第一節(jié)金屬塑性成形

1、第二章 金屬塑性成形                   金屬塑性成形：在外力作用下金屬材料通過塑性變形，獲得具有一定形狀、尺寸和力學性能的零件或毛坯的加工方法。金屬塑性成形在工業(yè)生產(chǎn)中稱為壓力加工，分為：自由鍛、模鍛、板料沖壓、擠壓、拉拔、軋制等。它們的成形方式如圖2-1所示。圖2-1 常用的壓力加工方法（a）自由鍛 b）模鍛 c）板料沖壓 d）擠壓 （e）扎制(f）拉拔壓力加工的特點： （1）改善金屬的

2、組織、提高力學性能 金屬材料經(jīng)壓力加工后，其組織、性能都得到改善和提高，塑性加工能消除金屬鑄錠內(nèi)部的氣孔、縮孔和樹枝狀晶等缺陷，并由于金屬的塑性變形和再結(jié)晶，可使粗大晶粒細化，得到致密的金屬組織，從而提高金屬的力學性能。在零件設(shè)計時，若正確選用零件的受力方向與纖維組織方向，可以提高零件的抗沖擊性能。（2）材料的利用率高 金屬塑性成形主要是靠金屬的體積重新分配，而不需要切除金屬，因而材料利用率高。 （3）較高的生產(chǎn)率 塑性成形加工一般是利用壓力機和模具進行成形加工的，生產(chǎn)效率高。例如，利用多工位冷鐓工藝加工內(nèi)六角螺釘，比用棒料切削加工工效提高約400倍以上。（4）毛坯或零件的精度較高 應(yīng)用先進的

3、技術(shù)和設(shè)備，可實現(xiàn)少切削或無切削加工。例如，精密鍛造的傘齒輪齒形部分可不經(jīng)切削加工直接使用，復雜曲面形狀的葉片精密鍛造后只需磨削便可達到所需精度。材料：鋼和非鐵金屬可以在冷態(tài)或熱態(tài)下壓力加工。用途：承受沖擊或交變應(yīng)力的重要零件（如機床主軸、齒輪、曲軸、連桿等），都應(yīng)采用鍛件毛坯加工。所以壓力加工在機械制造、軍工、航空、輕工、家用電器等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。例如，飛機上的塑性成形零件的質(zhì)量分數(shù)占85%；汽車，拖拉機上的鍛件質(zhì)量分數(shù)約占60%80%。缺點：不能加工脆性材料（如鑄鐵）和形狀特別復雜（特別是內(nèi)腔形狀復雜）或體積特別大的零件或毛坯。第一節(jié) 金屬塑性變形基礎(chǔ) 一、 金屬塑性變形概念 塑性成形性

4、能：用來衡量壓力加工工藝性好壞的主要工藝性能指標，稱為金屬的塑性成形性能。金屬的塑性成形性好，表明該金屬適用于壓力加工。衡量金屬的塑性成形性，常從金屬材料的塑性和變形抗力兩個方面來考慮，材料的塑性越好，變形抗力越小，則材料的塑性成形性越好，越適合壓力加工。在實際生產(chǎn)中，往往優(yōu)先考慮材料的塑性。 金屬塑性變形時遵循的基本規(guī)律主要有最小阻力定律、加工硬化和體積不變規(guī)律等。 (一)最小阻力定律 最小阻力定律：在塑性變形過程中，如果金屬質(zhì)點有向幾個方向移動的可能時，則金屬各質(zhì)點將向阻力最小的方向移動。最小阻力定律符合力學的一般原則，它是塑性成形加工中最基本的規(guī)律之一。 通過調(diào)整某個方向的流動阻力來改變

5、某些方向上金屬的流動量，以便合理成形，消除缺陷。例如，在模鍛中增大金屬流向分型面的阻力，或減小流向型腔某一部分的阻力，可以保證鍛件充滿型腔。在模鍛制坯時，可以采用閉式滾擠和閉式拔長模膛來提高滾擠和拔長的效率。 利用最小阻力定律可以推斷，任何形狀的物體只要有足夠的塑性，都可以在平錘頭下鐓粗使坯料逐漸接近于圓形。這是因為在鐓粗時，金屬流動距離越短，摩擦阻力也越小。圖2-2所示方形坯料鐓粗時，沿四邊垂直方向摩擦阻力最小，而沿對角線方向阻力最大，金屬在流動時主要沿垂直于四邊方向流動，很少向?qū)蔷€方向流動，隨著變形程度的增加，斷面將趨于圓形。由于相同面積的任何形狀總是圓形周邊最短，因而最小阻力定律在鐓粗

6、中也稱為最小周邊法則。 圖2-2 鐓粗時的變形趨向 （二）加工硬化及卸載彈性恢復規(guī)律 彈性恢復規(guī)律：金屬在常溫下隨著變形量的增加，變形抗力增大，塑性和韌度下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。表示變形抗力隨變形程度增大的曲線稱為硬化曲線，如圖2-3所示。由圖可知，在彈性變形范圍內(nèi)卸載，沒有殘留的永久變形，應(yīng)力、應(yīng)變按照同一直線回到原點，如圖2-3所示OA段。當變形超過屈服點A進入塑形變形范圍，達到B點時的應(yīng)力與應(yīng)變分別為B、B，再減小載荷，應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系將按另一直線BC回到C點，不再重復加載曲線經(jīng)過的路線。加載時的總變形量B可以分為兩部分，一部分t因彈性恢復而消失，另一部分s保留下來成為塑性變形。 圖2-

7、3 硬化曲線 如果卸載后再重新加載，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系將沿直線CB逐漸上升，到達B點，應(yīng)力B使材料又開始屈服，隨后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系仍按原加載曲線變化，所以B又是材料在變形程度為B時的屈服點。硬化曲線可以用函數(shù)式表達為： =An 式中 A 與材料有關(guān)的系數(shù)，單位為MPa； n 硬化指數(shù)。 硬化指數(shù)n：硬化指數(shù)大，表明變形時硬化顯著，對后續(xù)變形不利。例如，20鋼和奧氏體不銹鋼的塑性都很好，但是奧氏體不銹鋼的硬化指數(shù)較高，變形后再變形的抗力比20鋼大得多，所以其塑性成形性也較20鋼差。 （三）塑性變形時的體積不變規(guī)律 體積不變規(guī)律：金屬材料在塑性變形前、后體積保持不變。根據(jù)體積不變規(guī)律，金屬塑性變形時主應(yīng)變

8、狀態(tài)只有三種，如圖2-4所示。 圖2-4 三種主應(yīng)變狀態(tài) 結(jié)論： （1）塑性變形時，只有形狀和尺寸的改變，而無體積的變化；（2）不論應(yīng)變狀態(tài)如何，其中必有一個主應(yīng)變的符號與其它兩個主應(yīng)變的符號相反，且這個主應(yīng)變的絕對值最大。 （3）當已知兩個主應(yīng)變的數(shù)值時，第三個主應(yīng)變大小也可求出。二、 影響金屬塑性變形的內(nèi)在因素 （一）化學成分 純金屬的塑性成形性較合金的好。鋼的含碳量對鋼的塑性成形性影響很大，對于碳質(zhì)量分數(shù)小于0.15%的低碳鋼，主要以鐵素體為主（含珠光體量很少），其塑性較好。隨著碳質(zhì)量分數(shù)的增加，鋼中的珠光體量也逐漸增多，甚至出現(xiàn)硬而脆的網(wǎng)狀滲碳體，使鋼的塑性下降，塑性成形性也越來越差。

9、合金元素會形成合金碳化物，形成硬化相，使鋼的塑性變形抗力增大，塑性下降，通常合金元素含量越高，鋼的塑性成形性能也越差。雜質(zhì)元素磷會使鋼出現(xiàn)冷脆性，硫使鋼出現(xiàn)熱脆性，降低鋼的塑性成形性能。（二）金屬組織 純金屬及單相固溶體的合金塑性成形性能較好；鋼中有碳化物和多相組織時，塑性成形性能變差；具有均勻細小等軸晶粒的金屬，其塑性成形性能比晶粒粗大的柱狀晶粒好；網(wǎng)狀二次滲碳體，鋼的塑性將大大下降。 三、 影響金屬塑性變形的加工條件 （一） 變形溫度 溫度升高，塑性提高，塑性成形性能得到改善。變形溫度升高到再結(jié)晶溫度以上時，加工硬化不斷被再結(jié)晶軟化消除，金屬的塑性成形性能進一步提高。過熱：加熱溫度過高，會

10、使晶粒急劇長大，導致金屬塑性減小，塑性成形性能下降，這種現(xiàn)象稱為“過熱”。過燒：如果加熱溫度接近熔點，會使晶界氧化甚至熔化，導致金屬的塑性變形能力完全消失，這種現(xiàn)象稱為“過燒”，坯料如果過燒將報廢。（二） 變形速度 變形速度：單位時間內(nèi)變形程度的大小。變形速度的增大，金屬在冷變形時的冷變形強化趨于嚴重；當變形速度很大時，熱能來不及散發(fā)，會使變形金屬的溫度升高，這種現(xiàn)象稱為“熱效應(yīng)”，它有利于金屬的塑性提高，變形抗力下降，塑性變形能力變好。圖2-5所示是變形速度與塑性的關(guān)系問題：在鍛壓加工塑性較差的合金鋼或大截面鍛件時，都應(yīng)采用較小的變形速度，若變形速度過快會出現(xiàn)變形不均勻，造成局部變形過大而產(chǎn)

11、生裂紋。圖2-5 變形速度與塑性的關(guān)系（三） 應(yīng)力狀態(tài) 實踐證明，在三向應(yīng)力狀態(tài)下，壓應(yīng)力的數(shù)目越多，則其塑性越好；拉應(yīng)力的數(shù)目越多，則其塑性越差。 選擇塑性成形加工方法時，應(yīng)考慮應(yīng)力狀態(tài)對金屬塑性變形的影響。 （四） 其它 模具和工具：模鍛的模膛內(nèi)應(yīng)有圓角，這樣可以減小金屬成形時的流動阻力，避免鍛件被撕裂或纖維組織被拉斷而出現(xiàn)裂紋。板料拉深和彎曲時，成形模具應(yīng)有相應(yīng)的圓角，才能保證順利成形。潤滑劑：可以減小金屬流動時的摩擦阻力，有利于塑性成形加工。綜上所述，金屬的塑性成形性能既取決于金屬的本質(zhì)，又取決于變形條件。在塑性成形加工過程中，要根據(jù)具體情況，盡量創(chuàng)造有利的變形條件，充分發(fā)揮金屬的塑性

12、，降低其變形抗力，以達到塑性成形加工的目的。 四、 金屬塑性變形對組織和性能的影響 （一）變形程度的影響 塑性變形程度的大小對金屬組織和性能有較大的影響。變形程度過小，不能起到細化晶粒提高金屬力學性能的目的；變形程度過大，不僅不會使力學性能再增高，還會出現(xiàn)纖維組織，增加金屬的各向異性，當超過金屬允許的變形極限時，將會出現(xiàn)開裂等缺陷。對不同的塑性成形加工工藝，可用不同的參數(shù)表示其變形程度。鍛造比Y鍛：鍛造加工工藝中，用鍛造比Y鍛來表示變形程度的大小。拔長：Y鍛=S0/S（S0、S分別表示拔長前后金屬坯料的橫截面積）；鐓粗：Y鍛=H0/H（H0、H分別表示鐓粗前后金屬坯料的高度）。碳素結(jié)構(gòu)鋼的鍛造

13、比在23范圍選取，合金結(jié)構(gòu)鋼的鍛造比在34范圍選取，高合金工具鋼（例如高速鋼）組織中有大塊碳化物，需要較大鍛造比（Y鍛=512），采用交叉鍛，才能使鋼中的碳化物分散細化。以鋼材為坯料鍛造時，因材料軋制時組織和力學性能已經(jīng)得到改善，鍛造比一般取1.11.3即可。表示變形程度的技術(shù)參數(shù)：相對彎曲半徑（r/t）、拉深系數(shù)（m）、翻邊系數(shù)（k）等。擠壓成形時則用擠壓斷面縮減率（p）等參數(shù)表示變形程度。 （二）纖維組織的利用 纖維組織：在金屬鑄錠組織中的不溶于金屬基體的夾雜物（如FeS等），隨金屬晶粒的變形方向被拉長或壓扁呈纖維狀。當金屬再結(jié)晶時，被壓碎的晶?；謴蜑榈容S細晶粒，而夾雜物無再結(jié)晶能力，仍然

14、以纖維狀保留下來，形成纖維組織。纖維組織形成后，不能用熱處理方法消除，只能通過鍛造方法使金屬在不同方向變形，才能改變纖維的方向和分布。纖維組織的存在對金屬的力學性能，特別是沖擊韌度有一定影響，在設(shè)計和制造零件時，應(yīng)注意以下兩點： （1）零件工作時的正應(yīng)力方向與纖維方向應(yīng)一致，切應(yīng)力方向與纖維方向垂直。 （2）纖維的分布與零件的外形輪廓應(yīng)相符合，而不被切斷。例如，鍛造齒輪毛坯，應(yīng)對棒料鐓粗加工，使其纖維呈放射狀，有利于齒輪的受力；曲軸毛坯的鍛造，應(yīng)采用拔長后彎曲工序，使纖維組織沿曲軸輪廓分布，這樣曲軸工作時不易斷裂，如圖2-6所示。圖2-6 纖維組織的分布比較纖維組織的形成 （三）冷變形與熱變形

15、 通常將塑性變形分為冷變形和熱變形。冷變形：再結(jié)晶溫度以下的塑性變形。冷變形有加工硬化現(xiàn)象產(chǎn)生，但工件表面質(zhì)量好。熱變形：再結(jié)晶溫度以上的塑性變形。熱變形時加工硬化與再結(jié)晶過程同時存在，而加工硬化又幾乎同時被再結(jié)晶消除。由于熱變形是在高溫下進行的，金屬在加熱過程中表面易產(chǎn)生氧化皮，使精度和表面質(zhì)量較低。自由鍛、熱模鍛、熱軋、熱擠壓等工藝都屬于熱變形加工。五、 常用合金的壓力加工性能 常用壓力加工合金：各種鋼材、鋁、銅合金都可以鍛造加工。其中，Q195、Q235、10、15、20、35、45、50鋼等中低碳鋼，20Cr，銅及銅合金，鋁及鋁合金等鍛造性能較好。冷沖壓是在常溫下加工，對于分離工序，只要材料有一定的塑性就可以進行；對于變形工序，例如彎曲、拉深、擠壓、脹形、翻邊等，則要求材料具有良好的沖壓成形性能，Q195、Q215、08、08F、10、15、20等低碳鋼，奧氏體不銹鋼，