第二章 冲压变形的基本概念

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第二节 影响塑性及变形抗力的主要因素
一、塑性与变形抗力的概念 二、金属成分与组织对塑性变形的影响 三、变形温度对塑性变形的影响 四、变形速度对塑性变形的影响 五、应力、应变状态及其对塑性变形的影响
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一、塑性与变形抗力的概念
（一）塑性 所谓塑性，是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不被 所谓塑性 破坏的能力。塑性可用材料在不破坏条件下能获得的塑性变形的 最大值来评定。同一种材料，在不同的变形条件下，其塑性是不 一样的。 影响金属塑性的因素包括两方面： １）金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等。 ２）变形时的外部条件，如变形温度、变形速度以及变形方式等。 （二）变形抗力 塑性和变形抗力是两个不同的概念。变形抗力 变形抗力指引起塑性变形 变形抗力 的单位变形力。金属产生塑性变形的力为变形力，金属抵抗变形的 力称为变形抗力。通常以真实应力作为变形抗力的指标。通常说某 种材料的塑性好坏是指受力以后临近破坏时的变形程度的大小，而 不是指变形抗力的大小。如奥氏体不锈钢允许的变形程度大，称为 塑性好，但其变形抗力也大，需要较大的外力才能产生塑性变形。 由此可见，变形抗力是从力的角度反映塑性变形的难易程度。
第二章 冲压变形的基本概念
第一节 金属塑性变形概述 第二节 影响塑性及变形抗力的主要因素 第三节 超塑性成形简介 第四节 金属塑性变形的力学条件 第五节 冲压成形中的变形趋向性及其 控制 第六节 冷冲压材料及其冲压成形性能
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第一节 金属塑性变形概述
固体材料受到外力作用，如果发生形状和尺寸的变化，这 种现象称为变形 变形，使物体产生变形的外力称为变形力 变形力。变形 变形 变形力 力去除后，能恢复原状的变形称为弹性变形 弹性变形；变形力去除后， 弹性变形 不能恢复原状的变形称为塑性变形 塑性变形。金属材料在变形力的作 塑性变形 用下，既能产生弹性变形，又能从弹性变形发展到塑性变形， 它是一种具有弹、塑性的工程材料。一般说来，金属体在弹性 变形时，其内部的原子位置发生变化，表现为原子的间距有微 小的改变，从而引起了物体尺寸和形状的变化，变形力去除后， 原子回到原来的平衡位置，该金属体就完全恢复了原来的形状 和尺寸。当金属体受力较大，使原子偏离其原来的稳定平衡位 置，而达到邻近的稳定平衡位置。在变形力去除后，原子就不 再回到其原来位置，而是停留在邻近的稳定平衡位置上，因而 变形就成为不可恢复的永久变形，这就是金属的塑性变形 金属的塑性变形。 金属的塑性变形
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三、变形温度对塑性变形的影响
其主要原因如下： 其主要原因如下：
１）随着温度的升高，发生了回复与再结晶。经范性形变的金属 或合金在室温或不太高的温度下退火时,金属或合金的显微组织几乎没 有变化,然而性能却有程度不同的改变，使之趋近于范性形变之前的数 值，这一现象称为回复。回复使变形金属得到一定程度的软化，再结 晶则完全消除了加工硬化效应，使金属的塑性显著提高，变形抗力显 著降低。 ２）温度升高，临界切应力降低，滑移系增加。由于温度升高， 原子的热振动加强，原子间的结合力变弱，使临界切应力降低。同时， 在高温时还可能出现新的滑移系。多晶体滑移系的增加，大大提高了 金属的塑性。 ３）新的塑性变形方式——热塑性的产生。温度升高时，原子的 热振动加剧，晶格中的原子处于一种不稳定的状态。 ４）温度升高导致晶界的切变抗力显著降低，晶界易于滑动；又 由于扩散作用的加强，及时消除了晶界滑动所引起的微裂纹。这一切 使金属在高温下具有良好的塑性和低的变形抗力。
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应变速率对变形抗力和塑性的影响示意图 1—高速 2—低速 高速下的极限变形程度δ1显然小于低速时的δ2。
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一方面，在高速变形下，要同时驱使更多的位错更快地运 动，使金属晶体的临界切应力升高，变形抗力增加；同时， 由于多晶体的塑形变形机理复杂，塑性变形的扩展，需要 一定的时间，难以在瞬间完成，这也使金属的变形抗力增 加，塑性降低。 另一方面，由于变形速度大，变形体吸收的变形能迅 即转化为热能，使变形体温度升高，这种所谓的温度效应 一般说来有使金属软化的效果。
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四、变形速度对塑性变形的影响
所谓变形速度是指单位时间内应变的变化量，塑性成形设备的 加载速度在一定程度上反应了金属的变形速度。变形速度对塑性变 形的影响是多方面的。 一般来说，由于塑性变形需要一定的时间来进行，因此应变速率太 大，塑性变形来不及在塑性变形体中充分扩展和完成，而是更多地 表现为弹性变形，致使变形抗力增大。又由于断裂抗力基本不受应 变速率的影响，所以变形抗力的增大就意味着塑性的下降，所示。
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碳钢塑性随温度变化曲线
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在大约 200～ 400℃ 之间时，由于夹杂物以沉淀的形 式在晶界、滑移面析出，产生沉淀硬化，使变形抗力 增加，塑性降低，这一温度范围称为冷脆区（或蓝脆 区）。在大约 800～ 950℃ 的范围内，又会出现热脆 区，使塑性降低。这和铁与硫形成的化合物 FeS几乎 不溶于固体铁中，在晶界形成低熔点（910℃）的共 晶体（FeS—FeO）有关。当温度超过 1250℃ 后，由 于发生过热、过烧，塑性又会急剧下降，这个区称为 高温脆区。
多晶体的塑性变形
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滑移带图
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第一节 金属塑性变形概述
在金属塑性变形过程中，金属的性能和组织都会发生 变化。其中最重要的是加工硬化，即随着变形程度的增 加，变形阻力增大，强度和硬度升高，而塑性、韧性下 降。 变形时的硬化现象和硬化曲线 1. 1.硬化现象的表现形式: : 材料的强度指标随变形程度的增加而增加,塑性随 之降低. 2.加工硬化的结果 引起材料力学性能的变化. 3.加工硬化有利及不利方面 有利方面:板料硬化能够减小过大的局部变形,使变形 趋于均 匀,增大成形极限,同时也提高了材料的强度 不利方面:使进一步变形困难. 8 4.硬化曲线
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从金属学的观点来看，所有的固态金属都是晶体，各种固态 金属的晶体结构并不完全相同。 单晶体是原子排列规律相同，晶格
位相一致的晶体。例如：单晶硅。 多晶体是由很多具有相同排列方式 但位向不一致的很多小晶粒组成的则称为多晶体。例如：常用的金属。
工业上常用的金属中，除少数具有复杂的晶体结构外，最常见的 金属晶体结构有面心立方结构、体心立方结构和密排六方结构三 种。
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压力机滑块的移动速度越高，则工件的应变速率越大。 因此在实际应用中，可依据上述影响规律来选用塑性成形 设备的工作速度。通常是：
1）对于形状简单的小零件，因为变形程度小，一般可以不考虑速度因素。 ）对于形状简单的小零件，因为变形程度小，一般可以不考虑速度因素。 2）对于大型复杂零件的冲压成形，宜用低速压力机。 ）对于大型复杂零件的冲压成形，宜用低速压力机。 3）对于加热成形工序，如加热拉深、加热缩口等，宜用低速。 ）对于加热成形工序，如加热拉深、加热缩口等，
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第一节 金属塑性变形概述
就理想的晶体结构而言，全部原子都是规则地排列在晶 体的格点上。然而实际晶体总是存在着各种缺陷，引起晶格 的畸变以及原子排列的不规则，最明显的是多晶体。这些缺 陷包括位错、空位、间隙原子和置换原子等。晶界更是缺陷 集中的区域。研究表明，有些缺陷对金属塑性变形有很大的 影响，如晶体的滑移变形就 是在切应力的作用下通过滑 移面上的位错运动进行的。 一个位错移到晶体表面形成 一个原子间距的滑移量。同 一个滑移面上许多位错移到 晶体表面便形成明显的滑移 线。许多滑移线在一起形成 滑移带，这种滑移带常可在 拉伸变形后的金属试样上观 察到。
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第一节 金属塑性变形概述
晶体中由原子组成的平面称为晶面，由原子组成的直线 称为晶向，每种晶格不同晶面上的原子密度和不同晶向上 的原子间距是不同的。
研究表明，单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进 行。最常见的方式为滑移，即晶体一部分沿一定的晶面和晶向相 对于另一部分产生滑移，这一晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。 孪生变形与滑移不同，孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑 移只集中在一些滑移面上进行； 孪生后晶体变形部分的位向发生 了改变， 而滑移后晶体各部分位 向均未改变；孪生变形的应力-应 变曲线与滑移不同，会出现锯齿 状的波动。
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源自文库
第一节 金属塑性变形概述
一般说来，滑移面总是原子排列最密的面，滑移方向总是 原子排列最密的方向。因为沿着原子分布最密的面和方向， 滑移阻力最小。一个滑移面及其面上的一个滑移方向组成 一个滑移系。每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采 取的空间位向。当其它条件相同时，金属晶体的滑移系愈 多，则滑移时可能出现的滑移位向愈多，塑性就愈好。一 般说来，面心立方和体心立方金属的滑移系较多，因此比 密排六方金属的塑性好。
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二、金属成分与组织对塑性变形的影响
（一）化学成分的影响
１.碳钢中碳和杂质元素的影响 碳对碳钢的性能影响最大。碳能固 碳钢中碳和杂质元素的影响 溶于铁，形成铁素体和奥氏体溶体，它们都具有良好的塑性。当碳 含量超过铁的溶碳能力，多余的碳便与铁形成硬而脆的渗碳体，从 而使碳钢的塑性降低，变形抗力增大。含碳量越高，碳钢的塑性愈 差。 杂质对钢的塑性变形一般都有不利影响，如磷溶入铁素体后，使 钢的硬度，强度显著提高，塑性，韧性显著下降，在低温时，造成 钢的冷脆性。硫在钢中几乎不溶解，与铁形成脆性的硫化铁，使钢 的塑性降低。因此，一般应对冷冲压材料的杂质含量加以控制。如 对拉深用的轧薄钢板硫的含量不超过0.04%，磷的含量控制更严。 ２.合金元素对钢的塑性变形的影响 合金元素加入钢中，会改变钢 合金元素对钢的塑性变形的影响 的使用性能，改变钢的塑性成形性能。主要表现为：变形抗力提高， 塑性降低。
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另外，晶粒的细化有利于提高金属的塑性，但也使其变形抗力 提高。 单相组织要比多相组织塑性好，变形抗力小。因为多相组织各相 性能往往存在很大差别，使变形不均匀，塑性降低。
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三、变形温度对塑性变形的影响
变形温度对金属的塑性变形有很大影响。就大多数金属而言， 其总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，变形抗力降低。
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二、金属成分与组织对塑性变形的影响
（二）组织的影响
金属材料的组织状态和其化学成分有密切关系，但这不是完全 由化学成分所决定，它还和制造工艺（如冶炼、浇铸、锻轧、热处 理）有关。由于以上原因，金属材料的组织很不相同，基体是面心 立方晶格，其塑性最好，体心立方晶格，其塑性其次，密集六方晶 格，塑性较差。除了基体金属的晶体结构存在不同以外，还有晶粒 的大小以及单相组织和多相组织的差别等。这些组织上的差异对材 料的塑性和变形抗力的影响也不能忽视。
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几种常用冲压板料的硬化曲线
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此外，由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间会存在 不同的内应力。变形后作为残余应力，保留在金属内 部，使经冷变形后的零件在放置一段时间后，可能自 动发生变形甚至开裂。金属塑性变形后的性能变化是 其组织发生变化的结果。多晶体变形时各晶粒沿其变 形最大的方向伸长，在变形程度很大时，则显著伸长， 形成纤维组织；晶内变形会使晶粒破碎，形成许多小 晶粒，即亚晶粒；晶间变形则在晶界造成许多破损； 另外，在变形程度很大时，多晶体内各个晶粒的位向 会因滑移面的转向而逐渐趋向一致，形成变形织构。 由于变形织构的形成，使 轧制后的板料出现各向异性，即 使退火一般也难以消除，用这种 材料冲出的工件厚薄不均，沿口 不齐，会使拉深成形的杯形件口 部形成凸耳。由此可见，金属塑 性变形过程中的这些物理变化对 冲压成形工艺有相当大的影响。