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应力状态和塑性变形简介 先明确两个概念： 1、塑性：金属在外力作用下能稳定地改变其形状和尺寸而不破坏的能力。 用金属破坏前所能产生的最大变形程度来表示。 2、变形抗力：金属对变形的抵抗能力。 用单向拉伸或压缩时试样横断面上所受的应力来表示。 1.1 塑性加工时所受的力 塑性加工中工件所受的外力有两种：作用力和约束反力。 一、 作用力 1、定义：通常把压力加工设备可动工具部分对变形金属所作用的力叫作用力或主动力。 例如锻压时锤头对工件的压力（图1-1a中之P）；挤压加工时活塞对金属推挤的压力（图1-1b中之P）；拉拔加工时，工件所承受的拉力（图1-1c中之P）。 2、确定方法：压力加工时的作用力可以实测或用理论计算。以用来验算设备零件强度和设备功率。 二、 约束反力 1、定义：工件在主动力的作用下，其整体运动和质点流动受到工具的约束时就产生约束反力。 2、种类：约束反力有正压力和摩擦力。 （1）正压力 沿工具和工件接触表面法线方向阻碍工件整体移动或金属流动的力，它的方向和接触面垂直，并指向工件，如图1-1中之N。 （2）摩擦力 沿工具和工件接触面切线方向阻碍金属流动的力，它的方向和接触面平行，并与金属质点流动方向和流动趋势相反。如图1-1中之。 强调：不能把约束反力同物理学中的反作用力的概念混淆起来。 简要说明轧制的情况：如图l-1所示，在轧制时通常靠两个相反方向转动的轧辊给轧件以摩擦力使其进入辊缝，而摩擦力的产生又必须有正压力的存在，所以轧制时何者是主动力就不好划分，在实际计算中也没有必要划分何者是主动力。轧件充满辊缝后进行稳定轧制时，在轧件和轧辊的接触表面上只有正压力N和摩擦力。N是沿接触面法向压缩轧件的力，是沿接触面切向阻碍轧件质点流动的力。轧件对轧辊总的正压力和摩擦力的合力的值等于轧辊对轧件的总压力，这个总压力的垂直分力一般叫轧制力，也就是轧机压下螺丝承受的力。一般用这个力来计算轧辊及轧机其它零件强度和电机功率。 1.2 原子间的作用力和能 金属是通过原子间的作用力把原子紧密结合在一起的。为使金属变形，所加之外力必须克服其原子间相互作用的力和能。两原子间相互作用的力和能同原子间距离的关系。 如图1-2、1-3所示 由图可得出如下结论： （1）当时原子的斥力和引力相等。 内力为零，原子势能最低，原子处于最稳定位置。 （2）＞时原子间作用的内力表现为引力。 若拉开原子使＞，所加之力或能必须克服原子间的引力或吸引能。 （3）＜时原子间作用的内力表现为斥力。 若压缩原子使＜，所加之力或能必须克服原子间的斥力或排斥能。 （4）弹性变形 所加之力或能不足以克服势垒，仅使原子被迫离开平衡位置，而处于不稳定状态。此时原子间距改变、原子间势能升高，去掉所加的力后，原子回到原来的平衡位置，变形也就消失，此时的变形为弹性变形。 特点：物体处于弹性状态时，原子间距的改变，物体的体积也会发生变化。但是在弹性变形过程中大多数金属的体积变化是不大的。 此时可认为应力（）和应变（）成正比关系，这就是大家熟知的虎克定律，即 式中 ——弹性模量。 （5）塑性变形 所加之力或能足以克服势垒，而使大量的原子多次地、定向地从一个平衡位置转移到另—个平衡位置。这样在宏观上就产生了不能复原的永久变形，也就是塑性变形。 特点：物体的形状和尺寸改变了，但体积不变（金属的空隙被压实或出现微裂纹时例外）。 （6）弹—塑性变形共存 发生宏观屈服后的任意变形瞬间所产生的总变形中都包括弹性变形和塑性变形，弹—塑性变形是共存的。金属在发生塑性变形之前必先产生弹性变形。 1.3 内力和应力 一、内力 内力产生的原因 （1）为了平衡外部的机械作用所产生的内力。 例：当外力作用于金属并使金属产生塑性变形时，则在金属内一定会产生与作用力、约束反力及摩擦力相互平衡的内力。 （2）由于物理或物理-化学过程所产生的相互平衡的内力。 在生产加工（轧制）过程中，由于不均匀变形、不均匀加热或冷却（物理过程）及金属内的相变（物理-化学过程）等，都可以促使金属内部产生内力。例如一块金属受到不均匀的加热，如图1-4 2、内力产生的实质 由于原子被迫偏离其平衡位置，使原子间距改变。 3、内力大小的度量 内力的大小用应力来量度。 二、应力 1、定义：内力的强度称为应力，即单位面积上所作用的内力。 当所研究的截面上其应力为不均匀分布时，内力与该截面面积的比值称为平均应力。在这种情况下，如欲表示截面上某一处的实际应力，可用以下方法表示之，如图1-5，为微小面积上的总内力、为F面切线方向的分内力，为F面法线方向分内力。与比值的极限，即为 （1-1） 我们称为M处的总应力。