DEFORM_2D和DEFORM_3DCAE软件在模拟金属塑性变形过程中的应用

文章编号:1001-4934(2000)03-0075-06

DEFORM-2D和DEFORM-3D CAE软件在模拟金属塑性变形过程中的应用

林新波

(上海交通大学塑性成形工程系,上海　200030)

摘　要:介绍了塑性变形有限元分析软件DEFORM的模块结构,并通过实例分析介

绍了此软件在应力、应变分布、载荷计算、点的跟踪、模具填充、缺陷分析和缺陷预防

等方面的应用。

关键词:DEFORM软件;有限元分析;塑性变形

中图分类号:TG113.25+3 文献标识码:A

Abstract:In this paper,the m odule structure of DEFORM is described sim ply.S ome typical

applications are analyzed to dem onstrate the feasibility of DEFORM in simulating metal plastic

deformation such as the distribution of effective stress and effective strain,calculation of load2

stroke,tracing of point,fill of m ould,analysis and prevention of defect.

K ey w ords:DEFORM s oftware;FE M analysis;plastic deformation

0　引言

最近几年,随着计算科学的快速发展和有限元技术应用的日益成熟,C AE技术模拟分析金属在塑性变形过程中的流动规律在现实生产中得到愈来愈广泛的应用。C AE技术的成功运用,不仅大大缩短了模具和新产品的开发周期,降低了生产成本,提高企业的市场竞争能力,而且有利于将有限元分析法和传统的实验方法结合起来,从而推动模具现代制造业的快速发展。

1　DEFORM系统简介

DEFORM(Design environment for forming)是由美国Battelle C olumbus实验室在八十年代早期着手开发的一套有限元分析软件。早期的DEFORM-2D软件只能局限于分析等温变形的平面问题或者轴对称问题。随着有限元技术的日益成熟,DEFORM软件也在不断发展完善,目前,DEFORM软件已经能够成功用于分析考虑热力耦和的非等温变形问题和三维变形(DE2 FORM-3D),此外,DEFORM软件可视化的操作界面以及强大而完善的网格自动再划分技术,都使DEFORM这一商业化软件在现代工业生产中变得愈来愈实用而可靠。

收稿日期:1999-06-16

作者简介:林新波(1973～),男,硕士研究生。

2　DEFORM软件的模块结构

DEFORM-2D和DEFORM-3D的模块结构基本相同,都由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成,不同的是DEFORM-2D自身可以制作简易的线框模具,DEFORM-3D不具备实体造型能力,但它提供一些通用的C AD数据接口,如IGES和ST L接口。

2.1　前处理器

前处理器包括三个子模块(1)数据输入模块,便于数据的交互式输入,如:初始速度场、温度场、边界条件、冲头行程以及摩擦系数等初始条件。(2)网格的自动划分与自动再划分模块。

(3)数据传递模块,当网格重划分后,能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递,从而保证计算的连续性。

2.2　模拟处理器

真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的,DEFORM运行时,首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组,然后通过直接迭代法和Newton-Raphs on法进行求解,求解的结果以二进制的形式进行保存,用户可在后处理器中获取所需要的结果。

2.3　后处理器

后处理器用于显示计算结果,结果可以是图形形式,也可以是数字、文字混编的形式。可获取的结果可为每一步的(1)有限元网格;(2)等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图;(3)速度场;(4)温度场;(5)压力行程曲线等。此外用户还可以列点进行跟踪,对个别点的轨迹、应力、应变、破坏程度进行跟踪观察,并可根据需要抽取数据。

3　DEFOM-2D和DEFORM-3D实例分析

3.1　镦粗

为了评估DEFORM-2D和DEFORM-3D的计算结果,现将一镦粗过程分别在2D与3D平台上进行模拟计算,虽然在网格划分上有些不同,但两者在材料流动、应力、应变分布、行程载荷方面的计算结果都显得十分吻合。

图1,2和图3,4分别为圆柱在DERORM-2D与DEFORM-3D平台上的网格变形图(圆柱起始高度(step1)为30,镦粗后(step50)为15),图5,6为应力分布等高线,图7,8为应变分布等高线,图9为各示意图等高线数据,将图示形状和数据大小进行比较,如图5对应等高线Ⅰ数值为1.7878,图6对应等高线B数值为1.7440,其结果非常接近。图10为1/4圆柱在3D平台上的压力行程曲线,从图示可得最大载荷约为6.8t,图11为整个圆柱在2D平台上的压力行程曲线,图示可得最大载荷约为28t,约为前者的4倍,整个计算结果的比较都显得非常接近。

图1　二维镦粗初始网格划分(step=1) 图2　三维镦粗初始网格划分(step=1)

图3　二维镦粗过程中的网格(step=50) 图4　三维镦粗过程中的网格(step=50)

图5　二维等效应力分布图(step=50) 图6　三维等效应力分布图(step=50)

图7　二维等效应变分布图(step=50) 图8　三维等效应变分布图(step=50)

图9　等效应力、应变等高线对应值

图10　DEFORM-3D1/4圆柱三维镦粗压力行程曲线　图11　DEFORM-2D圆柱平面镦粗压力行程曲线

3.2　点的跟踪与缺陷分析

下面实例为一铝件的正向挤压模拟,实际生产中,当变形量达到一定的程度,在零件后端中心会出现凹状缩孔。

图12以有限元网格的形式显示了挤压过程中金属的流动情况,在难变形区,网格会自动进行重划分,在图示中可以明显观察到网格的畸变和重划分情况,整个变形过程共进行了12次网格自动重划分。

图13则对配料表面三个点进行点的跟踪,当变形量达到一定程度时,可以明显观察到表面上的点开始向中心转移,从而导致凹状缩孔的形成,从点的移动情况可以看出,适当地控制变形量可以阻止缺陷的形成。

3.3　极爪零件的温镦成形

极爪是汽车发动机电极零件,它的成形过程:首先将一圆形坯料温镦成形获取枝丫状毛坯,然后对枝丫进行剪切和弯曲,获取最终产品,其中,将枝丫尺寸镦挤到位是成形的关键。由于变形体有6个爪,且形状对称,故只选取工件的1/12进行模拟。成形材料:08F钢,初始坯料尺寸:<31.4mm×21.6mm,冲头速度:120mm/s,温度:700℃,摩擦系数:0.15。

初始网格如图14,它是由DEFORM-3D自动生成的四面体单元网格,对变形剧烈的区域预先实行网格局部细化分,该网格包括1406个节点和5678个单元。

从变形过程网格的重划分情况(如图15,16)可以看出,材料的难变形区在模具的入口处,在此处材料发生剧烈变形,离开入口处后,材料变形趋向均匀,网格分布也比较均匀。另外,对

图12　个别迭代步的网格生成与网格的自动再划分

图13　变形过程点的跟踪

毛坯变形过程的破坏程度进行分析,发现靠近枝丫末端处破坏因子较大且呈层状分布(如图17),说明变形过程中,上层的金属流动较下面的快,结果在金属内部形成拉应力,随着变形程度的加剧,拉应力增大,破坏程度也随着增大,但是破坏因子的数值比较小,在D等高线处数值仅达到0.0760,尚不会引起裂纹。

4　结论

利用类似DEFORM等有限元软件,模拟分析金属的流动规律,有利于帮助设计人员优化

工艺参数和模具设计,减少模具的前期开发费用,其健壮而有效的有限元代码,方便而可行的

图14　坯料初始网格(step =1)　图15　中间成形步网格(step =20)　图16　终了成形步网格(step =77)图17　损伤程度等高线(step =50)前后模拟处理器,以及现在愈

来愈快的工作站都大大减少

了设计人员的工作量,从而有

利于缩短模具的设计开发周

期。

但是,对于一些复杂的工艺过程进行模拟时,模拟过程

的计算量会很大,可达几个星

期甚至几个月,有时这种模拟

是很不经济的,为此,可根据

实际需要对模拟过程做适当的简化,以期在较短的时间内获取所需的主要信息。下面一些假设是在有限元模拟中常用的一些简化方法。

(1)用等温变形代替非等温变形。这种假设能够获取基本数据,常用于变形过程对温度变化不非常敏感的材料,如碳素钢等;另外,也适用于变形速度比较快,模具冷却效果不明显的场合,如机械压力机锻造或者螺旋压力机锻造等。

(2)忽略模具上一些次要的几何特征。例如,忽略零件上定位槽的几何形状,不会对金属的流动产生明显的影响,但是,这种简化却能大大减少计算时间以及网格重划分的次数。

(3)确定适当的网格数目,合理的分配网格密度。网格数目过多或者过少都不利于有限元的模拟计算,可根据零件变形情况,适当的预设定网格数目,并对变形剧烈的区域预先实行细划分,可大大减少计算时间。

显而易见,为了保证模拟过程的不间断性,网格的自动划分与再划分技术,网格密度分布的自动优化技术,以及新旧网格间数据的自动传递技术在有限元代码中是必需的。参考文献:

[1]　T aylan Altan ,Markus K noerr.Application of the 2D Finite E lement Method to S imulation of C old -F orging Processes

[J ].Journal of Materials Processing T echnology ,1992,35:275～302.

金属的塑性变形和强化

第六章金属的塑性变形和强化 练习与思考题 1 什么叫强化？可能采用那些强化手段来强化金属？ 采用各种方式使得金属塑性变形时位错运动的阻力增大，即可实现金属材料的强化。如冷变形的加工硬化，添加合金的固溶强化和析出沉淀强化，细晶强化，亚结构强化，多相组织的相变强化等。 2 面心立方单晶体的应力应变曲线的硬化系数θ为什么各个阶段各不相同？θⅡ最大的原因是什么？ 第I阶段一般认为只有一个滑移系开动，强化作用不大，θI较小，为易滑移阶段； 第Ⅱ阶段为线性强化阶段，出现了多系滑移；多系滑移产生大量位错，使得位错运动阻力明显增大，尤其是面角位错的出现，强烈的阻止位错源开动，并强 最大。 烈阻止其他滑移面上的位错运动，从而使得这一阶段硬化指数θ Ⅱ 第Ⅲ阶段出现了交滑移，从而拜托了面角位错的封锁，使原被塞积的位错继续运动，使得位错的自由路程增大。即在加工硬化的同时，存在着动态回复的软化过程，从而造成θⅢ随着γ增大而逐渐降低的现象。 3 晶界对塑性变形有什么影响？ 晶界对塑性变形过程的影响，主要是在温度较低时晶界阻碍滑移进行引起的障碍强化作用和变形连续性要求晶界附近多系滑移引起的强化作用。

为使多晶体塑性变形过程不破坏晶界连续性，相邻的晶粒必须协调变形。多晶体塑性变形一旦变形传播到相邻的晶粒，就产生了多系滑移。位错运动遇到的障碍比单系滑移多，阻力要增加。 存在晶界及晶界两侧晶粒取向有差别，多晶体的塑性变形有着很大的不均匀性。在单个晶粒内，晶界变形要低于晶粒中心区域；由于细晶组织中晶界占的比例要大于粗晶组织中的晶界，细晶组织的强化效果高于粗晶组织。 4 多系滑移为何能起到强化作用？金属多晶体塑性变形一开始为什么就出现了多系滑移的强化？ 多系滑移产生大量位错，位错间相互作用使得位错运动阻力明显增大，尤其是面角位错的出现，强烈的阻止位错源开动，并强烈阻止其他滑移面上的位错运动。 多晶体材料中，某一晶粒产生滑移变形而不破坏晶界连续性，相邻的晶粒必须协调变形。理论计算证明，相邻晶粒通过滑移协调一个可以变成任意形状的晶粒的变形，至少需六个滑移系统。所以多晶体塑性变形一旦形传播到相邻的晶粒，就产生了多系滑移。位错运动遇到的障碍比单系滑移多，阻力增加很快。 5 细化晶粒对金属材料的力学性能有什么影响？细化晶粒可以解决哪些问题？有哪些途径可以细化晶粒？ 根据Hall-Petch关系，流变应力与晶粒直径方根的倒数(D-1/2)有明显的线性关系。 σs=σi+KD-1/2 式中σs——屈服应力； D——平均晶粒直径；σi、K——实验常数。 细化晶粒非常重要，在工程上有重要的应用 （1）在高强度的钢种中，细化晶粒可以提高其韧性；有助于防止脆性断裂发生，可降低脆性转化温度，提高材料使用范围。 （2）在低强度钢中（如低碳结构钢），利用细化晶粒来提高屈服强度有明显效果。尤其是超细晶组织对提高强度和韧性作用更突出。 （3）在超塑性变形时，细化晶粒可以得到理想的超塑性变形。因为超塑性

基于DEFORM3D二次开发的塑性成形过程组织演化模拟

基于DEFORM3D 二次开发的塑性成形过程组织演化模拟 作者：曲周德 张伟红 摘要：金属热成形方法可以有效改善 产品的综合机械性能，利用有限元模拟可以为控制锻造和产品质量提供理论依据。在Deform3D 的热力耦合刚粘塑性有限元模拟技术的基础上，进行了微观组织演化的二次开发，可以扩展有限元软件的组织模拟能力，并利用该方法对20CrMnTi 钢镦锻热成形过程进行了计算机模拟，得到了热力参数的分布状况和内部晶粒度变化的规律。通过摇臂轴的镦锻成形模拟证明了组织模拟能够为工艺改进提供了理论依据。 关键词：刚粘塑性；有限元；晶粒尺寸；显微组织演化；热镦锻 0 引言 高温成形过程中，金属将发生动态和静态再结晶，产生新的晶粒。这种微观组织的演变在很大程度上决定了产品的宏观力学性能[1，2]。利用热加工过程控制晶粒大小，细化微观组织，是提高产品力学性能的重要手段。因此，研究材料在热成形过程中宏观力学行为和微观组织的变化，揭示其相互之间的关系，并依据优化工艺参数、设计塑性成形工艺和锻后冷却方案，这对解决目前的工艺问题，提高产品质量是很有意义的，同时也是变形过程全面模拟的前沿课题[3]。 有限元数值模拟技术是随着物理模拟设备的完善以及计算机技术的发展而发展起来的。鉴于有限元法是目前唯一能对塑性加工过程给出全面且较为精确数值解的分析方法，本文对材料组织性能所进行的数值模拟均采用该分析方法。 数值模拟软件是求解塑性加工问题的一个基本工具。现在市场上已有许多成熟的用于金属塑性加工的商业软件。如DEFORM ，MSC.MARC ，MSC.SUPERFORM ，Dynaform 等，但这些软件都只进行宏观变形和温度的分析计算，没有考虑宏观与微观耦合，不具备微观组织演化的模拟和预测功能，或者只具有简单的预测能力，其模型并不一定适合于所考察的问题。本文通过对Deform3D 二次开发，将适合于材料的组织模型与成形的热力耦合计算结合，模拟热成形过程中的组织演化。 1 模型建立

金属塑性变形与断裂

金属塑性变形与断裂集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）

金属材料塑性变形与断裂的关系 摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。 关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀 氢脆高温断裂 一、解理断裂与塑变的关系 解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。 第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。

第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。 从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。 二、准解理断裂与塑变的关系 准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。产生原因： （1）、从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的组织，回火温度低，易产生此类断裂。 （2）、构件的工作温度与钢材的脆性转折温度基本相同。 （3）、构件的薄弱环节处处于平面应变状态。 （4）、材料的尺寸比较粗大。 （5）、回火马氏体组织的缺陷，如碳化物在回火时的定向析出。 准解理断裂往往开始是因为碳化物，析出物或者夹杂物在外力作用下产生裂纹，然后沿某一晶面解理扩展，之后以塑性变形方式撕裂，其断裂面上显现有较大的塑性变形，特征是断口上存在由于几个地方的小裂纹分别扩展相遇发生塑性撕裂而形成的撕裂岭。准解理断裂面不是一

数值模拟技术及其在金属塑性成形中的应用

《材加专业前沿讲座》前沿调研报告数值模拟技术及其在金属塑性成形中的应用 学院：机械工程学院 班级：xxxxx 姓名：南京小诸葛 学号：xxxxx

目录 一、摘要 (1) 二、正文 (1) 2.1数值模拟技术 (1) 2.1.1数值模拟技术简介 (1) 2.1.2数值模拟技术的优势 (1) 2.1.3有限元法发展历史 (2) 2.1.4有限元法的发展现状 (2) 2.1.5有限元法在机械中的应用 (2) 2.2数值模拟技术在金属塑性成形中的应用 (2) 2.3数值模拟技术的应用举例 (3) 三、参考文献 (4)

一、摘要 在本次材加专业学科前沿体验课金淼老师关于数值模拟技术及其在金属塑形成型中的应用，我学到了很多先进前沿的知识。数值模拟技术是一项新型的求解数学模型的方法，尤其是数值法中的有限元法，在机械行业运用广泛，在金属塑性成形过程中更是有着很大的实用价值，是一项值得我们认真研究的科学处理方法。 关键字：数值模拟塑性成形有限元法 二、正文 在材加专业学科前沿体验课中，我们都听了很多老师在不同方面的专业知识的讲座，但让我留下最深印象的就是金淼老师讲授的“数值模拟技术及其在金属塑性成形中的应用”的讲座。数值模拟技术是一种新型的模拟分析的技术，在现实生产应用十分广泛，对我们专业的未来生产生活中的应用也是颇有价值，所以我对数值模拟技术做了下面的前沿调研报告。 该调研报告分为三个部分来讲：首先讲什么是数值模拟技术，然后讲数值模拟技术在金属塑性成形中的应用，最后会列举一个数值模拟技术实际生产中的例子。 2.1数值模拟技术 2.1.1数值模拟技术简介 求解数学模型通常有两种方法：一种是解析法，它通过严格的数学推导求出问题的精确解，或称解析解；另一种是数值法，它通过一定的算法和程序，利用计算机计算出问题的近似解，又称数值解。 常见的数值法有差分法，变分法和有限元法等。我们接下来主要讲解集成差分法和变分法二者数值模拟优点的有限元法。 有限元法是求解各种复杂数理方程的一种数值计算方法，是弹性/塑性理论、计算数学、计算机软硬件有机结合在一起的一种数值分析技术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。 2.1.2数值模拟技术的优势 近年来，在计算机技术和数值分析方法的支持下，数值模拟技术在国防、航空航天、交通运输、电力、机械、工程建筑等领域得到了广泛的应用，从结构合理性设计到结构承载能力和工件寿命预测、从结构的稳定性到工件开裂预测等，各个领域都渗透者数值模拟技术的身影。例如，分析叶片成形过程，研究其缺陷产生原因，以期为实际锻造过程作知道，有效地改进叶片成型质量；模拟不同形状工件、不同变形条件下缺陷产生的过程，以便能更好地了解缺陷的成因及改进措施等。数值模拟以其低成本、高价值的优势成为越来越普通的工程计算和科学研究的手段，被越来越多的科研人员所接受和使用。因此，数值模拟技术也是降低制造成本、缩短研发周期、搞笑而实用地预测研究缺陷的方法和手段。 数值模拟技术已从一个单纯的分析工具转变为一种设计手段，成为快速发展的一个相对独立的科学领域，在理论和应用方面都具有学科的特色。其优势主要体现在：①有效缩短新产品的开发研究周期，大幅度降低产品研发成本；②以精确的分析结果为知道，制造出高质量的产品；③快速进行方案设计和改进，增加产品和工程的可靠性；④精确预测产品性能；⑤实现优化设计，降低材料的消耗和成本；⑥预先发现产品制造或工程设施中可能潜在的问题，减少经济损失和时

金属塑性加工习题

绪论 0-1 请选择你生活学习中所接触的五种物品，写一篇约五千字的调研笔记，调查其从原料到该物品制造的全过程，运用你所学的知识分析制造这些物品所涉及的学科知识。 第一章应力分析与应变分析 1-1 塑性加工的外力有哪些类型？ 1-2 内力的物理本质是什么？诱发内力的因素有哪些？ 1-3 何谓应力、全应力、正应力与切应力？塑性力学上应力的正、负号是如何规定的？ 1-4 何谓应力特征方程、应力不变量？ 1-5何谓主切应力、八面体应力和等效应力？它们在塑性加工上有何意义？ 1-6 何谓应力张量和张量分解方程？它有何意义？ 1-7 应力不变量（含应力偏张量不变量）有何物理意义？ 1-8 塑性变形的力学方程有哪几种？其力学意义和作用如何？ 1-9 锻造、轧制、挤压和拉拔的主力学图属何种类型？ 1-10变形与位移有何关系？何谓全量应变、增量应变？它们有何联系和区别？ 1-11简述塑性变形体积不变条件的力学意义。 1-12何谓变形速度？它们与工具速度、金属质点运动速度有何区别和联系？ 1-13何谓变形力学图？如何根据主应力图确定塑性变形的类型？ 1-14锻造、轧制、挤压和拉拔的变形力学图属何种类型？ 1-15塑性加工时的变形程度有哪几种表示方法？各有何特点？ 1-16已知一点的应力状态MPa，试求该应力空间中 的斜截面上的正应力和切应力为多少？ 1-17现用电阻应变仪测得平面应力状态下与x轴成0°，45°，90°角方向上的应力值分别为，试问该平面上的主应力各为多少？ 1-18 试证明： （1）

（2） 1-19 一圆形薄壁管，平均半径为R，壁厚为t，二端受拉力P及扭矩M的作用，试求三个主应力 的大小与方向。 1-20 两端封闭的薄壁圆管。受轴向拉力P，扭矩M，内压力ρ作用，试求圆管柱面上一点的主应力 的大小与方向。其中管平均半径为R，壁厚为t，管长为l。 1-21已知平面应变状态下，变形体某点的位移函数为， ，试求该点的应奕分量，并求出主应变的大小与方向。 1-22 为测量平面应变下应变分量将三片应变片贴在与x轴成0°，60°，120°夹角的方向上，测得它们的应变值分别为。试求以及主应变的大小与方向。 1-23 已知圆盘平锤均匀压缩时，质点的位移速度场为，，，其中 为全锤头压下速度，h为圆盘厚度。试求应变速度张量。 1-24 一长为l的圆形薄壁管，平均半径为R，在两端受拉力P，扭矩M作用后，管子的长度变成l1，两端的相对扭转角为，假设材料为不可压缩的。在小变形条件下给出等效应变与洛德参数的表达式。1-25某轧钢厂在三机架连轧机列上生产h×b×l=1.92×500×100,000mm的A3带钢产品（见图1-14），第1、3机架上的压下率为20%，第2机架上为25%，若整个轧制过程中带材的宽度b保持不变，试求带钢在该连轧机列上的总压下量及每机架前后带钢的尺寸为多少？ 图1-25 三机架连轧机列示意图 第二章金属塑性变形的物性方程

金属塑性成形综述

金属塑性成形 摘要：金属塑性成形技术是机械冶金、汽车拖拉机、电工仪表、宇航军工、五金日用品等制造业最基本，最古老，亦是极重要的加工手段之一。文章主要对塑性成形的基本方法、主要研究内容，发展趋势做了综合介绍。 一、引言 塑性成形技术具有高产、优质、低耗等显著特点,已成为当今先进制造技术的重要发展方向。据国际生产技术协会预测,21世纪,机械制造工业零件粗加工的75%和精加工的50%都采用塑性成形的方式实现。【1】 在现代制造技术中，人们广泛的利用金属材料生产各种零件和产品。金属加工方法多种多样，包括成型、切削等。金属塑性成形是其中一种重要的加工方法，是利用金属在外力作用下产生的塑性变形来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，因此也称为金属塑性加工或金属压力加工。 图1 传统金属塑性成形工艺 二、金属塑性成形的主要形式 金属塑性成形工艺的种类有很多，包括轧制、挤压、拉拔、锻造和冲压等基本工艺类型。随着技术的发展，也有很多新的成型方式出现，它们具备精密、高效、节能、节材、清洁等优点，得到广泛关注。

2.1 体积成型 金属体积成型是指对金属块料、棒料或厚板在高温或室温下进行成形加工的方法，主要分为热态金属体积成型和冷温态金属体积成型。热态金属变形过程可分为热锻、轧制、挤压、拉拔、辗压等工艺技术；冷温态变形过程可分为冷锻、冷精轧、冷挤压、冷拔、冷辗扩等工艺。 2.2 板材成型 所谓板材成型是指用板材、薄壁管、薄型材等作为原材料进行塑性加工的成形方法。在忽略板厚的变化时，可视为平面变形问题来处理，板材成型可分为:冲裁、弯曲、拉延、胀形、翻边、扩孔、辊压等工艺技术。 2.3 粉末态金属成形 随着制粉技术的发展，其应用领域不断扩展，对于复杂形状的机械零件来说，它具有高效、精密成形的特点，但成本较高，机械性能不如整体金属材料。粉末态金属成形的工艺过程为制粉、造型、压实、烧结、精锻。 2.4半固态金属材料成形 70年代开发研究的新技术，原金属材料作过特殊前处理，当材料加热到一定温度时可使30%的金属材料处于融溶状态，其余70%的金属材料呈均匀细颗粒组织的固态。在此状态加压变形，其流动性特好，可成形结构形状特别复杂的零件，而变形杭力很小。 2.5 复合成形技术 现代的科学越来越相互交叉、渗透，出现许多边缘学科、交叉学科一样，材料成形技术也逐渐突破原有铸、锻、焊、粉末冶金等技术相互独立的格局，相互融合、渗透，产生了种类繁多的“复合成形技术”。【2】金属塑性的复合成型技术主要有两个方面 （1）各种成形工艺的组合优化达到优化工艺和产品的目的。 （2）铸、锻、焊、热处理等不同加工方法的组合。 三、金属塑性成形技术主要研究内容 由于压力加工中,少、无切屑的特点和精密加工技术的发展,使金属塑性成型理论的研究受到日益广泛的重视而进入工程应用的前列.一般认为,研究金属塑性科学的历史开始于Tresa在1864年提出的屈服准则,至今不过100多年,而

金属塑性变形理论习题集

《金属塑性变形理论》习题集 张贵杰编 河北联合大学 金属材料与加工工程系 2013年10月

前言 《金属塑性变形理论》是关于金属塑性加工学科的基础理论课，也是“金属材料工程”专业大学本科生的主干课程，同时也是报考材料科学与工程专业方向硕士研究生的必考科目。 《金属塑性变形理论》总学时为72，内容上分为两部分，即“金属塑性加工力学”（40学时）和“塑性加工金属学”（32学时）。 为使学生能够学好本课，以奠定扎实的理论基础，提高分析问题和解决问题的能力，编者集20余年的教学经验特编制本习题集，一方面作为学生在学习本课程时的辅导材料，供课下消化课堂内容时使用，另一方面也可供任课教师在授课时参考，此外对报考研究生的学生还具有指导复习的作用。 本“习题集”在编写时，充分考虑了学科内容的系统性、学生学习的连贯性以及与教材顺序的一致性。该“习题集”中具有前后关联的一个个题目，带有由浅入深的启发性，能够引导学生将所学的知识不断深化。教师也可根据教学进程从中选题，作为课外作业指导学生进行练习。所有这些都会有助于学生理解和消化课堂上所学习的内容，从而提高课下的学习效率。 编者 2013年10月

第一部分 金属塑性加工力学 第一章 应力状态分析 1． 金属塑性加工中的外力有哪几种？其意义如何？ 2． 为什么应力分量的表达需用双下标？每个下标都表示何物理意义？ 3． 已知应力状态如图1-1所示，写出应力分量，并以张量形式表示。 4． 已知应力状态的六个分量7-=x σ，4-=xy τ，0=y σ，4=yz τ， 8-=zx τ，15-=z σ(MPa)，画出应力状态图，写出应力张量。 5． 作出单向拉伸、单向压缩、三向等值压缩、平面应力、平面应变、 纯剪切应力状态的应力Mehr 圆。 6． 已知应力状态如图1-2所示，当斜面法线方向与三个坐标轴夹角余 弦31 ===n m l 时，求该斜面上的全应力S 、全应力在坐标轴上的 分量x S 、y S 、z S 及斜面上的法线应力n σ和切应力n τ。 图 1-1 ?? ?? ? ??------ =1548404847σT x y z 图 1-2 x 10

金属塑性变形原理

金属塑性变形原理 1、变形和应力 1．1塑性变形与弹性变形 金属晶格在受力时发生歪扭或拉长，当外力未超过原子之间的结合力时，去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态，也就是说，未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形。多晶体发生弹性变形时，各个晶粒的受力状态是不均匀的。 当加在晶体上的外力超过其弹性极限时，去掉外力之后歪扭的晶格和破碎的晶体不能恢复到原始状态，这种永久变形叫金属的塑性变形。金属发生塑性变形必然引起金属晶体组织结构的破坏，使晶格发生歪扭和紊乱，使晶粒破碎并且使晶粒形状发生变化，一般晶粒沿着受力方向被拉长或压缩。 1．2应力和应力集中 塑性变形时，作用于金属上的外力有作用力和反作用力。由于这两种外力的作用，在金属内部将产生与外力大小相平衡的内力。单位面积上的这种内力称为应力，以σ表示。 σ=P/S 式中σ——物体产生的应力，MPa： Ｐ——作用于物体的外力，N； Ｓ——承受外力作用的物体面积，mm2。 当金属内部存在应力，其表面又有尖角、尖缺口、结疤、折叠、划伤、裂纹等缺陷存在时，应力将在这些缺陷处集中分布，使这些缺陷部位的实际应力比正常应力高数倍。这种现象叫做应力集中。 金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物及残余应力等对应力的反应与物体的表面缺陷相同，在应力作用下，也会发生应力集中。 应力集中在很大程度上提高了金属的变形抗力，降低了金属的塑性，金属的破坏往往最先从应力集中的地方开始。 2、塑性变形基本定律 2．1体积不变定律 钢锭在头几道轧制中因其缩孔、疏松、气泡、裂纹等缺陷受压缩而致密，体积有所减少，此后各轧制道次的金属体积就不再发生变化。这种轧制前后体积不变的客观事实叫做体积不变定律。它是计算轧制变形前后的轧件尺寸的基本依据。 H、B、L——轧制前轧件的高、宽、长；h、b、l——轧制后轧件的高、宽、长。根据体积不变定律，轧件轧制前后体积相等，即 HBL=hbl 2．2最小阻力定律 钢在塑性变形时，金属沿着变形抵抗力最小的方向流动，这就叫做最小阻力定律。根据这个定律，在自由变形的情况下，金属的流动总是取最短的路线，因为最短的路线抵抗变形的阻力最小，这个最短的路线，即是从该动点到断面周界的垂线。

第五章 金属及合金的塑性变形 -答案

第五章金属及合金的塑性变形与断裂一名词解释 固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构 固溶强化：固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高，应力－应变曲线升高，塑性下降的现象； 应变时效：具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后，在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况； 孪生：金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另外一部分晶体作均匀的切变，使相邻两部分的晶体取向不同，以孪晶面为对称面形成镜像对称，孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过程称为孪生； 临界分切应力：金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小

分切应力； 变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构。 二填空题 1．从刃型位错的结构模型分析，滑移的 移面为{111}，滑移系方向为<110>，构成12 个滑移系。P166. 3. 加工硬化现象是指随变形度的增 大，金属强度和硬度显著 提高而塑性和韧性显著下降的现象 ，加工硬化的结果，使金属对塑性变形的抗力增大，造成加工硬化的

根本原因是位错密度提高，变形抗 力增大。 4．影响多晶体塑性变形的两个主要因素是晶界、晶格位向差。 5．金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生，冷变形后金属的 强度增大，塑性降低。6．常温下使用的金属材料以细小晶粒为好，而高温下使用的金属材 料以粗一些晶粒为好。对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。因为在高温下原子沿晶界 的扩散比晶内快，晶界对变形的阻 力大为减弱而致 7．内应力可分为宏观内应力、微观内应力、点阵畸变三种。 三判断题 1．晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。（√） 2 在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑

(完整版)《金属塑性成形原理》习题答案

金属塑性成形原理》 习题答案 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： 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。 ，则单元内任一点外的应变可表示为

DEFORM锻压模拟基本过程

DEFORM在锻造模拟的基本过程 一软件简介 DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员：设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本。提高工模具设计效率，降低生产和材料成本。缩短新产品的研究开发周期。 金属塑性成形技术室现代制造业中金属加工的重要方法之一，它是金属在模具的外力作用下发生塑性变形，并被加工成棒材，板材，棺材以及各类机器零件，构件或日用器具的技术。 二下面以锻压为例来说明DEFORM在金属塑性成形的基本过程 1 导入毛坯几何文件并设置坯料基本属性 对于那些非刚性材料和考虑传热影响的刚体材料，必须按需要设置材料的属性。物体名默认Workpiece不变，物体类型采用默认的塑性体，温度默认为常温不改变。在前处理窗口中，选择材料库中的Steel->AISI-1045， COLD[70F(20C)]。对导入的几何体进行几何检查，只有质量符合的图形才能划分网格并计算。 2 进行网格的划分与重划分 网格划分太大会降低模拟精确度，网格划分太小可提高模拟准确性，但模拟时间增加，降低了效率。所以选择合适的网格划分方式和网格划分大小很重要。在这里网格划分数目选择默认的8000，如图表1。 3 导入上模文件与下模文件并分别设置运动参数（如图表2） 4 设置其他模拟参数、定义接触关系并检查生成的数据库文件 设置模拟步数为20，除非模拟意外终止，否则程序将运行至20步。设置存储增量为2，每两步保存一次，避免每步都保存，造成数据文件过大。设置With Constant DieDisplement为0.13，每步进行0.13in的计算。因为是冷锻，摩擦因数系统会设为0.12。有限元分析引擎把模拟计算的结果写在数据库文件中，该文件在前处理环节中产生，此时一些模拟信息（如材料属性、运动控制参数等）会被写入该文件。 5 模拟锻造过程与后处理。 锻造的实际生产过程是非常快的，但用deform软件可以提取任意时间段的变形情况。为了解变形情况，在塑性体上选择三点（如图表3），查看其载荷行程曲线如图表4。在实际生产过程中，下料的多少直接决定了最后锻件的飞边有无与多少。根据Pro/E设计的零件毛坯重量与模具的型腔尺寸，可得出所需方体的长宽高。若下的料质量不足，将会出现充型不完全，得不到完整的零件；若下的料过大，零件的飞边就会很大，甚至使模具胀开，不能完全闭合，从而使零件尺寸发生变化。所以有适当的飞边才能保证零件的质量 下面是

金属的塑性变形

二、金属的塑性变形 材料受力后要发生变形，变形可分为三个阶段：弹性变形；弹－塑性变形；断裂。外力较小时产生弹性变形，外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。在整个变形过程中，对材料组织、性能影响最大的是弹－塑性阶段的塑性变形部分。如：锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等生产上的许多加工方法，都要求使金属产生变形，一方面获得所要求的形状及尺寸，另一方面可引起金属内部组织和结构的变化，从而获得所要求的性能。因此研究塑性变形特征与组织结构之间相互关系的规律性，具有重要的理论和实际意义。 弹性变形(Elastic Deformation) 1.1 弹性变形特征(Character of Elastic Deformation) 1．变形是可逆的； 2．应力与应变保持单值线性函数关系，符合Hooke定律：σ＝Eε，τ＝Gγ，G＝E/2(1-ν) 3．弹性变形量随材料的不同而异。 1.2 弹性的不完整性(Imperfection of Elastane) 工程上应用的材料为多晶体，内部存在各种类型的缺陷，弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等现象，称为弹性的不完整性，包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后等。 1．包申格效应(Bauschinger effect) 现象：下图为退火轧制黄铜在不同载荷条件下弹性极限的变化情况。 曲线A：初次拉伸曲线，σe＝240Pa 曲线B：初次压缩曲线，σe＝178Pa 曲线C：B再压缩曲线，σe↑，σe＝278Pa 曲线D：第二次拉伸曲线，σe↓，σe＝85Pa 可见：B、C为同向加载，σe↑；C、D为反向加载，σe↓。 定义：材料经预先加载产生少量塑性变形,然后同向加载则σe升高，反向加载则σe降低的现象，称为包申格效应。对承受应变疲劳的工件是很重要的。 2．弹性后效(Anelasticity) 理想晶体(Perfect crystals)：

DEFORM_2D和DEFORM_3DCAE软件在模拟金属塑性变形过程中的应用

文章编号:1001-4934(2000)03-0075-06 DEFORM-2D和DEFORM-3D CAE软件在模拟金属塑性变形过程中的应用 林新波 (上海交通大学塑性成形工程系,上海　200030) 摘　要:介绍了塑性变形有限元分析软件DEFORM的模块结构,并通过实例分析介 绍了此软件在应力、应变分布、载荷计算、点的跟踪、模具填充、缺陷分析和缺陷预防 等方面的应用。 关键词:DEFORM软件;有限元分析;塑性变形 中图分类号:TG113.25+3 文献标识码:A Abstract:In this paper,the m odule structure of DEFORM is described sim ply.S ome typical applications are analyzed to dem onstrate the feasibility of DEFORM in simulating metal plastic deformation such as the distribution of effective stress and effective strain,calculation of load2 stroke,tracing of point,fill of m ould,analysis and prevention of defect. K ey w ords:DEFORM s oftware;FE M analysis;plastic deformation 0　引言 最近几年,随着计算科学的快速发展和有限元技术应用的日益成熟,C AE技术模拟分析金属在塑性变形过程中的流动规律在现实生产中得到愈来愈广泛的应用。C AE技术的成功运用,不仅大大缩短了模具和新产品的开发周期,降低了生产成本,提高企业的市场竞争能力,而且有利于将有限元分析法和传统的实验方法结合起来,从而推动模具现代制造业的快速发展。 1　DEFORM系统简介 DEFORM(Design environment for forming)是由美国Battelle C olumbus实验室在八十年代早期着手开发的一套有限元分析软件。早期的DEFORM-2D软件只能局限于分析等温变形的平面问题或者轴对称问题。随着有限元技术的日益成熟,DEFORM软件也在不断发展完善,目前,DEFORM软件已经能够成功用于分析考虑热力耦和的非等温变形问题和三维变形(DE2 FORM-3D),此外,DEFORM软件可视化的操作界面以及强大而完善的网格自动再划分技术,都使DEFORM这一商业化软件在现代工业生产中变得愈来愈实用而可靠。 收稿日期:1999-06-16 作者简介:林新波(1973～),男,硕士研究生。

金属塑性成型的理论与仿真

金属塑性成型的理论与仿真 摘要：金属塑性成型技术是机械冶金、汽车拖拉机、电工仪表、宇航军工、五金日用品等制造业最基本，最古老，亦是极重要的加工手段之一，包括锻、冲、挤、轧，拉、辊、旋、辗等工艺技术。结合近代科技，金属成形技术正向精密、高效、节能、节材，清洁化生产方向发展，是国家工业发展的最基础工艺技术之一。本文主要对塑性成型的基本原理、方法以及应用做了综合介绍。文章还介绍了有限元法处理金属塑性成型过程的问题。最后针对塑性成形技术的发展提出了一些建议和对该技术在以后的生产中的展望。 关键词：塑性成型原理应用展望 引言：金属塑性成型就是利用金属的塑性，在工具及模具的外力作用下来加工制件的少切削或无切削的工艺方法。由于工艺本身的特点，它虽然有很长的发展历史却又在不断的研究和创新之中，新工艺、新方法层出不穷。这些研究和创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、降低变形力、增加模具使用寿命和节约能源等。而“塑性成形原理”正是实现这些目的的基础理论知识。金属塑性成型技术是机械冶金、汽车拖拉机、电工仪表、宇航军工、五金日用品等制造业最基本，最古老，亦是极重要的加工手段之一。除了这些传统的应用外金属成形技术正向精密、高效、节能、节材，清洁化生产方向发展，是国家工业发展的最基础工艺技术之一 一、金属塑性成型机理 1、冷态下的塑性成型 塑性成形所用的金属材料绝大部分是多晶体，其变形过程较单晶体的复杂得多，这主要是与多晶体的结构特点有关。多晶体是由许多结晶方向不同的晶粒组成。每个晶粒可看成是一个单晶体。晶粒之间存在厚度相当小的晶界。 1.1晶内变形 晶内变形的主要方式和单晶体一样为滑移和孪生。 1.1.1滑移 当晶体受力时，由于各个滑移系相对于外力的空间位向不同，其上所作用的切应力分量的大小也必然不同。现设某一晶体作用有由拉力 P引起的拉伸应力σ，其滑移面的法线方向与拉伸轴的夹角为υ，面上的滑移方向与拉伸轴的夹角为λ，通过简单的静力学分析可知，在此滑移方向上的切应力分量为 τ=σcosυcosλ 令μ=cosυcosλ，称为取向因子。若υ=λ=45,则μ=μmax=0.5,τ=τmax=σ/2。此意味着该滑移系处于最佳取向，其上的切应力分量最有利于优先达到临界值而发生滑移，而当υ=90,λ=0或υ=0,λ=90时，μ=τ=0此时无论σ多大，滑移的驱动力恒等于零，处于此取向的滑移系不能发生滑移。 1.1.2孪生 孪生是晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（称为孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向）发生均匀切变。在常温下，大多数体心立方金属滑移的临界切应力小于孪生的临界切应力，所以滑移是优先的变形方式，只有在很低的温度下，由于孪生的临界切应力低于滑移的临界切应力，这时孪生才能发生。孪生变形后由于变形部分位向改变，可能变得有利于滑移，于是晶体又开始滑移，二者交替地进行。

关于金属塑性成形有限元模拟

关于金属塑性成形有限元模拟 姓名：班级：学号： 摘要在塑性成形中，材料的塑性变形规律、模具与工件之间的摩擦 现象、材料中温度和微观组织的变化及其对制件质量的影响等，都是十分复杂的问题。这使得塑性成形工艺和模具设计缺乏系统的、精确的理论分析手段，而主要是依据靠工程师长期积累的经验，对于复杂的成形工艺和模具，设计质量难以保证。另外，一些关键参数要在模具设计制造后，通过反复地调试和修改才能确定，浪费了大量的人力、物力和时间。借助于数值模拟的方法，能使工程师在工艺和模具设计阶段预测成形过程中工件的变形规律、可能出现的成形缺陷和模具的受力状况，以较小的代价、较短的时间找到最优的或可行的设计方案。塑性成形过程的数位模拟技术是使模具设计实现智能化的的关键技术之一，它为模具的并行设计提供了必要的支撑，应用它能降低成本、提高质量、缩短产品交货期。 一、金属塑性成形过程的前提条件 正确设计和控制金属塑性成形过程的前提条件是充分掌握金属流动、应力应变状态、热传导、润滑、加热与冷却及模具结构设计等方面的知识。任何分析方法都是为工程技术人员服务的，其目的是帮助工程技术人员掌握金属流动过程中应力应变状态等方面知识，一个好的分析方法至少应包括以下几个功能： （1）、在未变形体（毛坯）与变形体（产品）之间建立运动学关系，预测金属塑性成形过程中的金属流动规律，其中包括应力应变场量变化、温度变化及热传导等。 （2）、计算金属塑性成形极限，即保证金属材料在塑性变形过程中不产生任何表面及内部缺陷的最大变形量可能性。 （3）、预测金属塑性成形过程得以顺利进行所需的成形力及能量，为正确选择加工设备和进行模具设计提供依据。 当前，有限元法已成为分析和研究金属塑性成形问题的最重要的数值分析方法之一，它具有以下优点： （1）、由于单元形状具有多样性，有限元法使用与任何材料模型，任意的边界条件，任意的结构形状，在原则上一般不会发生处理上的困难。金属材料的塑性加工过程，均可以利用有限元法进行分析，而其它的数值方法往往会受到一些限制。 （2）、能够提供金属塑性成形过程中变形力学的详细信息（应力应变场、速度场、温度场、网格畸变等），为优化成形工艺参数及模具结构设计提供详细而可靠的依据。 （3）、虽然有限元法的计算精度与所选择的单元种类，单元的大小等有关，但随着计算机技术的发展，有限元法将提供高精度的技术结果。 （4）、用有限元法编制的计算机程序通用性强，可以用于求解大量复杂的问题，只需修改少量的输入数据即可。 （5）、由于计算过程完全计算机化，既可以减少一定的试验工作，又可直接与CAD/CAM实现集成，使模具设计过程自动化。

金属塑性变形对组织和性能的影响

金属塑性变形对组织和性能的影响 多晶体金属经塑性变形后，除了在晶粒内出现滑移带和孪晶等组织特征外，还具有以下组织结构的变化： ①形成纤维组织，塑性变形后，晶粒沿变形方向逐渐伸长，变形量越大，晶粒伸长的程度也越大。当变形量很大时，晶粒呈现出一片如纤维状的条纹，称为纤维组织．当金属中有杂质存在时，杂质也沿变形方向拉长为细带状（塑性杂质）或粉碎成链状（脆性杂质）． ②形变亚结构的形成及细化． ●形变亚结构的形成机理：在切应力作用下，位错源所产生的大量位错沿滑移 面运动时，将遇到各种阻碍位错运动的障碍物，如晶界、亚晶界、第二相颗粒及割阶等，造成位错缠结．这样，金属中便出现了由高密度的缠结位错分隔开的位错密度较低的区域，即形变亚结构。 ●亚结构的细化，形变亚结构的边界是严重晶格畸变区，堆积大量位错，而内 部的晶格则相对完整，仅有稀疏的位错网络，这种亚结构也称为胞状亚结构或形变胞．（内部完整，外部包满位错） ③产生变形织构，与单晶体一样，多晶体在塑性变形时也伴随着晶体的转动过程，故

当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而趋于一致，这种现象称为晶粒的择优取向，这种由于金属塑性变形使晶粒具有择优取向的组织叫做形变织构。同种材料随着加工方式的不同，可能出现不同类型的织构： ●丝织构：在拉拔时形成，其特征是各晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平 行。 ●板织构：在轧制时形成，其特征是各晶粒的某一晶面与平行于轧制平面，而某 一晶向平行于轧制方向。性能特点：显示出各向异性。 塑性变形对金属性能的影响 金属产生加工硬化（也称形变强化） 在塑性变形过程中，随着金属内部组织的变化，金属的力学性能也将产生明显的变化，即随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，这一现象即为加工硬化或形变硬化。 加工硬化的原因：与位错的交互作用有关。随着塑性变形的进行，位错密度不断增大，位错运动时的相互交割加剧，产生固定割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大．引起形变抗力的增加，金属的强度提高．加工硬化的是强化金属材料的方法之一。对于用热处理方法不能强化的材料来说，用加工硬化方法提高其强度就显得更为重要加工硬化的不利影响：随着变形度的提高，金属变形抗力增加，继续变形困难，因此需要退火热处理消除加工硬化效应，以避免金属变形时开裂。 另外，随着变形度的增大，电阻不断下降。金属的电阻与晶体中点缺陷的密度有关。随着变形度的增大，金属的密度、热导率略有下降；磁导率、磁饱和度下降，但磁滞和矫顽力增加。随着变形度的增大，由于点缺陷密度的升高，金属的内能提高，使其化学活性提高，腐蚀尤其应力腐蚀倾向显著增加。此外，塑性变形后，由于金属中的晶体缺陷（位错及空位）增加，使扩散激活能减少，扩散速度增加。 残余应力 金属在塑性变形过程中，外力所作的功大部分转化为热能，但尚有一部分（约占总变形功的10％）保留在金属内部，形成残余内应力和点阵畸变。有以下分类： 宏观内应力（第一类内应力）由于金属工件或材料各部分的不均匀变形所引起的，它是整个物体范围内处于平衡的力，当除去它的一部分后，这种力的平衡就遭到破坏，

金属塑性变形对微观结构和力学性能的影响

金属塑性变形对微观结构和力学性能的影响 金属塑性变形定义 (plastic deformation of metals )金属零件在外力作用下产生不可恢复的永久变形。 单晶体产生塑性变形的原因是原子的滑移错位。多晶体（实际使用的金属大多是多晶体）的塑性变形中，除了各晶粒内部的变形（晶内变形）外，各晶粒之间也存着变形（称为晶间变形）。多晶体的塑性变形是晶内变形和晶内变形的总和。 人类很早就利用塑性变形进行金属材料的加工成形，但只是在一百多年以前才开始建立塑性变形理论。1864～1868年，法国人特雷斯卡（）在一系列论文中提出产生塑性变形的最大切应力条件。1911年德国卡门（ Karman）在三向流体静压力的条件下，对大理石和砂石进行了轴向抗压试验；1914年德国人伯克尔ker)对铸锌作了同样的试验。他们的试验结果表明：固体的塑性变形能力(即塑性指标)不仅取决于它的内部条件（如成分、组织）,而且同外部条件(如应力状态条件)有关。1913年德国冯·米泽斯 Kises)提出产生塑性变形的形变能条件；1926年德国人洛德、1931年英国人泰勒和奎尼分别用不同的试验方法证实了上述结论。 金属晶体塑性的研究开始于金属单晶的制造和 X射线衍射的运用。早期的研究成果包括在英国伊拉姆年)、德国施密特(1935年)、美国巴雷特年)等人的著作中。主要研究了金属晶体内塑性变形的主要形式──滑移以及孪晶变形。以后的工作是运用晶体缺陷理论和高放大倍数的观测方法研究塑性变形的机理。 塑性变形微观结构变化 图 1塑性变形中产生的滑移

塑性变形中最基本的微观变化是位错滑移和滑移带的产生。分为单滑移，双滑移，多滑移等。另外，还有孪生等现象的产生。 图 2 % Si-Fe单晶体中的平直滑移带 多晶金属在塑性变形过程中，仍然保持着连续性。即每个晶粒的变形都要受到相邻晶粒的制约，并与相邻晶粒的变形相协调。 晶粒越细，屈服强度越高 金属塑性变形的力学性能影响 钢经形变处理后，形变奥氏体中的位错密度大为增加，可 形变量愈大，位错密度愈高，金属的抗断强度也随之增高。随着形变程度增加不但位错密度增加而且位错排列方式也会发生变化由于变 形温度下，原子有一定的可动性，位错运动也较容易进行，因此在形变过程中及形变后停留时将出现多边化亚结构及位错胞状结构。当亚晶之间的取向差达到几度时，就可象晶界一样，起到阻碍裂纹扩展的作用，由霍尔一派奇公式，晶粒越小则金属强度越大。 由于亚结构的出现，相变时马氏体成核、长大过程均受到亚晶界的影响，生长的马氏体片尺寸d减小，从而使相界增加，材料强度提高。 由于形变奥氏体内位错密度增加，亚结构细化，从而为碳化物析出提供了处所，为碳的扩散开辟了通道，有利于碳化物弥散析出，起到了弥散硬化的作用，其强化效果与析出粒子间距成反比: 综上所述，形变处理的强化效果是位错强化、细晶强化、弥散硬化和相变强化的 综合表现。 超塑性变形对金属力学性能的影响 材料在外力的作用下，产生变形，而外力过大会产生大 素性变形，而这样的变形对材料的性能产生了巨大的影响， 为了更加准确的研究材料的性能，将材料表面细化至纳米化 或超细晶化。 强塑性变形金属表面纳米化