力学冶金讲稿解析课件.ppt
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1、力学冶金,北京科技大学材料学院 刘雅政,力学冶金 北京科技大学材料学院,课程概述 :,力学冶金是硕士研究生的一门学位课前修课:本科生的材料成形理论基础(固态成形) 在此 课的基础上的深化,扩展和综合; 微细观材料学和宏观力学结合起来; 系统工程:把组成塑性加工过程的各个独立部分视为一个系 统来进行过程综合。 新的知识结构:建立塑性加工系统工程,课程概述 : 力学冶金是硕士研究生的一门学位课,主要内容,按照塑性加工系统的四个组成部分来组织的。这四个部分分别是: 塑性加工力学;边界条件;塑性加工时金属材料的组织性能和特征;成品的组织性能和特征。这四个部分即是各自独立的子系统,又是互相渗透和制约的为
2、达到一个统一目标的综合体。,主要内容 按照塑性加工系统的四个组成部分来组织的。,课程共分为五章,第一章 塑性加工工程概论第二章 塑性加工变形力学第三章 塑性加工时金属材料的性质和特征第四章 摩擦边界条件第五章 塑性加工之后成品的性能和特征,课程共分为五章 第一章 塑性加工工程概论,参考文献:,1 G. E. Dieter. Mechanical Metallurgy. 19882 W. A. Backofen. Deformation Processing. 19723 Shiro Kabayashi. Method Forming and The Finite-Element Method.
3、 19894 W, F. Hosford. Metal Forming Mechanics & Metallurgy.,参考文献: 1 G. E. Dieter. Mechan,1.金属塑性加工过程概论,1.1 引言 金属塑性加工方法多种多样,如轧制、锻造、挤压、拉拢、深冲等,工程材料经受的这诸多的各种各样的加工,加工目的只有两个:改变材料的几何形状和改善其性能。 改变几何形状:主要属于几何学问题 简单坯料(方、圆、扁坯)通过工具的作用,产生塑性变形而成为一个几何学上复杂的产品,(如各种型钢、工、槽、扁、角、轨、钢管,这多为热轧产品。 复杂性:很高的尺寸精度,很低的表面粗糙度,良好的板形,高精
4、度的厚度偏差等。有色金属的冷挤压产品也是几何学上很复杂的。,1.金属塑性加工过程概论 1.1 引言,改善性能:,在塑性变形过程中控制: 变形条件:变形量,变形温度, 变形速度,变形区几何学等, 达到控制产品的组织结构,应力分布,细化晶粒,外观形状和尺寸等, 提高制品的强度,韧性和其他物理性能和化学性能。,改善性能: 在塑性变形过程中控制:,力学冶金:通过力的作用使材料产生塑性变形而改变几何形状和改善性能,这正是力学冶金的基本特征,化学冶金:通过改变材料的化学成分,(即增加某些化学元素来减少某些化学元素),来改善材料的化学性能。,物理冶金:在不改变材料的化学成分的情况下,主要通 过 控制材料的加
5、热、冷却、相变等物理手段改变材料的 组织结 构,从而改变材料的性能。,力学冶金:通过力的作用使材料产生塑性变形而改变几何形状和改善,影响因素:变形过程的诸多方面。例如: 坯料的几何学和性能影响变形过程,也影响产品的性能;变形过程影响产品的几何学和性能; 边界条件受坯料几何学和性能的影响,也影响变形区的金 属流动和产品的几何学和性能。金属加工过程视作一个系统:各个系统是互相影响和互相制约。,影响因素:变形过程的诸多方面。,系统(Systems):具有特定功能的,相互间具有有机联系的许多要素所构成的一 个整体。系统一般具有如下特点: 整体性 相关性 目的性 环境适应性,系统(Systems):,I
6、II I,1.2 金属塑性加工系统,:塑性形变区:载荷作用下的工具与收敛孔腔 、模腔中的塑性形变区。 连续介质力学问题:摩擦边界:塑性变形与刚性工具间的界面材料中的塑性弹性转变区; 边界条件:进入变形区的反映加工条件下变形物 体的性能特征。 材料的成形性问题 IV : 成品的性能和特征 离开变形区的成品组织、性能和特性。,II,IV,u0,u1,III,1.3 金属塑性加工过程的分类,1) 块状金属的加工过程: 锻造、轧制、挤压、拉拔等2)片(板)状金属的加工过程: 冲压、深冲、辊弯、旋压,1.3 金属塑性加工过程的分类1) 块状金属的加工过程:,这两类加工过程的特点如下:,这两类加工过程的特
7、点如下:块状金属成型过程 片(板)状金属成,2. 塑性加工变形力学,2.1 引言2.1.1 研究问题的基本方法,基本假设,基本假设,简化的物理模型,简化后的数学模型,实际变形过程,过程模拟过程控制,实用,Y,N,2. 塑性加工变形力学2.1 引言基本假设 基本假设简化的物,2.1.2 基本假设: 1) 几何学方面 2) 参数之间相互关系 3) 材料特性 4) 边界条件,2.1.2 基本假设:,2.1.3 基本方程 1) 守恒方程 2) 本构方程,2.1.3 基本方程,2.1.4 过程模拟,基本参数,过程优化,过程几何学过程特性的确定,输入,约束条件下,过程模拟,输出,过程模拟思路,2.1.4
8、过程模拟基本参数过程优化过程几何学输入约束条件下,金属成型中过程设计和控制的方框图,几何参数工具、工件几何学,过程解析及优化载荷、能耗、应力、应变、温度、金属流动、几何学,过程几何学和过程特性条件的确定,过程模拟,输出,过程参数工模具运动学,温度、润滑材料,材料参数加工硬化特性,应变速率敏感性,各向异性、温度,输入,初级产品要求成形极限,二次产品要求晶粒度、表面性能,设备容量限制,约束条件,金属成型中过程设计和控制的方框图几何参数过程解析及优化过程,2.2 连续介质变形力学方程,2.2.1.守衡方程1) 质量守恒:质量不随时间而变化。 影响质量变化的两个因素:密度变化和体积的变化。 m=v=c
9、 质量守恒要求密度的相对变化率和体积的相对变化率的代数和为零。 因此,系统的质量是连续的,不能间断,这就是连续方程。如果系统的密度是不变的,则质量守恒可简化为体不变条件或称体积不可压缩条件。它的表达式为:,(2),(1),2.2 连续介质变形力学方程2.2.1.守衡方程(2)(1),2)动量守恒:,(质点动量):根据牛顿第二定律 : 动量守恒:动量mu 对时间 t 的导数 ,等于作用其上力。 如果外力 F=0,则动量mv=c, 其中外力F : F s为面积外力、 Fm 为质量力; 用 Fv表示为体积外力; 当密度不变时: 质量力体积力 FmFV ,,(3),(4),(5),2)动量守恒:(质点
10、动量):根据牛顿第二定律 :,动量守恒(续):,系统的动量(dvu)对时间的导数为:面积外力为: n:单位法向量, ds:微面元 , 面力密度 ,i: 法向量; j:力作用方向。,(6),(7),动量守恒(续):系统的动量(dvu)对时间的导数为:(,动量守恒(续):,质量外力 p:单位质量上系统受的外力因此: (FFmFs ),(8),(9),动量守恒(续):质量外力,动量守恒(续):,当加速度: 当质量力可忽略时, 则 (三个静力平衡方程时) (i,j分别等于X、Y、Z),(10),动量守恒(续):,3)动量矩守衡,得出剪应力互等 :,3)动量矩守衡,4)机械能守衡,外力作的功(率)=内力
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