超塑性成形的发展状况

第一篇：超塑性成形的发展状况

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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第二篇：塑性成形实验报告

金属塑性成形原理实验报告

实验项目：Ansys软件分析平面问题和轴对称问题

材料参数：弹性模量E=210Gpa 泊松比：u=0.33 屈服强度σ

摩擦系数v=0.26

尺寸：15×25(mm)

s=350Mpa

实验步骤：

1、建模

1）问题的类型：设置单元类型、属性

(1).设置计算类型。ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural → OK(2).选择单元类型。执行ANSYS Main Menu→Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select（Solid # Quad 4node 42）

→OK

2）材料模型

执行Main Menu→Preprocessor →Material Props →Material Models →

Structural →Linear →Inelastic，在EX框中输入2.1e5，在PRXY框中输入0.3，选择OK并关闭对话框。

3）建立几何形状

选择Main Menu→Preprocessor →modeling →create→areas，如图所示：

4）划分网格

Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→Volumes Mesh→Tet→Mapped,.采用

Mapped网格划分单元。

执行Main Menu-Preprocessor-Meshing-Mesh-Volume-Mapped：

5）建立接触

2、施加边界条件并求解

执行Main Menu-Solution-Apply-Structural-Displacement，拾取目标平面等，单击OK按钮。然后出现如图窗口，选择“UY”，再单击OK按钮。加载荷后结果：

1）定义求解参数

2）求解

执行Main Menu-Solution-Solve-Current LS，弹出一个提示框。执行file-close，单击OK按钮求解运算。

3、结果处理 1）读入结果数据

2）查看结果

轴对称问题：

平面应变问题

平面应力问题

结论：同一种材料，外形尺寸不变时，在不同的受力状态下，应力分布是不同的，且受到的最大应力也不一样。

第三篇：《金属塑性成形原理》复习题

《金属塑性成形原理》复习题 1.什么是金属的塑性？什么是塑性成形？塑性成形有何特点？ 塑性----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；

塑性变形---当作用在物体上的外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形；

塑性成形----金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成型并获得一定力学性能 的加工方法，也称塑性加工或压力加工；

塑性成形的特点：①组织、性能好②材料利用率高③尺寸精度高④生产效率高 2.试述塑性成形的一般分类。

Ⅰ.按成型特点可分为块料成形(也称体积成形)和板料成型两大类 1）块料成型是在塑性成形过程中靠体积转移和分配来实现的。可分为一次成型和二次加工。

一次加工：

①轧制----是将金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间使其产生塑性变形，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。分纵轧、横轧、斜轧；

用于生产型材、板材和管材。

②挤压----是在大截面坯料的后端施加一定的压力，将金属坯料通过一定形状和尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得符合模孔截面形状的小截面坯料或零件的塑性成形方法。分正挤压、反挤压和复合挤压；

适于(低塑性的)型材、管材和零件。

③拉拔----是在金属坯料的前端施加一定的拉力，将金属坯料通过一定形状、尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的小截面坯料的塑性成形方法。生产棒材、管材和线材。

二次加工：

①自由锻----是在锻锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭料或坯料锻成所需的形 状和尺寸的加工方法。精度低，生产率不高，用于单件小批量或大锻件。

②模锻----是将金属坯料放在与成平形状、尺寸相同的模腔中使其产生塑性变形，从 而获得与模腔形状、尺寸相同的坯料或零件的加工方法。分开式模锻和闭式模锻。

2）板料成型一般称为冲压。分为分离工序和成形工序。

分离工序：用于使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，如冲裁、剪切等工序；

成型工序：用来使坯料在不破坏的条件下发生塑性变形，成为具有要求形状和尺寸的零件，如弯曲、拉深等工序。

Ⅱ.按成型时工件的温度可分为热成形、冷成形和温成形。

3.试分析多晶体塑性变形的特点。

1）各晶粒变形的不同时性。不同时性是由多晶体的各个晶粒位向不同引起的。

2）各晶粒变形的相互协调性。晶粒之间的连续性决定，还要求每个晶粒进行多系滑移；

每个晶粒至少要求有 5个独立的滑移系启动才能保证。

3）晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间的变形的不均匀性。

Add：

4）滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。

5）多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。

6）塑性变形时，导致一些物理，化学性能的变化。

7）时间性。hcp系的多晶体金属与单晶体比较，前者具有明显的晶界阻滞效应和极高的加工硬化率，而在立方晶系金属中，多晶和单晶试样的应力—应变曲线就没有那么大的差别。

4.试分析晶粒大小对金属塑性和变形抗力的影响。

①晶粒越细，变形抗力越大。晶粒的大小决定位错塞积群应力场到晶内位错源的距离，而这个距离又影响位错的数目n。晶粒越大，这个距离就越大，位错开动的时间就越长，n也就越大。n越大，应力场就越强，滑移就越容易从一个晶粒转移到另一个晶粒。

②晶粒越细小，金属的塑性就越好。

a．一定体积，晶粒越细，晶粒数目越多，塑性变形时位向有利的晶粒也越多，变形能较均匀的分散到各个晶粒上；

b．从每个晶粒的应力分布来看，细晶粒是晶界的影响区域相对加大，使得晶粒心部的应变与晶界处的应变差异减小。这种不均匀性减小了，内应力的分布较均匀，因而金属断裂前能承受的塑性变形量就更大。

5.什么叫加工硬化？产生加工硬化的原因是什么？加工硬化对塑性加工生产有何利弊？ 加工硬化----随着金属变形程度的增加，其强度、硬度增加，而塑性、韧性降低的现象。加工硬化的成因与位错的交互作用有关。随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，位错反应和相互交割加剧，结果产生固定割阶、位错缠结等障碍，以致形成胞状亚结构，使位错难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动。这样，要是金属继续变形，就需要不断增加外力，才能克服位错间强大的交互作用力。

加工硬化对塑性加工生产的利弊：

有利的一面：可作为一种强化金属的手段，一些不能用热处理方法强化的金属材料，可应用加工硬化的方法来强化，以提高金属的承载能力。如大型发电机上的护环零件(多用高锰奥氏体无磁钢锻制)。

不利的一面：①由于加工硬化后，金属的屈服强度提高，要求进行塑性加工的设备能力增加；

②由于塑性的下降，使得金属继续塑性变形困难，所以不得不增加中间退火工艺，从而降低了生产率，提高了生产成本。

6.什么是动态回复？为什么说动态回复是热塑性变形的主要软化机制？ 动态回复是在热塑性变形过程中发生的回复(自发地向自由能低的方向转变的过程)。

动态回复是热塑性变形的主要软化机制，是因为：

①动态回复是高层错能金属热变形过程中唯一的软化机制。动态回复是主要是通过位错的攀移、交滑移等实现的。对于层错能高的金属，变形时扩展位错的宽度窄，集束容易，位错的交滑移和攀移容易进行，位错容易在滑移面间转移，而使异号位错相互抵消，结果使位错密度下降，畸变能降低，不足以达到动态结晶所需的能量水平。因为这类金属在热塑性变形过程中，即使变形程度很大，变形温度远高于静态再结晶温度，也只发生动态回复，而不发生动态再结晶。

②在低层错能的金属热变形过程中，动态回复虽然不充分，但也随时在进行，畸变能也随时在释放，因而只有当变形程度远远高于静态回复所需要的临界变形程度时，畸变能差才能积累到再结晶所需的水平，动态再结晶才能启动，否则也只能发生动态回复。

Add：动态再结晶容易发生在层错能较低的金属，且当热加工变形量很大时。这是因为层错能低，其扩展位错宽度就大，集束成特征位错困难，不易进行位错的交滑移和攀移；

而已知动态回复主要是通过位错的交滑移和攀移来完成的，这就意味着这类材料动态回复的速率和程度都很低(应该说不足)，材料中的一些局部区域会积累足够高的位错密度差(畸变能差)，且由于动态回复的不充分，所形成的胞状亚组织的尺寸小、边界不规整，胞壁还有较多的位错缠结，这种不完整的亚组织正好有利于再结晶形核，所有这些都有利于动态再结晶的发生。需要更大的变形量上面已经提到了。

7.什么是动态再结晶？影响动态再结晶的主要因素有哪些？动态再结晶是在热塑性变形过程中发生的再结晶。动态再结晶和静态再结晶基本一样，也会是通过形核与长大来完成，其机理也是大角度晶界(或亚晶界)想高位错密度区域的迁移。

动态再结晶的能力除了与金属的层错能高低(层错能越低，热加工变形量很大时，容易出现动态再结晶)有关外，还与晶界的迁移难易有关。金属越存，发生动态再结晶的能力越强。当溶质原子固溶于金属基体中时，会严重阻碍晶界的迁移、从而减慢动态再结晶的德速率。弥散的第二相粒子能阻碍晶界的移动，所以会遏制动态再结晶的进行。

9.钢锭经过热加工变形后其组织和性能发生了什么变化？(参见 P27-31)①改善晶粒组织②锻合内部缺陷③破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布④形成纤维组织⑤改善偏析 10.冷变形金属和热变形金属的纤维组织有何不同？ 冷变形中的纤维组织：轧制变形时，原来等轴的晶粒沿延伸方向伸长。若变形程度很大，则晶粒呈现为一片纤维状的条纹，称为纤维组织。当金属中有夹杂或第二相是，则它们会沿变形方向拉成细带状(对塑性杂质而言)或粉碎成链状(对脆性杂质而言)，这时在光学显微镜下会很难分辨出晶粒和杂质。在热塑性变形过程中，随着变形程度的增大，钢锭内部粗大的树枝状晶逐渐沿主变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也逐渐与主变形方向一致，其中脆性夹杂物(如氧化物，氮化物和部分硅酸盐等)被破碎呈链状分布；

而苏醒夹杂物(如硫化物和多数硅酸盐等)则被拉长呈条状、线状或薄片状。于是在磨面腐蚀的试样上便可以看到顺主变形方向上一条条断断续续的细线，称为“流线 ”，具有流线的组织就称为“纤维组织”。在热塑性加工中，由于再结晶的结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而纤维组织却被很稳定的保留下来直至室温。所以与冷变形时由于晶粒被拉长而形成的纤维组织是不同的。

12.什么是细晶超塑性？什么是相变超塑性？ ①细晶超塑性它是在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所呈现的超塑性。具体地说，材料的晶粒必须超细化和等轴化，并在在成形期间保持稳定。

②相变超塑性要求具有相变或同素异构转变。在一定的外力作用下，使金属或合金在相变温度附近反复加热和冷却，经过一定的循环次数后，就可以获得很大的伸长率。相变超塑性的主要控制因素是温度幅度和温度循环率。

15.什么是塑性？什么是塑性指标？为什么说塑性指标只具有相对意义? 塑性是指金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力，它是金属的一种重要的加工性能。

塑性指标，是为了衡量金属材料塑性的好坏而采用的某些试验测得的数量上的指标。

常用的试验方法有拉伸试验、压缩试验和扭转试验。

由于各种试验方法都是相对于其特定的受力状态和变形条件的，由此所测定的塑性指标(或成形性能指标)，仅具有相对的和比较的意义。它们说明，在某种受力状况和变形条件下，哪种金属的塑性高，哪种金属的塑性低；

或者对于同一种金属，在那种变形条件下塑性高，而在哪种变形条件下塑性低。

16.举例说明杂质元素和合金元素对钢的塑性的影响。(P41-44)①碳：固溶于铁时形成铁素体和奥氏体，具有良好的塑性。多余的碳与铁形成渗碳体(Fe 3C),大大降低塑性；

②磷：一般来说，磷是钢中的有害杂质，它在铁中有相当大的溶解度，使钢的强度、硬度提高，而塑性、韧性降低，在冷变形时影响更为严重，此称为冷脆性。

③硫：形成共晶体时熔点降得很低(例如 FeS的熔点为 1190℃，而 Fe-FeS的熔点为 985℃)。这些硫化物和共晶体，通常分布在晶界上，会引起热脆性。

④氮：当其质量分数较小(0.002%~0.015%)时，对钢的塑性无明显的影响；

但随着氮化物的质量分数的增加，钢的塑性降降低，导致钢变脆。如氮在α铁中的溶解度在高温和低温时相 差很大，当含氮量较高的钢从高温快速冷却到低温时，α铁被过饱和，随后在室温或稍高温度下，氮逐渐以 Fe 4N形式析出，使钢的塑性、韧性大为降低，这种现象称为时效脆性。

若在 300℃左右加工时，则会出现所谓“兰脆”现象。

⑤氢：氢脆和白点。

⑥氧：形成氧化物，还会和其他夹杂物(如 FeS)易熔共晶体(FeS-FeO，熔点为910℃)分布于晶界处，造成钢的热脆性。

合金元素的影响：①形成固溶体；

②形成硬而脆的碳化物；

…… 17.试分析单相与多相组织、细晶与粗晶组织、锻造组织与铸造组织对金属塑性的影响。

①相组成的影响：单相组织(纯金属或固溶体)比多相组织塑性好。多相组织由于各相性能不同，变形难易程度不同，导致变形和内应力的不均匀分布，因而塑性降低。如碳钢在高温时为奥氏体单相组织，故塑性好，而在 800℃左右时，转变为奥氏体和铁素体两相组织，塑性就明显下降。另外多相组织中的脆性相也会使其塑性大为降低。

②晶粒度的影响：晶粒越细小，金属的塑性也越好。因为在一定的体积内，细晶粒金属的晶粒数目比粗晶粒金属的多，因而塑性变形时位向有利的晶粒也较多，变形能较均匀地分散到各个晶粒上；

又从每个晶粒的应力分布来看，细晶粒时晶界的影响局域相对加大，使得晶粒心部的应变与晶界处的应变差异减小。由于细晶粒金属的变形不均匀性较小，由此引起的应力集中必然也较小，内应力分布较均匀，因而金属在断裂前可承受的塑性变形量就越大。

③锻造组织要比铸造组织的塑性好。铸造组织由于具有粗大的柱状晶和偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，故使金属塑性降低。而通过适当的锻造后，会打碎粗大的柱状晶粒获得细晶组织，使得金属的塑性提高。

18.变形温度对金属塑性的影响的基本规律是什么？ 就大多数金属而言，其总体趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并不是简单的线性上升；

在加热过程中的某些温度区间，往往由于相态或晶粒边界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。在一般情况下，温度由绝对零度上升到熔点时，可能出现几个脆性区，包括低温的、中温的和高温的脆性区。下图是以碳钢为例：区域Ⅰ，塑性极低—可能是由与原子热振动能力极低所致，也可能与晶界组成物脆化有关；

区域Ⅱ，称为蓝脆区(断口呈蓝色)，一般认为是氮化物、氧化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出 所致，类似于时效硬化。区域Ⅲ，这和珠光体转变为奥氏体，形成铁素体和奥氏体两相共存有关，也可能还与晶界上出现FeS-FeO低熔共晶有关，为热脆区。

19.什么是温度效应？冷变形和热变形时变形速度对塑性的影响有何不同？ 温度效应：由于塑性变形过程中产生的热量使变形体温度升高的现象。(热效应：塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分都转化成热能的现象)一般来说，冷变形时，随着应变速率的增加，开始时塑性略有下降，以后由于温度效应的增强，塑性会有较大的回升；

而热变形时，随着应变速率的增加，开始时塑性通常会有较显著的降低，以后由于温度效应的增强，而使塑性有所回升，但若此时温度效应过大，已知实际变形温度有塑性区进入高温脆区，则金属的塑性又急速下降。

2.叙述下列术语的定义或含义：

①张量：由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量所组成的集合称为张量；

②应力张量：表示点应力状态的九个分量构成一个二阶张量，称为应力张量；

.ζη η.x xy xz ③应力张量不变量：已知一点的应力状态 ④主应力：在某一斜微分面上的全应力S和正应力ζ重合，而切应力η=0，这种切应力为 零的微分面称为主平面，主平面上的正应力叫做主应力；

⑤主切应力：切应力达到极值的平面称为主切应力平面，其面上作用的切应力称为主切应力 ⑥最大切应力：三个主切应力中绝对值最大的一个，也就是一点所有方位切面上切应力最大的，叫做最大切应力ηmax ⑦主应力简图：只用主应力的个数及符号来描述一点应力状态的简图称为主应力图：

⑧八面体应力：在主轴坐标系空间八个象限中的等倾微分面构成一个正八面体，正八面体的每个平面称为八面体平面，八面体平面上的应力称为八面体应力；

⑨等效应力：取八面体切应力绝对值的3倍所得之参量称为等效应力 ⑩平面应力状态：变形体内与某方向垂直的平面上无应力存在，并所有应力分量与该方向轴无关，则这种应力状态即为平面应力状。实例：薄壁扭转、薄壁容器承受内压、板料成型的一些工序等，由于厚度方向应力相对很小而可以忽略，一般作平面应力状态来处理 11)平面应变状态：如果物体内所有质点在同一坐标平面内发生变形，而在该平面的法线方向没有变形，这种变形称为平面变形，对应的应力状态为平面应变状态。实例：轧制板、带材，平面变形挤压和拉拔等。

12)轴对称应力状态：当旋转体承受的外力为对称于旋转轴的分布力而且没有轴向力时，则物体内的质点就处于轴对称应力状态。实例：圆柱体平砧均匀镦粗、锥孔模均匀挤压和拉拔(有径向正应力等于周向正应力)。

3.张量有哪些基本性质？ ①存在张量不变量②张量可以叠加和分解③张量可分对称张量和非对称张量④二阶对称张量存在三个主轴和三个主值 4.试说明应力偏张量和应力球张量的物理意义。

应力偏张量只能产生形状变化，而不能使物体产生体积变化，材料的塑性变形是由应力偏张量引起的；

应力球张量不能使物体产生形状变化(塑性变形)，而只能使物体产生体积变化。

12.叙述下列术语的定义或含义 1)位移：变形体内任一点变形前后的直线距离称为位移；

2)位移分量：位移是一个矢量，在坐标系中，一点的位移矢量在三个坐标轴上的投影称为改点的位移分量，一般用 u、v、w或角标符号ui 来表示；

3)相对线应变：单位长度上的线变形，只考虑最终变形；

4)工程切应变：将单位长度上的偏移量或两棱边所夹直角的变化量称为相对切应变，也称工程切应变，即δrt = tanθxy =θxy =αyx +αxy(直角∠CPA减小时，θxy取正号，增大时取负号)；

5)切应变：定义γ yx =γ xy= 1θyx 为切应变；

6)对数应变：塑性变形过程中，在应变主轴方向保持不变的情况下应变增量的总和，记为它反映了物体变形的实际情况，故称为自然应变或对数应变；

7)主应变：过变形体内一点存在有三个相互垂直的应变方向(称为应变主轴)，该方向上线元没有切应变，只有线应变，称为主应变，用ε1、ε2、ε3 表示。对于各向同性材料，可以认 为小应变主方向与应力方向重合；

8)主切应变：在与应变主方向成± 45°角的方向上存在三对各自相互垂直的线元，它们的切 应变有极值，称为主切应变；

9)最大切应变：三对主切应变中，绝对值最大的成为最大切应变；

10)应变张量不变量：

11)主应变简图：用主应变的个数和符号来表示应变状态的简图；

12)八面体应变：如以三个应变主轴为坐标系的主应变空间中，同样可作出正八面体，八面体平面的法线方向线元的应变称为八面体应变 13)应变增量：产生位移增量后，变形体内质点就有相应无限小的应变增量，用dεij 来表示；

14)应变速率：单位时间内的应变称为应变速率，俗称变形速度，用ε& 表示，其单位为 s-1；

15)位移速度：

14.试说明应变偏张量和应变球张量的物理意义。应变偏张量εij /----表示变形单元体形状的变化；

应变球张量δijεm----表示变单元体体积的变化；

塑性变形时，根据体积不变假设，即εm = 0，故此时应变偏张量即为应变张量 15.塑性变形时应变张量和应变偏张量有何关系？其原因何在？塑性变形时应变偏张量就是应变张量，这是根据体积不变假设得到的，即εm = 0，应变球张量不存在了。

16.用主应变简图表示塑性变形的类型有哪些？ 三个主应变中绝对值最大的主应变，反映了该工序变形的特征，称为特征应变。如用主应变简图来表示应变状态，根据体积不变条件和特征应变，则塑性变形只能有三种变形类型 ①压缩类变形，特征应变为负应变(即ε1＜0)另两个应变为正应变，ε2 +ε3 =.ε1 ；

②剪切类变形(平面变形)，一个应变为零，其他两个应变大小相等，方向相反，ε2 =0，ε1 =.ε3 ；

③伸长类变形，特征应变为正应变，另两个应变为负应变，ε1 =.ε2.ε3。

17.对数应变有何特点？它与相对线应变有何关系？ 对数应变能真实地反映变形的积累过程，所以也称真实应变，简称真应变。它具有如下 特点：

①对数应变有可加性，而相对应变为不可加应变；

②对数应变为可比应变，相对应变为不可比应变；

③相对应变不能表示变形的实际情况，而且变形程度愈大，误差也愈大。

对数应变可以看做是由相对线应变取对数得到的。

21.叙述下列术语的定义或含义：

Ⅰ屈服准则：在一定的变形条件(变形温度、变形速度等)下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则，也称塑性条件，它是描述受力物体中不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的力学条件；

Ⅱ屈服表面：屈服准则的数学表达式在主应力空间中的几何图形是一个封闭的空间曲面称为屈服表面。假如描述应力状态的点在屈表面上，此点开始屈服。对各向同性的理想塑性材料，则屈服表面是连续的，屈服表面不随塑性流动而变化。

Ⅲ屈服轨迹：两向应力状态下屈服准则的表达式在主应力坐标平面上的集合图形是封闭的曲线，称为屈服轨迹，也即屈服表面与主应力坐标平面的交线。

22.常用的屈服准则有哪两个？如何表述？分别写出其数学表达式。

常用的两个屈服准则是 Tresca屈服准则和 Mises屈服准则，数学表达式分别为max min Tresca屈服准则：ηmax =ζ.ζ = C2 式中，ζmax、ζ min----带数值最大、最小的主应力；

C----与变形条件下的材料性质有关而与应力状态无关的常数，它可通过单向均匀拉伸试验求的。

Tresca屈服准则可以表述为：在一定的变形条件下，当受力体内的一点的最大切应力ηmax 达到某一值时，该点就进入塑性状体。

Mises屈服准则：ζ= 1(ζ1.ζ 2)2 +(ζ 2.ζ3)2 +(ζ3.ζ1)2 =ζs2 = 1 ζ)()()()2(s2zx2yz2xy2xz2zy2yx6ζηηηζζζζζ=+++.+.+.所以 Mises屈服准则可以表述为：在一定的变形条件下，当受力体内一点的等效应力 ζ达到某一定值时，该点就进入塑性状态。

23.两个屈服准则有何差别？在什么状态下两个屈服准则相同？什么状态下差别最大？ Ⅰ共同点：

①屈服准则的表达式都和坐标的选择无关，等式左边都是不变量的函数；

②三个主应力可以任意置换而不影响屈服，同时，认为拉应力和压应力的作用是一样的；

③各表达式都和应力球张量无关。

不同点：①Tresca屈服准则没有考虑中间应力的影响，三个主应力的大小顺序不知道时，使用不方便；

而 Mises屈服准则则考虑了中间应力的影响，使用方便。

Ⅱ两个屈服准则相同的情况在屈服轨迹上两个屈服准则相交的点表示此时两个屈服准则相同，有六个点，四个单向应力状态，两个轴对称应力状态。

Ⅲ两个屈服准则差别最大的情况:在屈服轨迹上连个屈服准则对应距离最远的点所对应的情况，此时二者相差最大，也是六个点，四个平面应力状态(也可是平面应变状态)，两个纯切应力状态，相差为 15.5%。

28.叙述下列术语的定义或含义：

1)增量理论：又称流动理论，是描述材料处于塑性状态时，应力与应变增量或应变速率之间关系的理论，它是针对加载过程中的每一瞬间的应力状态所确定的该瞬间的应变增量，这样就撇开了加载历史的影响；

2)全量理论：在一定条件下直接确定全量应变的理论，也叫形变理论，它是要建立塑性变形全量应变和应力之间的关系。

3)比例加载：外载荷的各分量按比例增加，即单调递增，中途不卸载的加载方式，满足Ti =CT i 0 ；

4)标称应力：也称名义应力或条件应力，是在拉伸机上拉伸力与原始横断面积的比值；

5)真实应力：也就是瞬时的流动应力，用单向均匀拉伸(或压缩)是各加载瞬间的载荷 P与该瞬间试样的横截面积A之比来表示；

6)拉伸塑性失稳：拉伸过程中发生缩颈的现象 7)硬化材料:考虑在塑性变形过程中因形状变化而会发生加工硬化的材料；

8)理想弹塑性材料：在塑性变形时，需考虑塑性变形之前的弹性变形，而不考虑硬化的材料，也即材料进入塑性状态后，应力不在增加可连续产生塑性变形；

9)理性刚塑性材料：在研究塑性变形时，既不考虑弹性变形，又不考虑变形过程中的加工硬化的材料；

10)弹塑性硬化材料：在塑性变形时，既需要考虑塑性变形前的弹性变形，又要考虑加工硬化的材料；

11)刚塑性硬化材料：在研究塑性变形时，不考虑塑性变形前的弹性变形，但需要考虑变形过程中的加工硬化的材料。

29.塑性变形时应力应变关系有何特点？为什么说塑性变形时应力和应变之间的关系与加载历史有关？ 在塑性变形时，应力应变之间的关系有如下特点：

①应力与应变之间的关系时非线性的，因此，全量应变主轴与应力主轴不一定重合；

②塑性变形时可以认为体积不变，即应变球张量为零，泊松比 υ=0.5；

③对于应变硬化材料，卸载后在重新加载时的屈服应力就是卸载时的屈服应力，比初始屈服应力要高；

④塑性变形时不可逆的，与应变历史有关，即应力-应变关系不在保持单值关系。塑性变形应力和应变之间的关系与加载历史有关，可以通过单向拉伸时的应力应变曲线和不同加载路线的盈利与应变图来说明 P120 30.全量理论使用在什么场合？为什么？ 全量理论适用在简单加载的条件下，因为在简单加载下才有应力主轴的方向固定不变，也就是应变增量的主轴是和应力主轴是重合的，这种条件下对劳斯方程积分得到全量应变和应力之间的关系，就是全量理论。

31.在一般情况下对应变增量积分是否等于全量应变？为什么？在什么情况下这种积分才能成立？ 一般情况下是对应变增量积分是不等于全量应变的，因为一般情况下塑性变形时全量应变主轴与与应力主轴不一定重合。在满足简单加载的的条件下，这种积分才成立。一般情况下很难做到比例加载，但满足几个条件可实现比例加载。可参看第三章第五节中全量理论的部分内容。

1.对塑性成形件进行质量分析有何重要意义？ 对塑性成形件进行质量分析，是检验成形件的质量的一种手段，能够对成形件作出较为全面的评估，指明成形件能否使用和在使用过程中应该注意的问题，可有效防止不必要的安全事故和经济损失。

2.试述对塑性成形件进行质量分析的一般过程即分析方法。

一般过程：调查原始情况→弄清质量问题→试验研究分析→提出解决措施；

分析方法：低倍组织试验、金相试验及金属变形金属变形流动分析试验。

3.试分别从力学和组织方面分析塑性成形件中产生裂纹的原因。

①力学分析：能否产生裂纹，与应力状态、应变积累、应变速率及温度等很多因素有关。其中应力状态主要反映力学的条件。

物体在外力的作用下，其内部各点处于一定的应力状态，在不同的方位将作用有不同的正应力及切应力。材料断裂(产生裂纹)形式一般有两种：一是切断，断裂面是平行于最大切应力或最大切应变方向；

另一种是正断，断裂面垂直于最大正应力或正应变方向。塑性成形过程中，材料内部的应力除了由外力引起外，还有由于变形不均匀而引起的附加应力。由于温度不均而引起的温度应力和因组织转变不同时进行而产生的组织应力。这些应力超过极限值时都会使材料发生破坏(产生裂纹)。

1)由外力直接引起的裂纹；

2)由附加应力及残余应力引起的裂纹；

3)由温度应力(热应力)及组织应力引起的裂纹。

②组织分析：塑性成形中的裂纹一般发生在组织不均匀或带有某些缺陷的材料中，同时，金属的晶界往往是缺陷比较集中的地方，因此，塑性成形件中的裂纹一般产生于晶界或相界处。

1)材料中由冶金和组织缺陷处应力集中而产生裂纹；

2)第二相及夹杂物本身的强度低和塑性低而产生裂纹：a晶界为低熔点物质；

b晶界存在脆性的第二相或非金属夹杂物；

c第二相为强度低于基体的韧性相；

3)第二相及非金属夹杂与基体之间的力学性能和理化性能上有差异而产生裂纹。

4.防止产生裂纹的原则措施是什么？ 1)增加静水压力；

2)选择和控制合适的变形温度和变形速度；

3)采用中间退火，以便消除变形过程中产生的硬化、变形不均匀、残余应力等；

4)提高原材料的质量。

5.什么是钢的奥氏体本质晶粒度和钢的奥氏体实际晶粒度？ 钢的奥氏体本质晶粒度是将钢加热到 930℃，保温一段时间(一般 3—8h)，冷却后在室温下放大 100倍观察到的晶粒大小。钢的本事晶粒度一般反映钢的冶金质量，它表征钢的工艺特性；

钢的奥氏体实际晶粒度是指钢加热到某一温度下获得奥氏体晶粒大小。奥氏体实际晶粒度则影响零件的使用性能。

6.晶粒大小对材料的力学性能有何影响？ 一般情况下，晶粒细化可以提高金属材料的屈服强度、疲劳强度、塑性和冲击韧度，降低钢的脆性转变温度。

7.影响晶粒大小的主要因素有哪些？这些因素是如何影响晶粒大小的？ 对于热加工过程来说，变形温度、变形程度和机械阻碍物是影响形核速度和长大速度的三个基本参数。下面讨论这三个基本参数对晶粒大小的影响。

1)加热温度(包括塑性变形前的加热温度和固溶处理时的加热温度)温度对原子的扩散能力有重要影响。随着温度的升高，原子(特别是晶界原子)的移动、扩散能力不断增强，晶粒之间并吞速度加剧，晶粒的这种长大可以在很短的时间内完成。所以晶粒随温度升高而长大是一种必然现象。

2)变形程度：热变形的晶粒大小与变形程度之间的关系和 5-17相似。

第一个大晶粒区，叫临界变形区。临界变形区是属于一种小变形量范围。因为其变形量小，金属内部只是局部地区受到变形。在再结晶时，这些受到变形的局部地区会产生再结晶核心，由于产生的核心数目不多，这些为数不多的核心将不断长大直到它们互相接触，结果获得了粗大晶粒。当变形量大于临界变形程度时，金属内部均产生了较大的塑性变形，由于具有了较高的畸变能，因而再结晶能同时形成较多的再结晶核心，这些核心稍微长大就相互解除了，所以再结晶后获得了细晶粒。当变形量足够大时，出现了第二个大晶粒区。该区的粗大晶粒与临界变形时所产生的大晶粒不同。一般认为，该区是在变形时先形成变形织构，经再结晶后形成了织构大晶粒所致。可能的原因还可能是：

①由于变形程度大(90%以上)，内部产生很大的热效应，引起锻件实际变形温度大幅度升高；

②由于变形程度大，使那些沿晶界分布的杂质破碎并分散，造成变形的晶粒与晶粒之间局部地区直接接触(与织构的区别在于这时相互接触的晶粒位向差可以是比较大的)，从而促使形成大晶粒。

3)机械阻碍物:机械阻碍物的存在形式分两类：一类是钢在冶炼凝固时从液相直接析出的，颗粒比较大，成偏析或统计分布；

另一类是钢凝固后，在继续冷却过程中从奥氏体晶粒内析出的，颗粒十分细小，分布在晶界上。后一类比前一类的阻碍作用大得多。机械阻碍物的作用主要表现在对晶界的钉扎作用上。一旦机械阻碍物溶入晶内时，晶界上就不存在机械阻碍作用了，晶粒便可立即长大到与所处温度对应的晶粒大小。对晶粒的影响，除以上三个基本因素外，还有变形速度、原始晶粒度和化学成分等。

8.细化晶粒的主要途径有哪些？ ①在原材料冶炼时加入一些合金元素(如钽、铌、锆、钼、钨、钒、钛等)及最终采用铝、钛等作脱氧剂。它们的细化作用主要在于：当液态金属凝固时，那些高熔点化合物起弥散的结晶核心作用，从而保证获得极细晶粒。此外这些化合物同时又都起到机械阻碍的作用，是已形成的细晶粒不易长大。

②采用适当的变形程度和变形温度。塑性变形时应恰当控制最高变形温度(既要考虑加热温度，也要考虑到热效应引起的升温)，以免发生聚集再结晶。如果变形量较小时，应适当降低变形温度。

③采用锻后正火(或退火)等相变重结晶的方法。必要时利用奥氏体再结晶规律进行高温正火来细化晶粒。

11.什么是塑性失稳？拉伸失稳与压缩失稳有什么本质区别？ 塑性失稳：在塑性加工中，当材料所受载荷达到某一临界值后，即使载荷下降，塑性变形还会继续，这种现象称为塑性失稳。压缩失稳的主要影响因素是刚度参数，它在塑性成形中主要表现为坯料的弯曲和起皱，在弹性和塑性变形范围内都可能产生；

拉伸失稳的主要影响因素是强度参数，它主要表现为明显的非均匀伸长变形，在坯料上产生局部变薄或变细的现象，其进一步发展是坯料的拉断和破裂，它只产生于塑性变形范围内。

13.杆件的塑性压缩失稳与板料的塑性压缩失稳其表现形式有何不同？ 杆件的压缩失稳表现为弯曲；

板料的压缩失稳表现为起皱 14.塑性压缩失稳的临界压应力与那些因素有关？(P180-184)15.在板料拉深中，引起法兰变形区起皱的原因是什么？在生产实践中，如何防止法兰变形区的起皱？ 原因：压缩力引起的失稳起皱。成形过程中变形区坯料的径向拉应力ζ1和切向压应力ζ3 的平面应力状态下变形，当切向压应力ζ3 达到失稳临界值时，坯料将产生失稳起皱。

防止方法：加设压边圈 一、填空题 1.衡量金属或合金的塑性变形能力的数量指标有 伸长率 和 断面收缩率。

2.所谓金属的再结晶是指 冷变形金属加热到更高的温度后，在原来变形的金属中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金属的冷变形组织 的过程。

3.金属热塑性变形机理主要有：

晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移 和 扩散蠕变 等。

4.请将以下应力张量分解为应力球张量和应力偏张量 ＝ ＋ 5.对应变张量，请写出其八面体线变 与八面体切应变 的表达式。

＝ ；

＝。

6.1864 年法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）根据库伦在土力学中研究成果，并从他自已所做的金属挤压试验，提出材料的屈服与最大切应力有关，如果采用数学的方式，屈雷斯加屈服条件可表述为。

7.金属塑性成形过程中影响摩擦系数的因素有很多，归结起来主要有 金属的种类和化学成分、工具的表面状态、接触面上的单位压力、变形温度、变形速度 等几方面的因素。

8.变形体处于塑性平面应变状态时，在塑性流动平面上滑移线上任一点的切线方向即为该点的最大切应力方向。对于理想刚塑性材料处于平面应变状态下，塑性区内各点的应力状态不同其实质只是平均应力 不同，而各点处的 最大切应力 为材料常数。

9.在众多的静可容应力场和动可容速度场中，必然有一个应力场和与之对应的速度场，它们满足全部的静可容和动可容条件，此唯一的应力场和速度场，称之为 真实 应力场和 真实 速度场，由此导出的载荷，即为 真实 载荷，它是唯一的。

10.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 ＝。

11、金属塑性成形有如下特点：

、、、。

12、按照成形的特点，一般将塑性成形分为 和 两大类，按照成形时工件的温度还可以分为、和 三类。

13、金属的超塑性分为 和 两大类。

14、晶内变形的主要方式和单晶体一样分为 和。

其中 变形是主要的，而 变形是次要的，一般仅起调节作用。

15、冷变形金属加热到更高的温度后，在原来变形的金属中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金属的冷变形组织，这个过程称为金属的。

16、常用的摩擦条件及其数学表达式。

17、研究塑性力学时，通常采用的基本假设有、、、体积力为零、初应力为零、。

19.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。

20.金属单晶体变形的两种主要方式有：

滑移 和 孪生。

21．影响金属塑性的主要因素有：

化学成分、组织、变形温度、变形速度、应力状态。

22.等效应力表达式： 。

23.一点的代数值最大的 __ 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。

24.平面变形问题中与变形平面垂直方向的应力 σ z =。

25．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。

26．对数应变的特点是具有真实性、可靠性和可加。

27．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。

28．钢冷挤压前，需要对坯料表面进行磷化皂化　润滑处理。

29．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。

30．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。

31．韧性金属材料屈服时，密塞斯（Mises）准则较符合实际的。

32．硫元素的存在使得碳钢易于产生热脆。

33．塑性变形时不产生硬化的材料叫做理想塑性材料。

34．应力状态中的压　应力，能充分发挥材料的塑性。

35．平面应变时，其平均正应力sｍ　等于　中间主应力s２。

36．钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 降低。

37．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。

38．塑性指标的常用测量方法 拉伸试验法与压缩试验法。

39．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sｍB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．按密塞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、简答题 1.纯剪切应力状态有何特点？ 答：纯剪切应力状态下物体只发生形状变化而不发生体积变化。

纯剪应力状态下单元体应力偏量的主方向与单元体应力张量的主方向一致，平均应力。

其第一应力不变量也为零。

3.塑性变形时应力应变关系的特点？ 答：在塑性变形时，应力与应变之间的关系有如下特点：

(1)应力与应变之间的关系是非线性的，因此，全量应变主轴与应力主轴不一定重合。

(2)塑性变形时，可以认为体积不变，即应变球张量为零，泊松比。

(3)对于应变硬化材料，卸载后再重新加载时的屈服应力就是报载时的屈服应力，比初始屈服应力要高。

(4)塑性变形是不可逆的，与应变历史有关，即应力－应变关系不再保持单值关系。

1．试简述提高金属塑性的主要途径。

答：可通过以下几个途径来提高金属塑性：

(1)提高材料的成分和组织的均匀性；

(2)合理选择变形温度和变形速度；

(3)选择三向受压较强的变形方式；

(4)减少变形的不均匀性。

2．请简述应变速率对金属塑性的影响机理。

答：应变速度通过以下几种方式对塑性发生影响：

(1)增加应变速率会使金属的真实应力升高，这是由于塑性变形的过程比较复杂，需要有一定的时间来进行。

(2)增加应变速率，由于没有足够的时间进行回复或再结晶，因而软化过程不充分而使金属的塑性降低。

(3)增加应变速率，会使温度效应增大和金属的温度升高，这有利于金属塑性的提高。

综上所述，应变速率的增加，既有使金属塑性降低的一面，又有使金属塑性增加的一面，这两方面因素综合作用的结果，最终决定了金属塑性的变化。

3．请简述弹性变形时应力-应变关系的特点。

答：弹性变形时应力-应变关系有如下特点：

(1)应力与应变完全成线性关系，即应力主轴与全量应变主轴重合。

(2)弹性变形是可逆的，与应变历史（加载过程）无关，即某瞬时的物体形状、尺寸只与该瞬时的外载有关，而与瞬时之前各瞬间的载荷情况无关。

(3)弹性变形时，应力球张量使物体产生体积的变化，泊松比。

三、计算题 1．对于直角坐标系 Oxyz 内，已知受力物体内一点的应力张量为，应力单位为 Mpa，(1)画出该点的应力单元体；

(2)求出该点的应力张量不变量、主应力及主方向、最大切应力、八面体应力、应力偏张量及应力球张量。

解：

(1)该点的应力单元体如下图所示(2)应力张量不变量如下 故得应力状态方程为 解之得该应力状态的三个主应力为（Mpa）设主方向为，则主应力与主方向满足如下方程 即，解之则得，解之则得，解之则得 最大剪应力为：

八面体正应力为：

Mpa 八面体切应力为：

应力偏张量为：，应力球张量为：

2．已知金属变形体内一点的应力张量为 Mpa，求：

(1)计算方向余弦为 l=1/2，m=1/2，n= 的斜截面上的正应力大小。

(2)应力偏张量和应力球张量；

(3)主应力和最大剪应力；

解：

(1)可首先求出方向余弦为（l,m,n）的斜截面上的应力（）进一步可求得斜截面上的正应力 ：

(2)该应力张量的静水应力 为 其应力偏张量 应力球张量(3)在主应力面上可达到如下应力平衡 其中 欲使上述方程有解，则 即 解之则得应力张量的三个主应力：

对应地，可得最大剪应力。

3．若变形体屈服时的应力状态为：-30 0 0 15 0 23 ´ ÷ ÷ ÷ ø ö ç ç ç è æ × × × = ij s MPa 试分别按Mises和Tresca塑性条件计算该材料的屈服应力及值，并分析差异大小。

解：，Tresca准则：

MPa 而＝＝1 Mises准则：

MPa 而＝＝1.07 或者：，4．某理想塑性材料，其屈服应力为100(单位：10MPa)，某点的应力状态为：

MPa 将其各应力分量画在如图所示的应力单元图中，并判断该点处于什么状态（弹性/塑性）？ 答：＝－300MPa ＝230MPa ＝150MPa ＝－30 MPa ====0 根据应力张量第一、第二、第三不变量公式：

＝++-＝＋＋ ＝ 将、、、、、、、、代入上式得：

＝8，＝804，＝－10080(单位：10MPa)将、、代入－－б－＝0，令>>解得：

=24 =14 =－30(单位：10MPa)根据Mises屈服准则：

等效应力 ＝ ＝49.76(单位：10MPa)(单位：10MPa)因此,该点处于弹性状态。

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sｍB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 · 1 ＝ K（u * oA ＋ u * oB ＋ u * oC ＋ u * oD）又 ＝ ＝ ＝ ＝ a 所以单位流动压力：P = ＝ 2K

第四篇：塑性成形新技术的发展趋势

塑性成形新技术的发展趋势

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

通过对材料成形专业领域的科技前沿技术的整理总结，我终于清楚地知道了我的专业（材料成形与控制工程）的发展方向，并对本专业有了深层次的了解和认识，这为我以后的学习指明了道路。看到还有许多富有潜力的先进技术还没有进行实际应用，这激发了我奋斗的激情，我争取通过自身的学习和努力在材料成形领域有较大发展，推动材料成形技术的在社会生活中的应用，为人类的发展作出应有贡献。

第五篇：塑性成形的优缺点

塑性成型的特点---优点

 组织、性能好

塑性成形可使金属内部组织发生改变，如塑性成形中的锻造等成形工艺可使金属的晶粒细化，可以压合铸造组织内部的气孔等缺陷，使组织致密，从而提高工件的综合力学性能、经过塑性加工将使其结构致密,粗晶破碎细化和均匀,从而使性能提高.此外,塑性流动所产生的流线也能使其性能得到改善。 材料利用率高，节省材料

塑性成形方法的材料利用率可达60%-70%，有的达85%-90%。材料利用率不如铸件，但由于材料性能提高，零件的尺寸可缩小，零件寿命高，也可以节省原材料、金属塑性加工是金属整体性保持的前提下,依靠塑性变形发生物质转移来实现工件形状和尺寸变化的,不会产生切屑,因而材料的利用率高得多。 尺寸精度高，提高制件的强度

工件的尺寸精度高，不少塑性成形方法可达到少无切削加工的要求。如精密模锻锥齿轮的齿部可不经切削加工直接使用、塑性加工产品的尺寸精度和表面质量高。

 塑性成型方法具有很高的生产率

除自由锻造外，其它塑性成形方法都有较高的劳动生产率，可大批量生产、塑性加工过程便于实现生产过程的连续化,自动化,适于大批量生产,如轧制,拉拔加工等,因而劳动生产率高。塑性成型的特点---缺点

 投资大、经费多，制约新产品迅速投产的瓶颈

塑性成形多数方法的模具费高，成本高、设备较庞大,能耗较高，且成形件的形状和大小也受到一定限制，形状不能太复杂，坯料塑性要好。

塑性成形可制造小至几克，大至几百吨的重型锻件，所以需要大量投资，所需要的资本和经费大，而且由于所需都是固定零件所以新产品少，新产品不可能过快投入市场造成新产品迅速投产的瓶颈。塑性成形时，工件的固态流动比较困难，成形比较困难，工件形状的复杂程度不如铸件，体积特别大的工件成形也较困难。 一定程度的环境污染

需要消耗大量的资源，铸造过程中的粉尘，噪声污染等，同时也会产生工业三废——废水、废气、废渣。

材料成型及控制工程11—3 徐威娜 1176808231