第一篇：塑性成形的優缺點

塑性成型的特點---優點

? 組織、性能好

塑性成形可使金屬內部組織發生改變，如塑性成形中的鍛造等成形工藝可使金屬的晶粒細化，可以壓合鑄造組織內部的氣孔等缺陷，使組織致密，從而提高工件的綜合力學性能、經過塑性加工將使其結構致密,粗晶破碎細化和均勻,從而使性能提高.此外,塑性流動所產生的流線也能使其性能得到改善。? 材料利用率高，節省材料

塑性成形方法的材料利用率可達60%-70%，有的達85%-90%。材料利用率不如鑄件，但由于材料性能提高，零件的尺寸可縮小，零件壽命高，也可以節省原材料、金屬塑性加工是金屬整體性保持的前提下,依靠塑性變形發生物質轉移來實現工件形狀和尺寸變化的,不會產生切屑,因而材料的利用率高得多。? 尺寸精度高，提高制件的強度

工件的尺寸精度高，不少塑性成形方法可達到少無切削加工的要求。如精密模鍛錐齒輪的齒部可不經切削加工直接使用、塑性加工產品的尺寸精度和表面質量高。

? 塑性成型方法具有很高的生產率

除自由鍛造外，其它塑性成形方法都有較高的勞動生產率，可大批量生產、塑性加工過程便于實現生產過程的連續化,自動化,適于大批量生產,如軋制,拉拔加工等,因而勞動生產率高。塑性成型的特點---缺點

? 投資大、經費多，制約新產品迅速投產的瓶頸

塑性成形多數方法的模具費高，成本高、設備較龐大,能耗較高，且成形件的形狀和大小也受到一定限制，形狀不能太復雜，坯料塑性要好。

塑性成形可制造小至幾克，大至幾百噸的重型鍛件，所以需要大量投資，所需要的資本和經費大，而且由于所需都是固定零件所以新產品少，新產品不可能過快投入市場造成新產品迅速投產的瓶頸。塑性成形時，工件的固態流動比較困難，成形比較困難，工件形狀的復雜程度不如鑄件，體積特別大的工件成形也較困難。? 一定程度的環境污染

需要消耗大量的資源，鑄造過程中的粉塵，噪聲污染等，同時也會產生工業三廢——廢水、廢氣、廢渣。

材料成型及控制工程11—3 徐威娜 1176808231

第二篇：塑性成形實驗報告

金屬塑性成形原理實驗報告

實驗項目：Ansys軟件分析平面問題和軸對稱問題

材料參數：彈性模量E=210Gpa 泊松比：u=0.33 屈服強度σ

摩擦系數v=0.26

尺寸：15×25(mm)

s=350Mpa

實驗步驟：

1、建模

1）問題的類型：設置單元類型、屬性

(1).設置計算類型。ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural → OK(2).選擇單元類型。執行ANSYS Main Menu→Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select（Solid # Quad 4node 42）

→OK

2）材料模型

執行Main Menu→Preprocessor →Material Props →Material Models →

Structural →Linear →Inelastic，在EX框中輸入2.1e5，在PRXY框中輸入0.3，選擇OK并關閉對話框。

3）建立幾何形狀

選擇Main Menu→Preprocessor →modeling →create→areas，如圖所示：

4）劃分網格

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

Mapped網格劃分單元。

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

5）建立接觸

2、施加邊界條件并求解

執行Main Menu-Solution-Apply-Structural-Displacement，拾取目標平面等，單擊OK按鈕。然后出現如圖窗口，選擇“UY”，再單擊OK按鈕。加載荷后結果：

1）定義求解參數

2）求解

執行Main Menu-Solution-Solve-Current LS，彈出一個提示框。執行file-close，單擊OK按鈕求解運算。

3、結果處理 1）讀入結果數據

2）查看結果

軸對稱問題：

平面應變問題

平面應力問題

結論：同一種材料，外形尺寸不變時，在不同的受力狀態下，應力分布是不同的，且受到的最大應力也不一樣。

第三篇：塑性成形新技術的發展趨勢

塑性成形新技術的發展趨勢

班級：機制

學號：201120337 姓名：周禎

201120335

張濤

201120339

朱越

一、歷史沿革

從人類社會的發展和歷史進程的宏觀來看，材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，也是社會現代化的物質基礎和先導。而材料和材料技術的進步和發展，首先應歸功于金屬材料制備和成型加工技術的發展。人類從漫長的石器時代進化到青銅時代（有學者稱之為“第一次材料技術革命”），首先得益于銅的熔煉以及鑄造技術進步和發展，而由銅器時代進入到鐵器時代，得益于鐵的規模冶煉技術、鍛造技術的進步和發展（所謂“第二次材料技術革命”）。直到16世紀中葉，冶金（金屬材料的制備與成型加工）才由“技藝”逐漸發展成為“冶金學”，人類開始注重從“科學”的角度來研究金屬材料的組成、制備與加工工藝、性能之間的關系，迎來了所謂的“第三次材料技術革命”——人類從較為單一的青銅、鑄鐵時代進入到合金化時代，催生了人類歷史的第一次工業革命，推動了近代工業的快速發展。

進入20世紀以后，材料合成技術、符合技術的出現和發展，推動了現代工業的快速發展，而電子信息、航天航空等尖端技術的發展，反過來對高性能先進材料的研究開發提出了更高的要求，起到了強大的促進作用，促成了一系列新材料和新材料技術的出現和發展。

一般而言，材料需要經歷制備、成型加工、零件或結構的后處理等工序才能進入實際應用，因此，材料制備與成型加工技術，與材料的成分和結構、材料的性質一起，構成了決定材料使用性能的最基本的三大要素。

先進工業國家對材料制備與成型加工技術的研究開發十分重視。美國制定了“為了工業材料發展計劃”，其核心是開放先進的制備與成型加工技術，提高材料性能，降低生產成本，滿足未來工業發展對材料的需求。德國開展的“21世紀新材料研究計劃”將材料制備與成型加工技術列為六個重點內容之一。在歐盟的“第六框架”計劃中，先進制備技術時新材料領域的研究重點之一。日本在20世紀90年代后期，先后實施了“超級金屬”、“超鋼鐵”計劃，重點是發展先進的制備加工技術，精確控制組織，大幅度提高材料的性能，達到減少材料用量、節省資源和能源的目的。

新材料的研究、開發與應用，綜合反應了一個國家的科學技術與工業化水平，而先進制備與成型加工技術的發展，對于新材料的研制、應用和產業化具有決定性的作用。先進制備與成型加工技術的出現與應用，加上了新材料的研究開發、生產和應用進程，促成了諸如微電子和生物醫用材料等新興產業的形成，促進了現代航天航空，交通運輸，能源環保等高技術產業的發展。

傳統結構材料向高性能“，復合化，結構功能一體化發展，尤其需要先進制備與成型加工技術及裝備，可使材料的生產過程更加高效，節能和潔凈，從而提高傳統材料 產業的國際競爭力。

另一方面，開展本科學領域色前沿和基礎研究，并綜合利用相關學科基礎理論和科技發展成果，提供預備新材料的新原理新方法，也是材料科學與工程學科自身發展的需求。因此，材料先進制備與成型加工技術發展，對提高國家綜合實力，突破先進工業國家的技術壁壘與封鎖，保障國家安全，改善人民生活質量，以及促進材料科學與技術自身的進步與發展，具有十分重要的作用，也是國民經濟和社會可持續發展的重大需求。

二、發展前景 1 精密化

目前，精密和超精密制造技術已經跨越了微米級技術，進入了亞微米和納米技術領域。精密化已成為材料成形加工技術發展的重要特征，其表現為零件成形的尺寸精度正在從近凈 成形（Near Net shape Forming）向凈成形（Net shape Forming），即近無余量成形方向發展。

“毛坯”與“零件”的接近程度越來越大。當前精密成形技術已在較大程度上實現了近凈成形。發展趨勢是實現凈成形加工，其工藝 要求材料成形向更輕、更薄、更強、更韌及成本低、周期短、質量高的方向發展。精密材料成形技術有多種形式的精鑄、精鍛、精 沖、冷溫擠壓、精密焊接與切割等。

優質化

凈成形技術主要反映了成形加工保證尺寸及形狀的精密程度，而反映成形加工優質程度的則是近無缺陷、零缺陷成形加工技術。成早期失效的臨界缺陷的概念主要方法有：為了獲得健全的鑄件、鍛件奠定基礎，可以采用先進工藝、凈化熔融的金屬、增大合金組織的致密度等。采用模擬技術、優化工藝技術，實現一次成形及試模成功，保證工件質量。加強工藝過程監控及無損檢測，及時發現超標零件。通過零件安全可靠性能研究及評估，確定臨界缺陷量值等。

快速化

隨著全球化市場的激烈競爭，加快產品開發速度已成為競爭的重要手段之一。制造業要滿足日益變化的用戶需求必須有較強的靈活性，以最快的速度提供高質量產品，亦即客戶化小批 量快速交貨的要求不斷增加，為此需要材料成形加工技術的快速化。成形加工技術的快速化表現在各種新型高效成形的工藝不斷涌現，新型鑄造鍛。壓焊接方法 都從不同角度提高生產效率。快速原型制造技術，以離散堆積原理為基礎和特征，源零件的電子模型。

模型按一定的方式離散成為可加工的離散面、離散線和離散點，而后采用多種手段將這些離散的面、線段和點堆積成零件的整體形狀。由于工藝過程簡單，故制造速度比傳統方法快得多。到2000年，全世界已有6700多臺不同類型的RP*裝置在運行?？焖僭秃涂焖倌＞呦嘟Y合。又提供了一條從模型直接制造模具的新方法。

RP正在向著各種制造工藝集成，形成快速制造系統的方向發展。計算機模擬仿真技術是信息技術綜合應用發展的結果，應用數值模擬于鑄造、鍛壓、焊接等工藝設計中，并與物理模擬和專家系統相結合，來確定工藝參數優化工藝方案預測加工過程中可以產生的缺陷及防止措施控制和保證加工工件的質量。

模擬仿真技術，它可以理論和實驗做得更深刻、更全面、更細致可以進行一些理論和實驗暫時還做不到的研究，大大縮短了制造周期，加快了制造進程。如鑄造凝固過程的三維數值模擬 鑄壓過程微觀組織的演化及本構關系模擬，焊接凝固裂紋的模擬仿真開裂機制的研究以及焊接氫致裂紋的模擬金屬材料熱處理加熱冷卻過程的模擬仿真及組織變形性能預測等。根據美國科學研究院測算，模擬仿真可提高產品質量5至15倍，降低人工成提高投入設備的利用率30%至50%，縮短產品設計和試制周期增加分析問題廣度和深度的能力3至3.5倍等。

*RP系統的發展情況1998年，由美國3D系統公司推出專為機械零件設計而制作的RP技術棗Stereolithography(sl)技術。該處理工世是通過激光將液態UV感光聚脂凝固 一片片薄層，全球第一個商業化的RP系統桽LA?就是如今相當普遍的SLA?50機型的先驅。接下來是1991年，美國Helisys公司的LOM技術，美國Stratasys公司的FDM技術，美國Cubital公司的SGC技術。LOM技術通過計算機導向的激光燒結并剪切薄片材料，FDM技術將熱熔塑料材料拉成絲狀，并用它來一層一層產生模型，SCG技術也使用UV感光聚脂，通過玻璃盤上的靜電濾色片作蔽光片，產生紫外光流，可以立即凝固所有的薄層。

1992年DTM公司的SLS技術推出。隨后，1993年Soligen公司推出DSPC技術。SLS技術通過激光產生的熱量熔化粉末材料。DSPC技術通過機械噴射裝置在 粉末上沉積液體粘結劑，麻省理工學院發明該技術并注冊專利，然后授權給Soligen公司。1994年Sanders公司推出MM技術。1995年，BMP技術公司推出BPM技術，兩種技術都采用噴射頭來沉積石蠟材料。

這些年，一些技術和公司出現后，又消失了。1990年Quadrax公司推出基于SL技術的Mark1000RP系統，1992年，3D系統公司通過專利戰合并了Quadrax公司的技術。杜邦公司開發了基于SL技術的名叫SOMOS的技術，并向Teijin Seiki公司發放了在亞洲獨家使用權用其技術的許可證，然后1995年杜邦公司又向Aaroflex公司發放了在北美和其它一些有選擇的國家獨家使用其技術的許可證。其它一些公司如Light Sculping公司，Sparx AB公司，Laser 3D公司都開發并介紹了各自的RP系統，但在RP行業中都有末產生任何商業方面的沖擊。

日本的Kira公司和新加坡Kinergy公司的Paper Lamintian（切紙成形）系統和多達來自7家日本公司的基于SL技術的系統都進入了市場，CMET公司Denken公司和D桵EC公司的基于SL技術的RP系統代表著日本市場中RP設務的主流。德國的EOS公司和Fockele&schwarze公司也推出基于SL技術的系統。同時，EOS公司也提供一種基于激光燒結技術的系統以便和DTM公司在歐洲、日本競爭，所有這些國外的機器均末在美國銷售。

復合化

激光、電子束、離子束、等離子體等多種新能源的列入，形成多種新型加工與改性技術。其中以各種形式的激光加工技術發展最為迅速。激光加工技術多種多樣包括電子元件的精密微焊接、航天航空和汽車制造中的焊接、切割與成形等。有不同種類的激光表面改性處理方法 如熱處理、表面修整、表面熔覆及合金化等，使用的激光器主要為大功率二氧化碳激光器，YAG激光器。近年來激光加工自由成形技術成為重要的研究動向。

隨著金屬間化合物材料、金屬基復合材料多種新型功能材料超導材料等高新技術材料的應用，傳統的加工方式或多或少地遇到了困難，與新的材料制備和合成技術相適應，新的加工方法成為材料加工研發的一個重要領域，一批新型復合工藝應運而生。

為超塑成形擴散連接技術材料電磁加工等此外復合化還表現在冷熱加工之間加工過程、檢測過程、物流過程、裝配過程之間的界限趨向淡化、消失、而復合、集成于統一的制造系統之中。

綠色化

“綠色化”是指成形加工生產向清潔生產、無廢棄物加工方向發展。清潔生產技術是協調工業發展與環境保護的矛盾、需求日益增加與有限資源的矛盾的一種新的生產方式，是21世紀制造業發展的重要特征。

集成化

生物科學、信息科學、納米科學、制造科學和管理科學是21世紀的5個主流科學，與其相關的五大技術及其產業將改變世界，制造科學與其它科學交叉是其發展趨勢。RP與生物科學交叉的生物制造、與信息科學交叉的遠程制造、與納米科學交叉的微機電系統等都為RP技術提供了發展空間。并行工程（CE）、虛擬技術（VT）、快速模具（RT）、反求工程（VR）、快速成型（RP）、網絡（Internet、Intranet）相結合而組成的快速反應集成制造系統，將為RP的發展提供用力的技術支持。

三、最后總結

通過對材料成形專業領域的科技前沿技術的整理總結，我終于清楚地知道了我的專業（材料成形與控制工程）的發展方向，并對本專業有了深層次的了解和認識，這為我以后的學習指明了道路?？吹竭€有許多富有潛力的先進技術還沒有進行實際應用，這激發了我奮斗的激情，我爭取通過自身的學習和努力在材料成形領域有較大發展，推動材料成形技術的在社會生活中的應用，為人類的發展作出應有貢獻。

第四篇：超塑性成形的發展狀況

超塑性成形的發展狀況

摘要：金屬材料的超塑性是指金屬在特定條件下，具有更大的塑性。本文主要介紹了超塑性成形的主要發展歷程，超塑性成形的主要應用，非金屬材料的超塑性研究和國內外的發展現狀。關鍵詞：超塑性 金屬材料 成形

一、緒論

近年來，高溫合金和欽合金的使用不斷增加，尤其是在宇航飛行器及其發動機生產中。這些合金的特點是:流變杭力高，可塑性低，具有不均勻變形所引起機械性能各向異性的敏感性，難于機械加工及成木高昂。如采用普通熱變形鍛造時，機械加工的金屬損耗達80%左右，如采用超塑性成形方法，就能改變鍛件肥頭大耳的落后狀況。

金屬材料的超塑性是指金屬在特定條件(晶粒細化.極低的變形速度及等溫變形)下，具有更大的塑性。如低碳鋼拉伸時延伸率只有30~40%，塑性好的有色金屬也只有60~70%，但超塑性狀態。一般認為塑性差的金屬延伸率在100~200%范圍內，塑性好的金屬延伸率在500~2000%范圍內。

要使超塑性出現，必須滿足某些必要條件。首先必須使金屬具有0.25-2.5μm的極細晶粒，即必須小于一般晶粒大小的十分之一。其次，當溫度達金屬熔點一半以上時，具有一般晶粒金屬的晶粒便開始長大，而這時細晶粒金屬的晶粒保持穩定。因此，超塑性除要求有極細的晶粒度外，還必須具有高的延伸率和低的屈服應力，并以低的變形速率在高于熔點一半的溫度下進行加工。

二、超塑性成形的發展

早在1920年，德國W.Rosenhain等人將冷軋后的Zn-Al-Cu三元共晶合金的鋁板慢速彎曲的時候，發現這種脆性材料被彎成180°而未出現裂紋，它和普通晶體材料大不相同。他們推斷這種負荷速度有密切依賴關系的異常現象，可能是由于加工產生了非晶質。1934年，英國C.E.pearson初次對共晶合金的異常彎曲進行了詳細研究。這種合金的擠壓材料很脆，容易破裂，可是C.E.pearson將其緩慢拉伸，得到了伸長率為2000%的試樣。很奇怪的是這種慢速大延伸的金屬，在落地實驗中呈脆性斷裂，這是一個更大的發現，在當時雖然引起了一部分人的強烈反響，但在第二次世界大戰的卻被擱置了。

第二次世界大戰后，前蘇聯科學家對金屬的異常延伸現象進行了系統研究，用Zn-Al共析合金在高溫拉伸試驗中得到異常的伸長率，并應用于“超塑性”這個詞匯。1962年，美國E.E.Underwood發表了一篇評論解說性文章，從冶金學的角度分析了實現超塑性成形的可能性、條件及基本原理。人們評價這篇文章是超塑性研究的總結。從此超塑性研究引起了人們越來越多的重視。

三、超塑性成形的應用

由于金屬及合金在超塑性狀態具有異常好的塑性和極低的流動應力，對成形加工極為有利。對于形狀極為復雜或變形量很大的零件，都可以一次成形。從已報導的成形已有多種形式，如板料成形，管材成形，無模拉絲，吹塑成形和各種擠壓，模鍛等。利用這種異常的塑性，有些原來很多零件拚合成的部件，現在可以用超塑性成形一次加工出來，減輕了零件的重量，節約大量加工工時。具體應用介紹如下:

1、板料深沖

鋅鋁合金等超塑性板料，在法蘭部分加熱，并在外圍加油壓，一次能拉出非常深的容器。如果在沖頭下部和拉伸好的筒部采用冷卻裝置，深沖比H/dp=11是普通拉深的15倍，而且拉深速度在5000毫米/分時深沖系數不變。超塑性成形件最大特點是沒有各向異性，拉伸的杯形件沒有制耳。

2.板料吹塑成形(氣壓成形)這是在超塑性材料的延伸率高和變形抗力小的前提下，受到塑料板吹塑成形的啟發而發展起來的新工藝。用于Zn-22%A1, A1-6 %Cu-0.5%Zr和鈦合金的超塑性板料成形。利用凹模或凸模上的形狀，把板料和模具加熱到預定的溫度，用壓縮空氣的壓力，使壓緊的板料漲開貼緊在凹模或凸模上，以獲得所需形狀的薄板工件。目前能加工的板料厚度為0.4~4毫米。根據工件要求在它的表面上或在內腔內有清晰的形狀和花紋，選用凹模內或凸模上成形。

3.擠壓和模鍛

近年來高溫合金和鈦合金的應用不斷增加，尤其是國防工業生產中。這些合金的特點是:流變抗力高，可塑性極低，具有不均勻變形所引起機械性能各向異性的敏感性，難于機械加工及成本昂高。如采用普通熱變形鍛造時，機械加工的金屬損耗達80%左右，而機械加工的性能是很差的，所以往往不能滿足零件所需的機械性能。但是采用超塑性模鍛方法，就能改變過去肥頭大耳的落后的鍛造工藝。

四、應用舉例

美國軍工材料-機械研究中心用超塑性模鍛法成功地制成了直升飛機用的Ti-6AL-4V鈦合金風扇葉輪。該葉輪直徑為34Omm。葉片厚度為4mm，模具材料采用MAR一M200鎳基鑄造高溫合金，毛坯加熱溫度為950℃，模具溫度為870℃，平均單位壓力為11.9kg/mm2，超塑性模鍛件重10kg，而普通模鍛件重24kg。加工后成品葉輪凈重4.8kg。

五、超塑性成形的發展現狀

超塑性成形的主要研究前沿是“先進材料的超塑性開發”。所謂先進材料是指金屬基復合材料、金屬化合物、陶瓷等，由于他們具有某些優異的性能（例如強度、高溫性能等），所以可以得到很大的發展。然而這些材料卻有其共同的不足之處-難于加工成型，因此開發這些材料的超塑性具有重要意義。近年來其中一些材料的超塑性已經達到很高的指標，然而這些材料的超塑性應用上有一定的距離。

超塑性成型的歷史尚短，仍屬于新興工藝，對各種材料的各種成型工藝過程，還在不斷地實驗、比較、淘汰、選擇、發展和完善、從目前的發展趨勢上來看，有下述幾點值得注意。

1.成型大型金屬結構及相關成型設備。采用超塑脹形工藝來成型大型金屬結構具有顯著的技術經濟效益。這一類金屬結構在美國的B-1型飛機和F14A、F15、F18飛機以及英國的直升飛機上獲得應用，其中最大的構件是B-1機的發動機艙門，平面尺寸達到2790*1520cm。與這種成型工藝相適應設備研究也在發展，這種設備與通用液壓機有很大的區別，對于整個成型過程采用自動控制。目前，美國已推出系列機型，英國、日本也有使用的報道。

2.陶瓷材料與復合材料的超塑性。國際上，陶瓷材料的超塑性研究有很大進展。日本物質和材料研究機構最近開發成功一種具有超塑性的新型陶瓷。這種陶瓷在高溫下能夠像金屬一樣被拉長，可以用來制造形狀復雜的機械零件。這種新陶瓷是把鈷、鋁和尖金石三種材料在一起用一般方法燒制出來的。實驗結果表明，1cm的材料片在1650℃的高溫下，其應變速度1s可拉長1cm，是一般陶瓷的大約100倍。它可以像金屬一樣，進行軋制和鍛造，制造發動機和渦輪機零件等產品。

我國的陶瓷材料超塑性研究也列入了863高技術研究規劃之列。此外，以金屬超塑性材料為基體的復合材料的研究也在進行中，從制備（包括材料設計）、性能測試、成型實驗等諸多方面發展。比如，在金屬基超塑性材料中加入SiC纖維形成的超塑性材料，可以達到超塑性氣壓脹形的要求。

六、超塑性的發展方向

世界上超塑性的研究已開展了四十年，70年代形成了“超塑熱”，現在也有不少的專家教授在從事超塑性研究。然而，迄今為止超塑性技術尚未發揮其應有的作用。其主要原因在于研究的范圍在不斷拓展，但縱深性不夠，很多研究工作還停留在理論和試驗室，由于在理論上尚未吃透、工程上缺乏經驗，超塑技術在工程上的應用受到阻礙。超塑技術想在關鍵承力結構件上得以應用，必須進行艱苦細致的工作，在關鍵環節上進行縱深研究。

1.先進穩定的工藝研究

超塑性成形是一種新工藝，它的特點是，可以利用小噸位設備進行具有大變形量的復雜零件的成形。然而這種工藝也有缺點，主要是成形速度慢。工程應用中應注意發揮超塑成形技術的優越之處，專門成形其它塑性工藝難以甚至不能成形的重要零件，這樣就顯示出了超塑工藝的先進性。另外超塑性成形與傳統成形方法相比，生產環境較為復雜，生產過程中不可控因素較多，加上生產經驗積累不足，導致生產工藝的不穩定性。因此，須針對典型超塑部件，重點突破關鍵工藝，并對已有的工藝應進行完善和穩定化，這是產業化的基礎。

2.輔助環節的研究

抓住每一工藝環節，包括輔助環節。超塑性成形工藝本身包括材料的加熱―入模預熱―加壓成形―出模―校形―熱處理等環節，這僅僅是成形工藝的主線，模具的設計、制造、加熱、維護、潤滑劑的選擇與使用，成形設備的設計、使用、維護及改進等，也都直接關系到超塑性成形工藝的成敗。實際上，我國在超塑領域與發達國家的差距更多的體現在模具、成形設備等輔助環節上，其原因在于基礎工業的相對落后，導致在模具設計的先進性、成形設備的智能化等方面滿足不了超塑成形所需條件，成為超塑技術發展的瓶頸。

3.工藝的智能控制研究

現在一些大的超塑成形研究公司如美國的SUPERFORM公司已經對超塑成形全程計算機機控制，只要事先輸入數據，成形設備就可以自動按時準確的進行加溫―加壓―充氣―放氣等動作，工人只用放入坯料，取出好的零件。這種超塑性成形的零件成品率高，一致性好，更體現出超塑成形工藝的先進性。在工藝的智能控制研究方面，在硬件(自動化超塑成形設備)及軟件(優化準確的工藝流程和參數)上都有很大欠缺，可研究的空間很大。

4.產品質量、成本控制研究

超塑成形產品要想真正得以應用尤其是在航天器關鍵結構件上得以應用,必須進行產品質量、成本控制研究?，F在的很多技術發展都是基于這個原則進行的，比如目前很熱的鈦合金滲氫技術，以獲得低溫(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長大，提高最終材料性能，保障產品質量。另外，超塑成形中的材料性能變化、變薄率的研究等都應給予高度的關注。國外工業發達國家的超塑成形技術已發展到成熟的工程應用階段，很多航天、航空公司都有自己的超塑研究、生產部門，形成規模效益，并互相競爭，加速技術發展。而我國目前僅有少數單位能生產合格超塑產品，并且技術還相當落后。

所以在超塑領域不斷拓寬的同時，更需對關鍵技術、關鍵產品進行縱深研究，“變熱點為亮點，以寬度換深度”，培養幾個具有自己技術特色的研究、生產單位。對于技術相對落后且有巨大背景需求的研究單位，應采取“以背景換技術，用需求促發展”的戰略，與擁有先進技術的公司、學校合作，以提升自身的研發能力，迅速發展壯大自己，在超塑成形領域占有一席之地。

參考文獻

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第五篇：《金屬塑性成形原理》習題（2）答案

《金屬塑性成形原理》習題（2）答案

一、填空題

1.設平面三角形單元內部任意點的位移采用如下的線性多項式來表示：，則單元內任一點外的應變可表示為

＝。

2.塑性是指：

在外力作用下使金屬材料發生塑性變形而不破壞其完整性的能力。

3.金屬單晶體變形的兩種主要方式有：

滑移

和

孿生。

4.等效應力表達式：。

5.一點的代數值最大的__

主應力

__的指向稱為

第一主方向，由

第一主方向順時針轉

所得滑移線即為

線。

6.平面變形問題中與變形平面垂直方向的應力

σ

z

=。

7．塑性成形中的三種摩擦狀態分別是：

干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦。

8．對數應變的特點是具有真實性、可靠性和　　　　可加性。

9．就大多數金屬而言，其總的趨勢是，隨著溫度的升高，塑性　提高。

10．鋼冷擠壓前，需要對坯料表面進行　　　　磷化皂化　　　潤滑處理。

11．為了提高潤滑劑的潤滑、耐磨、防腐等性能常在潤滑油中加入的少量活性物質的總稱叫　　　　添加劑。

12．材料在一定的條件下，其拉伸變形的延伸率超過

１００％的現象叫超塑性。

13．韌性金屬材料屈服時，密席斯（Mises）準則較符合實際的。

14．硫元素的存在使得碳鋼易于產生　　熱脆。

15．塑性變形時不產生硬化的材料叫做　　理想塑性材料。

16．應力狀態中的　　壓　應力，能充分發揮材料的塑性。

17．平面應變時，其平均正應力sm

等于　中間主應力s2。

18．鋼材中磷使鋼的強度、硬度提高，塑性、韌性

降低。

19．材料經過連續兩次拉伸變形，第一次的真實應變為e1＝０.1，第二次的真實應變為e2＝０.25，則總的真實應變e＝　　0.35。

20．塑性指標的常用測量方法

拉伸試驗法與壓縮試驗法。

21．彈性變形機理

原子間距的變化；塑性變形機理

位錯運動為主。

二、下列各小題均有多個答案，選擇最適合的一個填于橫線上

1．塑性變形時，工具表面的粗糙度對摩擦系數的影響　　A　　工件表面的粗糙度對摩擦系數的影響。

Ａ、大于；　　　　　　　　　　?。?、等于；　　　　　Ｃ、小于；

2．塑性變形時不產生硬化的材料叫做　　　A。

Ａ、理想塑性材料；　?。隆⒗硐霃椥圆牧?；　　　Ｃ、硬化材料；

3．用近似平衡微分方程和近似塑性條件求解塑性成形問題的方法稱為　　　B。

Ａ、解析法；　　　?。隆⒅鲬Ψ?；　　　　　　Ｃ、滑移線法；

4．韌性金屬材料屈服時，A　　準則較符合實際的。

Ａ、密席斯；　　?。?、屈雷斯加；

Ｃ密席斯與屈雷斯加；

5．由于屈服原則的限制，物體在塑性變形時，總是要導致最大的A

散逸，這叫最大散逸功原理。

Ａ、能量；　　　　　　?。?、力；

Ｃ、應變；

6．硫元素的存在使得碳鋼易于產生　　　A。

Ａ、熱脆性；　　　　　　?。隆⒗浯嘈裕弧　　　　。?、蘭脆性；

7．應力狀態中的　　B　應力，能充分發揮材料的塑性。

Ａ、拉應力；　　　　　　?。?、壓應力；　　　?。谩⒗瓚εc壓應力；

8．平面應變時，其平均正應力sｍ　　B　　中間主應力s２。

Ａ、大于；　　　　　　　?。?、等于；

Ｃ、小于；

9．鋼材中磷使鋼的強度、硬度提高，塑性、韌性

B。

Ａ、提高；

Ｂ、降低；

Ｃ、沒有變化；

10．多晶體經過塑性變形后各晶粒沿變形方向顯著伸長的現象稱為　A。

Ａ、纖維組織；　　　?。隆⒆冃慰棙嫞弧　　　　　　　。?、流線；

三、判斷題

1．按密席斯屈服準則所得到的最大摩擦系數μ=0.5。

（×）

2．塑性變形時，工具表面的粗糙度對摩擦系數的影響小于工件表面的粗糙度對摩擦系數的影響。

（×）

3．靜水壓力的增加，對提高材料的塑性沒有影響。

（×）

4．在塑料變形時要產生硬化的材料叫理想剛塑性材料。

（×）

5．塑性變形體內各點的最大剪應力的軌跡線叫滑移線。

（√）

6．塑性是材料所具有的一種本質屬性。

（√）

7．塑性就是柔軟性。

（×）

8．合金元素使鋼的塑性增加，變形拉力下降。

（×）

9．合金鋼中的白點現象是由于夾雜引起的。

（×）

10．結構超塑性的力學特性為，對于超塑性金屬m

=0.02-0.2。

（×）

11．影響超塑性的主要因素是變形速度、變形溫度和組織結構。

（√）

12．屈雷斯加準則與密席斯準則在平面應變上，兩個準則是一致的。

（×）

13．變形速度對摩擦系數沒有影響。

（×）

14．靜水壓力的增加，有助于提高材料的塑性。

（√）

15．碳鋼中冷脆性的產生主要是由于硫元素的存在所致。

（×）

16．如果已知位移分量，則按幾何方程求得的應變分量自然滿足協調方程；若是按其它方法求得的應變分量，也自然滿足協調方程，則不必校驗其是否滿足連續性條件。

（×）

17．在塑料變形時金屬材料塑性好，變形抗力就低，例如：不銹鋼

（×）

四、名詞解釋

1．上限法的基本原理是什么？

答：按運動學許可速度場來確定變形載荷的近似解，這一變形載荷它總是大于真實載荷，即高估的近似值，故稱上限解。

2．在結構超塑性的力學特性中，m值的物理意義是什么？

答：為應變速率敏感性系數，是表示超塑性特征的一個極重要的指標，當m值越大，塑性越好。

3．何謂冷變形、熱變形和溫變形？

答：冷變形：在再結晶溫度以下（通常是指室溫）的變形。

熱變形：在再結晶溫度以上的變形。

溫變形：在再結晶溫度以下，高于室溫的變形。

4．何謂最小阻力定律？

答：變形過程中，物體質點將向著阻力最小的方向移動，即做最少的功，走最短的路。

5．何謂超塑性？

答：延伸率超過100%的現象叫做超塑性。

五、簡答題

1．請簡述有限元法的思想。

答：有限元法的基本思想是：

(1)

把變形體看成是有限數目單元體的集合，單元之間只在指定節點處鉸接，再無任何關連，通過這些節點傳遞單元之間的相互作用。如此離散的變形體，即為實際變形體的計算模型；

(2)

分片近似，即對每一個單元選擇一個由相關節點量確定的函數來近似描述其場變量（如速度或位移）并依據一定的原理建立各物理量之間的關系式；

(3)

將各個單元所建立的關系式加以集成，得到一個與有限個節點相關的總體方程。

解此總體方程，即可求得有限個節點的未知量（一般為速度或位移），進而求

得整個問題的近似解，如應力應變、應變速率等。

所以有限元法的實質，就是將具有無限個自由度的連續體，簡化成只有有限個自由度的單元集合體，并用一個較簡單問題的解去逼近復雜問題的解。

2.Levy-Mises

理論的基本假設是什么？

答：

Levy-Mises

理論是建立在以下四個假設基礎上的：

(1)

材料是剛塑性材料，即彈性應變增量為零，塑性應變增量就是總的應變增量；

(2)

材料符合Mises

屈服準則，即；

(3)

每一加載瞬時，應力主軸與應變增量主軸重合；

(4)

塑性變形時體積不變，即，所以應變增量張量就是應變增量偏張量，即

3．在塑性加工中潤滑的目的是什么？影響摩擦系數的主要因素有哪些？

答：（1）潤滑的目的是:減少工模具磨損；延長工具使用壽命；提高制品質量；降低金屬變形時的能耗。

（2）影響摩擦系數的主要因素：

答：1）金屬種類和化學成分；

2）工具材料及其表面狀態；

3）接觸面上的單位壓力；

4）變形溫度；

5）變形速度；

6）潤滑劑

4．簡述在塑性加工中影響金屬材料變形抗力的主要因素有哪些？

答：（1）材料（化學成分、組織結構）；（2）變形程度；（3）變形溫度；

（4）變形速度；（5）應力狀態；（6）接觸界面（接觸摩擦）

5．為什么說在速度間斷面上只有切向速度間斷，而法向速度必須連續？

答：現設變形體被速度間斷面SD分成①和②兩個區域；在微段dSD上的速度間斷情況如下圖所示。

根據塑性變形體積不變條件，以及變形體在變形時保持連續形，不發生重疊和開裂可知，垂直于dSD上的速度分量必須相等，即，而切向速度分量可以不等，造成①、②區的相對滑動。其速度間斷值為

6．何謂屈服準則？常用屈服準則有哪兩種？試比較它們的同異點？

答：（1）屈服準則：只有當各應力分量之間符合一定的關系時，質點才進入塑性狀態，這種關系就叫屈服準則。

（2）常用屈服準則：密席斯屈服準則與屈雷斯加屈服準則。

（3）同異點：在有兩個主應力相等的應力狀態下，兩者是一致的。對于塑性金屬材料，密席斯準則更接近于實驗數據。在平面應變狀態時，兩個準則的差別最大為15.5%

7.簡述塑性成形中對潤滑劑的要求。

答：（1）潤滑劑應有良好的耐壓性能，在高壓作用下，潤滑膜仍能吸附在接觸表面上，保持良好的潤滑狀態；

（2）潤滑劑應有良好耐高溫性能，在熱加工時，潤滑劑應不分解，不變質；

（3）潤滑劑有冷卻模具的作用；

（4）潤滑劑不應對金屬和模具有腐蝕作用；

（5）潤滑劑應對人體無毒，不污染環境；

（6）潤滑劑要求使用、清理方便、來源豐富、價格便宜等。

8．簡述金屬塑性加工的主要優點?

答：（1）結構致密，組織改善，性能提高。

（2）材料利用率高，流線分布合理。

（3）精度高，可以實現少無切削的要求。

（4）生產效率高。

六、計算題

1．圓板坯拉深為圓筒件如圖1所示。

假設板厚為t,圓板坯為理想剛塑性材料，材料的真實應力為S，不計接觸面上的摩擦,且忽略凹?？谔幍膹澢?試用主應力法證明圖示瞬間的拉深力為：

（a）拉深示意圖

（b）單元體

圖1

板料的拉深

答：在工件的凸緣部分取一扇形基元體，如圖所示。沿負的徑向的靜力平衡方程為：

展開并略去高階微量，可得：

由于是拉應力，是壓應力，故，得近似塑性條件為：

聯解得：

式中的2．如圖2所示，設有一半無限體，側面作用有均布壓應力，試用主應力法求單位流動壓力p。

圖2

解：

取半無限體的半剖面，對圖中基元板塊（設其長為

l）列平衡方程：

（1）

其中，設，為摩擦因子，為材料屈服時的最大切應力值，、均取絕對值。

由

(1)

式得：

（2）

采用絕對值表達的簡化屈服方程如下：

（3）

從而

（4）

將

（2）（3）（4）式聯立求解，得：

（5）

在邊界上，由（3）式，知，代入（5）式得：

最后得：

（6）

從而，單位流動壓力：

（7）

3．圖3所示的圓柱體鐓粗，其半徑為re，高度為h，圓柱體受軸向壓應力sZ，而鐓粗變形接觸表面上的摩擦力t＝０.２Ｓ（Ｓ為流動應力），sze為鍛件外端（r=re）處的垂直應力。

（1）證明接觸表面上的正應力為：

（2）并畫出接觸表面上的正應力分布；

（3）求接觸表面上的單位流動壓力ｐ，（4）假如re＝100MM，Ｈ＝150MM,Ｓ=500MPa，求開始變形時的總變形抗力Ｐ為多少噸？

解：

（1）證明

該問題為平行砧板間的軸對稱鐓粗。設對基元板塊列平衡方程得：

因為，并略去二次無窮小項，則上式化簡成：

假定為均勻鐓粗變形，故：

圖3

最后得：

該式與精確平衡方程經簡化后所得的近似平衡方程完全相同。

按密席斯屈服準則所寫的近似塑性條件為：

聯解后得：

當時，最后得：

（3）接觸表面上的單位流動壓力為：

=544MP

（4）總變形抗力:

=1708T

4．圖4所示的一平沖頭在外力作用下壓入兩邊為斜面的剛塑性體中，接觸表面上的摩擦力忽略不計，其接觸面上的單位壓力為q，自由表面AH、BE與X軸的夾角為，求：

（1）證明接觸面上的單位應力q=K（2++2）；

（2）假定沖頭的寬度為2b，求單位厚度的變形抗力P；

圖4

解：

（1）證明

1）在AH邊界上有：

故，屈服準則：

得：

2）在AO邊界上：

根據變形情況：

按屈服準則：

沿族的一條滑移（OA1A2A3A4）為常數

（2）單位厚度的變形抗力：

5．圖5所示的一尖角為2j的沖頭在外力作用下插入具有相同角度的缺口的剛塑性體中，接觸表面上的摩擦力忽略不計，其接觸面上的單位壓力為p，自由表面ABC與X軸的夾角為d，求：

（1）證明接觸面上的單位應力p=2K（1+j+d）；

（2）假定沖頭的寬度為2b，求變形抗力P。

圖5

答：

（1）證明

1）在AC邊界上：

2）在AO邊界上：

3）根據變形情況：

4）按屈服準則：

5）沿族的一條滑移（OFEB）為常數

（2）設AO的長度為L，則變形抗力為：

6．模壁光滑平面正擠壓的剛性塊變形模型如圖6所示，試計算其單位擠壓力的上限解

P，設材料的最大切應力為常數K。

圖6

解：首先，可根據動可容條件建立變形區的速端圖，如圖7所示：

圖7

設沖頭的下移速度為

。由圖7可求得各速度間斷值如下：

;

;

由于沖頭表面及模壁表面光滑，故變形體的上限功率僅為各速度間隔面上消耗的剪切功率，如下式所示：

又沖頭的功率可表示為：

故得：

7．一理想剛塑性體在平砧頭間鐓粗到某一瞬間，條料的截面尺寸為

2a

×

2a，長度為

L，較

2a

足夠大，可以認為是平面變形。變形區由

A、B、C、D

四個剛性小塊組成（如圖8所示），此瞬間平砧頭速度為

ú

i

=1（下砧板認為靜止不動）。試畫出速端圖并用上限法求此條料的單位變形力

p。

圖8

解：根據滑移線理論，可認為變形區由對角線分成的四個剛性三角形組成。剛性塊

B、D

為死區，隨壓頭以速度

u

相向運動；剛性塊

A、C

相對于

B、D有相對運動（速度間斷），其數值、方向可由速端圖（如圖9所示）完全確定。

圖9

u

*

oA

=

u

*

oB

=

u

*

oC

=

u

*

oD

=u/sin

θ

=

根據能量守恒：

2P

·

＝

K

（u

*

oA

＋

u

*

oB

＋

u

*

oC

＋

u

*

oD）

又

＝

＝

＝

＝

a

所以單位流動壓力：P

=

＝

2K