金属塑性变形与轧制原理ppt2011.3

1.3应力平衡微分方程 应力平衡微分方程 在外力作用下处于平衡状态的变形物体内，各点的应力分量是不同的，但 是必须满足应力平衡方程式。下面讨论平衡微分方程用直角坐标系表示。 如果忽略体积力，则变形体内任意个体素必须满足以下六个静力平衡方程式： Σx=0,Σy=0 ,Σz=0 ΣMx=0, ΣMy=0 , ΣMz=0 经整理则得以下方程组
S y = τ xy l + σ y m + τ zy n S z = τ xz l + τ yz m + σ z n
2 2 2 S 2 = S X + SY + S Z
作用在斜面上的合力
全应力S向斜面ABC法线N上投影，就是该面上的正应力σ，也等于全应力S的 各分量SX、SY、SZ分别向N方向的投影之和： σ = S l +S m+S n
2.轧制 轧制：金属坯料通过旋转的轧辊缝隙进行塑性变形。 分类： 纵轧：金属在相互平行且旋转方向相反的轧辊缝隙间进行塑性变形，而金 属的行进方向与轧辊轴线垂直。 斜轧：金属在同向旋转且中心线相互成一定角度的轧辊缝隙间进行塑性变 形。 横轧：金属在同向旋转且中心线相互平行的轧辊缝隙间进行塑性变形。
3.挤压 挤压：将金属放入挤压机的挤压筒内，以一端施加压力迫使金属从模孔中挤 出，而得到所需形状的制品的加工方法。 挤压分为正挤压和反挤压。正挤压时，挤压杆的运动方向和从模孔中挤出的 金属方向一致；反挤压时挤压杆的运动方向和从模孔中挤出的金属方向相反。 挤压法具有以下优点: ①具有比轧制、锻造更强的三向压缩应力，避免了拉应力的出现，金属可以 发挥其最大的塑性，使脆性材料的塑性提高； ②挤压不仅能生产简单的管材和型材,更主要的还能生产形状极其复杂的管材 和型材； ③生产上具有较大的灵活性， 非常适用于小批量多品种的生产； ④产品尺寸精确,表面质量较高，精确度、粗糙度的表面特性都好于热轧和锻 造产品。 挤压法也有一些缺点: ①挤压方法所采用的设备较为复杂，生产率比轧制方法低； ②挤压的废料损失一般较大； ③工具的损耗较大； ④制品的组织和性能沿长度和断面上不够均匀一致。
0.2 金属塑性成形方法的分类 0.2.1按温度特征分类 按温度特征分类 1.热加工： 在充分再结晶温度以上的温度范围内所完成的加工过 程，T=0.75∽0.95T熔 。 2.冷加工： 在不产生回复和再结晶温度以下进行的加工T=0.25T熔 以下。 3.温加工 ：介于冷热加工之间的温度进行的加工. 0.2.2按受力和变形方式分类 按受力和变形方式分类 由压力的作用使金属产生变形的方式有锻造、轧制和挤压 1.锻造：用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使金属进行塑性变 形的过程。 分类： 自由锻造：即无模锻造，指金属在锻造过程的流动不受工具限制 （摩擦力除外）的一种加工方法。 模锻：锻造过程中的金属流动受模具内腔轮廓或模具内壁的严格 控制的一种工艺方法。
结论：①物体变形后其三个真实相对主变形之代数和等于零； ②当三个主变形同时存在时，则其中之一在数值上等于另外两个 主变形之和，且符号相反。−δ = δ + δ
1 2 3
③当一个主变形为0时，其余两个主变形数值相等符号相反，即 −δ1 =+δ3 l µ = 延伸系数 L H η = 压下系数 h b 宽展系数 ω = 变形图示： 在小立方体素的面上用箭头表示三个主变形是否存在和方向，但不表 示变形大小的图示。变形图示有以下三种： 1.一向缩短两向伸长，如轧制和自由锻压。 2.一向伸长一向缩短，如轧制宽板带钢。 3.两向缩短一向伸长，如挤压和拉拔。 平均应力
1.4斜面上的应力 1.4斜面上的应力 σ ,σ ,σ ,τ =τ ,τ =τ ,τ =τ 现假定，已知物体内任意一点的六个应力分量 x y z xy yx yz zy xz zx 可以证明，过此点所作的任意斜切面上的应力，皆可通过这六个应力分量求 出。也就是说，当已知一点上述六个应力分量时，该点的应力状态即可完全确 定 S x = σ x l + τ yx m + τ zx n
ε1 =
δ 1 = In l L δ 2 = In b B δ 3 = In h H
QV1 = V2
三个主变形间的关系：
H ⋅ B ⋅ L = h ⋅b ⋅l h ⋅b ⋅l =1 H ⋅B⋅L
两边取对数：
h b l + In + In = 0 H B L δ1 + δ 2 + δ 3 = 0 In
1.6 主变形和主变形图示 （1）主变形；主应力方向的变形 绝对主变形： 压下量 宽展量 延伸量 相对主变形： 相对压下量 相对宽展量 相对延伸量 真实相对主变形：
∆h = H − h ∆b = b − B ∆l = l − L
l−L × 100% L b−B ε2 = × 100% B H −h ε3 = × 100% H
4．拉拔 金属通过固定的具有一定形状的模孔中拉拔出来，从而使金属断面缩小 长度增加的一种加工方法。 拉拔法具有以下特点: ①拉拔方法可以生产长度较大、直径极小的产品,并且可以保证沿整个长 度上横断面完全一致； ②拉拔制品形状和尺寸精确,表面质量好； ③拉拔制品的机械强度高； ④拉拔方法的缺点是每道加工率较小,拉拔道次较多，能量消耗较大。 5．冲压 （拉延） 压力机的冲头把板料顶入凹模中进行拉延，加工方法如图，用来生产薄 壁空心制品，如子弹壳，各种仪表器件、器皿及锅碗盆勺等。
5．冲压 （拉延） 压力机的冲头把板料顶入凹模中进行拉延， 加工方法如图，用来生产薄壁空心制品，如子 弹壳，各种仪表器件、器皿及锅碗盆勺等。
0.3金属塑性变形与轧制原理的基本内容 金属塑性变形与轧制原理的基本内容 1．掌握塑性变形时金属流动和变形分布的基本规律，分析影响金属塑性和 变形抗力的各种因素，以寻求最优和加工条件，获得尺寸精度高、性能优良的产 品。 2．研究金属塑性成形过程中的摩擦与润滑，以便正确选用塑性成形时的摩 擦定律来计算变形力和变形功，采用合理的润滑剂改善塑性加工条件，达到高产 低消耗的目的。 3．在研究加工变形中变形物体内部应力及变形分布的基础上，介绍了材料 成形过程中应力应变的分布规律和确定变形力、变形功的主要方法（工程计算法、 滑移线法、上限法、下限法、有限无法等）主要讨论了工程计算法求解锻造、轧 制过程的变形力、变形功及轧制力矩等，以便正确选择压力加工设备和加工工具 的结构和强度。 4．详细讲述了轧制过程的基本概念、金属在轧制过程中的变形律、连轧过 程、轧制时的弹塑性曲线等基础理论。
σm = σ1 + σ 2 + σ 3
3
B
1.7变形速度 1.7变形速度 变形速度：变形程度对时间的变化率，或者说是应变对时间的变化率。
ε =
•
dε dt
s
−1
一般用最大主变形方向的变形速度来表示各种变形过程的变形速度。 如轧制和锻压时用高向变形速度表示 • v ε = y 锻压
2vy ε= H +h − H v y ln • h ε= H −h
1.2直角坐标系中一点的应力状态 直角坐标系中一点的应力状态
应力状态：过一点所有不同方位的截面上的应力集合称为该点的应力状态。 取六面体中三个相互垂直的表面作为微分面，如果这三个微分面上的应力为已知， 则该单元体任意方向上的应力分量都可以定出。这就是说，可以用质点在三个相互 垂直的微分面上的应力完整地描述该质点的应力状态。 三个相互垂直微分面上的应力都可以按坐标轴的方向分成三个分量。三个应力 分量中有一个是正应力分量另外两个则是剪应力分量 ABCD面叫x面，CDEF面叫y面，CFGB面叫z面。 每个应力分量的符号都带有两个下角标。第一个角标表示该应力分量的作用面， 第二个角标则表示它的作用方向
1 应力及变形理论
本章主要研究以下几个问题: 1.应力,应变概念; 2.物体内各点应力分量和应变分量函数之间的关系; 3.物体内的一点沿各个不同方向应力之间和应变之间的关系,即一点的应力状态 和一点的应变状态的分析; 4.塑性变形时,应力与应变之间的关系,标志进入塑性流动的应力条件即屈服条件 或塑性方程等. 1.1外力和应力 外力和应力 外力:受力物体之外的物体施加给受力物体的力。外力可分为两类：接触力和体 力。 接触力分为作用力和约束反力。 体力；作用在物体每个质点上的力，如重力磁力及惯性力。 作用力：塑性加设备的可动工具部分对工件所作用的力也叫主动力。 约束反力：工件在主动力的作用下，其运动将受到工具所阻碍而产生变形的力。 主要有正压力和摩擦力。 内力：物体受外力作用产生变形时，内部各部分因相对位置改变而引起的相互 作用力。分析内力用切面法。 应力（全应力）：单位面积上的内力。 全应力可分解成两个分量，正应力σ和剪应力τ
x y z
斜面上的剪应力τ
τ = S2 −σ 2
1.5主应力和应力图示 主应力和应力图示 （1）主应力：没有剪应力的微分面称为过该点的主平面,主平面上的正应力 称为主应力。主平面的法线方向称为该点应力主方向或应力主轴。对应于任一 点的应力状态，一定存在相互垂直的三个主方向、三个主平面和三个主应力。 若选三个相互垂直的主方向作为坐标轴，那么可以使问题大为简化。三个主应 力用σ1 、σ2 、σ3 表示。 （2）主应力图示：表示一点的主应力大小和方向的应力状态图示。主应力 图示有九种。四个为三向主应力图，三个为平面主应力图，二个单向主应力图 示如下图
课程名称
金属塑性变形与轧制原理
课 时 数 64 适用班级 材料081/材料082 授课教师 孙斌 使用时间 2010-2011学年第 2学期
绪
论
0.1金属塑性成形及其特点 金属塑性成形及其特点 金属压力加工：即金属塑性加工， 金属压力加工：即金属塑性加工，对具有塑性的金属施加外力作用使 其产生塑性变形，而不破坏其完整性，改变金属的形状、 其产生塑性变形，而不破坏其完整性，改变金属的形状、尺寸和性能获得所 要求的产品的一种加工方法。 要求的产品的一种加工方法。 金属成型方法分类： 金属成型方法分类： 钻等切削加工； （1）减少质量的成型方法 车、刨、铣、磨、钻等切削加工；冲裁与剪 ）减少质量的成型方法:车 气割与电切；蚀刻加工等。 切、气割与电切；蚀刻加工等。 （2）增加质量的成型方法：铸造、焊接、烧结等。 ）增加质量的成型方法：铸造、焊接、烧结等。 金属塑性变形)： （3）质量保持不变的成型方法 金属塑性变形 ：利用金属的塑性，对金 ）质量保持不变的成型方法(金属塑性变形 利用金属的塑性， 属施加一定的外力作用使金属产生塑性变形， 属施加一定的外力作用使金属产生塑性变形，改变其形状尺寸和性能而获得 所要求的产品的一种加工方法。 如轧制、锻造、冲压、拉拔、 所要求的产品的一种加工方法。 如轧制、锻造、冲压、拉拔、挤压等金属压 力加工方法。 力加工方法。 金属压力加工方法的优缺点： 金属压力加工方法的优缺点： 优点： ）因无废屑,可节约大量金属 可节约大量金属； 优点：1）因无废屑 可节约大量金属； 2）改善金属内部组织及物理、机械性能； ）改善金属内部组织及物理、机械性能； 3）产量高，能量消耗少，成本低，适于大量 生产。 生产。 ）产量高，能量消耗少，成本低， 缺点： ） 对要求形状复杂，尺寸精确， 缺点：1） 对要求形状复杂，尺寸精确，表面十分光洁的加工产品尚不 及金属切削加工方法； 及金属切削加工方法； 2） 仅用于生产具有塑性的金属； ） 仅用于生产具有塑性的金属；