2011《金属塑性加工原理》试题

重庆大学试题答卷

科目《金属塑性加工理论》

学院材料科学与工程学院

姓名

学号

2010年－2011年第1学期

注意事项：

（1）本学期结束前，将纸质答卷（加封面，注明姓名、学号）交给任课教师。（2）请勿相互抄袭，否则后果自负。

一、简述金属塑性加工的特点及其应用情况。（20分）

二、什么叫初始与后继屈服？写出常用的各向同性和各向异性材料的初始屈服准则的表达式，并说明其物理意义。（20分）

三、设材料是理想刚塑性体。证明在平面应变下（设dεz = 0 ），有：

dσ1 - dσ2 =0

其中，σ1和σ2为（x,y）平面内的主应力。（20分）

四、简述金属塑性成形问题主要求解方法的基本内容及其应用范围。（20分）

五、简述板料应变强化指数n和厚向异性指数r的意义及其对板料成形性能的影响。

一、答：

1）与金属切削加工、铸造、焊接等加工方法相比，金属塑性加工主要有以下特点：

①产品组织性能好，性能得到改善和提高：

金属材料经过相应的塑性加工后，其内部组织发生显著变化使材料结构致密、组织改善、性能提高。特别是对于铸造组织的改善，效果更为显著。此外，经过塑性成形后，金属的流线分布合理，从而改善制件的性能。

②材料利用率高：

金属塑性成型主要是靠金属在塑性状态下的体积转移来实现的，不产生切削，因而材料利用率高，可以节约大量的金属材料。

③生产效率高，适于大量生产：

对于零件毛坯或零件成品，当采用塑性成形工艺来生产时，一般都以模具为主要的工装，加上普遍采用机械化、自动化流水作业实现大批量乃至大规模生产，可以达到很高的生产率。这一点在金属的轧制，拉丝和挤压等工艺中尤为明显。

④尺寸精度高：

表面粗糙度较低，形状和尺寸规格的一致性好：如果采用精密模锻、冷挤压和精密冲裁等精密成形工艺，所得工件的一致性好，其尺寸精度、表面粗糙度完全可达到切削加工中的磨削加工的水平。

2）应用情况：由于金属塑性加工具有上述特点，因而在汽车、拖拉机与农业机械、机床、航空航天、兵器、舰船、工程机械、起重机械、动力机械、是有化工机械、冶金机械、仪器仪表、轻工、家用电器和信息产业等制造业中起着极为重要的作用。

按分类具体地说，在轧制、拉拔和挤压的成形过程中，变形区是不变的，

适于连续的大量生产，提供型材、板材、管材和线材等金属原材料；而锻造

和冲压成型的变形区随变形过程而变化，适于间歇生产，用于提供机器零件

或坯料；用轧制方法可生产板材、带材、型材、管材及周围断面型材，变断

面轴及钢球等；锻造中的自由锻单件、小批量生产、大锻件生产或冶金厂的

开坯；用挤压法可生产各种断面的型材、管材以及机器零件；拉拔也可以获

得各种断面的型材、线材和管材；冲压可以生产各种薄壁空心零件，如各种

空间曲面零件及覆盖件；拉形可用来生产飞机蒙皮等大型曲面零件；弯曲是

在坯料的弯矩的作用下成形，如板料在模具中的弯曲变形，板带材的折弯成型，钢材的矫直等；坯料在剪切作用下进行剪切变形，如板料在模具中的冲孔、落料、切边、板材和钢材的剪切等；并且随着生产技术的发展，上述基

本加工变形方式互相渗透，产生新的组合加工变形方式，可以开发出高效率

的新的塑性成形工艺方法。

二、答：

1.初始与后继屈服的概念：

初始屈服：材料在退火状态时，在外力的作用下，质点由弹性变形状态进入

塑性变形状态，产生的屈服即称为初始屈服，简称屈服。具体地说，也即是

质点处于单向应力状态时，只要单向应力达到材料的屈服点，则质点就会由

弹性变形状态进入塑性变形状态开始产生塑性变形的屈服。

后继屈服：设质点在某一微小变形过程元中处于塑性变形状态（例如初始屈服），如果该质点在后续的一个变形过程元中继续发生塑性变形，则称为后续屈服。通俗地说，材料产生初始屈服后，即进入塑性状态后卸载，应力下降为零，一部分应变恢复，然后再重新加载，材料重新产生应变并发生的屈服就是后继屈

服。

2.常用的初始屈服准则：屈服准则是用来描述材料受力后其内部某一点产生塑性变形所满足的力学条件。

2.1常用的各向同性材料的初始屈服准则的表达式为：

如果材料是初始各向同性的，屈服准则与坐标轴的选取无关，在应力状态中，与坐标轴选取无关的是主应力和应力张量的三个不变量，因此屈服准则可表示为：

（C 是与材料性质有关的常数，可通过实验测得）

此时，材料由弹性状态进入塑性状态的判据直接由单向拉伸或单向压缩实验确定，即当作用在变形体上的应力等于材料的屈服应力时，材料就进入塑性状态。在该表达式中，没有考虑时间效应及温度的变化，也没有考虑材料的加工硬化效应。

1）米塞斯屈服准则:

()()()()222

222262x y y z z x xy yz zx s σσσσσστττσ++++++++= 用主应力表示为：2222122331s ()()()2σσσσσσσ-+-+-=

物理意义：材料处于塑性状态时，其等效应力是一不变的定值，该定值只取决于材料在塑性变形时的性质，而与应力状态无关。

2）屈雷斯加屈服准则：C =-=|2|m in

m ax m ax σστ

物理意义：材料处于塑性状态时，其最大的剪应力是一不变的定值。该定值只取决于材料在变形条件下的性质，而与应力状态无关。

2.2常用的各向异性材料的初始屈服准则的表达式为：

若把各向异性主轴作为x ，y ，z ，在平面应力情况下，Hill ’48屈服准则可以写为： 222211()()2202()3

x y x y xy f G H F H H N F G H σσσσσσ⎡⎤=+++-+-=⎣⎦++ （其中，F 、G 、H 、N 是和材料屈服性能有关的各向异性常数，σx 、σy 为正应力，σxy 为剪应力） Barlat ’91屈服准则：

1223312m

m m m S S S S S S σΦ=-+-+-= （其中σ为等效应力，m 与晶体结构有关，当板料金属为体心立方（BCC ）时，m=6：当板料金属为面心立方（FCC ）时，m=8。） 物理意义：Barlat ’91屈服准则和基于结晶学计算的屈服面一致，其常常能展示单轴和双轴拉伸应力状态附近的最小曲率半径。

三．答

由于材料是理想的刚塑性体，则弹性应变增量为零，塑性应变增量就是总的应变增量。塑性变形时体积不变，即1230x y z d d d d d d εεεεεε++=++= 又由于在平面应变下（设d εz = 0 ），则120x y d d d d εεεε+=+=

由于

()()()121212x x y z y y x z z z x y d d d d d d εεσσσσεεσσσσεεσσσσ⎫⎡⎤=-+⎪⎢⎥⎣⎦⎪⎪⎡⎤=-+⎬⎢⎥⎣⎦⎪⎪⎡⎤=-+⎪⎢⎥⎣⎦⎭ → 可得

()()()112322133312121212d d d d d d εεσσσσεεσσσσεεσσσσ⎫⎡⎤=-+⎪⎢⎥⎣⎦⎪⎪⎡⎤=-+⎬⎢⎥⎣⎦⎪⎪⎡⎤=-+⎪⎢⎥⎣⎦⎭

得 ()2132

1

σσσ+=

又因为在z 平面上没有切应力分量，z 方向必是应力主方向，z σ为主应力，且