塑性成形原理

本書主要作為普通高等院校及大專院校相關專業及模具設計製造培訓班的教材，也可供工廠企業、科研單位的工程技術人員參考。

基本情況: 南昌大學材料加工工程、材料學專業博士生導師，材料加工工程、車輛工程碩士點導師；先進成形製造及模具研究所所長，材料加工工程省重點學科負責人。

前 言

金屬塑性成形就是利用金屬的塑性，在工具及模具的外力作用下來加工製件的少切削或無切削的工藝方法。由於工藝本身的特點，它雖然有很長的發展歷史卻又在不斷的研究和創新之中，新工藝、新方法層出不窮。這些研究和創新的基本目的不外乎增加材料塑性、提高成形零件的精度及性能、降低變形力、增加模具使用壽命和節約能源等。而“塑性成形原理”正是實現這些目的的基礎理論知識；學習該課程的先修課程主要是“材料力學”和“金屬學”。

本書以編者多年從事該門學科的教學和科研為基礎，結合學科的新近研究成果並參考有關教材編寫而成。全書共分5章，另有緒論和附錄。主要內容介紹如下：在緒論中講述了金屬塑性成形的特點及其在國民經濟中的作用，金屬塑性加工的分類，金屬塑性成形原理課程的目的和任務，金屬塑性成形理論的發展概況；第1章講述金屬塑性成形的物理基礎；第2章在介紹塑性成形過程中應力分析、應變分析、屈服條件及應力、應變關係的同時，還對摩擦和潤滑做了較詳細的介紹；第3章主要介紹主應力法和工程計演演算法的基本原理和解題步驟；第4章對滑移線場理論做了較為詳細的論述，並結合實例介紹滑移線法的應用；第5章在介紹界限法基本概念的基礎上，著重闡述上限原理及其應用。為滿足教學及自學讀者自測的需要，每章都有習題和思考題，書末還附有金屬塑性成形原理實驗選編及部分該課程碩士研究生入學試題選編。本書主要作為普通高等院校及大專院校相關專業及模具設計製造培訓班的教材，也可供工廠企業、科研單位的工程技術人員參考。

本書緒論及第1章、第2章由閆洪教授編寫，第3章、第4章、第5章及附錄由周天瑞教授編寫。本書由南昌航空工業學院王高潮教授主審。在編寫過程中，得到了南昌大學楊雪春、邱映輝等教授的支持和幫助，在此深表感謝！

由於編者水平所限，書中的錯誤和疏漏之處在所難免，敬請讀者批評指正。

編 者

目 錄

緒論 1

第1章 金屬塑性成形的物理基礎 6

1.1 金屬的晶體結構 6

1.1.1 三種典型的晶胞結構 6

1.1.2 實際金屬的晶體結構 8

1.2 單晶體的塑性變形 10

1.2.1 滑移 10

1.2.2 孿生 12

1.3 位錯理論的基本概念 13

1.3.1 理想晶體的剪切強度——位錯概念的提出 13

1.3.2 柏氏矢量 15

1.3.3 位錯的運動 16

1.3.4 位錯增殖 18

1.4 多晶體的塑性變形 19

1.4.1 多晶體的變形方式 19

1.4.2 多晶體的變形特點 20

1.4.3 多晶體變形后的組織和性能 20

1.5 加工硬化 21

1.5.1 單晶體的加工硬化 21

1.5.2 多晶體的加工硬化 22

1.6 回復和再結晶 22

1.6.1 冷變形金屬的靜態回復和靜態再結晶 22

1.6.2 動態回復和動態再結晶 24

1.6.3 再結晶圖 25

1.7 金屬的塑性和影響因素 25

1.7.1 塑性和塑性指標 26

1.7.2 化學成分和組織結構對塑性的影響 27

1.7.3 變形溫度對塑性的影響 29

1.7.4 變形速度對塑性的影響 30

1.7.5 應力狀態對塑性的影響 31

1.7.6 提高金屬塑性的途徑 33

1.7.7 金屬的超塑性 33

思考題與習題 35

第2章 金屬塑性成形的力學基礎 36

2.1 應力分析的基本概念 36

2.1.l 外力 36

2.1.2 應力(內力) 36

2.1.3 應力狀態 37

2.2 點的應力狀態分析 38

2.2.1 直角坐標系中的應力分量和應力張量 38

2.2.2 任意斜面上的應力 39

2.2.3 主應力和應力不變數 41

2.2.4 主剪應力和最大剪應力 44

2.2.5 應力球張量和應力偏張量 46

2.2.6 八面體應力和等效應力 47

2.2.7 應力莫爾圓 49

2.2.8 應力平衡微分方程 50

2.2.9 特殊應力狀態 52

2.3 點的應變狀態分析 57

2.3.1 應變 57

2.3.2 點的應變狀態及應變張量 59

2.3.3 位移分量和小變形幾何方程 62

2.3.4 應變連續方程 63

2.3.5 塑性變形時的體積不變條件 65

2.3.6 應變張量的性質與特性 65

2.3.7 應變增量和應變速率 68

2.3.8 特殊應變狀態 72

2.3.9 變形程度的三種表達方式 72

2.4 屈服條件 74

2.4.1 屈雷斯加屈服條件 75

2.4.2 米塞斯屈服條件 76

2.4.3 屈服條件的幾何表達——屈服軌跡和屈服表面 77

2.4.4 中間主應力的影響和屈服條件的簡化形式 82

2.4.5 屈服條件的實驗驗證 83

2.4.6 屈服條件簡介 85

2.5 塑性應力應變關係 86

2.5.1 彈性應力應變關係 86

2.5.2 彈性應變能 87

2.5.3 塑性應力應變關係的特點 88

2.5.4 塑性變形的增量理論 90

2.5.5 塑性變形的全量理論(形變理論) 93

2.5.6 最大塑性功(散逸功)原理 95

2.6 真實應力-應變曲線 97

2.6.1 拉伸試驗曲線 98

2.6.2 壓縮試驗曲線 101

2.6.3 真實應力-應變曲線的簡化形式 103

2.7 金屬塑性成形中的摩擦和潤滑 106

2.7.1 塑性成形時摩擦的特點及其影響 106

2.7.2 塑性成形時摩擦的分類及機理 107

2.7.3 塑性成形時摩擦力的表達式 109

2.7.4 影響摩擦係數的主要因素 109

2.7.5 摩擦係數的測定方法 111

2.7.6 塑性成形時的潤滑 114

2.7.7 不同塑性加工條件下的摩擦係數 116

思考題與習題 117

第3章

金屬塑性成形工序的力學分析及近似解析法

121

3.1 變形力與單位變形力 121

3.2 主應力法 124

3.2.1 主應力法的基本原理 124

3.2.2 平行模板間圓柱體鐓粗 125

3.2.3 半圓型砧拔長 128

3.3 工程計演演算法 129

3.3.1 方法要點 129

3.3.2 結果分析 131

思考題與習題 132

第4章 滑移線場理論 133

4.1 理想剛塑性平面應變問題 133

4.1.1 平面應變狀態下的應力狀態 134

4.1.2 滑移線與滑移線場的概念 136

4.1.3 理想剛塑性平面應變問題的基本方程 137

4.2 滑移線的性質 138

4.2.1 亨基應力方程 138

4.2.2 亨基第一定理 139

4.2.3 亨基第二定理 139

4.3 常見的應力邊界條件 140

4.4 常見的滑移線場 142

4.5 滑移線法解題實例 143

4.5.1 受內壓無限長厚壁筒問題 143

4.5.2 平沖頭壓入半無限體問題 145

4.6 建立滑移線場的電子計算機方法 146

4.6.1 滑移線方程的數學意義 146

4.6.2 數值積分法及三類邊值問題 147

4.6.3 圖解法 151

4.6.4 計算機輔助建立滑移線場 156

思考題與習題 159

第5章 上限法 161

5.1 極值原理及上限法 161

5.2 速度間斷面及其速度特性 163

5.2.1 速度間斷面 163

5.2.2 速端圖及速度間斷量的計算 164

5.3 Johnson上限模式及應用 166

5.4 Avitzur上限模式及應用 169

5.4.1 直角坐標平面應變問題——考慮側鼓時板坯的平錘壓縮 170

5.4.2 極坐標平面應變問題——寬板的平輥軋制 173

5.4.3 圓柱坐標軸對稱問題——圓盤的鐓粗 177

5.4.4 球坐標軸對稱問題——圓棒的拉拔或擠壓 178

5.5 變形功法 181

5.5.1 變形功法的基本原理 182

5.5.2 計算舉例 183

思考題與習題 184

附錄A 金屬塑性成形原理實驗選編 187

附錄B 研究生入學考試(金屬塑性加工原理)試題選編 196

參考文獻 206