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1、金属塑性成形理论基础西安交通大学机械工程学院郭 成 教授主要参考文献1 邢建东，陈金德 主编.材料成形技术基础（第2版），机械工业出版社，2007.62余汉清，陈金德 编.金属塑性成形原理，机械工业出版社，1999.103汪大年主编.金属塑性成形原理，机械工业出版社，1986.11 企业工程师提出的问题(1)不同头型的冷镦力计算方法和公式。(2)冷镦时金属变形的规律和遵循准则。(3)模具外径、钨钢外径、与产品外径在设计中如何匹配才能保证模具达到最好寿命。(4)金属材料塑性变形(5)冷挤压原理(6)冷镦件设计（工位）(7)冷锻模结构类型（多工位连续模）(8)冷挤压的摩擦系数知识塑性成形是利用金属
2、的塑性，在外力作用下使金属发生塑性变形，从而获得所需要形状和性能工件的一种加工方法；因此，又称为塑性加工或压力加工。1.塑性成形的物理冶金学基础1.1 塑性变形机理1）冷塑性变形机理 多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶界变形（晶间变形）两种。在冷态条件下，由于晶界强度高于晶内，多晶体的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形只起次要作用，而且需要有其它变形机制相协调。晶内变形方式有滑移和孪生。由于滑移所需临界切应力小于孪生所需临界切应力，故多晶体塑性变形的主要方式是滑移变形，孪生变形是次要的，一般仅起调节作用。对于密排六方金属，孪生变形起着重要作用。图1-1 晶体滑移时的应力分析晶体的滑移过程，实质上是
3、位错的移动和增殖的过程。由于在这个过程中位错的交互作用，位错反应和相互交割加剧，产生固定割阶、位错缠结等障碍，使位错难以越过这些障碍。要使金属继续变形，就需要不断增加外力，便产生了加工硬化。图1-2 刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意图1-3 螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意图1-4 面心立方晶体孪生变形示意 冷塑性变形时，多晶体主要是晶内滑移变形;实质上是位错的移动和增殖的过程;由于位错的交互作用,塑性变形时 产生了加工硬化。2）热塑性变形机理变形机理主要有：晶内滑移与孪生、晶界滑移和扩散蠕变。高温时原子间距加大，热振动和扩散速度增加，位错滑移、攀移、交滑移及节点脱锚比低温容易；滑移系增多
4、，滑移灵便性提高，各晶粒之间变形更加协调；晶界对位错运动阻碍作用减弱。因此，其主要机理仍然是晶内滑移。热塑性变形时，由于晶界强度降低，使得晶界滑动易于进行；温度越高，原子动能和扩散能力就越大，扩散蠕变既直接为塑性变形作贡献，也对晶界滑移其调节作用。热塑性变形的主要机理仍然是晶内滑移；由于晶界滑动和扩散蠕变作用的增加，再加之变形时会产生动态回复和再结晶。因此，热态下金属塑性变形能力比冷态下高，变形抗力较低。图1-5 动、静回复和再结晶示意图1-6 扩散蠕变示意a）空位和原子的移动方向 b）晶内扩散 c）晶界扩散1.2 塑性变形对组织与性能的影响a、冷塑性变形对组织和性能的影响 1）对金属组织的影
5、响（1）在晶粒内部出现滑移带和孪生带等组织（2）形成了纤维组织 冷加工变形后，金属晶粒形状发生了变化，变化趋势大体与金属宏观变形一致。轧制变形时，原等轴晶粒沿变形方向伸长。变形程度大时，晶粒呈现为一片如纤维状的条纹，称为纤维组织。当有夹杂或第二相质点时，则它们会沿变形方向拉长成细带状或粉碎成链状。（3）变形织构 多晶体塑性变形时伴随着晶粒的转动，当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒，会逐渐调整其取向而彼此趋于一致，这种由于塑性变形而使晶粒具有择优取向的组织，称为“变形织构”。图1-7 丝织构示意图a）拉拔前 b）拉拔后图1-8 板织构示意a)轧制前 b）轧制后（4）晶粒内产生胞状亚结
6、构 塑性变形主要是位错运动的结果。大变形后，位错密度可从退火状态106107cm-2增加到10111012cm-2。位错运动及交互作用结果，其分布是不均匀的。它们先是纷乱地纠缠成群，形成“位错缠结”。变形量增大，就形成胞状亚结构。2）对金属性能的影响 随着变形程度的增加，金属强度、硬度增加，而塑性、韧性降低。金属的性能将显示各向异性。图1-9 45号钢力学性能与变形程度的关系曲线图1-10 因板织构所造成的“制耳”a)无制耳 b)有制耳b、热塑性变形对组织和性能的影响1）对组织的影响（1）改善晶粒组织，细化晶粒 铸态金属，粗大树枝状晶塑性变形及再结晶而变成等轴（细）晶粒组织；对于经轧制、锻造或
7、挤压的钢坯或型材，在热加工中通过塑性变形与再结晶，其晶粒组织一般也可得到改善。（2）锻合内部缺陷铸态金属中疏松、空隙和微裂纹等缺陷被压实，提高金属致密度。锻合经历两个阶段：缺陷区发生塑性变形，空隙两壁闭合；在压应力作用下，加上高温，使金属焊合。没有足够大的变形，不能实现空隙闭合，很难达到宏观缺陷焊合。足够大三向压应力，能实现微观缺陷锻合。（3）形成纤维组织热变形过程中，变形程度增加，钢锭内粗大树枝晶沿变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物走向也逐渐与主变形方向一致，形成流线。由于再结晶的结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而流线却很稳定地保留下来直至室温。图1-11 钢锭锻造过程
8、中纤维组织形成的示意（4）破碎改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布高速钢、高铬钢、高碳工具钢等，其内部含有大量的碳化物。通过锻造或轧制，可使这些碳化物被打碎、并均匀分布，从而改善了它们对金属基体的削弱作用。2）对性能的影响 细化晶粒、锻合内部缺陷、破碎并改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布可提高材料的强度、硬度、塑性和韧性。纤维组织形成，使金属力学性能呈各向异性，沿流线方向比垂直流线方向具有较高的力学性能，其中尤以塑性、韧性指标最为显著。1.3 变形条件对金属塑性的影响1）变形温度对金属塑性的影响 其总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的线性上升；在加热过程的某些温度区间，往往由
9、于相变或晶粒边界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。图1-12 碳钢的塑性随温度的变化曲线 温度升高使金属塑性增加的原因，归纳起来有以下几个方面：（1）发生回复或再结晶 回复使金属得到一定程度的软化，再结晶则完全消除了加工硬化的效应，因而使金属的塑性提高。（2）原子动能增加原子动能增加使位错活动性提高、滑移系增多，从而改善了晶粒之间变形的协调性。例如，面心立方的铝，在室温时的滑移面为（111），当温度升高到400时，除了（111）面外，（100）面也参与滑移，在450550温度范围内，铝的塑性最好。（3）金属的组织结构发生变化可由多相组织转变为单相组织，也可由对塑性不利晶格转变为对塑性有
10、利的晶格。例，碳钢在9501250温度范围内处于单相奥氏体组织，塑性最好。又如，钛在室温时呈密排六方晶格，温度高于882时，转变为体心立方晶格（-Ti），因而塑性有明显增加。（4）扩散蠕变机理起作用 它不仅对塑性变形直接作贡献，还对变形起协调作用，因此使金属塑性增加。特别是高温低速条件下细晶组织金属的塑性变形，其发挥的作用就更大.（5）晶间滑移作用增强 随温度升高，晶界切变抗力显著降低，晶间滑移易于进行；高温扩散作用加强及时消除了晶间滑移所引起的微裂纹，使晶间滑移量增大；此外，晶间滑移的结果，能松弛相邻晶粒间由于不均匀变形所引起的应力集中,促使金属在高温下塑性的增加。2）应变速率对金属塑性的影
11、响 单位时间的应变称为应变速率。成形设备的工作速度差别很大，水压机约为1l0cm/s，机械压力机约为30l00cm/s，锻锤约为500900cm/s。设备工作速度不同，工件应变速率必然也不同。为制订变形时温度速度规范，需了解应变速率对塑性行为的影响。应变速率增加，既有使塑性降低的一面，又有使塑性增加的一面，综合作用的结果，最终决定了金属塑性的变化；总的说来，热变形时对塑性的影响较冷变形时大。随着变形温度不同，应变速率对塑性影响的各机理所起的作用不同。在分析应变速率影响时，不应脱离变形温度因素，而应将温度、速率联系起来考虑。对塑性影响的一些基本结论如下。（1）一般趋势为：较低应变速率下提高应变速
12、率，温度效应所引起的塑性增加小于其它机理所引起的塑性降低，最终塑性降低；应变速率较大，温度效应增大，塑性不再随应变速率增加而降低；应变速率更大，温度效应显著，对塑性有利影响超过其它机理对塑性不利影响，使得塑性回升。图1-13 应变速率对塑性的影响（2）对于具有脆性转变的金属，如果应变速率增加，由于温度效应作用加强而使金属由塑性区进入脆性区，则金属的塑性降低；反之，如果温度效应的作用恰好使金属由脆性区进入塑性区，则对提高金属塑性有利。（3）从工艺角度来看，提高应变速率会在以下几个方面起有利作用：第一，降低摩擦系数，从而降低金属的流动阻力，改善金属的充填性及变形的不均匀性。第二，减少热量损失，从而
13、减少毛坯温度下降和分布不均匀性。这对工件形状复杂（如具有薄壁、高肋等）且锻造温度范围又窄的场合有利。第三，出现所谓“惯性流动效应”，从而改善金属的充填性。（4）在极高的应变速率（爆炸成形压力波的速度约为1 2007000m/s，电液成形约为6 000ms，电磁成形约为3 0006000m/s）下，材料的塑性变形能力大为提高。压应力个数越多、数值越大，则静水压力就越大，材料的塑性越好；反之，拉应力个数越多、数值越大，静水压力小，材料的塑性也越差。3）应力状态对金属塑性的影响 应力状态对塑性的影响，实际上是通过静水压力0起作用的。1.5 塑性变形的特点1)各晶粒变形的不同时性 变形不是在所有晶粒内
14、同时发生，而是首先在那些位向有利、滑移系上剪应力分量优先达到临界值的晶粒内进行。开始变形晶粒中的位错无法移出晶粒，在接近晶界的区域塞积，位错塞积群产生很强的应力场，越过晶界作用到相邻晶粒上，使其得到附加的应力。最终使位向不利相邻晶粒某些取向因子小的滑移系位错源也开动起来，从而发生相应的滑移。2)各晶粒变形的相互协调性 多晶体中每个晶粒都处于其它晶粒包围之中，它们的变形不是孤立和任意的，而是需要相互协调配合，否则无法保持晶粒之间的连续性。故此，要求每个晶粒进行多系滑移，每个晶粒至少要求有五个独立的滑移系启动。3)变形的不均匀性 软位向晶粒先发生滑移变形，硬位向晶粒继之，最终表现出各晶粒变形量不同。由于存在晶界，其变形不如晶内容易。晶界处于不同位向晶粒中间区域，要维持变形连续，晶界势必要起折中调和作用。晶界要抑制易于变形的晶内变形，又要促进不利于变形的晶粒变形。最终必然表现出晶粒与晶粒之间及晶内和晶界之间变形的不均匀性。1.6 金属塑性变形规律1）体积不变定理（条件）塑性变形时体积不变。2）最小阻力定律 在塑性成形过程中，当金属质点有向几个方向移动的可能时，它向阻力最小的方向移动。3）选择准则（最小载荷定律）当存在非唯一解时，最适当的解对应于最低的载荷值。