1、第三节 冲压变形理论基础,塑性(plasticity)：表示材料塑性变形能力。它是指固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性能力。 金属塑性的大小，用金属在断裂前产生的最大变形程度来表示。它表示塑性加工时金属塑性变形的限度，叫“塑性极限”或“塑性指标”。,一、塑性变形(plastic deformation)的基本概念,塑性指标：衡量金属塑性高低的参数。常用塑性指标为拉伸时的延伸率和断面收缩率。这两个指标越高，说明金属的塑性越好。,变形：弹性变形(elastic deformation)、塑性变形。,第一章 冲压工艺概述,延伸率,断面收缩率,(5%, 低碳钢平均为20-30%),不能把
2、塑性和柔软性混淆起来。,柔软性反映金属的软硬程度，它用变形抗力的大小来衡量，表示变形的难易。,室温下的铅，塑性很高而变形抗力又小。,变形抗力小的金属塑性就好，或是变形抗力大的金属塑性就差。,例如：,过热和过烧的金属与合金，其塑性很小，甚至完全失去塑性变形的能力，而变形抗力也很小；,室温下奥氏体不锈钢的塑性很好，能经受很大的变形而不破坏，但它的变形抗力却非常大；,不要认为：,注意：,变形抗力：使金属产生塑性变形的外力为变形力，金属抵抗塑性变形的力称为变形抗力。塑性与变形抗力是两个不同的概念：塑性：反映塑性变形的能力。变形抗力：是塑性变形的难易程度。,第三节 冲压变形理论基础,金属受外力作用产生塑
3、性变形后不仅形状和尺寸发生变化，而且其内部的组织和性能也将发生变化。一般会产生加工硬化或应变刚现象：,二、塑性变形对金属组织和性能的影响,即:金属的机械性能，随着变形程度的增加，强度和硬度逐渐增加，而塑性和韧性逐渐降低；,晶粒会沿变形方向伸长排列形成纤维组织使材料产生各向异性；此外，可以使晶粒得到细化（如晶粒破碎，热塑性变形使晶粒发生动态再结晶）,由于变形不均，会在材料内部产生内应力，变形后作为残余应力保留在材料内部。,第一章 冲压工艺概述,通常是围绕该点取出一个微小（正）六面体（即所谓单元体），用该单元体上三个相互垂直面上的九个应力分量来表示。已知该九个应力分量，则过此点任意切面上的应力都可
4、求得。,第三节 冲压变形理论基础,1一点的应力与应变状态为了全面、完整地描述变形区内各点的受力和变形情况 。,三、塑性力学基础,应力正应力、剪应力,应力状态：,主应力状态,类似有主应变状态的概念。一般认为金属材料在塑性变形时体积不变， 因此主应变状态图只有三种。,塑性变形可能出现九种主应力状态。,第一章 冲压工艺概述,第三节 冲压变形理论基础,2金属的屈服条件(屈服准则),三、塑性力学基础（续）,屈服塑性状态，主要取决于两方面的因素：,（1）在一定的变形条件（变形温度和变形速度）下材料的物理机械性质转变的根据；,（2）材料所处的应力状态转变的条件(屈服准则)。,单向应力状态： =S,一般应力状
5、态：1-3=S (Tresca屈服准则和Mises屈服准则的通式) 为应力状态系数，其值在1-1.155之间，单向应力状态及轴对称应 力状态(双向等拉、双向等压)时取1；平面变形状态时取=1.155. 在应力分量未知情况下，一般近似取=1.1。(在纯剪应力作用下， 两准则差别最大),第一章 冲压工艺概述,屈雷斯加H.Tresca屈服准则（最大剪应力屈服准则,达到极限值）密席斯Von Mises屈服准则(形状改变比能,即畸变能达到某极限),回忆：,相当应力或等效应力:,满足屈服条件表明材料处于塑性状态。材料要进行塑性变形，必须始终满足屈服条件。对于应变硬化材料，材料要由弹性变形转为塑性变形，必须
6、满足的屈服条件叫初始屈服条件；而塑性变形要继续发展，必须满足的屈服条件则叫做后继屈服条件。在一般应力状态下，塑性变形过程的发生、发展，实质上可以理解为一系列的弹性极限状态的突破-初始屈服和后继屈服。,第三节 冲压变形理论基础,3金属塑性变形时的应力-应变关系,三、塑性力学基础（续）,弹性变形阶段：应力与应变之间的关系是线性的、可逆的，与加载历史无关；,第一章 冲压工艺概述,塑性变形阶段：应力与应变之间的关系则是非线性的、不可逆的，与加载历史有关。,塑性变形的全量理论认为在简单加载条件下（只加载不卸载，各应力分量一直按照同一比例系数增长，又称比例加载），塑性变形的每一瞬间，主应力差与主应变差成比
7、例，即：,为非负比例系数，是一个与材料性质和变形程度有关的函数，与变形体所处的应力状态无关。,(说明：应力状态确定的是塑性变形的全量，而非增量),第三节 冲压变形理论基础,（1）应力分量与应变分量符号不一定一致，即拉应力不一定对应拉应变，压应力不一定对应压应变；举例。 （2）某方向应力为零其应变不一定为零； （3）在任何一种应力状态下，应力分量的大小与应变分量的大小次序是相对应的，即123，则有123。 （4）若有两个应力分量相等，则对应的应变分量也相等，即若12，则有12。,几点讨论结论,3金属塑性变形时的应力应变关系（续）,三、塑性力学基础（续）,第一章 冲压工艺概述,第三节 冲压变形理论
8、基础,1硬化规律,四、金属塑性变形的一些基本规律,对于金属材料来说，在进行塑性变形过程中，随着变形程度的增加，其变形抗力是不断增高的，硬度也将提高，其结果是引起材料力学性能的变化，其表现为材料的强度指标(屈服强度和抗拉强度)随变形程度的增加而增加；塑性指标(伸长率与延伸率)随之降低，这种现象叫做加工硬化。,第一章 冲压工艺概述,第三节 冲压变形理论基础,1硬化规律(续),四、金属塑性变形的一些基本规律,加工硬化：,硬化曲线：,=An,塑性降低，变形抗力提高。能提高变形均匀性。,表示变形抗力随变形程度增加而变化的曲线, 称为硬化曲线. 也称作实际应力曲线或真实应力曲线。表示硬化规律。,这种变化规
9、律可近似用指数曲线表示。,第一章 冲压工艺概述,n为硬化指数,n大表示冷变形过程中,材料变形抗力随变形程度的增加而迅速增加,材料均匀变形能力强.A为材料系数。,软钢:A=710-750Mpa,n=0.19-0.22;硬铝:A=320-380Mpa,n=0.12-0.13,第三节 冲压变形理论基础,2卸载弹性恢复规律和反载软化现象,四、金属塑性变形的一些基本规律（续）,反载软化曲线,第一章 冲压工艺概述,第三节 冲压变形理论基础,3体积不变规律,四、金属塑性变形的一些基本规律（续）,金属材料在塑性变形时，体积变化很小，可以忽略不计。,一般认为金属材料在塑性变形时体积不变，可证明满足：,1 +2
10、+3 = 0,第一章 冲压工艺概述,该式说明：金属塑性变形前后，只有形状的变化，而无体积的变化。三个推论：塑性变形时，只有形状的变化，而无体积的变化；不论什么应变状态，其中一个主应变的符号与另外两个主应变的符号相反；已知两个应变就可求第三个应变。,第三节 冲压变形理论基础,4最小阻力定律,四、金属塑性变形的一些基本规律（续）,由于塑性变形破坏了金属的整体平衡而强制金属流动，因此，金属质点有向几个方向移动的可能(即存在变形趋向性)，但金属材料向阻力最小的方向流动。即做最少的功，走最短的路。,在冲压加工中，板料在变形过程中总是沿着阻力最小的方向发展。这就是塑性变形中的最小阻力定律。,第一章 冲压工
11、艺概述,冲压成形必须正确控制金属流动即：,开流和限流(如矩形件拉深),第三节 冲压变形理论基础,5变形趋向性及其控制,四、金属塑性变形的一些基本规律（续）,影响金属流动的因素主要是：,第一章 冲压工艺概述,变形趋向性：弱区先变形，先变形区必为弱区。变形区变形抗力最小。,第三节 冲压变形理论基础,1冲压成形性能,五、冲压材料及其冲压成形性能,材料的冲压成形性能：,材料的冲压性能好是指便于冲压加工,具体而言指:,成形极限高(成形过程中材料能达到的最大变形程度,即抗破裂性好),成形质量好(形状尺寸精度,厚度变化,表面质量以及成形后的物理机械性能),材料对各种冲压加工方法的适应能力。（冲压加工的依据）
12、。,第一章 冲压工艺概述,第三节 冲压变形理论基础,2冲压成形性能的试验方法,五、冲压材料及其冲压成形性能（续）,间接试验(拉伸、剪切、硬度、金相等)和直接试验或工艺性实验 (反复弯曲、胀形性能、拉深性能等) 间接实验内容(以拉伸为例)：总伸长率和均匀伸长率，屈强比， 弹性模量，硬化指数n，板厚方向性指数，板平面方向性指数 及其影响。,3板料的机械性能与冲压成形性能的关系,板料的强度指标越高，产生相同变形量的力就越大；,塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形量就越大；,刚度指标越高，成形时抵抗失稳起皱的能力就越大。,不同冲压工序对板料的机械性能的具体要求有所不同。,(失稳),第一章 冲压工艺概
13、述,方便，易行,直接反映，但需专业设备或工装,是指板料试样单向拉伸时，宽向应变与厚向应变之比(又称塑性应变比),式中,b0,b,t0,t分别为变形前后试样的宽度与厚度。一般规定r值按照伸长率为20%时试样测量的结果进行计算.,r值大小反映平面方向和厚度方向变形难易程度的比较.,由于不同方向上 r值不同,因此通常取平均值，即：,r0,r90,r45分别为板料在纵向、横向和45方向上的板厚方向性指数。,板材厚方向性指数(r) ：,对拉深件质量的影响,板料经轧制后其力学、物理性能在板平面方向上出现各向异性，称为板平面各向异性（板平面方向性）。,板平面方向性主要表现为力学性能在板面内不同方向上的差别，
14、但在表示板材力学性能的各项指标中，板厚方向性指数对冲压性能的影响比较明显，因此板平面方向性的大小一般用板厚方向性指数r在几个方向的平均差值r来衡量，规定为：,板平面方向性指数：,生产中要尽量降低板材的r。 沸腾钢板:r=1.16, r =0.5 不锈钢板:r=1.16-1.25;0.74-1.34 半硬铝: r=0.87, r =-0.54,拉伸试验用的标准试样 和拉伸曲线,第三节 冲压变形理论基础,4冲压材料,五、冲压材料及其冲压成形性能（续）,（1）对冲压材料的要求,b对材料厚度公差的要求(最小间隙与板厚有关),c对表面质量的要求(光洁平整、无锈斑、氧化皮等) 表面质量好的材料，冲压时不易
15、破裂，不易擦伤模具，工件表面质量好,a对冲压成形性能的要求(良好的塑性，屈强比小，弹性模量高),（2）常用冲压材料,第一章 冲压工艺概述,冲压材料规格有：板料(大型零件)、条料(中小型)、卷(带)料(自动送料)、块料(少数钢号和价格昂贵的有色金属的冲压),黑色金属：,普通碳素结构钢(Q195,Q275,Q235),优质碳素结构钢(08,15,20,45等)，合金结构钢，碳素工具钢等。 对于厚度在4mm以下的轧制薄钢板，国家标准规定钢板的厚度精度可分为A(高级精度),B(较高精度),C(普通精度)级。对优质碳素结构薄钢板，国家标准规定，钢板的表面质量可分为(特别高级的精整表面),(高级的精整表面
16、),(较高的精整表面),(普通的精整表面)组；每组按拉深级别又可分为z(最深拉深),s(深拉深),p(普通拉深)级。,有色金属：,铜及其合金、铝及其合金、镁合金、钛合金等。,非金属材料：,纸板、胶木板、塑料板、纤维板和云母等。,（2）常用冲压材料(续),冲压加工对板材总的要求：,良好的塑性、屈强比小、弹性模量高、板厚方向性指数大、板平面方向性指数小。,不同冲压工序对板材性能的具体要求是：,冲裁：具有良好的塑性，在进行冲裁时板料不开裂；材料的硬度一般应低于冲模工作部分的硬度。 弯曲：具有足够的塑性、较低的屈服极限和较高的弹性模量。 拉深：高塑性、屈服极限低和板厚方向性系数大，板料的屈强比小，板平
17、面方向性系数小。,点的应力状态 a）任意坐标系 b）主轴坐标系,第一章 冲压工艺概述,9种主应力状态图,第一章 冲压工艺概述,3种主应变状态图,第一章 冲压工艺概述,如挤压和拉拔。,如宽度较大的板带轧制,如自由锻压,金属的应力-应变图 1-实际应力曲线 2-假象应力曲线,第一章 冲压工艺概述,硬化曲线,第一章 冲压工艺概述,塑性变形的特点:弹塑性共存,加载卸载过程不同,NOTE:旧牌号:LY11;新牌号:硬铝合金2A11,方板拉深试验最小阻力定律试验,第一章 冲压工艺概述,措施：开流和限流,变形趋向性对冲压工艺的影响,第一章 冲压工艺概述,环形毛坯的变形趋向 （）变形前的模具与毛坯（）拉深（）
18、翻边（）胀形,压边圈,胀形:表面积变大，底部中间部分厚度变薄,第一章 冲压工艺概述,D0/dT2.5;d0/dT2.5;d0/dT0.2-0.3（翻边）,与主变形相对应的应力图示,因此，与这三个应力相对应的变形图示：1和2是伸长，而3 是缩短。,解：,=,=,例：轧制板带时2=0，试确定三个主应力之间的关系。,解：,即,结论：在平面变形情况下，主变形为零的方向，主应力不为零，在此方向上的应力为：,温度对碳素钢塑性的影响,用、表示塑性降低区，1、2、3表示塑性增高区 。,兰脆区,热脆区,过热或过烧,冷变形使原子动能增加,再结晶和扩散过程发生,均匀一致的奥氏体,用、表示塑性降低区，1、2、3表示塑
19、性增高区 。,区钢的塑性很低，在零下200时塑性几乎完全丧失，这是由于原子热运动能力极低所致。,区位于200400之间，此区域亦称为兰脆区，即在钢材的断裂部分呈现兰色的氧化色，因此称为“兰脆”。,区位于800950之间，称为热脆区。,区接近于金属的熔化温度，此时晶粒迅速长大，晶间强度逐渐削弱，继续加热有可能使金属产生过热或过烧现象。,1区位于100200之间，塑性增加是由于在冷变形时原子动能增加的缘故（热振动）。,2区位于700800之间，由于有再结晶和扩散过程发生，这两个过程对塑性都有好的作用。,3区位于9501250的范围内，在此区域中没有相变，钢的组织是均匀一致的奥氏体。,冷加工的温度则
20、应为1区。,变形速度对塑性的影响,区，即变形速度小于临界变形速度，该区随变形速度的增加， 塑性是随之下降的。,区，是在大于临界变形速度的情况下，随变形速度的增加， 塑性是增加的。,变形速度的提高，单位时间内的发热率增加，有利于软化 的产生，使变形抗力降低。 另一方面，提高变形速度缩短了变形时间，塑性变形时位 错运动的发生与发展不足，使变形抗力增加。一般情况下， 随着变形速度的增大，金属和合金的抗力提高，但提高的 程度与变形温度密切相关。冷变形时，变形速度的提高， 使抗力有所增加，或者说抗力对速度不是非常敏感。而在 热变形时，变形速度的提高，会引起抗力明显波动，即抗 力对速度敏感。,一般而言：,F,F,F,首先产生塑性变形的区为弱区(所需要的变形力较小) 。 把塑性变形限制在弱区，排除传力区产生塑性变形的可能性。,退回,
