金属塑性成型原理

塑性变形：当作用在物体上的外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形。

塑性：外力作用下使金属材料发生塑性形变而不破坏其完整性的能力。

塑性成形：金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成形并获得一定力学性能的加工方法。

软取向：μ=0.5或接近0.5

硬取向：μ=0或或接近0

金属塑性成形的特点：1组织性能好，金属材料在塑性成形过程中，其内部发生显著的变化2材料利用率高金属塑性成形主要是靠金属在塑性状态下的体积转移来实现的，不产生切屑，因此只有少量的工艺废料，并且流线分布合理3尺寸精度高不少成型方法已达到少或无切削的要求。4生产效率高，适于大批量生产随着塑性加工工具和设备的改进及机械化，自动化程度的提高，生产率也相应得到提高。

金属塑性成形分为板料成形和块料成形。

块料成形是在塑性成形过程中靠体积转移和分配来实现的。1一次加工：轧制，挤压，拉拔2二次加工：自由锻，模锻。

板料成形一般称为冲压，是对厚度较小的板料，利用专门的模具，使金属板料通过一定模孔而产生塑性变形。这类塑性加工方法可分为分离工序和成形工序两类。

金属塑性成形原理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。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，也为合理制订塑性成形工艺规范及选择设备、设计模具奠定理论基础。

金属塑性成形工艺应要求：1使金属具有良好的塑性2使变形抗力小3保证塑性成形件质量4能了解变形力。为达到以上要求需从塑性变形的力学基础、物理基础、塑性成形问题的工程解法、塑性成形件的质量分析等发面进行论述。

晶内变形的主要方式和单晶体一样为滑移和孪生。

滑移是指晶体在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变。

晶体的滑移过程实际上就是位错的移动和增殖过程。加工硬化的原因是位错增殖。

滑移系多的金属要比滑移系少的金属变形协调性好、塑性高，如面心立方金属比密排六方金属的塑性好。

临界切应力的大小取决于金属的类型、纯度、晶体结构的完整性、变形温度、应变速率和预先变形程度等因素。

孪生是晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和一定的晶向发生均匀切变。

晶向变形的主要方式是晶粒之间相互滑动和转动。特别的，在冷态变形条件下，由于晶界强度较高，晶间变形的较小。

多晶体塑性变形的特点：1各晶粒变形的不同时性2各晶粒变形的相互协调性3晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性。

晶粒的大小与应力场的关系：晶粒越细，金属屈服强度越大，金属塑性越好。

冷塑性变形对金属组织和性能的影响：一、组织的变化1晶粒形状的变化2晶粒内产生亚结构3晶粒位向改变。二、性能的变化强度、硬度增加越多，而塑性指标降低越甚，也即加工硬化越严重。纤维组织：（冷变形）轧制变形时，原来等轴的晶粒延伸长变形方向伸长，若变形程度很大则晶粒呈现为一片如纤维状的条纹。

变形织构：由于塑性变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织。

冷、热、温变形的区别是再结晶温度不同。

冷变形后，对金属加热和保温会发生顺次的三个过程：回复，再结晶，晶粒长大。热塑性变形时的软化过程按性质可分为以下几种：动态回复、动态

再结晶、静态回复、静态再结晶、亚动态再结晶等。

动态再结晶：在热塑性变形过程中发生的再结晶。

热塑性变形对金属组织和性能的影响：1改善晶粒组织2锻合内部

缺陷3破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布4形成纤维

组织5改善偏析。

超塑性变形状态：处于特定的条件下，如一定的化学成分、特定的

显微组织及转变能力、特定的变形温度和应变速率等，则金属会表

现出异乎寻常的高塑性状态。

超塑性：金属和合金具有超长的均匀变形能力，其伸长率达到百分

之几百，甚至百分之几千。（分为细晶超塑性和相变超塑性）

塑性指标：为了衡量金属材料塑性的好坏，需要有一种数量上的指

标。用伸长率和断面收缩率表示。

影响塑性的因素：金属的化学成分和组织，变形温度，应变速率，

变形力学条件。

冷脆：磷是钢中的有害物质，在铁中有相当大的溶解度，使钢的强

度、硬度提高，而塑性、韧性降低，在冷变形时影响更为严重。

热脆：（与O、S有关）钢未加热到变形温度，硫化物及其共晶体熔

化，形成裂纹的现象。

氢脆：氢溶入钢中使钢的塑性、韧性下降。白点：氢原子聚集产生

局部高压，在钢中组织应力或温度应力共同作用下产生的微裂纹。

变形温度对金属塑性的影响：随着温度上升，塑性增加，但非简单

的线性上升；在加热过程的某些温度区间，往往由于相态或晶粒边

界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。

热效应：塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分转化为热能。温

度效应：塑性变形中的产生的热量使变形体温度升高的现象。

加工硬化：随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性

韧性降低的现象。

热塑性变形：在再结晶温度以上进行的塑性变形，又称热塑性加工

从工艺性能的角度看，提高应变速度会以下有利作用：1降低摩擦

系数，从而降低金属的流动阻力，改善金属的充填性及变形的不均

匀性2减少热成形时的热量损失，从而减少毛坯温度下降和温度分

布的不均匀性3出现所谓“惯性流动效应”从而改善金属的充填性

塑性图：为了具体掌握不同变形条件下，金属的塑性随温度变化的

情形，需要试验方法绘制其塑性--温度曲线，简称塑性图。

温度效应与下列因素有关：1变形温度2应变速率3变形程度。

温度升高使金属塑性增加的原因：1发生回复或再结晶2原子动能

增加3金属的组织、结构发生变化4扩散蠕变机理起作用5晶间滑

移作用增强。

1、怎样解释静水压力越大金属的塑形越高？①拉伸应力会促

进晶间变形、加速晶界的破坏；而压缩应力能阻止或减少晶

间变形，随着静水压力的增大，晶间变形越加困难，因而提

高了金属的塑形。②三向压缩应力有利于愈合塑形变形过程

中产生的各种损伤；而拉应力则相反，它促使损伤的发展。

③当变形体内原先存在着少量对塑形不利的杂质、液态相或

组织缺陷时，三向压缩作用能抑制这些缺陷，全部或部分地

消除其危害；反之，在拉应力作用下，将在这些地方产生应

力集中，促使金属的破坏。4增大静水压力能抵消由于不均

匀变形引起的附加拉应力，从而减轻了附加拉应力所造成的

拉裂作用。

2、主应力图：受力物体内一点的应力状态，可用作用在应力单

元体上的主应力来描述，只用主应力的个数及符号来描述一

点应力状态的简图称为主应力图。

3、等效应力的特点：①等效应力是一个不变量。②等效应力在数

值上等于单向均匀拉伸（或压缩）时的拉伸（或压缩）应力ϭ，

ϭ=ϭ；③等效应力并不代表着某一平面上的应力，因而不能在

某一特定的平面上表示出来；4等效应力可以理解为代表一点

应力状态中应力偏张量的综合作用。

主应变简图：用主应变的个数和符号来表示应变状态的简图称

为主应变状态图，简称主应变简图或主应变图。

4、特征应变：三个主应变中绝对值最大的主应变，反映了该工序

变形的特征，称为特征应变。

5、三种变形类型：压缩类变形、剪切类变形、伸长类变形。

6、全量变形：反应单元体在某一变形过程中的某个阶段结束时

的应变，称为全量变量。

7、应力状态：当旋转体承受的外力对称于旋转轴分布时，则旋

转体内质点所处的应力状态称为轴对称应力状态。

8、屈雷斯加屈服准则适用于脆性材料，米赛斯屈服准则适用于

韧性材料。

9、塑形成型时应力应变关系的特点：①应力与应变之间的关系

是非线性的，因此，全量应变主轴与应力主轴不一定重合。

②塑性变形时可以认为体积不变，即应变球张量为零，泊松

比v=0.5③对于应变硬化材料，卸载后再重新加载时的屈服

应力就是卸载时的屈服应力，比初始屈服应力要高。④塑形

变形是不可逆的，与应变历史有关，即应力应变关系不再保

持单值关系。

10、金属塑形成型中摩擦的特点：①伴随有变形金属的塑形流动

②接触面上压强高③实际接触面积大④不断有新的接触面

产生⑤常在高温下产生摩擦

11、摩擦对塑形成型的危害主要表现在：①改变变形体内应力状

态，增大变形抗力②引起不均匀变形，产生附加应力和残余

应力③降低模具寿命

12、折叠的特征：①折叠与其周围金属流线方向一致②折叠尾端

一般呈小圆角或枝杈形③折叠两侧有较重的脱碳、氧化现

象。

13、界限法包括：1上限法2下限法

14、主应力法：实质是将应力平衡微分方程和屈服方程联立求

解。

15、塑性区的应力边界条件：1.不受力的自由表面2.无摩擦的接

触表面3.摩擦切应力达到最大值K的接触表面。4.摩擦切应

力为某一中间值的接触表面。

16、常见的滑移线场有以下几种类型：1.直线滑移线场。2简单

滑移线场.3.直线滑移线场与简单滑移线场的组合。4.由两族

相互正交的光滑曲线所构成的滑移线场

17、最大散逸功原理又称第二塑形变分原理。最大散逸功原理可

表述为：对钢塑性体一定的应变增量场而言，在所有满足屈

服准则的应力场中，与该应变增量场符合应力应变关系的应

力场所做的塑性功增量为最大。

亨盖方程

σm-2kω= ξ（β）沿α线

σm+2kω= η（α）沿β线

当沿α族（或β族）中的同一条滑移线移动时，ξ（或η）为常

数，只有当一条滑移线移动到同族的另一条滑移线是ξ（或η）

值才有改变

静可容应力场σij*：用下限法计算极限载荷时，只假设塑变区内的

应力状态。

动可容速度场ui*（或位移场ui*）：用上限法计算极限载荷时，只

假设塑变区的位移状态

下限法：应力场所求得的极限载荷点是小于（最多等于）真实载荷。

上限法：速度场所求得的极限载荷总是大于（最小等于）真实载荷。