第二章冷沖壓變形基礎第一節冷沖壓變形的基本原理概述第二節冷沖壓材料及其沖壓成形性能第二章冷沖壓變形基礎第一節冷沖壓變形的基本原理概述第二節1本章要求

通過學習，掌握板料的幾個機械性能指標與板料沖壓性能之間的關系；了解板料沖壓性能的幾個工藝試驗；熟悉常用金屬材料的沖壓性能。2、課程內容(1)冷沖壓變形的基本原理（塑性變形體積不變條件、屈服準則）；(2)冷沖壓材料及其沖壓成形性能（板料的基本性能與沖壓成形性能的關系、成形極限圖）。3、考核知識點和考核要求領會：板料的幾個重要性能指標與沖壓性能之間的關系；識記：體積不變條件，屈服準則。1、學習目的和要求本章要求通過學習，掌握板料的幾個機械性能指標與2第一節冷沖壓變形的基本原理概述一、影響金屬塑性和變形抗力的因素基本概念金屬內在性質塑性指金屬在外力的作用下，能穩定地發生永久變形而不破壞其完整性的能力。變形抗力指引起塑性變形的單位變形力。變形溫度應變速度變形的力學狀態第一節冷沖壓變形的基本原理概述一、影響金屬塑性和變形抗力的3一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度變形溫度塑性變形抗力一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度變形溫度塑性變形41.變形溫度變形溫度回復與再結晶原子動能增加金屬的組織、結構發生變化擴散蠕變機理起作用晶間滑移作用增強一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度變形溫度回復與再結晶原子動能增加金屬的組織、結構5一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度圖2-1碳鋼塑性隨溫度變化曲線一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度圖2-1碳鋼6

應變速率是指單位時間內應變的變化量。一般來說，由于塑性變形需要一定的時間來進行，因此應變速率太大，塑性變形來不及在塑性變形體中充分擴展和完成，而是更多地表現為彈性變形，致使變形抗力增大。又由于斷裂抗力基本不受應變速率的影響，所以變形抗力的增大就意味著塑性的下降，如圖所示，高速下的極限變形程度δ1顯然小于低速時的δ2。2.應變速率一、影響金屬塑性和變形抗力的因素應變速率是指單位時間內應變的變化量。一般來說，由72.應變速率一、影響金屬塑性和變形抗力的因素圖2-2應變速率對變形抗力和塑性的影響示意圖1—高速２—低速2.應變速率一、影響金屬塑性和變形抗力的因素圖2-2應變速8

塑性變形是在力的作用下產生的，宏觀上是力與塑性變形的關系，實際上是變形體微觀質點應力和應變狀態關系的表現。施加不同形式的力，在變形體中就有不同的應力狀態和應變狀態，從而表現出不同的塑性變形行為。3.應力、應變狀態一、影響金屬塑性和變形抗力的因素塑性變形是在力的作用下產生的，宏觀上是93.應力、應變狀態一、影響金屬塑性和變形抗力的因素應力狀態應變狀態主應力狀態下靜水壓力大塑性越好靜水壓力小塑性越差主應變狀態下壓應變成分多拉應變成分少有利于材料塑性發揮當作用于坯料變形區的壓應力的絕對值最大時，在這個方向上的變形一定是壓縮變形，故稱這種變形為壓縮類變形。

當作用于坯料變形區的拉應力的絕對值最大時，在這個方向上的變形一定是伸長變形，故稱這種變形為伸長類變形。

3.應力、應變狀態一、影響金屬塑性和變形抗力的因素應力狀態應104.尺寸因素一、影響金屬塑性和變形抗力的因素尺寸越大塑性越差變形抗力越小組織和化學成分不均內部缺陷多應力分布不均勻4.尺寸因素一、影響金屬塑性和變形抗力的因素尺寸塑性越差組織11

彈性變形時，物體體積的變化與平均應力成正比。實踐證明，塑性變形的物體之體積保持不變，塑性變形以前的體積等于其變形后的體積，可表示為二、塑性變形體積不變條件ε1＋ε2＋ε3＝0式中

ε1、ε2、ε3——塑性變形時的三個主應變分量。彈性變形時，物體體積的變化與平均應力成12

由體積不變條件可看出，主應變圖只可能有三類：①具有一個正應變及兩個負應變；②具有一個負應變及兩個正應變；③一個主應變為零，另兩個應變之大小相等符號相反。二、塑性變形體積不變條件圖2-3主應變圖由體積不變條件可看出，主應變圖只可能有132三、塑性條件(屈服準則)屈雷斯加屈服準則(Tresca)的數學表達式是τmax＝＝σmax－σminσs2式中

τmax——質點的最大切應力；σmax、σmin——代數值最大、最小的主應力；σs——金屬在一定的變形溫度、變形速度下的屈服點。

塑性條件：受力物體內不同應力狀態下的質點進入塑性狀態并使塑性變形繼續進行所需要遵守的條件也稱屈服準則。當受力物體內質點的最大切應力達到材料單向拉伸時屈服點值的一半時，該點就發生屈服。2三、塑性條件(屈服準則)屈雷斯加屈服準則(Tresca)的14式中

σ1、σ2、σ3——質點的三個主應力。三、塑性條件(屈服準則)米塞斯屈服準則(Mises)的數學表達式是（σ1－σ2）2＋（σ2－σ3）2＋（σ3－σ1）2＝２σ２ｓ或1當受力物體內質點的等效應力達到材料單向拉伸時屈服點值時，該點就發生屈服。σ＝(σ１－σ２)２＋(σ２－σ３)２＋(σ３－σ１)２＝σｓ√2√式中σ1、σ2、σ3——質點的三個主應力。三、塑性條件15

增量理論又稱流動理論，它可表述如下：在每一加載瞬間，應變增量主軸與應力主軸重合，應變增量與應力偏量成正比，即四、塑性變形時應力與應變的關系===ｄλdε1σ1-σmdε2σ2-σmdε3σ3-σm式中

dλ——瞬時常數，在加載的不同瞬時是變化的；

σm——平均主應力（靜水應力）。增量理論又稱流動理論，它可表述如下：在16

全量理論認為，在比例加載（也稱簡單加載，是指在加載過程中所有外力從一開始起就按同一比例增加）的條件下，無論變形體所處的應力狀態如何，應變偏張量各分量與應力偏張量各分量成正比，即四、塑性變形時應力與應變的關系ε1-εmσ1-σmε2-εmσ2-σmε3-εmσ3-σm＝＝＝λε1σ1-σmε2σ2-σmε3σ3-σm＝＝＝λ

由于塑性變形時體積不變，即εm＝0，所以上式可寫成式中

λ——比例系數，它與材料性質和加載歷程有關，而與物體所處的應力狀態無關。全量理論認為，在比例加載（也稱簡單加載17四、塑性變形時應力與應變的關系1）可根據偏應力（）的正負判斷某個方向的主應變的正負，當某個方向的偏應力為正值是，則該方向的主應變為正值；2）若某點的主應力的順序為，則該點主應變的順序為，且；3）當變形體處于三向等拉或等壓的應力狀態（即）時，不會產生任何塑性變形（即)；4）當變形體處于單向拉伸應力狀態（即）時，則有；5）當變形體處于二向等拉的平面應力狀態（）時，則有；6）當變形體處于平面應變狀態（）時，則其第二主應力。四、塑性變形時應力與應變的關系1）可根據偏應力（）18五、冷沖壓成形中的硬化現象圖2-4幾種材料的硬化曲線加工硬化使材料的所有強度、硬度指標增加，同時塑性指標降低。五、冷沖壓成形中的硬化現象圖2-4幾種材料的硬化曲線19五、冷沖壓成形中的硬化現象

為了實用上的需要，在塑性力學中經常采用直線和指數曲線來近似代替實際硬化曲線，如圖所示為四種簡化類型。圖2-5硬化曲線的簡化類型ａ）冪指數硬化曲線ｂ）剛塑性硬化曲線ｃ）剛塑性硬化直線ｄ）理想剛塑性水平直線五、冷沖壓成形中的硬化現象為了實用上的需要，在塑性力20

一般來說，材料的塑性是有限的。當拉伸變形達到某一量之后，便開始失去穩定，產生縮頸，繼而發生破裂，這就是所謂的塑性拉伸失穩。六、塑性拉伸失穩及極限應變1.塑性拉伸失穩的概念圖2-6單向拉伸試驗ａ）拉斷后的試樣ｂ）試驗曲線一般來說，材料的塑性是有限的。當拉伸變形21六、塑性拉伸失穩及極限應變2.單向拉伸縮頸的條件及極限應變（1）分散性縮頸

板料單向拉伸時，瞬時載荷為

F＝σ1A

式中

σ1——實際應力；

A——板料的瞬時斷面積。六、塑性拉伸失穩及極限應變2.單向拉伸縮頸的條件及極限應變（22六、塑性拉伸失穩及極限應變2.單向拉伸縮頸的條件及極限應變（2）集中性縮頸條件

根據Hill理論，當板料的應力變化率等于厚度的減薄率時，此處的變形不能向外轉移，便開始產生集中性縮頸。這就是產生集中性縮頸的條件，可表達為＝＝dσ1σ1－dtt－dε3六、塑性拉伸失穩及極限應變2.單向拉伸縮頸的條件及極限應變23六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變圖2-7板料雙向拉伸六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變圖24六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變

（1）縮頸條件

板料開始產生分散性頸縮失穩時，dF1＝0，dF2＝0，類似于單向拉伸時的情況，求導可得到雙向拉伸時的分散性失穩條件為dσ1ｄε1＝σ1dσ2ｄε2＝σ2｝六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變25

與單向拉伸一樣，產生集中性縮頸的條件是：板料的應力變化率與厚度的減薄率相等，表達式為六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變dσ1σ1＝-

＝-dε3dttdσ2σ2＝-

＝-dε3dtt與單向拉伸一樣，產生集中性縮頸的條件是26（2）失穩極限應變六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變

板料沖壓成形時，坯料內部的應力和應變狀態一般都不均勻且不斷變化的，因此，研究板料塑性拉伸失穩條件及極限應變，對分析解決沖壓成形工藝問題有直接的指導意義。（2）失穩極限應變六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸27

在沖壓成形過程中，材料的最大變形限度稱為成形極限。第二節冷沖壓材料及其沖壓成形性能一、板料的沖壓成形性能1.成形極限板材對沖壓成形工藝的適應能力叫做板材的沖壓成形性能。主要內容：成形極限和成形質量。在沖壓成形過程中，材料的最大變形限度稱28

沖壓成形失效實際上是塑性變形失穩在沖壓工序中的具體表現，其形式可歸結為兩大類，一類拉伸失效，表現為坯料局部出現過度變薄或破裂；一類是受壓失效，表現為板料產生失穩起皺。一、板料的沖壓成形性能1.成形極限圖2-8起皺與破裂的實例沖壓成形失效實際上是塑性變形失穩在沖壓工序中的具29

１）板料的貼模性，指板料在沖壓過程中取得模具形狀的能力，成形過程中發生的內皺、翹曲、塌陷和鼓起等幾何面缺陷均會使貼模性降低。２）板料的定形性（也叫凍結性），指零件脫模后保持其在模內既得形狀的能力。３）板料性能的各向異性，特別是板平面方向與板厚方向的性能差異的大小，是影響沖壓成形后板厚變化的重要因素。一、板料的沖壓成形性能2.成形質量１）板料的貼模性，指板料在沖壓過程中取得模具形狀30

４）板料表面的原始狀態、晶粒大小、沖壓時材料粘模的情況等都將是影響工件的表面質量。５）板料的加工硬化性能，以及變形的均勻性，直接影響成形后材料的物理力學性能。一、板料的沖壓成形性能2.成形質量４）板料表面的原始狀態、晶粒大小、沖壓時31二、板料沖壓成形性能的測定板材的沖壓成形性能可以通過試驗進行測定評價。試驗方法通常分為：力學試驗、金屬學試驗和工藝試驗。

工藝試驗是指模擬某一類實際成形方式中的應力狀態和變性特點來成形小尺寸試樣的板料沖壓試驗，所以工藝試驗也成為模擬試驗。二、板料沖壓成形性能的測定板材的沖壓成形性能可以通過32

脹形試驗也稱杯突試驗Erichsen試驗），圖是GB／T4156—1984“金屬杯突試驗方法”的示意圖。二、板料沖壓成形性能的測定（1）脹形試驗圖2-10杯突試驗杯突試驗值IE越大脹形成形性能及拉伸成形性能越好凸模壓入深度脹形試驗也稱杯突試驗Erichsen試驗），圖是33

測定或評價板料擴孔成形性能時，常采用圓柱形平底凸模擴孔試驗（KWI擴孔試驗）。二、板料沖壓成形性能的測定（2）擴孔試驗圖2-11擴孔試驗擴孔率λ越大擴孔成形性能越好測定或評價板料擴孔成形性能時，常采用圓柱形平底凸34

這是模擬拉深變形區的應力和變形狀態，將楔形板料試樣拉過模口，在模壁壓縮下使之成為等寬的矩形板條，在試樣不斷裂的條件下，b／B越小，拉深性能越好。二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗1）拉楔試驗圖2-12拉楔試驗這是模擬拉深變形區的應力和變形狀態，將楔形板料試35二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗

也叫Swift拉深試驗、LDR試驗，是采用φ50mm的平底凸模將試樣拉深成形，圖是GB／T15825.3-1995“金屬薄板成形性能與試驗方法拉深與拉深載荷試驗”的示意圖。圖2-13沖杯試驗2）沖杯試驗極限拉深比LDR越大材料的拉深性能越好二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗也叫Sw36

也叫TZP法，圖是GB／T15825.2—1995“金屬薄板成形性能與試驗方法通用試驗規程”的示意圖。二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗3）拉深力對比試驗

圖2-14TZP試驗ａ)落料ｂ）拉深ｃ）夾緊ｄ）破裂材料特性值T越大，材料的拉深性能越好。也叫TZP法，圖是GB二、板料沖壓成形性能的測定（3）37二、板料沖壓成形性能的測定（4）彎曲試驗

圖是GB／T15825.5-1995“金屬薄板成形性能與試驗方法彎曲試驗”示意圖。圖2-16彎曲試驗最小相對彎曲半徑越小，彎曲成形性能越好。rmint0二、板料沖壓成形性能的測定（4）彎曲試驗圖是GB／T38

圖是GB／T15825.6—1995“金屬薄板成形性能與試驗方法錐杯試驗”的示意圖，取沖頭直徑DP與試樣直徑D0的比值為0.35。二、板料沖壓成形性能的測定（5）錐杯試驗圖2-17錐杯試驗錐杯試驗值CCV越小拉深—脹形成形性能越好圖是GB／T15825.6—1995“金屬薄39

在單向拉伸試驗中試樣開始產生局部集中變形（剛出現頸縮時）的伸長率，稱為均勻伸長率，記作δb。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系1.伸長率δ圖2-18單向拉伸試驗曲線δb表示板料產生均勻變形或穩定變形的能力，伸長類變形工序中，其值越大，則極限變形程度越大。

在單向拉伸試驗中試三、板料的基本性能與沖壓成形性能的40

屈服極限σｓ小，材料容易屈服，成形后回彈小，貼模性和定形性較好。如在彎曲工序中，若材料的σs低，則σs／E小，卸載時的回彈變形也小，這有利于提高彎曲件的精度。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系2.屈服極限σs圖2-18單向拉伸試驗曲線屈服極限σｓ小，材料容易屈服，成形后回彈小，貼模41

屈強比σs/σb對板料沖壓成形性能影響較大。σs/σb小，即材料易進入塑性變形（需要較小的力），而又不容易產生破裂（需要較大的力），這對所有沖壓成形都是有利的。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系3.屈強比σs/σb屈強比σs/σb對板料沖壓成形性能影響較大。σs42

硬化指數n表示材料在冷塑性變形中材料硬化的程度。n值大的材料，硬化效應就大，這意味著在變形過程中材料局部變形程度的增加會使該處變形抗力較快增大，這樣就可以補償該處因截面積減小而引起的承載能力的減弱，制止了局部集中變形的進一步發展，致使變形區擴展，從而使應變分布趨于均勻化。也就是提高了板料的局部抗失穩能力和板料成形時的總體成形極限。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系4.應變硬化指數nσs/σb較小，則n值較大。硬化指數n表示材料在冷塑性變形中材料硬化的程度。43三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系5.塑性應變比ｒ

塑性應變比是指板料試樣單向拉伸時，寬向應變εb與厚向應變εt之比（又稱板厚方向性系數），即式中b0、b、t0與t分別為變形前后試樣的寬度與厚度。ｒ＝

＝εtεblnln0bb0ttr值越大，拉深成形性能越好。

板厚方向性系數的平均值：式中r0、r90、r45分別為板材的縱向、橫向及45°方向的板厚方向性系數。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系5.塑性應變比ｒ44三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系6.板平面方向性系數(凸耳參數)Δr

板料經軋制后其力學、物理性能在板平面內出現各向異性，稱為板平面方向性。在表示板材力學性能的各項指標中，板厚方向性系數對沖壓性能的影響比較明顯，故板平面方向性的大小一般用板厚方向性系數r在幾個方向上的平均差值Δr來衡量，規定為Δr＝2r0+r90-2r45

Δr越大，表示板平面內各向異性越大，拉深時產生凸耳現象越嚴重。

三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系6.板平面方向性系數(45

應變速率敏感系數m是材料在單向拉伸過程中變形抗力的增長率和應變速率的比值。如果m值大，則板料變形抗力的增長率高，局部應變容易向周圍轉移擴散，有利于抑制成形時的頸縮或破裂。常溫下普通低碳鋼的m值很小，對沖壓成形性能影響不十分明顯，但m值對某些合金板料和高強鋼板的沖壓成形性能影響較大。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系7.應變速率敏感系數m應變速率敏感系數m是材料在單向拉伸過程中變形抗力46三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系板料單向拉伸性能與沖壓成形性能的關系三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系板料單向拉伸性能與沖壓47四、成形極限圖及其應用1.成形極限圖的概念和試驗方法

成形極限圖（FormingLimitDiagrams，縮寫為FLD）或成形極限曲線（FormingLimitCurves，縮寫為FLC）著眼于復雜零件的每一變形局部，它是板料在不同應變路徑（即不同的應變比β）下的局部失穩極限應變ε1和ε2構成的條帶形區域或曲線，如圖所示，FLD全面、直觀地反映了不同應變狀態下板料的成形性能，是對板料成形性能的一種定量描述，它是定性和定量研究板料的局部成形性能的有效手段。四、成形極限圖及其應用1.成形極限圖的概念和試驗方法48四、成形極限圖及其應用1.成形極限圖的概念和試驗方法圖2-19成形極限圖四、成形極限圖及其應用1.成形極限圖的概念和試驗方法圖2-149

實際應用的成形極限圖（圖2-20）通常采用剛性半球頭凸模脹形實驗的方法來制作，參見GB／T1825.8—1995“金屬薄板成形性能與試驗方法成形極限圖試驗”。四、成形極限圖及其應用1.成形極限圖的概念和試驗方法圖2-20理論成形極限圖實際應用的成形極限圖（圖2-20）通常采用剛性半球50

FLD的應用是采用等量比較的方法進行的。在被分析對象的零件板坯上復制上述網格，用待分析的工藝方法對板坯進行成形，測量并計算成形零件中需分析的若干點的應變值，將它們標注在相應的成形極限圖上，便可直觀地得到所分析點的變形情況優劣的結論。四、成形極限圖及其應用2.成形極限圖的應用圖2-22用成形極限圖進行分析的方法FLD的應用是采用等量比較的方法進行的。在被分析51五、冷沖壓材料及其在圖樣上表示方法1.沖壓加工常用的板料種類沖壓加工常用的板料種類金屬材料鐵金屬薄鋼板碳素結構鋼、優質碳素鋼、低合金高強度鋼等不銹鋼板鉻鋼、鉻鎳基鋼非鐵金屬鋁及其合金板純鋁、防銹鋁、硬鋁銅及其合金板鈦及其合金板純銅、黃銅、青銅鈦合金非金屬材料紙板、布、皮革、膠木板、橡膠板、塑料板、纖維板、云母板、復合板等沖壓用新材料高強度鋼板、表面處理鋼板、疊層復合板五、冷沖壓材料及其在圖樣上表示方法1.沖壓加工常用的板料種類52

沖壓用原材料大部分以板料、帶料的形式供貨，其規格包含尺寸規格與性能規格兩方面的內容。尺寸規格指長度、寬度、厚度及極限偏差，國標對不同種類的板料和帶料的長度、寬度、厚度都規定了統一的標準系列，選用時可參照有關標準。板料的性能規格是指對其表面質量和某些成形性能指示進行的分級規定。五、冷沖壓材料及其在圖樣上表示方法2.常用板料的規格沖壓用原材料大部分以板料、帶料的形式供53五、冷沖壓材料及其在圖樣上表示方法1)GB/T708-1988規定了冷軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差，其中將鋼板厚度精度分為A—高級精度、B—較高精度、C—普通精度三級。2）GB/T13237-1991規定厚度4mm以下的優質碳素結構鋼冷軋薄鋼板和鋼帶，其表面質量分為Ⅰ—高級的精整表面、Ⅱ—較高級的精整表面、Ⅲ—普通的精整表面三級。3）GB/T5213-2001深沖壓用冷軋薄鋼板和鋼帶標準，規定沖壓性能分為Z—最深拉深級、S—深拉深級、P—普通拉深級三級。4）規定鋁鎮靜鋼08Al按拉深質量分為ZF—拉深最復雜零件、HF—拉深很復雜零件、F—拉深復雜零件三級。2.常用板料的規格五、冷沖壓材料及其在圖樣上表示方法1)GB/T708-1954五、冷沖壓材料及其在圖樣上表示方法3.板料在圖樣上的表示

在沖壓工藝資料和圖樣上，對材料的表示方法有特殊的規定。現以優質碳素結構鋼冷軋薄鋼板標記為例。

例:08鋼，尺寸1.0mm×1000mm×1500mm，較高精度，較高級的精整表面，深拉深級的冷軋鋼板表示為Ｂ－1.0×1000×1500－GB708－8808－Ⅱ－Ｓ－GB13237－91鋼板五、冷沖壓材料及其在圖樣上表示方法3.板料在圖樣上的表示55第二章冷沖壓變形基礎第一節冷沖壓變形的基本原理概述第二節冷沖壓材料及其沖壓成形性能第二章冷沖壓變形基礎第一節冷沖壓變形的基本原理概述第二節56本章要求

通過學習，掌握板料的幾個機械性能指標與板料沖壓性能之間的關系；了解板料沖壓性能的幾個工藝試驗；熟悉常用金屬材料的沖壓性能。2、課程內容(1)冷沖壓變形的基本原理（塑性變形體積不變條件、屈服準則）；(2)冷沖壓材料及其沖壓成形性能（板料的基本性能與沖壓成形性能的關系、成形極限圖）。3、考核知識點和考核要求領會：板料的幾個重要性能指標與沖壓性能之間的關系；識記：體積不變條件，屈服準則。1、學習目的和要求本章要求通過學習，掌握板料的幾個機械性能指標與57第一節冷沖壓變形的基本原理概述一、影響金屬塑性和變形抗力的因素基本概念金屬內在性質塑性指金屬在外力的作用下，能穩定地發生永久變形而不破壞其完整性的能力。變形抗力指引起塑性變形的單位變形力。變形溫度應變速度變形的力學狀態第一節冷沖壓變形的基本原理概述一、影響金屬塑性和變形抗力的58一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度變形溫度塑性變形抗力一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度變形溫度塑性變形591.變形溫度變形溫度回復與再結晶原子動能增加金屬的組織、結構發生變化擴散蠕變機理起作用晶間滑移作用增強一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度變形溫度回復與再結晶原子動能增加金屬的組織、結構60一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度圖2-1碳鋼塑性隨溫度變化曲線一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度圖2-1碳鋼61

應變速率是指單位時間內應變的變化量。一般來說，由于塑性變形需要一定的時間來進行，因此應變速率太大，塑性變形來不及在塑性變形體中充分擴展和完成，而是更多地表現為彈性變形，致使變形抗力增大。又由于斷裂抗力基本不受應變速率的影響，所以變形抗力的增大就意味著塑性的下降，如圖所示，高速下的極限變形程度δ1顯然小于低速時的δ2。2.應變速率一、影響金屬塑性和變形抗力的因素應變速率是指單位時間內應變的變化量。一般來說，由622.應變速率一、影響金屬塑性和變形抗力的因素圖2-2應變速率對變形抗力和塑性的影響示意圖1—高速２—低速2.應變速率一、影響金屬塑性和變形抗力的因素圖2-2應變速63

塑性變形是在力的作用下產生的，宏觀上是力與塑性變形的關系，實際上是變形體微觀質點應力和應變狀態關系的表現。施加不同形式的力，在變形體中就有不同的應力狀態和應變狀態，從而表現出不同的塑性變形行為。3.應力、應變狀態一、影響金屬塑性和變形抗力的因素塑性變形是在力的作用下產生的，宏觀上是643.應力、應變狀態一、影響金屬塑性和變形抗力的因素應力狀態應變狀態主應力狀態下靜水壓力大塑性越好靜水壓力小塑性越差主應變狀態下壓應變成分多拉應變成分少有利于材料塑性發揮當作用于坯料變形區的壓應力的絕對值最大時，在這個方向上的變形一定是壓縮變形，故稱這種變形為壓縮類變形。

當作用于坯料變形區的拉應力的絕對值最大時，在這個方向上的變形一定是伸長變形，故稱這種變形為伸長類變形。

3.應力、應變狀態一、影響金屬塑性和變形抗力的因素應力狀態應654.尺寸因素一、影響金屬塑性和變形抗力的因素尺寸越大塑性越差變形抗力越小組織和化學成分不均內部缺陷多應力分布不均勻4.尺寸因素一、影響金屬塑性和變形抗力的因素尺寸塑性越差組織66

彈性變形時，物體體積的變化與平均應力成正比。實踐證明，塑性變形的物體之體積保持不變，塑性變形以前的體積等于其變形后的體積，可表示為二、塑性變形體積不變條件ε1＋ε2＋ε3＝0式中

ε1、ε2、ε3——塑性變形時的三個主應變分量。彈性變形時，物體體積的變化與平均應力成67

由體積不變條件可看出，主應變圖只可能有三類：①具有一個正應變及兩個負應變；②具有一個負應變及兩個正應變；③一個主應變為零，另兩個應變之大小相等符號相反。二、塑性變形體積不變條件圖2-3主應變圖由體積不變條件可看出，主應變圖只可能有682三、塑性條件(屈服準則)屈雷斯加屈服準則(Tresca)的數學表達式是τmax＝＝σmax－σminσs2式中

τmax——質點的最大切應力；σmax、σmin——代數值最大、最小的主應力；σs——金屬在一定的變形溫度、變形速度下的屈服點。

塑性條件：受力物體內不同應力狀態下的質點進入塑性狀態并使塑性變形繼續進行所需要遵守的條件也稱屈服準則。當受力物體內質點的最大切應力達到材料單向拉伸時屈服點值的一半時，該點就發生屈服。2三、塑性條件(屈服準則)屈雷斯加屈服準則(Tresca)的69式中

σ1、σ2、σ3——質點的三個主應力。三、塑性條件(屈服準則)米塞斯屈服準則(Mises)的數學表達式是（σ1－σ2）2＋（σ2－σ3）2＋（σ3－σ1）2＝２σ２ｓ或1當受力物體內質點的等效應力達到材料單向拉伸時屈服點值時，該點就發生屈服。σ＝(σ１－σ２)２＋(σ２－σ３)２＋(σ３－σ１)２＝σｓ√2√式中σ1、σ2、σ3——質點的三個主應力。三、塑性條件70

增量理論又稱流動理論，它可表述如下：在每一加載瞬間，應變增量主軸與應力主軸重合，應變增量與應力偏量成正比，即四、塑性變形時應力與應變的關系===ｄλdε1σ1-σmdε2σ2-σmdε3σ3-σm式中

dλ——瞬時常數，在加載的不同瞬時是變化的；

σm——平均主應力（靜水應力）。增量理論又稱流動理論，它可表述如下：在71

全量理論認為，在比例加載（也稱簡單加載，是指在加載過程中所有外力從一開始起就按同一比例增加）的條件下，無論變形體所處的應力狀態如何，應變偏張量各分量與應力偏張量各分量成正比，即四、塑性變形時應力與應變的關系ε1-εmσ1-σmε2-εmσ2-σmε3-εmσ3-σm＝＝＝λε1σ1-σmε2σ2-σmε3σ3-σm＝＝＝λ

由于塑性變形時體積不變，即εm＝0，所以上式可寫成式中

λ——比例系數，它與材料性質和加載歷程有關，而與物體所處的應力狀態無關。全量理論認為，在比例加載（也稱簡單加載72四、塑性變形時應力與應變的關系1）可根據偏應力（）的正負判斷某個方向的主應變的正負，當某個方向的偏應力為正值是，則該方向的主應變為正值；2）若某點的主應力的順序為，則該點主應變的順序為，且；3）當變形體處于三向等拉或等壓的應力狀態（即）時，不會產生任何塑性變形（即)；4）當變形體處于單向拉伸應力狀態（即）時，則有；5）當變形體處于二向等拉的平面應力狀態（）時，則有；6）當變形體處于平面應變狀態（）時，則其第二主應力。四、塑性變形時應力與應變的關系1）可根據偏應力（）73五、冷沖壓成形中的硬化現象圖2-4幾種材料的硬化曲線加工硬化使材料的所有強度、硬度指標增加，同時塑性指標降低。五、冷沖壓成形中的硬化現象圖2-4幾種材料的硬化曲線74五、冷沖壓成形中的硬化現象

為了實用上的需要，在塑性力學中經常采用直線和指數曲線來近似代替實際硬化曲線，如圖所示為四種簡化類型。圖2-5硬化曲線的簡化類型ａ）冪指數硬化曲線ｂ）剛塑性硬化曲線ｃ）剛塑性硬化直線ｄ）理想剛塑性水平直線五、冷沖壓成形中的硬化現象為了實用上的需要，在塑性力75

一般來說，材料的塑性是有限的。當拉伸變形達到某一量之后，便開始失去穩定，產生縮頸，繼而發生破裂，這就是所謂的塑性拉伸失穩。六、塑性拉伸失穩及極限應變1.塑性拉伸失穩的概念圖2-6單向拉伸試驗ａ）拉斷后的試樣ｂ）試驗曲線一般來說，材料的塑性是有限的。當拉伸變形76六、塑性拉伸失穩及極限應變2.單向拉伸縮頸的條件及極限應變（1）分散性縮頸

板料單向拉伸時，瞬時載荷為

F＝σ1A

式中

σ1——實際應力；

A——板料的瞬時斷面積。六、塑性拉伸失穩及極限應變2.單向拉伸縮頸的條件及極限應變（77六、塑性拉伸失穩及極限應變2.單向拉伸縮頸的條件及極限應變（2）集中性縮頸條件

根據Hill理論，當板料的應力變化率等于厚度的減薄率時，此處的變形不能向外轉移，便開始產生集中性縮頸。這就是產生集中性縮頸的條件，可表達為＝＝dσ1σ1－dtt－dε3六、塑性拉伸失穩及極限應變2.單向拉伸縮頸的條件及極限應變78六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變圖2-7板料雙向拉伸六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變圖79六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變

（1）縮頸條件

板料開始產生分散性頸縮失穩時，dF1＝0，dF2＝0，類似于單向拉伸時的情況，求導可得到雙向拉伸時的分散性失穩條件為dσ1ｄε1＝σ1dσ2ｄε2＝σ2｝六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變80

與單向拉伸一樣，產生集中性縮頸的條件是：板料的應力變化率與厚度的減薄率相等，表達式為六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變dσ1σ1＝-

＝-dε3dttdσ2σ2＝-

＝-dε3dtt與單向拉伸一樣，產生集中性縮頸的條件是81（2）失穩極限應變六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變

板料沖壓成形時，坯料內部的應力和應變狀態一般都不均勻且不斷變化的，因此，研究板料塑性拉伸失穩條件及極限應變，對分析解決沖壓成形工藝問題有直接的指導意義。（2）失穩極限應變六、塑性拉伸失穩及極限應變3.雙向拉伸縮頸82

在沖壓成形過程中，材料的最大變形限度稱為成形極限。第二節冷沖壓材料及其沖壓成形性能一、板料的沖壓成形性能1.成形極限板材對沖壓成形工藝的適應能力叫做板材的沖壓成形性能。主要內容：成形極限和成形質量。在沖壓成形過程中，材料的最大變形限度稱83

沖壓成形失效實際上是塑性變形失穩在沖壓工序中的具體表現，其形式可歸結為兩大類，一類拉伸失效，表現為坯料局部出現過度變薄或破裂；一類是受壓失效，表現為板料產生失穩起皺。一、板料的沖壓成形性能1.成形極限圖2-8起皺與破裂的實例沖壓成形失效實際上是塑性變形失穩在沖壓工序中的具84

１）板料的貼模性，指板料在沖壓過程中取得模具形狀的能力，成形過程中發生的內皺、翹曲、塌陷和鼓起等幾何面缺陷均會使貼模性降低。２）板料的定形性（也叫凍結性），指零件脫模后保持其在模內既得形狀的能力。３）板料性能的各向異性，特別是板平面方向與板厚方向的性能差異的大小，是影響沖壓成形后板厚變化的重要因素。一、板料的沖壓成形性能2.成形質量１）板料的貼模性，指板料在沖壓過程中取得模具形狀85

４）板料表面的原始狀態、晶粒大小、沖壓時材料粘模的情況等都將是影響工件的表面質量。５）板料的加工硬化性能，以及變形的均勻性，直接影響成形后材料的物理力學性能。一、板料的沖壓成形性能2.成形質量４）板料表面的原始狀態、晶粒大小、沖壓時86二、板料沖壓成形性能的測定板材的沖壓成形性能可以通過試驗進行測定評價。試驗方法通常分為：力學試驗、金屬學試驗和工藝試驗。

工藝試驗是指模擬某一類實際成形方式中的應力狀態和變性特點來成形小尺寸試樣的板料沖壓試驗，所以工藝試驗也成為模擬試驗。二、板料沖壓成形性能的測定板材的沖壓成形性能可以通過87

脹形試驗也稱杯突試驗Erichsen試驗），圖是GB／T4156—1984“金屬杯突試驗方法”的示意圖。二、板料沖壓成形性能的測定（1）脹形試驗圖2-10杯突試驗杯突試驗值IE越大脹形成形性能及拉伸成形性能越好凸模壓入深度脹形試驗也稱杯突試驗Erichsen試驗），圖是88

測定或評價板料擴孔成形性能時，常采用圓柱形平底凸模擴孔試驗（KWI擴孔試驗）。二、板料沖壓成形性能的測定（2）擴孔試驗圖2-11擴孔試驗擴孔率λ越大擴孔成形性能越好測定或評價板料擴孔成形性能時，常采用圓柱形平底凸89

這是模擬拉深變形區的應力和變形狀態，將楔形板料試樣拉過模口，在模壁壓縮下使之成為等寬的矩形板條，在試樣不斷裂的條件下，b／B越小，拉深性能越好。二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗1）拉楔試驗圖2-12拉楔試驗這是模擬拉深變形區的應力和變形狀態，將楔形板料試90二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗

也叫Swift拉深試驗、LDR試驗，是采用φ50mm的平底凸模將試樣拉深成形，圖是GB／T15825.3-1995“金屬薄板成形性能與試驗方法拉深與拉深載荷試驗”的示意圖。圖2-13沖杯試驗2）沖杯試驗極限拉深比LDR越大材料的拉深性能越好二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗也叫Sw91

也叫TZP法，圖是GB／T15825.2—1995“金屬薄板成形性能與試驗方法通用試驗規程”的示意圖。二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗3）拉深力對比試驗

圖2-14TZP試驗ａ)落料ｂ）拉深ｃ）夾緊ｄ）破裂材料特性值T越大，材料的拉深性能越好。也叫TZP法，圖是GB二、板料沖壓成形性能的測定（3）92二、板料沖壓成形性能的測定（4）彎曲試驗

圖是GB／T15825.5-1995“金屬薄板成形性能與試驗方法彎曲試驗”示意圖。圖2-16彎曲試驗最小相對彎曲半徑越小，彎曲成形性能越好。rmint0二、板料沖壓成形性能的測定（4）彎曲試驗圖是GB／T93

圖是GB／T15825.6—1995“金屬薄板成形性能與試驗方法錐杯試驗”的示意圖，取沖頭直徑DP與試樣直徑D0的比值為0.35。二、板料沖壓成形性能的測定（5）錐杯試驗圖2-17錐杯試驗錐杯試驗值CCV越小拉深—脹形成形性能越好圖是GB／T15825.6—1995“金屬薄94

在單向拉伸試驗中試樣開始產生局部集中變形（剛出現頸縮時）的伸長率，稱為均勻伸長率，記作δb。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系1.伸長率δ圖2-18單向拉伸試驗曲線δb表示板料產生均勻變形或穩定變形的能力，伸長類變形工序中，其值越大，則極限變形程度越大。

在單向拉伸試驗中試三、板料的基本性能與沖壓成形性能的95

屈服極限σｓ小，材料容易屈服，成形后回彈小，貼模性和定形性較好。如在彎曲工序中，若材料的σs低，則σs／E小，卸載時的回彈變形也小，這有利于提高彎曲件的精度。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系2.屈服極限σs圖2-18單向拉伸試驗曲線屈服極限σｓ小，材料容易屈服，成形后回彈小，貼模96

屈強比σs/σb對板料沖壓成形性能影響較大。σs/σb小，即材料易進入塑性變形（需要較小的力），而又不容易產生破裂（需要較大的力），這對所有沖壓成形都是有利的。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系3.屈強比σs/σb屈強比σs/σb對板料沖壓成形性能影響較大。σs97

硬化指數n表示材料在冷塑性變形中材料硬化的程度。n值大的材料，硬化效應就大，這意味著在變形過程中材料局部變形程度的增加會使該處變形抗力較快增大，這樣就可以補償該處因截面積減小而引起的承載能力的減弱，制止了局部集中變形的進一步發展，致使變形區擴展，從而使應變分布趨于均勻化。也就是提高了板料的局部抗失穩能力和板料成形時的總體成形極限。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系4.應變硬化指數nσs/σb較小，則n值較大。硬化指數n表示材料在冷塑性變形中材料硬化的程度。98三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系5.塑性應變比ｒ

塑性應變比是指板料試樣單向拉伸時，寬向應變εb與厚向應變εt之比（又稱板厚方向性系數），即式中b0、b、t0與t分別為變形前后試樣的寬度與厚度。ｒ＝

＝εtεblnln0bb0ttr值越大，拉深成形性能越好。

板厚方向性系數的平均值：式中r0、r90、r45分別為板材的縱向、橫向及45°方向的板厚方向性系數。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系5.塑性應變比ｒ99三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系6.板平面方向性系數(凸耳參數)Δr

板料經軋制后其力學、物理性能在板平面內出現各向異性，稱為板平面方向性。在表示板材力學性能的各項指標中，板厚方向性系數對沖壓性能的影響比較明顯，故板平面方向性的大小一般用板厚方向性系數r在幾個方向上的平均差值Δr來衡量，規定為Δr＝2r0+r90-2r45

Δr越大，表示板平面內各向異性越大，拉深時產生凸耳現象越嚴重