第一章 塑性变形的力学基础

第一章塑性变形的力学基础

1、塑性加工时所受的外力

金属在发生塑性变形时，作用在变形物体上的外力有两种：作用力和约束反力。第二讲塑性变形的力学基础返回首页

2、作用力

通常把压力加工设备可动工具部分对变形金属所作用的力叫作用力或主动力。用实际例子加以说明：

（1）锻压时锤头对工件的压力（图1-1a中之P）；

（2）挤压加工时活塞对金属推挤的压力（图1-1b中之P）；

（3）拉拔加工时，工件所承受的拉力（图1-1c中之P）。

图1-1 基本压力加工过程的受力图和应力状态图

（a）镦粗；（b）挤压；（c）拉拔；（d）轧制

3、约束反力

工件在主动力的作用下，其运动将受到工具阻碍而产生变形。金属变形时，其质点的流动又会受到工件与工具接触面上摩擦力的制约，因此工件在主动力的作用下，其整体运动和质点流动受到工具的约束时就产生约束反力。这样，在工件和工具的接触表面上的约束反力就有正压力和摩擦力。

（1）正压力

沿工具和工件接触表面法线方向阻碍工件整体移动或金属流动的力，它的方向和接触面垂直，并指向工件，如图1-1中之N。

（2）摩擦力

沿工具和工件接触面切线方向阻碍金属流动的力，它的方向和接触面平行，并与金属质点流动方向和流动趋势相反。如图1-1中之T。

4、轧制压力

轧件对轧辊总的正压力和摩擦力的合力值等于轧辊对轧件的总压力，我们把轧件对轧辊总压力的垂直分力叫轧制压力，也就是轧机压下螺丝承受的力。

5、内力的概念和内力产生的原因

（1）内力的概念：当物体在外力作用下，并且物体的运动受到阻碍时，为了平衡外力而在物体内部产生的力叫内力

（2）内力产生的原因：

为了平衡外部的机械作用所产生的内力。在生产加工（轧制）过程中，由于不均匀变形、不均匀加热或冷却（物理过程）及金属内的相变（物理-化学过程）等，都可以促使金属内部产生内力。

6、应力、应力集中

(1)应力的概念：内力的强度称为应力，或者说是内力的大小以应力来度量，即以单位面积上所作用的内力大小表示之。应力的单位一般用N/m2（Pa）或N/mm2（MPa）表示之。

(2)应力集中的概念：

当金属内部存在应力，其表面又有尖角、缺口、结疤、折迭、划伤、裂纹等缺陷存在时，应力将在这些缺陷处集中分布，使这些缺陷部位的实际应力比正常的应力高出数倍。这种现象叫做应力集中。

金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物等对应力的反应与物体的表面缺陷相同，在应力作用下，也会发生应力集中。

(3)应力集中的危害：

应力集中在很大程度上降低了金属的塑性，金属的破坏往往从应力集中的地方开始。

7、弹性变形和塑性变形的概念

(1)弹性变形的概念：

去掉所加的力后，变形也就消失，物体恢复到原来的形状和尺寸。

(2)塑性变形的概念：

去掉所加的力后，在宏观上产生了不能复原的永久变形，这就是塑性变形。

8、应力状态

（1）应力状态的定义

所谓物体处于应力状态，就是物体内的原子被迫偏离其平衡位置的状态。

（2）研究金属的应力状态的意义

了解各种压力加工中金属内部的应力状态特点，对于确定物体开始产生塑性变形所需的外力，以及采用什么样的工具与加工制度，使力能的消耗最小等方面都具有重要的实际意义。

（3）用应力图示来表示应力状态

在变形物体内某点附近取一无限小的单元六面体（可视为一点），为了确定一点的应力状态，只要在主坐标系（加工时的长、宽、高方向）的条件下，研究主应力的大小和方向就足够了。

9、应力图示的概念

就是用来表示所研究的点（或所研究物体的某部分）在各主轴方向上，有无主应力存在及其主应力方向如何的定性图。

10、主应力图示可能的9种形式

线应力状态2种，平面应力状态3种，体应力状态4种，如图1-7所示。

大量的实践表明，在金属塑性变形过程中，拉应力最易导致金属的破坏，压应力则有利于减小或抑制破坏的发生与发展。

图1-7 可能的应力状态图示

a—线应力状态；b—面应力状态；c—体应力状态

11、不同加工方式时金属内部的应力图示

（1）型材、棒材、薄板等拉伸矫直和棒材拉伸试验时在试样未开始缩颈时离夹头稍远一点的部分的应力状态均为单向拉应力状态，即X2（+00）图示。（2）接触表面上无摩擦时镦粗的应力状态

在受压的表面没有摩擦，或者摩擦很小可以忽略不计时金属内部的应力图示为单向压应力状态，即X1（00－）图示。

（3）镦粗、挤压、轧制时的应力状态

均属三向压应力状态T1（－－－）。挤压时三向压应力状态最强烈。

（4）拉拔和张力轧制时的应力状态

均属两压一拉应力状态T2（+－－）。我们可以说T2（+－－）应力状态的三向压应力状态较弱。

12、平均应力（球应力）的概念和优点

（1）平均应力的概念：在同号应力图T1中，把三个主应力相等，即σ1=σ2=σ3（相当于三向均匀压缩）的压缩应力，称为平均应力。当三向压缩应力不等时，其平均应力可以用三个主应力的平均值来表示，即：

为压应力的绝对值越大，说明三向压应力状态就越强，反之就说明三向压应力状态就越弱。

（2）平均应力的优点：压应力的绝对值越大，即三向压应力状态越强，一次加工所能获得的变形程度也就越大。

13、一些因素对主应力状态（应力图示）的影响

（1）外摩擦的影响

镦粗时，工件与工具接触表面在光滑无摩擦的条件下，其应力为单向压应力状态（图1-9（a ）），金属将均匀变形（实际上这种情况是不存在的）。有摩擦时，金属内部应力状态为三向压应力状态。摩擦力的作用可由圆柱体镦粗后变为“单鼓形”而得到证明（图1-9（b ））。

（a ） （b ）

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σσσσ++=m