金属材料的塑性成形
金属塑性成形
02
金属塑性成形的原理
金属塑性变形的物理基础
01
金属塑性变形的基本概念
金属塑性成形是通过外力作用使金属材料发生塑性变形，从而获得所需
形状和性能的过程。
02
金属的晶体结构与塑性变形
金属的晶体结构是影响其塑性变形行为的重要因素。金属的晶体结构决
定了其塑性变形的机制和特点。
03
温度对金属塑性变形的影响
塑性成形过程中的缺陷与控制
在塑性成形过程中，由于各种因素的影响，可能会出现裂纹、折叠、夹杂等缺陷。为了获得高质量的产 品，需要了解这些缺陷的形成原因，并采取相应的措施进行控制和预防。
03
金属塑性成形的方法
自由锻成形
总结词
自由锻成形是一种金属塑性加工方法，通过锤击或压力机等 工具对金属坯料施加外力，使其发生塑性变形，从而获得所 需形状和尺寸的金属制品。
随着科技的发展，精密金属塑性成形技术逐渐兴起，如精密锻造、精密轧制、精密冲压等 ，这些技术能够制造出更高精度、更复杂形状的金属零件。
数值模拟与智能化技术
近年来，数值模拟与智能化技术在金属塑性成形领域得到了广泛应用，通过计算机模拟技 术可以对金属塑性成形过程进行模拟分析，优化工艺参数，提高产品质量和生产效率。同 时，智能化技术的应用使得金属塑性成形过程更加自动化和智能化。
详细描述
挤压成形适用于生产各种复杂形状的管材、棒材和异型材等。由于其能够实现连续生产，因此具有较 高的生产效率。但挤压成形对设备和操作技术要求较高，且对原材料的表面质量、尺寸精度和化学成 分等要求严格。
拉拔成形
总结词
拉拔成形是一种金属塑性加工方法，通 过拉拔机对金属坯料施加拉力，使其发 生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸 的金属制品。
塑性加工原理
3D model of extrusions
Axis symmetrical finite element model of extrusion
拉拔：
将金属坯料拉过拉拔模模孔，而使金属拔长、其断面与模孔相 同的加工方法。主要用于生产各种细线材、薄壁管和一些特殊 截面形状的型材。
自由锻造：
将加热后的金属坯料置于上下砧铁间受冲击力或压力而变形的 加工方法。 模型锻造（模锻）： 将加热后的金属坯料置于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。
根据金属流动方向与挤压凸模运动方向的关系,挤压可分为四种 方式:
(1)正挤压---金属流动方向与凸模运动方向相同. (2)反挤压---金属流动方向与凸模运动方向相反. (3)复合挤压---坯料一部分金属流动方向与凸模运动方向相同, 另一部分 则相反. (4)径向挤压---金属流动方向与凸模运动方向成90℃.
(3)温挤压---介于冷挤压和热挤压之间的挤压方法.温挤压时将金属 加热到适当温度(100~800℃)进行挤压.温挤压比冷挤压的变形抗 力小,较容易变形.
挤压成形的工艺特点:
(1)挤压时金属坯料处于三向压应力状态下变形,因此可提高金属坯 料的塑性,有利于扩大金属材料的塑性加工范围.
(2)可挤压出各种形状复杂,深孔,薄壁和异型截面的零件,且零件尺寸 精度高,表面质量好,尤其是冷挤压成形.
1、金属塑性成型特点 • 组织、性能好 • 材料利用率高 • 尺寸精度高 • 生产效率高
2、金属塑性成型的分类
1）块料成型 （1）一次加工
•轧制 •挤压 •拉拔 （2）二次加工 •自由锻 •模锻
2）板料成型
•冲裁 •弯曲 •拉延
3、课程目的和任务
1）阐明金属塑性变形的物理基础：从微观上研究塑性变形机理 及变形条件对金属塑性的影响，以便使工件在塑性成型时获得 最佳塑性状态、最高的变形效率和力学性能。
金属塑性成形课件
2023-11-06•金属塑性成形概述•金属塑性成形工艺•金属塑性成形设备•金属塑性成形技术的发展趋势•金属塑性成形过程中的缺陷与质量控制目•金属塑性成形实例分析录01金属塑性成形概述金属塑性成形是一种使金属材料发生塑性变形，以获得所需形状、尺寸和性能的加工方法。
金属塑性成形广泛应用于机械制造、航空航天、汽车、电子等领域，是一种重要的材料加工技术。
金属塑性成形的定义金属塑性成形可以制造出复杂形状的零件，并且能够获得较高的精度和表面质量。
与切削加工相比，金属塑性成形具有更高的材料利用率和更低的能耗。
金属塑性成形过程中材料的变形是均匀的，因此可以避免应力集中和裂纹等缺陷。
金属塑性成形的特点03金属塑性成形的基本原理包括应力状态、屈服准则、塑性流动规律等。
金属塑性成形的基本原理01金属塑性成形的原理是基于金属的塑性变形规律，即在外力作用下，金属材料会发生形状和尺寸的变化。
02在金属塑性成形过程中，材料的变形受到应力状态、变形温度、变形速度等因素的影响。
02金属塑性成形工艺自由锻工艺自由锻是利用冲击力或静压力使金属坯料变形，并施加外力将其锻造成所需形状和尺寸的锻造方法。
定义特点流程应用自由锻具有较大的灵活性，可以生产形状各异的锻件，但生产效率较低，适用于单件或小批量生产。
自由锻的流程包括坯料准备、加热、变形和锻后冷却。
自由锻主要用于大型锻件和难变形材料的加工，如轴、轮毂、法兰等。
模锻工艺模锻是利用模具使金属坯料变形，并施加外力将其锻造成所需形状和尺寸的锻造方法。
定义模锻具有较高的生产效率，且能获得较为精确的形状和尺寸，但模具制造成本较高。
特点模锻的流程包括坯料准备、加热、放入模具、变形、锻后冷却和修整。
流程模锻广泛应用于中小型锻件的生产，如齿轮、轴套、法兰等。
应用板料冲压工艺板料冲压是利用冲压机将金属板料变形，并施加外力将其冲制成所需形状和尺寸的加工方法。
定义板料冲压具有较高的生产效率，且能获得较为精确的形状和尺寸，但模具对材料的厚度和硬度有一定要求。
金属塑性成形
第四章金属塑性成形在工业生产中，金属塑性成形方法是指：金属材料通过压力加工，使其产生塑性变形，从而获得所需要工件的尺寸、形状以及性能的一种工艺方法。
常用的金属塑性成形方法如下：自由锻造：手工自由锻、机器自由锻锻造成形模型锻造：锤上模锻、压力机上模锻金属塑性成形冲压成形、挤压成形、拉拔成形、轧锻成形金属材料经过塑性成形后，其内部组织更加致密、均匀，承受载荷能力及耐冲击能力有所提高。
因此凡承受重载荷及冲击载荷的重要零件，如机床主轴、传动轴、齿轮、曲轴、连杆、起重机吊钩等多以锻件为毛坯。
用于塑性成形的金属必须具有良好的塑性，以便加工时易于产生永久性变形而不断裂。
钢、铜、铝等金属材料具有良好的塑性，可进行锻压加工；铸铁的塑性很差，在外力作用下易裂碎，不用于锻压。
在金属塑性成形方法中，锻造、冲压两种成形方法合称锻压，主要用于生产各种机器零件的毛坯或成品。
挤压、拉拔、轧锻三种成形方法是以生产金属材料为主，如型材、管材、线材、板料等，也用于制造某些零件，如轧锻齿轮、挤压活塞销等。
第一节锻造锻造是金属热加工成形的一种主要加工方法，通常采用中碳钢和低合金钢作锻件材料，锻造加工一般在金属加热后进行，使金属坯料具有良好的可变形性，以保证锻造加工顺利进行。
基本生产工艺过程如下：下料→坯料加热→锻造成形→冷却→热处理→清理→检验。
一、锻坯的加热和锻件的冷却1．加热的目的锻坯加热是为了提高其塑性和降低变形抗力，以便锻造时省力，同时在产生较大的塑性变形时不致破裂。
一般地说，金属随着加热温度的升高，塑性增加，变形抗力降低，可锻性得以提高。
但是加热温度过高又容易产生一些缺陷，因此，锻坯的加热温度应控制在一定的温度范围之内。
2．锻造温度范围各种金属材料在锻造时允许的最高加热温度，称为该材料的始锻温度。
加热温度过高会产生组织晶粒粗大和晶间低熔点物质熔化，导致过热和过烧现象。
碳钢的始锻温度一般应低于其熔点100～200︒C，合金钢的始锻温度较碳钢低。
金属塑性成型原理
第一章1.什么是金属的塑性什么是塑性成形塑性成形有何特点塑性----在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力；塑性变形----当作用在物体上的外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形；塑性成形----金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成型并获得一定力学性能的加工方法，也称塑性加工或压力加工；塑性成形的特点：①组织、性能好②材料利用率高③尺寸精度高④生产效率高2.试述塑性成形的一般分类。
Ⅰ.按成型特点可分为块料成形(也称体积成形)和板料成型两大类1）块料成型是在塑性成形过程中靠体积转移和分配来实现的。
可分为一次成型和二次加工。
一次加工：①轧制----是将金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间使其产生塑性变形，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。
分纵轧、横轧、斜轧；用于生产型材、板材和管材。
②挤压----是在大截面坯料的后端施加一定的压力，将金属坯料通过一定形状和尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得符合模孔截面形状的小截面坯料或零件的塑性成形方法。
分正挤压、反挤压和复合挤压；适于(低塑性的)型材、管材和零件。
③拉拔----是在金属坯料的前端施加一定的拉力，将金属坯料通过一定形状、尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的小截面坯料的塑性成形方法。
生产棒材、管材和线材。
二次加工：①自由锻----是在锻锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭料或坯料锻成所需的形状和尺寸的加工方法。
精度低，生产率不高，用于单件小批量或大锻件。
②模锻----是将金属坯料放在与成平形状、尺寸相同的模腔中使其产生塑性变形，从而获得与模腔形状、尺寸相同的坯料或零件的加工方法。
分开式模锻和闭式模锻。
2）板料成型一般称为冲压。
分为分离工序和成形工序。
分离工序：用于使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，如冲裁、剪切等工序；成型工序：用来使坯料在不破坏的条件下发生塑性变形，成为具有要求形状和尺寸的零件，如弯曲、拉深等工序。
金属塑性成形的概念
金属塑性成形的概念金属塑性成形是指通过在金属材料中施加外力、应用热力或化学反应等手段，使金属材料发生塑性变形的一种金属加工工艺。
与传统的金属加工方式相比，金属塑性成形具有高效性、精确性和经济性的特点。
它广泛应用于汽车、航空航天、冶金等行业。
金属塑性成形的基本原理是利用金属材料的塑性变形特性，通过施加外力使金属材料由原有的形态发生塑性变形，从而得到所需的形状和尺寸。
金属塑性成形可以分为几种不同的形式，主要包括锤击成形、挤压成形、拉伸成形、压力成形和转轧成形等。
锤击成形是一种传统的金属塑性成形方法，它通常通过将金属材料置于锻造设备中，然后利用锤击力量使金属材料发生塑性变形。
锤击成形具有成本低、生产周期短的优点，但是需要大量的人力和物力投入。
挤压成形是指将金属材料置于挤压机中，通过挤压头施加压力使金属材料发生塑性变形。
挤压成形可以分为直接挤压和间接挤压两种形式。
直接挤压是指将金属材料直接放入挤压腔内，然后施加压力使金属材料发生压缩变形。
间接挤压是指将金属材料包裹在特殊形状的模具中，然后施加压力使金属材料逐渐挤出模具，从而达到所需的形状和尺寸。
拉伸成形是通过在金属材料表面施加拉力，使其发生塑性变形。
拉伸成形通常用于制备薄壁结构，如汽车车身、空调管道等。
拉伸成形由于受到法向拉力和剪切力的作用，易造成材料表面的应力集中和变形不均匀，因此在拉伸成形过程中需要注意控制应力分布和变形。
压力成形是一种利用液压或气压对金属材料施加压力的金属塑性成形方法。
压力成形通常具有成形精度高、产品质量好的优点，并且可以实现批量生产。
压力成形主要包括冲压成形、压铸成形和锻压成形等。
转轧成形是一种将金属材料置于转轧机中进行塑性变形的金属加工方法。
转轧成形通常用于制备薄板材料，如钢板、铝板等。
转轧成形具有高效、节省原材料和简便的优点，且可以保证成形件的尺寸精度和表面质量。
总之，金属塑性成形是一种广泛应用于金属加工领域的重要技术，通过施加力量和热力等手段，对金属材料进行塑性变形，从而得到所需的形状和尺寸。
塑性成形原理知识点
塑性成形原理知识点塑性成形是一种利用金属材料的塑性变形能力，在一定的条件下通过压力使金属材料发生塑性变形，从而获得所需形状的加工方法。
塑性成形技术是金属加工工艺中的重要分支，广泛应用于汽车、航空、航天、电子、家电、建筑等工业领域。
1.塑性变形：在塑性成形过程中，金属材料通过外力作用下的塑性变形使其形状发生改变。
塑性变形是金属材料中原子的相对位置发生改变而引起的宏观形变，其主要表现为材料的延伸、压缩、弯曲等。
塑性变形是金属材料的塑性性质所决定的，不同材料的塑性性能不同。
2.应力-应变关系：金属材料受到外力作用时，材料内部会产生应力，应力与应变之间存在一定的关系。
在塑性成形过程中，材料会发生塑性变形，使其产生应变。
应力-应变关系是描述材料塑性变形过程中应力和应变之间关系的数学模型，常用的模型有胡克定律模型和流变模型。
3.材料流动：塑性成形过程中，材料会发生流动从而获得所需的形状。
材料流动是指塑性材料在外力作用下，发生内部原子的相对位移和重新组合，从而使整个材料的结构发生变化。
材料流动是实现塑性成形的关键，其流动性能决定了成形工艺的可行性和成品质量。
4.成形工艺：塑性成形工艺是金属材料经过一系列工艺操作，通过压力使其发生塑性变形，最终获得所需形状的过程。
常见的塑性成形工艺包括冲压、拉伸、挤压、压铸、滚压等。
不同工艺适用于不同形状的零件，根据材料的性质和零件的要求选择合适的成形工艺。
5.工艺过程控制：塑性成形过程中，需要对各个环节进行控制以确保成品质量。
工艺过程控制包括工艺参数的选择、设备的调整、模具结构的设计等。
在塑性成形过程中，要控制好温度、应力、应变速率等因素，以避免过大的变形应力引起材料的断裂或变形过大导致零件尺寸偏差。
塑性成形技术不仅可以实现复杂形状的制造，而且可以提高材料的强度和刚度，降低材料的质量，节省原材料和能源。
因此，塑性成形技术在现代工业生产中具有重要的地位和应用价值。
金属塑性成形原理---第二章_金属塑性变形的物理基础
位错的攀移
❖ 螺型位错无攀移
❖ 正攀移——正刃型位错位错线上移
负刃型位错位错线下移
编辑课件
位错的交割
❖ 两根刃型位错线都在各自的滑移面上移动，
则在相遇后交截分别形成各界，形成割阶后
仍分别在各自的平面内运动。
❖ 刃型位错和螺型位错交割时，在各自的位错
线上形成刃型割阶，位错线也能继续滑移。
❖ 螺型位错和螺型位错交割时，相交后形成的
❖ 假设：理想晶体两排原子相距为a，同排原子间距
为b。原子在平衡位置时，能量处于最低的位置。
在外力τ作用下，原子偏离平衡位置时，能量上升，
原子能量随位置的变化为一余弦函数。
❖ 通过计算晶体的临界剪切应力，并与实际的临界
剪切应力进行比较，人们发现，理论计算的剪切
强度比实验所得到的剪切强度要高一千倍以上。
编辑课件
典型的晶胞结构
编辑课件
典型的晶胞结构
编辑课件
三种晶胞的晶格结构
编辑课件
一、塑性变形机理
实际金属的晶体结构
❖ 单晶体:各方向上的原子密度不同——各向
异性
❖ 多晶体:晶粒方向性互相抵消——各向同性
❖ 塑性成形所用的金属材料绝大多数为多晶
体，其变形过程比单晶体复杂的多。
编辑课件
多晶体塑性变形的分类
加工中，会使变形力显著增
加，对成形工件和模具都有
III．抛物线硬化阶段：
一定的损害作用；但利用金
与位错的交滑移过程有关，
θ3
随应变增加而降低，应力应变
属加工硬化的性质，对材料
曲线变为抛物线。
进行预处理，会使其力学性
能提高
编辑课件
2.2 金属热态下的塑性变形
列举一种塑性成形的方法
列举一种塑性成形的方法
塑性成形是一种常见的加工方法，用于将金属材料加工成所需形状。
以下是一种常见的塑性成形方法：
1. 锻造（Forging）：通过施加压力使金属材料在高温或常温下改变形状。
这种方法适用于各种金属，包括钢铁、铝、铜等。
2. 拉伸（Stretching）：将金属板材或棒材拉伸到所需的形状。
这种方法常用于制造汽车车身、金属罐体等。
3. 冲压（Stamping）：使用模具将金属板材冲压成特定形状。
这是大规模生产金属零件的常见方法，例如汽车零件、电器外壳等。
4. 深冲（Deep Drawing）：将金属板材通过冲压方法深度拉伸，形成较深的形状，例如制造锅具、洗衣机筒等。
5. 滚压（Rolling）：通过使金属材料通过一对辊子，使其在压力下改变形状。
这种方法常用于制造金属板材、棒材等。
这只是几种常见的塑性成形方法之一，实际上还有许多其他方法，根据不同的材料和形状需求选择适合的方法。
第3章 金属材料的塑性成形——压力加工
其优劣主要取决于金属本身和变形时的外部条件。
影响可锻性的因素
(1) 金属的成分：纯金属好于合金，fcc好于bcc好 于hcp，低碳钢优于高碳钢，低碳低合金钢优于 高碳高合金钢；有害杂质元素一般使可锻性变坏
(2) 金属的组织：单相组织好于多相组织；铸态下 的柱状组织、粗晶粒组织、晶界上存在偏析或有 共晶莱氏体组织使可锻性变差
2、研究与开发塑性加工过程的计算机模拟技术与模具 CAD/CAE/CAM技术等。
3、研究与开发柔性成形技术、增量成形技术、净成形技 术、近净成形技术、复合成形技术等。
4、研究与开发使环境净化的加工技术，如低噪音、小/ 无震动、节省能源、资源或再利用的加工技术。
§3.2 金属的塑性加工成形性
金属的塑性加工成形性/可锻性(Forgeability) ： 用来衡量金属在外力作用下发生塑性变形而不易 产生裂纹的能力，是金属重要的工艺性能之一；
(3) 加工条件 1) 变形温度：一般变形温度的升高，可提高金 属的可锻性；但注意过热、过烧问题
不同合金系8种典型金属的可锻性
Ⅰ—纯金属及单相合金(铅合金、 钼合金、镁合金)；Ⅱ—纯金属及 单相合金(晶粒长大敏感者)(铍、镁 合金、钨合含、钛合金)；Ⅲ—具 有不溶解组分的合金(高硫钢，含 硒不锈钢)；Ⅳ—具有可溶组分的 合金(含氧化物的钼合金，含可溶 性碳化物和氮化物的不锈钢)； Ⅴ—加热时形成有塑性第2相的合 金(高铬不锈钢)；Ⅵ—加热时形成 低熔点第2相的合金(含硫的铁、含 锌的镁合金)；Ⅶ—冷却时形成有 塑性第2相的合金(碳钢和低合金钢 、-钛合金和钛合金)；Ⅷ—冷 却时形成脆性第2相的合金(高温合
可显著减小总变形力，用小设备加工大零件。
金属塑性成形
§2.1金属冷态下的塑性变形一、塑性变形机理多晶体的塑性变形包括晶粒内部变形（晶内变形）、晶外变形（晶间变形）。
（一）晶内变形变形方式：滑移（主要）、孪生（次要）1、滑移晶体在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变。
滑移矢量与柏氏矢量平行。
滑移发生的地方：原子密度最大的晶面和晶向，例如面心立方的{110}和<111>，体心立方的{111}和<110>等。
原因：原子密度最大的晶面，原子间距小，原子间的结合力强；而其晶面间的距离则较大，晶面与晶面之间的结合力较小，滑移阻力便小。
结论：滑移系多的金属要比滑移系少的金属变形协调性好、塑性高；而其发生滑移的条件需沿滑移面施加一定大小的切应力。
设拉力P引起的拉伸应力σ，切应力分量为τ=σcosφcosλ ;令u=cosφcosλ，称为取向因子;当u=0.5或接近0.5，称为软取向;当u=0或接近0，称为硬取向金属多晶体中，各晶粒的位向不同，使得塑性变形必然不可能在所有晶粒内同时进行，构成多晶体塑性变形不同于单晶体。
2、孪生（形变孪晶）晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（称为孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向）发生均匀切变。
金属在塑性变形时以何种方式变形，取决于哪种变形所需的切应力为低。
常温下，滑移优先；低温下，孪生优先。
（二）晶间变形主要方式是晶粒之间相互滑动和转动。
在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形只是次要作用。
二、塑性变形的特点1）各晶粒变形的不同性（方式不同）2）各晶粒变形的相互协调性（目的一致）3）晶粒之间、晶体内部和晶界附近区域之间变形的不均匀性。
（尺寸不一致）由于晶粒变形的特点，使得晶粒大小对金属的塑性和变形抗力有一定的影响。
设晶粒平均直径d，材料屈服强度σs，根据实验结果获得两者之间的关系表达式为σs=σ0+Kd-1/2σ0：常数，变形抗力，约为单晶体临界切应力2～3倍Ky：常数，变形影响因此，晶粒细化，单位体积的晶界越多，削弱了晶粒内部的应力场，无法达到变形发生的程度，故需外加更大的力；而且晶粒细化，金属的塑性越好。
金属塑性成形
1、金属塑性成形的定义
改变形状 金属坯料
产生
塑性变形
达到
改变尺寸 改善性能
外力
得到 毛坯 零件
又称为压力加工。
2、塑性成形加工的特点及应用
（1）特点 优点： a）与铸造相比：力学性能高，内部缺陷被压合， 晶粒显著细化。 ｂ)与切削加工比：材料的利用率和生产率高。 缺点： a) 形状不能太复杂 b) 坯料塑性要好 （2）应用 汽车、拖拉机、宇航、军工、电器、桥梁、建筑等
回复只能部分消除加工硬化
3、再结晶 温度上升到一定温度时，开始以某些 碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒，加工 硬化完全消除，这个过程称为再结晶。 （1）再结晶的结果 a）原子热振动加剧 b）以某些质点为核心重结晶 c）加工硬化全部消除 （2）再结晶温度 金属经大量塑性变形后开始再结晶的 最低温度。
T再=（0.4-0.5）T熔
自由锻、模锻、胎模
锻
（4）冲压
利用冲模将金属板料切离或变形为各种冲压件。
（5）拉拔
将金属坯料从拉模的模孔中拉出而成形为各种线 材、薄壁管材、特殊截面型材等
第一节
金属塑性变形
• 塑性变形的实质 • 冷变形和热变形 • 金属的可锻性及影响因素
一、金属塑性成形的实质
塑性：金属在外力作用下，产生永久变形而不破 坏的能力。 金属变形过程： a）金属材料在外力作用下发生弹性变形 b）当外力超过一定值后产生塑性变形 c）外力继续加大，发生断裂 金属塑性变形的实质： a）晶粒内部滑移和孪生
纤维组织合理分布
（1）零件最大拉应 力方向应与锻造流线平 行 （2）零件最大剪切 应力方向应与锻造流线 垂直 （3）零件外形轮廓 应与锻造纤维的分布相 符合而不被切断。
三、冷变形和热变形
金属塑性成形原理
金属塑性成形原理金属塑性成形是指通过外力作用下，金属材料在一定温度范围内发生塑性变形的过程。
金属塑性成形是制造工业中常用的一种加工方法，它能够制造出各种形状和尺寸的零部件，广泛应用于汽车、航空航天、机械制造等领域。
金属塑性成形的原理是基于金属材料的内部结构和性能特点，通过外力使其发生形变，从而得到所需的形状和尺寸。
金属材料的塑性成形主要依靠金属的塑性变形特性，其原理主要包括以下几个方面：一、应力和应变。
金属材料在受到外力作用时，会产生应力和应变。
应力是单位面积上的力，而应变是单位长度上的变形量。
金属材料在受到外力作用时，会发生应力和应变的变化，从而产生塑性变形。
二、晶粒滑移。
金属材料的内部结构是由大量的晶粒组成的，晶粒之间存在着晶界。
当金属受到外力作用时，晶粒会沿着晶界发生滑移，从而使得金属材料发生塑性变形。
晶粒滑移是金属塑性成形的重要原理之一。
三、冷加工和热加工。
金属材料在不同温度下的塑性变形特性是不同的。
在常温下进行的金属塑性成形称为冷加工，而在一定温度范围内进行的金属塑性成形称为热加工。
冷加工和热加工对金属材料的塑性成形有着不同的影响，需要根据具体的工艺要求来选择合适的加工方法。
四、金属材料的变形机制。
金属材料的塑性变形主要有拉伸、压缩、弯曲、挤压等形式。
这些变形机制是通过外力作用下，金属材料内部晶粒的滑移和变形来实现的。
不同的变形机制对应着不同的加工工艺和设备，需要根据具体的要求来选择合适的成形方式。
综上所述，金属塑性成形的原理是基于金属材料的内部结构和性能特点，通过外力使其发生形变，从而得到所需的形状和尺寸。
金属塑性成形是制造工业中常用的一种加工方法，它能够制造出各种形状和尺寸的零部件，广泛应用于汽车、航空航天、机械制造等领域。
深入理解金属塑性成形的原理，对于提高加工工艺的效率和质量具有重要意义。
02-5金属塑形成形
应用科学学院
1—顶杆 2—毛坯 3—滚轮 4—模具 5—加工中的毛坯
四、旋压
• 旋压的工艺特点： • （1）局部连续成形，变形区很小，所需要的成形力小。旋压是一种既 省力，效果又明显的压力加工方法，可以用功率和吨位都非常小的旋 压机加工大型的工件。 • （2）工具简单、费用低，而且旋压设备的调整、控制简便灵活，具有 很大的柔性，非常适合于多品种小批量生产。 • （3）对冲压难以成形的复杂零件，如头部很尖的火箭弹药锥形罩、薄 壁收口容器，带内螺旋线的猎枪管等。 • （4）旋压件尺寸精度高，甚至可与切削加工相媲美。 • （5）旋压零件表面粗糙度容易保证。此外，经旋压成形的零件，抗疲 劳强度高，屈服点、抗拉强度、硬度都大幅度提高。 • 不足：只适用于轴对称的回转体零件；对于大量生产的零件，它不 如冲压方法高效、经济；材料经旋压后塑性指标下降，并存在残余应 力。
常进行软化、去氧化皮和特殊润滑处理。
应用科学学院
（二）挤压工艺分类
缝纫机梭心套壳（材料2Cr13）冷挤压
应用科学学院
（二）挤压工艺分类
温挤压 坯料温度高于室温，低于再结晶温度的挤压。特点：
① 坯料可不进行预先软化处理、润滑处理和中间退火等。
② 与冷挤压相比，降低了变形抗力，增加每个工序的变形程度，提高了模具的使用 寿命。
② 由于加热温度高，氧化脱碳及热胀冷缩等问题会大大降低产品的尺寸精度
和表面品质。
③ 一般用于高强（硬）度金属材料的毛坯成形，如：高碳钢、高强度结构钢、
高速钢、耐热钢等。
应用科学学院
（二）挤压工艺分类
冷挤压 变形温度低于材料再结晶温度（室温），特点：
① 三向压应力使材料的晶粒组织更加致密、充分提高金属塑性，使挤压件强度、硬
第一节 金属塑性变形基础
六、材料的塑性成形性
材料的塑性成形性：材料通过塑性变形而不产生裂 纹和破裂以获得所需形状的性能。 衡量指标：材料的塑性和变形抗力 影响因素：材料性质和变形条件
1. 材料的本质
a.化学成分 纯金属 > 合金； 碳化物形成元素使塑性成形性下降 Nb、 Ti、V、Cr、Mo、W 纯金属和固溶体 > 碳化物； 均匀细小晶粒 > 粗晶粒
金属质点将向阻力最小的方向移动
2. 体积不变条件
εx + εy+ εz=0 εx= - (εy+ εz)，某一主方向的微小应变等于另两个方向的 微小应变之和，且变形方向相反。如用V型铁拔长。
体积不变条件是塑性变形过程中力学分析的前提，也可 用于计算原毛坯的体积。
根据最小阻力定律和体积不变条件可分析金属坯料的 变形趋势，制定金属流动模型，以采取相应措施，保证生 产过程及产品质量控制。
(3) 生产率高，易机械化、自动化 (4) 制品精度较高
缺点: (1)不能加工脆性材料
(2)难以加工内腔形状特别复杂、体积大的制品 (3)设备、模具投资费用高 塑性成形广泛应用于机械制造、汽拖、容器、造船、 建筑、包装、航空航天工业部门。
§2-1 金属塑性变形基础
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。