金属塑性成形理论

1、金属塑性成形工艺方法金属塑性成形工艺方法:锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔等。锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔等。金属坯料在设备提供的外力作用下产生塑性变形，获得金属坯料在设备提供的外力作用下产生塑性变形，获得所需要的毛坯或零件。所需要的毛坯或零件。学习的主要内容：学习的主要内容：l金属塑性成形的基础理论金属塑性成形的基础理论l自由锻自由锻l模锻模锻l板料冲压板料冲压4-1 金属塑性成形的基础理论金属塑性成形的基础理论 金属塑性变形本质：金属塑性变形本质：由外力引起的金属内部应力由外力引起的金属内部应力超过该金属的屈服点，其内超过该金属的屈服点，其内部的原子排列位置发生不可部的原子排列位置发生不可逆变

2、化。逆变化。金属晶内塑性变形的两种基本形式：金属晶内塑性变形的两种基本形式：滑移变形滑移变形孪生变形孪生变形滑移是在切应力的作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶滑移是在切应力的作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生相对的滑移；滑移变形是金属最主要的塑性变形方式。向发生相对的滑移；滑移变形是金属最主要的塑性变形方式。孪生是晶体在切应力作用下，晶格的一部分相对于另一部分沿孪晶面发生孪生是晶体在切应力作用下，晶格的一部分相对于另一部分沿孪晶面发生相对转动的结果。相对转动的结果。The deformation of metals, which is caused by th

3、e displacement of the atoms is achieved by one or both of the processes called slip and twinning. 金属的塑性变形还包括晶界变形，是由于各晶粒间的相对位移金属的塑性变形还包括晶界变形，是由于各晶粒间的相对位移和转动所引起的。和转动所引起的。l晶界滑动晶界滑动l晶界迁移晶界迁移 实际使用的金属材料由多晶体构成的，其塑性变形过程复杂，实际使用的金属材料由多晶体构成的，其塑性变形过程复杂，变形不均匀，变形抗力较大。变形不均匀，变形抗力较大。 4-1-1金属塑性变形规律金属塑性变形规律 (1)最小阻力定律最

4、小阻力定律 金属在塑性变形过程中，其质点都将沿着阻力最小的方向移动金属在塑性变形过程中，其质点都将沿着阻力最小的方向移动(2)体积不变定理体积不变定理 金属塑性成形时金属变形后的体积等于变形前的体积。金属塑性成形时金属变形后的体积等于变形前的体积。(1)最小阻力定律最小阻力定律 (2)体积不变定理体积不变定理 4-1-2 金属塑性变形后的组织与性能金属塑性变形后的组织与性能冷变形：金属在再结晶温度以下进行的塑性变形；冷变形：金属在再结晶温度以下进行的塑性变形；热变形：金属在再结晶温度以上进行的塑性变形。热变形：金属在再结晶温度以上进行的塑性变形。1. 冷变形对金属组织与性能的影响冷变形对金属组

5、织与性能的影响(1)冷变形后的金属显微组织冷变形后的金属显微组织(组织方面的变化）组织方面的变化）l等轴晶粒被拉长等轴晶粒被拉长l形成纤维组织形成纤维组织: 纤维组织具有明显的方向性。纤维组织具有明显的方向性。l形成晶粒碎块（亚晶）形成晶粒碎块（亚晶）亚晶界上聚集大量位错，亚晶界上聚集大量位错，使滑移阻力进一步增加使滑移阻力进一步增加l形成形成“形变织构形变织构”: 当金属的冷变形量足够大时，会当金属的冷变形量足够大时，会形成形成“形变织构形变织构”，金属内部的大部分晶粒沿主变形金属内部的大部分晶粒沿主变形方向排列而产生的择优取向引起方向排列而产生的择优取向引起的。的。形变织构使金属的力学性能

6、产生形变织构使金属的力学性能产生各向异性各向异性。 (2)加工硬化（性能方面的变化）加工硬化（性能方面的变化）什么是什么是加工硬化？加工硬化？金属冷变形时，随着变形量的增加，金属的强度和硬度提高，金属冷变形时，随着变形量的增加，金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象。塑性和韧性下降的现象。加工硬化带来的不利影响加工硬化带来的不利影响金属材料的加工硬化使其变形抗力增加，塑性下降，并使其继金属材料的加工硬化使其变形抗力增加，塑性下降，并使其继续变形受到影响。续变形受到影响。如何消除加工硬化带来的不利影响如何消除加工硬化带来的不利影响实际生产中采用实际生产中采用中间退火工艺中间退火工艺来消除加工

7、硬化，降低变形抗力，来消除加工硬化，降低变形抗力，使塑性变形能够继续进行。使塑性变形能够继续进行。加工硬化带来的有利影响加工硬化带来的有利影响l加工硬化用来强化金属材料（加工硬化用来强化金属材料（提高了金属的硬度和强度）提高了金属的硬度和强度）。特别特别是对一些不能用热处理强化的金属材料是对一些不能用热处理强化的金属材料（某些零件利用冷辊压加工（某些零件利用冷辊压加工来提高其表面硬度和强度）来提高其表面硬度和强度） 。l获得精度较高和表面光洁的产品获得精度较高和表面光洁的产品在压力加工中得到广泛应用冷成形，例如冷轧，冷拔，薄板冲在压力加工中得到广泛应用冷成形，例如冷轧，冷拔，薄板冲压、冷镦等。

8、压、冷镦等。(3)残余应力残余应力定义：残余应力是指金屑材料除去变形外力后残余在内部的定义：残余应力是指金屑材料除去变形外力后残余在内部的应力。应力。残余应力的产生原因：残余应力的产生原因：主要由于金属在外力作用下变形不均匀而引起的。主要由于金属在外力作用下变形不均匀而引起的。残余应力会释放出来残余应力会释放出来残余应力使金属内部的原子处于一种高能状态，具有自发恢复残余应力使金属内部的原子处于一种高能状态，具有自发恢复到平衡状态的倾向，因此在特定的条件下，残余应力会释放出到平衡状态的倾向，因此在特定的条件下，残余应力会释放出来。来。结论：结论： 冷变形使金属的组织处于热力学不稳定状态，冷变形使

9、金属的组织处于热力学不稳定状态，如何消除这种不稳定状态？如何消除这种不稳定状态？通过回复和再结晶来改善其性能。通过回复和再结晶来改善其性能。（4）经冷变形的金属在加热时组织与性能的变化）经冷变形的金属在加热时组织与性能的变化回复：回复：将冷成形后的金属材料加热到将冷成形后的金属材料加热到(0.250.3)Tm以下的温度范以下的温度范围围(Tm为熔点，为熔点，K)。此阶段发生的变化：此阶段发生的变化：l消除晶粒的晶格扭曲，消除晶粒的晶格扭曲，显著降低金属的内应力显著降低金属的内应力l金属内部晶粒的尺寸金属内部晶粒的尺寸和形状无明显变化和形状无明显变化l金属的强度和塑性变金属的强度和塑性变化不大。

10、化不大。回复回复再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大再结晶再结晶将冷成形金属加热到较高的温度将冷成形金属加热到较高的温度(0.4Tm ) 。组织和性能发生的变化：组织和性能发生的变化：l使原子能够在金属内使原子能够在金属内部重新排列，促使变形部重新排列，促使变形组织向稳定状态转变，组织向稳定状态转变，产生新的等轴晶粒。产生新的等轴晶粒。l冷变形金属的强度和冷变形金属的强度和硬度显著下降，塑性和硬度显著下降，塑性和韧性提高。韧性提高。l开始产生再结晶现象开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶的最低温度称为再结晶温度。温度。回复回复再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大加热对冷变形金属组织与性能的影响加热对冷变形金

11、属组织与性能的影响l产生再结晶现象，形成新的等轴晶粒。产生再结晶现象，形成新的等轴晶粒。l冷变形金属的强度和硬度显著下降，塑性和韧性提高。冷变形金属的强度和硬度显著下降，塑性和韧性提高。l开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。Conclusion:l在压力加工中常采用冷变形。在压力加工中常采用冷变形。l所谓冷变形严格地说应该是：所谓冷变形严格地说应该是：在再结晶温度以下进行的变形，变形过程中不发生再在再结晶温度以下进行的变形，变形过程中不发生再结晶，因而变形后产生加工硬化现象。结晶，因而变形后产生加工硬化现象。2.热变形对金属组织与性能的影响热

12、变形对金属组织与性能的影响(1)消除缺欠与细化组织消除缺欠与细化组织热变形可以焊合铸锭中未氧化的气孔、疏松等缺欠，使金属热变形可以焊合铸锭中未氧化的气孔、疏松等缺欠，使金属材料的致密度提高。同时可以打碎粗大的铸态组织，使其细化，材料的致密度提高。同时可以打碎粗大的铸态组织，使其细化，从而提高其力学性能。从而提高其力学性能。 (2)动态回复和动态再结晶动态回复和动态再结晶在热变形中，在热变形中，金属材料的加工硬化过程与回复和再结晶软化过金属材料的加工硬化过程与回复和再结晶软化过程同时发生。程同时发生。因此，在热变形后的金属材料中不会产生硬化，因此，在热变形后的金属材料中不会产生硬化，这种现象称为

13、动态回复和动态再结晶。这种现象称为动态回复和动态再结晶。例如：在钢材热轧过程中（例如：在钢材热轧过程中（Hot Rolling）消除缺欠与细化组织消除缺欠与细化组织动态回复和动态再结晶动态回复和动态再结晶金属铸造组织：金属铸造组织：粗大柱状晶粗大柱状晶金属锻件组织：金属锻件组织：粗大晶粒粗大晶粒 (3)锻造比及锻造流线锻造比及锻造流线 l 锻造比锻造比锻造锻造塑性变形程度（锻造前后金属坯料的横截塑性变形程度（锻造前后金属坯料的横截面积比值或长面积比值或长度度(高度高度)比值比值）；）；l铸态金属在锻造时其晶粒形状和沿晶界分布铸态金属在锻造时其晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们沿着

14、变形方向的杂质形状都发生了变形，它们沿着变形方向被拉长，呈纤维形状，这种结构称为锻造流线被拉长，呈纤维形状，这种结构称为锻造流线。锻造流线锻造流线金属铸件组织：金属铸件组织：粗大晶粒粗大晶粒锻造比大小的影响：锻造比大小的影响：l影响锻件的质量；影响锻件的质量；l影响锻造流线：影响锻造流线：锻造比越大，锻造流线越明显。锻造比越大，锻造流线越明显。锻造流线使锻件的性能具有方向锻造流线使锻件的性能具有方向性，在平行于流线方向上的塑性、性，在平行于流线方向上的塑性、韧性明显提高，而强度有所提高。韧性明显提高，而强度有所提高。锻造流线能否消除？锻造流线能否消除？不能用热处理的方法消除，只能不能用热处理的

15、方法消除，只能用变形的方法改变其方向和分布。用变形的方法改变其方向和分布。由于杂质的分布和晶粒的由于杂质的分布和晶粒的排列有了方向性，因而使排列有了方向性，因而使金属的机械性能在不同方金属的机械性能在不同方向上有了显著的差异，即向上有了显著的差异，即具有方向性。具有方向性。机械性能的方向性：机械性能的方向性：冲击韧性冲击韧性k、断面收缩率、断面收缩率和伸长率和伸长率在平行于纤维在平行于纤维方向显著提高，而垂直于方向显著提高，而垂直于纤维方向则明显降低。纤维方向则明显降低。这这种性能差别随着锻造比的种性能差别随着锻造比的增加而更加显著；增加而更加显著； 纤维组织的形成对抗拉强纤维组织的形成对抗拉

16、强度度b和屈服点和屈服点s影响很小。影响很小。b纵纵b横横b横横b纵纵纤维组织是十分稳定的，在实际生产中纤维组织是十分稳定的，在实际生产中很难用热处理方法加以很难用热处理方法加以消除消除。但。但采用压力加工方法可以改变纤维组织的分布方向采用压力加工方法可以改变纤维组织的分布方向，例，例如如把直线分布改变成曲线分布把直线分布改变成曲线分布。u如何使零件中锻造流线合理分布？如何使零件中锻造流线合理分布？螺钉内锻造流线的分布情况：螺钉内锻造流线的分布情况：(a)为棒料经切削加工成形的螺钉，其头部的部分流线被切断为棒料经切削加工成形的螺钉，其头部的部分流线被切断（直线分布），（直线分布），因此其使用时

17、承载能力较差；因此其使用时承载能力较差；(b)为锻造成形的螺钉，其流线分布合理为锻造成形的螺钉，其流线分布合理（曲线分布）（曲线分布） ，承载，承载能力强，质量好。能力强，质量好。选用加工方法制造零件使其纤维合理分布的原则：选用加工方法制造零件使其纤维合理分布的原则：l零件中的纤维方向与其所承受的最大拉应力方向一零件中的纤维方向与其所承受的最大拉应力方向一致；致；l与其所承受的最大切应力方向垂直，并使纤维围绕与其所承受的最大切应力方向垂直，并使纤维围绕零件的轮廓分布而不被切断。零件的轮廓分布而不被切断。Since it is possible to control these flow lin

18、es in any specific direction by careful manipulation of the applied forces, it is possible to achieve optimum mechanical properties. The metal, of course, would be weak along the flow lines.如果对金属锻件进行机加工，会将流线切断，使性能变差。如果对金属锻件进行机加工，会将流线切断，使性能变差。 A part made by three different processes, showing grain f

19、low.Casting 铸造铸造Machining 机加工机加工Forging 锻造锻造3. 金属可锻性及影响因素金属可锻性及影响因素 l金属的可锻性是指金属材料承受锻造成形的能力，金属的可锻性是指金属材料承受锻造成形的能力，通常用通常用塑性和变形抗力塑性和变形抗力来综合评价来综合评价l金属的塑性越高、变形抗力越低，则可锻性越好。金属的塑性越高、变形抗力越低，则可锻性越好。l影响金属可锻性的因素影响金属可锻性的因素内部因素：金属本身的成分、组织等内部因素：金属本身的成分、组织等外部因素：锻造温度、变形速度、应力状态等。外部因素：锻造温度、变形速度、应力状态等。影响金属可锻性的因素：影响金属可锻性的因素：内部因素：金属本身的成分、组织等内部因素：金属本身的成分、组织等a.化学成分化学成分的影响的影响 l纯金