第1章综论 1.1冲压的定义 冲压是利用冲模在冲压设备上对板料施加压力(或拉力),使其产生分离或变形,从而 获得一定形状、尺寸和性能的制件的加工方法。冲压加工的对象一般为金属板料(或带料)、 薄壁管、薄型材等,板厚方向的变形一般不侧重考虑,因此也称为板料冲压,且通常是在 室温状态下进行(不用加热,显然处于再结晶温度以下),故也称为冷冲压 锻造和冲压合称为锻压,锻造加工的对象一般为金属棒料(或锭料),必须考虑长、宽、 高3个方向的变形,且通常是在再结晶温度以上进行,故常称为热锻。基于通常要施加一 定的压力才能完成加工的共性,锻造、冲压与轧制、挤压、拉拔等总称为金属压力加工; 金属压力加工迫使加工对象发生塑性变形,既改变了尺寸、形状,又改善了性能,故还称 为塑性加工。轧制、拉拔、挤压等方法是将钢锭加工成棒料、板料、管材、型材、线材等 制品,但通常不制成零件,称为一次塑性加工:锻压加工则是在一次塑性加工的基础上, 将棒料、板料、管材、线材等制成具有特定用途的制件(或零件),可称为二次塑性加工, 20世纪后期又流行将塑性加工称为塑性成形 冲模、冲压设备和板料是构成冲压加工的3个基本要素。所谓冲模就是加压将金属或 非金属板料或型材分离、成形或接合而得到制件的工艺装备。没有设计和制造水平均很先 进的冲模,先进的冲压工艺就无法实现。 1.2冲压工序分类 为适应制件形状、尺寸、内外在质量、批量的不同,冲压工序的种类有很多。冲压工 艺的基本工序可以分为分离工序与成形工序两大类。分离工序的共同目的是将坯料/工序件 /半成品沿一定的轮廓相互分离:成形工序的共同目的是在材料不产生破坏的前提下使坯料 /工序件/半成品发生塑性变形,成为所需制件。各工序简介见表1.1及表1.2。 冲压生产除了基本工序外,还会涉及其他工序,如接合工序(如铆接等)、装配工序 修饰包装工序,等等,由于篇幅所限,本书不作展开 表1.1冲压工艺中的分离工序 分离轮廓为封闭曲线,轮廓内 落料 为制件,轮廓外为废料,用于 加工各种形状的平板型制件
第 1 章 综 论 1.1 冲压的定义 冲压是利用冲模在冲压设备上对板料施加压力(或拉力)，使其产生分离或变形，从而 获得一定形状、尺寸和性能的制件的加工方法。冲压加工的对象一般为金属板料(或带料)、 薄壁管、薄型材等，板厚方向的变形一般不侧重考虑，因此也称为板料冲压，且通常是在 室温状态下进行(不用加热，显然处于再结晶温度以下)，故也称为冷冲压。 锻造和冲压合称为锻压，锻造加工的对象一般为金属棒料(或锭料)，必须考虑长、宽、 高 3 个方向的变形，且通常是在再结晶温度以上进行，故常称为热锻。基于通常要施加一 定的压力才能完成加工的共性，锻造、冲压与轧制、挤压、拉拔等总称为金属压力加工； 金属压力加工迫使加工对象发生塑性变形，既改变了尺寸、形状，又改善了性能，故还称 为塑性加工。轧制、拉拔、挤压等方法是将钢锭加工成棒料、板料、管材、型材、线材等 制品，但通常不制成零件，称为一次塑性加工；锻压加工则是在一次塑性加工的基础上， 将棒料、板料、管材、线材等制成具有特定用途的制件(或零件)，可称为二次塑性加工。 20 世纪后期又流行将塑性加工称为塑性成形。 冲模、冲压设备和板料是构成冲压加工的 3 个基本要素。所谓冲模就是加压将金属或 非金属板料或型材分离、成形或接合而得到制件的工艺装备。没有设计和制造水平均很先 进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。 1.2 冲压工序分类 为适应制件形状、尺寸、内外在质量、批量的不同，冲压工序的种类有很多。冲压工 艺的基本工序可以分为分离工序与成形工序两大类。分离工序的共同目的是将坯料/工序件 /半成品沿一定的轮廓相互分离；成形工序的共同目的是在材料不产生破坏的前提下使坯料 /工序件/半成品发生塑性变形，成为所需制件。各工序简介见表 1.1 及表 1.2。 冲压生产除了基本工序外，还会涉及其他工序，如接合工序(如铆接等)、装配工序、 修饰包装工序，等等，由于篇幅所限，本书不作展开。 表 1.1 冲压工艺中的分离工序 工序名称 示 意 图 说 明 落料 分离轮廓为封闭曲线，轮廓内 为制件，轮廓外为废料，用于 加工各种形状的平板型制件
中压工艺与模具设计 分离轮廓为封闭曲线,轮廓内为 冲孔 废料,轮廓外为制件,用于在制 件上加工各种形状的孔,落料与 冲孔合称为冲裁 分离轮廓为不封闭曲/直线,用于 切断(剪切) 将板料裁切成长条或加工成形状 单的平板型制件 在工序件岸半成品的曲/平面上沿 修边(切边) 内/外轮廓修切,以获得规则整齐 的棱边、光洁的剪切面和较高的 尺寸精度 将整体成形得到的工序件/半成 剖切 品切开成数个制件,多用于不对 称制件成组成形之后的分离 将制件沿不封闭的轮廓部分地分 离,并使部分板料产生弯曲变形 表1.2冲压工艺中的成形工序 工序名称 将坯料/型材/工序件/半成品沿直线 弯曲(压弯) 压弯成具有一定曲率和角度的制件 辊弯 沿直线用辊子(24个)实现板料的逐 步弯曲变形,一般用卷板机完成 卷弯 把板料端部卷成接近封闭的圆筒状
2 冲压工艺与模具设计 续表 工序名称 示 意 图 说 明 冲孔 分离轮廓为封闭曲线，轮廓内为 废料，轮廓外为制件，用于在制 件上加工各种形状的孔，落料与 冲孔合称为冲裁 切断(剪切) 分离轮廓为不封闭曲/直线，用于 将板料裁切成长条或加工成形状 简单的平板型制件 修边(切边) 在工序件/半成品的曲/平面上沿 内/外轮廓修切，以获得规则整齐 的棱边、光洁的剪切面和较高的 尺寸精度 剖切 将整体成形得到的工序件/半成 品切开成数个制件，多用于不对 称制件成组成形之后的分离 切口 将制件沿不封闭的轮廓部分地分 离，并使部分板料产生弯曲变形 表 1.2 冲压工艺中的成形工序 工序名称 示 意 图 说 明 弯曲(压弯) 将坯料/型材/工序件/半成品沿直线 压弯成具有一定曲率和角度的制件 辊弯 沿直线用辊子(2~4 个)实现板料的逐 步弯曲变形，一般用卷板机完成 卷弯 把板料端部卷成接近封闭的圆筒状
第1章综论 续表 辊形 用多对成形辊,沿纵向使带料逐渐 (纵向辊弯) 弯曲变形 拉弯 在施加拉力的条件下实现弯曲变形 扭曲 将工序件/半成品的一部分相对于另 一部分在某个面上扭转一定角度 变形区在一拉一压的应力作用下 使板料饯浅的空心坯成形为空心件/ 拉深 深的空心件,而壁厚基本不变。用 于将板料外缘全部部分转移到制件 侧壁,使板料成形为皿状制件 翻边 沿封闭/不封闭的轮廓曲线将板料的 平面/曲面边缘部分翻成竖直边缘 缩口 将空心管状工序件或半成品的某个 端部的径向尺寸减小 胀形 使板料倥空心工序件/半成品的局部 变薄,从而使其表面积增大 将空心管状工序件或半成品的某个 扩口 端部的径向尺寸扩大 对坯料序件伴半成品的局部/整体 整形 施加法向接触压力,以提高制件尺 寸精度得清晰的过渡形状 在坯料旋转的同时,用一定形状的 辊轮施加压力使坯料的局部变形逐 旋压 步扩展到整体,达到使坯料全部成 形的目的。多用于回转体制件的 成形
第 1 章 综论 3 续表 工序名称 示 意 图 说 明 辊形 (纵向辊弯) 用多对成形辊，沿纵向使带料逐渐 弯曲变形 拉弯 在施加拉力的条件下实现弯曲变形 扭曲 将工序件/半成品的一部分相对于另 一部分在某个面上扭转一定角度 拉深 变形区在一拉一压的应力作用下， 使板料/浅的空心坯成形为空心件/ 深的空心件，而壁厚基本不变。用 于将板料外缘全部/部分转移到制件 侧壁，使板料成形为皿状制件 翻边 沿封闭/不封闭的轮廓曲线将板料的 平面/曲面边缘部分翻成竖直边缘 缩口 将空心/管状工序件或半成品的某个 端部的径向尺寸减小 胀形 使板料/空心工序件/半成品的局部 变薄，从而使其表面积增大 扩口 将空心/管状工序件或半成品的某个 端部的径向尺寸扩大 整形 对坯料/工序件/半成品的局部/整体 施加法向接触压力，以提高制件尺 寸精度/获得清晰的过渡形状 旋压 在坯料旋转的同时，用一定形状的 辊轮施加压力使坯料的局部变形逐 步扩展到整体，达到使坯料全部成 形的目的。多 用于回转体 制件的 成形
中压工艺与模具设计 1.3冲压工艺的特点及其应用 从技术先进性方面看,冲压工艺可以得到形状复杂、用其他加工方法难以加工的制件 (如薄壳类件),且能够把强度好、刚度大、重量轻等相互矛盾的特点融为一体(如液压胀形 制造的皮带轮)。制件的精度由模具保证,互换性好,品质稳定。 从经济合理性方面看,通过合理设计、优化排样,冲压工艺可以获得很高的材料利用 率;既不像切削加工那样在把金属切成碎屑时消耗大量的能量,也不像锻造那样需耗能对 坯料加热:冲压加工操作比较简单,从而对操作工要求低,有条件时易实现自动化。一般 的冲压工艺,生产效率为几件/分至几十件/分,自动化生产可达千件/分以上。 冲压工艺存在的不足之处有,对于批量较小的制件,模具费用使得成本明显增高,所 以一般要有经济批量:同时,模具需要一个生产准备周期。冲压工艺尤其是冲裁存在颇为 恼人的噪音和振动,劳动保护措施不到位时,还存在安全隐患 总体上看,冲压是一种制件质量较好、生产效率高、成本低,其他加工方法无法替代 的加工工艺,在机械、车辆、电机、电器、仪器仪表、农机、轻工、日用品、航空航天、 电子、通信、船舶、铁道、兵器等制造业中获得了十分广泛的应用,表1.3为部分产品中 冲压加工零件所占比例。图1.1所示为轿车车身部分冲压制件。 表1.3各类产品中冲压加工零件所占比例 汽车 仪器仪表 电机电器家用电器自行车、手表 60~-70 60~70 70-80≤90 “冲压工艺与模具设计”是一门从事现代制造工程应该掌握的重要课程,学习本课程 应注重理论与实践相结合,侧重培养工程实践能力。 图1.1轿车车身 散热器框架;2—前围板:3-前风窗下横梁:4—前风 上围率 5-顶盖:6一后风窗上横梁 边梁:8后风窗下横梁:9一后围板: 2—前纵梁:13—挡泥板 14—挡泥板加强撑:15—前座椅横梁;1 8前立柱:19一门槛 20中立柱:21—后地板:22—地板后横梁 2↓—后轮罩;25后翼子板:26—后立
4 冲压工艺与模具设计 1.3 冲压工艺的特点及其应用 从技术先进性方面看，冲压工艺可以得到形状复杂、用其他加工方法难以加工的制件 (如薄壳类件)，且能够把强度好、刚度大、重量轻等相互矛盾的特点融为一体(如液压胀形 制造的皮带轮)。制件的精度由模具保证，互换性好，品质稳定。 从经济合理性方面看，通过合理设计、优化排样，冲压工艺可以获得很高的材料利用 率；既不像切削加工那样在把金属切成碎屑时消耗大量的能量，也不像锻造那样需耗能对 坯料加热；冲压加工操作比较简单，从而对操作工要求低，有条件时易实现自动化。一般 的冲压工艺，生产效率为几件/分至几十件/分，自动化生产可达千件/分以上。 冲压工艺存在的不足之处有，对于批量较小的制件，模具费用使得成本明显增高，所 以一般要有经济批量；同时，模具需要一个生产准备周期。冲压工艺尤其是冲裁存在颇为 恼人的噪音和振动，劳动保护措施不到位时，还存在安全隐患。 总体上看，冲压是一种制件质量较好、生产效率高、成本低，其他加工方法无法替代 的加工工艺，在机械、车辆、电机、电器、仪器仪表、农机、轻工、日用品、航空航天、 电子、通信、船舶、铁道、兵器等制造业中获得了十分广泛的应用，表 1.3 为部分产品中 冲压加工零件所占比例。图 1.1 所示为轿车车身部分冲压制件。 表 1.3 各类产品中冲压加工零件所占比例 产品 汽车 仪器仪表 电子 电机电器 家用电器 自行车、手表 比例/% 60~70 60~70 ＞85 70~80 ≤90 ＞80 “冲压工艺与模具设计”是一门从事现代制造工程应该掌握的重要课程，学习本课程 应注重理论与实践相结合，侧重培养工程实践能力。 图 1.1 轿车车身 1—散热器框架；2—前围板；3—前风窗下横梁；4—前风窗上横梁；5—顶盖；6—后风窗上横梁； 7—上边梁；8—后风窗下横梁；9—后围板；10—前横梁；11—副车架；12—前纵梁；13—挡泥板； 14—挡泥板加强撑；15—前座椅横梁；16—地板通道；17—前地板；18—前立柱；19—门槛； 20—中立柱；21—后地板；22—地板后横梁；23—后纵梁；24—后轮罩；25—后翼子板；26—后立柱
第1章综论 14冲压变形的理论基础 1.41金属塑性变形的概念 在外力作用下,固体材料发生形状和尺寸变化的现象称为变形,使物体产生变形的外 力称为变形力。变形力去除后,能恢复原状的变形称为弹性变形;变形力去除后,不能恢 复原状的变形称为塑性变形。金属材料在变形力的作用下,既能产生弹性变形,又能从弹 性变形发展到塑性变形,是一种具有弹塑性的工程材料。从微观结构上看,弹性变形阶段, 金属体受力较小,金属体内部原子的间距有微小的改变,从而引起了尺寸和形状的变化, 变形力去除后,原子回到原来的稳定平衡位置,该金属体就完全恢复了原来的形状和尺寸 当金属体受力较大,迫使原子偏离原来的稳定平衡位置,而达到邻近的稳定平衡位置,变 形力去除后,原子就不再回到其原来位置,而是停留在邻近的稳定平衡位置上,因而变形 就成为不可恢复的永久变形,这就是金属的塑性变形 金属学研究成果表明,所有的固态金属都是晶体,各种固态金属的晶体结构并不完全 相同。工业应用的金属中,除少数具有复杂的晶体结构外,最常见的金属晶体结构有面心 立方结构、体心立方结构和密排六方结构。 晶体中由原子组成的平面称为晶面,由原子组成的直线称为晶向,每种晶格不同晶面 上的原子密度和不同晶向的原子间距是不同的。 单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行,最常见的方式为滑移,即晶体 部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑移,这一晶面和晶向称为滑移面和滑移 方向。一般来说,滑移面总是原子排列最密的面,滑移方向总是原子排列最密的方向。因 为沿着原子分布最密的面和方向,滑移阻力最小。一种滑移面及其面上的一个滑移方向组 成一个滑移系。每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采取的空间位向。当其他条件相 同时,金属晶体的滑移系愈多,则滑移时可能出现的滑移位向愈多,塑性就愈好。一般说 来,面心立方和体心立方金属的滑移系较多,因此比密排六方金属的塑性好 就理想的晶体结构而言,全部原子都是规则地排列在晶体的格点上,然而实际晶体总 是存在着各种缺陷,引起晶格的畸变以及原子排列的不规则,最明显的是多晶体。这些缺 陷包括位错、晶界、空位、间隙原子和异质原子等。硏究表明,有些缺陷对金属塑性变形 有很大的影响,如晶体的滑移变形就是在剪应力的作用下通过滑移面上的位错运动进行的 个位错移到晶体表面形成一个原子间距的滑移量。同一个滑移面上许多位错移到晶体表 面便形成明显的滑移线。许多滑移线在一起形成滑移带。这种滑移带常可在拉伸变形后的 金属试样上观察到。 工业上用于塑性成形的金属都是多晶体,组成多晶体的各晶粒类似于单晶体,它们的 大小、形状、位向不同,晶粒之间又有晶界相连,因而多晶体的变形比单晶体要复杂得多。 多晶体的变形,就其中每个晶粒的变形来讲,不外乎滑移和孪生两种晶内变形方式 但就总体而言,多晶体内还存在着晶粒之间的相对滑动和转动。这种晶粒之间的变形称为 晶间变形,所以多晶体的变形是晶内变形和晶间变形综合作用的结果
第 1 章 综论 5 1.4 冲压变形的理论基础 1.4.1 金属塑性变形的概念 在外力作用下，固体材料发生形状和尺寸变化的现象称为变形，使物体产生变形的外 力称为变形力。变形力去除后，能恢复原状的变形称为弹性变形；变形力去除后，不能恢 复原状的变形称为塑性变形。金属材料在变形力的作用下，既能产生弹性变形，又能从弹 性变形发展到塑性变形，是一种具有弹塑性的工程材料。从微观结构上看，弹性变形阶段， 金属体受力较小，金属体内部原子的间距有微小的改变，从而引起了尺寸和形状的变化， 变形力去除后，原子回到原来的稳定平衡位置，该金属体就完全恢复了原来的形状和尺寸。 当金属体受力较大，迫使原子偏离原来的稳定平衡位置，而达到邻近的稳定平衡位置，变 形力去除后，原子就不再回到其原来位置，而是停留在邻近的稳定平衡位置上，因而变形 就成为不可恢复的永久变形，这就是金属的塑性变形。 金属学研究成果表明，所有的固态金属都是晶体，各种固态金属的晶体结构并不完全 相同。工业应用的金属中，除少数具有复杂的晶体结构外，最常见的金属晶体结构有面心 立方结构﹑体心立方结构和密排六方结构。 晶体中由原子组成的平面称为晶面，由原子组成的直线称为晶向，每种晶格不同晶面 上的原子密度和不同晶向的原子间距是不同的。 单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行，最常见的方式为滑移，即晶体 一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑移，这一晶面和晶向称为滑移面和滑移 方向。一般来说，滑移面总是原子排列最密的面，滑移方向总是原子排列最密的方向。因 为沿着原子分布最密的面和方向，滑移阻力最小。一种滑移面及其面上的一个滑移方向组 成一个滑移系。每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采取的空间位向。当其他条件相 同时，金属晶体的滑移系愈多，则滑移时可能出现的滑移位向愈多，塑性就愈好。一般说 来，面心立方和体心立方金属的滑移系较多，因此比密排六方金属的塑性好。 就理想的晶体结构而言，全部原子都是规则地排列在晶体的格点上，然而实际晶体总 是存在着各种缺陷，引起晶格的畸变以及原子排列的不规则，最明显的是多晶体。这些缺 陷包括位错﹑晶界﹑空位﹑间隙原子和异质原子等。研究表明，有些缺陷对金属塑性变形 有很大的影响，如晶体的滑移变形就是在剪应力的作用下通过滑移面上的位错运动进行的。 一个位错移到晶体表面形成一个原子间距的滑移量。同一个滑移面上许多位错移到晶体表 面便形成明显的滑移线。许多滑移线在一起形成滑移带。这种滑移带常可在拉伸变形后的 金属试样上观察到。 工业上用于塑性成形的金属都是多晶体，组成多晶体的各晶粒类似于单晶体，它们的 大小﹑形状﹑位向不同，晶粒之间又有晶界相连，因而多晶体的变形比单晶体要复杂得多。 多晶体的变形，就其中每个晶粒的变形来讲，不外乎滑移和孪生两种晶内变形方式。 但就总体而言，多晶体内还存在着晶粒之间的相对滑动和转动。这种晶粒之间的变形称为 晶间变形，所以多晶体的变形是晶内变形和晶间变形综合作用的结果
中压工艺与模具设计 由于晶粒是靠原子间的吸引力和晶粒间的机械连锁力互相联结的,因此,晶间变形比 较困难。晶粒间的滑动即使非常微小,也容易引起晶界处的结构破损,从而导致金属的断 裂。晶粒间的转动过程相当复杂,这是由于多晶体中不同位向的各个晶粒既有向有利于晶 内滑移的方向转动的趋势,又受到相互牵制的缘故。晶粒转动的现象在粗晶粒的板料冲压 成形后可以观察到,这就是冲压件表面显出凹凸不平的所谓“桔皮”现象。 多晶体的塑性变形还受到晶界的影响。晶界内晶格畸变更甚,晶界的存在使多晶体的 强度、硬度比单晶体髙。多晶体内晶粒愈细,晶界区所占比率也就愈大,金属的强度、硬 度也就愈高。此外,晶粒愈细,变形愈易分散在许多晶粒内进行,因此变形更为均匀,不 易造成应力集中而导致金属破坏,这就是一般的细晶粒金属不仅强度、硬度高,而且塑性 也较好的原因。 在金属塑性变形过程中,金属的性能和组织都可能发生变化。其中最重要的是加工硬 化,随着变形程度的增加,变形阻力增大,强度和硬度升高,而塑性、韧性下降。同时, 由于变形不均匀,晶粒内部和晶粒之间会存在不同的内应力。变形后作为残余应力,保留 在金属内部,致使经冷变形后的零件在放置一段时间后,可能自动发生变形甚至开裂。金 属塑性变形后的性能变化是其组织发生变化的结果。多晶体变形时各晶粒沿其变形最大的 方向伸长,在变形程度很大时,则显著伸长,使得晶界过剩相沿主变形方向呈条状分布, 形成热处理也改变不了的纤维组织。晶内变形会使晶粒破碎,形成许多小晶粒,即亚晶粒。 晶间变形则在晶界造成许多破坏。另外,在变形程度很大时,多晶体内各个晶粒的位向会 因滑移面的转向而逐渐趋向一致,形成变形织构。由于变形织构的形成,使轧制后的板料 出现各向异性,即使退火,一般也难以消除。用这种材料经冲压变形得到的制件厚薄不均, 口沿不齐,典型表现是在拉深成形的筒形制件口部形成凸耳(参见图1.18)。由此可见,金 属塑性变形过程中的这些变化对冲压成形工艺有相当大的影响 142影响塑性及变形抗力的主要因素 1421塑性与变形抗力的概念 所谓塑性,是指金属材料在外力作用下产生永久变形而其完整性不被破坏的能力。塑 性可用材料在不被破坏条件下能获得的塑性变形的最大值来评定。同一种材料,在不同的 变形条件下,其塑性是不一样的。 影响金属塑性的因素包括两个方面:金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织 变形时的外部条件,如变形温度、变形速度以及变形方式等。 2.变形抗力 变形抗力一般来说反映了金属在外力作用下抵抗塑性变形的能力(参见14.3节) 影响变形抗力的因素,也包括金属的内部性质和变形条件(即变形温度、变形速度和变 形程度)两个方面。 塑性和变形抗力是两个不同的概念。通常说某种材料的塑性好坏是指受力以后临近破 坏时的变形程度的大小,而不是指变形抗力的大小。如奥氏体不锈钢允许的变形程度大
6 冲压工艺与模具设计 由于晶粒是靠原子间的吸引力和晶粒间的机械连锁力互相联结的，因此，晶间变形比 较困难。晶粒间的滑动即使非常微小，也容易引起晶界处的结构破损，从而导致金属的断 裂。晶粒间的转动过程相当复杂，这是由于多晶体中不同位向的各个晶粒既有向有利于晶 内滑移的方向转动的趋势，又受到相互牵制的缘故。晶粒转动的现象在粗晶粒的板料冲压 成形后可以观察到，这就是冲压件表面显出凹凸不平的所谓“桔皮”现象。 多晶体的塑性变形还受到晶界的影响。晶界内晶格畸变更甚，晶界的存在使多晶体的 强度﹑硬度比单晶体高。多晶体内晶粒愈细，晶界区所占比率也就愈大，金属的强度﹑硬 度也就愈高。此外，晶粒愈细，变形愈易分散在许多晶粒内进行，因此变形更为均匀，不 易造成应力集中而导致金属破坏，这就是一般的细晶粒金属不仅强度﹑硬度高，而且塑性 也较好的原因。 在金属塑性变形过程中，金属的性能和组织都可能发生变化。其中最重要的是加工硬 化，随着变形程度的增加，变形阻力增大，强度和硬度升高，而塑性﹑韧性下降。同时， 由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间会存在不同的内应力。变形后作为残余应力，保留 在金属内部，致使经冷变形后的零件在放置一段时间后，可能自动发生变形甚至开裂。金 属塑性变形后的性能变化是其组织发生变化的结果。多晶体变形时各晶粒沿其变形最大的 方向伸长，在变形程度很大时，则显著伸长，使得晶界过剩相沿主变形方向呈条状分布， 形成热处理也改变不了的纤维组织。晶内变形会使晶粒破碎，形成许多小晶粒，即亚晶粒。 晶间变形则在晶界造成许多破坏。另外，在变形程度很大时，多晶体内各个晶粒的位向会 因滑移面的转向而逐渐趋向一致，形成变形织构。由于变形织构的形成，使轧制后的板料 出现各向异性，即使退火，一般也难以消除。用这种材料经冲压变形得到的制件厚薄不均， 口沿不齐，典型表现是在拉深成形的筒形制件口部形成凸耳(参见图 1.18)。由此可见，金 属塑性变形过程中的这些变化对冲压成形工艺有相当大的影响。 1.4.2 影响塑性及变形抗力的主要因素 1.4.2.1 塑性与变形抗力的概念 1. 塑性 所谓塑性，是指金属材料在外力作用下产生永久变形而其完整性不被破坏的能力。塑 性可用材料在不被破坏条件下能获得的塑性变形的最大值来评定。同一种材料，在不同的 变形条件下，其塑性是不一样的。 影响金属塑性的因素包括两个方面：金属本身的晶格类型﹑化学成分和金相组织等； 变形时的外部条件，如变形温度﹑变形速度以及变形方式等。 2. 变形抗力 变形抗力一般来说反映了金属在外力作用下抵抗塑性变形的能力(参见 1.4.3 节)。 影响变形抗力的因素，也包括金属的内部性质和变形条件(即变形温度﹑变形速度和变 形程度)两个方面。 塑性和变形抗力是两个不同的概念。通常说某种材料的塑性好坏是指受力以后临近破 坏时的变形程度的大小，而不是指变形抗力的大小。如奥氏体不锈钢允许的变形程度大
第1章综论 称为塑性好,但其变形抗力也大,需要较大的外力才能产生塑性变形。由此可见,变形抗 力是从力的角度反映塑性变形的难易程度 1422成分与组织对金属塑性变形的影响 成分与组织对金属塑性变形的影响很大,下面以钢为例来说明。 1.化学成分的影响 在碳钢中,Fe和C是基本元素。在合金钢中,除了Fe和C以外,还包含有Si、M、 Cr、Ni、W等合金元素。此外,在各类钢中还含有一些杂质,如P、S、N、H、O等 (1)碳钢中C和杂质元素的影响 C对碳钢的性能影响最大。C能固溶于Fe,形成铁素体和奥氏体固溶体,它们都具有 良好的塑性。当C的含量超过re的溶C能力时,多余的C便与Fe形成硬而脆的渗碳体, 从而使碳钢的塑性降低,变形抗力提高。含C量愈高,碳钢的塑性愈差。宜于拉深成形的 低碳钢一般含C量为0.05%~0.15% 杂质元素对钢的塑性变形一般都有不利影响,如P溶入铁素体后,使钢的强度、硬度 显著提高,塑性、韧性显著降低,在低温时,造成钢的冷脆性。又如S在钢中几乎不溶解, 而与铁形成脆性的硫化铁,使钢的塑性降低。热加工时,钢的热脆现象也是由S引起的 因此,应对冷冲压材料的杂质含量加以控制。如对于深拉深冷轧薄钢板就应按国家标准 (GB710)加以控制,S的含量不超过0.040%,P的含量控制更严。 2)合金元素对钢的塑性变形的影响 合金元素加入钢中,不仅改变钢的使用性能,而且改变钢的塑性成形性能。主要表现 为:塑性降低,变形抗力提高。这是由于合金元素与钢中的C形成硬而脆的碳化物,使钢 的强度提高,塑性降低。另外,很多元素溶入固溶体(铁素体和奥氏体)中,致使Fe原子的 晶格发生不同程度的畸变,从而使钢的变形抗力提高,塑性降低。 表1.4列出了几种主要元素对08钢冲压性能的影响 表1.4几种主要元素对08钢冲压性能的影响 对冲压性能的影响 增加Fe3C的数量,提高钢板的抗拉强度和屈服强度,降低塑性,使冲压性能恶化,特别是当 FesC出现于晶界时,对冲压性能的不利影响更大 S/溶铁素体中,强化作用很大,增加强度,降低塑性。含量愈低愈好,深拉深钢板不能用Si Mn直接影响不大,和S形成MnS夹杂物,其数量和形态对冲压性能有影响 P|显著地增加强度和脆性,并有偏析倾向,易于形成带状组织,对冲压性能不利 硫化物数量、形态和分布对冲压性能有很大影响,数量多、呈细长条状分布的硫化物对冲压 是镇静钢的最终脱氧剂,可与N形成氮化铝(AN),显著降低钢板的“应变时效”倾向,容易 得到“饼形”铁素体晶粒,改善冲压性能。钢中A的最佳含量为0.03%~0.05% 注:沸腾钢板平整后存放一段时间,拉伸曲线上会重新出现屈服伸长的现象称为应变时效
第 1 章 综论 7 称为塑性好，但其变形抗力也大，需要较大的外力才能产生塑性变形。由此可见，变形抗 力是从力的角度反映塑性变形的难易程度。 1.4.2.2 成分与组织对金属塑性变形的影响 成分与组织对金属塑性变形的影响很大，下面以钢为例来说明。 1. 化学成分的影响 在碳钢中，Fe 和 C 是基本元素。在合金钢中，除了 Fe 和 C 以外，还包含有 Si、Mn、 Cr、Ni、W 等合金元素。此外，在各类钢中还含有一些杂质，如 P﹑S﹑N﹑H﹑O 等。 (1) 碳钢中 C 和杂质元素的影响 C 对碳钢的性能影响最大。C 能固溶于 Fe，形成铁素体和奥氏体固溶体，它们都具有 良好的塑性。当 C 的含量超过 Fe 的溶 C 能力时，多余的 C 便与 Fe 形成硬而脆的渗碳体， 从而使碳钢的塑性降低，变形抗力提高。含 C 量愈高，碳钢的塑性愈差。宜于拉深成形的 低碳钢一般含 C 量为 0.05%~0.15%。 杂质元素对钢的塑性变形一般都有不利影响，如 P 溶入铁素体后，使钢的强度﹑硬度 显著提高，塑性﹑韧性显著降低，在低温时，造成钢的冷脆性。又如 S 在钢中几乎不溶解， 而与铁形成脆性的硫化铁，使钢的塑性降低。热加工时，钢的热脆现象也是由 S 引起的。 因此，应对冷冲压材料的杂质含量加以控制。如对于深拉深冷轧薄钢板就应按国家标准 (GB 710)加以控制，S 的含量不超过 0.040%，P 的含量控制更严。 (2) 合金元素对钢的塑性变形的影响 合金元素加入钢中，不仅改变钢的使用性能，而且改变钢的塑性成形性能。主要表现 为：塑性降低，变形抗力提高。这是由于合金元素与钢中的 C 形成硬而脆的碳化物，使钢 的强度提高，塑性降低。另外，很多元素溶入固溶体(铁素体和奥氏体)中，致使 Fe 原子的 晶格发生不同程度的畸变，从而使钢的变形抗力提高，塑性降低。 表 1.4 列出了几种主要元素对 08 钢冲压性能的影响。 表 1.4 几种主要元素对 08 钢冲压性能的影响 元素 对冲压性能的影响 C 增加 Fe3C 的数量，提高钢板的抗拉强度和屈服强度，降低塑性，使冲压性能恶化，特别是当 Fe3C 出现于晶界时，对冲压性能的不利影响更大 Si 溶于铁素体中，强化作用很大，增加强度，降低塑性。含量愈低愈好，深拉深钢板不能用 Si 脱氧 Mn 直接影响不大，和 S 形成 MnS 夹杂物，其数量和形态对冲压性能有影响 P 显著地增加强度和脆性，并有偏析倾向，易于形成带状组织，对冲压性能不利 S 硫化物数量、形态和分布对冲压性能有很大影响，数量多、呈细长条状分布的硫化物对冲压 不利 Al 是镇静钢的最终脱氧剂，可与 N 形成氮化铝(AlN)，显著降低钢板的“应变时效”倾向，容易 得到“饼形”铁素体晶粒，改善冲压性能。钢中 Al 的最佳含量为 0.03%~0.05% 注：沸腾钢板平整后存放一段时间，拉伸曲线上会重新出现屈服伸长的现象称为应变时效
中压工艺与模具设计 2.组织的影响 金属材料的组织状态和其化学成分有密切关系,但这不是完全由化学成分所决定,它 还和制造工艺(如冶炼、浇铸、锻轧、热处理)有关。由于以上原因,金属材料的组织很不 相同,除了基体金属的晶体结构存在不同以外,还有晶粒的大小以及单相组织和多相组织 的差别等。这些组织上的差异对材料的塑性和变形抗力的影响也不能忽视 如前所述,基体为面心立方晶格(A、Cu、y-Fe、Ni)塑性最好;体心立方晶格(a-Fe W、Mo)塑性次之;密排六方晶格(Mg、Zn、Cd、∝T塑性较差。 另外,晶粒的细化有利于提高金属的塑性,但也使其变形抗力提高。从冲压成形角度 来看,晶粒度过小和过大都不利,等轴的或饼状的6级晶粒度比较理想 单相组织要比多相组织塑性好,变形抗力小。这是由于合金为多相组织时,各相性能 往往存在很大差别,使变形不均匀,塑性降低。若硬而脆的第二相呈网状分布于塑性相的 晶界上,则整体塑性大大下降。若硬而脆的第二相呈弥散质点均匀分布于基体相晶粒内 则阻碍晶内滑移变形,显著提高变形能力 142.3变形温度对金属塑性变形的影响 变形温度对金属的塑性变形有很大影响。就大多数金属而言,其总的趋势是:随着温 度的升高,塑性增加,变形抗力降低。其主要原因如下 (1)随着温度的升高,发生了回复与再结晶。回复使变形金属得到一定程度的软化, 再结晶则完全消除了加工硬化效应,使金属的塑性显著提高,变形抗力显著降低 (2)温度升高,临界剪应力降低,滑移系增加。由于温度升高,原子的热运动加强, 原子间的结合力变弱,使临界剪应力降低。同时,在高温时还可能出现新的滑移系。多晶 体滑移系的增加,大大提高了金属的塑性 (3)新的塑性变形方式——热塑性的产生。温度升高时,原子的热运动加剧,晶格中 的原子处于一种不稳定的状态。此时,若晶体受到外力的作用,原子就会沿着应力梯度方 向,由一个平衡位置转移到另一个平衡位置(并不是沿着一定的晶面和晶向),使金属产生 塑性变形,这种塑性变形方式称为热塑性。热塑性不同于滑移和孪生,它是金属在高温下 塑性变形时新増加的一种变形方式,因而降低了变形抗力,增加了塑性。温度愈高,热塑 性愈大。但温度低于回复温度时,热塑性的作用不显著 (4)温度升高导致晶界的切变抗力显著降低,晶界易于滑动:又由于扩散作用的加强, 及时消除了晶界滑动所引起的微裂纹。这一切使得金属在高温下具有良好的塑性和低的变 形抗力。 在板料成形中,必要时可对板料加热,增加变形程度,降低变形抗力,提高制件的成 形准确度。但往往对制件表面造成不利影响。 值得指出的是,金属加热软化的趋势并不是绝对的。在加热过程的某些温度区间,往 往由于过剩相的析出或相变等原因出现脆性区,使金属的塑性降低和变形抗力增加。如碳 钢加热到200400℃之间时,因为时效作用(夹杂物以沉淀的形式在晶界滑移面上析出)使塑 性降低,变形抗力増加,这个温度范围称为蓝脆区。这时钢的性能变坏,易于脆断,断口 呈蓝色。在800~950℃范围内,又会出现热脆,使塑性降低。因此,选择变形温度时,碳 钢应避开蓝脆区和热脆区
8 冲压工艺与模具设计 2. 组织的影响 金属材料的组织状态和其化学成分有密切关系，但这不是完全由化学成分所决定，它 还和制造工艺(如冶炼﹑浇铸﹑锻轧﹑热处理)有关。由于以上原因，金属材料的组织很不 相同，除了基体金属的晶体结构存在不同以外，还有晶粒的大小以及单相组织和多相组织 的差别等。这些组织上的差异对材料的塑性和变形抗力的影响也不能忽视。 如前所述，基体为面心立方晶格(Al、Cu、γ-Fe、Ni)塑性最好；体心立方晶格(α-Fe、 Cr、W、Mo)塑性次之；密排六方晶格(Mg、Zn、Cd、α-Ti)塑性较差。 另外，晶粒的细化有利于提高金属的塑性，但也使其变形抗力提高。从冲压成形角度 来看，晶粒度过小和过大都不利，等轴的或饼状的 6 级晶粒度比较理想。 单相组织要比多相组织塑性好，变形抗力小。这是由于合金为多相组织时，各相性能 往往存在很大差别，使变形不均匀，塑性降低。若硬而脆的第二相呈网状分布于塑性相的 晶界上，则整体塑性大大下降。若硬而脆的第二相呈弥散质点均匀分布于基体相晶粒内， 则阻碍晶内滑移变形，显著提高变形能力。 1.4.2.3 变形温度对金属塑性变形的影响 变形温度对金属的塑性变形有很大影响。就大多数金属而言，其总的趋势是：随着温 度的升高，塑性增加，变形抗力降低。其主要原因如下。 (1) 随着温度的升高，发生了回复与再结晶。回复使变形金属得到一定程度的软化， 再结晶则完全消除了加工硬化效应，使金属的塑性显著提高，变形抗力显著降低。 (2) 温度升高，临界剪应力降低，滑移系增加。由于温度升高，原子的热运动加强， 原子间的结合力变弱，使临界剪应力降低。同时，在高温时还可能出现新的滑移系。多晶 体滑移系的增加，大大提高了金属的塑性。 (3) 新的塑性变形方式——热塑性的产生。温度升高时，原子的热运动加剧，晶格中 的原子处于一种不稳定的状态。此时，若晶体受到外力的作用，原子就会沿着应力梯度方 向，由一个平衡位置转移到另一个平衡位置(并不是沿着一定的晶面和晶向)，使金属产生 塑性变形，这种塑性变形方式称为热塑性。热塑性不同于滑移和孪生，它是金属在高温下 塑性变形时新增加的一种变形方式，因而降低了变形抗力，增加了塑性。温度愈高，热塑 性愈大。但温度低于回复温度时，热塑性的作用不显著。 (4) 温度升高导致晶界的切变抗力显著降低，晶界易于滑动；又由于扩散作用的加强， 及时消除了晶界滑动所引起的微裂纹。这一切使得金属在高温下具有良好的塑性和低的变 形抗力。 在板料成形中，必要时可对板料加热，增加变形程度，降低变形抗力，提高制件的成 形准确度。但往往对制件表面造成不利影响。 值得指出的是，金属加热软化的趋势并不是绝对的。在加热过程的某些温度区间，往 往由于过剩相的析出或相变等原因出现脆性区，使金属的塑性降低和变形抗力增加。如碳 钢加热到 200~400℃之间时，因为时效作用(夹杂物以沉淀的形式在晶界滑移面上析出)使塑 性降低，变形抗力增加，这个温度范围称为蓝脆区。这时钢的性能变坏，易于脆断，断口 呈蓝色。在 800~950℃范围内，又会出现热脆，使塑性降低。因此，选择变形温度时，碳 钢应避开蓝脆区和热脆区
第1章综论 总之,为了提高材料的变形程度,减小变形力,在决定变形温度时,必须根据材料的 温度一力学性能曲线合理选用,充分考虑加热对材料产生的不利影响(如晶间腐蚀、氢脆、 氧化、脱碳等),避免盲目性 1424变形速度对金属塑性变形的影响 所谓变形速度是指单位时间内应变的变化量,金属的变形速度在很大程度上是随塑性 成形设备的加载速度变化的。变形速度对塑性变形的影响是多方面的 方面,在高速情况下,要同时驱使更多的位错更快地运动,使金属晶体的临界剪应 力升高,变形抗力增加;同时,由于多晶体的塑性变形机理复杂,塑性变形的扩展,需要 定的时间,难以在瞬间完成,这也使得金属的变形抗力增加,塑性降低。另一方面,由 于变形速度大,变形体吸收的变形能迅即转化为热能,使变形体温度升高,这种温度效应 般来说有使金属软化的效果。这两方面的影响在高速变形条件下,又随金属的种类和变 形温度的不同有所变化,情况十分复杂,需要具体问题具体分析。 目前,常规冲压使用的压力机工作速度较低,对金属塑性变形性能的影响不大,而考 虑速度因素,主要基于零件的尺寸和形状。对于小零件的冲压工序,可不必考虑速度因素; 对于大型复杂零件的成形,宜用低速。因为大尺寸复杂零件成形时,各部分的变形极不均 匀,易于局部拉裂和起皱,为了便于塑性变形的扩展,有利于金属的流动,以采用低速压 力机或液压机为宜。 另外,对于不锈钢、耐热合金、钛合金等对变形速度比较敏感的材料,也宜低速成形, 加载速度可控制在0.25m/s以下。 142.5应力应变状态及其对金属塑性变形的影响 塑性变形时的应力应变状态 冲压成形时,外力通过模具作用于板料毛坯,使之产生塑性变形,同时在毛坯内部引 起反抗变形的内力。在一般情况下,毛坯变形区内各处的应力和应变都不尽相同。为了了 解毛坯的变形规律,就必须研究坯料内各点的应力状态和应变状态以及它们之间的关系 (1)点的应力状态 模具对材料施加的外力引起材料内产生内力,一极小面积上的内力DF与内力作用面 积DA比值的极限称为全应力S de dF o da d 全应力S可以分解成两个分量,垂直于作用面的叫做正应力,用a表示;平行于作用 面的叫做剪应力,用τ表示。 坯料内每一点上的受力情况,通常称为点的应力状态。一点的应力状态是通过在该点 周围截取的微小六面体—单元体上各个互相垂直面上的应力来表示的,一般可沿坐标方 向将这些应力分解成9个应力分量,即3个正应力和6个剪应力(图1.2(a)。但是,由于其 中3对剪应力是相等的(r r1=r,r=r),实际上只需要6个应力分量,即3个 正应力和3个剪应力,就可以确定该点的应力状态 必须指出的是,图12(a)中的坐标系x,y,z的方向是任意的,如果坐标系选取的方向
第 1 章 综论 9 总之，为了提高材料的变形程度，减小变形力，在决定变形温度时，必须根据材料的 温度—力学性能曲线合理选用，充分考虑加热对材料产生的不利影响(如晶间腐蚀、氢脆、 氧化、脱碳等)，避免盲目性。 1.4.2.4 变形速度对金属塑性变形的影响 所谓变形速度是指单位时间内应变的变化量，金属的变形速度在很大程度上是随塑性 成形设备的加载速度变化的。变形速度对塑性变形的影响是多方面的。 一方面，在高速情况下，要同时驱使更多的位错更快地运动，使金属晶体的临界剪应 力升高，变形抗力增加；同时，由于多晶体的塑性变形机理复杂，塑性变形的扩展，需要 一定的时间，难以在瞬间完成，这也使得金属的变形抗力增加，塑性降低。另一方面，由 于变形速度大，变形体吸收的变形能迅即转化为热能，使变形体温度升高，这种温度效应 一般来说有使金属软化的效果。这两方面的影响在高速变形条件下，又随金属的种类和变 形温度的不同有所变化，情况十分复杂，需要具体问题具体分析。 目前，常规冲压使用的压力机工作速度较低，对金属塑性变形性能的影响不大，而考 虑速度因素，主要基于零件的尺寸和形状。对于小零件的冲压工序，可不必考虑速度因素； 对于大型复杂零件的成形，宜用低速。因为大尺寸复杂零件成形时，各部分的变形极不均 匀，易于局部拉裂和起皱，为了便于塑性变形的扩展，有利于金属的流动，以采用低速压 力机或液压机为宜。 另外，对于不锈钢、耐热合金、钛合金等对变形速度比较敏感的材料，也宜低速成形， 加载速度可控制在 0.25m/s 以下。 1.4.2.5 应力应变状态及其对金属塑性变形的影响 1. 塑性变形时的应力应变状态 冲压成形时，外力通过模具作用于板料毛坯，使之产生塑性变形，同时在毛坯内部引 起反抗变形的内力。在一般情况下，毛坯变形区内各处的应力和应变都不尽相同。为了了 解毛坯的变形规律，就必须研究坯料内各点的应力状态和应变状态以及它们之间的关系。 (1) 点的应力状态 模具对材料施加的外力引起材料内产生内力，一极小面积上的内力 D F 与内力作用面 积 D A 比值的极限称为全应力 S S 0 d lim F d F F D ? A A D = = D 全应力 S 可以分解成两个分量，垂直于作用面的叫做正应力，用 表示；平行于作用 面的叫做剪应力，用 表示。 坯料内每一点上的受力情况，通常称为点的应力状态。一点的应力状态是通过在该点 周围截取的微小六面体——单元体上各个互相垂直面上的应力来表示的，一般可沿坐标方 向将这些应力分解成 9 个应力分量，即 3 个正应力和 6 个剪应力(图 1.2(a))。但是，由于其 中 3 对剪应力是相等的( xy = yx ， yz = zy ， zx = xz )，实际上只需要 6 个应力分量，即 3 个 正应力和 3 个剪应力，就可以确定该点的应力状态。 必须指出的是，图 1.2(a)中的坐标系 x，y，z 的方向是任意的，如果坐标系选取的方向
中压工艺与模具设计 不同,那么,虽然该点的应力状态没有改变,但是用来表示该点应力状态的9个应力分量 就会与原来的数值不同。不过,这些属于不同坐标系的应力量之间是可以用一定的线性关 系来换算的。这种关系符合数学上张量的特性,所以点的应力状态可以用张量表示,叫做应 力张量 (a)任意坐标系 b)主轴坐标系 图1.2点的应力状态 对任何一种应力状态来说,总存在这样一组坐标系,使得单元体表面上只出现正应力, 而没有剪应力(图1.2(b)。这时,3个坐标轴称为主轴,3个坐标轴的方向就叫做主方向,3 个正应力叫做主应力,一般按其代数值大小依次用a1,a2和a3表示,即a1≥2≥a3。带 正号的为拉应力,带负号的为压应力。3个主应力的作用面称为主平面。实际上,主方向 的确定可通过对变形过程的分析近似确定或通过试验确定。以主应力表示应力状态,可以 大大简化分析、运算工作。 以主应力表示点的应力状态称为主应力状态。表示主应力个数及其符号的简图,称为 主应力状态简图,简称主应力图。可能出现的主应力图共有9种,其中两种单向的,3种 双向的,4种三向的,如图1.3所示。用主应力图可以帮助人们定性分析各种应力状态下塑 性的高低。图1.3自左至右,材料的塑性由好变坏,其中第二行与第一行同列的效果相当 图1.39种主应力图 在一般情况下,单元体的3个主方向都有应力,这种应力状态称为三向应力状态。如 果3个主应力大小都相等(G1=02=03),则称为球应力状态。这种应力状态不可能产生剪应 力,故所有方向都可看作是主方向,而且所有方向的主应力都相等。液体中微小物体所处 的就是这样一种应力状态(三向等压),所以,习惯上常将三向等压应力称为静水压力。 单元体上3个正应力的平均值称为平均应力,用a。表示。平均应力的大小取决于该点 的应力状态,而与坐标轴的选取无关,即 n=(0x+o,+a:)=(1+2+3) 很显然,当点的应力状态确定时,σ是个不变量 任何一种应力状态都可以看成是由2种应力状态叠加而成的,如图14所示。一种是 各应力分量大小等于平均应力σn的球应力状态,称为应力球张量;另一种称为应力偏张量
10 冲压工艺与模具设计 不同，那么，虽然该点的应力状态没有改变，但是用来表示该点应力状态的 9 个应力分量 就会与原来的数值不同。不过，这些属于不同坐标系的应力量之间是可以用一定的线性关 系来换算的。这种关系符合数学上张量的特性，所以点的应力状态可以用张量表示，叫做应 力张量。 图 1.2 点的应力状态 对任何一种应力状态来说，总存在这样一组坐标系，使得单元体表面上只出现正应力， 而没有剪应力(图 1.2(b))。这时，3 个坐标轴称为主轴，3 个坐标轴的方向就叫做主方向，3 个正应力叫做主应力，一般按其代数值大小依次用 1 ， 2 和 3 表示，即 1 ≥ 2 ≥ 3 。带 正号的为拉应力，带负号的为压应力。3 个主应力的作用面称为主平面。实际上，主方向 的确定可通过对变形过程的分析近似确定或通过试验确定。以主应力表示应力状态，可以 大大简化分析、运算工作。 以主应力表示点的应力状态称为主应力状态。表示主应力个数及其符号的简图，称为 主应力状态简图，简称主应力图。可能出现的主应力图共有 9 种，其中两种单向的，3 种 双向的，4 种三向的，如图 1.3 所示。用主应力图可以帮助人们定性分析各种应力状态下塑 性的高低。图 1.3 自左至右，材料的塑性由好变坏，其中第二行与第一行同列的效果相当。 图 1.3 9 种主应力图 在一般情况下，单元体的 3 个主方向都有应力，这种应力状态称为三向应力状态。如 果 3 个主应力大小都相等( 1 = 2 = 3 )，则称为球应力状态。这种应力状态不可能产生剪应 力，故所有方向都可看作是主方向，而且所有方向的主应力都相等。液体中微小物体所处 的就是这样一种应力状态(三向等压)，所以，习惯上常将三向等压应力称为静水压力。 单元体上 3 个正应力的平均值称为平均应力，用 m 表示。平均应力的大小取决于该点 的应力状态，而与坐标轴的选取无关，即 m = 1 3 ( x + y + z )= 1 3 ( 1 + 2 + 3 ) 很显然，当点的应力状态确定时， m 是个不变量。 任何一种应力状态都可以看成是由 2 种应力状态叠加而成的，如图 1.4 所示。一种是 各应力分量大小等于平均应力 m 的球应力状态，称为应力球张量；另一种称为应力偏张量