力学冶金讲稿-解析课件.ppt

1、 北京科技大学材料学院北京科技大学材料学院 刘雅政刘雅政课程概述:力学冶金力学冶金是硕士研究生的一门学位课学位课前修课前修课:本科生的材料成形理论基础(固态成形)在此 课的基础上的深化，扩展和综合深化，扩展和综合;微细观材料学和宏观力学结合起来微细观材料学和宏观力学结合起来；系统工程：系统工程：把组成塑性加工过程的各个独立部分视为一个系 统来进行过程综合过程综合。新的知识结构新的知识结构：建立塑性加工系统工程 主要内容 按照塑性加工系统的四个组成部分来组织的。这四个部分分别是：塑性加工力学；边界条件；塑性加工时金属材料的组织性能和特征；成品的组织性能和特征。这四个部分即是各自独立的子系统，又是

2、互相渗透和制约的为达到一个统一目标的综合体。课程共分为五章 第一章 塑性加工工程概论第二章 塑性加工变形力学第三章 塑性加工时金属材料的性质和特征第四章 摩擦边界条件第五章 塑性加工之后成品的性能和特征参考文献参考文献：1 G.E.Dieter.Mechanical Metallurgy.19882 W.A.Backofen.Deformation Processing.19723 Shiro Kabayashi.Method Forming and The Finite-Element Method.19894 W,F.Hosford.Metal Forming Mechanics&Meta

3、llurgy.1.金属塑性加工过程概论金属塑性加工过程概论 1.1 引言引言 金属塑性加工方法多种多样，如轧制、锻造、挤压、拉拢、深冲等，工程材料经受的这诸多的各种各样的加工，加工目的加工目的只有两个：改变材料的几何形状几何形状和改善其性能改善其性能。改变几何形状改变几何形状：主要属于几何学问题 简单坯料（方、圆、扁坯）通过工具的作用，产生塑性变形而成为一个几何学上复杂的产品，（如各种型钢、工、槽、扁、角、轨、钢管，这多为热轧产品。复杂性：很高的尺寸精度，很低的表面粗糙度，良好的板形，高精度的厚度偏差等。有色金属的冷挤压产品也是几何学上很复杂的。改善性能改善性能：在塑性变形过程中控制：变形条件

4、:变形量，变形温度，变形速度，变形区几何学等，达到控制产品的组织结构，应力分布，细化晶粒，外观形状和尺寸等，提高制品的强度，韧性和其他物理性能和化学性能。力学冶金：力学冶金：通过力的作用使材料产生塑性变形而改变几何形状和改善性能，这正是力学冶金的基本特征化学冶金：化学冶金：通过改变材料的化学成分，（即增加某些化学元素来减少某些化学元素），来改善材料的化学性能。物理冶金：物理冶金：在不改变材料的化学成分的情况下，主要通 过 控制材料的加热、冷却、相变等物理手段改变材料的 组织结 构，从而改变材料的性能。影响因素：影响因素：变形过程的诸多方面。变形过程的诸多方面。例如：坯料的几何学和性能影响变形过

5、程，也影响产品的性能；变形过程影响产品的几何学和性能；边界条件受坯料几何学和性能的影响，也影响变形区的金 属流动和产品的几何学和性能。金属加工过程视作一个系统：金属加工过程视作一个系统：各个系统是互相影响和互相制约。系统（系统（SystemsSystems）：具有特定功能的，相互间具有有机联系的许多要素所构成的一具有特定功能的，相互间具有有机联系的许多要素所构成的一 个整体。个整体。系统一般具有如下特点系统一般具有如下特点：整体性 相关性 目的性 环境适应性 III I 1.2 金属塑性加工系统金属塑性加工系统：塑性形变区：塑性形变区：载荷作用下的工具与收敛孔腔、模腔中的塑性形变区。连续介质力

6、学问题连续介质力学问题：摩擦边界摩擦边界：塑性变形与刚性工具间的界面材料中的塑性弹性转变区；边界条件边界条件：进入变形区的反映加工条件下变形物 体的性能特征。材料的成形性问题材料的成形性问题 IV：成品成品的性能和特征 离开变形区的成品组织、性能和特性。IIIVu0u11.3 金属塑性加工过程的分类金属塑性加工过程的分类1)块状金属的加工过程：锻造、轧制、挤压、拉拔等2)片（板）状金属的加工过程：冲压、深冲、辊弯、旋压这两类加工过程的特点如下：这两类加工过程的特点如下：块状金属成型过程 片（板）状金属成型过程 1金属坯料呈块状：方坯、扁、圆金属坯料呈片状：金属板、片2通过显著地减少坯料的横截面

7、积，使之获得复杂的几何形状坯料的厚度基本保持不变，通过弯曲、拉延等方式，使之获得复杂的几何形状3应力状态和应变状态通常是三维的应力状态和应变状态典型是平面的4塑性变形区内，接触边界占主要的，自由边界较小至少有一个表面为自由表面，有时有两个自由表面5主变形为压缩应力，限制最大变形程度的是出现裂纹主变形是拉伸应力，限制最大变形程度的是塑性失稳6弹性变形量很小，与塑性变形量相比常可忽略，视为刚-塑性材料弹性变形量与塑性变形量在数量上相当而不可忽略，弹性恢复、弹性后效等问题不可忽略2.塑性加工变形力学塑性加工变形力学2.1 引言引言2.1.1 研究问题的基本方法基本假设基本假设 基本假设基本假设简化的

8、物理模型简化的物理模型简化后的数学模型简化后的数学模型实际变形过程实际变形过程过程模拟过程控制过程模拟过程控制实用实用Y实验验证实验验证N2.1.2 基本假设基本假设:1)几何学方面 2)参数之间相互关系 3)材料特性 4)边界条件 2.1.3 基本方程基本方程 1)守恒方程 2)本构方程2.1.4 过程模拟过程模拟基本参数过程优化过程几何学过程特性的确定输入约束条件下过程模拟输出过程模拟思路过程模拟思路金属成型中过程设计和控制的方框图金属成型中过程设计和控制的方框图几何参数工具、工件几何学过程解析及优化载荷、能耗、应力、应变、温度、金属流动、几何学过程几何学和过程特性条件的确定过程模拟输出过

9、程参数工模具运动学，温度、润滑材料材料参数加工硬化特性，应变速率敏感性,各向异性、温度输入初级产品要求成形极限二次产品要求晶粒度、表面性能设备容量限制约束条件2.2 连续介质变形力学方程连续介质变形力学方程2.2.1.守衡方程守衡方程1)1)质量守恒：质量守恒：质量不随时间而变化。影响质量变化的两个因素：密度变化和体积的变化。m=v=c 质量守恒要求密度的相对变化率和体积的相对变化率的代数和为零。因此，系统的质量是连续的，不能间断，这就是连因此，系统的质量是连续的，不能间断，这就是连续方程续方程。如果系统的密度是不变的，则质量守恒可简化为体不体不变条件变条件或称体积不可压缩条件。它的表达式为：

10、0;0;0iiiiiid(2)(1)2 2）动量守恒：）动量守恒：Fdtmud)(（质点动量）：根据牛顿第二定律质点动量）：根据牛顿第二定律 :动量守恒：动量动量守恒：动量mu 对时间对时间 t 的导数的导数,等于作用其上力。等于作用其上力。如果外力如果外力 F=0，则动量，则动量mv=c，其中外力其中外力F：F s为面积外力、为面积外力、Fm 为质量力为质量力;用用 Fv表示为体积外力；表示为体积外力；当密度不变时：当密度不变时：质量力体积力质量力体积力 FmFV ，msFFFsvFFF(3)(4)(5)动量守恒（续）：动量守恒（续）：系统的动量（dvu）对时间的导数为：面积外力为：n：单位

11、法向量，ds：微面元，面力密度，i:法向量；j:力作用方向。dduudvdvdtdtdvxdsndsTFvjijijsisisij(6)(7)动量守恒（续）：动量守恒（续）：质量外力 p:单位质量上系统受的外力因此：（FFmFs）dvpFmdvxpdvdvtuvjijvv(8)(9)动量守恒（续）：动量守恒（续）：当加速度:当质量力可忽略时，则 （三个静力平衡方程时）（i,j分别等于X、Y、Z）dtduxpjij0dtdu0ijjpx0p0jijx(10)3）动量矩守衡）动量矩守衡得出剪应力互等:jiijji 4）机械能守衡）机械能守衡 外力作的功（率）=内力作的功（率）外力功（率）：Ti：表

12、示外力 ：质量外力内力功率：动能率：因此：pdvdsuTvisidvvijijvdvudtd221dvdvudtddsuTpdvvijijsviiv2212.2.2 本构方程本构方程 1）本构方程通则本构方程通则：本构方程仅是实验结果的反映，但要求它符合下述原则：用实验给出基本物理方程，再用实验确定系数。A宏观确定性宏观确定性（1）承认宏观物理量存在着确定的关系，而又涉及 物质结构和变形机制，如：动力学的物理量 （应力）、运动学的物理量（应变或应变速 率）、热力学的物理量（温度）之间的关系。B.物理可能性物理可能性(1)本构方程各项量纲相同本构方程各项量纲相同;(2)不违背守恒定律，如外力作功

13、为正不违背守恒定律，如外力作功为正,内力整体不内力整体不作负功。作负功。C.对坐标不变性对坐标不变性 （1）本构方程以张量形式表述，张量与坐标变换本构方程以张量形式表述，张量与坐标变换无关无关;(2)本构方程与应力状态无关，可以用最简单的本构方程与应力状态无关，可以用最简单的应力状态求得。应力状态求得。2).简单应力状态的模型简单应力状态的模型 把材料按弹性、塑性、粘性分类，简单拉伸试验的结果：A.线弹性线弹性 =E B.刚塑性刚塑性 =s s 2).简单应力状态的模型简单应力状态的模型 C.线粘性线粘性 D.粘粘-塑性塑性 E.粘粘-弹性弹性 s E s 3)复杂应力状态的模型复杂应力状态的

14、模型 A.线弹性线弹性 k：体积模量，：体积变量,ij：单位张量，G：剪切模量，k、G、E：弹性常数。km2iji jijG 2ijijG3)复杂应力状态的模型复杂应力状态的模型 B.非线弹性非线弹性 km,2()ijijG 2()iji jijG 3)复杂应力状态的模型复杂应力状态的模型C.线性粘性体线性粘性体mnpk k、G:粘性系数为常数，：体积应变速率，Pn：静水压力.2ijijG 3)复杂应力状态的模型复杂应力状态的模型D.非线性粘性体非线性粘性体 kpnm.2()ijijG G：与应变速率有关3)复杂应力状态的模型复杂应力状态的模型E.塑性应力硬化假设塑性应力硬化假设单一曲线假设单

15、一曲线假设 在加载过程中，等效应力与等效应变曲线仅受温度的影响，而与应力状态无关。nk()nk 影响 的条件材料本身特性变形条件（、T、).3)复杂应力状态的模型复杂应力状态的模型F.粘性硬化假设粘性硬化假设等效应力是等效应变速率的函数（与温度有关），而与应力状态无关。mm)(3)复杂应力状态的模型复杂应力状态的模型()g T G.粘粘-塑性混合强化假设塑性混合强化假设2.2.3 加载准则1 1）简单应力的加载准则）简单应力的加载准则 当=s 材料屈服 0 对理想塑性材料对理想塑性材料：不产生加工硬化的材料 若d=0，为加载，塑性变形继续关系由本构方程所确定。d 0，不存在1）简单应力的加载准

16、则）简单应力的加载准则 对应变硬化材料：对应变硬化材料：d 0，加载，产生新的塑性变形 d=0，中性卸载，不会产生新的塑性变形，仅发生应力分量 的变化，应力状态仍在曲面上。d r3）加载曲面）加载曲面A.等向强化曲面等向强化曲面：变形不大，各应力偏量分量之间的比例变化不大 时（形状、位置不变，仅屈服面作相似扩大）0)(kfij仅大小变化 K表示应变历史及强化程度的参数3)加载曲面加载曲面B.随动强化模型随动强化模型：变形较大，应力反复变化，（形状大小不变，仅位置改变）sr32OA为等强化加载面，r r OA为随动强化加载面，rC.上述两种模型的组合上述两种模型的组合 不变；2.2.4 Druc

17、ker 公设公设1)简单简单-曲线的强化特性曲线的强化特性稳定材料塑性变形功不可逆公设稳定材料塑性变形功不可逆公设dd0dd/2屈服曲面的外凸性（续）屈服曲面的外凸性（续）失稳过程，不可能的 所以瞬时屈服曲面是处处外凸的。0cos00pijpijdAAdAA0900cos)(00pijijijpijddAA2.2.7 塑性应力塑性应力-应变关系的普遍性应变关系的普遍性 （A）d：与加载过程（应力、应变、材料性质）有关的比例系数，它恒为正值。ij屈服函数可由屈服准则确定。由式（A）导出的塑性应力-应变关系是与某种 屈服函数有关的，因此，由此所得到的本构关系或流动法则称为与某种屈服函数相关联的。i

18、jijpijdd)(塑性应力塑性应力-应变关系的普遍性（续）应变关系的普遍性（续）Mises屈服准则为：设 （B）则称（ij）是与Mises屈服准则相关联的塑性势函数。22222226)(6)()()(kxzyzxyxzzyyx22222221()()()()()06ijxyyzzxxyyzxzk 塑性应力塑性应力-应变关系的普遍性（续）应变关系的普遍性（续）下面可以证明，将式（B）代入式（A），可得到Prandte-Renss的应力应变关系式。xmxzyxxij)(2132)(xyxyij)(xpxddxyxypxyddd21塑性应力塑性应力-应变关系的普遍性（续）应变关系的普遍性（续）即为Proncltl-Ronss本构方程:(C)如果 中的弹性应变 可以忽略，则式(C)变为 (D)即为levy-Mises本构方程 .因此，称（C）和（D）为与Mises屈服准则相关联的本构方程或流动法则。pijijddpijeijijdddeijdijijdd塑性应力塑性应力-应变关系的普遍性（续）应变关系的普遍性（续）levy-Mises流动法则:（D）同样，如果引入Treasca作为塑性势函数（ij），就可得到与Treasca准则相关联的本构方程或流动法则。因此，我们称（A）式为普遍的应力应变关系。ijijdd