2 金属塑性成形技术
2.1 金属塑性成形物理基础 2.2 金属塑性成形力学基础 2.3 金属塑性变形评价指标及影响因素 2.4 体积塑性成形方法 2.5 板料塑性成形方法 2.6 特种塑性成形方法 2.7 锻造工艺设计 2.8 冲压工艺设计 2.9 锻件及冲压件结构工艺性分析
2 金属塑性成形技术
为何采用塑性成形技术
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.5 热塑性变形对金属组织性能的影响
改善铸锭组织：通过热塑性变形可使铸锭或毛坯中的气孔和缩
松焊合，打碎粗大的柱状晶和树枝晶，改善夹杂物与脆性相的形 态、大小和分布，消除偏析。
细化晶粒：正常的热塑性变形由于发生塑性变形和再结晶，一
般可使晶粒得到细化，因而可以提高金属的力学性能。
锻造
冲压
2.1 金属塑性成形物理基础
单晶体和多晶体
如果一块晶体内部的晶格位向完全一致，则称为单晶体; 由许多位向不同的微小晶体组成的晶体称为多晶体。
(a)单晶体
(b)多晶体
2.1.1 单晶体的塑性变形
单晶体的塑性变形机制主要有两种形式：滑移变形和孪生变形. 滑移：滑移是金属塑性变形最常见的一种方式，即在切应力的 作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产 生滑动。滑移的距离是滑移方向上原子间距的整数倍。使大量 原子从一个平衡位置滑移到另一个平衡位置，产生宏观的塑性 变形。
2 金属塑性成形技术
我国塑性加工的历史
中国古代锻造分为冷锻和热锻两种。 冷锻工艺 齐家文化时期(约公元前2000多年)冷锻工艺已应用于制造工
具。1978年ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ前在甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址出土的红铜器如刀、凿、 锥和一些饰物均经过冷锻，锤击痕迹非常明显。在秦魏家出土的青铜锥也是 经过冷锻的。1953年和70年代在河南安阳殷墟出土的殷代(公元前14～前11 世纪)冷锤打的金箔碎片厚仅0.01毫米, 厚度差不超过±0.001毫米。
为了减轻重量，铁 甲多为薄片，大都经过 加热锻造。1960年呼和 浩特二十家子古城出土 的西汉（公元前2～前1 世纪）铁铠甲，其铁片 厚度仅1～2毫米，为热 锻铁件。
西汉铁铠甲还原模型
2 金属塑性成形技术
金属塑性成形方法类型
常用塑性成形加工方法有：锻造、冲压、轧制、拉拔、
挤压等几种类型。
轧制
挤压
拉拔
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.5 热塑性变形对金属组织性能的影响
纤维组织：在热变形过程中，铸态金属中的各种偏析、夹杂物、
第二相和晶界等逐淅沿变形方向延伸，形成纤维组织，也称流线。 由于纤维组织的形成，使金属的力学性能具有了各向异性。
纤维组织
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.5 热塑性变形对金属组织性能的影响
2.3 金属塑性变形评价指标及影响因素
2.3.2 影响金属塑性及变形抗力的因素
1. 化学成分及组织的影响
1. 冷塑性变形对金属组织结构的影响: 1) 晶粒变形 变形程度很大时，多晶体晶粒沿一方向显著拉长，晶界
模糊不清，各晶粒难以分辨，呈现出一片如纤维状的条纹。
变形程度为30%
变形程度为50% 低碳钢冷塑性变形后的组织
变形程度为70%
2.1.3 冷塑性变形对金属组织性能的影响
1. 冷塑性变形对金属组织结构的影响: 2) 亚结构细化; 3) 变形织构;晶粒要相对于外力轴发生转动，结果大
锌的单晶体与多晶体的 应力-应变曲线
2.1 金属塑性加工理论基础
2.1.2 多晶体的塑性变形
多晶体塑性变形包括晶内变形和晶间变形。晶内变形主要是滑移变 形，而晶间变形则包括各晶粒之间的滑动变形和转动变形。通常情 况下的塑性变形主要是晶内变形，当变形量特别大（尤其是超塑性 变形）时，晶间变形占主导地位。
2. 对金属物理、化学性能的影响：比电阻增加，电阻温度系数下降， 导热系数下降，磁导率和磁饱和强度下降，待磁滞和矫顽力增加。化学活性 提高，加快腐蚀速度。
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.3 冷塑性变形对金属组织性能的影响
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.3 冷塑性变形对金属组织性能的影响
2. 冷塑性变形对金属性能的影响: 加工硬化
2.1.4 加热对冷塑性变形金属组织性能的影响
再结晶：当经冷塑性变形的金属加热到高于回复阶段的温度时，在变形
组织的基体上又形成新的无畸变的等轴晶粒，取代了原来已变形的组织， 这一过程称为再结晶。结果使冷变形后的金属组织和性能恢复到变形之 前的状态。
再结晶过程示意图
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.4 加热对冷塑性变形金属组织性能的影响
金属经过塑性成形后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过 热塑性变形后由于金属的变形和再结晶，会使原来的粗大枝晶和柱状 晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏 析、缩松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了 金属的塑性和力学性能。因此铸件的力学性能低于同材质的锻件的力 学性能。 塑性成形能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件 外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长 的使用寿命。
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.3 冷塑性变形对金属组织性能的影响
2. 冷塑性变形对金属性能的影响: 加工硬化
弹簧钢丝的强化：65Mn弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可达 2000~3000MPa,，比一般钢材的强度提高4~6倍。
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.4 加热对冷塑性变形金属组织性能的影响
孪生变形：晶体的一部分相对一定的晶面（孪晶面）沿一定方
向产生相对移动，已变形部分的晶体位向发生了变化，并以孪晶 面为对称面与未变形部分相互对称。
孪晶面
孪晶带
孪生方向
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.2 多晶体的塑性变形
应力σ/MPa
140 多晶（退火态） 120
80
40
单晶
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 伸长率/%
回复：是指经冷塑性变形的金属在加热时，发生某些亚结构及物理和化
学性能变化的过程。在该阶段，金属的力学性能变化不大，但残余应力 明显下降，某些物理和化学性能也部分地恢复到变形前的水平。
(a)塑性变形前的组织
(b)塑性变形后的组织 (c)金属回复后的组织 金属发生回复的示意图
2.1 金属塑性成形物理基础
多数晶粒聚集到某些取向上来，从而形成变形织构。 4) 残余应力晶
格与晶粒均发生扭曲，产生内应力（金属内部变形不均匀, 位错等晶体 缺陷增多， 金属内部会产生残余内应力）。
拉拔方向
轧制方向
丝织构示意图
板织构示意图
2.1.3 冷塑性变形对金属组织性能的影响
2. 冷塑性变形对金属性能的影响: 加工硬化
1. 力学性能： 金属的力学性能随其内部组织的改变而发生明显变化。 变形程度增大时，金属的强度及硬度升高，而塑性和韧性下降。
再结晶
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.4 加热对冷塑性变形金属组织性能的影响
回复与再结晶
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.5 热塑性变形对金属组织性能的影响
➢金属的冷变形和热变形：
再结晶温度为分界点。 从金属学的角度出发，冷、热变形加工是以再结晶 温度为界限的，低于再结晶温度的变形称为冷变形加工； 高于再结晶温度的变形就称为热变形加工。 如钨的再结晶温度为1200 ℃ ，其在1000 ℃的变形 加工仍是冷变形；又如铅、锡等低熔点金属的再结晶温 度在0 ℃以下 ，在室温下的变形就是热变形加工。
2.3 金属塑性变形评价指标及影响因素
2.3.1 金属塑性及变形抗力
1.塑性及塑性指标： 是指固体材料在外力作用下发生永久变形，而不破坏其完整性的能 力。
伸长率： LL0 100%
L0
断面收缩率： A0 A100%
A0
2.变形抗力： 是指在一定的加载条件下、一定的变形温度下和一定的变形速度 下，引起材料发生塑性变形的单位变形力。
(a) 位错
(b) 位错移动
(c) 产生滑移
刃型位错运动造成滑移的示意图
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.1 单晶体的塑性变形
滑移的位错机制
螺型位错移动造成滑移的示意图
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.1 单晶体的塑性变形
滑移的位错机制
螺型位错
2.1 金属塑性成形物理基础
2.1.1 单晶体的塑性变形
应使流线合理分布，使流线与零件服役时的最大应力方向一致，与 切应力或冲击力方向垂直。
(a) 锻造 环形座流线
(b) 切削加工
2.3 金属塑性变形评价指标及影响因素
2.3.1 金属塑性及变形抗力
金属的可锻性：
是指金属在经受压力加工时，获得优质锻件难易程度的 工艺性能。
金属的可锻性的综合衡量：
常用金属的塑性和变形抗力，金属的塑性高，变形抗力 小，变形时不易开裂，且变形中所消耗的能量也少。这样的 金属可锻性良好；反之，可锻性差。
青铜锥
2 金属塑性成形技术
我国塑性加工的历史
热锻工艺 商代中期（公元 前14世纪）用陨铁制造武器， 采用了加热锻造工艺。1972年 河北藁城和1977年北京市平谷 县出土的商代铁刃铜钺，经研 究分析确定铁刃是用陨铁加热 锻造成形（厚2毫米）,再与青 铜钺身铸成一体的。
2 金属塑性成形技术
我国塑性加工的历史
世界上最大的钛合金锻 件——中机身隔框
锻造铝合金轮毂
世界最大船用曲轴 ——打造中国芯，突破技术垄断
2 金属塑性成形技术
金属塑性成形的特点
金属塑性成形是保持金属整体性的前提下，依靠塑性变形发生物质转移来 实现工件形状和尺寸变化的，不会产生切屑，因而材料的利用率高得多。 塑性成形过程中，除尺寸和形状发生改变外，金属的组织、性能也能得到 改善和提高，尤其对于铸造坯，经过塑性加工将使其结构致密、粗晶破碎 细化和均匀化，从而使性能提高。此外，塑性流动所产生的流线也能使其 性能得到改善。 塑性成形过程便于实现生产过程的连续化、自动化，适于大批量生产，因 而劳动生产率高。 塑性成形产品的尺寸精度和表面质量高。很多精密的塑性加工方法，可以 不经过切削加工直接生产出零件，实现无屑加工，大量节省材料。 设备较庞大，能耗较高。