《塑性成形工艺基础》PPT课件
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塑性成型原理.ppt
塑性加工力学
1 应力分析
1.1 应力张量
物体所承受的外力可以分成两类： 一类是作用在物体表面上的力，叫做面力或接触力，它可 以是集中力，但更一般的是分布力； 二类是作用在物体每个质点上的力，叫做体力。
内力： 在外力作用下，物体内各质点之间就会产生相互作 用的力。
应力：单位面积上的内力。
现以单向均匀拉伸为例（如图4-1）进行分析。
塑性加工力学
1 应力分析
1.3 主平面、主应力、主方向
主剪应力和最大剪应力
剪应力有极值的切面叫做主剪应力平面，面上作用的剪应力叫做主剪 应力。 取应力主轴为坐标轴，则任意斜切面上的剪应力可求得：
S1 1l S2 2m S3 3n
2 S2 2
12l 2
2 2
m
2
2 3
n
2
(1l 2 2m2 3n2 )2
塑性加工力学
1.1 应力张量——单向拉伸
S F0
P
cos
P F0
cos
0
cos
S cos 0 cos2
S sin
1 2
0
sin
2
当 45时，取 max 0.5 0
1 应力分析
塑性加工力学
1.1 应力张量
1 应力分析
xx yx zx 在x方向 xy y zy 在y方向 xz yz z 在z方向
微分面上的应力就是质点在任意切面上的应力，它可通过四面体QABC的静 力平衡求得。
l cos(N, x), m cos(N, y), n cos(N, z) l2 m2 n2 1
dF ABC dFx QBC ldF dFy QAC mdF dFz QAB ndF
PS x SdF cos(S, x) SxdF
《塑性成形工艺基础》课件
模具的构成
模具由上模、下模和导向部件等组成，用于实现金属材料的塑性成形。
模具的工艺要求
模具设计需要考虑材料选择、温度控制、表面处理等多个方面的要求。
模具设计的方法
模具设计需要考虑产品形状、材料流动和成型工艺等因素，采用综合方法进行设计。
塑性成形加工工艺
塑性成形加工的流程 塑性成形加工的工艺参数与选择 塑性成形加工的质量控制
应用范围
塑性成形工艺广泛应用于汽车、航空航天、家电等领域，是现代工业的重要组成部分。
塑性变形的基本原理
1 金属的结构和性质
金属材料由多个晶格组 成，塑性变形是晶格滑 移和晶格形变的结果。
2 冷变形与热变形
冷变形在室温下进行， 热变形在高温下进行， 两者具有不同的变形特 点。
3 塑性变形的分类
塑性变形可分为压力加 工、拉伸加工、弯曲加 工和精密成型等多种类 型。
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本课程将介绍塑性成形工艺的基本原理、过程和模具设计，以及该工艺的发 展趋势。让我们一起探索这个令人着迷的领域！
背景介绍
塑性成形工艺的定义
塑性成形是通过施加压力，使金属材料在保持连续性的情况下发生塑性变形的一种制造工艺。
发展历程
塑性成形工艺自古已有，经历了手工操作、机械压力成形到现代数控技术的发展。
塑性成形的基本过程
1
拉伸加工
2
通过拉伸使金属材料变薄或变长，常
见的工艺有拉延、拉具的精细控制实现复杂零件的 成形，如注塑、挤压等。
压力加工
通过施加压力使金属在模具中变形， 包括冲压、锻造等工艺。
弯曲加工
通过施加力使金属材料弯曲或折弯， 常见的工艺有折弯、卷弯等。
塑性成形模具设计
塑性成形技术基础.ppt
' ij
（2-21）
d 3 dt 2
4）全量理论 （1）基本假设条件 ①理想刚塑性材料的假设； ②塑性变形和弹性变形属同一量级； ③加载过程符合简单加载条件，则应力偏 张量的各个分量与应变偏张量的各个分量
成正比。
（2）伊留申理论
3 式中： 2
1 时， 、 1； 当
0 、 2 / 3。 由 时， 2
2 3
( )/2 2 1 3
1 变化至
3
时，相应的 值变化范围为 1～ 2 / 3。现以 为纵坐标， 为横坐标 ,得 随 变化的几 何图形，如图所示。
图2-14 三向同号和异号应力状态下的屈服准则
根据屈服准则可知，为了使该单元体发 生塑性变形，对于三向压力状态时应满足：
即：
1 3 s
s 1 3
对于而两压一拉应力状态时应满足： 即：
1 3 s s 3 1
显然，第一种情况下 1 的绝对值（即变形抗力） 要比第二种情况下的大。
（2-13）
（3）塑性方程
2 2 2 2 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 6 ( ) 2 x y y z z x x y y z z x s 2 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 2 1 2 2 3 3 1 s
2
1
2.4 塑性变形时应力应变关系 分析塑性变形问题，需要知道塑性 变形时，应力状态和应变状态之间的关 系。这种关系的数学表达式叫做本构方
程，也称物理方程。
1）塑性变形时应力应变关系的特点 弹性变形时，应力与应变成线性关系。 弹性变形是可逆的，应变由应力状态唯一确 定，和应力状态如何达到的历史无关。应力 应变之间的这种线性关系，可由广义虎克定
（2-21）
d 3 dt 2
4）全量理论 （1）基本假设条件 ①理想刚塑性材料的假设； ②塑性变形和弹性变形属同一量级； ③加载过程符合简单加载条件，则应力偏 张量的各个分量与应变偏张量的各个分量
成正比。
（2）伊留申理论
3 式中： 2
1 时， 、 1； 当
0 、 2 / 3。 由 时， 2
2 3
( )/2 2 1 3
1 变化至
3
时，相应的 值变化范围为 1～ 2 / 3。现以 为纵坐标， 为横坐标 ,得 随 变化的几 何图形，如图所示。
图2-14 三向同号和异号应力状态下的屈服准则
根据屈服准则可知，为了使该单元体发 生塑性变形，对于三向压力状态时应满足：
即：
1 3 s
s 1 3
对于而两压一拉应力状态时应满足： 即：
1 3 s s 3 1
显然，第一种情况下 1 的绝对值（即变形抗力） 要比第二种情况下的大。
（2-13）
（3）塑性方程
2 2 2 2 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 6 ( ) 2 x y y z z x x y y z z x s 2 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 2 1 2 2 3 3 1 s
2
1
2.4 塑性变形时应力应变关系 分析塑性变形问题，需要知道塑性 变形时，应力状态和应变状态之间的关 系。这种关系的数学表达式叫做本构方
程，也称物理方程。
1）塑性变形时应力应变关系的特点 弹性变形时，应力与应变成线性关系。 弹性变形是可逆的，应变由应力状态唯一确 定，和应力状态如何达到的历史无关。应力 应变之间的这种线性关系，可由广义虎克定
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轴类锻件结构
第二节 自由锻
2、尽量减少辅助结构 不设计加强筋、凸台
（a）工艺性差的结构 （b）工艺性好的结构
盘类锻件结构
第二节 自由锻
3、不能有空间曲线
（a）工艺性差的结构 （b）工艺性好的结构
杆类锻件结构
第二节 自由锻
4、复杂零件可设计成简单零件的组合
（a）工艺性差的结构
（b）工艺性好的结构
加工余量。 （2）锻造公差 在实际生产中，由于各种因素的影响，锻件的实
际尺寸不可能达到锻件的公称尺寸，允许有一定限度的误差，叫做锻 造公差。
（3）余块 为了简化锻件外形或根据锻造工艺需要，在零件的某 些地方添加一部分大于余量的金属，这部分附加的金属叫做锻造余块， 简称余块。
第二节 自由锻
第二节 自由锻
材料 钢材 工业纯铜
再结晶温度 480~600 200~270
热锻温度 1250~800 800~600
第一节 压力加工基本原理
锻造比
在塑性成形时，常用锻造比(Y)来表示变形程度 。锻造比的计算公式与变形方式有关，通常用变形 前后的截面比、长度比或高度比来表示：
❖
拔长
y拔=A0/A1=L1/L0
❖
第十三章 压力加工
第一节 压力加工基本原理 第二节 自由锻 第三节 模锻 第四节 板料冲压
第十三章 压力加工
压力加工：使金属坯料在外力作用下产生 塑性变形，以
获得所需形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯和零件的加 工方法。
机械性能高
特点 节省金属
易实现机械化和自动化，生产效率 高
第一节 压力加工基本原理
第一节 压力加工基本原理
三、金属的变形规律
1、体积不变定律： • 由于塑性变形时金属密度的变化很小，可认为
塑性成形理论基础.ppt
纤维组织形成，使金属力学性能呈各 向异性，沿流线方向比垂直流线方向具 有较高的力学性能，其中尤以塑性、韧
性指标最为显著。
1.3 变形条件对金属塑性的影响 1）变形温度对金属塑性的影响
（3）变形织构 多晶体塑性变形时伴随着晶粒
的转动，当变形量很大时，多晶体 中原为任意取向的各个晶粒，会逐 渐调整其取向而彼此趋于一致，这 种由于塑性变形而使晶粒具有择优
取向的组织，称为“变形织构”。
图1-7 丝织构示意图 a）拉拔前 b）拉拔后
图1-8 板织构示意 a) 轧制前 b）轧制后
（4）晶粒内产生胞状亚结构 塑性变形主要是位错运动的结果。
企业工程师提出的问题 (1)不同头型的冷镦力计算方法和公式。 (2) 冷镦时金属变形的规律和遵循准则。 (3) 模具外径、钨钢外径、与产品外径在设计 中如何匹配才能保证模具达到最好寿命。 (4)金属材料塑性变形 (5) 冷挤压原理 (6) 冷镦件设计（工位） (7) 冷锻模结构类型（多工位连续模） (8) 冷挤压的摩擦系数知识
塑性成形是利用金属的塑性， 在外力作用下使金属发生塑性变形， 从而获得所需要形状和性能工件的 一种加工方法；因此，又称为塑性 加工或压力加工。
1. 塑性成形的物理冶金学基础
1.1 塑性变形机理 1）冷塑性变形机理 多晶体的塑性 变形包括晶内变形和晶界变形（晶 间变形）两种。在冷态条件下，由 于晶界强度高于晶内，多晶体的塑 性变形主要是晶内变形，晶间变形 只起次要作用，而且需要有其它变 形机制相协调。
了加工硬化。
图1-2 刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意
图1-3 螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意
图1-4 面心立方晶体孪生变形示意
冷塑性变形时，多晶体主要是晶内 滑移变形;实质上是位错的移动和增殖的 过程;由于位错的交互作用,塑性变形时
性指标最为显著。
1.3 变形条件对金属塑性的影响 1）变形温度对金属塑性的影响
（3）变形织构 多晶体塑性变形时伴随着晶粒
的转动，当变形量很大时，多晶体 中原为任意取向的各个晶粒，会逐 渐调整其取向而彼此趋于一致，这 种由于塑性变形而使晶粒具有择优
取向的组织，称为“变形织构”。
图1-7 丝织构示意图 a）拉拔前 b）拉拔后
图1-8 板织构示意 a) 轧制前 b）轧制后
（4）晶粒内产生胞状亚结构 塑性变形主要是位错运动的结果。
企业工程师提出的问题 (1)不同头型的冷镦力计算方法和公式。 (2) 冷镦时金属变形的规律和遵循准则。 (3) 模具外径、钨钢外径、与产品外径在设计 中如何匹配才能保证模具达到最好寿命。 (4)金属材料塑性变形 (5) 冷挤压原理 (6) 冷镦件设计（工位） (7) 冷锻模结构类型（多工位连续模） (8) 冷挤压的摩擦系数知识
塑性成形是利用金属的塑性， 在外力作用下使金属发生塑性变形， 从而获得所需要形状和性能工件的 一种加工方法；因此，又称为塑性 加工或压力加工。
1. 塑性成形的物理冶金学基础
1.1 塑性变形机理 1）冷塑性变形机理 多晶体的塑性 变形包括晶内变形和晶界变形（晶 间变形）两种。在冷态条件下，由 于晶界强度高于晶内，多晶体的塑 性变形主要是晶内变形，晶间变形 只起次要作用，而且需要有其它变 形机制相协调。
了加工硬化。
图1-2 刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意
图1-3 螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意
图1-4 面心立方晶体孪生变形示意
冷塑性变形时，多晶体主要是晶内 滑移变形;实质上是位错的移动和增殖的 过程;由于位错的交互作用,塑性变形时
塑性成形工艺基础共78页文档
损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
塑性成形工艺基础
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
塑性成形工艺基础
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
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组织；
ψ
σb
δ
A
A+F
A+L
E
A+Fe3CII
400
温度 °C
P+F
P+Fe3CII
26
锻造温度范围
始锻温度和终锻温度间的温度范围
始锻温度过高，容易产生氧化、脱碳、过热、
过烧等缺陷
(自由锻造录像)
过热：晶粒过分粗大
过烧：晶界氧化或熔化
27
碳钢的锻造温度范围：
破碎并分散碳化物和非金属夹杂物的分布；
锻合内部孔隙和缩松
强度和抗疲劳性能得以提高，特别是塑性、韧性提 高较大。
17
变形程度的表示方法
• 锻造比：拔长时，S前/S后； 镦粗时：H前/H后
• 相对弯曲半径 • 拉深系数 • 翻边系数
18
（2)纤维组织的影响
在塑性变形过程中，晶粒和晶间杂质都沿着变
形最大方向伸长；再结晶后，晶ຫໍສະໝຸດ 恢复成等轴晶，而12% 30%
ZG45与轧制45的性能比较
580 610
320 360
ZG45 轧制45
性能
12 16
1
2
3
11
塑性成形工艺特点
（2）材料利用率高；
仅依靠形状变化和体积转移来实现。
（3）生产效率高；
生产自动化、机械化
（4）尺寸精度高。
少、无切削加工，向近净成形发展
12
塑性成形工艺不足
产品的形状（特别是内腔）不能太复杂。
1.塑性成形工艺方法及分类
塑性成形
一次塑性加工
二次塑性加工
轧制 挤压 拉拔 自由锻造 模型锻造 冲压
3
二次塑性加工
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2
一、金属塑性成形概述
利用金属的塑性，用工具对金属材料所进行的加 工工艺的总称。目的: 在外力的作用下改变材料的形 状和尺寸而不产生切屑，使成为半成品或成品。
1.塑性成形工艺方法及分类
塑性成形
一次塑性加工
二次塑性加工
轧制 挤压 拉拔 自由锻造 模型锻造 冲压
5/14/2019 6:04 PM
坯料
上砧
下砧
自由锻造录像
5/14/2019 6:04 PM
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8
5)模锻（die forging) 利用装在锻造机器上的锻模，在锤的打击或压力 机的压力下，使金属在一定形状和尺寸的模膛内变形 的方法。
上模
坯料
下模
曲轴锻模
5/14/2019 6:04 PM
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9
6)冲压（pressing)
14
金属塑性成形的基本规律
（1）最小阻力定律：
即如果物体在变形过程中某质点有向各种方向移 动的可能性时，则物体各质点将向阻力最小的方向 移动。 故宏观上变形阻力最小的方向上变形量大。 依据该定律： 镦粗矩形截面坯料，最终会成为圆形截面。图例
5/14/2019 6:04 PM
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15
（2）体积不变规律
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18
（2)纤维组织的影响
在塑性变形过程中，晶粒和晶间杂质都沿着变
形最大方向伸长；再结晶后，晶粒恢复成等轴晶，而
杂质仍然保持线状分布。此即纤维组织。 动画
特点：性能出现方向性
图例 图例
顺纤维方向，强度、塑性、韧性较高；
垂直纤维方向，强度、塑性、韧性较低，但抗剪 切能力强。
图例
5/14/2019 6:04 PM
实例1 实例2 实例3 实例4 实例5
5/14/2019 6:04 PM
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13
二、金属的塑性成形性能及影响因素
1.金属的塑性及变形规律
塑性：金属材料在外力作用下，发生永久变形而不 开裂的能力。
不同材料塑性不同，而同一材料变形条件不同塑性 也不相同。
5/14/2019 6:04 PM
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3
二次塑性加工
板料成形
体积成形
冷冲压或板料冲压 锻造 挤压
冲压基本工序有：分离工序和成形工序 热成形、温成形、冷成形
5/14/2019 6:04 PM
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4
1）轧制（rolling） 用轧辊来轧压金属材料。轧辊上开有一定形状和
尺寸的轧槽，材料通过两轧辊之间的轧槽，就形成各 种形状和尺寸的横剖面，如各种型式的钢材（圆钢、 工字钢、槽钢等）
破碎并分散碳化物和非金属夹杂物的分布；
锻合内部孔隙和缩松
强度和抗疲劳性能得以提高，特别是塑性、韧性提 高较大。
5/14/2019 6:04 PM
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17
变形程度的表示方法
• 锻造比：拔长时，S前/S后； 镦粗时：H前/H后
• 相对弯曲半径 • 拉深系数 • 翻边系数
5/14/2019 6:04 PM
• 受力复杂件：不希望明显的纤维组织，减少各向 异性。
5/14/2019 6:04 PM
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21
（3）冷变形与热变形的影响
1）在冷变形（在再结晶温度以下的变形）条件下： 组织：加工硬化组织（晶粒沿变形最大的方向伸长； 晶格歪扭；产生碎晶）
30%
ZG45Óë Ôþ ÖÆ 45µÄ ÐÔ ÄÜ ± È ½Ï
580 610
320 360
ZG45 Ôþ ÖÆ 45
ÔÐ ÜÄ
12 16
1
2
3
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塑性成形工艺特点
（2）材料利用率高；
仅依靠形状变化和体积转移来实现。
（3）生产效率高；
生产自动化、机械化河南工Fra bibliotek大学19
锻造流线的化学稳定性很高，用热处理或其 它方法都不能消除，只能通过重新锻压才能改变 其流线方向和分布状况。
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如何纤维组织的利用
• 轴类：最大拉应力方向与纤维方向一致，最大剪 应力方向与纤维组织垂直。
• 容易疲劳剥损的零件：工作表面避免纤维露头， 使纤维的分布与零件的外形轮廓相符合。
第二章 金属的塑性成形
第一节 金属塑性成形的工艺基础 第二节 金属热锻成形工艺 第三节 板料冲压成形工艺 第四节 特种塑性成形技术简介
5/14/2019 6:04 PM
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1
第一节 金属塑性成形的工艺基础
一、金属塑性成形概述 二、金属的塑性成形性能及影响因素
5/14/2019 6:04 PM
一尺寸较材料稍小的模孔，一端为喇叭口），以获得所
要求的剖面形状和尺寸的方法。通常在室温下进行。经
过拉拔可得到尺寸精确、表面光洁并具有较好机械性能
的线材、型材、管材等。 拉拔模
坯料
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4)自由锻造（free forging)
使金属坯料在锻锤或压力机的上下抵铁（上砧、 下砧）间受冲击力或压力而变形的方法。
（4）尺寸精度高。
少、无切削加工，向近净成形发展
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塑性成形工艺不足
产品的形状（特别是内腔）不能太复杂。
用途： 一般用于受力较大的重要零件。
凡承受重载的机器零件，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。
轧辊
坯料
钢管轧制.swf 录像1 录像2 示例1 示例2
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5
2）挤压（extruding） 使金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而成形的方法。
凸模
坯料
凸模
坯料
挤压筒
挤压模
正挤压
挤压筒 挤压模 反挤压
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6
3)拉拔（drawing) 将较大剖面的金属材料强行拉过拉拔模（它中间有
由于塑性变形时金属密度变化很小，所以可 以认为变形前后的体积相等．
实际上在变形中有微小变化。气孔、缩松被压 合；氧化及耗损等。
运用此定律，便于估算坯料体积、质量及坯料 在各工序中的尺寸；
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2. 塑性变形对金属组织和性能的影响
（1）变形程度的影响
随着变形程度的增加，可以消除铸态粗大树枝晶组 织，获得均匀细小的等轴晶组织；
使金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的方
法。
坯料
凸模
凹模
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10
2. 塑性成形工艺的特点：
1)用压力加工方式制造的产品，具有较高的机械性能
例
抗拉强度（Mpa）屈服强度（Mpa）延伸率（%）
ZG45
580
320
12
轧制45
610
360
16
提高百分率 5%
12%