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1、2023/5/11本课程的性质和教学目的性质：本课程为材料成型及控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研究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。第1页/共65页2023/5/12本课程的任务掌握金属塑性变形的物理基础，即掌握影响金属性能的主要因素及原理，掌握金属性能主要指标的测试方法；掌握金属塑性力学的基础知识，即掌握金属塑性变形体内的应力场、
2、应变场、应力应变之间关系、塑性变形时的力学条件等塑性理论基础知识。掌握塑性成型问题的几种主要解法（包括解析和数值解法）；掌握金属塑性成型时的金属流动规律和变形特点，分析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；掌握对成型质量进行定性分析及提高成型质量的方法。第2页/共65页2023/5/13课程实验开设综合实验课程（包括金相观察、力学性能检验、模拟轧制过程实验、斜轧穿孔实验等）第3页/共65页2023/5/14教材及参考书References教 材：金属塑性变形与轧制理论（第2版），赵志业，1996参考书：金属塑性加工力学，赵志业，1987塑性加工金属学，王占学，1991塑性成型力
3、学，王仲仁，1989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，2004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，2000 Metal working science and engineering,Edward M.Mielnik,1991 Metals Engineering-A Technical Guide,Leonard E.Samuels,1988校园网超星图书馆或校图书馆借阅第4页/共65页2023/5/15学习要求作业必须按时交，如果有三次以上不交作业者，取消考试资格。作业形式包括：手写作业、电子
4、稿作业、计算机程序、讨论PPT等几种形式。做好课堂笔记，本课程中将有部分补充内容，要求大家记笔记。要求上课前预习，本课程内容较难，且内容多，信息量较大，要求大家自觉预习。遵守课堂纪律，本课程不允许迟到早退。第5页/共65页2023/5/16本课程主要内容金属微观变形机理与宏观性能金属变形过程的力学分析 变形体力学的求解方法第6页/共65页2023/5/17第一章 绪论Chapter 1 Introduction主要内容Main Content什么是塑性加工(Whats plastic processing)塑性加工的分类(Classification)塑性加工的历史(History)塑性加工的
5、发展(Development)第7页/共65页2023/5/181.1 什么是塑性加工?Whats plastic processing?塑性：在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力称为塑性。是指材料的永久变形能力。弹性：材料的可恢复变形的能力 弹塑性：弹性+塑性第8页/共65页2023/5/19 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状状和和尺尺寸寸改改变变，而而且且也也能能改改变变其其组组织织与与性性能能。这这一一过过程称为塑性加工（塑性成型或压力加工）。程称为塑性加工（塑
6、性成型或压力加工）。The The outside outside force force makes makes the the metal metal ingot ingot casting casting or or continuous continuous ingotingot casting casting produce produce plastic plastic deformation.deformation.The The processing processing can can not not only only make make the the size size
7、 and and the the shape shape of of its its section section change,but also its structure and performance change.change,but also its structure and performance change.第9页/共65页2023/5/110金属塑性加工的特点加工后组织性能得到改善和提高，经塑性成型，使其结构致密，组织改善材料利用率高，主要依靠金属在塑性状态下的体积转移来实现生产率高，可实现连续化生产精度高，精密塑性成型第10页/共65页2023/5/111铸造零件机械制
8、造方法切削加工压力加工塑性成型特种加工锻造冲压车、铣、刨、磨、钻、铰、插等自由锻、模锻拉深、弯曲、冲裁、翻边、拉型等轧制第11页/共65页2023/5/112切削加工种类第12页/共65页2023/5/1131.2 塑性加工的分类Classification按加工时工件的受力和变形方式 (Force and deformation)按加工时工件的温度特征 (Temperature)第13页/共65页2023/5/114图例延伸镦粗斜轧横轧纵轧模锻自由锻造轧 制锻 造分类与名称压 力基本受力方式基本压力加工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受力和变形方式(Force and de
9、formation)(Force and deformation)第14页/共65页2023/5/115第15页/共65页2023/5/116第16页/共65页2023/5/117图例反挤压正挤压剪切弯曲拉伸成型冲压（拉延）拉拔挤压分类与名称剪力弯矩拉力压力基本受力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(Force and deformation)(Force and deformation)第17页/共65页2023/5/118第18页/共65页2023/5/119组合加工变形方式组合加工变形方式组组合合方方式式锻造轧制锻造轧制轧制挤压轧制挤压拉拔轧制拉拔轧制轧制弯曲轧
10、制弯曲轧制剪切轧制剪切名名称称锻轧锻轧轧挤轧挤拔轧拔轧辊弯辊弯搓轧搓轧图图例例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(Force and deformation)(Force and deformation)第19页/共65页2023/5/120挤压型材挤压型材模具第20页/共65页2023/5/121工件驱动辊导向辊蕊辊端面辊环轧示意图第21页/共65页2023/5/122热连轧板生产线第22页/共65页2023/5/123冷连轧板生产线第23页/共65页2023/5/124典型冲压件第24页/共65页2023/5/125热加工(Hot forming)冷加工(Cold f
11、orming)温加工(Warm forming)按加工时工件的温度特征按加工时工件的温度特征(Temperature)(Temperature)第25页/共65页2023/5/1261.3 塑性加工的历史(History)对材料的塑性加工源于人类对材料使用方式的发展下面简要回顾一下材料科学发展的里程碑第26页/共65页2023/5/127材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC300,000 BC燧石，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展。第27页/共65页2023/5/128材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC5,500 BC 天然金与铜被用作工
12、具与武器，开始了人类金属的使用。第28页/共65页2023/5/129材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC5000BC熔炼和锤击改变了铜的性能-材料开始发展 第29页/共65页2023/5/130材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC4000BC金属铸造工艺-人们得到了他们需要的形状。最早的模铸件-一个铜制杖头第30页/共65页2023/5/131材料科学发展的里程碑 300,000 BC3,500 BC3500BC从矿石中提炼铜-冶金业的黎明 这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一第31页/共65页2023/5/132材料科学发展的里程碑3,00
13、0 BC1,886 AD 3000BC青铜的使用-制造合金 青铜：第一种合金第32页/共65页2023/5/133材料科学发展的里程碑3,000 BC1,886 AD1450BC铁的发现 铁制车轮第33页/共65页2023/5/134材料科学发展的里程碑3,000 BC1,886 AD1500AD炼铁的需要促使了鼓风机与熔炉的发明 廉价的冶铁业第34页/共65页2023/5/135材料科学发展的里程碑3,000 BC1,886 AD1855ADHenry Bessemer拥有钢铁冶炼的专利-当代钢铁冶炼的出现。他的方法是钢铁制品性能大大改观而成本也降低不少。Henry Bessemer(181
14、3-1898)第35页/共65页2023/5/136材料科学发展的里程碑3,000 BC1,886 AD1886AD电化学方法冶炼铝-使铝成为一种常用金属 第36页/共65页2023/5/137材料科学发展的里程碑1,939 ADNOW 1939AD尼龙的商业发展，高分子材料发展的关键时期 尼龙的发明第37页/共65页2023/5/138材料科学发展的里程碑1,939 ADNOW1950s高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展 第38页/共65页2023/5/139材料科学发展的里程碑1,939 ADNOW1960s制作越来越小的硅芯片 第39页/共65页2023/5/140材料科学发
15、展的里程碑1,939 ADNOW1980s高温超导体，高温超导的革命时代 第40页/共65页2023/5/141金属塑性变形理论是一门基于金属塑性加工的物理学、物理-化学、金属学与力学基础上的应用技术理论。作为塑性变形理论的重要基础的塑性理论的形成与发展也经历了一百多年的历史。在此其间提出的一些经典理论与方法归列于下第41页/共65页2023/5/142法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）1864提出最大剪应力屈服准则德国米塞斯（Von Mises），1913，Mises屈服准则M.Levy 1871年，提出了应力应变增量关系 Levy-MisesB.Saint-Venant 1870，应力
16、应变速率方程，（塑性流动方程）M.levy、H.Hencky、L.Prandtl 1923，平面塑性变形的滑移线几何性质A.Reuss 1930，弹塑性应力应变关系1940，H.Hencky、H.Geringer、Cauchy、Rieman等，滑移线法1950，、R.Hill、W.Pragar等，极值分析方法 1970，小林史郎，等，刚塑性有限元解析法 第42页/共65页2023/5/1431.4 塑性加工的发展(Development)节约资源 用尽量少的原材料生产出要求的形状、尺寸、强度、塑性以及其它物理性能的产品。为此，合理利用资源选择最佳材质或通过变形与热处理相配合以改善材质、研究轻型
17、薄壁断面和周期断面以及复合材料等高效制品的成型成为今后节约资源的重要课题。第43页/共65页2023/5/144节约能源 金属材料热加工所需的热能比加工所需的机械能大许多倍，所以必须节约热能。缩短工艺流程、降低加工温度、热加工变为冷加工、减少或省去中间退火、降低材料的变形抗力、提高塑性等方面的技术开发成为今后节约能源的重要课题。第44页/共65页2023/5/145实现最佳的加工条件 研究创造最佳的工艺条件和使工艺内容定量化以及把能实现这种条件的新技术用于新加工机械设计和老设备的挖潜改造上，并进行最优控制。第45页/共65页2023/5/146课下练习1、什么是金属的塑性？什么是塑性加工？塑性
18、加工有何特点？2、试述塑性加工的一般分类。第46页/共65页2023/5/147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第47页/共65页2023/5/148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
19、机技术、信息技术、先进控制技术应用将计算机技术、信息技术、先进控制技术应用于传统加工技术于传统加工技术提高生产效率提高生产效率高速、全自动、无人化高速、全自动、无人化扩大产品范围扩大产品范围形状、尺寸的精确控制形状、尺寸的精确控制第48页/共65页2023/5/149 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第49页/共65页2023/5/150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控制实现组织性能的精确控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
20、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术分散成形技术分散成形技术第50页/共65页2023/5/151 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第51页/共65页2023/5/152非晶态合金超塑非晶态合金超塑性成形技术的应性成形技术的应用用微型齿轮微型齿轮微型齿轮微型齿轮微型拉伸机微型拉伸机微型拉伸机微型拉伸机第52页/共65页2023/5/153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
21、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、近终形、短流程成形（过程的一体化，是材料设计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）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）第53页/共65页2023/5/154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模型激光成形成形件精加工件第54页/共65页2023/5/155激光快速成形零件之例激光快速成形零件之例第55页/共65页2
22、023/5/156喷射沉积技术喷射沉积技术第56页/共65页2023/5/157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第57页/共65页2023/5/158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，增强冷却辊冷却法，增强冷却能力，并同时在凝固能力，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
23、。制备高性能带材。第58页/共65页2023/5/159快速凝固制备厚带第59页/共65页2023/5/160 双金属复合材料双结晶器连铸一次成形原理图第60页/共65页2023/5/161第61页/共65页2023/5/162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减少试行错误，缩短研发周期减少试行错误，缩短研发周期优化成形方法和工艺优化成形方法和工艺实现全过程的精确设计与控制实现全过程的精确设计与控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注意问题注意问题数值模拟的陷阱数值模拟的陷阱第62页/共65页2023/5/163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控制备与成形加工过程的实时在线监测和反馈控制融为一体的制备加工技术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控制实现全过程的精确设计与控制保证产品质量的均匀性与一致性保证产品质量的均匀性与一致性提高制备与加工的稳定性与可靠性提高制备与加工的稳定性与可靠性减少原材料、能源的消耗与废弃物的排放减少原材料、能源的消耗与废弃物的排放第63页/共65页2023/5/164谢谢！第64页/共65页2023/5/165感谢您的观看。第65页/共65页