金属塑性成形理论的发展历程

金属塑性加工方法种类繁多，有各自的特点；但是它们却有许多共同的理论基础，如都要采用合适的温度、变形速率、外力等条件，提高被加工金属的塑性，改善其组织性能，加工过程中均不可避免地受到外摩擦的影响，等等。其中外力、工件变形与外力的关系及外摩擦等属于力学的范畴；金属的塑性、组织性能与工艺参数的关系等属于材料科学的范畴。应该指出的是，这两方面的研究工作并不是孤立的，而是相互渗透、相互影响、相互促进的。目前，这方面的研究正沿着阐明塑性变形材料的宏观力学性能与微观组织结构间的定量关系的方向向纵深发展。

在金属塑性变形的材料科学研究方面，20世纪30年代提出的位错理论从微观上对塑性变形的机制做出了科学的解释。材料科学中对位错、位错密度、晶粒大小、晶粒取向及其分布的检测和形成的理论，也是研究金属塑性成形对微观组织的影响和演化规律的实验和理论基础。

在塑性成形力学方面，1864年，法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）提出了最大剪应力屈服准则，即屈雷斯加屈服准则。1870年，圣维南（B.Saint-Venant）第一次利用屈雷斯加屈服准则求解了管子受弹塑性扭转和弯曲时的应力，随后又研究了平面应变方程式。同年，列维（M.Levy）按圣维南的观点提出了三维问题的方程式和平面问题的方程式的线性化方法。1913年，米塞斯（Von Mises）从纯数学角度提出了另—新的屈服准则——米塞斯屈服准则。1923年，汉基（H.Hencky）和普朗特（L.Prandtl）论述了平面塑性变形中滑移线的几何性质。l930年，劳斯（A.Reuss）根据普朗特的观点提出了考虑弹性应变增量的应力应变关系式。20世纪50年代，英国学者约翰逊（W.Johnson）和日本学者工藤（H.Kudo）等，根据极值原理提出了一个比滑移线法简单的求极限载荷的上限法。其后又发展出了上限单元法。也是在50年代，美国学者汤姆生（E.G.Thomson）等提出了视塑性法（visioplasticity）。该方法根据实验求得的速度场计算变形体内的应变场。该方法是一种由实验结果和理论计算相结合的方法，广泛地应用于塑性变形过程中应变的检测。(www.xing528.com)

第一次将塑性理论用于金属塑性加工的学者可认为是德国的卡尔曼。他在1925年用初等方法分析了轧制时的应力分布，其后不久，萨克斯（G.Sachs）和齐别尔（E.Siebe1）在研究拉丝过程中提出了相似的求解方法——切块法（slab method），即后来所称的主应力法。20世纪50年代，前苏联学者翁克索夫（Унксов）提出了一个实质上与主应力法相似的方法——近似平衡方程和近似塑性条件的联解法，并对镦粗时接触表面上的摩擦力分析提出了新见解。

实际的金属塑性加工问题，模具形状可能十分复杂，由于摩擦的影响工件变形不均匀，变形过程中伴随着温度和工件组织性能的演化，因此难以进行精确的分析。上述解析方法只能针对简单的工件与模具形状、并在简化的工艺条件下进行分析，得出的结果虽然能够定性地表示各种材料和工艺参数与成形力的函数关系，但是定量上不够精确，也不能描述变形的全过程。随着电子计算机的发展，自20世纪60年代起，以有限元法为代表的数值模拟方法得到了迅猛的发展。其中，60年代研究者们提出了小变形问题的弹塑性有限元法，70年代又提出了大变形问题的弹塑性有限元法，以及针对大塑性变形问题的刚塑性有限元法。自90年代以来，金属塑性成形过程的数值模拟技术已在研究和设计中得到了广泛的应用。采用数值模拟方法，能够综合地考虑各种影响因素、分析十分复杂的问题，分析结果也更精确，但是不能直接地表示出各种因素之间的函数关系。因此，在金属塑性成形工艺研究中，解析方法与数值方法是相辅相成、互为补充的。本书的内容也为读者学习和应用数值模拟方法打下必要的基础。