金屬塑性變形

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第三篇金屬塑性加工

1金屬塑性加工定義：利用金屬的塑性，使其改變形狀、尺寸和改善性能，獲得型材、棒材、板材、線材或鍛壓件的加工方法。塑性加工包括鍛造、沖壓、擠壓、軋制、拉拔等。大多數(shù)金屬及其合金都具有一定的塑性,均可以在熱態(tài)或冷態(tài)下進行塑性加工。

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3金屬塑性加工用途：常用的金屬型材、板材、管材和線材等原材料，大都是通過軋制、擠壓、拉拔等方法制成；機械制造的許多毛坯或零件，特別是承受重載荷的機件，如機床主軸、重要齒輪、連桿、炮管和槍管等，通常采用鍛造方法成形；沖壓廣泛用于汽車、電器、儀表零件及日用品工業(yè)等方面。

4金屬塑性加工塑性成形加工的特點：改善金屬的組織，提高金屬的力學性能；節(jié)約材料和切削加工工時，提高金屬材料的利用率和經(jīng)濟效益；具有較高的勞動生產(chǎn)率；適應性廣；鍛件的結構工藝性要求較高，內(nèi)腔復雜零件難以鍛造；鍛造毛坯的尺寸精度不高，一般需切削加工；

5為了正確選用塑性加工方法，合理設計塑性加工成形的零件，必須了解金屬塑性變形的實質(zhì)、規(guī)律和影響因素等，主要內(nèi)容包括：第一節(jié)金屬塑性變形的實質(zhì)第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響第三節(jié)金屬的可鍛性第一章金屬的塑性變形

6第一節(jié)金屬塑性變形的實質(zhì)塑性變形：當外力增大到使金屬的內(nèi)應力超過該金屬的屈服點，即使外力取消，金屬的變形也不完全恢復，而產(chǎn)生的永久變形。單晶體內(nèi)的滑移變形如圖所示：

7上述圖示所描述的滑移運動，相當于滑移面上、下兩部分晶體彼此以剛性整體作相對運動。要實現(xiàn)這種滑移所需的外力（計算值或理論值）比實際測得的數(shù)據(jù)大幾千倍。說明實際晶體結構及其塑性變形并不完全如此！第一節(jié)金屬塑性變形的實質(zhì)

8位錯運動論：近代物理學證明，實際晶體內(nèi)部存在大量缺陷。其中，以位錯對金屬塑性變形的影響最為明顯；位錯的存在致使部分原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，處于高能位的原子很容易從一個相對平衡的位置移動到另一個位置，形成位錯運動。位錯運動的結果實現(xiàn)了整個晶體的塑性變形。第一節(jié)金屬塑性變形的實質(zhì)

9位錯運動引起塑性變形示意圖：第一節(jié)金屬塑性變形的實質(zhì)

10金屬的塑性變形：多晶體是由大量的大小、形狀、晶格排列位向各不相同的晶粒所組成，故它的塑性變形很復雜，可分為晶內(nèi)變形和晶間變形。（晶內(nèi)變形：晶粒內(nèi)部塑性變形；晶間變形：晶粒間相互移動或轉(zhuǎn)動。）第一節(jié)金屬塑性變形的實質(zhì)圖3-1多晶體塑性變形示意圖

11彈復：當外力去除，彈性變形將恢復，稱為“彈復”現(xiàn)象。彈復現(xiàn)象對有些塑性加工件的變形和工件質(zhì)量有很大影響，必須采取工藝措施來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。第一節(jié)金屬塑性變形的實質(zhì)

12金屬在常溫下經(jīng)過塑性變形后，內(nèi)部組織將發(fā)生如下變化：晶粒沿最大變形的方向伸長；晶格與晶粒均發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應力；晶粒間產(chǎn)生碎晶金屬塑性變形時，在不同的溫度下，對金屬組織和性能產(chǎn)生不同的影響。主要討論加工硬化、回復和再結晶。第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響

131、冷變形強化（加工硬化）指金屬在低溫下進行塑性變形時，金屬的強度和硬度有所升高，塑性和韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為冷變形強化或加工硬化。第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-2常溫下塑性變形對低碳鋼力學性能的影響

14冷變形強化的原因：滑移面上的碎晶塊和附近晶格的強烈扭曲，增大了滑移阻力，使繼續(xù)滑移難于進行所致。冷變形強化的利用：冷變形強化是工業(yè)生產(chǎn)中強化金屬材料的一種重要手段，采用冷軋、冷拔和冷擠來提高低碳鋼、純銅、防銹鋁等制品的強度和硬度。但在塑性加工中，冷變形強化使塑性變形困難，應加以消除。常采用加熱的方法使金屬發(fā)生再結晶，從而獲得良好的塑性。這種工藝操作稱為再結晶退火。第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響

152、回復冷變形強化是一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，加熱至一定溫度后，原子的活動能力增強，使原子回復到平衡位置，晶內(nèi)殘余應力大大減小，這種現(xiàn)象稱為回復。金屬回復示意圖如下圖所示：第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-3金屬回復示意圖溫度升高

16第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響回復溫度：由圖可見：回復不改變晶粒的形狀及方向性，也不能使晶粒內(nèi)部的破壞現(xiàn)象及晶界間物質(zhì)的破壞現(xiàn)象得到恢復，只是逐漸消除晶格的扭曲程度。力學性能變化不大，強度稍降低，塑性稍提高。式中T回---金屬的絕對回復溫度；T熔---金屬的絕對熔化溫度；

173、再結晶當溫度升高至熔點的0.4倍時，原子獲得更多的熱能，使被拉長了的晶粒重新生核、結晶，變?yōu)榕c變形前晶格結構相同的新等軸晶粒，這一過程稱為再結晶。金屬再結晶示意圖如下圖所示：第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-4金屬再結晶示意圖溫度升高溫度繼續(xù)升高

18第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響再結晶溫度：由圖可見：再結晶可以完全消除塑性變形所引起的冷變形強化現(xiàn)象，并使晶粒細化，改善力學性能。式中T再---金屬再結晶溫度。

194、冷變形概念：指金屬在其再結晶溫度以下進行塑性變形過程。如冷沖壓、冷彎、冷擠、冷鐓、冷軋和冷拔等，能獲得較高的強度、硬度及低粗糙度值。這種變形過程中無再結晶現(xiàn)象，具有冷變形強化現(xiàn)象，因此變形程度一般不宜過大，以避免產(chǎn)生破裂。在生產(chǎn)中常用來提高產(chǎn)品的性能。第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響

205、熱變形概念：指金屬在其再結晶溫度以上進行的塑性變形過程。如鍛造、熱擠和熱軋等，金屬塑性加工多采用熱變形來進行。這種變形過程中具有再結晶現(xiàn)象，無冷變形強化現(xiàn)象，因此才能用較小的功實現(xiàn)較大的變形。同時獲得具有力學性能高的細晶粒再結晶組織。第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響

21熱變形在生產(chǎn)中常用來改變產(chǎn)品的形狀、提高產(chǎn)品的性能：金屬塑性加工生產(chǎn)采用的最初坯料是鑄件，其內(nèi)部組織很不均勻，晶粒較粗大，并存在氣孔、縮松、雜質(zhì)等缺陷。經(jīng)過熱變形加工后獲得細化的再結晶組織。第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響熱變形加工圖3-5鑄錠熱變形前后的組織

226、纖維組織概念：從上圖可以看出，鑄錠在塑性加工中產(chǎn)生塑性變形時，基體金屬的晶粒和沿晶界分布的雜質(zhì)沿變形方向被拉長，呈纖維狀，這種結構稱為纖維組織。纖維組織在性能上具有方向性：在縱向(平行纖維方向)上塑性和韌性較高；在橫向(垂直纖維方向)上塑性和韌性較低。第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響

23纖維組織的穩(wěn)定性很高，不能用熱處理方法加以消除，只有經(jīng)過塑性加工才能改變其方向和形狀。因此，在設計和制造零件時，盡量滿足：最大正應力方向與纖維方向重合；最大切應力方向與纖維方向垂直；纖維分布與零件的輪廓相符合，盡量使纖維組織不被切斷。第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響

24例如，制造螺釘時：采用切削加工：螺釘頭部與桿部的纖維被切斷,受力時產(chǎn)生的切應力順著纖維方向，故螺釘?shù)某休d能力較弱。2)采用局部鐓粗工藝：纖維不被切斷，連貫性好，纖維方向也較為有利，故螺釘質(zhì)量較好。第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響

257、鍛造比塑性加工過程中，常用鍛造比表示變形程度：第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響式中：H0、F0、L0—坯料變形前的高度、橫截面積和長度。H、F、L—坯料變形后的高度、橫截面積和長度。

26鍛造比對金屬的組織和性能的影響：增加鍛造比，可使金屬組織細密化，提高鍛件的力學性能;但當鍛造比過大，力學性能不再升高，而增加各向異性;鍛造比越大，纖維組織越明顯，其力學性能的方向性越明顯。第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響

27第三節(jié)金屬的可鍛性可鍛性概念：指材料在鍛造過程中經(jīng)受塑性變形而不開裂的能力。金屬的可鍛性用來衡量金屬材料塑性成形的難易程度，是工藝性能指標之一。衡量方法：1)金屬的塑性：斷面收縮率ψ、伸長率δ等來表示；2)變形抗力：指塑性加工過程中金屬的反作用力。塑性越好，變形抗力越小，則鍛造性能越好。

28第三節(jié)金屬的可鍛性可鍛性的影響因素：金屬的可鍛性取決于金屬的本質(zhì)和加工條件。一、金屬的本質(zhì)1.化學成分的影響（1)純金屬的可鍛性比合金好；（2)碳鋼含碳量越低，可鍛性越好；（3)鋼中含有形成碳化物的元素(如鉻、鉬、鎢、釩等)時,其可鍛性顯著下降。

29第三節(jié)金屬的可鍛性2.金屬組織的影響（1)純金屬及固溶體（如奧氏體）的可鍛性好；（2)碳化物的可鍛性差；（3)晶粒細小、均勻的組織的可鍛性好；（4)鑄態(tài)柱狀組織和粗晶粒結構的可鍛性差。

30第三節(jié)金屬的可鍛性二、加工條件1.變形溫度的影響提高金屬變形時的溫度是改善金屬可鍛性的有效措施，并對生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量及金屬的有效利用等均有極大的影響。原因：溫度升高→原子的運動能力增強→容易進行滑移→塑性提高，變形抗力降低→可鍛性明顯改善（適宜進行塑性加工）

31第三節(jié)金屬的可鍛性鍛造溫度：指由始鍛溫度至終鍛溫度的溫度范圍。始鍛溫度：開始鍛造時坯料的溫度。終鍛溫度：在停鍛時的瞬時溫度。鍛造溫度過高，將產(chǎn)生過熱、過燒、脫碳和嚴重氧化等缺陷，甚至使鍛件報廢。鍛造溫度過低，金屬可鍛性急劇變差，使加工難于進行，將導致加工硬化、鍛坯破裂報廢。

32右圖為碳鋼在加熱時奧氏體晶粒長大示意圖。

33鍛造溫度范圍：鍛造溫度范圍的確定以合金狀態(tài)圖為依據(jù)。碳鋼的始鍛溫度比AE線低200℃左右，終鍛溫度為800℃左右，如右圖所示。

34第三節(jié)金屬的可鍛性2.應變速率的影響應變對時間的變化率稱為應變速率。它對可鍛性的影響有兩個方面：一方面，隨著應變速率的增大,回復和再結晶不能及時克服冷變形強化現(xiàn)象,表現(xiàn)出塑性下降、變形抗力增大，可鍛性變差。另一方面,塑性變形的部分能量轉(zhuǎn)化為熱能(熱效應現(xiàn)象),應變速率越大,熱效應現(xiàn)象越明顯,使金屬的塑性因升溫而提高,變形抗力下降，可鍛性變好。

35第三節(jié)金屬的可鍛性圖3-6應變速率對金屬塑性加工性能的影響左圖為應變速率對金屬塑性加工性能的影響。由圖可見：1)C點以左，冷變形強化現(xiàn)象大于熱效應現(xiàn)象，塑性下降、變形抗力增大，可鍛性變差；2)C點以右，冷變形強化現(xiàn)象小于熱效應現(xiàn)象，塑性提高、變形抗力下降，可鍛性變好；一般只出現(xiàn)高速錘鍛等。

36第三節(jié)金屬的可鍛性3.應力狀態(tài)的影響不同塑性變形，金屬所產(chǎn)生的應力性質(zhì)(壓應力或拉應力)和大小是不同的。擠壓變形時為三向受壓狀態(tài)：圖3-7擠壓時金屬應力狀態(tài)

37第三節(jié)金屬的可鍛性拉拔時為兩向受壓、一向受拉的狀態(tài)：圖3-8拉拔時金屬應力狀態(tài)

38第三節(jié)金屬的可鍛性應力狀態(tài)對金屬塑性的影響：（1）壓應力數(shù)目越多，其塑性變形越好。原因：壓應力使金屬內(nèi)部原子間的距離減小，不易使缺陷擴展。但壓應力使金屬內(nèi)部摩擦阻力增大，變形抗力也隨之增大。（2）拉應力數(shù)目越多，其塑性變形越差。原因：拉應力使金屬原子間距離增大,當金屬的內(nèi)部存在氣孔、微裂紋等缺陷時,缺陷處易產(chǎn)生應力集中，使裂紋擴展，甚至達到破壞報廢的程度。

39第三節(jié)金屬的可鍛性綜上所述，在塑性加工過程中，應該力求創(chuàng)造最有利的變形條件，充分發(fā)揮金屬的塑性，降低變形抗力，使功耗最少，變形充分。

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