第3章金属材料的塑性成形概述3.1金属塑性成形基础3.2 常用的塑性成形方法3.3 少、无切削的塑性成形方法3.4 常用的塑性成形金属材料概述金属塑性成形是利用金属材料所具有的塑性，在外力作用下通过塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。

由于外力多数情况下是以压力的形式出现的，因此也称为金属压力加工。

塑性成形的产品主要有原材料、毛坯和零件三大类。

金属塑性成形的基本生产方式有：轧制、拉拔、挤压、自由锻、模锻、板料冲压等。

塑性成形的特点及应用：（1）消除缺陷，改善组织，提高力学性能。

（2）材料的利用率高。

（3）较高的生产率。

如利用多工位冷镦工艺加工内角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍。

（4）零件精度较高。

应用先进的技术和设备，可实现少切削或无切削加工。

如精密锻造的伞齿轮可不经切削加工直接使用。

但该方法不能加工脆性材料和形状特别复杂或体积特别大的零件或毛坯。

塑性成形加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到了广泛应用。

例如，飞机上的塑性成形零件约占85%；汽车、拖拉机上的锻件占60%～80%。

3.1 金属塑性成形基础3.1.1 单晶体和多晶体的塑性变形3.1.2 金属的塑性变形3.1.3 塑性成形金属在加热时组织和性能的变化3.1.4 金属的塑性成形工艺基础3.1.1单晶体和多晶体的塑性变形1.单晶体的塑性变形金属塑性变形最常见的方式是滑移。

滑移是晶体在切应力的作用下，一部分沿一定的晶面（亦称滑移面）和晶向（也称滑移方向）相对于另一部分产生滑动。

晶体滑移变形示意图滑移的实质:是通过晶体中的位错线沿滑移面的移动来实现的。

位错运动引起的滑移变形原理图2.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形是以单晶体的塑性变形为基础的，但多晶体中的晶粒取向不同、晶界的存在，对塑性变形的阻力增加。

晶粒之间也要相互滑动和转动。

3.1.2 金属的塑性变形1.形变强化（亦称加工硬化）金属塑性变形时产生的强度和硬度增加,塑性和韧性下降的现象，称形变强化（亦称加工硬化）。

图3.1.1 纯铜冷轧变形度对力学性能的影响2.塑性变形后金属的组织结构变化图3.1.3 亚组织细化晶粒沿变形方向伸长、性能趋于各向异性；形变强化、亚组织细化。

图3.1.2变形前后晶粒形状变化示意3.塑性变形产生的残余内应力残余内应力是指外力去除后，残留于金属内部且平衡于金属内部的应力。

它主要是金属在外力作用下，内部变形不均匀造成的，可分为三类。

第一类残余内应力由于金属一部分和另一部分变形不均匀而平衡于它们之间的宏观残余内应力。

如拉丝时表面和心部。

当宏观残余应力与工作应力方向一致时会降低材料强度。

第二类残余内应力相邻晶粒变形不均匀或晶内不同部位变形不均匀造成的微观残余内应力。

第三类残余内应力由于位错等缺陷的增加所造成的晶格畸变应力。

这三类应力中，第三类占90%以上。

3.1.3 塑性成形金属在加热时组织和性能的变化1.加热时组织和性能变化要消除形变强化、消除残余应力，必须对塑性变形金属加热，因为在室温下，原子活动能量小，不可能自行恢复到未变形前的稳定状态。

加热后，原子活动能力增加，就能消除晶格畸变和降低残余应力。

随着加热温度的升高，塑性变形金属组织和性能变化可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。

（1）回复（2）再结晶再结晶温度可用经验关系式表示如下：T 再（k）＝0.4T熔(k)式中T再为最低的再结晶温度；T 熔为金属熔点的温度。

变形金属加热时组织和性能的变化再结晶只是改变了晶粒的形状，消除了因变形而产生的某些晶体缺陷，再结晶没有改变晶格的类型，再结晶不是相变过程。

为了消除形变强化所进行的热处理称为再结晶退火。

再结晶退火的温度应比最低再结晶温度高150～250℃。

（3）晶粒长大温度继续升高，或延长保温时间，则再结晶后的晶粒又会长大而形成粗大晶粒，从而使金属的强度、硬度和塑性降低。

所以要正确选择再结晶温度和加热时间的长短。

晶粒长大动画示意2.金属的冷成形、热成形及温成形金属在塑性变形时根据加工温度可分为热成形、冷成形及温成形。

（1）冷成形即坯料在回复温度以下进行的塑性成形过程，变形过程中会出现形变强化（加工硬化）。

形变强化对金属冷变形加工的影响1）金属强度提高，要求压力加工设备的功率增大。

2）金属塑性下降，使金属继续塑性变形困难，需增加中间退火工序，降低了生产率，提高了生产成本。

3）一些不能用热处理方法强化的金属材料，可应用冷形变强化来提高金属构件的承载能力。

（2）热成形即金属在再结晶温度以上进行的塑性成形。

变形过程中既有加工硬化又有再结晶，如硬化被再结晶完全消除，可获得综合力学性能良好的再结晶组织。

各国习惯上将塑性成形加工分为两大类。

一类是生产原材料为主的塑性加工称为一次塑性加工，另一类是生产零件及其毛坯为主的塑性加工称为二次塑性加工。

大多数情况下，二次塑性加工都是用经过一次塑性加工所提供的原材料进行再次加工。

一次塑性加工如图3.1.4所示。

一次热变形时组织和性能的变化：1)消除铸造缺陷，部分消除偏析，提高材料的力学性能。

例如，铜铸锭的密度为6.9g/cm 3，经热轧后可提高到7.85g/cm 3。

2)细化晶粒，提高材料的力学性能。

3) 形成纤维组织（又称热加工流线）。

图3.1.4钢锭在热轧过程中的组织变化及再结晶示意图图3 .1.5一次热变形型材示意二次热变形时组织和性能的变化：1) 消除缺陷，提高材料的致密度。

2) 细化晶粒，提高材料的力学性能。

3) 改变流线的方向。

纤维组织，不能用热处理方法消除。

则在锻造时可采用交替镦粗与拔长来改变流线的方向。

二次热变形时组织变化示意（3）温成形金属在高于回复温度和低于再结晶温度范围内进行的塑性成形过程。

变形过程中有加工硬化及回复现象，但无再结晶，硬化只得到部分消除。

温成形较之冷成形可降低变形力且利于提高金属塑性，较之热成形可降低能耗且减少加热缺陷，适用于强度较高、塑性较差的金属，在生产用于尺寸较大、材料强度较高的零件或半成品制造。

冷塑性变形金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷塑性变形。

热塑性变形在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热塑性变形。

在锻压生产中，进行冷塑性变形又称冷加工，进行热塑性变形又称热加工。

3.锻造比与锻造流线（1）锻造比锻造时变形程度的一种表示方法，通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示。

例如：拔长时：y=A0/A=L/L镦粗时：y=A/A=H/H式中y—锻造比；A、A—毛坯变形前、后截面积；L、L—毛坯变形前、后的长度；H、H—毛坯变形前、后的高度。

在锻造过程中，随着锻造比的增加，金属的力学性能显著提高，这是由于组织致密程度和晶粒细化程度提高所致。

结构钢钢锭的锻造比一般为2～4，各类钢坯和轧材的锻造比一般为1.1～1.3。

（2）锻造流线锻造时，热塑性成形时形成的纤维组织（或称为流线），当达到一定的锻造比后，流线明显改变，沿锻件的轮廓连续分布，使锻件的性能发生改变，沿流线纵向上的力学性能显著高于流线横向，如图3.1.6所示。

图3.1.6 金属热成形时力学性能与形变强度的关系１－纵向性能２－横向性能锻造成型切削成型因此，热塑性成形时应力求使工件上的锻造流线分布合理，如图3.1.7所示。

图3.1.7 曲轴流线分布示意图3.1.4 金属的塑性成形工艺基础1.塑性成形的基本生产按照成形特点，一般把压力加工分为轧制、拉拔、挤压、锻造（自由锻和模锻）和冲压五大类。

其中轧制、拉拔和挤压适合于连续的大量生产，生产型材、板材、管材和线材等金属原材料，而锻造和冲压成形适宜于间歇生产，适于机器零件或坯料的生产。

锻造属体积成形，而冲压属于板料成形，故称板料冲压。

锻造和板料冲压又称为锻压。

凡承受重载荷的机器零件，如机器的主轴、重要齿轮、连杆、炮管和枪管等，通常需采用锻件作毛坯，再经切削加工而制成。

板料冲压广泛用于汽车制造、电器、仪表及日用品工业等方面。

（1）轧制是指金属坯料在两个回转轧辊的孔隙中受压变形，以获得各种产品的加工方法。

轧制示意（2）挤压指金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。

挤压示意（3）拉拔是指将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法.拉拔模模孔常选用耐磨的硬质合金或其它耐磨材料来制造。

（4）自由锻和模锻自由锻是指金属坯料在上下砧铁间受冲击力或压力而变形的加工方法。

模锻是指金属坯料在具有一定形状的锻模模膛内受冲击力或压力而变形的加工方法。

拉拔示意（5）板料冲压是指金属板料在冲模之间受压力产生分离或变形的加工方法。

最常用的如下图所示。

弯曲示意冲裁示意2.金属的塑性成形性材料的塑性成形性是指材料经过塑性变形不产生裂纹和破裂以获得所需形状的加工性能。

其中，材料在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力称为锻造性能。

材料的塑性成形性常用塑性和变形抗力综合衡量，通常材料的塑性越好，变形抗力越低，则塑性成形性越好。

材料的塑性成形性取决于材料的本质和变形条件两方面的因素。

（1）材料本质的影响材料本质方面的影响因素有化学成分和组织等。

1)化学成分一般情况下，纯金属的塑性成形性优于合金，合金中合金元素含量越多，塑性成形性越差。

钢中碳含量、合金元素含量越多，塑性成形性越差。

硫易使钢产生热脆，磷易使钢产生冷脆，都会使钢的塑性成形性降低。

2)金属组织同样的化学成分，固溶体组织的塑性成形性优于机械混合物；细晶组织的塑性成形性优于粗晶组织；热成形组织的塑性成形性优于冷成形组织和铸态组织。

（2）变形条件的影响1)变形温度一般说来，随着变形温度的提高，金属的塑性成形性提高，如图3.1.22所示。

如45钢＝600MPa δ＝20％室温σb＝50MPa δ＝60％800℃σb1200℃σ＝20MPa δ＝80％b这是由于原子的热运动增强，有利于滑移变形和再结晶。

但过高的变形温度会使金属的加热缺陷和烧损增多。

图3.1.8变形温度对钢的塑性成形3)应力状态压应力有利于防止裂纹的产生和扩展，压应力个数越多、数值越大，金属的塑性就越好。

2) 应变速率应变速率，是应变相对于时间的变化率（单位为S -1）。

如图3.1.9，应变速率增加，加工硬化，不易被消除，金属塑性成形性变差。

高于εc 时，变形能转化的热能使金属温度上升，金属塑性成形性变好。

图3.1. 9 应变速率对金属塑性成性的影响１－变形抗力曲线２－塑性曲线图3.1. 11 异型砧圆棒拔长受力图如下图，圆棒拔长采用V型砧可拔得更长。