塑性加工力學(xué)(mechanicsofmetalforming)

研究金屬等材料在塑性變形過程中的變形力學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)理論學(xué)科。是金屬塑性加工基礎(chǔ)理論之一。它的任務(wù)是結(jié)合金屬等材料的流變特性，分析塑性成形中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、建立變形力學(xué)方程、確定塑性加工變形時(shí)的力能參數(shù)和變形參數(shù)以及應(yīng)力和應(yīng)變在變形體內(nèi)分布，從而為正確選擇塑性加工變形方式、制定合理的工藝規(guī)程、優(yōu)化設(shè)計(jì)軋輥孔型和其他工模具、選擇合適的加工設(shè)備、確定加工變形界限、分析加工變形過程產(chǎn)生缺陷的原因及其消除方法等提供科學(xué)依據(jù)。

塑性加工力學(xué)的主要內(nèi)容有：(1)塑性力學(xué)基礎(chǔ)理論，包括應(yīng)力理論、應(yīng)變理論以及金屬等材料的物理方程——屈服條件和本構(gòu)方程；(2)塑性加工變形力學(xué)的計(jì)算方法，包括變形力學(xué)問題的工程解法、變形力學(xué)問題的滑移線解法、上界法、下界法和變形力學(xué)問題的有限元解法等。

塑性加工力學(xué)是在塑性力學(xué)的基礎(chǔ)上隨著金屬塑性加工技術(shù)的發(fā)展而逐漸形成的。最先將塑性力學(xué)用于研究塑性加工成形的是德國的卡爾曼(T．vonKar—man)，他在1925年用初等解析法分析了軋制時(shí)單位壓力分布。不久美國薩克斯(G．Sachs)和德國西貝爾(E．Siebel)在研究拉拔過程時(shí)也提出了類似的解法，當(dāng)時(shí)稱為截塊法(slab法)。20世紀(jì)50年代蘇聯(lián)翁克索夫提出了一個(gè)實(shí)質(zhì)上與截塊法相似的方法，他通過光彈性實(shí)驗(yàn)對鐓粗時(shí)工具和工件接觸表面上的單位摩擦力分布提出了一些新的見解。現(xiàn)在人們一般稱以上的解析方法為工程計(jì)算法，至今這種方法仍廣泛應(yīng)用。滑移線解法是20年代由亨基(H．Hencky)和普朗特(L．Prandtl)提出的，到40年代才應(yīng)用到解析塑性加工變形過程上來。60年代以來滑移線解法已成為塑性加工方面求解平面變形問題的一種很重要的解析方法。該法在用于求解平面應(yīng)力問題和軸對稱變形問題方面也取得了某些進(jìn)展。50年代英國約翰遜(w．Johnson)和日本的工藤英明等人根據(jù)塑性力學(xué)的極值原理，提出了確定塑性加工極限載荷的上界法(或稱上限法)。到90年代這種方法已發(fā)展到有多種不同的求解方式，不僅可求解平面變形問題和軸對稱變形問題，而且也可用求解某些三維變形問題。因此上界法在塑性加工中獲得廣泛應(yīng)用。

除了上述幾種常用的解析方法外，隨著電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，特別是高速電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，各種數(shù)值計(jì)算法在塑性加工力學(xué)上的應(yīng)用受到了各國普遍重視。80年代以來做為數(shù)值計(jì)算法的非線性有限元法和復(fù)合解析法在塑性加工成形的分析上獲得越來越廣泛的應(yīng)用，因?yàn)檫@種方法能模擬受到多因素(如溫度、摩擦和工具形狀等)影響的各種塑性加工成形過程，并能預(yù)測成形力和能、應(yīng)力和應(yīng)變分布以及金屬流動(dòng)方向等。上述這些塑性加工力學(xué)的解析方法相互聯(lián)系，又各有特點(diǎn)和應(yīng)用范圍、彼此之間又互相補(bǔ)充，不斷發(fā)展。隨著塑性加工技術(shù)的進(jìn)步，超塑性材料、粉末或多孔材料、復(fù)合材料和半熔融狀態(tài)的成形力學(xué)也有較大的發(fā)展。

自60年代以來塑性加工實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法發(fā)展也很快，如視塑性法、光塑性法和云紋法等都不同程度得到應(yīng)用。塑性加工數(shù)學(xué)力學(xué)與實(shí)驗(yàn)力學(xué)的相互結(jié)合將推動(dòng)塑性加工力學(xué)不斷進(jìn)步。

對于塑性加工成形過程，除進(jìn)行了變形力學(xué)的研究外，還從材料科學(xué)方面開展了大量研究，如從金屬的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)運(yùn)用金屬物理的基本理論和現(xiàn)代測試技術(shù)研究金屬塑性變形的物理本質(zhì)。然而，塑性加工力學(xué)和材料科學(xué)這兩方面的研究工作并不是孤立的，而是相互滲透、彼此影響和互相促進(jìn)的。這就是說塑性加工變形的宏觀力學(xué)與變形材料的微觀力學(xué)相互結(jié)合才能促進(jìn)塑性加工變形力學(xué)理論向縱深發(fā)展，共同組成完整的理論體系。

塑性加工力學(xué)尚存在的主要問題是：(1)缺乏反映各種實(shí)際工件材料流變特性的變形抗力模型和本構(gòu)方程；(2)工件和工具的接觸摩擦機(jī)制及摩擦力分布模型尚沒有精確建立；(3)對于初始和邊界條件(包括溫度和接觸摩擦條件)非常復(fù)雜的成形過程尚難得較精確的解；(4)雖然用大容量高速電子計(jì)算技術(shù)對復(fù)雜的成形過程能夠進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，但仍存在著計(jì)算時(shí)間過長和計(jì)算成本較高的問題。今后的發(fā)展趨勢是使塑性加工數(shù)學(xué)力學(xué)與實(shí)驗(yàn)力學(xué)相結(jié)合，塑性加工變形宏觀力學(xué)與變形材料的微觀力學(xué)相結(jié)合，弄清各類材料進(jìn)行不同塑性加工成形過程的機(jī)制，采用有根據(jù)而又可靠的簡化處理方法，以求得更精確更具有實(shí)用特點(diǎn)的解。