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1、第二章 塑性成形工艺2.1 金属塑性变形理论基础一、金属塑性变形的基本理论1金属塑性变形的实质1）变形的种类 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。 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）金属塑性变形的实质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）。 刚性滑移 位错运动2塑性变形对金属组织和性能的影响1）加工硬化塑性变形时，随着变形程度的增加，金属的强度、硬 度升高，塑性、冲击韧性下降的现象。加工
2、硬化对金属组织性能的影响： 压力加工中，加工硬化增大了材料继续变形的阻力。 通过加工硬化可以提高金属强度、硬度和耐磨性。 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。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。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。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=（0.250.3）T熔T回-金属的绝对回复温度T熔-金属的绝对熔化温度2）回复回复的应用：经冷拉的钢丝卷成弹簧后的
3、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120125)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T再-金属的绝对再结晶温度3）再结晶再结晶的应用：金属的再结晶退火温度比其再结晶温度高100200。3冷变形、热变形和温热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。1）冷变形冷变形的特点及应用： 冷变形时金属的塑性低，变形抗力大； 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； 冷变形后的产品精度高，表面光
4、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）热变形热变形的特点和应用：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，且加工 硬化现象被再结晶所消除。 热变形时金属的塑性良好，变形抗力也小，能获得具有较高机械性能的再结晶组织； 热变形时变形抗力小，消耗较小的功可得到较大的变形 ； 热变形能改善金属的组织，提高其机械性能；A 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。B 纤维组织的形成a) 纤维组织及其特点：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
5、方向伸长，呈带状分布；而碎性杂质 （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。锻件在纵向（平行于纤维方向）上的塑性和韧性增加。 而在横向（垂直于纤维方向）上的塑性、韧性降低，金属的 机械性能呈现各向异性。纤维组织很稳定，只有用锻压的方法才能改变纤维组织 的方向和形状；在设计和制造零件时，应使零件工作时的最 大正应力方向与纤维方向重合，最大剪应力方向与纤维方向 垂直，并使纤维能与零件轮廓相符合而不被切断。b) 纤维组织的影响因素：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。拔长时的锻造比：镦粗
6、时的锻造比：H0、F0-坯料变形前的高度和横截面积H、F-坯料变形后的高度和横截面积当锻造比为25时，纤维组织愈来愈明显，金属呈现各 向异性。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。二、金属的可锻性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。 金属的塑性：断面收缩率 、延伸率 变形抗力：塑
7、性变形时金属反作用于工具上的力。变形抗力和塑性的影响因素：1）金属的组织及化学成分 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。 合金的组织：固溶体（如奥氏体）的可锻性好，碳化物（如渗碳体）则不能锻。 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。 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
8、内的变形程度。 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； 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。3）变形速度4）应力状态对各种压力加工方法的影响 拉应力的数目越多，塑性越差，压应力的数目越多，塑性越好。 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。 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； 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；三、金属的加热加热金属，
9、可以提高塑性，降低变形抗力，减小设备吨位 ，以利于金属的变形和获得良好的锻后组织。 氧化在高温下，钢的表面与炉气中的氧化性气体（如O2、CO2、H2O及SO2等）反应，生成氧化皮，造成金属的烧损和增加压力加工设备的磨损。1金属加热的目的2钢加热时产生的缺陷钢的表面层的碳元素被烧损，含碳量降低的现象。脱碳的影响及防止：脱碳使零件表面的机械性能降低，因而脱碳层深度不能大于加工余量；加热温度越高，时间越长，脱碳层就会越深。 过热当钢的加热超过某一温度，且在此温度下停留时间过长 ，钢的晶粒迅速增大，形成粗大晶粒的现象。过热的影响及防止A 过热使材料的晶粒粗大，机械性能下降；B 过热的钢件可以通过多次锻
10、造及热处理方法来消除，但对于不产生相变重结晶的钢种（如1Cr18Ni9Ti），不能用热处理来细化晶粒，消除过热。 脱碳钢被加热到接近熔点时，炉气中的氧化性气体渗入到 晶界，使晶界的物质氧化，形成易熔的共晶氧化物，严重 地破坏了晶粒之间的联接，锻造时易造成崩碎的现象。过烧的影响发生过烧的钢件只能报废回炉重新冶炼 过烧 内部裂纹热应力：钢锭或钢材在加热时，因表面的温度高于中心的温度， 这一温差使得表面的热膨胀大于心部的热膨胀，在中心产生 三向拉应力，这种由温差引起的应力称为热应力。内部裂纹：钢锭或钢材在加热时，由于产生的热应力与坯料中的残 余应力叠加，超过了钢的强度极限而产生的裂纹。钢的导热性差（
11、如高合金钢），坯料断面尺寸大，加热 速度快，则表里温差大，热应力也大。3锻造温度范围 始锻温度 终锻温度锻件开始锻造的温度。在不产生过烧现象的情况下，始锻温度可高一些；始锻 温度随含碳量的增加而降低。锻件停止锻造的温度。在保证锻件有足够的塑性和锻后获得再结晶组织的前提 下，应降低终锻温度。 锻造温度范围指始锻温度与终锻 温度之间的一段温度 范围。锻造温度范围应尽 可能宽一些。高碳钢及合金钢的 锻造温度范围较窄， 有色金属及其合金的 就更窄。4加热速度加热速度一般采用单位时间内钢料表面的温度变化来表示（/h）。 加热速度的影响因素：钢的化学成分、炉温、装炉方式、钢坯尺寸大小等。 适当提高炉温，增
12、大加热速度对热压力加工有利，但要防止加热过快导致热应力增大，产生裂纹。 对塑性差，导热性差的材料和大尺寸的钢锭，常采用分段加热法（先慢后快）。四、超塑性1实现超塑性的条件在适宜的变形温度和变形速度条件下，具有超细晶粒的某些金属与合金，能获得特别大而均匀的塑性变形的现象。 超细的等轴晶粒 特定的等温变形超塑性变形温度一般为(0.50.7)T熔左右。 极低的变形速度超塑性变形速度一般在10-110-5之间2常用于超塑性成形的材料：3超塑性变形的特点 没有加工硬化，变形抗力很低 材料塑性大为提高 工件内部为均匀的细晶组织，机械性能好，没有各向异性 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。“金属塑性变形理论基础”部分结束 ！ 请转入：“塑性成形工艺”
