第八章 金属的塑性变形

2）最小弯曲半径： 即坯料弯曲时最外层纤维濒于拉裂时内表面 的弯曲半径，用符号rmin表示。 故在生产中：r＞rmin。
3）回弹---由于外力去除后弹性变形的恢 复，造成工件的弯曲角度、曲率半径与模具 不一致的现象。 故一般在设计弯曲模时，模具角度应比成 品角度略小一个回弹角度；或改进工件结构、 弯曲方式及模具结构来减少回弹。
• 三、冷变形金属在加热时的组织和性能变化（见图8-4） • 1、低温加热 • 能少量恢复金属内部的位错缺陷，减轻晶格畸变，消除部 分因此而产生的内应力。此阶段成为回复，回复温度一般 控制在（0.25~0.3)倍的熔点温度。 • 比如冷卷弹簧卷制完成后都要进行250~300℃的去应力处 理，使其定型。 • 2、高温加热 • 变形金属加热到较高温度时，组织中破碎的晶粒形成新的 等轴晶粒（呈外观不规则的圆球状），完成了再结晶。此 时，金相组织发生了彻底变化，内应力被消除，强度、硬 度显著下降，塑性、韧性明显提高，冷作硬化现象消失。 • 几种金属的再结晶退火和去应力退火的温度见表8-1
• 第二节：锻造成型 • 3.2.1 锻造 • 锻造是在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料、 铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得具有一定几何尺 寸、形状和质量的锻件的加工方法。 • 按所用的设备和工（模）具的不同，可分为自由锻和 模锻两大类。 1.自由锻 只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下帖间 直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量锻件的 加工方法。 （1）分类 1）手工锻造，用于生产小型锻件。 2）机器锻造（如用空气锤，见图8-11），用来生产大、 中型锻件。
二、模锻 利用模具使毛坯变形获得锻件的方法。常用的模锻 设备有蒸汽-空气模锻锤、压力机等。 1、锤上模锻： 锤锻模具叫锻模，由带有燕尾的上、下模组成。下 模固定在模座上，上模固定在蒸汽（空气）锤锤头上， 并随锤头作上下往复锤击运动使锻坯在模膛中成形。 模膛：根据锻件形状在锻模 上开设的凹腔。 单膛模，只有一个模膛的锻 模，如图。
4）弯曲的分类和应用：
按所用设备和工具不同，弯曲可分为压弯，拉弯和 辊弯等类型。 ①压弯：即用凸模将坯料压入凹模弯曲成形。 弯曲工艺适应性强，最常用； ②拉弯：是使坯料在受拉状态下沿模具弯曲成形。 用于弯曲半径较大的工件； ③辊弯：是使坯料受辊轴旋转时摩擦力作用，连续 进入辊轴间弯曲成形。 常用于圆柱面和圆锥面加工。
• 单晶体金属的变形有“滑移”、“孪晶” • 在比例极限（弹性变形阶段）范围内，金属承受切应力时， 由于大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分， 沿着一定晶面和晶向作相对的移动，产生晶体塑性变形叫 滑移。现象如图示。
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产生塑性变形时还有一种晶体变化形式叫孪晶，它是 晶体的一部分相对另一部分沿着一定的晶面产生一定角度 的切变，如P202图8-1d所示。
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3、对自由锻件的结构工艺性要求 见表8-2 4、锻件的加热和冷却 （1）锻造温度范围的确定 以铁碳合金图为依据，始锻温度比AE线低200℃左右，温 度过高，产生过烧缺陷，过低，变形抗力增加，锻件易被 打裂。几种常见材料的始锻、终锻温度见表8-3。 （2）锻件的冷却和热处理 钢在锻造后的冷却过程中出现热应力和组织应力，应采用 不同的处理方法。 1）中、低碳钢的中小型锻件采用空冷。 2）合金钢采用坑冷或砂、灰冷。 3）高碳、高合金钢采用炉冷（加热到500-700℃ ）。
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五、常用金属材料锻造性能 1、影响锻造性能的因素 （1）合金的成分 纯金属比合金好；钢中含碳化物含量越高，锻造性能越差。 （2）变形条件 金属加热能提高锻造性，如低碳钢加热到300℃以上时， 原子动能增加，塑性提高，锻造性得到改善。但过高后产 生过烧、脱碳、严重氧化等缺陷。 • 变形方式不同，金属内部产生的应力不同：拉拔使组织疏 松，塑性下降；挤压使组织细腻，塑性增加。 • 2、常用金属材料的锻造性能 • 具有细小晶粒、单相组织、面心立方晶体结构的合金锻造 性较好如铝、铜、铅γ-Fe；组织结构复杂的高合金比低合 金差；铸铁因含有大量的渗碳体和石墨，不能锻造。
• 第三节 板料冲压 • 冲压是使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称。 （2）冲压特点 1）冲压件轻、薄、刚度好； 2）生产率和材料利用率高； 3）成品形状可较复杂、尺寸精度高、表面质量好、 质量稳定 ，一般无需切削加工； 4）大批量生产时，产品成本低。 应用：汽车、拖拉机、电机、电器、仪表仪器、轻工 和日用品及国防工业生产等领域。 常用的冲压材料有低碳钢、高塑性合金钢、铝和铝合 金、铜和铜合金等金属板料、带料与卷料，还可加工纸板、 塑料板、胶木板、纤维板等非金属板料。
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四、热变形对金属组织和性能的影响 1、热变形对金属组织的影响 主要是针对钢锭，钢锭的热变形就是锻造或轧制。 （1）消除铸态组织 使钢锭中的树枝状晶粒再结晶成 等轴晶粒，提高金属的塑性和强度。 • （2）使晶界处的碳化物均匀的分散在金属基体内，提 高金属的使用性能。 • （3）形成纤维组织见（图8-5），提高金属的机械性能， 如吊钩。 • 纤维组织的明显程度，于金属的变形程度有关，变形程 度用锻造比来表示，其概念见P205，（解释）。
2、拉深：也称为拉延，是 使板料成形为空心件而厚度基 本不变的加工方法。 ★ 拉深模与冲裁模的主要区别:
工作部分不是锋利的刃口而是圆角； 凸模与凹模的间隙显著增加，一般 单侧间隙应稍大于板厚。
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三、冲压成型常用方法 有简单冲模成型、连续冲模成型和复合冲模成 型三种 ， 详见图8-29、30、31。
• 2、多晶体金属的塑性变形 • 与单晶体金属相似，只是因排列的取向不同，滑移受相邻 位向不同晶粒的阻碍，在晶界附近造成位错堆积。 • 二、冷变形对金属组织和性能的影响 • 1、产生冷变形强化现象 • 在变形量不大时，由于位错堆积，造成各晶粒破碎，使金 属塑性变形的抗力增大，因此，金属的强度和硬度显著提 高，塑性和韧性明显下降，这就是冷变形强化，也叫冷作 硬化。 • 2、产生残余内应力 • 由于多晶体变形分布的严重不均匀性，使金属内部产生应 力。导致零件在使用中变形，所以，通常都要进行退火处 理，消除残余内应力。
（2）特点 1）金属坯料在水平方向可自由流动； 2）可使用多种锻压设备； 3）锻件力学性能好； 4）节约金属，减少切削加工工时； 5）锻件形状简单，精度低； 6）生产率较低，劳动强度较大。 主要用于形状简单的单件小批生产。 2、自由锻基本工序： 常用的的工序。如镦粗、拔长、冲孔、弯曲等。 （1）墩粗 1) 完全镦粗。完全镦粗是将坯料竖直放在砧面上,在上砧的 锤击下, 使坯料产生高度减小 , 横截面积增大的塑性变形。 2) 局部镦粗（垫环墩粗）。 将坯料加热后 , 一端放在漏盘 或胎模内 , 限制这一部分的塑性变形 , 然后锤击坯料的另一 端 , 使之镦粗成形 见图8-12。
• (2) 拔长 • 拔长是使坯料横断面积减小、长度增加的锻造工序。拔 长常用于锻造杆、轴类零件。拔长的方法主要有两种 : • 1) 在平砧上拔长：就是普通的碾打延长。 • 2) 在芯棒上拔长：用于锻造套筒类长空心锻件，锻造时 , 先把 芯棒 插入冲好孔的坯料中 , 然后当作实心坯料进行 碾打，完成后，取出 芯棒 。为便于取出 芯棒 , 芯棒 的 工作部分应有 1:100 左右的斜度。这种拔长方法可使空 心坯料的长度增加 , 壁厚减小 , 而内径不变 , 见图8-13c。
• 2、热变形对金属性能的影响 • 锻造不仅使金属组织发生变化，金属性能同时也发生变化。 实践表明，碳素钢拔长时，锻造比增加，强度б b指标变 化不大，而塑性、韧性指标δψ α k变化明显。见P205图86。 • 当锻造比达到2-5时，开始逐渐形成纤维组织，同时，力 学性能也出现各项异性。 • 3、纤维组织的利用 • 纤维组织的化学稳定性很高，难以用热处理消除，只能用 压力加工的方法来改变其方向和分布状况，因此制定加工 工艺时应根据受力情况注意两点。 • （1）零件所受拉应力应与纤维方向一致，切应力与纤维 方向垂直。 • 2、使纤维组织与零件轮廓相符而不被切断，如图8-7。
• 第八章
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金属的塑性变形
利用金属在外力作用下所产生的变形，获得所需产品 的加工方法，称为塑性成型加工，也叫压力加工。 金属塑性成形方法主要有锻造、冲压、挤压、轧制、 拉拔等。 第一章金属的塑性变形原理 一、金属的塑性变形 1、单晶体金属的塑性变形 （单晶体： 质点按同一取向排列。由一个核心（晶核） 生长而成的晶体。一般在未受到外部扰动的纯金属中， 沿各个方向的结构都是周期性重复排列，称为单晶构造。 而工程实际应用中的金属材料通常都不是单晶，而是由 许多大小和取向不同的晶粒构成的多晶。）
• （1）冲压设备： • 1）剪床：用来把板料切成一定宽度的条料，为后续的 冲压备料,工作原理图见8-23
2）冲床：用来完成冲压的各道工序，生产出合格的产品。 工作原理见图8-24。 二.冲压基本工序 基本工序分为分离和变形两大工序
（一）分离工序： 即利用冲模将板料以封闭轮廓线或不 封闭的轮廓线与坯料分离的冲压方法。即 用带刃口的冲模使板料分离。 沿封闭轮廓分离叫冲裁:如：冲孔 （图8-26）、落料（图8-26）等。 沿非封闭轮廓分离叫剪切，如： 切口、剖切等。
(二)变形工序
1、弯曲： 即将板料、型材或管材在弯矩的作用下弯 成具有一定曲率和角度的制件的成形方法。 1）弯曲变形过程： 弹性变形 塑性变形 塑性弯曲 板料受力：外侧受拉应力“+”； 内侧受压应力“-”。 外层开裂：当б外＞бb时，则产生弯裂。 故应限制板料的最大弯曲变形程度（即最小 弯曲半径）, 同时注意毛坯下料方向，最好 使板料流线方向与弯曲线垂直。
• (3) 冲孔 • 冲孔是在坯料上冲出透孔或不透孔的锻造工序。 方 法主要有两种 : • 1） 双面冲孔法。 用冲头在坯料上冲至 2/3～3/4 深 度时 , 取出冲头 , 翻转坯料 , 再用冲头从反面对准位置 , 冲出孔来。 • 2） 单面冲孔法。 厚度小的坯料可采用单面冲孔法。 冲孔时 , 坯料置于垫环上 , 将一略带锥度的冲头大端对准 冲孔位置 , 用锤击方法打入坯料 , 直至孔穿透为止 。见 图8-14a (4) 弯曲 • 弯曲采用一定的工模具将坯料弯成所规定的外形的锻造 工序 ,称为弯曲。 如图8-15 • 弯曲用于得到形状和尺寸较准确的小型锻件 。
多膛模：有多个模膛的锻模，如图。
锻模
切边模
使用方法：坯料在各个模膛内依次变形，最后在终锻模 膛成型。 优点：能锻造形状复杂、尺寸精确的锻件，切削余量小， 节省原材料，操作简单，生产效率高，适应中小型锻件 的大批量生产。 缺点：模具成本高
2、胎模锻：在自由锻设备上使用可移动模具的锻造方法， 一般先用自由锻预锻雏形，然后再用胎模终端成型。 （1）胎模种类：有扣模、套筒模、合模（详见P212及 图8-19） • （2）特点： • 与自由锻相比：锻件质量好；生产率高；节约金属。 • 与模锻相比： 操作灵活；生产准备周期短； 锻件表面质 量较差；劳动强度大。 • 适合中小批量生产。 3、压力机上模锻：与 锤上模锻相同，区别只 是将空气锤变成了压力 机。工作原理图见图821 。