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1、张贵杰张贵杰E-MailE-Mail：zhguijievip.sina zhguijievip.sina 河北联合高校金属材料及加工河北联合高校金属材料及加工工程系工程系金属塑性变形理论金属塑性变形理论第一讲第一讲Lesson OneLesson One2022/11/52本课程的性质和教学目的性质：本课程为材料成型及限制工程和金属材料工程专业的专业基础课目的：金属产生塑性变形时在金属学和力学等方面有着共同的基础和规律。因此，金属塑性变形理论是探讨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。其目的在于科学地、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
2、金属塑性成型工艺规范及选择、设计加工设备奠定理论基础。Lesson OneLesson One2022/11/53本课程的任务驾驾驭驭金金属属塑塑性性变变形形的的物物理理基基础础，即即驾驾驭驭影影响响金金属属性性能能的的主主要因素及原理，驾驭金属性能主要指标的测试方法；要因素及原理，驾驭金属性能主要指标的测试方法；驾驾驭驭金金属属塑塑性性力力学学的的基基础础学学问问，即即驾驾驭驭金金属属塑塑性性变变形形体体内内的的应应力力场场、应应变变场场、应应力力应应变变之之间间关关系系、塑塑性性变变形形时时的的力力学学条条件件等等塑塑性性理理论论基基础础学学问问。驾驾驭驭塑塑性性成成型型问问题题的的几几种
3、种主要解法（包括解析和数值解法）；主要解法（包括解析和数值解法）；驾驾驭驭金金属属塑塑性性成成型型时时的的金金属属流流淌淌规规律律和和变变形形特特点点，分分析析金金属的基本成型工艺，以便确定合理的坯料尺寸和成型工序；属的基本成型工艺，以便确定合理的坯料尺寸和成型工序；驾驭对成型质量进行定性分析及提高成型质量的方法。驾驭对成型质量进行定性分析及提高成型质量的方法。Lesson OneLesson One2022/11/54课程试验开设综合试验课程开设综合试验课程 金相视察金相视察 力学性能检验力学性能检验 模拟轧制过程试验模拟轧制过程试验 斜轧穿孔试验斜轧穿孔试验 Lesson OneLesso
4、n One2022/11/55教材及参考书校内网超星图书馆或校图书馆借阅教教 材：材：金属塑性变形与轧制理论（第金属塑性变形与轧制理论（第2版），赵志业，版），赵志业，1996参考书：参考书：金属塑性成型力学，王平，崔建忠，金属塑性成型力学，王平，崔建忠，2006.8材料成型力学，赵德文，材料成型力学，赵德文，2002金属塑性加工力学，赵志业，金属塑性加工力学，赵志业，1987塑性加工金属学，王占学，塑性加工金属学，王占学，1991塑性成型力学，王仲仁，塑性成型力学，王仲仁，1989金属塑性加工理论与工艺，罗子健，金属塑性加工理论与工艺，罗子健，1994金属塑性加工原理，彭大暑主编，金属塑性加
5、工原理，彭大暑主编，2004金属塑性加工过程无网格数值模拟方法，李长生等著，金属塑性加工过程无网格数值模拟方法，李长生等著，2004金属轧制过程人工智能优化，王国栋，刘相华，金属轧制过程人工智能优化，王国栋，刘相华，2000Metal working science and engineering,Edward M.Mielnik,1991Metals Engineering-A Technical Guide,Leonard E.Samuels,1988Lesson OneLesson One2022/11/56学习要求作作业业必必需需按按时时交交，假假如如有有三三次次以以上上不不交交作作业
6、业者者，取取消消考考试试资资格格。作作业业形形式式包包括括：手手写写作作业业、电电子子稿稿作作业业、计计算算机机程序、探讨程序、探讨PPTPPT等几种形式。等几种形式。做做好好课课堂堂笔笔记记，本本课课程程中中将将有有部部分分补补充充内内容容，要要求求大大家家记记笔记。笔记。要要求求上上课课前前预预习习，本本课课程程内内容容较较难难，且且内内容容多多，信信息息量量较较大，要求大家自觉预习。大，要求大家自觉预习。遵守课堂纪律，本课程不允许迟到早退。遵守课堂纪律，本课程不允许迟到早退。Lesson OneLesson One2022/11/57本课程主要内容金属微观变形机理与宏观性能金属微观变形机
7、理与宏观性能金属变形过程的金属变形过程的力学分析力学分析变形体力学的变形体力学的求解方法求解方法应用应用Lesson OneLesson One2022/11/58第一章 绪论主要内容主要内容什么是塑性加工什么是塑性加工塑性加工的分类塑性加工的分类塑性加工的历史塑性加工的历史塑性加工的发展塑性加工的发展Lesson OneLesson One2022/11/591.1 什么是塑性加工?塑塑性性：在在外外力力作作用用下下使使金金属属材材料料发发生生塑塑性性变变形形而而不不破破坏坏其其完完整整性性的的实实力力称称为为塑塑性性。是指材料的永久变形实力。是指材料的永久变形实力。弹性：材料的可复原变形的
8、实力弹性：材料的可复原变形的实力 弹塑性：弹性弹塑性：弹性+塑性塑性Lesson OneLesson One2022/11/510金金属属铸铸锭锭或或连连铸铸坯坯在在外外力力作作用用下下使使其其产产生生塑塑性性变变形形，变变形形后后不不仅仅能能使使其其断断面面的的形形态态和和尺尺寸寸变变更更，而而且且也也能能变变更更其其组组织织与与性性能能。这这一一过过程程称称为为塑塑性性加加工工（塑塑性性成成型型或或压压力力加工）。加工）。Lesson OneLesson One2022/11/511金属塑性加工的特点加加工工后后组组织织性性能能得得到到改改善善和和提提高高，经经塑塑性性成型，使其结构致密，
9、组织改善成型，使其结构致密，组织改善材材料料利利用用率率高高，主主要要依依靠靠金金属属在在塑塑性性状状态态下的体积转移来实现下的体积转移来实现生产率高，可实现连续化生产生产率高，可实现连续化生产精度高，精密塑性成型精度高，精密塑性成型Lesson OneLesson One2022/11/512铸造铸造零零件件机机械械制制造造方方法法切削加工切削加工压力加工压力加工塑性成型塑性成型特种加工特种加工锻造锻造冲压冲压车、车、铣铣、刨刨、磨磨、钻钻、铰铰、插等插等自由锻、自由锻、模锻模锻拉深、拉深、弯曲弯曲、冲裁冲裁、翻边翻边、拉型拉型等等轧制轧制Lesson OneLesson One2022/1
10、1/513切削加工种类Lesson OneLesson One2022/11/5141.2 塑性加工的分类按加工时工件的受力和变形方式按加工时工件的受力和变形方式 按加工时工件的温度特征按加工时工件的温度特征 Lesson OneLesson One2022/11/515图图例例延延长长镦镦粗粗斜斜轧轧横横轧轧纵轧纵轧模模锻锻自由自由锻锻造造轧轧 制制锻锻 造造分分类类与与名称名称压压 力力基本受基本受力方式力方式基本基本压压力加工力加工变变形方式形方式按加工时工件的受力和变形方式按加工时工件的受力和变形方式Lesson OneLesson One2022/11/516Lesson OneLe
11、sson One2022/11/517Lesson OneLesson One2022/11/518图图例例反反挤压挤压正正挤压挤压剪切剪切弯曲弯曲拉伸成型拉伸成型冲冲压压（拉延）（拉延）拉拔拉拔挤压挤压分分类类与名与名称称剪力剪力弯矩弯矩拉力拉力压压力力基本基本受力受力方式方式按加工时工件的受力和变形方式按加工时工件的受力和变形方式Lesson OneLesson One2022/11/519Lesson OneLesson One2022/11/520按加工时工件的受力和变形方式按加工时工件的受力和变形方式Lesson OneLesson One2022/11/521挤压型材挤压型材挤压型
12、材模具挤压型材模具Lesson OneLesson One2022/11/522工件工件驱动辊驱动辊导向辊导向辊蕊辊蕊辊端面辊端面辊环轧示意图环轧示意图Lesson OneLesson One2022/11/523热连轧板生产线热连轧板生产线Lesson OneLesson One2022/11/524冷连轧板生产线冷连轧板生产线Lesson OneLesson One2022/11/525典型冲压件典型冲压件Lesson OneLesson One2022/11/526热加工热加工(Hot forming)冷加工冷加工(Cold forming)温加工温加工(Warm forming)按加工
13、时工件的温度特征按加工时工件的温度特征Lesson OneLesson One2022/11/5271.3 塑性加工的历史材料的塑性加工源于人类对材料运用方式的发展材料的塑性加工源于人类对材料运用方式的发展下面简要回顾一下材料科学发展的里程碑下面简要回顾一下材料科学发展的里程碑Lesson OneLesson One2022/11/528材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC300,000 BC燧燧石石，这这种种简简洁洁制制成成工工具具的的石石头头，起起先先了了制制陶陶业业的的发展。发展。Lesson OneLesson One2022/11/529材料科学发展的里程碑 3
14、00,000 BC3,500 BC5,500 BC自自然然金金与与铜铜被被用用作作工工具具与与武武器器，起起先先了了人人类金属的运用。类金属的运用。Lesson OneLesson One2022/11/530材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500BC5000BC熔炼和锤击变更了铜熔炼和锤击变更了铜的性能的性能-材料起先发展材料起先发展 Lesson OneLesson One2022/11/531材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC4000BC金属铸造工艺金属铸造工艺-人们得到了他们人们得到了他们须要的形态。须要的形态。最早的模铸件最早的模铸件-一个铜制杖
15、头一个铜制杖头Lesson OneLesson One2022/11/532材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC3500BC从从矿矿石石中中提提炼炼铜铜-冶冶金金业业的的黎明黎明 这张埃及古墓壁画是这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一人类冶金业的最早纪录之一Lesson OneLesson One2022/11/533材料科学发展的里程碑 3,000 BC1,886 AD 3000BC青青铜铜的的运运用用-制造合金制造合金 青铜：青铜：第一种合金第一种合金Lesson OneLesson One2022/11/534材料科学发展的里程碑 3,000 BC1,886
16、AD1450BC铁的发觉铁的发觉 铁制车轮铁制车轮Lesson OneLesson One2022/11/535材料科学发展的里程碑 3,000 BC1,886 AD1500AD炼铁的须要促使炼铁的须要促使了鼓风机与熔炉了鼓风机与熔炉的独创的独创 廉价的冶铁业廉价的冶铁业Lesson OneLesson One2022/11/536材料科学发展的里程碑 3,000 BC1,886 AD1855ADHenry Bessemer拥拥有有钢钢铁铁冶冶炼炼的的专专利利-当当代代钢钢铁铁冶冶炼炼的的出出现现。他他的的方方法法是是钢钢铁铁制制品品性性能能大大大大改改观观而而成成本本也降低不少。也降低不少。
17、Henry Bessemer(1813-1898)Lesson OneLesson One2022/11/537材料科学发展的里程碑 3,000 BC1,886 AD1886AD电电化化学学方方法法冶冶炼炼铝铝-使使铝成为一种常用金属铝成为一种常用金属 Lesson OneLesson One2022/11/538材料科学发展的里程碑 1,939 ADNOW 1939AD尼尼龙龙的的商商业业发发展展，高高分分子子材材料料发发展展的的关键时期关键时期 尼龙的独创尼龙的独创Lesson OneLesson One2022/11/539材料科学发展的里程碑 1,939 ADNOW1950s高高温温合
18、合金金的的发发展展，掺掺镍镍合合金金促促进进了了喷喷气气发发动机的发展动机的发展 Lesson OneLesson One2022/11/540材料科学发展的里程碑 1,939 ADNOW1960s制作越来越制作越来越小的硅芯片小的硅芯片 Lesson OneLesson One2022/11/541材料科学发展的里程碑 1,939 ADNOW1980s高温超导体，高高温超导体，高温超导的革命时温超导的革命时代代 Lesson OneLesson One2022/11/542金金属属塑塑性性变变形形理理论论是是一一门门基基于于金金属属塑塑性性加加工工的的物物理理学学、物物理理-化化学学、金金属
19、属学学与与力力学学基基础础上上的的应应用用技技术理论。术理论。作作为为塑塑性性变变形形理理论论的的重重要要基基础础的的塑塑性性理理论论的的形形成成与与发发展展也也经经验验了了一一百百多多年年的的历历史史。在在此此其其间间提提出出的一些经典理论与方法归列于下的一些经典理论与方法归列于下Lesson OneLesson One2022/11/543法国工程师屈雷斯加（法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）1864提出最大剪应力屈服准则提出最大剪应力屈服准则M.Levy 1871年，提出了应力应变增量关系年，提出了应力应变增量关系 Levy-MisesB.Saint-Venant 1870，应力应变
20、速率方程，（塑性流淌方程），应力应变速率方程，（塑性流淌方程）德国米塞斯（德国米塞斯（Von Mises），），1913，Mises屈服准则屈服准则M.levy、H.Hencky、L.Prandtl 1923，平平面面塑塑性性变变形形的的滑滑移移线线几几何何性质性质A.Reuss 1930，弹塑性应力应变关系，弹塑性应力应变关系1940，H.Hencky、H.Geringer、Cauchy、Rieman等，滑移线法等，滑移线法1950，A.A.Mapkob、R.Hill、W.Pragar等，极值分析方法等，极值分析方法 1970，小林史郎，小林史郎，C.H.Lee等，刚等，刚塑性有限元解析法塑
21、性有限元解析法 Lesson OneLesson One2022/11/5441.4 塑性加工的发展(Development)节约资源节约资源 用用完完量量少少的的原原材材料料生生产产出出要要求求的的形形态态、尺尺寸寸、强强度度、塑塑性性以以及及其其它它物物理理性性能能的的产产品品。为为此此，合合理理利利用用资资源源选选择择最最佳佳材材质质或或通通过过变变形形与与热热处处理理相相协协作作以以改改善善材材质质、探探讨讨轻轻型型薄薄壁壁断断面面和和周周期期断断面面以以及及复复合合材材料料等等高高效效制制品品的的成成型型成成为为今今后后节节约约资资源的重要课题。源的重要课题。Lesson OneLe
22、sson One2022/11/545节约能源节约能源 金金属属材材料料热热加加工工所所需需的的热热能能比比加加工工所所需需的的机机械械能能大大很很多多倍倍，所所以以必必需需节节约约热热能能。缩缩短短工工艺艺流流程程、降降低低加加工工温温度度、热热加加工工变变为为冷冷加加工工、削削减减或或省省去去中中间间退退火火、降降低低材材料料的的变变形形抗抗力力、提提高高塑塑性性等方面的技术开发成为今后节约能源的重要课题。等方面的技术开发成为今后节约能源的重要课题。Lesson OneLesson One2022/11/546实现最佳的加工条件实现最佳的加工条件 探探讨讨创创建建最最佳佳的的工工艺艺条条件
23、件和和使使工工艺艺内内容容定定量量化化以以及及把把能能实实现现这这种种条条件件的的新新技技术术用用于于新新加加工工机机械设计和老设备的挖潜改造上，并进行最优限制。械设计和老设备的挖潜改造上，并进行最优限制。Lesson OneLesson One2022/11/547课下练习1、什什么么是是金金属属的的塑塑性性？什什么么是是塑塑性性加加工工？塑塑性加工有何特点？性加工有何特点？2、试述塑性加工的一般分类。、试述塑性加工的一般分类。Lesson OneLesson One2022/11/548材料加工技术的主要发展方向材料加工技术的主要发展方向（1）高效化、高精度化高效化、高精度化（2）发展先进
24、成形加工技术发展先进成形加工技术（3）材料设计、制备与成形加工一体化材料设计、制备与成形加工一体化（4）开发新型成形加工技术，发展新材料开发新型成形加工技术，发展新材料（5）计算机模拟与过程仿真技术计算机模拟与过程仿真技术（6）智能制备与加工技术智能制备与加工技术补充材料补充材料补充材料补充材料Lesson OneLesson One2022/11/549传统技术的高效化与高精度化传统技术的高效化与高精度化高新技术改造传统技术高新技术改造传统技术将计算机技术、信息技术、先进限制技术将计算机技术、信息技术、先进限制技术应用于传统加工技术应用于传统加工技术提高生产效率提高生产效率高速、全自动、无人
25、化高速、全自动、无人化扩大产品范围扩大产品范围形态、尺寸的精确限制形态、尺寸的精确限制Lesson OneLesson One2022/11/550 超小型精密挤压型材超小型精密挤压型材 铝合金镜面板铝合金镜面板Lesson OneLesson One2022/11/551发展先进成形加工技术发展先进成形加工技术目的目的高附加值材料、难加工材料的加工高附加值材料、难加工材料的加工实现组织性能的精确限制实现组织性能的精确限制有发展前景的先进成形加工技术有发展前景的先进成形加工技术连续定向凝固技术连续定向凝固技术先进超塑性成形技术先进超塑性成形技术等温成形技术等温成形技术低温强加工技术低温强加工技
26、术分散成形技术分散成形技术Lesson OneLesson One2022/11/552 超细无氧铜丝超细无氧铜丝（19.7 m）超细超细Al-Si丝丝（25 m）连续定向凝固技术连续定向凝固技术+低温强加工技术低温强加工技术Lesson OneLesson One2022/11/553非晶态合金超塑性成形技术的应用非晶态合金超塑性成形技术的应用微型齿轮微型齿轮微型拉伸机微型拉伸机Lesson OneLesson One2022/11/554材料设计、制备与成形加工一体化材料设计、制备与成形加工一体化目的目的提高成分、性能、工艺的可设计性提高成分、性能、工艺的可设计性实现材料与零部件的高效、近
27、终形、短流程成形实现材料与零部件的高效、近终形、短流程成形（过程的一体化，是材料设计时代的特征之一）（过程的一体化，是材料设计时代的特征之一）典型技术典型技术激光快速成形激光快速成形喷射沉积技术喷射沉积技术半固态加工半固态加工连续铸挤连续铸挤连续铸轧（铸轧一体化）连续铸轧（铸轧一体化）Lesson OneLesson One2022/11/555激光快速成形激光快速成形喷嘴激光凝固材料前一层材料粉末激光/粉末作用区熔池零件运动方向CAD模型模型激光成形激光成形成形件成形件精加工件精加工件Lesson OneLesson One2022/11/556激光快速成形零件之例激光快速成形零件之例Les
28、son OneLesson One2022/11/557喷射沉积技术喷射沉积技术Lesson OneLesson One2022/11/558开发新型制备与成形加工技术开发新型制备与成形加工技术目的目的发展高附加值的新材料、新制品发展高附加值的新材料、新制品典型技术典型技术双带快冷带材制备技术双带快冷带材制备技术双结晶器连铸技术双结晶器连铸技术双流铸造技术双流铸造技术多坯料挤压技术多坯料挤压技术电磁成形技术电磁成形技术Lesson OneLesson One2022/11/559原原 理理 以高速运动的水冷以高速运动的水冷钢带代替常规的冷却钢带代替常规的冷却辊冷却法，增加冷却辊冷却法，增加冷却
29、实力，并同时在凝固实力，并同时在凝固过程中实现软压下，过程中实现软压下，制备高性能带材。制备高性能带材。Lesson OneLesson One2022/11/560快速凝固制备厚带快速凝固制备厚带Lesson OneLesson One2022/11/561双金属复合材料双结双金属复合材料双结晶器连铸一次成形原晶器连铸一次成形原理图理图Lesson OneLesson One2022/11/562Lesson OneLesson One2022/11/563计算机模拟与过程仿真技术计算机模拟与过程仿真技术目的目的削减试行错误，缩短研发周期削减试行错误，缩短研发周期优化成形方法和工艺优化成形方
30、法和工艺实现全过程的精确设计与限制实现全过程的精确设计与限制典型技术典型技术各层次的数值模拟各层次的数值模拟各种工艺过程仿真各种工艺过程仿真留意问题留意问题数值模拟的陷阱数值模拟的陷阱Lesson OneLesson One2022/11/564智能制备与加工技术智能制备与加工技术定义定义 材料组织性能设计、零部件设计、制材料组织性能设计、零部件设计、制备与成形加工过程的实时在线监测和反馈备与成形加工过程的实时在线监测和反馈限制融为一体的制备加工技术限制融为一体的制备加工技术目的目的实现全过程的精确设计与限制实现全过程的精确设计与限制保证产品质量的匀整性与一样性保证产品质量的匀整性与一样性提高制备与加工的稳定性与牢靠性提高制备与加工的稳定性与牢靠性削减原材料、能源的消耗与废弃物的排放削减原材料、能源的消耗与废弃物的排放Lesson OneLesson One2022/11/565感谢！