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1、上篇 钣金工艺第一章 钣金基础知识 11 金属的变形及其影响一、金属的变形金属在外力的作用下，产生形状和尺寸的变化称为变形。在金属的变形过程中，大部分金属都呈现出明显的弹性变形阶段和塑性 变形阶段。弹性变形时，金属原子的位置发生相对变化，表现为原子之间的间距有 微小的改变，从而引起体积的变化。弹性变形时，原子的稳定平衡状态遭到破 坏，作用在物体上的外力与力图使原子恢复到最小势能位置的原子之间的反作 用力相平衡，这种反作用力就是内力。单位面积上的内力称为应力。弹性变形是可逆的，当外力去除后，变形体就完全恢复它原来的尺寸和 形状。当物体受力较大，使原子偏离其稳定平衡位置超过某一数值，而达到邻 近原
2、子的稳定平衡位置时，外力去除后原子就不会再回到其原来位置，而是停 留在邻近的稳定平衡位置上，于是变形就表现为不能恢复的，这种变形称为塑 性变形。钣金工作就是利用金属材料塑性变形的特性，通过弯曲、压延、拉伸等 手段来成形零件的。由于塑性变形在钣金工艺中的重要性，所以有必要了解金属塑性变形的 现象和本质。大家知道，常用金属和合金为多晶体。多晶体材料是由许多小的单晶体组合而成各小晶体之间由边界分开。构成多晶体材料中的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的边界称为晶界。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。晶体的特点是组成晶体物质的基本质点(原子或离子)在空间作有规律的排 列。为了便于
3、研究， 将晶体中原子按一定规则排列出来的空间格式称为晶格。金属主要的塑性变形方式是晶内滑移和孪动。晶内滑移又称滑移，是指晶体的一部分沿一定的晶面和该晶面的一定方 向相对于晶体的另一部分作有规律的移动。移动后，在金属内部和表面出现的痕迹称为滑移线。滑移线实际上是滑移后在晶体表面留下的小台阶。相互靠近的一组小台 阶宏观上反映一个大台阶，称为滑移带，如图11所示。滑移带说明滑移所引起的变形是不均匀的，即在滑移带内发生了剧烈的滑移， 而在两个滑移带之间则没有发生或只发生了极少的滑移。金属塑性变形后，在显微镜下可观察到其表面出现的一些很细且平行的 滑移线。与此同时，还可以观察到变形金属的晶粒呈现出不同程
4、度沿变形方向伸长。在最强烈变形的情况下，晶粒被拉成细长条，呈纤维状。而晶粒的伸长 就表现在金属外形尺寸的改变。因滑移而产生的塑性变形，原则上不产生体积变化。而金属的破坏则起 因于原子结合的分离及其造成的微小裂纹的成长和传播。垂直应力若为拉应力， 则会促进破坏，若为压应力，则会抑制破坏。孪动又称为双晶，是晶格绕着一定晶面转动，从而使该面的两侧部分互成 镜像对称形状，如图12所示。孪动所能提供的塑性变形较小，但滑移变形量则很大。如，镉单晶体， 靠孪动只能获得7.39的变形量，而靠滑移则可以达到300的变形量。实验 证实，孪动会在晶体内部造成空隙，使晶体提早破裂。孪动虽然不能提供较大的塑性变形，但在
5、滑移发生困难时，能够起到调 整晶体取向和增加位错的作用，以使滑移能够继续进行。当晶体受外力作用发生滑移时，在已滑移区和未滑移区之间总存在一个 过渡区。这个过渡区称为位错区，或简称为位错。 区域内晶格畸变最严重的点的连线称为位错线。 二、塑性变形对金属组织和性能的影响会发生： 显微组织的变化 机械性能的改变产生内应力物理、化学性能的改变1.显微组织的变化晶粒及金属内的夹杂物将沿变形方向被拉伸长，晶粒取向也不断改变， 不断形成有规则排列，形成纤维组织，引起变形体的各向异性。晶粒伸长而形成的纤维组织可用退火消除。金属或合金内部含有第二相或夹杂物时，塑性变形后会引起这些夹杂物 或碳化物集聚区因变形伸长
6、而生成带状组织。夹杂物或碳化物集聚区因变形而产生的带状组织虽经高温退火也经常不能 完全消除。钢的组织是由铁素体和渗碳体构成的，铁素体可以产生很大的变形，而渗 碳体和杂质则硬而脆，不易变形，会成为变形的障碍，这些组织的附近还会积 累起过多的应变能，这就是引起断裂的原因。2.机械性能的改变 塑性降低强度和硬度增高。金属的塑性变形主要是通过晶粒内部原子层间的相互滑移来实现的。金属一旦发生滑移，会（1）发生晶格畸变，即晶格发生歪扭；（2）形成许多碎晶块。从而使继续滑移发生困难。另外，由于金属内部有大量的晶粒，各个晶粒的原子排列方位不同，因此， 各晶粒的变形程度不可能完全一致，晶粒之间造成相互的牵制作用
7、，这也不利 于继续滑移。 由于这些原因，表现在金属上就为塑性降低。如果一定要再发生滑移，就 要增加外力，这就表现为强度增高。金属经过塑性变形表现出的塑性降低，强度和硬度增高的现象称为加工硬 化（或称冷作硬化）。冷加工后，金属材料的强度指标 (弹性极限、屈服应力、强度极限和硬度)增 加，而塑性指标(延伸率和断面收缩率)降低，同时韧性下降。冷加工是通过塑性变形改变材料性能的重要手段之一，特别是对于热处理 不能强化的金属材料，常采用冷加工工艺提高于提高其强度和硬度。3.产生内应力由于金属塑性变形时，金属体积内各部分的变形是不均匀的，结果各晶 粒相互间形成彼此拉扯的现象即造成了内应力(即残余应力)。内
8、应力会引起零件：（1）变形；（2）开裂；（3）有应力腐蚀的倾向或者会产生应力腐蚀。经塑性变形的金属，其晶格畸变，原子处于不稳定状态。把金属加热， 使原子具备较高的活动能力，就可以促使金属内部组织转变为稳定状态，从而 性能也恢复到变形以前的情况。采用去应力退火可消除塑性变形时产生的内应力; 采用退火可使变形金属的塑性恢复到变形前的程度。 4.物理、化学性能的改变（1）冷加工变形使金属的导电性降低，电阻率增加。例如，纯铜经过冷加工变形后，电阻率增高约26，有些金属增高得更 多, 如镍可增高达8左右。（2）塑性变形还使金属的化学性能变得活泼，因而变形的金属容易遭受腐 蚀。 12 影响金属塑性的主要因
9、素一、金属成份和组织对塑性的影响钢铁的塑性比铝、铜的塑性差碳钢随着含碳量增加，塑性也随之降低。脆性 将使塑性降低杂质塑性 能使塑性增加例如, 铁中含有0.01%的硫时，由于生成脆性的硫化铁，使铁呈现脆性。但如铁中含有0.5% 1.0%的杂质锰或镁时，就可生成沿晶粒边界分布的 球状硫化锰或分布在晶粒内部的球状硫化镁，从而降低了硫的不利影响。晶粒大小和形状对金属塑性也有重要影响。在回复和再结晶温度以下时， 晶界是变形困难区。因此，若晶界面积与晶界体积之比较大时，则塑性变形困 难。物体表面面积与体积之比以球形最小，故晶粒愈接近球形。其塑性就愈好。此外，金属塑性总是随晶粒度的细化而提高，其原因是: 细
10、晶粒是快速 结晶的结果，结晶愈快，则金属成份分布愈均匀，副应力愈小，从而提高了塑 性。晶粒愈细，晶界总面积愈大，晶间杂质相对浓度则愈小，有利于塑性变形。 二、变形温度的影响温度高，金属材料的塑性增大，容易变形。 三、变形速率的影响实践证明，变形速率在10 4 10 2 s 1 时, 金属机械性质一般没有明 显变化。变形速率大于10 2 s 1 时，金属机械性质才有较明显的变化。变形速率对金属塑性的影响比较复杂。 四、摩擦与润滑的影响金属塑性成形时，它的某些表面必然要与工具表面接触并相对移动，因 此，接触摩擦不可避免。接触摩擦将造成材料变形的困难区，使材料各部分的变形更加不均匀， 从而降低了塑性
11、。此外，接触摩擦会增大变形力和变形功，容易引起表面划伤。为了降低 接触摩擦的不利影响，就需要在材料和工具的接触面上涂以适宜的润滑剂，或 降低工具表面的粗糙度，也可以使工件具有适宜的表面状态。 涂以适宜的润滑剂是降低摩擦系数的最有效的途径。润滑剂的化学成份 要与变形体表面和工具表面有较强的结合力，这样才能使变形体和工具之间的 摩擦为润滑剂的内摩擦所代替，润滑效果才会好。此外，还要求润滑剂对人体 无害、无腐蚀、易清除、易保管、不变质、供应方便。13 钣金零件成形的基本特点一、钣金零件的基本变形方式钣金零件的基本变形方式有弯曲、翻边、压延、局部成形、胀形等。钣金成形材料的变形区往往由以上几种基本变形
12、方式复合组合，如图1 一3所示框板。其外缘和内缘由压延和翻边成形， 腹板上AA截面所示形状 由冲孔翻边成形。因此，在分析一个具体钣金零件时，一方面必须将不同变形性质的部分 加以明确区分，利用弯曲、翻边、压延、局部成形等基本变形方式，作为分析 零件变形特点的主要依据; 另一方面，还必须注意它们之间的相互联系，不能将不同变形性质的部 分，作为一个个单纯的基本变形方式孤立地看待。二、钣金零件的变形性质如果对上述基本变形方式进行分析，其变形性质可概括为“收“和“放“。 收即依靠金属板料的收缩变形来成形零件。其特点是板料纤维缩短， 厚度增加。如管子收口即为收。放即依靠金属板料的拉伸变形来成形零件。其特点
13、是板料纤维伸长， 厚度减薄。如翻边成形。收的主要障碍是起皱，而放的主要障碍是拉裂。在一次成形中要避免起 皱和拉裂。操作者在实际工作中应当重视实践经验的积累，培养判断复杂零件 成形可能性的估算能力。三、 金属塑性变形的基本规律1.回弹在材料发生塑性变形过程中，弹性变形和塑性变形总是同时存在的， 因此，除去外力后，弹性变形部分会恢复原态，这种现象称为回弹。例如，对 金属板料进行弯曲，当外力去除后，由于回弹的存在，以致弯曲板料内层被压 缩的金属又有所伸长，外层被拉伸的金属又有所缩短，其结果使弯曲件的曲率 和弯曲角度发生小量的变化。即受拉的会缩短，受压的要伸长，从而影响零件 成形的准确性。回弹的方向总
14、是与材料受力时变形的方向相反。回弹在很大程 度上取决于材料的性质和成形时的变形程度。如，材料硬、厚度薄、弯曲半径 大，则回弹大; 反之，回弹小。 回弹在金属冷成形中总是存在的，是不可克服的，但可以采取一些工 艺措施减少它。由于回弹存在影响零件成形的准确度，消除回弹需采取相应的 工艺措施。另外，由于零件形状不一，零件上各部分回弹不均会造成零件翘曲或畸 变。消除翘曲或畸变的根本方法是尽量使成形中的变形均匀。如不能做到这一 点，在成形中可采用刚性限制和补偿方法予以补救。2.体积不变金属在塑性变形过程中，材料体积保持不变。在钣金零件成形中体积不 变是确定毛料尺寸的理论依据。由于金属在塑性变形过程中，材
15、料体积保持不 变，因此会引起材料厚度不一致。3.最小阻力定律金属质点沿最小阻力方向流动的规律，称为最小阻力定律。即，金属变 形总是沿着阻力最小的方向发展，据此可分析判断金属材料的变形趋向。4.成形极限成形极限是指板料在一定的变形方式和变形条件下，成形再也无法继续 进行下去的限度。也就是说，达到了某种变形方式和变形条件下的极限变形能 力。成形极限是衡量材料成形性能好坏的重要指标。材料的成形极限大(或者高)， 表明该材料容易成形; 反之，则不易成形。金属材料的成形性能主要取决于自身的机械性能。即金属材料的成形性能 与其塑性、屈服强度和抗拉强度有关。金属材料的塑性越高，材料就越易变形和成形; 屈服强度( 0.2 )表示塑性 变形的开始点，压制成形时，只有应力大于 0.2 ，材料才开始塑性变形，从成
