-金属塑性成形基础

1、00100%hLLL00100%hFFF式中：式中：L L0 0拉伸试样原始标距长度；拉伸试样原始标距长度； L Lh h拉伸试样破断后标距间的长度；拉伸试样破断后标距间的长度； F F0 0拉伸试样原始断面积；拉伸试样原始断面积； F Fh h拉伸试样破断处的断面积拉伸试样破断处的断面积 00100%hLLL00100%hFFF00100%hHHH式中：式中： 压下率；压下率； H0试样原始高度；试样原始高度； Hh试样压缩后，在侧表面出现第一条试样压缩后，在侧表面出现第一条 裂纹时的裂纹时的 高度高度030nRL式中：式中：R试样工作段的半径；试样工作段的半径； L0试样工作段的长度；试样

2、工作段的长度； n试样破坏前的总转数。试样破坏前的总转数。 塑性变形速度，变形速度，1/秒秒铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度塑塑性性成成形形体积成形：锻造、轧制、挤压和拉拔体积成形：锻造、轧制、挤压和拉拔 板料成形：冲裁、弯曲、拉深和成形板料成形：冲裁、弯曲、拉深和成形 热成形、冷热成形、冷(温温)成形成形 加工加工 温度温度受力受力变形变形 优于铸件和切削加工件优于铸件和切削加工件易实现机械化、自动化易实现机械化、自动化，锻锻造造锻锻压压孪晶孪晶滑移滑移2.2.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形： 由由晶内变形晶内变形（各晶粒内通过位错运动各晶粒内通过位错运

3、动发生的滑移或孪晶）和发生的滑移或孪晶）和晶间变形晶间变形（晶粒间的滑动和转动晶粒间的滑动和转动）共同完成的共同完成的。意义意义：强化金属：强化金属。纯纯金属及某些不能通过热处理方法强化的合金，如低碳金属及某些不能通过热处理方法强化的合金，如低碳钢、纯铜、防锈铝、奥氏体不锈钢、高锰钢等，可通钢、纯铜、防锈铝、奥氏体不锈钢、高锰钢等，可通过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提高其强度和硬度过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提高其强度和硬度。但但在冷轧薄钢板、冷拉细钢丝及多道拉深的过程中，也在冷轧薄钢板、冷拉细钢丝及多道拉深的过程中，也会由于加工会由于加工硬化造成后道加工硬化造成后道加工的困难的困难, ,甚至开

4、甚至开裂。裂。故故应应在工序间穿插热处理工艺来消除加工硬化在工序间穿插热处理工艺来消除加工硬化。回回 （0.250.250.30.3）T T熔熔 生产中常利用生产中常利用回复回复消除加工硬化后工件消除加工硬化后工件的残余内应力。的残余内应力。 再再 0.4 0.4 熔熔生产中，再结晶也有广泛的应用生产中，再结晶也有广泛的应用。例如例如：在冷轧、冷挤、冷拉、冷冲的过程中穿在冷轧、冷挤、冷拉、冷冲的过程中穿插插再结晶退火再结晶退火，消除加工硬化，恢复金属材料，消除加工硬化，恢复金属材料的良好塑性的良好塑性，以利于后续的冷变形加工。以利于后续的冷变形加工。包括冷冲、冷挤、冷镦、冷轧、冷拔等，包括冷冲

5、、冷挤、冷镦、冷轧、冷拔等，成形后的金属表面光洁、尺寸成形后的金属表面光洁、尺寸 精确，具有较高强度和硬度。精确，具有较高强度和硬度。量量 包括包括锻造、热挤压、热轧锻造、热挤压、热轧，T T变变T T再再优缺点：优缺点：（1 1）产品力学性能高；）产品力学性能高； （2 2）无加工硬化现象；）无加工硬化现象； （允许以较小的功达到较大的变形（允许以较小的功达到较大的变形。）。） （3 3）产品尺寸精度有所下降。（考虑原）产品尺寸精度有所下降。（考虑原因）因） 为帮助大家更好地理解和掌握加工硬化为帮助大家更好地理解和掌握加工硬化、回复回复、再结晶对金属组织和性能的影响，下面举例再结晶对金属组织

6、和性能的影响，下面举例说明说明：例例1 1：已知铅的熔点为：已知铅的熔点为327327，钨的熔点为，钨的熔点为33803380。问：铅在。问：铅在2020、钨在钨在10001000时变时变形各属哪种变形？为什么？形各属哪种变形？为什么？解：解：T T铅再铅再 0.4T 0.4T 熔熔 0.4 0.4（327+273327+273） 240 240K K -33 -33 2010001000 T T 钨钨回回 （0.250.250.30.3）T T熔熔 （91391310961096）K K （640640823823） 1000 1000 故钨在故钨在10001000属于属于温变形温变形。 锻

7、造流线的化学稳定性很高，用热处理或其锻造流线的化学稳定性很高，用热处理或其它方法都不能消除，只能通过重新锻压才能改变它方法都不能消除，只能通过重新锻压才能改变其流线方向和分布状况其流线方向和分布状况。（1 1）材料本质）材料本质 1 1）化学成分）化学成分： 碳碳：C C固溶于固溶于FeFe中，形成中，形成F F、A A，塑性增大，塑性增大，变形抗力下降，变形抗力下降，C C与与FeFe形成形成FeFe3 3C C，塑性下降，变形抗力增大。，塑性下降，变形抗力增大。 杂质元素杂质元素：硫、磷等杂质元素，一般使钢塑：硫、磷等杂质元素，一般使钢塑性下降。性下降。 合金元素合金元素：一般降低塑性，提

8、高变形抗力，：一般降低塑性，提高变形抗力，2 2）金相组织）金相组织： 单相优于多相；细晶粒优于粗晶粒，单相优于多相；细晶粒优于粗晶粒， 热成形组织优于冷成形和铸态组织热成形组织优于冷成形和铸态组织 。（2 2）变形条件）变形条件1 1）变形温度变形温度， 一般情况：一般情况： 温度升高，塑性增大，塑性成形性增大，温度升高，塑性增大，塑性成形性增大，但温度过高，塑性会下降，塑性成形性也会但温度过高，塑性会下降，塑性成形性也会下降。下降。 2 2）应变速率）应变速率，指应变相对于时间的变化率。，指应变相对于时间的变化率。两方面：两方面：应变速率增大，塑性下降；应变速率增大，塑性下降； 应变速率达

9、一定值后，应变速率达一定值后， 由于热效应，塑性增大。由于热效应，塑性增大。3 3）应力状态）应力状态 ：指受力物体内一点的各个面：指受力物体内一点的各个面 上的应力状况。上的应力状况。主应力图：变形体内单元体上主应力作用情主应力图：变形体内单元体上主应力作用情 况的示意图形。况的示意图形。应力状态取决于加工方式。应力状态取决于加工方式。压应力个数越多，数值越大，塑性越好。压应力个数越多，数值越大，塑性越好。平行于坐标面上应力示意图平行于坐标面上应力示意图 2.9 金属塑性成形基础 塑性加工的宏观规律2.9.1 2.9.1 塑性流动规律（最小阻力定律）塑性流动规律（最小阻力定律）最小阻力定律最

10、小阻力定律 最小周边法则最小周边法则 实际应用分析实际应用分析 2.9.2 2.9.2 影响金属塑性流动和变形的因素影响金属塑性流动和变形的因素 1 1 摩擦的影响摩擦的影响 摩擦影响的实质：由于摩擦力的作用，在一定程度上摩擦影响的实质：由于摩擦力的作用，在一定程度上 改变了金属的流动特性并使应力分改变了金属的流动特性并使应力分 布受到影响。布受到影响。 2 2 变形区的几何因素的影响变形区的几何因素的影响 变形区的几何因子（如变形区的几何因子（如H/DH/D、H/LH/L、H/BH/B等）是影等）是影响变形和应力分布很重要的因素。响变形和应力分布很重要的因素。 3 3 工具的形状和坯料形状的

11、影响工具的形状和坯料形状的影响 工具（或坯料）形状是影响金属塑性流动方向的工具（或坯料）形状是影响金属塑性流动方向的重要因素。工具与金属形状的差异，是造成金属沿各重要因素。工具与金属形状的差异，是造成金属沿各个方向流动的阻力有差异，因而金属向各个方向的流个方向流动的阻力有差异，因而金属向各个方向的流动（即变形量）也有相应差别。动（即变形量）也有相应差别。 4 4 外端的影响外端的影响 外端（未变形的金属）对变形区金属的影响主要外端（未变形的金属）对变形区金属的影响主要是阻碍变形区金属流动，进而产生或加剧附加的应力是阻碍变形区金属流动，进而产生或加剧附加的应力和应变。和应变。 外端的概念外端的概

12、念5 5 变形温度的影响变形温度的影响 变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形和流动的差异。变形首先发生在那些变形抗力最小的和流动的差异。变形首先发生在那些变形抗力最小的部分。一般，在同一变形物体中高温部分的变形抗力部分。一般，在同一变形物体中高温部分的变形抗力低，低温部分的变形抗力。低，低温部分的变形抗力。 6 6 金属性质不均的影响金属性质不均的影响 变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异。差异。 2.9

13、.3 2.9.3 不均匀变形、附加应力和残余应力不均匀变形、附加应力和残余应力 1 1 均匀变形与不均匀变形均匀变形与不均匀变形 2 2 研究变形分布的方法研究变形分布的方法 3 3 基本应力与附加应力基本应力与附加应力 4 4 残余应力残余应力 1 1 均匀变形与不均匀变形均匀变形与不均匀变形 若变形区内金属各质点的应变状态相同，即若变形区内金属各质点的应变状态相同，即它们相应的各个轴向上变形的发生情况，发展方它们相应的各个轴向上变形的发生情况，发展方向及应变量的大小都相同，这个体积的变形可视向及应变量的大小都相同，这个体积的变形可视为均匀的。为均匀的。 不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀

14、流动不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。因此，凡是影响金属塑性流动的因素，引起的。因此，凡是影响金属塑性流动的因素，都会对不均匀变形产生影响。都会对不均匀变形产生影响。 均匀变形与不均匀变形的概念均匀变形与不均匀变形的概念均匀变形必需满足的条件均匀变形必需满足的条件不均匀变形的典型现象不均匀变形的典型现象2 2 研究变形分布的方法研究变形分布的方法 金属塑性加工中，研究变形物体内变形分布金属塑性加工中，研究变形物体内变形分布（即金属流动）的方法很多。（即金属流动）的方法很多。 常用的方法有：常用的方法有：网格法；网格法；硬度法硬度法 ；比较晶粒法。比较晶粒法。3 3 基本应力与附加

15、应力基本应力与附加应力 金属变形时体内变形分布不均匀，不但使物金属变形时体内变形分布不均匀，不但使物体外形歪扭和内部组织不均匀，而且还使变形体体外形歪扭和内部组织不均匀，而且还使变形体内应力分布不均匀。此时，除基本应力外还产生内应力分布不均匀。此时，除基本应力外还产生附加应力。附加应力。 基本应力与附加应力的概念基本应力与附加应力的概念附加应力的种类附加应力的种类附加应力对塑性变形附加应力对塑性变形 产生的不良后果：产生的不良后果： l4 4 残余应力残余应力1 1残余应力的来源残余应力的来源 2 2变形条件对残余应力的影响变形条件对残余应力的影响 3 3残余应力所引起的后果残余应力所引起的后

16、果 4 4减小或消除残余应力的措施减小或消除残余应力的措施 5 5研究残余应力的主要方法研究残余应力的主要方法 残余应力的来源残余应力的来源残余应力所引起的后果残余应力所引起的后果减小或消除残余应力的措施减小或消除残余应力的措施研究残余应力的主要方法研究残余应力的主要方法 图图330 棒材中心钻孔测残余应力棒材中心钻孔测残余应力图图331 变形与钻孔横断面积关系变形与钻孔横断面积关系X射线法射线法2.9.4 2.9.4 塑性加工过程的断裂与可加工性塑性加工过程的断裂与可加工性 1 1锻造时的表面开裂锻造时的表面开裂 一、锻造时的断裂一、锻造时的断裂预防措施：预防措施： 2 2锻造时的内部裂纹锻造时