[工学]第三章 金属塑性变形的力学基础.pptVIP

金属塑性成形原理 第三章　金属塑性变形的力学基础 塑性理论（塑性力学） 金属在外力作用下由弹性状态进人塑性状态，研究金属在塑性状态下的力学行为。 研究塑性力学行为时，通常采用以下基本假设： (1)连续性假设 变形体内均由连续介质组成，即整个变形体内不存在任何空隙。这样，应力、应变、位移等物理量都是连续变化的，可化为坐标的连续函数。 (2)匀质性假设 变形体内各质点的组织、化学成分都是均匀而且是相同的，即各质点的物理性能均相同，且不随坐标的改变而变化。 (3)各向同性假设 变形体内各质点在各方向上的物理性能、力学性能均相同，也不随坐标的改变而变化。 (4)初应力为零 物体在受外力之前是处于自然平衡状，即物体变形时内部所产生的应力仅是由外力引起的； (5)体积力为零 体积力如重力、磁力、惯性力等与面力相比是十分微小，可忽略不计。 (6)体积不变假设 物体在塑性变形前后的体积不变。 在塑性理论中，分析问题需要从静力学、几何学和物理学等角度来考虑。 静力学角度是从变形体中质点的应力分析出发，根据静力平衡条件导出应力平衡微分方程。 几何学角度是根据变形体的连续性和匀质性假设，用几何的方法导出小应变几何方程。 物理学角度是根据实验和基本假设导出变形体内应力与应变之间的关系式，即本构方程。 此外，还要建立变形体由弹性状态进入塑性状态并使继续进行塑性变形时所具备的力学条件，即屈服准则。 第一节应力分析 应力分析之目的： 在于求变形体内的应力分布，即求变形体内各点的应力状态及其随坐标位置的变化，这是正确分析工件塑性加工有关问题的重要基础。 一个物体受外力作用后，其内部质点在各方向上都受到应力的作用，这时不能以某一方向的应力来说明其质点的受力情况，于是就需要引入一个能够完整地表示出质点受力情况的物理量——应力张量。 变形温度对40Cr钢正挤压等效应变的影响 (变形速度：10mm/s；压下量：15mm；摩擦因子(m)：0.2) (a) 1123K (b) 1173K (c) 1223K 一、外力和应力 (一)外力 塑性成形是利用金属的塑性，在外力的作用下使其成形的一种加工方法。 作用于金属的外力可以分为两类： 一类是作用在金属表面上的力，称为面力或接触力，它可以是集中力，但更一般的是分布力； 第二类是作用在金属物体每个质点上的力，称为体积力。 1 面力 面力可分为作用力、反作用力和摩擦力。 作用力是由塑性加工设备提供的，用于使金属坯料产生塑性变形。在不同的塑性加工工序中，作用力可以是压力、拉力或剪切力。 反作用力是工具反作用于金属坯料的力。一般情况下，作用力与反作用力互相平行，并组成平衡力系，如图3—1中P=P’(P—作用力、P’反作用力)。 摩擦力是金属在外力作用下产生塑性变形时，在金属与工具的接触面上产生阻止金属流动的力。方向与金属质点移动的方向相反，如图3—1中T。 2．体积力 体积力是与变形体内各质点的质量成正比的力，如重力、磁力和惯性力等。对一般的塑性成形过程，由于体积力与面力相比要小得多，可以忽略不计。因此，一般都假定是在面力作用下的静力平衡力系。 但是在高速成形时，如高速锤锻造、爆炸成形等，惯性力不能忽略。在锤上模锻时，坯料受到由静到动的惯性力作用，惯性力向上，有利于金属填充上模，故锤上模锻通常将形状复杂的部位设置在上模。 (二)应力 1．单向受力下的应力及其分量 在外力作用下，物体内各质点之间就会产生相互作用的力，叫做内力。 　单位面积上的内力称为应力。 图3—2a表示一物体受外力系P1 、P2…的作用而处于平衡状态。设Q为物体内任意一点，过Q点作一法线为阿的截面c—c，面积为A。此截面将该物体分为两部分并移去上半部分。这样，截面c—c可看成是物体下半部的外表面，作用在c—c截面上的内力就变成外力，并与作用在下半部分的外力保持平衡。这样．内力问题就可转化为外力问题来处理。 截面C—C上Q点的全应力 微小面积dA可叫做过Q点在N方向的微分面，用其外法线方向命名。 将Q点的全应力S在三个坐标轴上的投影称为应力分量，如图3—2b所示。 每个应力分量可用带两个下角标的符号来表示，第一个下角标表示该应力分量所在之微分面，第二个下角标表示其作用方向。 因此，在一般情况下，变形体内一点的全应力S的大小和方向取决于过该点所切取截面的方位。现以单向均匀拉伸为例进行分析。图3—3所示，过试棒内一点Q并垂直于拉伸轴线横截面c—c上的应力为 若过Q点作任意切面c1—c1，其法线心与拉伸轴成　角，面积为F1。由于是均匀拉伸，故截面cl—c1上的应力是均布的。 因此，在单向均匀拉伸条件下，可用一个　来表示其一点的应力状态，称为单向应力状