金属塑性成形原理.doc

n 掌握金属塑性变形的物理基础，即掌握影响金属性能的主要因素及原理，掌握金属性能主要指标的测试方法；
n 掌握金属塑性力学的基础知识，即掌握金属塑性变形体内的应力场、应变场、应力－应变之间关系、塑性变形时的力学条件等塑性理论基础知识。掌握塑性成形问题的几种主要解法（包括解析和数值解法）；
n 掌握金属塑性成形时的金属流动规律和变形特点，分析金属的基本成形工艺，以便确定合理的坏料尺寸和成形工序；
n 掌握对成形质量进行定性分析及提高成形质量的方法。

金属塑性成形的特点
n 加工后组织性能得到改善和提高，经塑性成形，使其结构致密，组织改善
n 材料利用率高 ，主要依靠金属在塑性状态下的体积转移来实现
n 生产率高，如高速冲，400-1000次/每钟
n 精度高，精密塑性成形

一般将金属塑性成形分为块料成形（又称体积成形）和板料成形两大类，每类又包括多种加工方法，形成各自的工艺领域。

块料加工
n 轧制：型材、板材、管材
n 挤压：型材、管材或零件
n 拉拔：棒材、管材和线材
n 自由锻：结构件
n 模锻：结构件
板料成形一般称为冲压。它是对厚度较小的板料，利用专门的模具，使金属板料通过一定模孔而产生塑性变形，从而获得所需零件。
一、金属塑性成形原理

（一）金属的塑性变形

1.金属的塑性变形的分类
① 弹性变形：
材料在外力作用下会产生变形；当外力消失后，所产 生的应力和变形也消失的变形，称为弹性变形。
② 塑性变形
当外载荷在材料内部所产生的内应力超过了材料的
屈服强度以后，即使去掉外载荷，变形也不能完全消失
的变形称为塑性变形。
2. 金属的塑性变形
在金属塑性变形过程中，金属的晶粒内部产生了滑移，晶粒间也产生了滑移并转动（多晶体的晶间变形）。
（1） 单晶体金属——刚性滑移
（2）多晶体金属——位错运动
（二）冷变形对金属组织和性能的影响

1.产生冷变形强化现象
冷变形时，随着变形程度的增加，产生金属的强度、硬度升高，塑性、冲击韧性下降的现象。
2.产生残余应力
加工硬化对金属组织性能的影响：

① 压力加工中，加工硬化增大了材料继续变形的阻力。
常在冷轧、冷拉等一些变形程度较大的冷变形工序中，穿插再结晶退火工序，以消除加工硬化。
② 通过加工硬化可以提高金属强度、硬度和耐磨性。
如冷拉钢丝，冷卷弹簧，坦克和拖拉机履带，破碎机的颚板，发电机的护环等零件的制造均利用了加工硬化效应来提高零件的性能。
③ 加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发地回复到稳定状态的倾向。
（三）冷变形金属在加热时组织和性能的变化

1. 低温加热
（1）回复
随着温度的升高，已产生加工硬化的金属其晶格的扭曲程度减小，但金属组织还没有显著变化的现象。

T回=（0.25～0.3）T熔（ K）
T回----金属的绝对回复温度, K

T熔----金属的绝对熔化温度, K
（2）回复的应用
经冷拉的钢丝卷成弹簧后的低温回火（加热到250～300℃）,青铜丝弹簧加工后的回火处理(加热到120～125℃)
2.高温加热——再结晶
随着温度的进一步升高，已发生回复的金属开始以某些碎晶或杂质为核心形成新的晶粒，从而消除了加工硬化的现象。

T再=0.4T熔（ K）
T再----金属的绝对再结晶温度, K
再结晶的应用：
金属的再结晶退火温度比其再结晶温度高100～200℃。
3．冷变形、热变形和温热变形
1）冷变形
在再结晶温度以下的变形。
对金属冷变形将产生加工硬化现象。
冷变形的特点及应用：
① 冷变形时金属的塑性低，变形抗力大；
② 热压力加工能一次成形的，采用冷压力加工就可能要加压
多次，在中间还需进行多次再结晶退火；设备也要求刚性 好， 吨位大；
③ 冷变形后的产品精度高，表面光洁，常用于已热变形过的
坯料的再加工，如冷轧、冷冲压、冷镦及冷拉等。
2）热变形
指在再结晶温度以上的变形。

在热变形中既产生加工硬化，又有再结晶现象，最终结果是加工硬化现象被再结晶所消除。
3）温热变形
介于冷变形和热变形之间的塑性变形。
温热变形中既有加工硬化，又有回复或再结晶现象；用温热变形得到的工件，其强度和尺寸精度比热变形高，而变形抗力比冷变形低。如温热挤压、半热锻等。

说明：铅、锡在室温下的加工属于热变形；钨的再结晶温度为1210℃，即使在1000℃的高温下进行的加工也属于冷变形。
（四）热变形对金属组织和性能的影响

1.热变形对金属组织的影响
（1）消除铸态组织
金属经过塑性变形及再结晶，粗大的铸造组织变成了细小的再结晶组织，钢锭中的气孔、缩松等缺陷压合在一起，使金属更致密。
（2）破碎并改善碳化物、非金属夹杂物的分布
（3）形成纤维组织
钢锭中分布在晶界上的杂质，在金属变形时，塑性杂质（如FeS等）沿晶粒变形方向伸长，呈带状分布；而脆性杂质（如氧化物等）则被击碎，呈链状分布。再结晶时，晶粒的形状改变，而杂质依然沿被拉长的方向（呈流线状）保留下来，形成纤维组织。

金属的变形程度越大，纤维组织越明显。变形程度用锻造比Y锻来表示。
2.热变形对金属性能的影响
① 热变形时金属的塑性良好，变形抗力也小，能获得具有较高力学性能的再结晶组织；
② 变形抗力小，消耗较小的功可得到较大的变形；
③ 能改善金属的组织，提高其力学性能；
二、 常用金属的锻造性能
是衡量金属材料在压力加工中成形难易程度的工艺性能指标，包括金属的塑性和变形抗力两个指标。
① 金属的塑性：
断面收缩率y 、延伸率d
② 变形抗力：
塑性变形时金属反作用于工具上的力。
1.影响金属的锻造性能的因素：

（1）金属的本质
① 金属的化学成分：
纯金属的可锻性比合金好，低碳钢的可锻性又比高碳钢好；钢中含有形成碳化物的元素（如钨、钼、钒等），则可锻性明显下降。
② 合金的组织：
固溶体（如奥氏体）的可锻性好，碳化物（如渗碳体）不能锻。
③ 晶界强度：
晶界上存在低熔点、低强度、高脆性的物质，将使塑性大为降低。
④ 晶粒大小：
晶粒越细，金属的总变形量可增大，塑性也越好，但变形抗力会增加；铸造组织的可锻性较差。
（2）变形温度
适当提高变形温度，可增大材料的塑性，降低变形抗力； 但温度过高，会产生“过热”和“过烧”，材料塑性显著下降，易脆裂。
变形速度是指单位时间内的变形程度。
（3）变形速度
① 随着变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服硬化现象，金属的塑性下降，变形抗力增加；\
② 随着变形的进一步增加，金属的温升（热效应）使可锻性得到改善，变形速度越大越明显。
（4）应力状态
① 拉应力的数目越多，塑性越差，压应力的数目越多，塑性
越好。
② 同号应力状态下的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗
力。
应力状态对各种压力加工方法的影响
① 金属在挤压、模锻时三向受压，表现出较高的塑性和较大的
变形抗力，且三向压应力相差越小，变形抗力越大；适合于
塑性较低的金属的压力加工；
② 金属在拉拔时两向受压，一向受拉，表现出较低的塑性和较
小的变形抗力；适合于塑性高的金属的压力加工；
3．超塑性变形的特点
① 没有加工硬化，变形抗力很低
② 材料塑性大为提高
③ 工件内部为均匀的细晶组织，机械性能好，没有各向异性
④ 加工精度高
4．超塑性变形的应用
超塑性成形已用于板料深冲、模锻和挤压等工艺上。
在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力称为塑性。
金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成形并获得一定力学性能的加工方法称为

塑性成形，也称塑性加工或压力加工。
金属塑性成形的特点：
（1） 组织、性能好 （2）材料利用率高。
（3）尺寸精度高。 （4）生产效率高，适于大批量的生产
塑性是指金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力，它是金属的一种重要的加工性能。 为了衡量金属材料塑性的好坏，需要有一种数量上的指标，称为塑性指标。塑性指标是以材料开始破坏时的塑性变形量来表示，它可以借助于各种实验方法来测定。1) 拉伸试验 2）压缩试验 3）扭转试验
从能量的观点看，塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分转化为热能，这种现象称为热效应。塑性变形热能，除一部分散失到周围介质中，其余的使变形体温度升高，这种由于塑性变形过程中所产生的热量而使变形体温度升高，这种由于塑性变形过程中所产生的热量而使变形体温度升高的现象，称为温度效应。
应力状态对塑性的影响去实际作用的是其应力球张量部分，它反映了质点三向均等受压（或受拉）的程度。 应力球张量的每个分量称为平均应力或静水应力，它的负值称为静水压力。这样，应力状态对塑性的影响就最终归结为其静水压力对塑性的影响。当静水压力越大，也即在主应力状态下压应力个数越多、数值越大时，金属的塑性就越好；反之，如拉应力个数越多、数值越大 ，即静水压力越小时，则金属的塑性越差。
静水压力越大金属的塑性会越高 1) 拉伸应力会促进晶间变形、加速晶界的破坏；而压缩应力能阻止或减少晶间变形，随着静水压力的增大，晶间变形越加困难，因而提高了金属的塑性。 2) 三向压缩应力有利于愈合塑性变形过程中产生的各种损伤；而拉应力则相反，它促使损伤的发展。 3) 当变形体内原先存在着少量对塑性不利的杂质、液态相或组织缺陷时，三向压缩作用能抑制这些缺陷，全部或部分地消除其危害；反之，在拉应力作用下，将在这些地方产生应力集中，促进金属的破坏。 4) 增大静水压力能抵消由于不均匀变形引起的附加拉应力，从而减轻了附加拉应力所造成的拉裂作用。
应变状态对金属的塑性亦有一定的影响。一般认为，压缩应变有利于塑性的发挥，而拉伸应变则对塑性不利。 因此，在三种主应变状态图中，两向压缩一向拉伸为最好，一向压缩一向拉伸为次之，而一向压缩两向拉伸的为最差。这是因为金属（特别是铸锭）中不可避免地存在着气孔、夹杂物等缺陷，这些缺陷在一向拉伸、两向拉伸应变条件下，有可能向两个方向扩展而变为面缺陷；反之，在两向压缩一向拉伸应变条件下，则可收缩成线缺陷，其对塑性的危害性减小。三向压缩主应力图和两向压缩一向拉伸主应变图的塑性加工方法，最有利于发挥金属的塑性。挤压或反压力挤压、闭式模锻等即属于此。