腐蚀性等物理性质，扩大其应用领域。
塑性变形可以通过多种方式实现，包括热变形、冷变形、压力变形和拉力变形等。
热变形是在高温下进行的塑性变形，利用高温使材料的形变性能得以改善。
冷变形是在室温下进行的塑性变形，适用于各种类型的材料加工。
压力变形是通过在材料表面施加压力，使材料在局部区域内发生塑性变形。
拉力变形是通过对材料施加拉力，使其在延伸方向上发生塑性变形。
总之，塑性变形是物质在外力作用下发生不可逆形变的过程，其机制包括滑移、位错、扩散和相变等。
塑性变形对于材料的物理性质和力学性能具有重要影响，可以改善材料的延展性、韧性和均匀性，使之适应不同的工程需求。
塑性变形可以通过热变形、冷变形、压力变形和拉力变形等方式实现，广泛应用于材料科学、工程设计和制造等领域。
工程力学中的塑性变形如何分析？
工程力学中的塑性变形如何分析？在工程力学的领域中，塑性变形是一个至关重要的概念。
它不仅影响着材料的性能和结构的稳定性，还在各种工程应用中起着关键作用。
那么，我们究竟该如何对塑性变形进行分析呢？要理解塑性变形的分析方法，首先得明白什么是塑性变形。
简单来说，塑性变形指的是材料在受到外力作用时，产生的永久性、不可恢复的变形。
与弹性变形不同，弹性变形在去除外力后材料能恢复原状，而塑性变形一旦发生，即使外力消失，材料也无法回到初始的形态。
对于塑性变形的分析，我们通常从材料的本构关系入手。
本构关系描述了材料在受力状态下应力与应变之间的关系。
在塑性变形的情况下，这种关系变得较为复杂，因为材料的行为不再是简单的线性关系。
屈服准则是分析塑性变形的重要工具之一。
常见的屈服准则有Tresca屈服准则和von Mises屈服准则。
Tresca屈服准则认为，当材料中的最大剪应力达到一定值时，材料开始发生塑性变形。
而von Mises屈服准则则基于八面体剪应力的概念，当八面体剪应力达到某一临界值时，材料进入塑性状态。
在实际分析中，我们还需要考虑加载路径和加载历史。
加载路径指的是外力施加的方式和顺序，而加载历史则包括了之前所经历的加载过程。
这些因素都会对材料的塑性变形产生影响。
例如，在复杂的加载条件下，材料可能会表现出不同的塑性行为。
实验研究也是分析塑性变形不可或缺的手段。
通过拉伸实验、压缩实验等，可以直接获取材料在塑性变形阶段的应力应变数据。
这些实验数据不仅可以验证理论分析的结果，还能为建立更准确的本构模型提供依据。
在数值模拟方面，有限元方法被广泛应用于塑性变形的分析。
通过将结构离散成有限个单元，并结合材料的本构关系和边界条件，可以预测结构在受力情况下的塑性变形分布和发展趋势。
这对于复杂结构的设计和优化具有重要意义。
另外，多晶体材料中的塑性变形分析也是一个难点。
由于多晶体材料由众多晶粒组成，每个晶粒的取向和性能都有所不同，这使得塑性变形的分析更加复杂。
塑性形变的例子
塑性形变的例子塑性形变是物质受力强度超过其弹性极限，由于内部机械损伤，形状发生改变而不会恢复原状的现象。
在我们的生活中，有许多关于塑性形变的实例，下面我们为您介绍一些有趣的例子：一、金属塑性变形金属塑性变形也被称为金属现象，是由于金属的强度过大而导致的长期受力而发生的塑性变形。
其中最常见的例子是在铸锻过程中，将热轧钢中的纤维状态，通过精细定向切割，折叠形成所需形状的铸件，如汽车发动机内的曲轴。
二、混凝土和岩石塑性变形混凝土和岩石在力学特性上与金属有很大不同，在应力超过其弹性点后，会发生塑性变形，有一种称为拉伸平台的变形，这是由于地表施加正压力，使岩体分层或其他原因而引起的，通常可以在地表上看到微小的地形变化。
三、建设塑性变形建设塑性变形指的是在设施建设过程中，发生的塑性变形。
如果建筑物受到重型移动装置的影响，则会在结构上产生变形。
比如桥梁受到流量过大的冲刷力，会导致桥墩的变形，使桥面下陷。
四、天然材料塑性变形许多天然材料，如木头、石头等，也会发生塑性变形。
木材在热处理和机械加工后，会发生一定的变形，这是因为木材被加热后，它的纤维和组织会因为热胀冷缩的原因而发生变形。
而石头则是由于不均匀温差而发生的塑性变形，我们在考古遗址及太阳能电池板、暖气管等地看到的蛛网状的变形，都是由此造成的。
总结以上是我们介绍的几个有趣的例子，有助于我们理解塑性形变的概念。
除了上述例子，在生活中还有很多塑性形变的例子，比如人类因为不断努力而随着时间推移发生变形，或者我们在使用产品时发生的应力而产生的形变等等。
无论是金属、混凝土、岩石还是天然材料，所有物质都会受外部力的影响，从而发生力学变形，有助于我们更好地理解世界。
力学性质中的弹性常数和塑性变形
力学性质中的弹性常数和塑性变形我们身边的许多材料都具有一定的弹性和塑性特性。
弹性是指材料受力后发生形变，但在去除外力后能够恢复原状的能力；而塑性则是指材料在受力后形变不仅不会恢复原状，而且还会继续变形的能力。
在研究弹性和塑性时，通常会引入弹性常数和塑性变形等概念。
弹性常数是用来描述材料在弹性变形时的性质参数，其中最常见的是弹性模量。
弹性模量是指单位应力下，单位应变的比值，它反映了材料在弹性区内的变形能力。
对于某些材料，弹性模量和杨氏模量往往是同一个概念，它们的物理意义是一样的。
杨氏模量是指在轴向拉伸情况下，单位应变下，单位截面积内受力的比值，它常用于描述长度方向的应力和应变之间的关系。
弹性模量与材料的物理特性密切相关，它受材料组成、结构和固态相互作用等条件影响。
比如，对于金属而言，弹性模量随着材料与空气中杂质和氧化物含量的增加而减小；随着温度升高和晶格缺陷增多而增加。
由此可见，对于同一材料，其弹性模量在不同的条件下会有不同的数值。
塑性变形是指在材料受到大应力或大应变时会发生形变的过程。
钢材和铝材等常用的材料在应力或应变较大时通常具有塑性，即它们不再服从胡克定律，而表现为虽然应力增大，但应变并不随之增加的特性。
材料在塑性变形时通常会发生不可逆过程，这是与弹性变形最大的区别。
材料塑性变形的程度可以用塑性变形度来表示，塑性变形度越大，则材料越容易发生塑性变形。
材料的塑性变形度不仅取决于其组成和结构，还与材料受力方式、温度、应力速率等因素有关。
当钢材在低温下受到快速冲击时，其塑性变形程度远大于裸露在室温下的钢材。
具有相同结构和组成的铝合金，在不同的应力速率下其塑性变形度也会有所不同。
弹性和塑性是材料科学中最基本的概念之一，而弹性常数和塑性变形度则是衡量材料弹性和塑性特性的基本参数。
了解这些概念，对于理解材料的物理特性和性能，有着非常重要的作用。
金属的塑性变形
在某些特定条件下，金属晶体的一部分相对于另一部分沿一定轴进 行镜像对称的移动，形成孪晶。
扩散机制
金属在高温下，原子扩散能力增强，通过原子间的相互移动实现塑 性变形。
应力-应变关系与曲线分析
应力-应变关系
描述金属在塑性变形过程中所受应力 与产生的应变之间的关系。应力是单 位面积上的内力，应变是物体形状或 体积的改变程度。
热处理工艺改进
退火处理
通过退火处理可以消除金属材料内部的残余应力，改善其组织结 构和力学性能，从而提高其塑性变形能力。
正火处理
正火处理可以使金属材料获得细化的晶粒和均匀的组织，提高其 强度和塑性。
回火处理
回火处理可以消除淬火应力，稳定金属材料的组织和性能，进一 步提高其塑性变形能力。
微观组织调控手段
热处理工艺对塑性影响
01
退火处理
退火处理可以消除金属内部的残余应力，改善组织结构，提高其塑性。
例如，冷加工后的金属经过退火处理，可以恢复其塑性和韧性。
02
正火处理
正火处理可以使金属获得细化的晶粒和均匀的组织，从而提高其塑性和
韧性。正火处理常用于改善中碳钢的切削性能和力学性能。
03
淬火处理
淬火处理可以使金属获得马氏体组织，提高其硬度和强度，但会降低其
金属的塑性变形
目 录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属塑性变形过程中的组织结构演变 • 影响金属塑性变形能力因素探讨 • 金属塑性变形实验方法及技术应用 • 提高金属材料塑性变形能力策略探讨 • 总结：金属塑性变形研究意义与未来发展趋势
塑性变形基本概念与
01
原理
塑性变形定义及特点
塑性变形定义
利用电子显微镜的高分辨率和 高放大倍数，观察金属的微观 组织和结构缺陷，如位错、层 错、孪晶等。这些信息有助于 深入了解金属的塑性变形机制 和强化机制。
材料力学中的塑性变形机制分析
材料力学中的塑性变形机制分析塑性变形是材料力学中一个重要的研究领域，它关注的是当材料受到应力时，如何在不断变形的过程中保持形状和结构的稳定性。
塑性变形机制是指材料在受力下产生塑性变形的基本过程和方式。
本文将从晶体塑性、材料硬化机制和高温塑性变形机制三个方面进行分析。
一、晶体塑性晶体塑性是指当晶体受到外部应力作用时，晶体发生形变，不会出现弹性恢复的现象。
晶体内存在许多晶格缺陷，如位错、空位、脱位等，这些晶格缺陷能有效地解释塑性变形的机制。
位错是晶体中最主要的塑性缺陷，它是由晶面错配引起的晶胞偏移。
当晶体受到外部应力作用时，位错会发生移动，导致晶体发生塑性变形。
二、材料硬化机制材料硬化是指材料在塑性变形过程中逐渐增加其应力与应变之间的比值，即材料的抗塑性变形能力增强。
材料硬化机制可以分为两个方面来理解：一方面是晶体硬化机制，另一方面是材料界面硬化机制。
晶体硬化机制主要是指晶体中位错的增多和运动困难，这导致了材料的硬化。
位错的增多是由于外力作用下新位错的产生和旧位错的增殖所致，而位错的运动困难则受到晶格缺陷的阻碍。
另外，晶胞的固溶体和强化相也会影响晶体的硬化程度。
材料界面的硬化机制主要是指材料中的晶界、相界等界面对材料塑性变形的抵抗。
晶界是晶体间的界面，相界是不同组成相之间的界面。
界面的存在导致了晶体中位错的吸引和束缚，从而增加了材料的硬度。
三、高温塑性变形机制高温塑性变形机制是指材料在高温下的塑性变形过程。
在高温下，材料的原子和晶胞具有较大的运动能力，晶格缺陷易于移动。
高温下的材料塑性变形机制主要包括位错滑移和晶胞的选择性分解。
位错滑移是指位错沿着某个晶体方向移动，从而使晶格产生位错滑移的塑性变形方式。
晶胞的选择性分解是指晶体在高温下，部分晶胞沿着特定晶面发生形变，而其他晶胞保持不变。
这种选择性分解使得材料发生特殊的形变，产生高温下的塑性变形。
总结起来，材料力学中的塑性变形机制分析可从晶体塑性、材料硬化机制和高温塑性变形机制三个方面展开。
金属塑性成型原理第一篇塑性变形力学基础
3 I1 2 I2 I3 0
－－求主应力的特征方程
（1.10）
I1、I2、I3称作应力
应力张量三个不变量：
张量的第一、二、三 不变量。
I1 x y z
I2
(
x
y
y
z
z
x)
2 xy
2 yz
2 zx
器 I3
x
y z
ijlil j ijli
n
S
2 n
2 n
截面应力分解
3
塑性成形时，变形体一般是多向受力，
显然不能只用一点某一切面上的应力来
求得该点其他方向切面的应力，也就是
说，仅仅用某一方向切面上的应力还不 能足以全面地表示出一点的受力状况。
一般情况下变形体外力一定→内力一定
器
辑 →变形体内任一点的应力状态就一定
辑 导和理解！！
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13
主切应力、主切应力平面、最大主切应 力的讨论，请看书中P14~16页。
DF编辑器 §1.2.3 八面体应力与等效应力 P 八面体应力
在主应力空间中，每一卦限中均有一组与三个坐标轴成 等倾角的平面，八个卦限共有八组，构成正八面体面。八面
迅捷体表面上的应力为八面体应力。
混凝土的塑性变形及其原理
混凝土的塑性变形及其原理一、前言混凝土是一种广泛使用的建筑材料，其力学性质的研究和理解对于工程设计和结构的安全性至关重要。
在混凝土的使用过程中，其塑性变形是一种非常重要的现象，本文将对混凝土的塑性变形及其原理进行详细的探讨。
二、混凝土的塑性变形概述混凝土的塑性变形是指混凝土在受到外部载荷的作用下，可以发生的一种比较持久的变形。
这种变形不随载荷的变化而立即消失，而是在载荷作用消失后仍然存在。
混凝土的塑性变形通常包括两种类型：瞬时塑性变形和延性塑性变形。
1.瞬时塑性变形瞬时塑性变形是指混凝土在受到载荷作用后，会出现一种瞬时的变形，该变形主要是由于混凝土内部的微观结构发生变化所引起的。
这种变形一般不会引起混凝土的破坏，但会对混凝土的力学性能产生影响。
瞬时塑性变形的主要表现形式包括混凝土的收缩变形、膨胀变形和弹性变形等。
2.延性塑性变形延性塑性变形是指混凝土在受到外部载荷的作用下，会出现一种比较持久的变形。
这种变形一般会引起混凝土的破坏，但在混凝土受到适当的控制时，可以发挥出其优异的性能。
延性塑性变形的主要表现形式包括混凝土的塑性流变变形、裂缝扩展和拉伸变形等。
三、混凝土的塑性变形机理混凝土的塑性变形机理是由混凝土内部的微观结构发生变化所引起的。
在混凝土内部，水泥胶体和骨料之间的界面存在一定的摩擦力，当混凝土受到外部载荷的作用时，这种摩擦力会随着混凝土内部的应力分布而发生变化，从而导致混凝土的塑性变形。
混凝土的塑性变形主要包括以下几个方面：1.水泥胶体的变形水泥胶体在混凝土内部起着连接骨料的作用，当混凝土受到外部载荷的作用时，水泥胶体会发生变形，从而导致混凝土的塑性变形。
水泥胶体的变形主要包括拉伸和压缩两种形式，在混凝土中，水泥胶体的拉伸变形通常是由于混凝土受到拉伸载荷作用，而水泥胶体的压缩变形则是由于混凝土受到压缩载荷作用。
2.骨料的变形骨料是混凝土中的主要组成部分，其变形对混凝土的塑性变形也有一定的影响。
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塑性变形的力学原理
element of mechanics of plasticity
从认定塑性变形体为均质连续体出发，依据宏观的实验结果，研究变形体内的应力、应变以及它们和变形温度、速度等条件之间的关系（见金属塑性变形）。
应力-应变曲线在材料试验中，常用圆棒受拉,短柱受压,薄壁管受扭转,以测定负载和变形的关系；然后分别算出单位面积上的负载（称为应力,常用ζ表示）和单位长度的变形（称为应变,常用ε表示）。
材料的ζ和ε间的对应关系称为应力-应变曲线（ζ-ε曲线）。
最常用的试验是试样受拉时，由原始长
度l0增加到l,常称比值为工程应变或应变,而称自然对数值l
n (l/l
)为对数应
变或真应变。
若在外力P的作用下,受拉试样由原始截面积A
减小到每一瞬间的
值A，则称比值P/A
为习惯应力，P/A为真应力。
常见的延性金属的应力-应变曲线，按有无明显的屈服点，分为两类（见金属力学性能的表征）。
对于小变形量,用工程应力-应变曲线即可；而对于大变形量,需用真应力-应变曲线。
在一次受拉试验中,我们可以得到材料的特征性的ζ-ε曲线，此外,还可以得到材料的屈服应力(ζs)、断裂应力(ζb)、截面收缩率(ψ%)、延伸率即伸长率(δ％)和弹性模量(E)等特性指标。
常用ζs作为材料塑性变形时的抗力,ψ％和δ％为其承受塑性变形的能力（塑性指标）。
但对塑性加工而言，由于变形量大、变形条件复杂，所以上述指标值不能直接应用，而只能表示某个可以单独测定的条件（如温度、变形速率等）对变形抗力和塑性指标的影响。
因此我们常用ζ0来表示材料在简单应力状态条件下的变形抗力，用ζ表示在某个复杂条件下的变形抗力;在高变形速率的实验
中，由于ζ
s 和ζ
b
难于分别测定,所以有时也用ζb的变化来代表变形抗力的变
化。
塑性加工总是在复杂的应力状态条件下实现的。
早在1911年卡门(T.von Karman)就用实验证明在高流体静压力下，通常认为是“脆性的”花岗岩可以有相当大的塑性变形。
但是从一个简单的试验结果出发来定量地描述各种加工条件下的塑性指标，是很困难的；因而必须用接近于加工条件的方式进行实测，测得的数值称为塑性加工性指标（见金属塑性加工）。
我们用塑性变形条件来计算应力状态条件对于变形抗力的影响。
复杂应力下的塑性变形有两个论题：如何用最简化的数学语言叙述复杂应力状态？在这样的背景下如何叙述进入塑性变形状态的条件？
应力状态条件取均质连续体内一点（或不考虑力分布的单元体）作受力分析的对象，则可证明存在着一组唯一的三维直角坐标系，不论外部的作用力如何分布，在此系内沿坐标面在单元体上的切应力为零。
此坐标系称为主坐标系，垂直于坐标面的正应力称为主应力，常用ζ1、ζ2、ζ3表示。
这样,任何复杂的
受力情况总可用图1所示的情况之一来表示。
塑性变形条件设主应力ζ1>ζ2>ζ3,而且材料在简单拉或压之下发生塑性
变形的应力为ζ0，按特雷斯卡(H.Tresca)发生塑性变形的条件为(ζ
1－ζ
3
)/2
＝ζ
0/2；而按米泽斯(R.von Mises)则为(ζ
1
－ζ
2
)2＋(ζ
2
－ζ
3
)2＋
(ζ
3-ζ
1
)2=2ζ娿。
这些条件提供了分析实际塑性变形时的变形方式、工具形状
和摩擦等外部影响变形抗力的理论基础。
同时可认为变形材料的化学成分、组织、变形的温度和速率主要是通过影响ζ0而影响变形抗力的。
洛德(W.Lode)于1926年，泰勒(G.I.Taylor)和奎尼(H.Quinney)于1931年,莱塞尔斯(J.M.Lessells)和麦格雷戈(C.W.MacGregor)于1940年以及戴维斯(E.A.Davis)于1945年分别用不同的方法通过实验对上述两种条件进行了验证，证明米泽斯条件更符合实际；同时，二者相差不超过15.5％。
由于特雷斯卡条件在数学上比较简单，所以也常被使用。
简单应力下的塑性变形影响变形抗力的因素主要有应变硬化、应变速率和变形温度等。
应变硬化随着塑性变形量的增加，继续变形所需应力增加,这种现象叫做应变硬化或加工硬化,是塑性变形时的重要现象之一。
常用变形过程中的每一瞬间的真应力(ζ)和同一时刻的真应变(ε)的函数关系ζ=f(ε),表示应变硬化,有时称ζ=f(ε)为塑性曲线。
塑性曲线的形状与材料种类、变形温度有关。
在很多情况下，塑性曲线可以用幂函数ζ=Kε
n
近似地表出（图2）。
式中K为强度
因数，单位为kgf/mm2,n为应变硬化指数。
若n=0则材料为理想塑性体(即没有应变硬化)，n=1则材料为完全弹性体;一般材料0<n<1。
下表给出退火状态下的一些材料，在室温和低变形速率下的K 值和n值。
应变速率(媍) 单位时间内的应变增量，即夊=dε/dt，单位为s-1。
夊的通常范围是：静载蠕变为10-8～10-5s-1；材料试验中的静载试验为10-5～10-1</sup s-1，一般动载试验为10-1～102s-1,高速动载试验为102～104s-1。
一般塑性加工时的夊约为10-1～102s-1。
一般情况下,夊的增加使变形抗力上升，塑性指标下降；
当变形温度升高时，变形抗力升高得更快,如图3所示（由于实验方法的原因，取最大负荷时的真应力为变形抗力）。
变形温度温度变化而不引起材料组织变化时，变形温度升高则变形抗力(ζ)下降，塑性指标（δ％）增加。
但这种变化在不同温度范围内的影响程度不同。
一般规律是温度越高,则变形温度和速率的变化的影响越大。
在热加工范围内,夊升高一倍，可使ζ增加10％～20％（图4）。
参考书目
A.Nadai,Theory of flow and fracture of Solids,McGraw-Hill, New York,1950.
G.Dieter,Mechanical Metallurgy,2nd ed.,McGraw-Hill,New York,1976.
取自"/wiki/%E5%A1%91%E6%80%A7%E5%8F%98%E5%BD%A2%E7%9A%8 4%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E5%8E%9F%E7%90%86"。