塑性加工力学概述
塑性力学的基本概念和应用
塑性力学的基本概念和应用塑性力学是力学学科中的一个重要领域，研究物体在超过其弹性限度之后发生的塑性变形和力学行为。
它在工程领域中有着广泛的应用，可以用于设计和分析各种结构和材料。
本文将介绍塑性力学的基本概念和应用。
一、塑性力学的基本概念塑性力学研究材料在受力过程中的变形行为，重点关注材料的塑性变形和它们与应力应变关系之间的联系。
以下是塑性力学中的几个基本概念：1. 弹性和塑性：在外力作用下，材料会产生变形。
当外力移除后，材料能够完全恢复到其初始形状，这种变形称为弹性变形。
而当外力作用超过了材料的弹性限度时，材料会发生不可逆的塑性变形，导致永久性的形变。
2. 屈服点和屈服应力：材料在受力过程中，当应力达到一定数值时会开始产生塑性变形，此时的应力称为屈服应力。
屈服点是应力-应变曲线上的一个特定点，表示材料开始发生塑性变形的阈值。
3. 工程应力应变和真实应力应变：工程应力指材料在不考虑变形前尺寸的情况下受到的力与单位面积的比值，工程应变指材料在变形前尺寸和力的情况下的应变与原始尺寸比值。
真实应力和真实应变则考虑了材料在受力过程中的变形，分别是力和应变与变形的比值。
二、塑性力学的应用塑性力学在工程领域中有着广泛的应用，以下是其中几个典型的应用。
1. 金属成形加工：塑性力学在金属成形加工中扮演着重要的角色。
通过了解材料的塑性特性和应力应变关系，可以优化金属成形加工的工艺参数，提高材料的形变能力，减小残余应力，提高产品质量。
2. 板结构设计：在板结构的设计中，塑性力学可以用于评估结构的稳定性和承载能力。
通过分析材料的屈服点和塑性变形情况，可以确定合适的结构尺寸和加强措施，以满足结构的强度和刚度要求。
3. 地震工程：塑性力学在地震工程中的应用也很重要。
通过研究材料的塑性行为，可以评估结构在地震荷载下的响应和潜在破坏模式。
这有助于设计出抗震性能良好的建筑和结构，并提供灾害防护措施。
4. 仿真和模拟：在产品设计和工艺优化中，塑性力学可以被应用于数值模拟和仿真。
课件塑性加工原理塑性与变形总课件参考.ppt
1．镦粗时组合件的变形特点 2．基本应力的分布特点 3．第一类附加应力的分布特点
*
上课课件
3. 4. 2 平辊轧制时金属的应力及变形特点
1．基本应力特点 2．变形区内金属质点流动特点 3．平辊轧制时，第一类附加应力的分布特点
*
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3. 4. 3 棒材挤压时的应力及变形特点
1．棒材挤压时的基本应力状态 2 ．棒材挤压时的金属流动规律 3 ．棒材挤压时的附加应力
变形程度ε
应力σ
σsb
σsn
图3-25 拉伸时真应力与变形程度的关系 1)无缺口试样拉伸时的真应力的曲线 2）有缺口样拉伸的真应力曲线
*
上课课件
3. 3. 4 残余应力
1．残余应力的来源 2．变形条件对残余应力的影响 3．残余应力所引起的后果 4．减小或消除残余应力的措施 5．研究残余应力的主要方法
*
上课课件
2．最大摩擦条件 当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状 态时，单位摩擦力（ ）等于变形金属流动 时的临界切应力k，即： = k 3．摩擦力不变条件 认为接触面间的摩擦力，不随正压力大小而变。其单位摩擦力是常数，即常摩擦力定律，其表达式为： =m·k 式中，m为摩擦因子
第3章 金属塑性加工的宏观规律
§3. 1 塑性流动规律（最小阻力定律） §3. 2 影响金属塑性流动和变形的因素 §3. 3 不均匀变形、附加应力和残余应力 §3. 4 金属塑性加工诸方法的应力与变形特点 §3. 5 塑性加工过程的断裂与可加工性
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上课课件
§3.1 塑性流动规律（最小阻力定律）
上课课件
3. 2. 2 变形区的几何因素的影响
变形区的几何因子（如H/D、H/L、H/B等）是影响变形和应力分布很重要的因素。
第十六章 第三篇 塑性成形力学
第三篇塑性成形力学塑性成形又称为塑性加工，是材料成形的基本方法之一，它是利用材料的塑性(即产生一定的永久变形又不破坏其完整性的能力)而获得所需形状与尺寸的工件的一种加工方法。
由于塑性加工一般是在外力作用下完成的，所以又称之为压力加工.通常所见的轧制、拉拔、锻造、挤压、冲压等成形方法都属于塑性加工的范畴。
一、塑性加工的特点一般说来，在现代制造业中,塑性加工的主体是金属的塑性加工.同材料成形的其他加工方法相比，金属塑性加工的主要优点有：(1) 金属材料经过相应的塑性变形后，其结构致密，组织改善，性能提高。
因此，凡是对强度和冲击韧度要求较高的零件大都采用塑性加工的方法来制造，例如连杆，曲轴等用于传动的零件主要是通过塑性加工生产出来。
(2) 金属塑性加工主要通过材料的塑性变形来实现体积的转移与重新分配，而不是部分切除金属的多余体积,因而工件的材料利用率较高，流线分布合理，从而也进一步提高了工件的强度。
(3) 用塑性加工生产的工件可以达到较高的精度，可以实现少、无切削的要求。
例如，精密冲裁和冷挤压生产的齿轮可不经切削加工而直接使用，精锻叶片的复杂曲面可达到只需切削的精度。
(4) 塑性加工具有很高的生产率，且容易实现机械化和自动化。
例如，在12000*10kN 的机械压力机上锻造汽车用的6拐曲轴仅需40s；在曲柄压力机上压制一个汽车履盖件仅需几秒时间。
(5) 几乎所有薄壁零件，尤其是大，中型板壳零件，例如汽车履盖件，只能采用塑性加工的方法来制造。
综上所述，由于塑性加工的工艺特点，使其在现代制造业中得到了广泛的应用。
特别是在汽车、航空、家电和日用品等工业部门中，塑性加工更是主要的加工方法，但是，塑性加工也有不足的地方。
这主要表现在：(1) 同材料成形的其他加工方法相比，塑性加工的投资大，尤其是大，中型履盖件的成形模具制造过程的经费多和时间长，常常是制约新产品迅速投产的一个瓶颈。
(2) 对环境会产生一定程度的污染，但同材料成形的其他方法相比，它所造成的环境污染又是较少的。
选修-塑性加工原理(昆工版)
螺位错 将规则排列的晶面想像成一叠间距固定的纸片，若将 这叠纸片剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中 一侧上移半层，另一侧下移半层，形成一个类似于楼梯拐 角处的排列结构，则此时在“剪开线”终结处（这里已形 成一条垂直纸面的位错线）附近的原子面将发生畸变，这 种原子不规则排列结构称为一个螺位错。
屈服强度 屈服强度又称为屈服极限 ，常用符号ζs，是材料屈服的临界应力 值。当材料中的应力超过屈服点时，塑性被激活（也就是说，有 塑性应变发生）。 （1）对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈 服值）； （2）对于屈服现象不明显的材料，与应力-应变的直线关系的极 限偏差达到规定值（通常为0.2%的原始标距）时的应力。通常用 作固体材料力学机械性质的评价指标，是材料的实际使用极限。
影响屈服强度的外在因素有：温度、应变速率、应力状态。
1. 随着温度的降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高，尤其是体 心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化； 2. 应力状态不同，屈服强度值也不同。我们
塑性图
塑性图是指材料的塑性指标随温度变化的曲线，也与应力状态 有关，在制定材料塑性加工工艺时具有参考价值。
面心立方晶体孪生
刃位错
若一个晶面在晶体内部突然终止于某一条线处， 则称这种不规则排列为一个刃位错。刃位错附近的原 子面会发生朝位错线方向的扭曲。 刃位错可由两个量唯一地确定：第一个是位错线，即 多余半原子面终结的那一条直线；第二个是伯格斯矢 量（Burgers vector，简称伯氏矢量或柏氏矢量），它 描述了位错导致的原子面扭曲的大小和方向。对刃位 错而言，其伯氏矢量方向垂直于位错线的方向。
给定化学成分的金属与合金，其塑 性的好坏总是取决于以下三个主要 因素：
工程力学中的弹性力学和塑性力学研究
工程力学中的弹性力学和塑性力学研究工程力学是指研究物体在外力作用下的力学行为及其相互联系的一门学科。
其中，弹性力学和塑性力学是工程力学领域中两个重要的研究分支。
本文将对弹性力学和塑性力学进行详细的介绍和比较。
一、弹性力学弹性力学是研究物体在受到外力作用后能够恢复原来形状和大小的力学行为。
弹性力学的基本假设是物体受力后所产生的应变与外力呈线性关系，即满足胡克定律。
根据弹性力学的研究结果，可以得到应变与外力的关系，从而预测物体在受力下的变形和应力分布。
弹性力学常用的模型包括钢材的线弹性模型和混凝土的双弹性模型。
线弹性模型假设材料具有线性弹性行为，即应力和应变成正比。
双弹性模型则考虑了材料在加载和卸载过程中的不同力学性质，有利于对混凝土等复杂材料的力学行为进行准确描述。
弹性力学研究的主要内容包括力的平衡条件、物体的变形与应力、弯曲、挠度、自由振动等。
在工程实践中，弹性力学的理论可以应用于建筑结构的设计、机械零部件的选择和优化以及工程材料的改进等方面。
二、塑性力学塑性力学是研究物体在外力作用下会发生永久形变的力学行为。
与弹性力学相比，塑性力学关注的是物体的超弹性行为，即超出了弹性临界点后的力学行为。
塑性力学不仅涉及到材料的变形和应力分布，还包括材料在加载后产生的塑性应变和应力的分析。
塑性力学的研究对象通常是那些在外力作用下会发生塑性形变的金属材料，如钢材、铝合金等。
在塑性力学中，常用的本构模型有线性硬化模型和可塑性理论。
线性硬化模型假设材料的塑性变形与外力呈线性关系，可塑性理论则试图通过复杂的本构方程来描述材料的力学行为，在实际工程中得到了广泛应用。
塑性力学的研究内容包括塑性变形的机理、材料的本构关系、应变硬化、材料的屈服、断裂和破坏等。
在工程实践中，塑性力学的理论可以应用于金属结构的设计、铸造和焊接工艺的优化以及塑性加工工艺的控制等方面。
三、弹性力学与塑性力学的比较弹性力学和塑性力学作为工程力学的分支，各自具有不同的特点和应用范围。
《弹塑性力学》第十一章塑性力学基础
描述了塑性变形过程中应变和位移之 间的关系，是塑性力学的基本方程之 一。
塑性变形的增量理论
流动法则
描述了塑性变形过程中应力和应变增量之间的关系，是增量理论的核心。
屈服准则
描述了材料在受力达到屈服点时的行为，是增量理论的重要概念。
塑性变形的全量理论
全量应力和全量应变
描述了塑性变形过程中应力和应变的 状态，是全量理论的基本概念。
100%
材料性能
塑性力学为材料性能的描述提供 了理论基础，有助于深入了解材 料的变形和破坏行为。
80%
科学基础
塑性力学是连续介质力学的一个 重要分支，为研究物质宏观性质 的变化规律提供了科学基础。
塑性力学的发展历程
初创期
塑性力学作为独立学科始于20 世纪初，初期主要研究简单的 应力状态和理想塑性材料。
有限元法的优点在于其灵活性和通用性，可以处 理复杂的几何形状和边界条件，适用于各种类型 的塑性变形问题。
然而，有限元法在处理大规模问题时可能会遇到 计算效率和精度方面的问题，需要进一步优化算 法和网格划分技术。
边界元法在塑性力学中的应用
01
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04
边界元法是一种仅在边界上离 散化的数值方法，通过将问题 转化为边界积分方程来求解。
发展期
随着实验技术的进步，塑性力 学在20世纪中叶得到了快速发 展，开始涉及更复杂的材料和 应力状态。
深化期
进入20世纪末至今，塑性力学 与计算机技术、先进材料等交 叉融合，研究领域不断扩大和 深化。
塑性力学的基本假设
02
01
03
连续性
材料内部是连续的，没有空洞或缝隙。
塑性变形不可逆
塑性变形发生后，不会消失或还原。
塑性力学总结
塑性力学大报告1、绪论塑性力学的简介尽管弹塑性理论的研究己有一百多年，但随着电子计算机和各种数值方法的快速发展，对弹塑性本构关系模型的不断深入认识，使得解决复杂应力条件、加载历史和边界条件下的塑性力学问题成为可能。
现在复杂应力条件下塑性本构关系的研究，已成为当务之急。
弹塑性本构模型大都是在整理和分析试验资料的基础上，综合运用弹性、塑性理论建立起来的。
建立弹塑性材料的本构方程时，应尽量反映塑性材料的主要特性。
由于弹塑性变形的现象十分复杂，因此在研究弹塑性本构关系时必须作一些假设。
塑性力学是研究物体发生塑性变形时应力和应变分布规律的学科. 是固体力学的一个重要分支。
塑性力学是理论性很强、应用范围很广的一门学科，它既是基础学科又是技术学科。
塑性力学的产生和发展与工程实践的需求是密不可分的，工程中存在的实际问题，如构件上开有小孔，在小孔周边的附近区域会产生“应力集中”现象，导致局部产生塑性变形；又如杆件、薄壳结构的塑性失稳问题，金属的压力加工问题等，均是因为产生塑性变形而超出了弹性力学的范畴，需要用塑性力学理论来解决的问题，另一方面，塑性力学能为更有效的利用材料的强度并节省材料、金属压力加工工艺设计等提供理论依据。
正是这些广泛的工程实际需要，促进了塑性力学的发展。
塑性力学的发展1913年，Mises提出了屈服准则，同时还提出了类似于Levy的方程；1924年，Hencky采用Mises屈服准则提出另一种理论，用于解决塑性微小变形问题很方便；1926年，Load证实了Levy-Mises应力应变关系在一级近似下是准确的；1930年，Reuss依据Prandtl的观点，考虑弹性应变分量后，将Prandtl所得二维方程式推广到三维方程式；1937年，Nadai研究了材料的加工硬化，建立了大变形的情况下的应力应变关系；1943年，伊柳辛的“微小弹塑性变形理论”问世，由于计算方便，故很受欢迎；1949年，Batdorf和Budiansky从晶体滑移的物理概念出发提出了滑移理论。
塑性力学基础知识ppt课件
• 根据不同应力路径所进行的实验，可 以定出从弹性阶段进入塑性阶段的各 个界限。这个分界面即称为屈服面， 而描述这个屈服面的数学表达式称为 屈服函数或称为屈服条件。
12
本标准适 用于已 投入商 业运行 的火力 发电厂 纯凝式 汽轮发 电机组 和供热 汽轮发 电机组 的技术 经济指 标的统 计和评 价。燃 机机组 、余热 锅炉以 及联合 循环机 组可参 照本标 准执行 ，并增 补指标 。
19
简单弹塑性力学问题 本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。
• 梁的弯曲 • 圆柱体的扭转 • 旋转圆盘 • 受内压或外压作用的厚壁筒和
厚壁球体
20
本标准适 用于已 投入商 业运行 的火力 发电厂 纯凝式 汽轮发 电机组 和供热 汽轮发 电机组 的技术 经济指 标的统 计和评 价。燃 机机组 、余热 锅炉以 及联合 循环机 组可参 照本标 准执行 ，并增 补指标 。
塑性力学的任务
• 当作用在物体上的外力取消后，物 体的变形不完全恢复，而产生一部 分永久变形时，我们称这种变形为 塑性变形，研究这种变形和作用力 之间的关系，以及在塑性变形后物 体内部应力分布规律的学科称为塑 性力学。
2
本标准适 用于已 投入商 业运行 的火力 发电厂 纯凝式 汽轮发 电机组 和供热 汽轮发 电机组 的技术 经济指 标的统 计和评 价。燃 机机组 、余热 锅炉以 及联合 循环机 组可参 照本标 准执行 ，并增 补指标 。
屈服条件的概念，
• 屈服条件又称塑性条件，它是判断 材料处于弹性阶段还是处于塑性阶 段的准则。.
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组织控制:
◆在进行轧制时，由于摩擦力的存在，在 轧制时侧面会出现鼓形，将产生拉伸应力。
（2）直接软化线材
陶瓷粉末冷等静压成形过程
粉末 颗粒
芯棒
粉末颗粒
加压
粉末成份：Al2O3、SiC、C 以及粘结剂、添加剂
模 具：橡胶 芯 棒：刚性体 粉体初始相对密度：0.50 加载制度：0 ﹥150MPa
第三道模拟尺寸 图 7.23 模拟计算所得的轧件尺寸
实际轧制过程、模拟轧制过程主要工艺参数
道
实际轧制 (mm)
次 腰厚 腰部压下量 腿长 腿部伸长量 腰厚
No.1 107
33
16.8
16.8
108
No 2 76.3
30.7
26.5
9.7
74.5
No 3 47.2
29.1
39.7
13.2
52
模拟轧制 (mm)
（永久变形）
弹性变形 塑性变形
材料所具有的 塑性变形的能力
利用材料的塑性 使其成形的方法
材料的塑性 材料塑性加工
在冶金行业中：大部分的 塑性加工方法都是在压缩
应力下进行的
金属压力加工
0.2 常见的塑性加工方法
◆轧制技术（冶金行业） ◆挤压技术（冶金、机械行业） ◆拉拔技术（冶金、机械行业） ◆锻造技术（机械行业：体积成形） ◆冲压技术（机械行业：板料成形）
应力平衡微分方程：3个
几何方程：
6个
应力应变关系： 6个
未知数：
应力分量σij：6个 应变分量εij：6个 位移分量ui： 3个
弹塑性变形问题：16个方程
应力平衡微分方程：3个
几何方程：
6个
应力应变关系： 6个
屈服准则：
1个
未知数：
应力分量σij： 应变分量εij： 位移分量ui： 比例系数λ：
6个 6个 3个 1个
塑性加工力学概述
0、序论 0.1塑性加工
F≠0
F≠0材料Fra bibliotek塑性变形？ 弹性变形？
为了判断受力物体产生弹性变形，还 是产生塑性变形，需要看卸载后变形 体的恢复行为。
σ
εe： 弹性变形
εp＝0:变形完全恢复
弹性变形
εp： 塑性变形
εe εp ε
（永久变形）
F=0
F=0
变形体
变形完全恢复
变形没有完全恢复 有残余变形
线性加载
橡胶模具
问题：
1) 理论解析困难； 2) 工艺及模具设计周期长； 3) 存在低密度区域缺陷； 4) 成材率低，成本高。
改进措施 —橡胶模具变化
优化设计模拟结果
实际生产过程、BenchMark模拟及改进模型之间的切削率比较
实际生产过程 BenchMark模型
改进模型
总体切削率%
15
9.86
图 2.14 超塑性气压胀形产品壁厚的不均匀性
纺纱槽筒
飞机舱门
发动机部件
火箭部件
图 2.16 采用超塑性气压成形方法制成的典型零件
(a)单层板 SPF/DB 工艺
(b)单层板 SPF/DB 工艺 (c)单层板 SPF/DB 工艺 图 2.17 SPF/成形方式
◆塑性加工的特点
（1）改善组织、提高性能 （2）金属流线分布合理 （3）提高材料利用率
锻造和冲压统称为锻压技术
（1）轧制技术
后滑区（变形区）
γ
轧辊 前滑区（变形区）
金属坯料
α 轧件
图 1.2 轧制成形示意图
（2）挤压技术
挤压筒 变形区 死金属区 挤压件
p
坯料
图 1.3 挤压成形示意图
（3）拉拔技术
坯料 变形区 拉拔模 拉拔产品
图 1.4 拉拔成形示意图
（4）锻造技术
死金属区 上模
刚塑性变形问题：17个方程
应力平衡微分方程：3个
几何方程：
6个
应力应变关系： 6个
屈服准则：
1个
体积不变条件： 1个
未知数：
应力分量σij：6个；应变分量εij：6个 位移分量ui： 3个；比例系数λ： 1个 平均应力σm：1个
传热学理论基本成熟。 组织演变数学模型：国外试验结果
（1）可以根据加热温度对氧化物颗粒 大小进行约束。可以根据加热温度来 确定rave。 措施： 力学分析＋组织控制
（1）贝氏体单相组织； （2）铁素体＋贝氏体混合组织； （3）铁素体＋珠光体＋贝氏体混合组织； （4）铁素体＋珠光体混合组织； （5）马氏体组织。
◆在轧辊正下方，作用在角部上的应力几乎 没有拉伸应力。
压缩应力 拉伸应力
◆在进行热轧时，一般是从窄边开始进行
压下的，长边上的表面裂纹是在窄边压下 过程中产生的。
（3）提高材料利用率
0.3本课程的目的及意义
塑性加工原理
塑性加工力学
塑性加工金属学
◆轧制技术 ◆挤压技术 ◆拉拔技术
◆锻造技术 ◆冲压技术 ◆新型塑性加工方法
探讨塑性加工力学、塑性加工金属学等方面的共同规律： ▲完善塑性加工理论体系；▲优化塑性加工工艺； ▲开发新型塑性加工方法。
弹性变形问题：15个方程
腰部压下量 腿长 腿部伸长量
32
15.5
15.5
33.5
27.4
11.9
22.5
37.5
10.1
主要工艺参数设计值
道
实际轧制 (mm)
次
腰厚 腰部压下量 腿长 腿部伸长量
No.1 105
35
10
10
No 2 73
32
35
25
No 3 50
23
44
9
优化后第二道模拟尺寸
优化后第二道实际轧制尺寸
优化后第三道模拟尺寸
图 7.37 模拟计算优化工艺所得到的 轧件尺寸
优化后第三道实际轧制尺寸
图 7.38 优化工艺在实际轧制中的 轧件取样尺寸
模锻件
（a）自由锻
下模
（b）模锻 图 1.5 锻造成形示意图
（a）用于汽车上的部分精锻产品 （b）用于电器上的精锻产品
（5）冲压技术
施压介质： 钢制、气体、液体等
板料
压边力
拉深
变形区
胀形
气压
气压
抽真空
(a)凸模成形方法
图 2.13 气压成形方法
抽真空 (b)凹模成形方法
(a)凸模成形制品
(b)凹模成形制品
（1）改善组织、提高性能
钢结硬质合金
(a) 未经锻造的合金退火态 (b) 经锻造 的合金退火态 图1 锻造前后的合金显微组织比较
新型超高强度钢G50 热变形与组
织性能的关系
变形前
变形后
（2）金属流线分布合理
纤维组织被切断（服役时易开裂） 纤维组织连续（提高柱塞套疲劳强度） 图 2 柱塞套纤维组织类型
关于轧制时产生裂纹的原因，主要是由晶 粒尺寸、晶界强度、压下量、轧制速度等 因素的影响所致。
轧制条件 ◆压下量 ◆轧制速度 ◆轧辊形状
轧制方向
晶界强度 ◆晶界析出物 ◆晶粒取向
晶粒尺寸 ◆加热前组织 ◆化学成分
图 5 轧制时表面裂纹产生的各影响的因素
在进入加热炉之前，连铸坯表层组织有四 种，即：
5.89
底部切削率%
20
17.65
4.14
槽钢切分过程有限元模拟
h=160±2.0 b=63±2.5 d=6.5±0.6 t=10±0.6 c=28.25 r1=10 r2=5.0
(单位：mm)
原料选用140×140方坯
第二道实际尺寸
第二道模拟尺寸
第三道实际尺寸 图 7.22 实际轧制中的轧件取样尺寸