塑性成形过程中相场法及其应用
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第1章相场法的特点
1.1 相场法的概念
相场法是一种基于经典热力学和动力学理论的半唯象方法[1]。该方法具有以下优点: 可以通过场变量简单明了地表征出任何一种复杂组织的几何形貌，包括单个区域或晶粒的几何形状，区域或晶粒的空间分布、体积分数等;可以考虑内部场和外加场(如应变场、电场和磁场) 对组织变化的影响;并且在2维和3维系统的应用并不增加模型的复杂性[2]。相场法已经十分成熟地应用于模拟凝固过程[1,3,4]，但是在固相-固相转变模拟的应用正处在活跃发展的阶段[5]。
1.2 相场法的特点
微观组织演化的经典动力学通过将有着固定结构和成分的晶粒严格区分的尖锐界面的几何形状来描述多相微观组织。然后微观组织的演化可以通过求解一系列非线性偏微分方程获得,其中移动界面满足自相容边界条件[6]。然而,对于复杂的微观组织,利用传统方法无法求出移动或自由界面的解析解,即使是其数值解也很难求出[7]。因此有关粒子形状、粒子数量的问题无法利用传统方法解决。为了解决大部分传统方法面临的困难,最近人们越来越有兴趣利用场动力学理论描述任意介观和微观组织以及其随时间的演化,其主要原因就是与其它模拟方法相比相场法具有一些其它模拟方法所不具备的独特之处:首先,相场法通过场变量可以简单明了地表征出任何一种复杂组织的几何形貌,而且包括单个区域或晶粒的几何形状,区域或晶粒的空间分布、体积分数、局部表面曲率(如表面的坡口角和二面角)和内界面这样的细节在内[8]。
其次,相场法可以对与长程和短程相互作用有关的各种热力学驱动力加以考虑,所以利用相场法可以研究内部场和外加场(如应变场、电场和磁场)对组织变化的影响。
第三,相场法可以在相同的物理和数学模型下模拟诸如:形核、长大、粗化和外场诱发的组织变化等不同的现象。
第四,相场法中的时间,尺寸和温度的标度可以根据卡恩一希利阿德扩散方程和金兹博格一朗道方程中采用的半唯象常数来确定。从原理上来说,这些标度可以和所研究系统的实验测量数据或者更基本的模拟数据相对应。
第五,相场法是一种相对简单的方法而且它在二维和三维系统的应用并不增加模型的复杂性。
第2章相场法的理论基础
2.1 相场法模拟的理论基础
相场法的理论基础是经典的热力学和动力学理论。例如:总体自由能的减少是组织变化的驱动力,原子和界面的迁移速率决定组织变化的速率。在组织变化的过程中,总自由能的减少通常包括以下的一个或几个部分:体化学自由能的降低;表面能和界面能的减少;弹性应变能的松弛以及与外作用场相关的能量的降低(如:外加应变场、电场和磁场)。在这些因素的驱动下,组织的各个组成部分(如各相和各区域)将通过扩散和界面控制的动力学过程发生变化,达到一种能量较低的新的状态,这种变化通常包括新相或新区域的形核(或连续分解)和新的多相/多区域组织随后的长大和粗化。
与传统的方法相比，相场法也是用偏微分方程来描述组织的变化，但是该方法是通过引入一套与时间和空间有关的场变量把复杂的组织作为一个整体来研究[9]。最熟悉的场变量的例子就是表征成分分布的浓度场和表征多相材料和多晶材料中结构变化的长程有序化参数场[10]。这些场变量随时间和空间的变化提供了关于介观尺寸的组织变化的全部信息。场变量的变化可以通过求解半唯象的动力学方程来获得。
在大多数固态相变中,除了结构的变化外还有成分的变化,因此还需要引入成分场c()作为场变量来描绘组织成分的变化。根据朗道理论可知以上所定义的场变量随时间的变化与系统的热力学驱动力成正比,可以通过这一原理确定一系列偏微分方程,求解这些偏微分方程可得出场变量随时间的变化,从而可以描述出合金组织随时间的变化。
2.1.1朗道相变理论
相场模型的理论基础是朗道(Landau)相变理论[11],该理论是建立在统计理论的平均场近似基础上的理论,具有形式简单、理论性强等特点。1937年,朗道建立了二级相变的唯象理论,把体系的自由能作为温度和序参量的函数展开为幕级数。该理论强调了相变时对称性改变的重要性,并采用一个反映体系内部状态的热力学变量即序参量来描述相变时的对称破缺。序参量反映了系统内部的有序化程度,它在高对称相等于零,而在低对称相则不等于零。对称破缺意味着出现了有序相,其序参量不为零。因此,序参量可以为某一物理量的平均值,既可以是标量也可以是矢量,在高温相中为零,在低温相中为一个有限值。相变则意味着序参量从零向非零的过渡,或其逆过程。
朗道二级相变理论假设自由能(f)为序参量(?)、温度(T)和压强(P)的函数,并将f按?的幂级数展开
f(P,T,?)=f
0+α?+A
1
?+A
2
?+A
3
?+
式中,系数α,A
1,A
2
,A
3
為都是P和T的函数。
2.1.2 扩散界面模型
在相转变和微结构演变的传统模拟方法中，不同畴之间的界面是尖锐的,多畴结构可以用界面的位置来描述[12]。每一个畴都可以通过求解一系列微分方程来得到其结构。因此,尖锐界面需要直接跟踪动态界面的演化过程。对于具有十分复杂的界面结构的问题,釆用经典尖锐界面模型去跟踪界面演化,给计算带来很大的困难。真实材料中的相界或晶界实际上并不是严格的零厚度界面,而是具有一定厚度的边界层,这层厚度控制着材料相变动力学(如凝固中的非平衡效应,溶质截流效应等现象。
在扩散界面模型中,微结构是通过一系列相场变量来描述。引入在空间和时间上都连续变化的相场变量可以把尖锐界面问题转变为弥散界面问题。在相场模型中,系统的自由能在整个模拟区域内用统一的形式来描述,因此在组织模拟过程中不再需要追踪复杂的相界面。
2.2 相场法模型的基本方程
连续场法的基本思想是选择一些场变量,这些场变量的动力学演化速度远远慢于微观系统中大量的微观自由度,使其在当前计算机处理能力范围内[13]。场变量的选择很重要,其原则是既不忽略必要的物理因素也不引入无关的因素。一般来讲,场变量应该代表系统的主要动力学特征并且在演化过程中起主要作用。场变量随时间的演化可以通过解偏微分方程获得,并假设场变量随时间的变化率正比于热力学驱动力(线性动力学理论)。
在相场法中,场变量随时间的变化通过唯象的与时间相关的金兹博格一朗道动力学方程求得:
其中,ψ
p
是所选的场变量,其准确选择取决于具体情况并且需要能反映系统的特征。一般说来,场变量可以是可测量的物理量,例如合金成分,而在有的情况下则很难定义这样的物理量,例如在液-固凝固的系统中,需要定义一定数量的取向场变量来表示凝固后各个取向的晶体结构[14]。场变量可以是标量、矢量、张量,这取决于具体的系统特征,此外我们所提到的标量场变量在像磁场这样的系统中可以表示有三个空间分量的矢量磁矩;该变量也可能是二阶张量例如表示液晶中确定的序列。
第3章相场法的主要步骤及数值解法
3.1计算机模拟的主要步骤如下：
(1)为所研究的特定的组织特征选择合适的慢速变量。
(2)根据系统的对称性和基本的热力学行为求出经晶粒粗化近似的自由能表达式且该表达式要以慢速变量为自变量[15]。
(3)根据实验数据或更基本的计算结果确定自由能函数中的唯象参数。
(4)确定合适的初始条件和边界条件并用数值方法对场动力学方程(一系列偏微分方程)求解。
3.2相场法的数值解法
针对研究对象的特征,构建好物理模型后,就需要求解模型的基本方程,并将基本方程所涉及的区域在时间和空间上进行离散化处理[]16]。求解物理模型通常有两种方法:(1)解析法,其主要特点是通过严格的数学推导求出问题的精确解(又称解析解);(2)数值法,它通过一定的算法和程序,利用计算机计算出问题的近似解(又称数值解)。在相场模型中,材料微结构演化的问题最终转化为求解一系列相场方程。由于体系总自由能f通常是非线性方程,使得相场方程成为了一系列高度非线性的偏微分方程,而这类偏微分方程通常难以得到解析解[17]。因此,采用计算机数值计算方法对相场方程进行求解就显得十分必要。
目前,求解偏微分方程的数值计算方法主要包括有限差分法、傅里叶谱方法和有限元方法。
3.2.1 有限差分法
有限差分法是一种以差分原理为基础的数值计算方法。其基本思想是将整个连续的空间离散成小网格,然后用网格节点中的差商代替原微分方程中的微分,用网格节点中的函数求和代替原方程中的积分[18],由此就把原来求解偏微分方程的问题转换为求解相邻网格点上差分方程组的问题。
将整个连续空间离散为许多小网格,原则上讲,网格分割是可以任意的。但在实际应用中,通常是根据边界形状,釆用最简单、最有规律的方法来分割。常用的有矩形分割法,三角形分割法和极坐标网格分割法。
3.2.2 傅里叶谱方法
傅里叶谱方法是另一种重要的求解偏微分方程的数值计算方法[19]。该方法在求解偏微分方程方面具有很大潜力,因为有快速傅里叶变换而具有强大的威力。
相场法在处理边界问题时,通常釆用周期性边界条件[20],而快速傅里叶变换在处理周期性边界条件时非常方便。
第4章相场法的应用
由于相场法所具备的各种独特优点,目前相场法已经在各种不同的材料研究领域内得到了应用[21-23],主要包括以下几个方面:凝固过程、晶粒长大过程、固态相变和位错演化过程。
4.1 凝固模拟
凝固过程微观组织模拟己日趋成为当前材料学科的研究热点,目前主要有确定性模型、随机性模型和相场模型。凝固过程中枝晶的生长是一种分形生长,其固液界面异常复杂,而采用一般的方法都必须精确跟踪这一复杂界面的运动,因此使得计算非常复杂,难以编程实现。相比之下相场法无需跟踪界面的特点就显得异常吸引人。
Wheeler[24]等人建立二元合金等温凝固的 WBM 模型，后经Warren修正，模拟得到了 Ni-Cu 等温凝固的枝晶形貌。Kim[25]等将薄界面处理方法应用于合金的相场模型中，提出了 KKS 模型。
4.2 晶粒长大模拟
晶粒长大是纯金属、合金、陶瓷等多晶材料在制备和热加工中最普遍的现象,通过相场法可以拟形核，长大，粗化等转变过程[26]。对材料的性能有着很重要的影响。Chen[27]首先提出的以相场模型描述晶粒长大过程的多晶相场模型,该模型的特点是将晶界作弥散化(在含晶界的区域晶体几何结构和物理性质上连续过渡)处理,通过构造具有多个势阱形式的自由能密度函数，模拟了二维理想晶粒长大过程，不必直接跟踪复杂的动态界面演化过程,克服了用Potts[28]等尖锐界面模型模拟晶粒长大时存在的问题。且易于将物理场与晶界几何形态等复杂因素对晶粒长大过程的影响考虑进来,物理意义更加明确,更适合从热力学角度唯象描述晶粒长大过程方面的模拟计算工作。
第二相颗粒钉扎作用也是材料学中常见的现象之一，弥散分布的第二相粒子已经成为控制晶粒尺寸的常用手段。Moelans[29]等人提出了加入第二相颗粒的连续相场模型，采用额外的自由能密度函数来描述第二相，模拟研究了二维和三维空间下第二相钉扎晶粒长大的现象[30]，指出成分和结构影响作用较小，起决定性作用的是第二相颗粒的尺寸。
4.3 固态相变模拟
固态相变的最终目标是调整金属及合金的化学成分和组织结研究金属及合金的结构，赋予材料人们所要求的各种性能，利用相场法研究固态相变得到了广
泛的应用在固态相变方面,相场法更是得到了广泛的应用[31]。无论是各种扩散型相变,如调幅分解、沉淀反应等,还是无扩散型相变,如马氏体转变、铁电转变及各种结构相变。Mebed[32]等人采用相场法模拟证明了Ti-Cr二元合金失稳分解的
相转变为存在,并得到了和实验一致的结果。Chen等研究了Ti-Al-Nb合金中α
2
O型相的过程。Katzarov[33]等利用相场模型模拟了γ-TiAl合金中层片组织的形成。
4.4 再结晶模拟
在研究再结晶相关方面，虽然相场法也得到了一定的应用，但是由于再结晶过程的复杂性，变量因素较多，限制了相场法在再结晶方面的发展。近年来，在相关工作者的共同努力下，借助相场法研究再结晶过程得到了长足的进步。Wang[34]等通过建立相场模型，对AZ31镁合金再结晶晶粒长大过程进行了模拟研究。Gao[29]等运用相场动力学方程对变形镁合金静态再结晶过程进行了模拟，研究了静态再结晶过程和储存能的释放规律。Suwa[35]等结合统一的亚晶生长理论利用相场模型研究了静态再结晶过程。然而这些工作只局限于静态再结晶过程，而对于动态再结晶过程，Takaki[33]等通过建立多相场动态再结晶模型研究了变形量对动态再结晶过程微观组织与宏观应力-应变关系的影响，但是未对变形温度、多阶段变形的影响进行深入研究。
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《金属塑性成形原理》习题（2）答案 一、填空题 1. 设平面三角形单元内部任意点的位移采用如下的线性多项式来表示： ，则单元内任一点外的应变可表示为＝。 2. 塑性是指：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。 3. 金属单晶体变形的两种主要方式有：滑移和孪生。 4. 等效应力表达式：。 5.一点的代数值最大的__ 主应力__ 的指向称为第一主方向，由第一主方向顺时针转所得滑移线即为线。 6. 平面变形问题中与变形平面垂直方向的应力σ z = 。 7．塑性成形中的三种摩擦状态分别是：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦。8．对数应变的特点是具有真实性、可靠性和可加性。 9．就大多数金属而言，其总的趋势是，随着温度的升高，塑性提高。 10．钢冷挤压前，需要对坯料表面进行磷化皂化润滑处理。 11．为了提高润滑剂的润滑、耐磨、防腐等性能常在润滑油中加入的少量活性物质的总称叫添加剂。 12．材料在一定的条件下，其拉伸变形的延伸率超过１００％的现象叫超塑性。 13．韧性金属材料屈服时，密席斯（Mises）准则较符合实际的。 14．硫元素的存在使得碳钢易于产生热脆。 15．塑性变形时不产生硬化的材料叫做理想塑性材料。 16．应力状态中的压应力，能充分发挥材料的塑性。 17．平面应变时，其平均正应力σm 等于中间主应力σ2。
18．钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性降低。 19．材料经过连续两次拉伸变形，第一次的真实应变为ε1＝０.1，第二次的真实应变为ε2＝０.25，则总的真实应变ε＝0.35 。 20．塑性指标的常用测量方法拉伸试验法与压缩试验法。 21．弹性变形机理原子间距的变化；塑性变形机理位错运动为主。 二、下列各小题均有多个答案，选择最适合的一个填于横线上 1．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响 A 工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。 Ａ、大于；Ｂ、等于；Ｃ、小于； 2．塑性变形时不产生硬化的材料叫做 A 。 Ａ、理想塑性材料；Ｂ、理想弹性材料；Ｃ、硬化材料； 3．用近似平衡微分方程和近似塑性条件求解塑性成形问题的方法称为 B 。 Ａ、解析法；Ｂ、主应力法；Ｃ、滑移线法； 4．韧性金属材料屈服时， A 准则较符合实际的。 Ａ、密席斯；Ｂ、屈雷斯加；Ｃ密席斯与屈雷斯加； 5．由于屈服原则的限制，物体在塑性变形时，总是要导致最大的 A 散逸，这叫最大散逸功原理。 Ａ、能量；Ｂ、力；Ｃ、应变； 6．硫元素的存在使得碳钢易于产生 A 。 Ａ、热脆性；Ｂ、冷脆性；Ｃ、兰脆性； 7．应力状态中的 B 应力，能充分发挥材料的塑性。 Ａ、拉应力；Ｂ、压应力；Ｃ、拉应力与压应力； 8．平面应变时，其平均正应力σｍ B 中间主应力σ２。 Ａ、大于；Ｂ、等于；Ｃ、小于； 9．钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 B 。 Ａ、提高；Ｂ、降低；Ｃ、没有变化； 10．多晶体经过塑性变形后各晶粒沿变形方向显著伸长的现象称为 A 。 Ａ、纤维组织；Ｂ、变形织构；Ｃ、流线； 三、判断题 1．按密席斯屈服准则所得到的最大摩擦系数μ=0.5。（×） 2．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响小于工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。
《金属塑性成形原理》习题集 运新兵编 模具培训中心 二OO九年四月
第一章 金属的塑性和塑性变形 1．什么是金属的塑性？什么是变形抗力？ 2．简述变形速度、变形温度、应力状态对金属塑性和变形抗力的影响。如何提高金属的塑性？ 3．什么是附加应力？ 附加应力分几类？试分析在凸形轧辊间轧制矩形板坯时产生的附加应力？ 4．什么是最小阻力定律？最小阻力定律对分析塑性成形时的金属流动有何意义？ 5．塑性成形时，影响金属变形和流动的因素有哪些？各产生什么影响？ 6．为什么说塑性成形时金属的变形都是不均匀的？不均匀变形会产生什么后果？ 7．什么是残余应力？残余应力有哪几类？会产生什么后果？如何消除工件中的残余应力？ 8．摩擦在金属塑性成形中有哪些消极和积极的作用？塑性成形中的摩擦有什么特点？ 9．塑性成形中的摩擦机理是什么？ 10． 塑性成形时接触面上的摩擦条件有哪几种？各适用于什么情况？ 11． 塑性成形中对润滑剂有何要求？ 12． 塑性成形中常用的液体润滑剂和固体润滑剂各有哪些？石墨和二硫化钼 如何 起润滑作用？ 第二章 应力应变分析 1．什么是求和约定？张量有哪些基本性质？ 2．什么是点的应力状态？表示点的应力状态有哪些方法？ 3．什么是应力张量、应力球张量、应力偏张量和应力张量不变量？ 4．什么是主应力、主剪应力、八面体应力？ 5．什么是等效应力？有何物理意义？ 6．什么是平面应力状态、平面应变的应力状态？ 7．什么是点的应变状态？如何表示点的应变状态？ 8．什么是应变球张量、应变偏张量和应变张量不变量？ 9．什么是主应变、主剪应变、八面体应变和等效应变？ 10． 说明应变偏张量和应变球张量的物理意义？ 11． 塑性变形时应变张量和应变偏张量有和关系？其原因何在？ 12． 平面应变状态和轴对称状态各有什么特点？ 13． 已知物体中一点的应力分量为???? ??????---=30758075050805050ij σ，试求方向余弦为21==m l ，2 1=n 的斜面上的全应力、正应力和剪应力。 14． 已知物体中一点的应力分量为???? ??????---=10010010010010ij σ，求其主应力、主剪应力、八面体应力、应力球张量及应力偏张量。 15． 设某物体内的应力场为
金属塑性成形原理课程标准 (78学时) 一.课程性质和任务 本课程是高等职业技术学校材料成形专业的一门专业基础课程。通过本课程的学习，使学生了解有关塑性成形原理的专业知识；掌握塑性成形方法及简单工艺流程，应力.应变和塑性变形的相关知识；变形力计算方法；塑性成形件质量的一般分析方法；掌握压力加工模拟及其成立条件。 二.课程教学目标 本课程的教学目标是：使学生掌握塑性.塑性加工方法.塑性加工变形力计算等相关概念，包括晶体缺陷.晶格类型.塑性成形件质量分析.各种计算变形力的方法等。并且使学生掌握塑性相关概念，质量分析方法及变形力的理论计算；培养学生动手分析计算解决实际问题的能力。 (一) 知识教学目标 1．掌握塑性.塑性加工的相关基础知识。 2．掌握热加工.冷加工的区别及各自的优缺点。 3. 掌握金属变形区域的应力.应变分析方法。 4．熟悉塑性成形件的质量分析方法。 5．掌握变形力计算相关理论推导公式。 6．掌握主应力法.上限法的计算方法。 7．掌握塑性成形中的摩擦及其影响因素。 8．了解刚塑性有限元法的基本原理。 9. 了解压力加工模拟的条件及意义. (二) 能力培养目标 1．对本专业的发展历史.发展趋势有所了解。 2．能对塑性成形中质量影响因素进行分析。 3．具有对实际成形计算其变形力的能力。 (三) 思想教育目标 1．具有热爱科学.实事求是的学风和勇于实践.勇于创新的意识和精神。 2．具有良好的职业道德。
三.教学内容和要求 基础模块 (一)绪论 1．金属塑性成形特点及分类 掌握塑性成形的优点及局限性。 2．金属塑性成形原理课程的目的和任务 了解本课程的学习目的和任务，掌握学习方法。 3．金属塑性成形理论的发展概况 了解塑性理论的发展历史及今后发展趋势。 (二) 金属塑料变形的物理基础 1．金属冷态下的塑性变形 掌握冷加工的优缺点； 了解冷加工的适用范围。 2．金属热态下的塑性变形 掌握热加工的优缺点； 了解热加工的适用范围。 3. 金属的超塑性变形 了解超塑性的概念； 掌握超塑性原； 了解超塑性的应用前景。 4. 金属在塑性加工过程中的塑性行为 了解常见的金属塑性行为及其影响因素 (三) 金属塑性变形的力学基础 1．应力分析 理解内力.外力.面力.体积力的概念； 掌握塑性变形中应力分析的方法。 2．应变分析 理解应变的相关概念； 掌握塑性变形中应变分析的方法。 3．平面问题和轴对称问题 了解平面问题和轴对称问题的基本概念； 掌握平面问题和轴对称问题的常见处理方法。 4．屈服准则 理解材料的屈服现象； 掌握屈雷斯加屈服准则及米塞斯准则的使用原则和范围；了解影响材料屈服强度的相关因素。 5．塑性变形时的应力应变关系 掌握本构关系满足的条件； 掌握应力应变关系的应用条件和场合。 6．真实应力—应变曲线
一、名词解释 1. 主应力：只有正应力没有切应力的平面为主平面，其面上的应力为主应力。 2. 主切应力：切应力最大的平面为主切平面，其上的切应力为主主切应力。 3. 对数应变 答：变形后的尺寸与变形前尺寸之比取对数 4. 滑移线 答：最大切应力的方向轨迹。 5. 八面体应力：与主平面成等倾面上的应力 6. 金属的塑性：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。 7. 等效应力：又称应力强度，表示一点应力状态中应力偏张量的综合大小。 8. 何谓冷变形、热变形和温变形：答冷变形：在再结晶温度以下，通常是指室温的变形。热变形：在再结晶温度以上的变形。 温变形在再结晶温度以下，高于室温的变形。 9. 何谓最小阻力定律：答变形过程中，物体质点将向着阻力最小的方向移动，即做最少的功，走最短的路。 10.金属的再结晶 答：冷变形金属加热到一定的温度后，在原来变形的金属中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金属的冷变形组织的过程。 11. π平面 答：是指通过坐标原点并垂于等倾线的平面。 12.塑性失稳 答：在塑性加工中，当材料所受的载荷达到某一临界后，即使载荷下降，塑性变形还会继续，这种想象称为塑性失稳。 13.理想刚塑性材料：在研究塑性变形时，既不考虑弹性变形，又不考虑变形过程中的加工硬化的材料。P139 14.应力偏张量：应力偏张量就是应力张量减去静水压力，即：σij ′ =σ－δij σm 二、填空题 1. 冷塑性变形的主要机理:滑移和孪生 2. 金属塑性变形的特点：不同时性、相互协调性和不均匀性。 3. 由于塑性变形而使晶粒具有择优取向的组织称为：变形织构 。 4. 随着变形程度的增加,金属的强度 硬度增加,而塑性韧性降低,这种现象称为：加工硬化。 5. 超塑性的特点:大延伸率、低流动应力、无缩颈、易成形、无加工硬化 。 6. 细晶超塑性变形力学特征方程式中的m 为:应变速率敏感性指数。 7. 塑性是指金属在外力作用下,能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力 。 8. 塑性指标是常用的两个塑性指标是：伸长率和断面收缩率。 9. 影响金属塑性的因素主要有：化学成分、组织状态、变形温度、应变速率、应力状态(变形力学条)。 10. 晶粒度对于塑性的影响为：晶粒越细小，金属的塑性越好。 11. 应力状态对于塑性的影响可描述为：(静水压力越大)主应力状态下压应力个数越多，数值越大时,金属的塑性越好。 12. 通过试验方法绘制的塑性——温度曲线,称为：塑性图 。 13. 用对数应变表示的体积不变条件为: 0x y z εεε++=。 14. 平面变形时,没有变形方向(设为z 向)的正应力为： 21311=()=()=22 z x y m σσσσσσσ=++。 15. 纯切应力状态下，两个主应力数值上相等,符号相反 。
名师整理精华知识点 名词解释 塑性成型：金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成形并获得一定力学性能的加工方法 加工硬化：略 动态回复：在热塑性变形过程中发生的回复 动态再结晶：在热塑性变形过程中发生的结晶 超塑性变形：一定的化学成分、特定的显微组织及转变能力、特定的变形温度和变形速率等，则金属会表现出异乎寻常的高塑性状态 塑性：金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。 屈服准则（塑性条件）：在一定的变形条件下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，指点才开始进入塑性状态，这种关系成为屈服准则。 塑性指标：为衡量金属材料塑性的好坏，需要有一种数量上的指标。 晶粒度：表示金属材料晶粒大小的程度，由单位面积所包含晶粒个数来衡量，或晶粒平均直径大小。填空 1、塑性成形的特点（或大题？） 1组织性能好（成形过程中，内部组织发生显著变化）2材料利用率高（金属成形是靠金属在塑性状态下的体积转移来实现的，不切削，废料少，流线合理）3尺寸精度高（可达到无切削或少切屑的要求）4生产效率高适于大批量生产 失稳——压缩失稳和拉伸失稳 按照成形特点分为1块料成形（一次加工、轧制、挤压、拉拔、二次加工、自由锻、模锻2板料成形多晶体塑性变形——晶内变形（滑移，孪生）和晶界变形 超塑性的种类——细晶超塑性、相变超塑性 冷塑性变形组织变化——1晶粒形状的变化2晶粒内产生亚结构3晶粒位向改变 固溶强化、柯氏气团、吕德斯带（当金属变形量恰好处在屈服延伸范围时，金属表面会出现粗超不平、变形不均匀的痕迹，称为吕德斯带） 金属的化学成分对钢的影响（C略、P冷脆、S热脆、N兰脆、H白点氢脆、O塑性下降热脆）；组织的影响——单相比多相塑性好、细晶比粗晶好、铸造组织由于有粗大的柱状晶粒和偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷、塑性降低。 摩擦分类——干摩擦、边界摩擦、流体摩擦 摩擦机理——表面凹凸学说、分子吸附学说、粘着理论 库伦摩擦条件T=up 常摩擦力条件 t=mK 塑性成形润滑——1、特种流体润滑法2、表面磷化-皂化处理3、表面镀软金属 常见缺陷——毛细裂纹、结疤、折叠、非金属夹杂、碳化物偏析、异金属杂物、白点、缩口残余 影响晶粒大小的主要因素——加热温度、变形程度、机械阻碍物 常用润滑剂——液体润滑剂、固体润滑剂（干性固体润滑剂、软化型固体润滑剂） 问答题 1、提高金属塑性的基本途径 1、提高材料成分和组织的均匀性 2、合理选择变形温度和应变速率 3、选择三向压缩性较强的变形方式 4、减小变形的不均匀性 2、塑性成形中的摩擦特点 1、伴随有变形金属的塑性流动 2、接触面上压强高 3、实际接触面积大 4、不断有新的摩擦面产生 5、常在高温下产生摩擦 3、塑性成形中对润滑剂的要求 1、应有良好的耐压性能 2、应有良好的耐热性能 3、应有冷却模具的作用 4、应无腐蚀作用 5、应无毒 6、应使用方便、清理方便 4、防止产生裂纹的原则措施 1、增加静水压力 2、选择和控制适合的变形温度和变形速度 3、采用中间退火，以便消除变形过程中产生的硬化、变形不均匀、残余应力等。 4、提高原材料的质量 5、细化晶粒的主要途径 1、在原材料冶炼时加入一些合金元素及最终采用铝、钛等作为脱氧剂 2、采用适当的变形程度和变形温度 3、采用锻后正火或退火等相变重结晶的方法 6、真实应力-应变的简化形式及其近似数学表达式1、幂指数硬化曲线Y=B?n 2、有初始屈服应力的刚塑性硬化曲线Y=σs+B1?m 3、有初始屈服应力的刚塑性硬化直线Y=σs+B2?4、无加工硬化的水平直线Y=σs 7、为什么晶粒越细小，强度和塑性韧性都增加？晶粒细化时，晶内空位数目与位错数目都减少，位错与空位、位错间的交互作用几率减小，位错易于运动，即塑性好。位错数目少，塞积位错数目少，使应力集中降低。晶粒细化使晶界总面积增加，致使裂纹扩展的阻力增加，推迟了裂纹的萌生，增加了断裂应变。晶粒细小，裂纹穿过晶界进入相邻晶粒并改变方向的频率增加，消耗的能量增加，韧性增加。另外晶界总面积增加可以降低晶界上的杂质浓度，减轻沿晶脆性断裂倾向。 8、变形温度对金属塑性的影响 总趋势：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的线性上升；在加热过程的某些温度区间，往往由于相态或晶粒边界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。在一般情况下，温度由绝对零度上升到熔点时，可能出现几个脆性区，包括低温的、中温的、和高温的脆性区。 9、动态回复、为什么说是热塑性变形的主要软化机制？ 动态回复是指在热塑性变形过程中发生的回复，2，动态回复，主要是通过位错的攀移，交滑移等，来实现的，对于铝镁合金、铁素体钢等，由于它们层错能高，变形时扩展位错宽度窄，集束容易，位错的攀移和交滑移容易进行，位错容易在滑移面间转动，而使异号位错相互抵消，结果使位错密度下降，畸变能降低，不足以达到动态再结晶所需的能量水平。因此这类金属在热塑性变形过程中，即使变形程度很大，变形温度远高于再结晶温度，也只会发生动态回复，而不发生动态再结晶。 10、什么是动态再结晶，其主要影响因素？（自己总结吧，课本太乱） 动态再结晶：在热塑性变形过程中发生的结晶。与金属的位错能高地有关，与晶界迁移的难易有关 ，金属越纯，发生动态再结晶的能力越强。
浅谈铸造成型与塑性成形的新发展摘要：经过了三个多月的金属工艺学学习，课程也将要接近尾声了，在杨老师的课程中，我学到了很多关于金属铸造、成型的各种原理和发展过程和发展前景，随着我国的科学技术和工业化的发展，也大大的促进了制造业和制造工艺的发展，推动了铸造成型和塑性成形的新工艺的开发和创新，使得铸造成型和塑性成形的工艺朝着批量化、工艺化、精细化、轻量化的方向有了长足的进步，接下来我就铸造成型和塑性成形的一些了解的进行一下简单的论述。 关键词：铸造成型铸造工艺新工艺塑性成形缺点技术发展 随着科学技术在各个领域的突破，尤其是计算机的广泛应用，促进了铸造技术塑性成形的飞速发展，各种工艺技术与铸造技术的相互渗透和结合，也促进了铸造新工艺、新方法的发展。通过与计算机的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性成形相关联的技术的发展大大的促进了塑性成形的飞速发展。 一、铸造成型 铸造种类很多，按造型方法习惯上分为：①普通砂型铸造，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类。②特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、铸造车间壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。 铸造工艺通常包括： ①铸型（使液态金属成为固态铸件的容器）准备，铸型按所用材料可分为砂型、金属型、陶瓷型、泥型、石墨型等，按使用次数可分为一次性型、半永久型和永久型，铸型准备的优劣是影响铸件质量的主要因素； ②铸造金属的熔化与浇注，铸造金属（铸造合金）主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金； ③铸件处理和检验，铸件处理包括清除型芯和铸件表面异物、切除浇冒口、铲磨毛刺和披缝等凸出物以及热处理、整形、防锈处理和粗加工等。 近年来基于汽车轻量化的要求，越来越多的汽车零件正逐步由钢、铁改为铝、镁、塑料等轻质材料，其中以铝代钢铁是当前汽车轻量化的主要发展方向。而由于效率、成本、性能的综合考虑，目前采用压铸成形的零件越来越多，零件结构越来越复杂。 压铸合金材料也从常规的亚共晶Al-Si-Cu系（ADC12，A380）或共晶Al-Si系（YL102）合金向特殊的合金材料发展，如过共晶的Al-Si-Cu系合（ADC14A390）、亚共晶的Al-Si-Mg 系（AlSi10MgFe）以及Al-Mg系（AlMg5）合金等也正逐步大量应用于压铸零件中。过共晶Al-Si合金由于具有热膨胀系数小、密度小、耐磨及高温性能好、铸造性能优良等特点，是高强度、耐磨、低膨胀零件如汽车活塞汽缸体、斜盘、离合器齿轮等的理想材料但是目前国内外有关Al-Si合金的压铸件开发及应用的报道很少。 铸造成型的新工艺主要有三个方向 一是凝固理论推动的铸造技术的发展，主要的成就是定向凝固和单晶、细晶铸造、半固态铸造、快速凝固铸造和其他凝固铸造、差压铸造等通过控制凝固过程而提高材料性能，减少缩松缩孔，从而获得优质的铸件。 二是造型技术的新发展，主要有气体冲压造型，静压造型，真空密封造型，冷冻造型。 三是计算机技术推动的铸造新发展，计算机技术是21世纪的核心技术，是改造传统铸造产业的必由之路。运用计算机对铸造生产过程进行设计、仿真、模拟，可以帮助工程技术人员优化工艺设计，缩短产品制造周期，降低生产成本，确保铸件质量。现代的计算机技术在铸造方面的应用主要有铸造过程的数值模拟和制造工艺CAD两方面。
第一章 1.什么是金属的塑性？什么是塑性成形？塑性成形有何特点？ 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； 塑性变形----当作用在物体上的外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形；塑性成形----金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成型并获得一定力学性能 的加工方法，也称塑性加工或压力加工； 塑性成形的特点：①组织、性能好②材料利用率高③尺寸精度高④生产效率高 2.试述塑性成形的一般分类。 Ⅰ.按成型特点可分为块料成形(也称体积成形)和板料成型两大类 1）块料成型是在塑性成形过程中靠体积转移和分配来实现的。可分为一次成型和二次加工。一次加工： ①轧制----是将金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间使其产生塑性变形，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。分纵轧、横轧、斜轧；用于生产型材、板材和管材。 ②挤压----是在大截面坯料的后端施加一定的压力，将金属坯料通过一定形状和尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得符合模孔截面形状的小截面坯料或零件的塑性成形方法。分正挤压、反挤压和复合挤压；适于(低塑性的)型材、管材和零件。 ③拉拔----是在金属坯料的前端施加一定的拉力，将金属坯料通过一定形状、尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的小截面坯料的塑性成形方法。生产棒材、管材和线材。 二次加工： ①自由锻----是在锻锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭料或坯料锻成所需的形 状和尺寸的加工方法。精度低，生产率不高，用于单件小批量或大锻件。 ②模锻----是将金属坯料放在与成平形状、尺寸相同的模腔中使其产生塑性变形，从 而获得与模腔形状、尺寸相同的坯料或零件的加工方法。分开式模锻和闭式模锻。 2）板料成型一般称为冲压。分为分离工序和成形工序。 分离工序：用于使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，如冲裁、剪切等工序； 成型工序：用来使坯料在不破坏的条件下发生塑性变形，成为具有要求形状和尺寸的零件，如弯曲、拉深等工序。 Ⅱ.按成型时工件的温度可分为热成形、冷成形和温成形。 第二章 3.试分析多晶体塑性变形的特点。 1）各晶粒变形的不同时性。不同时性是由多晶体的各个晶粒位向不同引起的。 2）各晶粒变形的相互协调性。晶粒之间的连续性决定，还要求每个晶粒进行多系滑移；每个晶粒至少要求有5个独立的滑移系启动才能保证。 3）晶粒与晶粒之间和晶粒部与晶界附近区域之间的变形的不均匀性。 Add： 4）滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。 5）多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。 6）塑性变形时，导致一些物理，化学性能的变化。 7）时间性。hcp系的多晶体金属与单晶体比较，前者具有明显的晶界阻滞效应和极高的加工硬化率，而在立方晶系金属中，多晶和单晶试样的应力—应变曲线就没有那么大的差别。 4.试分析晶粒大小对金属塑性和变形抗力的影响。
塑性成形过程中相场法及其应用 学生姓名： 学号： 学生所在院（系）：
第1章相场法的特点 1.1 相场法的概念 相场法是一种基于经典热力学和动力学理论的半唯象方法[1]。该方法具有以下优点: 可以通过场变量简单明了地表征出任何一种复杂组织的几何形貌，包括单个区域或晶粒的几何形状，区域或晶粒的空间分布、体积分数等;可以考虑内部场和外加场(如应变场、电场和磁场) 对组织变化的影响;并且在2维和3维系统的应用并不增加模型的复杂性[2]。相场法已经十分成熟地应用于模拟凝固过程[1,3,4]，但是在固相-固相转变模拟的应用正处在活跃发展的阶段[5]。 1.2 相场法的特点 微观组织演化的经典动力学通过将有着固定结构和成分的晶粒严格区分的尖锐界面的几何形状来描述多相微观组织。然后微观组织的演化可以通过求解一系列非线性偏微分方程获得,其中移动界面满足自相容边界条件[6]。然而,对于复杂的微观组织,利用传统方法无法求出移动或自由界面的解析解,即使是其数值解也很难求出[7]。因此有关粒子形状、粒子数量的问题无法利用传统方法解决。为了解决大部分传统方法面临的困难,最近人们越来越有兴趣利用场动力学理论描述任意介观和微观组织以及其随时间的演化,其主要原因就是与其它模拟方法相比相场法具有一些其它模拟方法所不具备的独特之处:首先,相场法通过场变量可以简单明了地表征出任何一种复杂组织的几何形貌,而且包括单个区域或晶粒的几何形状,区域或晶粒的空间分布、体积分数、局部表面曲率(如表面的坡口角和二面角)和内界面这样的细节在内[8]。 其次,相场法可以对与长程和短程相互作用有关的各种热力学驱动力加以考虑,所以利用相场法可以研究内部场和外加场(如应变场、电场和磁场)对组织变化的影响。 第三,相场法可以在相同的物理和数学模型下模拟诸如:形核、长大、粗化和外场诱发的组织变化等不同的现象。 第四,相场法中的时间,尺寸和温度的标度可以根据卡恩一希利阿德扩散方程和金兹博格一朗道方程中采用的半唯象常数来确定。从原理上来说,这些标度可以和所研究系统的实验测量数据或者更基本的模拟数据相对应。 第五,相场法是一种相对简单的方法而且它在二维和三维系统的应用并不增加模型的复杂性。
第五节其它塑性成形方法 随着工业的不断发展，人们对金属塑性成形加工生产提出了越来越高的要求，不仅要求生产各种毛坯，而且要求能直接生产出更多的具有较高精度与质量的成品零件。其它塑性成形方法在生产实践中也得到了迅速发展和广泛的应用，例如挤压、拉拔、辊轧、精密模锻、精密冲裁等。 一、挤压 挤压：指对挤压模具中的金属锭坯施加强大的压力作用，使其发生塑性变形从挤压模具的模口中流出，或充满凸、凹模型腔，而获得所需形状与尺寸制品的塑性成形方法。 挤压法的特点： （1）三向压应力状态，能充分提高金属坯料的塑性，不仅有铜、铝等塑性好的非铁金属，而且碳钢、合金结构钢、不锈钢及工业纯铁等也可以采用挤压工艺成形。在一定变形量下，某些高碳钢、轴承钢、甚至高速钢等也可以进行挤压成形。对于要进行轧制或锻造的塑性较差的材料，如钨和钼等，为了改善其组织和性能，也可采用挤压法对锭坯进行开坯。 （2）挤压法可以生产出断面极其复杂的或具有深孔、薄壁以及变断面的零件。 （3）可以实现少、无屑加工，一般尺寸精度为IT8～IT9，表面粗糙度为Ra3.2～0.4μ m，从而 （4）挤压变形后零件内部的纤维组织连续，基本沿零件外形分布而不被切断，从而提高了金属的力学性能。 （5）材料利用率、生产率高；生产方便灵活，易于实现生产过程的自动化。 挤压方法的分类： 1．根据金属流动方向和凸模运动方向的不同可分为以下四种方式：
（１）正挤压金属流动方向与凸模运动方向相同，如图2-69所示。 （２）反挤压金属流动方向与凸模运动方向相反，如图2-70所示。 （３）复合挤压金属坯料的一部分流动方向与凸模运动方向相同，另一部分流动方向与凸模运动方向相反，如图2-71所示。 （４）径向挤压金属流动方向与凸模运动方向成90°角，如图2-72所示。 图2-69 正挤压 图2-70 反挤压
《金属塑性成形原理》 习题答案 一、填空题 1.衡量金属或合金的塑性变形能力的数量指标有伸长率和断面收缩率。 2.所谓金属的再结晶是指冷变形金属加热到更高的温度后，在原来变形的金属中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金属的冷变形组织的过程。 3.金属热塑性变形机理主要有：晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移和扩散蠕变等。 4.请将以下应力张量分解为应力球张量和应力偏张量 ＝＋ 5.对应变张量，请写出其八面体线变与八面体切应变的表达式。 ＝； ＝。 6.1864年法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）根据库伦在土力学中研究成果，并从他自已所做的金属挤压试验，提出材料的屈服与最大切应力有关，如果采用数学的方式，屈雷斯加屈服条件可表述为 。
7.金属塑性成形过程中影响摩擦系数的因素有很多，归结起来主要有金属的种类和化学成分、工具的表面状态、接触面上的单位压力、变形温度、变形速度等几方面的因素。 8.变形体处于塑性平面应变状态时，在塑性流动平面上滑移线上任一点的切线方向即为该点的最大切应力方向。对于理想刚塑性材料处于平面应变状态下，塑性区内各点的应力状态不同其实质只是平均应力 不同，而各点处的最大切应力为材料常数。 9.在众多的静可容应力场和动可容速度场中，必然有一个应力场和与之对应的速度场，它们满足全部的静可容和动可容条件，此唯一的应力场和速度场，称之为真实应力场和真实速度场，由此导出的载荷，即为真实载荷，它是唯一的。 10.设平面三角形单元内部任意点的位移采用如下的线性多项式来表示： ，则单元内任一点外的应变可表示为＝。 11、金属塑性成形有如下特 点：、、、。 12、按照成形的特点，一般将塑性成形分为和两大类，按照成形时工件的温度还可以分为、和 三类。 13、金属的超塑性分为和两大类。 14、晶内变形的主要方式和单晶体一样分为和。其中变形是主要的，而变形是次要的，一般仅起调节作用。
欢迎共阅填空题 1.冷塑性变形的主要机理:滑移和孪生 2.金属塑性变形的特点:不同时性、相互协调性和不均匀性. 3.由于塑性变形而使晶粒具有择优取向的组织,称为:变形织构 4.随着变形程度的增加,金属的强度硬度增加,而塑性韧性降低,这种现象称为:加工硬化 5.超塑性的特点:大延伸率低流动应力无缩颈易成形无加工硬化 6.细晶超塑性变形力学特征方程式中的m为:应变速率敏感性指数 7.塑性是指金属在外力作用下,能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力 8.:伸长9. 10. 11., 12. 13.: 14. 15. 16. 1.155 17.当主应力顺序 ε 为: 1 18. 19. 20. 21. 22.不考虑速度间断时的虚功(率)方程的表达式为:
选择题 1下面选项中哪个不是热塑性变形对金属组织和性能的影响() A 改善晶粒组织C 形成纤维组织 B 产生变形织构D 锻合内部缺陷 2导致钢的热脆性的杂质元素是() A 硫C 磷B 氮D 氢 3 A 45） A 6A 1(2i i u x ??7A B C 应变增量主轴与当时的应变全量主轴不一定重合 Ｄ 应变增量ｄε ｉｊ 对时间ｔ的导数 即为应变速率ε ｉｊ 8关于滑移线的说法，错误的是（ ） A 滑移线必定是速度间断线 B 沿同一条滑移线的速度间断值为常数 C 沿滑移线方向线应变增量为零 D 直线型滑移线上各点的应力状态相同
9根据体积不变条件，塑性变形时的泊松比ν（ ） A ＜0.5 C ＝0.5B ＞0.5 10下面关于粗糙平砧间圆柱体镦粗变形说法正确的有（） AI 区为小变形区 BII 区为难变形区 C III 区为小变形区 11A 12A B C Ｄ A 连续性A n m ?B 某受力物体内应力场为： 0,,2 3 ,6233222312===--=-=+-=zx yz z xy y x y x c y c xy c x c xy ττστσσ，系数321,,c c c 的值应为：（） A 3,2,1321===c c c B 3,2,1321-==-=c c c C 3,2,1321=-==c c c D 无解
塑性成形新技术的发展趋势 班级：机制学号：姓名：周祯 张涛 朱越 一、历史沿革 从人类社会的发展和历史进程的宏观来看，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，也是社会现代化的物质基础和先导。而材料和材料技术的进步和发展，首先应归功于金属材料制备和成型加工技术的发展。人类从漫长的石器时代进化到青铜时代（有学者称之为“第一次材料技术革命”），首先得益于铜的熔炼以及铸造技术进步和发展，而由铜器时代进入到铁器时代，得益于铁的规模冶炼技术、锻造技术的进步和发展（所谓“第二次材料技术革命”）。直到世纪中叶，冶金（金属材料的制备与成型加工）才由“技艺”逐渐发展成为“冶金学”，人类开始注重从“科学”的角度来研究金属材料的组成、制备与加工工艺、性能之间的关系，迎来了所谓的“第三次材料技术革命”——人类从较为单一的青铜、铸铁时代进入到合金化时代，催生了人类历史的第一次工业革命，推动了近代工业的快速发展。 进入世纪以后，材料合成技术、符合技术的出现和发展，推动了现代工业的快速发展，而电子信息、航天航空等尖端技术的发展，反过来对高性能先进材料的研究开发提出了更高的要求，起到了强大的促进作用，促成了一系列新材料和新材料技术的出现和发展。 一般而言，材料需要经历制备、成型加工、零件或结构的后处理等工序才能进入实际应用，因此，材料制备与成型加工技术，与材料的成分和结构、材料的性质一起，构成了决定材料使用性能的最基本的三大要素。 先进工业国家对材料制备与成型加工技术的研究开发十分重视。美国制定了“为了工业材料发展计划”，其核心是开放先进的制备与成型加工技术，提高材料性能，降低生产成本，满足未来工业发展对材料的需求。德国开展的“世纪新材料研究计划”将材料制备与成型加工技术列为六个重点内容之一。在欧盟的“第六框架”计划中，先进制备技术时新材料领域的研究重点之一。日本在世纪年代后期，先后实施了“超级金属”、“超钢铁”计划，重点是发展先进的制备加工技术，精确控制组织，大幅度提高材料的性能，达到减少材料用量、节省资源和能源的目的。 新材料的研究、开发与应用，综合反应了一个国家的科学技术与工业化水平，而先进制备与成型加工技术的发展，对于新材料的研制、应用和产业化具有决定性的作用。先进制备与成型加工技术的出现与应用，加上了新材料的研究开发、生产和应用进程，促成了诸如微电子和生物医用材料等新兴产业的形成，促进了现代航天航空，交通运输，能源环保等高技术产业的发展。 传统结构材料向高性能“，复合化，结构功能一体化发展，尤其需要先进制备与成型加工技术及装备，可使材料的生产过程更加高效，节能和洁净，从而提高传统材料产业的国际竞争力。 另一方面，开展本科学领域色前沿和基础研究，并综合利用相关学科基础理论和科技发展成果，提供预备新材料的新原理新方法，也是材料科学与工程学科自身发展的需求。 因此，材料先进制备与成型加工技术发展，对提高国家综合实力，突破先进工业国家的技术
《金属塑性成形原理》试卷及答案 一、填空题 1. 设平面三角形单元内部任意点的位移采用如下的线性多项式来表示： ，则单元内任一点外的应变可表示为＝。 2. 塑性是指：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。 3. 金属单晶体变形的两种主要方式有：滑移和孪生。 4. 等效应力表达式：。 5.一点的代数值最大的 __ 主应力 __ 的指向称为第一主方向，由第一主方向顺时针转所得滑移线即为线。 6. 平面变形问题中与变形平面垂直方向的应力σ z = 。 7．塑性成形中的三种摩擦状态分别是：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦。 8．对数应变的特点是具有真实性、可靠性和可加性。 9．就大多数金属而言，其总的趋势是，随着温度的升高，塑性提高。 10．钢冷挤压前，需要对坯料表面进行磷化皂化润滑处理。 11．为了提高润滑剂的润滑、耐磨、防腐等性能常在润滑油中加入的少量活性物质的总称叫添加剂。 12．材料在一定的条件下，其拉伸变形的延伸率超过１００％的现象叫超塑性。 13．韧性金属材料屈服时，密席斯（Mises）准则较符合实际的。 14．硫元素的存在使得碳钢易于产生热脆。 15．塑性变形时不产生硬化的材料叫做理想塑性材料。 16．应力状态中的压应力，能充分发挥材料的塑性。 17．平面应变时，其平均正应力ｍ等于中间主应力２。 18．钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性降低。 19．材料经过连续两次拉伸变形，第一次的真实应变为１＝０.1，第二次的真实应变为２＝０.25，则
总的真实应变＝0.35 。 20．塑性指标的常用测量方法拉伸试验法与压缩试验法。 21．弹性变形机理原子间距的变化；塑性变形机理位错运动为主。 二、下列各小题均有多个答案，选择最适合的一个填于横线上 1．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响 A 工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。 Ａ、大于；Ｂ、等于；Ｃ、小于； 2．塑性变形时不产生硬化的材料叫做 A 。 Ａ、理想塑性材料；Ｂ、理想弹性材料；Ｃ、硬化材料； 3．用近似平衡微分方程和近似塑性条件求解塑性成形问题的方法称为 B 。 Ａ、解析法；Ｂ、主应力法；Ｃ、滑移线法； 4．韧性金属材料屈服时， A 准则较符合实际的。 Ａ、密席斯；Ｂ、屈雷斯加；Ｃ密席斯与屈雷斯加； 5．由于屈服原则的限制，物体在塑性变形时，总是要导致最大的 A 散逸，这叫最大散逸功原理。 Ａ、能量；Ｂ、力；Ｃ、应变； 6．硫元素的存在使得碳钢易于产生 A 。 Ａ、热脆性；Ｂ、冷脆性；Ｃ、兰脆性； 7．应力状态中的 B 应力，能充分发挥材料的塑性。 Ａ、拉应力；Ｂ、压应力；Ｃ、拉应力与压应力； 8．平面应变时，其平均正应力ｍ B 中间主应力２。 Ａ、大于；Ｂ、等于；Ｃ、小于； 9．钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 B 。 Ａ、提高；Ｂ、降低；Ｃ、没有变化； 10．多晶体经过塑性变形后各晶粒沿变形方向显著伸长的现象称为 A 。 Ａ、纤维组织；Ｂ、变形织构；Ｃ、流线； 三、判断题 1．按密席斯屈服准则所得到的最大摩擦系数μ=0.5。（×） 2．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响小于工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。（×） 3．静水压力的增加，对提高材料的塑性没有影响。（×） 4．在塑料变形时要产生硬化的材料叫理想刚塑性材料。（×）
塑性变形：材料在一定外力作用下，利用其塑性而使其成型并获得一定力学性能的加工方法。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。 滑移：晶体在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变。 滑移面：滑移中，晶体沿着相对滑动的晶面。滑移方向：滑移中，晶体沿着相对滑动的晶向。孪生：晶体在切应力作用下，晶体一部分沿着一定的晶面和一定的晶向发生均匀切变。 张量：由若干个当坐标改变时，满足转换关系的分量所组成的集合。 晶粒度：金属材料晶粒大小的程度。 变形织构：在塑性变形时，当变形量很大，多晶体中原为任意取向的各个晶粒，会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。这种由于塑性变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织。 动态再结晶：在热塑性变形过程中发生的再结晶。 主应力：切应力为0的微分面上的正应力。 主方向：主应力方向，主平面法线方向。 主应力空间：由三个主方向组成的空间 主切应力：切应力达到极值的平面上作用得切应力。 主切应力平面：切应力达到极值的平面。 主平面:应力空间中，可以找到三个互相垂直的面，其上均只有正应力，无切应力，此面就称为主平面。 平面应力状态：变形体内与某方向轴垂直的平面上无应力存在，并所有应力分量与该方向轴无关的应力状态。 平面应变状态：物体内所有质点都只在同一个坐平面内发生变形，而该平面的法线方向没有变形的变形状态。 理想刚塑性材料：研究塑性变形时，既不考虑弹性变形，又不考虑变形过程中的加工硬化的材料。 理想弹塑性材料：塑性变形时，需考虑塑性变形之前的弹性变形，而不考虑硬化的材料。 弹塑性硬化材料：塑性变形时，既要考虑塑性变形前的弹性变形，又要考虑加工硬化的材料。刚塑性硬化材料：研究塑性变形时，不考虑塑性变形之前的弹性变形，需考虑变形过程中的加工硬化的材料。 屈服轨迹：两相应力状态下屈服准则的表达式在主应力坐标平面上的几何图形，一条封闭的曲线。 屈服表面：屈服准则的数学表达式在主应力空间中的几何图形是一个封闭的空间曲面称为屈服表面。 应变增量：以物体在变形过程中某瞬时的形状尺寸为原始状态，在此基础上发生的无限小应变。全量应变：反映张量在某一变形过程或变形过程中的某个阶段结束时的应变。 比例加载：在加载过程中，所有的外力一开始就按同一比例加载。 干摩擦：当变形金属与工具之间的接触表面上不存在任何外来的介质，即直接接触时所产生的摩擦。 流体摩擦：当变形金属与工具表面之间的润滑剂层较厚，两者表面完全被润滑剂隔开，这种状态下的摩擦称为。 磷化：塑性成形时润滑前在坯料表面上用化学方法制成一层磷酸盐或草酸盐薄膜，呈多孔吸附润滑剂。
材料成形设备小论文 塑性成形新技术概况 系名 专 学号 学生姓名 指导教师 2016年 4 月12 日
摘要：文章介绍了当前塑性成形加工中的微成形、超塑成型、柔性加工、半固态加工等各种新技术，并分别阐述了各新技术的相关概念、特点、发展趋势等。这些相关介绍及发展概况对理解塑性成形技术及推广和运用高新技术，推动塑性成形的进一步发展具有一定参考意义。 关键词：塑性成形；新技术；发展概况 1 引言 塑性成形就是利用材料的塑性，在工具及模具的外力作用下来加工制件的少切削或无切削的工艺方法。塑性成形技术可分为板材成形和体积成形两大类。板材成形是使用成型设备通过模具对金属板料在室温下加压以获得所需形状和尺寸零件的成形方法，习惯上也称为冲压或冷冲压。板料成形可分为分离工序和成形工序。分离工序俗称冲裁，包括落料、冲孔、修边等。成形工序包括弯曲、拉伸、胀形、翻边等。体积成形是指对金属块料、棒料或厚板在高温或室温下进行成形加工的方法，主要包括锻造、轧制、挤压或拉拔等。 塑性成形技术具有高产、优质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。据国际生产技术协会预测，到21世纪，机械制造工业零件粗加工的75%和精加工的50%都采用塑性成形的方式实现。工业部门的广泛需求为塑性成形新技术的发展提供了原动力和空前的机遇。[1] 2 塑性成形新技术 随着科学技术的迅速发展，通过与计算机的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性成形相关联的技术发展速度之快，学科领域交叉之广泛是过去任何时代无法比拟的，塑性成形新工艺和新设备不断地涌现，出现了高速高能成形、少无切削、超塑成型、柔性加工、半固态加工等多种塑性加工新技术。掌握塑性成形技术的现状和发展趋势，有助于及时研究、推广和应用高新技术，推动塑性成形技术的持续发展。 3.1 高速高能成形 高速高能成形是一种在极短时间内释放高能量而使金属变形的成形方法。 高速高能成形的历史可追溯到一百多年前。但由于成本太高及当时工业发展的局限，该工艺并未得到应用。随着航空及导弹技术的发展，高速高能成形方法才进入到实际应用。 与常规成形方法相比，高速高能成形具有以下特点： 1)模具简单：仅需要凹模即可成形。可节省模具材料，缩短模具制造周期，
第一章 1.什么是金属的塑性什么是塑性成形塑性成形有何特点 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； 塑性变形----当作用在物体上的外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形；塑性成形----金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成型并获得一定力学性能 的加工方法，也称塑性加工或压力加工； 塑性成形的特点：①组织、性能好②材料利用率高③尺寸精度高④生产效率高 2.试述塑性成形的一般分类。 Ⅰ.按成型特点可分为块料成形(也称体积成形)和板料成型两大类 1）块料成型是在塑性成形过程中靠体积转移和分配来实现的。可分为一次成型和二次加工。一次加工： ①轧制----是将金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间使其产生塑性变形，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。分纵轧、横轧、斜轧；用于生产型材、板材和管材。 ②挤压----是在大截面坯料的后端施加一定的压力，将金属坯料通过一定形状和尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得符合模孔截面形状的小截面坯料或零件的塑性成形方法。分正挤压、反挤压和复合挤压；适于(低塑性的)型材、管材和零件。 ③拉拔----是在金属坯料的前端施加一定的拉力，将金属坯料通过一定形状、尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的小截面坯料的塑性成形方法。生产棒材、管材和线材。 二次加工： ①自由锻----是在锻锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭料或坯料锻成所需的形 状和尺寸的加工方法。精度低，生产率不高，用于单件小批量或大锻件。 ②模锻----是将金属坯料放在与成平形状、尺寸相同的模腔中使其产生塑性变形，从 而获得与模腔形状、尺寸相同的坯料或零件的加工方法。分开式模锻和闭式模锻。 2）板料成型一般称为冲压。分为分离工序和成形工序。 分离工序：用于使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，如冲裁、剪切等工序；