金属塑性变形

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第三篇金属塑性加工

1金属塑性加工定义：利用金属的塑性，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材、棒材、板材、线材或锻压件的加工方法。塑性加工包括锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔等。大多数金属及其合金都具有一定的塑性,均可以在热态或冷态下进行塑性加工。

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3金属塑性加工用途：常用的金属型材、板材、管材和线材等原材料，大都是通过轧制、挤压、拉拔等方法制成；机械制造的许多毛坯或零件，特别是承受重载荷的机件，如机床主轴、重要齿轮、连杆、炮管和枪管等，通常采用锻造方法成形；冲压广泛用于汽车、电器、仪表零件及日用品工业等方面。

4金属塑性加工塑性成形加工的特点：改善金属的组织，提高金属的力学性能；节约材料和切削加工工时，提高金属材料的利用率和经济效益；具有较高的劳动生产率；适应性广；锻件的结构工艺性要求较高，内腔复杂零件难以锻造；锻造毛坯的尺寸精度不高，一般需切削加工；

5为了正确选用塑性加工方法，合理设计塑性加工成形的零件，必须了解金属塑性变形的实质、规律和影响因素等，主要内容包括：第一节金属塑性变形的实质第二节塑性变形对金属组织和性能的影响第三节金属的可锻性第一章金属的塑性变形

6第一节金属塑性变形的实质塑性变形：当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服点，即使外力取消，金属的变形也不完全恢复，而产生的永久变形。单晶体内的滑移变形如图所示：

7上述图示所描述的滑移运动，相当于滑移面上、下两部分晶体彼此以刚性整体作相对运动。要实现这种滑移所需的外力（计算值或理论值）比实际测得的数据大几千倍。说明实际晶体结构及其塑性变形并不完全如此！第一节金属塑性变形的实质

8位错运动论：近代物理学证明，实际晶体内部存在大量缺陷。其中，以位错对金属塑性变形的影响最为明显；位错的存在致使部分原子处于不稳定状态，处于高能位的原子很容易从一个相对平衡的位置移动到另一个位置，形成位错运动。位错运动的结果实现了整个晶体的塑性变形。第一节金属塑性变形的实质

9位错运动引起塑性变形示意图：第一节金属塑性变形的实质

10金属的塑性变形：多晶体是由大量的大小、形状、晶格排列位向各不相同的晶粒所组成，故它的塑性变形很复杂，可分为晶内变形和晶间变形。（晶内变形：晶粒内部塑性变形；晶间变形：晶粒间相互移动或转动。）第一节金属塑性变形的实质图3-1多晶体塑性变形示意图

11弹复：当外力去除，弹性变形将恢复，称为“弹复”现象。弹复现象对有些塑性加工件的变形和工件质量有很大影响，必须采取工艺措施来保证产品的质量。第一节金属塑性变形的实质

12金属在常温下经过塑性变形后，内部组织将发生如下变化：晶粒沿最大变形的方向伸长；晶格与晶粒均发生扭曲，产生内应力；晶粒间产生碎晶金属塑性变形时，在不同的温度下，对金属组织和性能产生不同的影响。主要讨论加工硬化、回复和再结晶。第二节塑性变形对金属组织和性能的影响

131、冷变形强化（加工硬化）指金属在低温下进行塑性变形时，金属的强度和硬度有所升高，塑性和韧性有所下降，这种现象称为冷变形强化或加工硬化。第二节塑性变形对金属组织和性能的影响图3-2常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响

14冷变形强化的原因：滑移面上的碎晶块和附近晶格的强烈扭曲，增大了滑移阻力，使继续滑移难于进行所致。冷变形强化的利用：冷变形强化是工业生产中强化金属材料的一种重要手段，采用冷轧、冷拔和冷挤来提高低碳钢、纯铜、防锈铝等制品的强度和硬度。但在塑性加工中，冷变形强化使塑性变形困难，应加以消除。常采用加热的方法使金属发生再结晶，从而获得良好的塑性。这种工艺操作称为再结晶退火。第二节塑性变形对金属组织和性能的影响

152、回复冷变形强化是一种不稳定现象，加热至一定温度后，原子的活动能力增强，使原子回复到平衡位置，晶内残余应力大大减小，这种现象称为回复。金属回复示意图如下图所示：第二节塑性变形对金属组织和性能的影响图3-3金属回复示意图温度升高

16第二节塑性变形对金属组织和性能的影响回复温度：由图可见：回复不改变晶粒的形状及方向性，也不能使晶粒内部的破坏现象及晶界间物质的破坏现象得到恢复，只是逐渐消除晶格的扭曲程度。力学性能变化不大，强度稍降低，塑性稍提高。式中T回---金属的绝对回复温度；T熔---金属的绝对熔化温度；

173、再结晶当温度升高至熔点的0.4倍时，原子获得更多的热能，使被拉长了的晶粒重新生核、结晶，变为与变形前晶格结构相同的新等轴晶粒，这一过程称为再结晶。金属再结晶示意图如下图所示：第二节塑性变形对金属组织和性能的影响图3-4金属再结晶示意图温度升高温度继续升高

18第二节塑性变形对金属组织和性能的影响再结晶温度：由图可见：再结晶可以完全消除塑性变形所引起的冷变形强化现象，并使晶粒细化，改善力学性能。式中T再---金属再结晶温度。

194、冷变形概念：指金属在其再结晶温度以下进行塑性变形过程。如冷冲压、冷弯、冷挤、冷镦、冷轧和冷拔等，能获得较高的强度、硬度及低粗糙度值。这种变形过程中无再结晶现象，具有冷变形强化现象，因此变形程度一般不宜过大，以避免产生破裂。在生产中常用来提高产品的性能。第二节塑性变形对金属组织和性能的影响

205、热变形概念：指金属在其再结晶温度以上进行的塑性变形过程。如锻造、热挤和热轧等，金属塑性加工多采用热变形来进行。这种变形过程中具有再结晶现象，无冷变形强化现象，因此才能用较小的功实现较大的变形。同时获得具有力学性能高的细晶粒再结晶组织。第二节塑性变形对金属组织和性能的影响

21热变形在生产中常用来改变产品的形状、提高产品的性能：金属塑性加工生产采用的最初坯料是铸件，其内部组织很不均匀，晶粒较粗大，并存在气孔、缩松、杂质等缺陷。经过热变形加工后获得细化的再结晶组织。第二节塑性变形对金属组织和性能的影响热变形加工图3-5铸锭热变形前后的组织

226、纤维组织概念：从上图可以看出，铸锭在塑性加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒和沿晶界分布的杂质沿变形方向被拉长，呈纤维状，这种结构称为纤维组织。纤维组织在性能上具有方向性：在纵向(平行纤维方向)上塑性和韧性较高；在横向(垂直纤维方向)上塑性和韧性较低。第二节塑性变形对金属组织和性能的影响

23纤维组织的稳定性很高，不能用热处理方法加以消除，只有经过塑性加工才能改变其方向和形状。因此，在设计和制造零件时，尽量满足：最大正应力方向与纤维方向重合；最大切应力方向与纤维方向垂直；纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量使纤维组织不被切断。第二节塑性变形对金属组织和性能的影响

24例如，制造螺钉时：采用切削加工：螺钉头部与杆部的纤维被切断,受力时产生的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱。2)采用局部镦粗工艺：纤维不被切断，连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。第二节塑性变形对金属组织和性能的影响

257、锻造比塑性加工过程中，常用锻造比表示变形程度：第二节塑性变形对金属组织和性能的影响式中：H0、F0、L0—坯料变形前的高度、横截面积和长度。H、F、L—坯料变形后的高度、横截面积和长度。

26锻造比对金属的组织和性能的影响：增加锻造比，可使金属组织细密化，提高锻件的力学性能;但当锻造比过大，力学性能不再升高，而增加各向异性;锻造比越大，纤维组织越明显，其力学性能的方向性越明显。第二节塑性变形对金属组织和性能的影响

27第三节金属的可锻性可锻性概念：指材料在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力。金属的可锻性用来衡量金属材料塑性成形的难易程度，是工艺性能指标之一。衡量方法：1)金属的塑性：断面收缩率ψ、伸长率δ等来表示；2)变形抗力：指塑性加工过程中金属的反作用力。塑性越好，变形抗力越小，则锻造性能越好。

28第三节金属的可锻性可锻性的影响因素：金属的可锻性取决于金属的本质和加工条件。一、金属的本质1.化学成分的影响（1)纯金属的可锻性比合金好；（2)碳钢含碳量越低，可锻性越好；（3)钢中含有形成碳化物的元素(如铬、钼、钨、钒等)时,其可锻性显著下降。

29第三节金属的可锻性2.金属组织的影响（1)纯金属及固溶体（如奥氏体）的可锻性好；（2)碳化物的可锻性差；（3)晶粒细小、均匀的组织的可锻性好；（4)铸态柱状组织和粗晶粒结构的可锻性差。

30第三节金属的可锻性二、加工条件1.变形温度的影响提高金属变形时的温度是改善金属可锻性的有效措施，并对生产率、产品质量及金属的有效利用等均有极大的影响。原因：温度升高→原子的运动能力增强→容易进行滑移→塑性提高，变形抗力降低→可锻性明显改善（适宜进行塑性加工）

31第三节金属的可锻性锻造温度：指由始锻温度至终锻温度的温度范围。始锻温度：开始锻造时坯料的温度。终锻温度：在停锻时的瞬时温度。锻造温度过高，将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷，甚至使锻件报废。锻造温度过低，金属可锻性急剧变差，使加工难于进行，将导致加工硬化、锻坯破裂报废。

32右图为碳钢在加热时奥氏体晶粒长大示意图。

33锻造温度范围：锻造温度范围的确定以合金状态图为依据。碳钢的始锻温度比AE线低200℃左右，终锻温度为800℃左右，如右图所示。

34第三节金属的可锻性2.应变速率的影响应变对时间的变化率称为应变速率。它对可锻性的影响有两个方面：一方面，随着应变速率的增大,回复和再结晶不能及时克服冷变形强化现象,表现出塑性下降、变形抗力增大，可锻性变差。另一方面,塑性变形的部分能量转化为热能(热效应现象),应变速率越大,热效应现象越明显,使金属的塑性因升温而提高,变形抗力下降，可锻性变好。

35第三节金属的可锻性图3-6应变速率对金属塑性加工性能的影响左图为应变速率对金属塑性加工性能的影响。由图可见：1)C点以左，冷变形强化现象大于热效应现象，塑性下降、变形抗力增大，可锻性变差；2)C点以右，冷变形强化现象小于热效应现象，塑性提高、变形抗力下降，可锻性变好；一般只出现高速锤锻等。

36第三节金属的可锻性3.应力状态的影响不同塑性变形，金属所产生的应力性质(压应力或拉应力)和大小是不同的。挤压变形时为三向受压状态：图3-7挤压时金属应力状态

37第三节金属的可锻性拉拔时为两向受压、一向受拉的状态：图3-8拉拔时金属应力状态

38第三节金属的可锻性应力状态对金属塑性的影响：（1）压应力数目越多，其塑性变形越好。原因：压应力使金属内部原子间的距离减小，不易使缺陷扩展。但压应力使金属内部摩擦阻力增大，变形抗力也随之增大。（2）拉应力数目越多，其塑性变形越差。原因：拉应力使金属原子间距离增大,当金属的内部存在气孔、微裂纹等缺陷时,缺陷处易产生应力集中，使裂纹扩展，甚至达到破坏报废的程度。

39第三节金属的可锻性综上所述，在塑性加工过程中，应该力求创造最有利的变形条件，充分发挥金属的塑性，降低变形抗力，使功耗最少，变形充分。

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