塑性成形发展

塑性成形发展（精选6篇）

篇1：塑性成形发展

超塑性成形的发展状况

摘要：金属材料的超塑性是指金属在特定条件下，具有更大的塑性。本文主要介绍了超塑性成形的主要发展历程，超塑性成形的主要应用，非金属材料的超塑性研究和国内外的发展现状。关键词：超塑性 金属材料 成形

一、绪论

近年来，高温合金和钦合金的使用不断增加，尤其是在宇航飞行器及其发动机生产中。这些合金的特点是:流变杭力高，可塑性低，具有不均匀变形所引起机械性能各向异性的敏感性，难于机械加工及成木高昂。如采用普通热变形锻造时，机械加工的金属损耗达80%左右，如采用超塑性成形方法，就能改变锻件肥头大耳的落后状况。

金属材料的超塑性是指金属在特定条件(晶粒细化.极低的变形速度及等温变形)下，具有更大的塑性。如低碳钢拉伸时延伸率只有30~40%，塑性好的有色金属也只有60~70%，但超塑性状态。一般认为塑性差的金属延伸率在100~200%范围内，塑性好的金属延伸率在500~2000%范围内。

要使超塑性出现，必须满足某些必要条件。首先必须使金属具有0.25-2.5μm的极细晶粒，即必须小于一般晶粒大小的十分之一。其次，当温度达金属熔点一半以上时，具有一般晶粒金属的晶粒便开始长大，而这时细晶粒金属的晶粒保持稳定。因此，超塑性除要求有极细的晶粒度外，还必须具有高的延伸率和低的屈服应力，并以低的变形速率在高于熔点一半的温度下进行加工。

二、超塑性成形的发展

早在1920年，德国W.Rosenhain等人将冷轧后的Zn-Al-Cu三元共晶合金的铝板慢速弯曲的时候，发现这种脆性材料被弯成180°而未出现裂纹，它和普通晶体材料大不相同。他们推断这种负荷速度有密切依赖关系的异常现象，可能是由于加工产生了非晶质。1934年，英国C.E.pearson初次对共晶合金的异常弯曲进行了详细研究。这种合金的挤压材料很脆，容易破裂，可是C.E.pearson将其缓慢拉伸，得到了伸长率为2000%的试样。很奇怪的是这种慢速大延伸的金属，在落地实验中呈脆性断裂，这是一个更大的发现，在当时虽然引起了一部分人的强烈反响，但在第二次世界大战的却被搁置了。

第二次世界大战后，前苏联科学家对金属的异常延伸现象进行了系统研究，用Zn-Al共析合金在高温拉伸试验中得到异常的伸长率，并应用于“超塑性”这个词汇。1962年，美国E.E.Underwood发表了一篇评论解说性文章，从冶金学的角度分析了实现超塑性成形的可能性、条件及基本原理。人们评价这篇文章是超塑性研究的总结。从此超塑性研究引起了人们越来越多的重视。

三、超塑性成形的应用

由于金属及合金在超塑性状态具有异常好的塑性和极低的流动应力，对成形加工极为有利。对于形状极为复杂或变形量很大的零件，都可以一次成形。从已报导的成形已有多种形式，如板料成形，管材成形，无模拉丝，吹塑成形和各种挤压，模锻等。利用这种异常的塑性，有些原来很多零件拚合成的部件，现在可以用超塑性成形一次加工出来，减轻了零件的重量，节约大量加工工时。具体应用介绍如下:

1、板料深冲

锌铝合金等超塑性板料，在法兰部分加热，并在外围加油压，一次能拉出非常深的容器。如果在冲头下部和拉伸好的筒部采用冷却装置，深冲比H/dp=11是普通拉深的15倍，而且拉深速度在5000毫米/分时深冲系数不变。超塑性成形件最大特点是没有各向异性，拉伸的杯形件没有制耳。

2.板料吹塑成形(气压成形)这是在超塑性材料的延伸率高和变形抗力小的前提下，受到塑料板吹塑成形的启发而发展起来的新工艺。用于Zn-22%A1, A1-6 %Cu-0.5%Zr和钛合金的超塑性板料成形。利用凹模或凸模上的形状，把板料和模具加热到预定的温度，用压缩空气的压力，使压紧的板料涨开贴紧在凹模或凸模上，以获得所需形状的薄板工件。目前能加工的板料厚度为0.4~4毫米。根据工件要求在它的表面上或在内腔内有清晰的形状和花纹，选用凹模内或凸模上成形。

3.挤压和模锻

近年来高温合金和钛合金的应用不断增加，尤其是国防工业生产中。这些合金的特点是:流变抗力高，可塑性极低，具有不均匀变形所引起机械性能各向异性的敏感性，难于机械加工及成本昂高。如采用普通热变形锻造时，机械加工的金属损耗达80%左右，而机械加工的性能是很差的，所以往往不能满足零件所需的机械性能。但是采用超塑性模锻方法，就能改变过去肥头大耳的落后的锻造工艺。

四、应用举例

美国军工材料-机械研究中心用超塑性模锻法成功地制成了直升飞机用的Ti-6AL-4V钛合金风扇叶轮。该叶轮直径为34Omm。叶片厚度为4mm，模具材料采用MAR一M200镍基铸造高温合金，毛坯加热温度为950℃，模具温度为870℃，平均单位压力为11.9kg/mm2，超塑性模锻件重10kg，而普通模锻件重24kg。加工后成品叶轮净重4.8kg。

五、超塑性成形的发展现状

超塑性成形的主要研究前沿是“先进材料的超塑性开发”。所谓先进材料是指金属基复合材料、金属化合物、陶瓷等，由于他们具有某些优异的性能（例如强度、高温性能等），所以可以得到很大的发展。然而这些材料却有其共同的不足之处-难于加工成型，因此开发这些材料的超塑性具有重要意义。近年来其中一些材料的超塑性已经达到很高的指标，然而这些材料的超塑性应用上有一定的距离。

超塑性成型的历史尚短，仍属于新兴工艺，对各种材料的各种成型工艺过程，还在不断地实验、比较、淘汰、选择、发展和完善、从目前的发展趋势上来看，有下述几点值得注意。

1.成型大型金属结构及相关成型设备。采用超塑胀形工艺来成型大型金属结构具有显著的技术经济效益。这一类金属结构在美国的B-1型飞机和F14A、F15、F18飞机以及英国的直升飞机上获得应用，其中最大的构件是B-1机的发动机舱门，平面尺寸达到2790*1520cm。与这种成型工艺相适应设备研究也在发展，这种设备与通用液压机有很大的区别，对于整个成型过程采用自动控制。目前，美国已推出系列机型，英国、日本也有使用的报道。

2.陶瓷材料与复合材料的超塑性。国际上，陶瓷材料的超塑性研究有很大进展。日本物质和材料研究机构最近开发成功一种具有超塑性的新型陶瓷。这种陶瓷在高温下能够像金属一样被拉长，可以用来制造形状复杂的机械零件。这种新陶瓷是把钴、铝和尖金石三种材料在一起用一般方法烧制出来的。实验结果表明，1cm的材料片在1650℃的高温下，其应变速度1s可拉长1cm，是一般陶瓷的大约100倍。它可以像金属一样，进行轧制和锻造，制造发动机和涡轮机零件等产品。

我国的陶瓷材料超塑性研究也列入了863高技术研究规划之列。此外，以金属超塑性材料为基体的复合材料的研究也在进行中，从制备（包括材料设计）、性能测试、成型实验等诸多方面发展。比如，在金属基超塑性材料中加入SiC纤维形成的超塑性材料，可以达到超塑性气压胀形的要求。

六、超塑性的发展方向

世界上超塑性的研究已开展了四十年，70年代形成了“超塑热”，现在也有不少的专家教授在从事超塑性研究。然而，迄今为止超塑性技术尚未发挥其应有的作用。其主要原因在于研究的范围在不断拓展，但纵深性不够，很多研究工作还停留在理论和试验室，由于在理论上尚未吃透、工程上缺乏经验，超塑技术在工程上的应用受到阻碍。超塑技术想在关键承力结构件上得以应用，必须进行艰苦细致的工作，在关键环节上进行纵深研究。

1.先进稳定的工艺研究

超塑性成形是一种新工艺，它的特点是，可以利用小吨位设备进行具有大变形量的复杂零件的成形。然而这种工艺也有缺点，主要是成形速度慢。工程应用中应注意发挥超塑成形技术的优越之处，专门成形其它塑性工艺难以甚至不能成形的重要零件，这样就显示出了超塑工艺的先进性。另外超塑性成形与传统成形方法相比，生产环境较为复杂，生产过程中不可控因素较多，加上生产经验积累不足，导致生产工艺的不稳定性。因此，须针对典型超塑部件，重点突破关键工艺，并对已有的工艺应进行完善和稳定化，这是产业化的基础。

2.辅助环节的研究

抓住每一工艺环节，包括辅助环节。超塑性成形工艺本身包括材料的加热―入模预热―加压成形―出模―校形―热处理等环节，这仅仅是成形工艺的主线，模具的设计、制造、加热、维护、润滑剂的选择与使用，成形设备的设计、使用、维护及改进等，也都直接关系到超塑性成形工艺的成败。实际上，我国在超塑领域与发达国家的差距更多的体现在模具、成形设备等辅助环节上，其原因在于基础工业的相对落后，导致在模具设计的先进性、成形设备的智能化等方面满足不了超塑成形所需条件，成为超塑技术发展的瓶颈。

3.工艺的智能控制研究

现在一些大的超塑成形研究公司如美国的SUPERFORM公司已经对超塑成形全程计算机机控制，只要事先输入数据，成形设备就可以自动按时准确的进行加温―加压―充气―放气等动作，工人只用放入坯料，取出好的零件。这种超塑性成形的零件成品率高，一致性好，更体现出超塑成形工艺的先进性。在工艺的智能控制研究方面，在硬件(自动化超塑成形设备)及软件(优化准确的工艺流程和参数)上都有很大欠缺，可研究的空间很大。

4.产品质量、成本控制研究

超塑成形产品要想真正得以应用尤其是在航天器关键结构件上得以应用,必须进行产品质量、成本控制研究。现在的很多技术发展都是基于这个原则进行的，比如目前很热的钛合金渗氢技术，以获得低温(700℃左右)超塑性，可以大幅度降低成本，更重要的是可防止晶粒长大，提高最终材料性能，保障产品质量。另外，超塑成形中的材料性能变化、变薄率的研究等都应给予高度的关注。国外工业发达国家的超塑成形技术已发展到成熟的工程应用阶段，很多航天、航空公司都有自己的超塑研究、生产部门，形成规模效益，并互相竞争，加速技术发展。而我国目前仅有少数单位能生产合格超塑产品，并且技术还相当落后。

所以在超塑领域不断拓宽的同时，更需对关键技术、关键产品进行纵深研究，“变热点为亮点，以宽度换深度”，培养几个具有自己技术特色的研究、生产单位。对于技术相对落后且有巨大背景需求的研究单位，应采取“以背景换技术，用需求促发展”的战略，与拥有先进技术的公司、学校合作，以提升自身的研发能力，迅速发展壮大自己，在超塑成形领域占有一席之地。

参考文献

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篇2：塑性成形发展

班级：机制

学号：201120337 姓名：周祯

201120335

张涛

201120339

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16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20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“21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20世纪90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壁垒与封锁，保障国家安全，改善人民生活质量，以及促进材料科学与技术自身的进步与发展，具有十分重要的作用，也是国民经济和社会可持续发展的重大需求。

二、发展前景 1 精密化

目前，精密和超精密制造技术已经跨越了微米级技术，进入了亚微米和纳米技术领域。精密化已成为材料成形加工技术发展的重要特征，其表现为零件成形的尺寸精度正在从近净 成形（Near Net shape Forming）向净成形（Net shape Forming），即近无余量成形方向发展。

“毛坯”与“零件”的接近程度越来越大。当前精密成形技术已在较大程度上实现了近净成形。发展趋势是实现净成形加工，其工艺 要求材料成形向更轻、更薄、更强、更韧及成本低、周期短、质量高的方向发展。精密材料成形技术有多种形式的精铸、精锻、精 冲、冷温挤压、精密焊接与切割等。

优质化

净成形技术主要反映了成形加工保证尺寸及形状的精密程度，而反映成形加工优质程度的则是近无缺陷、零缺陷成形加工技术。成早期失效的临界缺陷的概念主要方法有：为了获得健全的铸件、锻件奠定基础，可以采用先进工艺、净化熔融的金属、增大合金组织的致密度等。采用模拟技术、优化工艺技术，实现一次成形及试模成功，保证工件质量。加强工艺过程监控及无损检测，及时发现超标零件。通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。

快速化

随着全球化市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。制造业要满足日益变化的用户需求必须有较强的灵活性，以最快的速度提供高质量产品，亦即客户化小批 量快速交货的要求不断增加，为此需要材料成形加工技术的快速化。成形加工技术的快速化表现在各种新型高效成形的工艺不断涌现，新型铸造锻。压焊接方法 都从不同角度提高生产效率。快速原型制造技术，以离散堆积原理为基础和特征，源零件的电子模型。

模型按一定的方式离散成为可加工的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段将这些离散的面、线段和点堆积成零件的整体形状。由于工艺过程简单，故制造速度比传统方法快得多。到2000年，全世界已有6700多台不同类型的RP*装置在运行。快速原型和快速模具相结合。又提供了一条从模型直接制造模具的新方法。

RP正在向着各种制造工艺集成，形成快速制造系统的方向发展。计算机模拟仿真技术是信息技术综合应用发展的结果，应用数值模拟于铸造、锻压、焊接等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统相结合，来确定工艺参数优化工艺方案预测加工过程中可以产生的缺陷及防止措施控制和保证加工工件的质量。

模拟仿真技术，它可以理论和实验做得更深刻、更全面、更细致可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究，大大缩短了制造周期，加快了制造进程。如铸造凝固过程的三维数值模拟 铸压过程微观组织的演化及本构关系模拟，焊接凝固裂纹的模拟仿真开裂机制的研究以及焊接氢致裂纹的模拟金属材料热处理加热冷却过程的模拟仿真及组织变形性能预测等。根据美国科学研究院测算，模拟仿真可提高产品质量5至15倍，降低人工成提高投入设备的利用率30%至50%，缩短产品设计和试制周期增加分析问题广度和深度的能力3至3.5倍等。

*RP系统的发展情况1998年，由美国3D系统公司推出专为机械零件设计而制作的RP技术棗Stereolithography(sl)技术。该处理工世是通过激光将液态UV感光聚脂凝固 一片片薄层，全球第一个商业化的RP系统桽LA?就是如今相当普遍的SLA?50机型的先驱。接下来是1991年，美国Helisys公司的LOM技术，美国Stratasys公司的FDM技术，美国Cubital公司的SGC技术。LOM技术通过计算机导向的激光烧结并剪切薄片材料，FDM技术将热熔塑料材料拉成丝状，并用它来一层一层产生模型，SCG技术也使用UV感光聚脂，通过玻璃盘上的静电滤色片作蔽光片，产生紫外光流，可以立即凝固所有的薄层。

1992年DTM公司的SLS技术推出。随后，1993年Soligen公司推出DSPC技术。SLS技术通过激光产生的热量熔化粉末材料。DSPC技术通过机械喷射装置在 粉末上沉积液体粘结剂，麻省理工学院发明该技术并注册专利，然后授权给Soligen公司。1994年Sanders公司推出MM技术。1995年，BMP技术公司推出BPM技术，两种技术都采用喷射头来沉积石蜡材料。

这些年，一些技术和公司出现后，又消失了。1990年Quadrax公司推出基于SL技术的Mark1000RP系统，1992年，3D系统公司通过专利战合并了Quadrax公司的技术。杜邦公司开发了基于SL技术的名叫SOMOS的技术，并向Teijin Seiki公司发放了在亚洲独家使用权用其技术的许可证，然后1995年杜邦公司又向Aaroflex公司发放了在北美和其它一些有选择的国家独家使用其技术的许可证。其它一些公司如Light Sculping公司，Sparx AB公司，Laser 3D公司都开发并介绍了各自的RP系统，但在RP行业中都有末产生任何商业方面的冲击。

日本的Kira公司和新加坡Kinergy公司的Paper Lamintian（切纸成形）系统和多达来自7家日本公司的基于SL技术的系统都进入了市场，CMET公司Denken公司和D桵EC公司的基于SL技术的RP系统代表着日本市场中RP设务的主流。德国的EOS公司和Fockele&schwarze公司也推出基于SL技术的系统。同时，EOS公司也提供一种基于激光烧结技术的系统以便和DTM公司在欧洲、日本竞争，所有这些国外的机器均末在美国销售。

复合化

激光、电子束、离子束、等离子体等多种新能源的列入，形成多种新型加工与改性技术。其中以各种形式的激光加工技术发展最为迅速。激光加工技术多种多样包括电子元件的精密微焊接、航天航空和汽车制造中的焊接、切割与成形等。有不同种类的激光表面改性处理方法 如热处理、表面修整、表面熔覆及合金化等，使用的激光器主要为大功率二氧化碳激光器，YAG激光器。近年来激光加工自由成形技术成为重要的研究动向。

随着金属间化合物材料、金属基复合材料多种新型功能材料超导材料等高新技术材料的应用，传统的加工方式或多或少地遇到了困难，与新的材料制备和合成技术相适应，新的加工方法成为材料加工研发的一个重要领域，一批新型复合工艺应运而生。

为超塑成形扩散连接技术材料电磁加工等此外复合化还表现在冷热加工之间加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限趋向淡化、消失、而复合、集成于统一的制造系统之中。

绿色化

“绿色化”是指成形加工生产向清洁生产、无废弃物加工方向发展。清洁生产技术是协调工业发展与环境保护的矛盾、需求日益增加与有限资源的矛盾的一种新的生产方式，是21世纪制造业发展的重要特征。

集成化

生物科学、信息科学、纳米科学、制造科学和管理科学是21世纪的5个主流科学，与其相关的五大技术及其产业将改变世界，制造科学与其它科学交叉是其发展趋势。RP与生物科学交叉的生物制造、与信息科学交叉的远程制造、与纳米科学交叉的微机电系统等都为RP技术提供了发展空间。并行工程（CE）、虚拟技术（VT）、快速模具（RT）、反求工程（VR）、快速成型（RP）、网络（Internet、Intranet）相结合而组成的快速反应集成制造系统，将为RP的发展提供用力的技术支持。

三、最后总结

篇3：塑性成形发展

随着微机电系统 (MEMS)等技术的 蓬勃兴起和快速发展,微金属构件的需求日益增多,形成巨大的市场需求。但是,当微结构尺寸达到微米量级时,材料微塑性成形时通常表现出两种与尺度有关的效应[1,2]:一是晶粒尺度对材料性能影响的晶粒尺度效应(grainsizeeffects);二是特征尺度(长度、宽度、厚度、直径等描述材料外形的尺度参数)效应或试 样尺度效 应 (featuresizeeffectsorspecimensizeeffects)。这两种尺度效应都将导致微金属构件在微塑性成形中表现出显著的尺度依赖行为,而且随着特征尺寸的减小,呈现出一种“越小越强”的独特现象[3]。早在20世纪初,Cosserat等[4]提出了微极非线性弹性理论,但该理论在纯拉压荷载下作为正则化机制而引入的对偶应力将不起作用。20世纪80年代后期,随着微金属构件的应用,金属材料微塑性成形中新的科学问题的出现重新引起学者的广泛重视和研究。如Mindlin[5]将弹性体的应变能密度视为应变和它的第一、第二阶导数的函数,给出了一种更常用的仅 包含应变 和其一阶 导数的简 化理论;Fleek等[6]在细铜丝扭转实验中观测到微尺度下应变梯度的硬化;Stolken等[7]通过试验发现镍的量纲一弯曲硬化随着薄片厚度的减小而明显增大;Aifantis等[8,9]建立了应变 梯度塑性 理论,并解释了不常见微结构标准尺寸试件、普通微结构小尺寸试件在扭转和弯曲中的微尺度效应;Lam等[10]研究了微悬臂梁的弯曲问题,发现微梁的量纲一刚度与梁厚二次方成反比关系。国内的一些学者也开展了相关的研究,如黄克智等[11]综合了偶应力和应变梯度塑性理论并对其进行了介绍;李河宗等[12]对不同厚度及粗细两种晶粒尺寸的黄铜箔试样进行了单向拉伸和微弯曲实验研究;聂志峰等[13]进行了应变梯度弹性理论下微构件尺寸效应的数值研究;周丽等[14]运用应变梯度塑性理论模拟颗粒增强铝合金强度及延伸率的尺寸效应。这些研究主要从微尺度下的应变梯度塑性理论、一些特殊微结构件的微尺度效应等方面进行研究,对进一步研究微尺度效应具有很好的借鉴意义。T2紫铜电极无方向性,导电性能极佳,加工性、延展性、防蚀性及耐候性良好,在电子行业应用极为广泛,但鲜有研究人员对T2紫铜微成形中微尺度效应开展研究。本文主要研究T2紫铜的单向拉伸、硬度和微弯曲性能特点,并对试验中表现出的尺寸效应现象进行分析与讨论。

1试验设计

1.1试验材料

试验材料为T2紫铜,厚度分别为:30、60、90、120、150μm,其化学成分见表1,力学性能见表2。

%

材料的退火处理方式如下:加热温度分别为400℃和620℃,保温时间为1.2h,冷却速度为0.5℃/s。通过退火处理,可消除材料轧制织构对试验的影响,细化晶粒,获得试验所需的粗晶和细晶晶粒尺 寸的试样。 晶粒大小 采用ASTME112-96(2004)平均晶粒度测定方法(GB/T6394?2002)获得。

1.2试验方法与设备

1.2.1单向拉伸试验

单轴微拉伸试验系统设计如下:在美国伊利诺斯州立大学Saif教授设计的薄膜材料力学性能测试系统基础上,根据材料和测试要求,设计适用于本课题要求的单轴微拉伸系统,整个微拉伸测量系统主要由三维可调平台、力传感器、位移传感器、力传感器、驱动装置、图像采集、机械框架和夹具等部分组成。单向微拉伸试验微试件的几何尺寸如图1所示。试件在激光切割机上切出。拉伸试验时,由双视场显微镜与CCD数码视频相机对拉伸过程进行全程的跟踪拍照记录,检测试样拉伸时标距长度的变化情况,然后通过计算机处理得到应变 数据,绘制材料 单向拉伸 应力应变曲线。

1.2.2微弯曲试验

微弯曲试验如图2所示。微弯曲试验相关参数设定如下:h为板材厚度,C为弯曲凸凹模之间的间隙(弯曲间隙),Rp为凸模圆角半径,Rd为弯曲凹模圆角半径,u为凸模运动速度。试验时由CCD数码视频相机对微弯曲过程进行全程的跟踪拍照记录,得到微弯曲过程关键位置弯曲情况,弯曲角度通过冲头行程控制;在计算机上采用边缘检测算法即时对拍摄的图片进行图像处理,得到相应的弯曲及回弹后的角度,通过数据处理得到弯曲回弹角。为了保证试验的普遍性,重复上述试验8次,然后取回弹角的平均值。

1.2.3微硬度试验

图3为微硬度试验示意图。在微硬度实验机上检测弯曲圆弧变形区域侧面硬度的变化情况,获得压痕点的硬度,以研究变形区的硬度变化情况。图中的楔形压头角度β=140.6°,20s内加载100mN,保压时间为5s,h为板材厚度,δ为压痕深度,Ac为真实接触长度,P为压头所受的支反力之和,即压痕力。微压痕真实硬度Hc定义为平均接触压力,即Hc=P/Ac。

2结果与讨论

2.1特征尺度对拉伸的影响

图4a为平均晶粒尺寸D为20μm的细晶,厚度h为30~150μm的T2紫铜板微拉伸时应力-应变曲线。从图中可以看出,厚度为30μm板材的拉伸强度比厚度为150μm的板材拉伸强度提高了28%,即随着板材厚度的减小,量纲一弯曲刚度随之增大,且屈服应力比试样厚度减小得快,呈现出“越小越强”的特征。当材料外观特征尺寸L(如构件几何尺寸、变形场尺寸等)远大于材料内禀特征常数l(如金属材料晶粒尺寸、颗粒夹杂大小、位错胞尺寸、多孔介质空洞直径、复合材料增强相直径等)时,应变梯度对材料塑性硬化的影响可以忽略,但材料微塑性成形时,微构件的外观特征长度L接近甚至小于材料内禀特征常数l,组成材料的粒子的个体行为就会变得非常显著。试验也表明,试样尺寸越小,非均匀变形就越明显,额外的强化也就越显著。材料的微观界面周围的变形场是非均匀的,当材料非均匀变形的“特征波长”和材料内禀特征长度在同一量级时,几何必须位错(GND),形成额外强化,强度增大,说明拉伸强度与单个晶粒的晶粒位向、晶粒大小、材料厚度方向的晶粒个数以及边界约束条件等相关,其中最关键的是晶粒位向,应用应变梯度理论可以很好地捕捉材料局部非均匀性对材料力学行为的附加影响,此时微尺度下等效塑性应变可由下式确定[15]:

式中,εe为等效Cauchy应变,反映了统计存储位错对材料硬化的影响;xe为等效曲率,反映了几何必须位错对材料硬化的影响。

图4b为板厚h为150μm、平均晶粒尺寸为50μm细晶和120μm粗晶微拉伸时应力应变曲线。从图中可以看出,同一厚度板材,晶粒较小时,材料的延伸率 较大,平均晶粒 尺寸为50μm的细晶,其拉伸强 度比平均 晶粒尺寸为120μm的粗晶提高了33%。由于在微尺度条件下的微塑性变 形,不但有统 计存储位 错 (SSD),同时由于晶体网格的相容性,还会产生附加的几何必须位错 (GND)。而几何必须位错一般为周期性规则排列,且符号一致,故对滑移产生强烈的阻碍作用,产生局部非均匀塑性变形和大的应变梯度,使材料硬化增强。同时,晶粒越细,晶界上产生的几何必须位错密度越大,应变梯度就越大,这样就增大了塑性滑移阻力,使硬化效应强。

2.2特征尺度对硬度的影响

图5所示为板厚 为150μm、晶粒平均 尺寸为50μm时特征尺寸效应对硬度的影响。图5a为不同压入深度与压痕力关系曲线。从图中可以看出,在相同的压入深度下,压痕力随着内禀尺度增大而增大。图5b为不同压入深度与压痕硬度关系曲线。从图中可以看出,不同的压入深度,压痕硬度是不同的,当压痕深度 (δ)与板材厚度(h)比值小于等于0.2时,压入深度增大,压痕硬度变小,呈现“越大越软”现象;当压痕深度δ与板材厚度h的比值大于0.2时,压入深度增大,压痕硬度增大,呈现“越大越硬”现象。事实上,塑性硬化不仅同应变和旋转梯度有关,还同拉伸梯度相关,其等效塑性应变满足以下关系[16]:

式中,C1、C2、C3为本构参数;l1、l2、l3为3个材料内禀特征长度,其中l1同拉伸梯度相关,l2和l3同旋转梯度相关;εij为Cauchy应变;ε′ij为εij的偏量部分;kijk为应变梯度;k′ijk为kijk的偏量部分。

与宏观构件相比,微构件在材料表面的晶粒个数占总晶粒个数的百分比很高(如细晶),材料表面的晶粒受周围晶粒的约束作用小,因此,当压入深度较小时,晶粒容易产生滑移,从而使流动应力减小,强度降低,产生“越大越软”的尺度效应现象。随着压入深度的增大,板材厚度方向的晶粒已减少至1~2个晶粒,晶粒位向一致的可能性增大,产生附加的几何必须位错,硬化作用增强,产生“越大越硬”的尺度效应现象。这样的硬度变化规律也被Saha等[17]和Liu等[18]通过试验和数据预测所证实。

2.3特征尺度对回弹的影响

图6为不同厚度下回弹角的试验值与理论预测对比图,其中s0为传统理论计算值,s1为应变梯度理论计算值,s2为试验结果值。从图中可以看出,试样实测的回弹角基本上随板料厚度的减小而增大, 特别是当 材料厚度 小于一定值(0.06mm)时,回弹角随板料厚度的变化更为剧烈,这种变化来自于微塑性成形中材料的应变梯度硬化效应,说明在微塑性成形中不仅存在微尺度效应现象,而且应变梯度在微弯曲过程中起着相当重要的硬化作用。

s0 曲线为应用传统弯曲理论预测得到的弯曲回弹角变化曲线,可以看出,曲线基本呈水平状,除随屈服强度的变化有微小的波动外,回弹角基本不随材料厚度的变化而变化,这与试验结果存在明显差异,说明在微塑性成形中传统弯曲理论并不适用。s1 曲线为应用应变梯度理论预测得到的弯曲回弹角变化曲线,此时,回弹角随材料厚度变化曲线与试验结果较接近,当材料厚度小于一定值(0.06mm)后,两者变化基本一致,说明微塑性成形中应用应变梯度塑性理论能够较为准确地反映材料弯曲过程中出现的应变梯度硬化效应,较为准确地预测材料弯曲回弹现象,得到更为合理的结果。

3结论

(1)T2紫铜微拉伸时,厚度为30μm的板材其拉伸强度比 厚度为150μm的板材提 高了28%;平均晶粒尺寸D为50μm的细晶,其拉伸强度比平均晶粒尺寸D为120μm的粗晶提高了33%。即微构件的外观特征长度L小于等于材料内禀特征常数l时,GND形成额外强化,强度增大,拉伸时呈现出“越小越强”的特征。

(2)当T2紫铜的压痕深度δ与板材厚度h的比值小于等于0.2时,随着压入深度增大,压痕硬度变小,呈现“越大越软”现象;当比值小于0.2时,随着压入深度增大,压痕硬度增大,呈现“越大越硬”现象。

篇4：塑性成形发展

智力优势 成就科研硕果

目前，北京机电研究所已取得国家和省部级相关领域科研成果和专利技术约200余项，其中荣获国家级成果奖项目21项；荣获国家重点新产品项目9项；先后有4人荣获美国通用汽车公司（GM）科技成就二等奖。

2003年，北京机电研究所在承担的欧盟第五框架项目“铝合金超塑成形技术研究及在汽车上的应用”课题中，采用成形工艺数值模拟优化技术在国内首次对铝合金的大型复杂覆盖件——汽车前轮防护板进行了超塑气胀精密成形加工，并成功地完成了该零件的制造。

近年来，北京机电研究所加大对计算机工程金属塑性成形数值模拟技术的研究力度，现已开发出对热塑性成形零件的金属组织晶粒度进行分析和预测的应用技术，得到国际学者的肯定和密切关注。

北京机电研究所在主导专业领域方面的优势，得益于拥有一大批在机电等专业理论和应用技术上具有深厚理论基础和应用实践经验的高素质人才队伍，该所现有工程院院士1人、高级工程师150人、研究员级高工40人、博士及硕士120余名。

在全体科研人员的共同努力下，北京机电研究所逐步实现了由单纯的科研型院所向以高科技为主体，集科工贸于一体的多元型科技企业转变。近年来，北京机电研究所为国内汽车和制造工业提供了几十条锻造生产线和热处理生产线，以及锻压机器人、辊锻机、真空热处理炉等生产线配套设备。

引进技术提升竞争实力

北京机电研究所地处中关村高科技开发区。拥有约9000平方米试制工厂和约28000平方米的科研孵化基地。试制工厂配置有多种国外进口的高精度数控加工机床和常规的车铣刨磨机床，部分设备产品远销东南亚市场。

从1980年开始，北京机电研究所与德国奥姆科（EUMUCO）公司合作，引进并消化吸收了11个系列100多个品种的自动化技术设备，其中包括具有4～6个运动自由度的工业机器人10余种，且已设计开发和制造出几百台套的自动化设备和工业机器人，部分产品出口并受到海外市场的欢迎。

塑性精密成形技术

提升机械制造业

今天，“塑性精密成形”作为一门学科工程，已形成其自身独特的研究理论、方法和应用领域。“塑性精密成形”涉及产品设计、材料学、成形工艺和塑性力学、热学、成形设备、成形模具、润滑材料等诸多领域， 例如在锻造行业,“塑性成形”技术的应用，使锻造生产从传统的粗坯、费力、脏乱、污染的作坊式制作，一跃成为具有高精度、高质量、高效率、低能耗、低污染和低成本的现代化机械制造工艺。当代的机械制造行业中，塑性成形加工技术的应用非常广泛，小到最简单的家庭所用的锅碗瓢盆类的日用品，大到复杂精密的宇宙飞船、飞机、舰船、汽车等大量现代高技术产品，无不体现出塑性成形技术的威力，特别是在钢铁和有色金属的生产制造技术上，近70%～80%产品的生产过程离不开塑性加工技术的帮助。

“塑性精密成形”不仅是传统产业改造所必不可少的工艺方法，而且正在成为现代化高新技术产业的精密加工重要手段。它是利用现代科技成就，直接生产出全部或尽量接近零件最终形状的产品，使产品在机械性能、尺寸、成本和防污染方面凸显更好、更精、更省、更净的优势。现代塑性成形加工技术在注重节能、节材、高质量、高效率、低污染等方面取得飞速发展的同时，伴随着航空航天、汽车、家电、农机等产业不断增长的对高精度、高性能基础件的要求，已逐步形成了精密“塑性成形”的高科技加工技术新概念。这一方面大幅度提高了材料的使用率，另一方面由于减少了很多的切削加工工序，使金属零件的纤维组织保持连续不断，因此提高了材料的机械性能。进入21世纪以来，精密塑性成形在金属塑性加工的比例正在逐步增大。左图显示了近代精密成形技术在金属的塑性成形产品生产中所占的比例。

近代电子计算机数值模拟工程技术应用于塑性成形工程后，不仅使产品在未成形前就可以实现制造工艺优化设计，而且可以对塑性成形过程中的金属流动参数实现精确的工艺控制，还可对其成形过程中的应力场、应变场、温度场以及结构几何尺寸变化过程实现可视化。这无疑大大提高了产品的外在和内在质量，极大地促进了塑性成形技术的发展，准确地讲，金属材料“塑性成形”是现代综合技术科学的结晶。

“精密成形国家工程

研究中心” 行业领跑

北京机电研究所“精密成形国家工程研究中心”由原国家计委批准列入国家“九·五”科技发展规划，是利用世界银行科技贷款和国内拨款建设的国家级工程研究中心。该工程中心以汽车、机械、电子、家用电器、能源、通讯、计算机、办公机械等新技术产业为服务对象，以精密成形技术工程化研究、中试和相应的配套技术研发为主体，向企业提供成熟的、成套的生产应用技术及包括软件、硬件、咨询、人员培训等系列服务。

篇5：塑性成形发展

精密微塑成形技术在实际的发展过程中也面临着一些问题，在尺寸效应问题上体现的较为显著。微塑性成形的发展领域中，试样尺寸当达到亚毫米或者四微米尺寸的时候，试样的物理特征及内部的结果就会发生变化，所以在性能参数与成形工艺参数就会存在不相协调的状况，这也就是尺寸效应。而造成这一问题的原因主要是材料的不均匀以及流动应力和延展性等，从微塑性成形的不均匀性来看，在成形件迟迅接近晶粒的尺寸过程中，那么在材料的微观组织性能不均匀就对对胚料塑性变形产生影响。

从其技术工艺发展的情况来看，主要有微冲载以及微拉深和微弯曲、微挤压。从微拉深这一层面来看，针对薄板成形主要是采取这一技术，这样就能够成形各种形状杯体以及腔体零件，这一过程中会伴随着摩擦以及各向异性等现象影响，故此从工艺的复杂上来说相对加大。而在微弯曲这一技术工艺的发展上来看，这一技术工艺成形的产品在外形尺寸和板料厚度上就相对比较接近，在微弯曲件传输中比较容易发生变形，所以这一工艺技术的制件过程中，检测就成了一个问题。再者就是微冲载，这一技术工艺主要是生产微小零件工艺之一，实际技术实施过程中的晶粒尺度和局部尺度比率增加，就会造成局部的变形，微冲载当中的凸凹模间隙控制和工模具间的磨损问题也是解决的一个重要内容。

在微成形工艺的研究上主要集中在体积成形和冲压成形，其中的薄板材料成形主要是在拉深工艺基础上进行实施的，能够制作成筒形和阶梯形以及盒形等不规则形状薄壁零件。和其它的冲压成形工艺得到有效的配合还能够制造出更为复杂的零件，故此微拉深的工艺技术在实际的应用中是相对比较突出的。而在微体积成形过程中，主要是对微齿轮以及螺钉的微型零件精密微塑性成形进行的实际研究，通过挤压以及局部锻造等体积成形的方法能够对多种微型零件加以实现。精密微塑性成形技术对产品的精度以及缩短产品交货期限等效率提升都有着较好的作用，从近些年这一层面的发展来看，已经有着突出成果。

2.2 精密微塑成形技术工艺发展趋势分析

精密微塑性成形技术工艺在不断额发展中，随着科技的`进步将会上升到新的发展阶段，在精度上将越来越高，并在应用热流道技术上将会进一步的扩大。采取这一技术能够将制件的生产率及质量得到有效提升，同时也能大幅度节约部件原材料，而在技术的标准化层面也将会进一步的提升， 这样就能有效的降低制造的成本，对质量最大化的进行提升。从我国的塑性成形技术和国外的相比较而言，还有着一定的差距，需要在多方面进行优化改进。微机电系统的提出以及技术上的实现，这对塑性微成形技术的发展就打开了大门， 由于精密微塑性成形技术和传统的理论有着一定的差异性，所以要能结合实际进行改进处理，这也是精密微塑性成形技术在当前需要解决的问题。

另外就是在新型的模具加工技术以及测量、分析方法等会使塑性微成形技术在未来发展的重要方向，而成形件在尺寸上上更小化以及精度高等将会在新型的成形设备作用下进行实现，这在自动控制设备以及高精度测量方法层面将会得到有效实现。微成形作为是新兴的多学科交叉工艺技术，在当前人们对其的全面认识还相对比较缺乏，这一问题在不断的发展过程中将会得到逐步的解决。随着可持续发展观理念的深化，无色热锻润滑剂以及拉深润滑剂等相关的环保技术在精密微塑性成形技术的结合上也会呈现新的发展局面。

3 结束语

总而言之，微塑性成形技术的发展和研究的持续推进，将会在技术上得到进一步的提升，但要想将精密微塑性成形技术得到更好的应用， 就需要对技术应用中的一些实际性问题认真分析并解决。在材料的开发上进一步的加强，通过实验进行对微成形技术的发展的一保障，只有全面考虑才能促进微塑性成形技术的顺利发展。

参考文献

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[2]洪慎章.热作模具钢的影响因素及应用[J].模具制造，2014( 5) .

[3]曹红锦，陈毅挺.国外军工生产精密成形技术的现状及发展趋势[J].四川兵工学报，2014( 3) .

[4]单德彬，袁林，郭斌.精密微塑性成形技术的现状和发展趋势[J].塑性工程学报，2013( 2) .

[5]崔冰艳，陈丽文，白叶飞.材料加工中塑性成形领域研究新进展[J].中国水运( 学术版) ，2013( 2) .

篇6：塑性成形发展

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sm

等于　中间主应力s2。

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e1＝０.1，第二次的真实应变为e2＝０.25，则总的真实应变e＝　　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sｍ　　B　　中间主应力s２。

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。

（×）

5．塑性变形体内各点的最大剪应力的轨迹线叫滑移线。

（√）

6．塑性是材料所具有的一种本质属性。

（√）

7．塑性就是柔软性。

（×）

8．合金元素使钢的塑性增加，变形拉力下降。

（×）

9．合金钢中的白点现象是由于夹杂引起的。

（×）

10．结构超塑性的力学特性为，对于超塑性金属m

=0.02-0.2。

（×）

11．影响超塑性的主要因素是变形速度、变形温度和组织结构。

（√）

12．屈雷斯加准则与密席斯准则在平面应变上，两个准则是一致的。

（×）

13．变形速度对摩擦系数没有影响。

（×）

14．静水压力的增加，有助于提高材料的塑性。

（√）

15．碳钢中冷脆性的产生主要是由于硫元素的存在所致。

（×）

16．如果已知位移分量，则按几何方程求得的应变分量自然满足协调方程；若是按其它方法求得的应变分量，也自然满足协调方程，则不必校验其是否满足连续性条件。

（×）

17．在塑料变形时金属材料塑性好，变形抗力就低，例如：不锈钢

（×）

四、名词解释

1．上限法的基本原理是什么？

答：按运动学许可速度场来确定变形载荷的近似解，这一变形载荷它总是大于真实载荷，即高估的近似值，故称上限解。

2．在结构超塑性的力学特性中，m值的物理意义是什么？

答：为应变速率敏感性系数，是表示超塑性特征的一个极重要的指标，当m值越大，塑性越好。

3．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。

4．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。

5．何谓超塑性？

答：延伸率超过100%的现象叫做超塑性。

五、简答题

1．请简述有限元法的思想。

答：有限元法的基本思想是：

(1)

把变形体看成是有限数目单元体的集合，单元之间只在指定节点处铰接，再无任何关连，通过这些节点传递单元之间的相互作用。如此离散的变形体，即为实际变形体的计算模型；

(2)

分片近似，即对每一个单元选择一个由相关节点量确定的函数来近似描述其场变量（如速度或位移）并依据一定的原理建立各物理量之间的关系式；

(3)

将各个单元所建立的关系式加以集成，得到一个与有限个节点相关的总体方程。

解此总体方程，即可求得有限个节点的未知量（一般为速度或位移），进而求

得整个问题的近似解，如应力应变、应变速率等。

所以有限元法的实质，就是将具有无限个自由度的连续体，简化成只有有限个自由度的单元集合体，并用一个较简单问题的解去逼近复杂问题的解。

2.Levy-Mises

理论的基本假设是什么？

答：

Levy-Mises

理论是建立在以下四个假设基础上的：

(1)

材料是刚塑性材料，即弹性应变增量为零，塑性应变增量就是总的应变增量；

(2)

材料符合Mises

屈服准则，即；

(3)

每一加载瞬时，应力主轴与应变增量主轴重合；

(4)

塑性变形时体积不变，即，所以应变增量张量就是应变增量偏张量，即

3．在塑性加工中润滑的目的是什么？影响摩擦系数的主要因素有哪些？

答：（1）润滑的目的是:减少工模具磨损；延长工具使用寿命；提高制品质量；降低金属变形时的能耗。

（2）影响摩擦系数的主要因素：

答：1）金属种类和化学成分；

2）工具材料及其表面状态；

3）接触面上的单位压力；

4）变形温度；

5）变形速度；

6）润滑剂

4．简述在塑性加工中影响金属材料变形抗力的主要因素有哪些？

答：（1）材料（化学成分、组织结构）；（2）变形程度；（3）变形温度；

（4）变形速度；（5）应力状态；（6）接触界面（接触摩擦）

5．为什么说在速度间断面上只有切向速度间断，而法向速度必须连续？

答：现设变形体被速度间断面SD分成①和②两个区域；在微段dSD上的速度间断情况如下图所示。

根据塑性变形体积不变条件，以及变形体在变形时保持连续形，不发生重叠和开裂可知，垂直于dSD上的速度分量必须相等，即，而切向速度分量可以不等，造成①、②区的相对滑动。其速度间断值为

6．何谓屈服准则？常用屈服准则有哪两种？试比较它们的同异点？

答：（1）屈服准则：只有当各应力分量之间符合一定的关系时，质点才进入塑性状态，这种关系就叫屈服准则。

（2）常用屈服准则：密席斯屈服准则与屈雷斯加屈服准则。

（3）同异点：在有两个主应力相等的应力状态下，两者是一致的。对于塑性金属材料，密席斯准则更接近于实验数据。在平面应变状态时，两个准则的差别最大为15.5%

7.简述塑性成形中对润滑剂的要求。

答：（1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑膜仍能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态；

（2）润滑剂应有良好耐高温性能，在热加工时，润滑剂应不分解，不变质；

（3）润滑剂有冷却模具的作用；

（4）润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用；

（5）润滑剂应对人体无毒，不污染环境；

（6）润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。

8．简述金属塑性加工的主要优点?

答：（1）结构致密，组织改善，性能提高。

（2）材料利用率高，流线分布合理。

（3）精度高，可以实现少无切削的要求。

（4）生产效率高。

六、计算题

1．圆板坯拉深为圆筒件如图1所示。

假设板厚为t,圆板坯为理想刚塑性材料，材料的真实应力为S，不计接触面上的摩擦,且忽略凹模口处的弯曲效应,试用主应力法证明图示瞬间的拉深力为：

（a）拉深示意图

（b）单元体

图1

板料的拉深

答：在工件的凸缘部分取一扇形基元体，如图所示。沿负的径向的静力平衡方程为：

展开并略去高阶微量，可得：

由于是拉应力，是压应力，故，得近似塑性条件为：

联解得：

式中的2．如图2所示，设有一半无限体，侧面作用有均布压应力，试用主应力法求单位流动压力p。

图2

解：

取半无限体的半剖面，对图中基元板块（设其长为

l）列平衡方程：

（1）

其中，设，为摩擦因子，为材料屈服时的最大切应力值，、均取绝对值。

由

(1)

式得：

（2）

采用绝对值表达的简化屈服方程如下：

（3）

从而

（4）

将

（2）（3）（4）式联立求解，得：

（5）

在边界上，由（3）式，知，代入（5）式得：

最后得：

（6）

从而，单位流动压力：

（7）

3．图3所示的圆柱体镦粗，其半径为re，高度为h，圆柱体受轴向压应力sZ，而镦粗变形接触表面上的摩擦力t＝０.２Ｓ（Ｓ为流动应力），sze为锻件外端（r=re）处的垂直应力。

（1）证明接触表面上的正应力为：

（2）并画出接触表面上的正应力分布；

（3）求接触表面上的单位流动压力ｐ，（4）假如re＝100MM，Ｈ＝150MM,Ｓ=500MPa，求开始变形时的总变形抗力Ｐ为多少吨？

解：

（1）证明

该问题为平行砧板间的轴对称镦粗。设对基元板块列平衡方程得：

因为，并略去二次无穷小项，则上式化简成：

假定为均匀镦粗变形，故：

图3

最后得：

该式与精确平衡方程经简化后所得的近似平衡方程完全相同。

按密席斯屈服准则所写的近似塑性条件为：

联解后得：

当时，最后得：

（3）接触表面上的单位流动压力为：

=544MP

（4）总变形抗力:

=1708T

4．图4所示的一平冲头在外力作用下压入两边为斜面的刚塑性体中，接触表面上的摩擦力忽略不计，其接触面上的单位压力为q，自由表面AH、BE与X轴的夹角为，求：

（1）证明接触面上的单位应力q=K（2++2）；

（2）假定冲头的宽度为2b，求单位厚度的变形抗力P；

图4

解：

（1）证明

1）在AH边界上有：

故，屈服准则：

得：

2）在AO边界上：

根据变形情况：

按屈服准则：

沿族的一条滑移（OA1A2A3A4）为常数

（2）单位厚度的变形抗力：

5．图5所示的一尖角为2j的冲头在外力作用下插入具有相同角度的缺口的刚塑性体中，接触表面上的摩擦力忽略不计，其接触面上的单位压力为p，自由表面ABC与X轴的夹角为d，求：

（1）证明接触面上的单位应力p=2K（1+j+d）；

（2）假定冲头的宽度为2b，求变形抗力P。

图5

答：

（1）证明

1）在AC边界上：

2）在AO边界上：

3）根据变形情况：

4）按屈服准则：

5）沿族的一条滑移（OFEB）为常数

（2）设AO的长度为L，则变形抗力为：

6．模壁光滑平面正挤压的刚性块变形模型如图6所示，试计算其单位挤压力的上限解

P，设材料的最大切应力为常数K。

图6

解：首先，可根据动可容条件建立变形区的速端图，如图7所示：

图7

设冲头的下移速度为

。由图7可求得各速度间断值如下：

;

;

由于冲头表面及模壁表面光滑，故变形体的上限功率仅为各速度间隔面上消耗的剪切功率，如下式所示：

又冲头的功率可表示为：

故得：

7．一理想刚塑性体在平砧头间镦粗到某一瞬间，条料的截面尺寸为

2a

×

2a，长度为

L，较

2a

足够大，可以认为是平面变形。变形区由

A、B、C、D

四个刚性小块组成（如图8所示），此瞬间平砧头速度为

ú

i

=1（下砧板认为静止不动）。试画出速端图并用上限法求此条料的单位变形力

p。

图8

解：根据滑移线理论，可认为变形区由对角线分成的四个刚性三角形组成。刚性块

B、D

为死区，随压头以速度

u

相向运动；刚性块

A、C

相对于

B、D有相对运动（速度间断），其数值、方向可由速端图（如图9所示）完全确定。

图9

u

*

oA

=

u

*

oB

=

u

*

oC

=

u

*

oD

=u/sin

θ

=

根据能量守恒：

2P

·

＝

K

（u

*

oA

＋

u

*

oB

＋

u

*

oC

＋

u

*

oD）

又

＝

＝

＝

＝

a

所以单位流动压力：P

=

＝