塑性力学教案——一维条件弹塑性变形
第一章一维条件下的弹塑性变形
一、教学目标
了解塑性力学中的两个基本实验：单向拉伸实验和静水压力实验；
掌握塑性强化材料和理想弹塑性材料的应力应变曲线异同；
了解刚塑性模型和幂次强化模型；
掌握包氏效益应力-应变变化过程，两种强化模型：随动强化和等向强化模型；
了解塑性变形的细观机理和等效比拟；
明确弹塑性力学与弹性力学解题的差异：应力-应变过程相依关系；
掌握塑性强化和理想弹塑性材料的本构关系：增量本构和全量本构。
二、教学内容
介绍金属的单向拉伸压缩实验和静水压力实验结果——应力-应变曲线，讲解两种不同材料拉伸曲线异同和简化模型，介绍静水压力对变形过程的影响；
介绍应变强化现象，讲解两种强化模型的后继屈服限的异同；
介绍弹塑形变形的细观机理和一维变形行为的等效模型，更直观的说明材料在拉压和加卸载时的变形；
介绍弹性和塑形应力-应变曲线的异同，过程相依的概念；
讲解塑形强化材料和理想弹塑性材料的一维增量本构关系和全量本构关系。
三、重点难点
1)重点：
两种材料模型，及相应的应力-应变简化曲线；两个强化模型；两种细观机理；两种本构关系。
2)难点：
本构关系的推导。
四、 讲课提纲
五、 讲课内容
1一维应力条件下的弹塑性变形
1.1金属材料基本实验
在塑性力学中有两个基本实验：单向拉伸（或压缩）实验；材料在静水压力作用下物体体积变形的实验。这两个实验的结果是建立各种塑性理论的基础，现分别介绍： 1.1.1金属材料受单轴拉伸和压缩 引例：
材料力学中低碳钢试样的拉伸实验。以标准形状（尺寸）的试件在材料试验机上进行，试件在受到拉力F 作用时可以认为其中一段是处于均匀的单向应力状态。
本细观机等效模
弹性 理论公式
增量本构关系 全量本构关系
d d σε 两种增可恢复变形 体积改变
拉压对现金属材两种材静水压体积变化基本是弹性理想弹塑屈服平塑性强屈服后任抵抗变
形 随动强化
（包氏效
应） 两种强化模
比例弹性 非线性弹性 屈服 强化 局部变形
弹性 塑性
屈服阶段：试样经过抛光可观察到与轴线成45?方向的条纹，材料沿试样的最大切应力面发生滑移，出现不可恢复变形。
强化阶段：材料在塑性变形过程中不断发生强化，试件的抗力不断增长，横向尺寸明显缩小。
局部变形：横截面面积显著收缩（颈缩），主要是（颈缩）部位伸长。
金属材料的拉伸曲线大致归纳为两种类型:弹塑性强化材料（低碳钢）和理想塑性材料，
1) 塑形强化材料：比例弹性 非线性弹性 弹塑性（弹性应变+塑性应变）
塑形强化材料应力-应变曲线和简化曲线：
（P3，图1-2；P5，图1-
3）
加载到达B σ前卸载，材料的应力-应变状态仍沿加载时走过路径退回出发点O ；超过弹性极限点，如到达M ，将延MN 线下行至N 点，此时0,0N N σε=≠而（残余应变），说明
e p M εεε=+（弹+塑）
e p εε 可恢复，弹性部分； 不可恢复，塑形部分。
a) 拉伸加载，应力超出弹性极限后，体元变形为弹塑性性质（此前为弹性性质），其中含不可恢复
变形（塑性变形）； b) 弹塑性加载段， =,e
p
d d d d σεεε+应力增量造成应变增量由两部分构成弹性应变部分仍
服从胡克定律。
为处理问题方便，此类拉伸曲线简化为两段，A 点是屈服极限点（比例、弹性极限点合并），对应应力为拉升屈服限，对应应变为屈服应变值。E 为弹性模量，E ’为弹塑性模量。AB 段有
e =/'/ /'//e p p e E E
E E h
εσεεεσεεεσσσ??=?+??=??=?-?=?-?=?其中
(此处，1
11'''EE h E E E E -??
=-= ?-??
)
2) 理想弹塑性材料：线弹性
塑形流动（屈服平台、无弹性应变）
理想弹塑性材料应力-应变曲线和简化曲线：
（P6，图1-4、1-5）
按弹性规律上升至屈服点A 后，进入屈服平台BB ’（塑形流动段），应变有很长的发展，后上抬至C 迅速破断。在流动过程中卸载,延MN 下行，残余应变ON 基本与AM 长度相等，AM 段变形都是塑形变形性质。
此类拉伸曲线也简化为两段，根据有：A 、B 两点接近，且体元塑性流动段变形可以很大（弹性变形20倍）。
3) 线性强化刚塑性/理想刚塑性:
弹性变形比塑性变形小的多，可忽略，其它部分与塑性强化材料和理想弹塑性材料相对应。
线性强化刚塑性
幂次强化
()01n A n σ
ε=<<，解析式简单，但不能准确表示材料性质
n=1表示理想弹性体模型，n=0表示理想塑性体模型
1.1.2压缩实验
以上塑性强化材料和理想弹塑性材料的单向压缩实验表明其弹塑性变形行为与拉伸时表现大致相同，认为材料单向拉压时屈服限（屈服应力）绝对值相等，强化和流动表现相同，卸载表现也相同。
静水压力（各向均匀受压）实验对变形过程的影响：体积应变与静水压力成正比；对于一般金属，体积变化基本是弹性的，除去静水压后体积变形可以完全恢复；在塑性变形过程中，体积变形与塑性变形相比可忽略，所以假设材料不可压缩。 1.1.3应变强化
应变强化现象：塑性强化材料的加载—卸载—再加载实验 （理想弹塑形材料初始屈服限与后继屈服限重合）
塑性强化材料在到达屈服后仍有抵抗变形的能力（拉伸曲线继续上抬）。应变强化性质：材料的现期塑性应变会造成后继受载时，屈服应力发生改变的现象。
两种强化模型:随动强化（包氏效应）和等向强化（P11） 包氏效应过程：加载—卸载—反向加载—卸载
第2章 金属塑性变形的物性方程 物性方程又称本构方程，是εσ-关系的数学表达形式。弹性变形阶段有广义Hooke 定律，而塑性变形则较为复杂。在单向受力状态下，可由实验测定εσ-曲线来确定塑性本构关系。但在复杂受力情况下实验测定困难，因此只能在一定的实验结果基础上，通过假设、推理，建立塑性本构方程。为了建立塑性本构方程，首先需弄清楚塑性变形的开始条件——屈服，以及进入塑性变形后的加载路径等问题。 §2.1 金属塑性变形过程和力学特点 2.1.1 变形过程与特点 以单向拉伸为例说明塑性变形过程与特 点，如图2-1所示。金属变形分为弹性、均匀 塑性变形、破裂三个阶段。塑性力学视s σ为 弹塑性变形的分界点。当s σσ<时， σ与ε存在统一的关系，即εσE =。 当s σσ≥以后，变形视作塑性阶段。 εσ-是非线性关系。当应力达到b σ之后， 变形转为不均匀塑性变形，呈不稳定状态。 b σ点的力学条件为0d =σ或d P =0。经短暂的不 稳定变形，试样以断裂告终。 若在均匀塑性变形阶段出现卸载现象，一 部分变形得以恢复，另一部分则成为永久变形。卸载阶段εσ-呈线性关系。这说明了塑性变形时，弹性变形依然存在。弹塑性共存与加载卸载过程不同的εσ-关系是塑性变形的两个基本特征。 由于加载、卸载规律不同，导致εσ-关系不唯一。只有知道变形历史，才能得到一一对应的εσ-关系，即塑性变形与变形历史或路径有关。这是第3个重要特征。 事实上，s σσ>以后的点都可以看成是重新加载时的屈服点。以g 点为例，若卸载则εσ-关系为弹性。卸载后再加载，只要g σσ<点，εσ-关系仍为弹性。一旦超过g 点，εσ-呈非线性关系，即g 点也是弹塑性变形的交界点，视作继续屈服点。一般有s g σσ>，这一现象为硬化或强化，是塑性变形的第4个显著特点。 在简单压缩下，忽略摩擦影响，得到的压缩s σ与拉伸s σ基本相同。但是若将拉伸屈服后的试样经卸载并反向加载至屈服，反向屈服一般低于初始屈服。同理，先压后拉也有类似现象。这种正向变形强化导致后继反向变形软化的现象称作Bauschinger 效应。这是金属微观组织变化所致。一般塑性理论分析不考虑Bauschinger 效应。 Bridgman 等人在不同的静水压力容器中做单向拉伸试验。结果表明：静水压力只引起物体的体积弹性变形，在静水压力不很大的情况下（与屈服极限同数量级）所得拉伸曲线图2-1 应力应变曲线
一、弹性和塑性的概念 可变形固体在外力作用下将发生变形。根据变形的特点，固体在受力过程中的力学行为可分为两个明显不同的阶段：当外力小于某一限值（通常称之为弹性极限荷载）时，在引起变形的外力卸除后，固体能完全恢复原来的形状，这种能恢复的变形称为弹性变形，固体只产生弹性变形的阶段称为弹性阶段；当外力一旦超过弹性极限荷载时，这时再卸除荷载，固体也不能恢复原状，其中有一部分不能消失的变形被保留下来，这种保留下来的永久变形就称为塑性变形，这一阶段称为塑性阶段。 根据上述固体受力变形的特点，所谓弹性，就定义为固体在去掉外力后恢复原来形状的性质；而所谓塑性，则定义为在去掉外力后不能恢复原来形状的性质。“弹性（Elastici ty）”和“塑性（Plasticity）”是可变形固体的基本属性，两者的主要区别在于以下两个方面： 1）变形是否可恢复 ．．．．．．．：弹性变形是可以完全恢复的，即弹性变形过程是一个可逆的过程；塑性变形则是不可恢复的，塑性变形过程是一个不可逆的过程。 2）应力和应变之间是否一一对应 ．．．．．．．．．．．．．：在弹性阶段，应力和应变之间存在一一对应的单值函数关系，而且通常还假设是线性关系；在塑性阶段，应力和应变之间通常不存在一一对应的关系，而且是非线性关系（这种非线性称为物理非线性）。 工程中，常把脆性和韧性也作为一对概念来讲，它们之间的区别在于固体破坏时的变形大小，若变形很小就破坏，这种性质称为脆性；能够经受很大变形才破坏的，称为韧性或延性。通常，脆性固体的塑性变形能力差，而韧性固体的塑性变形能力强。 二、弹塑性力学的研究对象及其简化模型 弹塑性力学是固体力学的一个分支学科，它由弹性理论和塑性理论组成。弹性理论研究理想弹性体在弹性阶段的力学问题，塑性理论研究经过抽象处理后的可变形固体在塑性阶段的力
塑性变形的力学基础 录入: 151dreamhow 来源: 日期: 2008-2-6,10:14 金属成形时，外力通过模具或其它工具作用在坯料上，使其内部产生应力，并且发生塑性变形。由于外力的作用状况坯料的尺寸与模具的形状千差万别，从而引起材料内各点的应力与应变也各不相同。因此必须研究变形体内各点的应力状态、应变状态以及产生塑性变形时各应力之间的关系与应力应变之间的关系。 一、点的应力与应变状态 在变形物体上任意点取一个微量六面单元体，该单元体上的应力状态可取其相互垂直表面上的应力来表示，沿坐标方向可将这些应力分解为九个应力分量，其中包括三个正应力和六个剪应力，如图 1a 所示。相互垂直平面上的剪应力互等，t xy=t yx，t yz=t zy，t zx=t xz。因此若已知三个正应力和三个剪应力，那么该点的应力状态就可以确定了。改变坐标方位，这六个应力分量的大小也跟着改变。对任何一种应力状态，总是存在这样一组坐标系，使得单元体各表面上只有正应力而无剪应力，如图 1b 所示。这三个坐标轴就称应力主轴，三个坐标轴的方向称主方向，这三个正应力就称为主应力，三个主应力的作用面称为主平面。 图1 点的应力状态 a）任意坐标系b）主轴坐标系 三个主方向上都有应力存在称为三向应力状态，如宽板弯曲变形。但板料大多数成形工序，沿料厚方向的应力s t与其它两个互相垂直方向的主应力（如径向应力s r与切向应力s q）相比较，往往很小，可以忽略不计，如拉深、翻孔和胀形变形等，这种应力状态称为平面应力状态。三个主应力中只有一个有值，称为单向应力状态，如板料的内孔边缘和外形边缘处常常是自由表面，s r、s t为零。 除主平面不存在剪应力之外，单元体其它方向上均存在剪应力，而在与主平面成45°截面上的剪应力达到极值时，称为主剪应力。s1≥s2≥s3时，最大剪应力为t =±（s1一s3）／2，最大剪应力与材料的塑性变形关系很大。 max 应力产生应变，应变也具有与应力相同的表现形式。单元体上的应变也有正应变与剪应变，当采用主轴坐标时，单元体六个面上只有三个主应变分量e1、e2和 e ，而没有剪应变分量。塑性变形时物体主要是发生形状的改变，体积变化很小，3 可忽略不计，即： e +e2+e3=0 （1） 1 此即为塑性变形体积不变定律。它反映了三个主应变值之间的相互关系。根据体积不变定律可知：塑性变形时只可能有三向应变状态和平面应变状态，而不可能有单向应变状态。在平面应变状态时若 e2=0 ，另外两个应变的绝对值必然相等，而符号相反。 二、屈服准则（塑性条件） 当物体受单向应力作用时，只要其主应力达到材料的屈服极限，该点就进入塑性状态。而对于复杂的三向应力状态，就不能仅根据某一个应力分量来判断该点是
杆件的塑性变形 15.1 概 述 工程问题中绝大部分构件必须在弹性范围内工作，不允许出现塑性变形。但有些问题确须考虑塑性变形。 15.2 金属材料的塑性性质 图15.1是低碳钢拉伸的应力-应变曲线。过屈服极限后，应力和应变的关系是非线性的有 p e εεε+= （15.1） 弹性范围内，应力和应变之间是单值对应的。塑性阶段却并非如此，应力和应变不再是单值对应的关系（如图15.2）。 下面是几种常见的塑性材料模型。 图 15.1 低碳钢拉伸的应力-应变曲线 图15.2 弹塑性应力-应变
有时也把应力-应变关系近似地表为幂函数，幂强化材料的应力-应变关系曲线如图15.7所示。 n εσc = 15.3 拉伸和压缩杆系的塑性分析 现以图15.8所示两端固定的杆件为例来说明静不定拉压杆系的塑性分析，当载荷P 逐渐增加时，杆件两端的反力是 b a Pa R b a Pb R += ' += 21 (a) P 力作用点的位移是 ()b a EA Pab EA a R += =1δ (b) 如a b >则21R R >。随着P 的增加， AC 段 图15.8 两端固支杆 图15.3 理想弹塑性材料模型 图15.4刚塑性材料模型 图15.6刚塑性线性强化材料模型 图15.5线性强化材料模型 图15.7幂强化材料模型
的应力将首先达到屈服极限。若相应的载荷 为1P ，载荷作用点的位移为1δ，由（a ）、（b ） 两式求得 () b b a A P A b a b P R += =+= s 1, S 111σσ E a s 1σδ= 由平衡方程可知 S 2σA P R -= (c) 载荷作用点c 的位移为 ()EA b P P 11-+ =δδ (d) CB 段也进入塑性阶段时，S 2σA R =，由（c ）式求出相应的载荷为 S 22σA P = 载荷达到2P 后，整个杆件都已进入塑性变形。 例18.1 在图15.9a 所示静不定结构中，设三杆的材料相同，横截面面积同 为A 。试求使结构开始出现塑性变形的载荷1P 、极限载荷p P 。 解：以1N 和2N 分别表AC 和AD 杆的轴力，3N 表AB 杆的轴力。令s 1E E =， s 1A A =，得 图15.9 三杆桁架
第一章塑性变形的力学基础 1、塑性加工时所受的外力 金属在发生塑性变形时，作用在变形物体上的外力有两种：作用力和约束反力。第二讲塑性变形的力学基础返回首页 2、作用力 通常把压力加工设备可动工具部分对变形金属所作用的力叫作用力或主动力。用实际例子加以说明： （1）锻压时锤头对工件的压力（图1-1a中之P）； （2）挤压加工时活塞对金属推挤的压力（图1-1b中之P）； （3）拉拔加工时，工件所承受的拉力（图1-1c中之P）。 图1-1 基本压力加工过程的受力图和应力状态图 （a）镦粗；（b）挤压；（c）拉拔；（d）轧制 3、约束反力 工件在主动力的作用下，其运动将受到工具阻碍而产生变形。金属变形时，其质点的流动又会受到工件与工具接触面上摩擦力的制约，因此工件在主动力的作用下，其整体运动和质点流动受到工具的约束时就产生约束反力。这样，在工件和工具的接触表面上的约束反力就有正压力和摩擦力。 （1）正压力 沿工具和工件接触表面法线方向阻碍工件整体移动或金属流动的力，它的方向和接触面垂直，并指向工件，如图1-1中之N。 （2）摩擦力 沿工具和工件接触面切线方向阻碍金属流动的力，它的方向和接触面平行，并与金属质点流动方向和流动趋势相反。如图1-1中之T。
4、轧制压力 轧件对轧辊总的正压力和摩擦力的合力值等于轧辊对轧件的总压力，我们把轧件对轧辊总压力的垂直分力叫轧制压力，也就是轧机压下螺丝承受的力。 5、内力的概念和内力产生的原因 （1）内力的概念：当物体在外力作用下，并且物体的运动受到阻碍时，为了平衡外力而在物体内部产生的力叫内力 （2）内力产生的原因： 为了平衡外部的机械作用所产生的内力。在生产加工（轧制）过程中，由于不均匀变形、不均匀加热或冷却（物理过程）及金属内的相变（物理-化学过程）等，都可以促使金属内部产生内力。 6、应力、应力集中 (1)应力的概念：内力的强度称为应力，或者说是内力的大小以应力来度量，即以单位面积上所作用的内力大小表示之。应力的单位一般用N/m2（Pa）或N/mm2（MPa）表示之。 (2)应力集中的概念： 当金属内部存在应力，其表面又有尖角、缺口、结疤、折迭、划伤、裂纹等缺陷存在时，应力将在这些缺陷处集中分布，使这些缺陷部位的实际应力比正常的应力高出数倍。这种现象叫做应力集中。 金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物等对应力的反应与物体的表面缺陷相同，在应力作用下，也会发生应力集中。 (3)应力集中的危害： 应力集中在很大程度上降低了金属的塑性，金属的破坏往往从应力集中的地方开始。 7、弹性变形和塑性变形的概念 (1)弹性变形的概念： 去掉所加的力后，变形也就消失，物体恢复到原来的形状和尺寸。 (2)塑性变形的概念： 去掉所加的力后，在宏观上产生了不能复原的永久变形，这就是塑性变形。 8、应力状态 （1）应力状态的定义 所谓物体处于应力状态，就是物体内的原子被迫偏离其平衡位置的状态。
塑性变形的力学原理 element of mechanics of plasticity 从认定塑性变形体为均质连续体出发，依据宏观的实验结果，研究变形体内的应力、应变以及它们和变形温度、速度等条件之间的关系（见金属塑性变形）。 应力-应变曲线在材料试验中，常用圆棒受拉,短柱受压,薄壁管受扭转,以测定负载和变形的关系；然后分别算出单位面积上的负载（称为应力,常用ζ表示）和单位长度的变形（称为应变,常用ε表示）。材料的ζ和ε间的对应关系称为应力-应变曲线（ζ-ε曲线）。最常用的试验是试样受拉时，由原始长 度l0增加到l,常称比值为工程应变或应变,而称自然对数值l n (l/l )为对数应 变或真应变。若在外力P的作用下,受拉试样由原始截面积A 减小到每一瞬间的 值A，则称比值P/A 为习惯应力，P/A为真应力。常见的延性金属的应力-应变曲线，按有无明显的屈服点，分为两类（见金属力学性能的表征）。 对于小变形量,用工程应力-应变曲线即可；而对于大变形量,需用真应力-应变曲线。在一次受拉试验中,我们可以得到材料的特征性的ζ-ε曲线，此外,还可以得到材料的屈服应力(ζs)、断裂应力(ζb)、截面收缩率(ψ%)、延伸率即伸长率(δ％)和弹性模量(E)等特性指标。 常用ζs作为材料塑性变形时的抗力,ψ％和δ％为其承受塑性变形的能力（塑性指标）。但对塑性加工而言，由于变形量大、变形条件复杂，所以上述指标值不能直接应用，而只能表示某个可以单独测定的条件（如温度、变形速率等）对变形抗力和塑性指标的影响。因此我们常用ζ0来表示材料在简单应力状态条件下的变形抗力，用ζ表示在某个复杂条件下的变形抗力;在高变形速率的实验 中，由于ζ s 和ζ b 难于分别测定,所以有时也用ζb的变化来代表变形抗力的变 化。 塑性加工总是在复杂的应力状态条件下实现的。早在1911年卡门(T.von Karman)就用实验证明在高流体静压力下，通常认为是“脆性的”花岗岩可以有相当大的塑性变形。但是从一个简单的试验结果出发来定量地描述各种加工条件下的塑性指标，是很困难的；因而必须用接近于加工条件的方式进行实测，测得的数值称为塑性加工性指标（见金属塑性加工）。我们用塑性变形条件来计算应力状态条件对于变形抗力的影响。 复杂应力下的塑性变形有两个论题：如何用最简化的数学语言叙述复杂应力状态？在这样的背景下如何叙述进入塑性变形状态的条件？ 应力状态条件取均质连续体内一点（或不考虑力分布的单元体）作受力分析的对象，则可证明存在着一组唯一的三维直角坐标系，不论外部的作用力如何分布，在此系内沿坐标面在单元体上的切应力为零。此坐标系称为主坐标系，垂直于坐标面的正应力称为主应力，常用ζ1、ζ2、ζ3表示。这样,任何复杂的
杆件的塑性变形 15.1 概 述 工程问题中绝大部分构件必须在弹性范围内工作，不允许出现塑性变形。但有些问题确须考虑塑性变形。 15.2 金属材料的塑性性质 图15.1是低碳钢拉伸的应力-应变曲线。过屈服极限后，应力和应变的关系是非线性的有 p e εεε+= （15.1） 弹性范围内，应力和应变之间是单值对应的。塑性阶段却并非如此，应力和应变不再是单值对应的关系（如图15.2）。 下面是几种常见的塑性材料模型。 图 15.1 低碳钢拉伸的应力-应变曲线 图15.2 弹塑性应力-应变
有时也把应力-应变关系近似地表为幂函数，幂强化材料的应力-应变关系曲线如图15.7所示。 n εσc = 15.3 拉伸和压缩杆系的塑性分析 现以图15.8所示两端固定的杆件为例来说明静不定拉压杆系的塑性分析，当载荷P 逐渐增加时，杆件两端的反力是 b a Pa R b a Pb R += ' += 21 (a) P 力作用点的位移是 ()b a EA Pab EA a R += =1δ (b) 如a b >则21R R >。随着P 的增加， AC 段 图15.3 理想弹塑性材料模型 图15.4刚塑性材料模型 图15.6刚塑性线性强化材料模型 图15.5线性强化材料模型 图15.7幂强化材料模型
的应力将首先达到屈服极限。若相应的载荷 为1P ，载荷作用点的位移为1δ，由（a ）、（b ） 两式求得 () b b a A P A b a b P R += =+= s 1, S 111σσ E a s 1σδ= 由平衡方程可知 S 2σA P R -= (c) 载荷作用点c 的位移为 ()EA b P P 11-+ =δδ (d) CB 段也进入塑性阶段时，S 2σA R =，由（c ）式求出相应的载荷为 S 22σA P = 载荷达到2P 后，整个杆件都已进入塑性变形。 例18.1 在图15.9a 所示静不定结构中，设三杆的材料相同，横截面面积同为A 。试求使结构开始出现塑性变形的载荷1P 、极限载荷 p P 。 解：以1N 和2N 分别表AC 和AD 杆的轴力，3N 表AB 杆的轴力。令s 1E E =， s 1A A =，得 图15.9 三杆桁架
"塑性变形力学基础与轧制原理" 参考书："塑性变形力力学基础及轧制及原理"曹鸿德等主编，机械工业出版社。 学生应掌握的主要内容： 点的应力状态的张量性质：已知主方向和主应力，求斜面应力：画出主应力图示；写出主应力平面的方向余弦，主切应力平面的法应力， 主切应力；什么是八面体平面，写出八面体平面法向应力及剪应力分式：写出平衡微分方程式；推导体积应力及不可压缩性条件，画出主应变图示：试述均匀变形的定义和特点，对数应变系数和条件应变系数的关系；试述塑性表面的概念；试述最大剪应力等于常值的塑性条件，写出公式：试述单位弹性形态改变势能等于常值的塑性条件，写出公式：试述两个塑性条件的差别和联系。 试述平面问题的概念，写出平面问题的方程式：如何选定滑移线的参变量和确定滑移线的方向，对简单的实际问题能给出滑移线的正方向：推导汉基积分（4一17）式及（4一18）式：试述滑移线的几何性质；证明汉基第一定理（画图）：画出窄锤头冲压厚板时的滑移线场，并求解单位压力 P；试述何为几何可能位移和静力可能的屈服应力状态；求各种典型压力加工情况的上限解。 试述在平面镦粗和轧制时的单位摩擦力的分布规律；推导卡尔曼近似平衡微分方程式(6-46)及单位压力基本平衡微分方程式（4-49）并分析求解此方程式的基本方法；推导奥洛万近似的平衡微分方程式（6 -69)；画图说明各种因素对单位压力的影响；导出计算咬入角及变形区 长度的公式；试述中性角的概念；前滑的概念及前滑公式，如何测定前滑系数；写出轧件的工程常用变形系数；试述位移体积的概念及导出其表达式，导出以对数变形系数表示的体积不变条件；简述变形抗力的概念；简述各种因素对变形抗力的影响，了解强化强度，变形速度的概念；试述滑动摩擦的种类及概念，基本滑动摩擦机理；导出斯通公式；阐述轧机传动力矩的组成及概念；画图说明在简单轧制，带张力轧制及单辊传动时金属对轧辊作用力的方向。
第一章一维条件下的弹塑性变形 一、教学目标 了解塑性力学中的两个基本实验：单向拉伸实验和静水压力实验； 掌握塑性强化材料和理想弹塑性材料的应力应变曲线异同； 了解刚塑性模型和幂次强化模型； 掌握包氏效益应力-应变变化过程，两种强化模型：随动强化和等向强化模型； 了解塑性变形的细观机理和等效比拟； 明确弹塑性力学与弹性力学解题的差异：应力-应变过程相依关系； 掌握塑性强化和理想弹塑性材料的本构关系：增量本构和全量本构。 二、教学内容 介绍金属的单向拉伸压缩实验和静水压力实验结果——应力-应变曲线，讲解两种不同材料拉伸曲线异同和简化模型，介绍静水压力对变形过程的影响； 介绍应变强化现象，讲解两种强化模型的后继屈服限的异同； 介绍弹塑形变形的细观机理和一维变形行为的等效模型，更直观的说明材料在拉压和加卸载时的变形； 介绍弹性和塑形应力-应变曲线的异同，过程相依的概念； 讲解塑形强化材料和理想弹塑性材料的一维增量本构关系和全量本构关系。 三、重点难点 1)重点： 两种材料模型，及相应的应力-应变简化曲线；两个强化模型；两种细观机理；两种本构关系。 2)难点： 本构关系的推导。
四、 讲课提纲 五、 讲课内容 1一维应力条件下的弹塑性变形 1.1金属材料基本实验 在塑性力学中有两个基本实验：单向拉伸（或压缩）实验；材料在静水压力作用下物体体积变形的实验。这两个实验的结果是建立各种塑性理论的基础，现分别介绍： 1.1.1金属材料受单轴拉伸和压缩 引例： 材料力学中低碳钢试样的拉伸实验。以标准形状（尺寸）的试件在材料试验机上进行，试件在受到拉力F 作用时可以认为其中一段是处于均匀的单向应力状态。 真实应力曲线 本质 细观机理 等效模型 弹性 滑移（塑性） 理论公式化 增量本构关系 一维增量本构关系 全量本构关系 一维全量本构关系 0 d d σ ε 两种增量 可恢复变形 体积改变 永久变形 体积不变 拉压对称 现象 金属材料简单拉压 两种材料 模型 静水压力 体积变化基本是弹性的 理想弹塑形 屈服平台 塑性强化 屈服后任抵抗变形 应变强化 随动强化 （包氏效应） 等向强化 两种强化模型 σ ε
第三章金属塑性变形的力学基础 金属在外力作用下由弹性状态进入塑性状态，研究金属在塑性状态下的力学行为称为塑性理论或塑性力学，它是连续介质的一个力学分支。为了简化研究过程，塑性理论通常采用以下假设： 1）变形体是连续的，即整个变形体内不存在任何空隙。这样，应力、应变、位移等物理量也都是连续的，并可用坐标的连续函数来表示。 2）变形体是均质的和各向同性的。这样，从变形体上切取的任一微元体都能保持原变形体所具有的物理性质，且不随坐标的改变而变化。 3）在变形的任意瞬间，力的作用是平衡的。 4）在一般情况下，忽略体积力的影响。 5）在变形的任意瞬间，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，根据静力学平衡条件导出该点附近各应力分量之间的关系式，即平衡微分方程。几何学角度是根据变形体的连续性和均匀性，用几何的方法导出应变分量与位移分量之间的关系式，即几何方程。物理学角度是根据实验与假设导出应变分量与应力分量之间的关系式。此外，还要建立变形体从弹性状态进入塑性状态并使塑性变形继续进行时，其应力分量与材料性能之间的关系，即屈服准则或塑性条件。 以上是塑性变形的力学基础，也是本章的主要内容。它为研究塑性成形力学问题提供基础理论。 第一节金属塑性成形过程的受力分析 塑性成形是利用金属的塑性，在外力作用下使金属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，但在多数情况下是用压力来成形的，因此塑性加工又称为压力加工。 反作用力是工具反作用于金属坯料的力。一般情况下，反作用于金属的力与施加的作用力互相平行，并组成平衡力系，如图3-1a中，F=F’（F—作用力、F’—反作用力）。而在图2-1b、c中，反作用力F’’自相平衡。 a）b）c）
、弹性和塑性的概念 可变形固体在外力作用下将发生变形。根据变形的特点，固体在受力过程中的力学行为可分为两个明显不同的阶段： 当外力小于某一限值（通常称之为弹性极限荷载）时，在引起变形的外力卸除后，固体能完全恢复原来的形状，这种能恢复的变形称为弹性变形，固体只产生弹性变形的阶段称为弹性阶段；当外力一旦超过弹性极限荷载时，这时再卸除荷载，固体也不能恢复原状，其中有一部分不能消失的变形被保留下来，这种保留下来的永久变形就称为塑性变形，这一阶段称为塑性阶段。 根据上述固体受力变形的特点，所谓弹性，就定义为固体在去掉外力后恢复原来形状的性质；而所谓塑性，则定义为在去掉外力后不能恢复原来形状的性质。弹性（Elasticity）”和塑性（Plasticity）”是可变形固体的基本属性，两者的主要区别在于以下两个方面：1）变形是否可恢复： 弹性变形是可以完全恢复的，即弹性变形过程是一个可逆的过程；塑性．．．．．．． 变形则是不可恢复的，塑性变形过程是一个不可逆的过程。 2）应力和应变之间是否一一对应： 在弹性阶段，应力和应变之间存在一一对应的单值函数关．．．．．．．．．．．．． 系，而且通常还假设是线性关系；在塑性阶段，应力和应变之间通常不存 在一一对应的关系，而且是非线性关系（这种非线性称为物理非线性）。 工程中，常把脆性和韧性也作为一对概念来讲，它们之间的区别在于固体破坏时的变形大小，若变形很小就破坏，这种性质称为脆性；能够经受很大变形才破坏的，称为韧性或延性。 通常，脆性固体的塑性变形能力差，而韧性固体的塑性变形能力强。 二、弹塑性力学的研究对象及其简化模型
弹塑性力学是固体力学的一个分支学科，它由弹性理论和塑性理论组成。弹性理论研究理想弹性体在弹性阶段的力学问题，塑性理论研究经过抽象处理后的可变形固体在塑性阶段的力学问题。因此，弹塑性力学就是研究经过抽象化的可变形固体，从弹性阶段到塑性阶段、直至最后破坏的整个过程的力学问题。 构成实际固体的材料种类很多，它们的性质各有差异，为便于研究，往往根据材料的主要性质做出某些假设，忽略一些次要因素，将它抽象为理想的“模型”。在弹性理论中，实际固体即被抽象为所谓的“ 理想弹性体”，它是一个近似于真实固体的简化模型。“理想弹性”的特征是： 在一定的温度下，应力和应变之间存在一一对应的关系，而且与加载过程无关，与时间无关。 在塑性理论中，由于实际固体材料在塑性阶段的应力-应变关系过于复杂，若采用它进行理论研究和计算都非常复杂，因此，同样需要进行简化处理。常用的简化模型可分为两类，即理想塑性模型和强化模型。 1．理想塑性模型 在单向应力状态下，理想塑性模型的特征如图 0.1 所示。理想塑性模型又分为理想弹塑性模型和理想刚塑性模型。当所研究的问题具有明显的弹性变形时，常采用理想弹塑性模型。 在总变形较大、而且弹性变形部分远小于塑性变形部分时，为简化计算，常常忽略弹性变形部分，而采用理想刚塑性模型；另外，在计算结构塑性极限荷载时，也常采用理想刚塑性模型。 2．强化模型 在单向应力状态下，强化模型的特征如图 0.2 所示。强化模型又分为线性强化弹塑性模型、线性强化刚塑性模型和幂次强化模型三种。
塑性变形力学计算
杆件的塑性变形 15.1 概 述 工程问题中绝大部分构件必须在弹性范围内工作，不允许出现塑性变形。但有些问题确须考虑塑性变形。 15.2 金属材料的塑性性质 图15.1是低碳钢拉伸的应力-应变曲线。过屈服极限后，应力和应变的关系是非线性的有 p e εεε+= （15.1） 弹性范围内，应力和应变之间是单值对应的。塑性阶段却并非如此，应力 和应变不再是单值对应的关系（如图15.2）。 下面是几种常见的塑性材料模型。 图 15.1 低碳钢拉伸的应力-应变曲线 图15.2 弹塑性应力-应变
有时也把应力-应变关系近似地表为幂函数，幂强化材料的应力-应变关系曲线如图15.7所示。 n εσc = 15.3 拉伸和压缩杆系的塑性分析 现以图15.8所示两端固定的杆件为例来说明静不定拉压杆系的塑性分析，当载荷P 逐渐增加时，杆件两端的反力是 b a Pa R b a Pb R += ' += 21 (a) P 力作用点的位移是 ()b a EA Pab EA a R += =1δ (b) 图图 图 图图
如a b >则21R R >。随着P 的增加， AC 段 的应力将首先达到屈服极限。若相应的载荷 为1P ，载荷作用点的位移为1δ，由（a ）、（b ） 两式求得 () b b a A P A b a b P R += =+= s 1,S 111σσ E a s 1σδ= 由平衡方程可知 S 2σA P R -= (c) 载荷作用点c 的位移为 ()EA b P P 11-+ =δδ (d) CB 段也进入塑性阶段时，S 2σA R =，由（c ）式求出相应的载荷为 S 22σA P = 载荷达到2P 后，整个杆件都已进入塑性变形。 图
金属塑性变形对微观结构和力学性能的影响 金属塑性变形定义 (plastic deformation of metals )金属零件在外力作用下产生不可恢复的永久变形。 单晶体产生塑性变形的原因是原子的滑移错位。多晶体（实际使用的金属大多是多晶体）的塑性变形中，除了各晶粒内部的变形（晶内变形）外，各晶粒之间也存着变形（称为晶间变形）。多晶体的塑性变形是晶内变形和晶内变形的总和。 人类很早就利用塑性变形进行金属材料的加工成形，但只是在一百多年以前才开始建立塑性变形理论。1864～1868年，法国人特雷斯卡（）在一系列论文中提出产生塑性变形的最大切应力条件。1911年德国卡门（ Karman）在三向流体静压力的条件下，对大理石和砂石进行了轴向抗压试验；1914年德国人伯克尔ker)对铸锌作了同样的试验。他们的试验结果表明：固体的塑性变形能力(即塑性指标)不仅取决于它的内部条件（如成分、组织）,而且同外部条件(如应力状态条件)有关。1913年德国冯·米泽斯 Kises)提出产生塑性变形的形变能条件；1926年德国人洛德、1931年英国人泰勒和奎尼分别用不同的试验方法证实了上述结论。 金属晶体塑性的研究开始于金属单晶的制造和 X射线衍射的运用。早期的研究成果包括在英国伊拉姆年)、德国施密特(1935年)、美国巴雷特年)等人的著作中。主要研究了金属晶体内塑性变形的主要形式──滑移以及孪晶变形。以后的工作是运用晶体缺陷理论和高放大倍数的观测方法研究塑性变形的机理。 塑性变形微观结构变化 图 1塑性变形中产生的滑移
塑性变形中最基本的微观变化是位错滑移和滑移带的产生。分为单滑移，双滑移，多滑移等。另外，还有孪生等现象的产生。 图 2 % Si-Fe单晶体中的平直滑移带 多晶金属在塑性变形过程中，仍然保持着连续性。即每个晶粒的变形都要受到相邻晶粒的制约，并与相邻晶粒的变形相协调。 晶粒越细，屈服强度越高 金属塑性变形的力学性能影响 钢经形变处理后，形变奥氏体中的位错密度大为增加，可 形变量愈大，位错密度愈高，金属的抗断强度也随之增高。随着形变程度增加不但位错密度增加而且位错排列方式也会发生变化由于变 形温度下，原子有一定的可动性，位错运动也较容易进行，因此在形变过程中及形变后停留时将出现多边化亚结构及位错胞状结构。当亚晶之间的取向差达到几度时，就可象晶界一样，起到阻碍裂纹扩展的作用，由霍尔一派奇公式，晶粒越小则金属强度越大。 由于亚结构的出现，相变时马氏体成核、长大过程均受到亚晶界的影响，生长的马氏体片尺寸d减小，从而使相界增加，材料强度提高。 由于形变奥氏体内位错密度增加，亚结构细化，从而为碳化物析出提供了处所，为碳的扩散开辟了通道，有利于碳化物弥散析出，起到了弥散硬化的作用，其强化效果与析出粒子间距成反比: 综上所述，形变处理的强化效果是位错强化、细晶强化、弥散硬化和相变强化的 综合表现。 超塑性变形对金属力学性能的影响 材料在外力的作用下，产生变形，而外力过大会产生大 素性变形，而这样的变形对材料的性能产生了巨大的影响， 为了更加准确的研究材料的性能，将材料表面细化至纳米化 或超细晶化。 强塑性变形金属表面纳米化