金属塑性理论基础-可锻性及其影响因素
wwei材料成形技术(塑性)1
二、金属塑性成形的基本生产方式 1、轧制：金属毛坯在两个轧辊之间受压变形而形成各 种产品的成形工艺，图6-1。 2、挤压：金属毛坯在挤压模内受压被挤出模孔而变形 的成形工艺，图6-3。 3、拉拔：将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的成形 工艺，图6-5。 4、自由锻：金属毛坯在上下砥铁间受冲击或压力而变 形的成形工艺，图6-7（a）。 5、模锻：金属坯料在既有一定形状的锻模模膛内受击 力或压力而变形的成形工艺，图6-7（b） 。
塑性愈大、变形抗力愈小，材料的可锻性愈好
4、可锻性的影响因素
（1）化学成分 A、碳钢中碳和杂质元素的影响
C、H、P（冷脆）、S （热脆） B、合金元素的影响
塑性降低，变形抗力提高。
（2）内部组织
单相组织（纯金属或者固溶体）比多相组织塑性好。 细晶组织比粗晶组织好； 等轴晶比柱状晶好。 面心立方结构的可锻性最好，体心立方结构次之， 而密排六方结构可锻性最差。
冲击力和压力
锻压是锻造与冲压的总称。
★锻造：在加压设备及工（模）具作用下，使坯料、铸锭产生局 部或全部的塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件 的加工方法。锻造通常是在高温（再结晶温度以上）下成形的，
因此也称为金属热变形或热锻。
★锻造特点：1、压密或焊合铸态金属组 织中的缩孔、缩松、空隙、气泡和裂纹。 2、细化晶粒和破碎夹杂物，从而获得一 定的锻造流线组织。因此，与铸态金属 相比，其性能得到了极大的改善。 3、主要用于生产各种重要的、承受重载荷的机器零件或毛坯。 如机床的主轴和齿轮、内燃机的连杆、起重机的吊钩等。 4、高温下金属表面的氧化和冷却收缩等各方面的原因，锻件精度 不高、表面质量不好，加之锻件结构工艺性的制约。
2、晶粒和分布在晶界上的非金属夹杂物ห้องสมุดไป่ตู้沿变形方向被拉长， 但是拉长的晶粒可经再结晶又变成等轴细粒状，而这些夹杂物不能 改变，就以细长线条状保留下来，形成了所谓的纤维组织。 纤维组织的化学稳定性很高，只有经过锻压才能改变其分布方向， 用热处理是不能消除或改变纤维组织形态的。 纤维组织使金属的力学性能具有明显的方向性。
影响金属塑性成形的因素及条件
《材料成形技术基础》—影响金属塑性成形的因素及条件一、影响金属塑性变形的内在因素（一）化学成分纯金属的塑性成形性较合金的好。
钢的含碳量对钢的塑性成形性影响很大，对于碳质量分数小于0.15%的低碳钢，主要以铁素体为主（含珠光体量很少），其塑性较好。
随着碳质量分数的增加，钢中的珠光体量也逐渐增多，甚至出现硬而脆的网状渗碳体，使钢的塑性下降，塑性成形性也越来越差。
合金元素会形成合金碳化物，形成硬化相，使钢的塑性变形抗力增大，塑性下降，通常合金元素含量越高，钢的塑性成形性能也越差。
杂质元素磷会使钢出现冷脆性，硫使钢出现热脆性，降低钢的塑性成形性能。
（二）金属组织纯金属及单相固溶体的合金塑性成形性能较好；钢中有碳化物和多相组织时，塑性成形性能变差；具有均匀细小等轴晶粒的金属，其塑性成形性能比晶粒粗大的柱状晶粒好；网状二次渗碳体，钢的塑性将大大下降。
二、影响金属塑性变形的加工条件（一）变形温度温度升高，塑性提高，塑性成形性能得到改善。
变形温度升高到再结晶温度以上时，加工硬化不断被再结晶软化消除，金属的塑性成形性能进一步提高。
过热：加热温度过高，会使晶粒急剧长大，导致金属塑性减小，塑性成形性能下降，这种现象称为“过热”。
过烧：如果加热温度接近熔点，会使晶界氧化甚至熔化，导致金属的塑性变形能力完全消失，这种现象称为“过烧”，坯料如果过烧将报废。
（二）变形速度变形速度：单位时间内变形程度的大小。
变形速度的增大，金属在冷变形时的冷变形强化趋于严重；当变形速度很大时，热能来不及散发，会使变形金属的温度升高，这种现象称为“热效应”，它有利于金属的塑性提高，变形抗力下降，塑性变形能力变好。
图2-5所示是变形速度与塑性的关系。
问题：在锻压加工塑性较差的合金钢或大截面锻件时，都应采用较小的变形速度，若变形速度过快会出现变形不均匀，造成局部变形过大而产生裂纹。
图2-5 变形速度与塑性的关系（三）应力状态实践证明，在三向应力状态下，压应力的数目越多，则其塑性越好；拉应力的数目越多，则其塑性越差。
金属的塑性变形
滑移
滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一
定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移， 且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
τ
τ
a)未变形
bτ )弹性变形
τc)弹塑性变形
单晶体滑移变形示意图
d)塑性变形
孪生
孪生：晶体内的一部分原子（红色）相对另一部分原子沿某个
晶面转动，使未转动部分与转动部分的原子排列成镜面对称关系。
一、金属的可锻性（塑性加工性能）
定义：在锻造过程中，金属通过塑性加工而不开裂， 并获得合格零件的能力。 衡量指标：金属的塑性和变形抗力 塑性越高、变形抗力越低，可锻性越好。
二、影响金属可锻性的因素：
三个主要因素：金属的本质、加工条件、应力状态 1、金属的本质（内在因素）： ①化学成分
➢ 碳钢：钢的含碳量越低，可锻性越好; ➢ 合金钢：合金元素含量越高，可锻性越差； ➢ 纯金属的可锻性优于合金。 ②金属组织
冷变形过程缺点：
①冷变形过程的加工硬化使金属的塑性变差，给进一步塑性变 形带来困难。 ②对加工坯料要求其表面干净、无氧化皮、平整。 ③加工硬化使金属变形处电阻升高，耐蚀性降低。
五、纤维组织及其利用
纤维组织（热加工流线）：
塑性加工中，金属的晶粒形状和晶界分布的杂质沿变形方 向被拉长，呈纤维状。纤维组织不能热处理消除，只能通过锻 压改变其形状和方向。
纯金属或单相固溶体（奥氏体）的可锻性优于多相组织； 均匀细晶的可锻性优于粗晶组织和铸态柱状晶； 钢中存在网状二次渗碳体时可锻性下降。
影响金属可锻性的因素：
2、加工条件：
①变形温度 温度越高，金属塑性提高，
变形抗力降低，可锻性提高。
加热温度过高，产生缺陷： 过热：晶粒长大，使综合机械性能下降； 过烧：晶粒边界氧化或熔化 ，一击即碎； 脱碳：碳与环境气体反应，使表层含碳量减少； 严重氧化：表层与 氧反应，生成氧化物。
材料工程基础第三、四章习题答案
1、何为冷变形、热变形和温变形？冷变形：温度低于回复温度，变形过程只有加工硬化无回复和再结晶。
热变形：温度在再结晶温度以上，变形产生的加工硬化被再结晶抵消，变形后具有再结晶等轴晶粒组织，而无加工硬化痕迹。
温变形：金属材料在高于回复温度但低于再结晶开始温度的温度范围内进行的塑性变形过程。
2、简述金属的可锻性及其影响因素。
可锻性：指金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。
它包括在热态或冷态下能够进行锤锻，轧制，拉伸，挤压等加工。
可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分有关。
(1)内在因素(a)化学成分:不同化学成分的金属其可锻性不同；(b)合金组织:金属内部组织结构不同，其可锻性差别很大。
(2)外在因素(a)变形温度:系指金属从开始锻造到锻造终止的温度范围。
温度过高:过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷。
温度过低：变形抗力↑－难锻，开裂(b)变形速度:变形速度即单位时间内的变形程度(c)应力状态:金属在经受不同方法进行变形时，所产生的应力大小和性质（压应力或拉应力）不同。
3、自由锻和模锻的定义及其特点是什么？自由锻造是利用冲击力或压力使金属在上下砧面间各个方向自由变形，不受任何限制而获得所需形状及尺寸和一定机械性能的锻件的一种加工方法，简称自由锻。
1、自由锻锻件的精度不高，形状简单，其形状和尺寸一般通过操作者使用通用工具来保证，主要用于单件、小批量生产。
2、对于大型机特大型锻件的制造，自由锻仍是唯一有效的方法。
3、自由锻对锻工的技术水平要求高，劳动条件差，生产效率低。
模锻是指在专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件的锻造方法。
模锻具有如下特点：(1)生产效率高。
劳动强度低。
(2)锻件成形靠模膛控制，可锻出形状复杂、尺寸准确，更接近于成品的锻件，且锻造流线比较完整，有利于提高零件的力学性能和使用寿命。
(3)锻件表面光洁，尺寸精度高，加工余量小，节约材料和切削加工工时。
(4)操作简便，质量易于控制，生产过程易实现机械化、自动化。
影响金属塑性、强度的因素
影响金属塑性、强度的因素
一.金属组织对塑性的影响
纯金属及固溶体具有较高的塑性（如纯铁、奥氏体钢），化合物和紧缩性很差（如高速钢）。
铸造组织由于是由粗大组织状结晶组成，合金成分分布不均匀，内部缺陷多，塑性较低。
冷变形后，塑性也有所降低。
二．化学成分对金属性能的影响
碳（C）:含碳量增加，钢的硬度升高，塑性及韧性降低。
当含碳量小于0.8%时，钢的强度随含碳量增加而提高；当含碳量大于0.8%时，钢的强度反而随含碳量的增加而降低。
硅（Si）:在普通碳钢中，硅含量不超过0.5%时，对机械性能影响不大；当硅含量继续增加时，钢的强度指标（特别是屈服强度）有明显提高，但塑性及韧性降低。
锰（Mn）:在一般碳钢中，锰含量在0.7%以下，对钢的性能影响不大。
含锰量增加到1~2%时，可使强度提高，塑性降低，可锻性变差。
钨（W）：单一钨含量的结构钢，其性能与碳钢相比无多大改善，当钨与其他元素合用时，可细化晶粒，降低回火死刑，从而提高钢的强度。
高合金钨钢（高速钢）由于含有大量共晶碳化物，其塑性低。
钼（Mo）：在高速钢中加入钼可提高耐磨性、回火硬度；在不锈钢中有助于提高钢的抗蚀性，还有助于提高钢的高温强度。
钒（V）:钒在钢中能形成高硬度的碳化物，提高钢的耐磨性。
但钒含量过高则使钢的锻造性变差。
钛（Ti）:钛在钢中可细化晶粒，，一定程度上可提高钢的强度。
当钢中钛含量超过0.05%时，其轧制状态的塑性和韧性均将降低。
经过热加工的含钛钢其塑性及韧性有明显的方向性。
钛也可提高钢的高温强度。
铬（Cr）:铬在一定含量内可提高钢的强度和硬度。
金属塑性理论基础-可锻性及其影响因素
金属塑性成形理论基础可锻性及其影响因素1.金属的可锻性。
可锻性是指金属材料受压力加工而产生塑性变形的工艺性能，反映了金属材料获得优质锻件的难易程度。
2.可锻性的衡量塑 性变形抗力金属的可锻性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。
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。
2.可锻性的衡量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。
%10000⨯-=L L L k δ%10000⨯-=A A A k ψ伸长率断面收缩率0L k L 0A FF LkA2）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。
2.可锻性的衡量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。
%10000⨯-=A A A k ψ伸长率断面收缩率%10000⨯-=L L L k δ3 金属可锻性影响因素在三向压应力状态，表现较高的塑性和较大的变形抗力； 在两向压应力和一向拉应状态时，表现出较低的塑性和较小的变形抗力。
(1)单相组织比多相组织塑性好，变形抗力也低。
(2)含有较多碳化物的合金， 可锻性差(3)铸态和粗晶组织可锻性差在一定温度范围内，随着变形温度的提高，可锻性提高。
一般变形速度区中，随着速度的增加，塑性下降，可锻性变差。
在高速变形区，随变形速度的增加，，可锻性反而变好。
5）应力状态的影响1）化学成分的影响2）组织的影响3）变形温度的影响4）变形速度的影响(1)纯金属的可锻性比合金的可锻性好；(2)合金成分越复杂，可锻性越差3 金属可锻性影响因素1）化学成分的影响钢中碳含量越高，塑性越差；纯金属的可锻性比合金的可锻性好；2）组织的影响单相组织比多相组织塑性好，变形抗力也低；含有较多碳化物的合金，可锻性差；铸态和粗晶组织可锻性差。
3）变形温度的影响提高加热温度有利于提高锻件的塑性、降低变形抗力。
金属的塑性名词解释
金属的塑性名词解释金属是一类具有良好导电性和导热性的物质，常见于自然界及人工合成材料中。
而金属的塑性，则是指金属在外力作用下，能够发生可逆形变的性质。
金属的塑性是金属材料广泛应用于工程和制造领域的重要特性之一。
1. 塑性的定义和特点在材料科学中，塑性是指材料在外力作用下能够在不断施加压力的情况下产生形变，并在去除外力后保持永久形变的能力。
金属的塑性是由金属的晶体结构和原子的排列所决定的。
金属晶体的原子对于应力有很强的耐力，可在外力作用下，通过滑移和重排等微观过程发生塑性变形。
相对于其他材料，金属材料具有较高的塑性，这使得金属制品可以通过冷加工、热加工等工艺方式来获得所需形状。
2. 塑性与金属工艺金属的塑性为金属工艺提供了重要的基础条件。
无论是锻造、拉伸、挤压还是压铸、锋锅等金属成型工艺，都依赖于金属的塑性特性。
例如，金属锻造是通过对金属材料施加压力使其塑性变形，来形成所需形状的工艺。
挤压则是指将金属材料放置在挤压机中，通过外力作用将材料压入模具中，从而获得具有中空或复杂横截面的塑性变形零件。
可见，金属的塑性在各种金属工艺中发挥着重要的作用。
3. 影响金属塑性的因素金属塑性受多种因素的影响，下面将介绍其中几个主要因素。
a) 温度：金属的塑性随温度变化而变化。
一般来说，金属的塑性随温度的升高而增加。
温度的变化会影响金属晶体内原子的活动性和间距，从而影响金属的塑性。
b) 结晶度：金属的晶粒度和结晶度对金属的塑性有着重要的影响。
较小的晶粒和高结晶度的金属具有更好的塑性。
c) 合金化：添加适量的合金元素，如镍、钢、铝等可以显著提高金属的塑性。
这是因为合金元素的添加可以改变金属结晶格局，增强晶界的弹性变形能力，从而提高了金属的塑性。
4. 应用前景金属的塑性使得金属材料成为各行各业广泛应用的基础材料。
例如，汽车、飞机、火箭等交通工具的结构部件，以及建筑物的支撑结构往往使用金属材料，这是因为金属的塑性能够满足这些部件在复杂应力条件下的要求。
锻造01
3）需配备对棒料局部加热的专用加热炉。
4）高效率、高质量、容易实现机械化的锻造方法，但设备 结构复杂，价格贵，适用于大批量生产。
第二节 锻造工艺规程的制订
自由锻的工艺规程包括：绘制锻件图，计算坯料的重
量和尺寸，确定变形工步，选定设备和工具，确定锻造温 度范围，加热、冷却及热处理的方法及规范等。 模锻的工艺规程包括：自由锻的内容外，还应有分模 面膜的选择、模锻斜度和圆角半径等等。
3 ）滑块运动精度高，并有锻件顶出装置，使模锻斜度、 加工余量、锻造公差减小，锻件精度比锤上模锻高。 4）振动和噪声较小，劳动条件改善。
缺点：
1）设备费用高，模具结构复杂； 2）滑块行程和压力不能在锻造过程中调整，因此 不能进行拔长、滚压等制坯。
3.摩擦压力机上模锻
摩擦压力机是将飞轮旋转所积蓄的能量转化成金属的 变形能进行锻造的，属锻锤类锻压设备。其结构与传动原 理如图3-30所示。
3、自由锻的特点
优点： 1）自由锻使用工具简单，不需要造价昂贵的模具；
2）可锻造各种重量的锻件，对大型锻件，它是唯一方法
3）由于自由锻的每次锻击坯料只产生局部变形，变形金属 的流动阻力也小，故同重量的锻件，自由锻比模锻所需的 设备吨位小。 缺点： 1）锻件的形状和尺寸靠锻工的操作技术来保证，故尺寸精 度低，加工余量大，金属材料消耗多； 2）锻件形状比较简单，生产率低，劳动强度大。故自由锻 只适用于单件或小批量生产。
摩擦压力机上模锻的特点如下： 1）滑块运动速度低，可锻造低塑性合金钢和有色金属； 2）承受偏心载荷能力差，仅适合单膛模锻；
3）打击速度低，可采用组合模具，降低生产成本，缩短生 产周期；
4）滑块行程不固定，故工艺性广泛。
4. 胎模锻
在自由锻设备上使用简单的非固定模具（胎模）生产模 锻件的一种工艺方法。 （1）与自由锻相比，锻件质量好，生产率高，节约金
材料分析
一、金属的锻造性能锻造性能是金属材料在压力加工时成形的难易程度。
1 . 可锻性的衡量指标1）塑性：材料的塑性越好，其可锻性越好。
2）变形抗力：材料的变形抗力越小，其可锻性越好。
2 . 影响可锻性的因素( 1）金属的本质( 2）变形条件（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T温越高，材料的可锻性越好。
如45钢室温ζb＝600MPa δ＝20％800℃ζb＝50MPa δ＝60％1200℃ζb＝20MPa δ＝80％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。
锻造温度范围始锻温度：开始锻造的温度叫始锻温度。
在不出现过热和过烧的前提下提高始锻温度可使金属的塑性提高，变形抗力下降，有利于锻压成形。
碳钢比AE线低200C°左右过热、过烧缺陷终锻温度：停止锻造的温度叫终锻温度。
终锻温度过高，则在随后的冷却过程中晶粒将继续长大，得到粗大晶粒组织，终锻温度太低，则再结晶困难，加工硬化现象严重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）。
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。
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。
三向压应力—塑性最好、变形抗力最大。
三向拉应力—塑性最差、变形抗力最大。
大学金属工艺的金属塑性加工的相关问题的讲解
金属纤维组织
图3－6铸锭热变形前后的组织
纤维组织的特点
变形程度越大，纤维组织越明显。 常用锻造比γ表示变形程度。坯料拔长时的锻造比为： γ=F0/F 式中F0为坯料拔长前的横截面积；F为坯料拔长后的横截面积。 纤维组织使金属在性能上具有方向性。 纵向（平行于纤维方向）上的塑性、韧性提高， 横向（垂直于纤维方向）上的塑性、韧性则降低。 纤维组织的稳定性很高，不能用热处理或其它方法加以消除 不能用热处理或其它方法加以消除， 不能用热处理或其它方法加以消除 只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。
知识点：
第二章
锻造
1、自由锻和模锻。 2、胎模锻。 3、余块、机械加工余量。 4、模锻－－焊接成形。
锻造：在加压设备及工（模）具作用下，铸锭产生局部或全部的塑
性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。
第一节 锻造方法
一、自由锻
(1)、 (1)、自由锻是利用冲击力或压力使金属在上、下砧之间产生塑性变
位错移动：高位能的位错处原子， 位错移动 在比理论值小的切应力下滑移。从 一个位置滑移到另一个位置。
未变形
弹性变形
弹塑性变形
塑性变形
图3－2
位错运动引起塑性变形示意图
位 错 移 动 的 结 果： 塑 性 变 形。
晶内变形：金属由大量微小晶粒组成的 晶内变形 多晶体，由组成多晶体的许多单个晶粒 产生变形。其综合效果是塑性变形。 其综合效果是塑性变形。 其综合效果是塑性变形
A 锻造比： 锻造比：Y镦= A0 ＞1
拔长、镦粗、冲孔、弯曲、扭转、错移、 拔长、镦粗、冲孔、弯曲、扭转、错移、切割
使坯料高度减小，截面积增大的工序。 使坯料高度减小，截面积增大的工序。
锻造技术-知识点(金属热处理)
锻 压 金属塑性成形（压力加工）:金属材料在外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。
塑性成形基本生产方式:轧制,挤压,拉拔,锻压(锻造（自由锻造，模型锻造）,冲压)一．塑性变形的力学基础：1．塑性变形的本质：位错滑移2．塑性变形屈服准则(1)屈雷斯加（Tresca ）屈服准则假设σ1>σ2>σ3>时，则外加最大切应力τmax=(σ1-σ3)/2 达到推动位错运动所需要的最小应力时材料则发生屈服(2)密西斯（Mises ）屈服准则当等效应力达到某定值时，材料即会屈服，即： ()()()C =-+-+-=][213232221σσσσσσσ21*二．金属锻造性能1．可锻性：金属的可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得优质零件难易程度的一个工艺性能。
2..衡量标准：常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。
塑性越大，变形抗力越小，则可认为金属的可锻性好；反之则差。
3.影响可锻性的因素(1) 内在因素(a)化学成分: 不同化学成分的金属其可锻性不同(b)合金组织: 金属内部组织结构不同，其可锻性差别很大(2) 外在因素(a)变形温度: 系指金属从开始锻造到锻造终止的温度范围。
温度过高: 过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷。
温度过低：变形抗力↑－难锻，开裂(b)变形速度:变形速度即单位时间内的变形程度(c)应力状态:金属在经受不同方法进行变形时，所产生的应力大小和性质（压应力或拉应 力）是不同4.锻造流线与锻造比(1)锻造比:表示金属变形程度大小- 拔长工序的锻造比为：Y 拔长=A0/A=I/I0 式中：A0、A--坯料拔长前后的横截面积I0、I--坯料拔长前后的长度- 镦粗工序的锻造比为：Y 墩粗=H0/H 式中：H0,H--坯料拔长前后的高度。
(2) 锻造流线(纤维组织):金属压力加工最原始的坯料是铸锭，铸锭大多具有粗大的结晶组织以及气孔、缩松、不溶于基体金属的非金属夹杂等，在压力加工过程中，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的 杂质形状都将沿着变形方向被拉长，呈纤维状分布，这种具有方向性的组织称为锻造流线三．坯料的加热及锻件的冷却1．加热目的：提高坯料的塑性，降低变形抗力，改善锻压性能。
锻压比
3.2.1 塑性变形理论及假设
1 最小阻力定律
如果金属颗粒在几个方 向上都可移动， 向上都可移动，那么金属颗 粒就沿着阻力最小 阻力最小的方向移 粒就沿着阻力最小的方向移 这就叫做最小阻力定律 最小阻力定律。 动，这就叫做最小阻力定律。 圆形、方形、矩形截面上各 圆形、方形、矩形截面上各 质点在镦粗时的流动方向， 质点在镦粗时的流动方向， 方形截面镦粗后的截面形状。 方形截面镦粗后的截面形状。
热变形
变形温度在再结晶温度以上时， 变形温度在再结晶温度以上时，变形 产生的加工硬化 加工硬化被随即发生的再结晶所抵 产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵 消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组 而无任何加工硬化痕迹， 织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称 热变形。 为热变形。
钢丝变形模拟
加工硬化与再结晶
3.3.2.2 终锻模膛
终锻模膛的作用是： 终锻模膛的作用是：是使坯 料最后变形到锻件所要求的形状 和尺寸， 和尺寸，因此它的形状应和锻件 的形状相同。 的形状相同。 终锻模膛的尺寸应比锻件 尺寸放大一个收缩量。 尺寸放大一个收缩量。钢件收 缩量取1.5% 缩量取 沿模膛四周有飞边槽， 沿模膛四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出 的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。 的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。 终锻后在孔内留下一薄层金属，称为冲孔连皮 冲孔连皮。 终锻后在孔内留下一薄层金属，称为冲孔连皮。
3.2.3 冷变形及热变形
冷变形
变形温度低于回复温度时， 变形温度低于回复温度时，金属在变形 过程中只有加工硬化而无回复与再结晶现象， 加工硬化而无回复与再结晶现象 过程中只有加工硬化而无回复与再结晶现象， 变形后的金属只具有加工硬化组织， 变形后的金属只具有加工硬化组织，这种变 形称为冷变形 冷变形。 形称为冷变形。
材料成形工艺基础最新精品课件第五章金属塑性成形理论基础
2. 多晶体的塑性变形
多晶体的塑性变形是由于晶界的存在和 各晶粒晶格位向的不同，其塑性变形过程比 单晶体的塑性变形复杂得多。在外力作用下， 多晶体的塑性变形首先在晶格方向有利于滑 移的晶粒A内开始，然后，才在晶格方向较 为不利的晶粒B、C内滑移。由于多晶体中 各晶粒的晶格位向不同，滑移方向不一致， 各晶粒间势必相互牵制阻扰。为了协调相邻 晶粒之间的变形，使滑移得以继续进行，便 图5-4 多晶体塑性变形过程示意图 会出现晶粒彼此间相对的移动和转动。因此， 多晶体的塑性变形，除晶粒内部的滑移和转 动外，晶粒与晶粒之间也存在滑移和转动。
图5-6 回复和再结晶示意图
（3）晶粒长大 在结晶退火后的金属组织一般为细小均匀的等 轴晶。如果温度继续升高，或延长保温时间，则在结晶后的晶粒 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。
5.2.2 冷变形和热变形后金属的组织与性能
金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷变形，在再结晶以 上进行的塑性变形称为热变形。
图5-7 冲压件的制耳
（4）残余内应力 残余内应力是指去除外力后，残留在金属内 部的应力，它主要是由于金属在外力作用下变形不均匀而造成的。 残余内应力的存在，使金属原子处于一种高能状态，具有自发恢 复到平衡状态的倾向。在低温下，原子活动能力较低，这种恢复 现象难以觉察，但是，当温度升高到某一程度后，金属原子获得 热能而加剧运动。金属组织和性能将会发生一系列变化。
1. 锻造比 锻造比是锻造生产中代表金属变形程度大小的一个参数，一 般是用锻造过程中的典型工序的变形程度来表示（Y）。如拔长时， 锻造比Y拔=F0/F；镦粗时，锻造比Y镦=H0/H。（式中，H0、F0分别为坯 料变形前的高度和横截面积，H、F分别为坯料变形后的高度和横截面 积）。
金属锻造工艺 影响金属锻造性因素
金属锻造性，作为衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度，是确定锻造加工工艺的主要参考内容，也是判断金属工艺性能的重要指标之一。
金属锻造性的好坏，主要通过金属的塑性和变形抗力两个指标来进行衡量。
变形抗力低说明金属塑性好。
在金属锻造工艺中，影响金属材料塑性以及变形抗力主要由于以下因素。
1、金属的本质（1）金属的化学成分：金属塑性不同由于其化学成分的不同造成，这也会造成其锻造性的不同。
一般纯金属的的锻造性比较好。
金属组成合金后，提高了强度、但是会导致塑性下降，锻造性能变差。
（2）金属的组织状态：金属的组织结构有所不同，也会让其锻造性出现较大的区别。
单一的固溶体组成的合金，具有良好的塑性，其锻造性也会比较好。
如果含有多种合金组成不同性能的组织结构，其塑性也会降低，造成锻造性差的情况发生。
另外，面心立方结构和体心立方结构的金属比密排六方结构的金属塑性好。
金属组织内部有缺陷，例如铸锭内部的疏松、气孔等缺陷，会引起金属塑性的下降，在锻造的时候会出现锻裂现象。
铸态组织和晶粒粗大的机构不如轧制状态和晶粒细小的组织结构锻造性能好，但是晶粒越细小，金属的变形抗力越大。
2、金属的变形条件（1）变形温度：随着温度的升高，金属的原子动能会有所提升，容易产生滑移变形，从而让金属的锻造性得到提高。
所以，在锻压生产中，加热是重要的变形条件。
但是由于在高温的情况下金属会出现过热、过烧情况，塑性反而出现明显的下降。
所以，对于加热温度，需要根据金属的材质的不同，在一定范围内进行控制，也就是找到合适的变形温度范围。
（2）变形速度：变形速度指的是金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量。
变形速度大，会然金属的塑性下降，变形抗力增大。
（3）变形时的应力状态：压应力会让塑性提高，拉应力会让塑性降低。
工具与金属间的摩擦力会让金属的变形不均匀。
根据以上介绍，金属的塑性和变形抗力会受到金属的本质与变形条件等相关因素影响的。
在选用锻压加工方法时，降低变形抗力，用最少的能耗，获得最佳的锻压件。
第六章金属塑性成形工艺理论基础
3）冲压件尺寸精度高，质量稳定，互换性好， 一般不需机械加工即可作零件使用。 4）冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机 械化和自动化。
5）可以冲压形状复杂的零件，废料少。
6）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用 高，只适用于大批量生产。
坯料在锻造过程中，除与上下抵铁或其它辅 助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形 不受限制，锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保 证，所用设备与工具通用性强。
自由锻主要用于单件、小批生产，也是生产 大型锻件的唯一方法。
1) 自由锻设备
空气锤 它由电动机直接驱动，打击速度快，锤击能量小，适
用于小型锻件；65~750Kg
挤压成形是使坯料在外力作用下，使模具内的金属坯 料产生定向塑性变形，并通过模具上的孔型，而获得 具有一定形状和尺寸的零件的加工方法。
图6-3 挤压
挤压的优点：
1）可提高成形零件的尺寸精度，并减小表面粗糙 度。 2）具有较高的生产率，并可提高材料的利用率。 3）提高零件的力学性能。 4）挤压可生产形状复杂的管材、型材及零件。
3）精整工序：修整锻件的最后尺寸和形状，消除表面的不 平和歪扭，使锻件达到图纸要求的工序。如修整鼓形、平 整端面、校直弯曲。
3）自由锻的特点
优点：
1）自由锻使用工具简单，不需要造价昂贵的模具；
2）可锻造各种重量的锻件，对大型锻件，它是唯一方法
3）由于自由锻的每次锻击坯料只产生局部变形，变形金属 的流动阻力也小，故同重量的锻件，自由锻比模锻所需的 设备吨位小。
实例：
当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与 杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力 顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱(如图示 )。
塑性影响因素
金属塑性及其影响因素从生产工艺角度出发，总是希望变形金属具有高的塑性，随着科学技术的发展，有越来越多的低塑性、高强度材料需要进行塑性成型，以适应生产的需要。
塑性是材料力学性能中的一项重要指标，测定某一材料合不合格，对其塑性有严格的标准规定。
人们往往只认识到材料力学性能中强度这一项，而对塑性没有足够的重视。
然而在生产实际中，从各种机械零件到巨大的船舶、桥梁、容器等在使用过程中都有不少因塑性不够而发生脆断的例子。
因此研究如何提高金属塑性的问题无疑具有重要意义。
1金属塑性和塑性指标所谓塑性，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。
为了衡量金属塑性的高低，需要有一种数量上的指标，称为塑性指标。
塑性指标是以材料开始破坏时的塑性变形量来表示，它可借助于各种实验方法来测定，如拉伸、墩粗和扭转实验等。
通常情况我们用拉伸实验测定金属的塑性指标，对应于拉伸实验的塑性指标，用延伸率a表示。
a的数值由下式确定:一Lo)/Lo x100%δ=(Lk一拉伸试样原始标距间长度式中:Lk一拉伸试样破断后标距间的长度Lk对应于不同材料，对其塑性有不同的标准规定，如标准铃轧扭钢筋》(JG3046一1998)中规定冷轧扭钢筋的延伸率8应符合吕I。
)4.5%;标准伽筋混凝土用热轧光圆钢脚(GB13013一91)中规定钢筋的延伸率吕应符合吕5)25%。
因此严格测定材料的塑性对判定材料是否符合标准要求起着重要的作用，并且塑性指标对于正确拟定产品加工工艺具有重要的参考价值。
那么，什么影响着金属塑性的高低呢?影响金属塑性高低的主要因素有两方面，一方面是内因，即金属本身的化学成分、组织等;另一方面是外因，即变形时的外部条件，如变形温度、变形速度等。
下面将对这两方面因素是如何影响金属塑性的高低做具体分析。
2化学成分和组织对金属塑性的影响金属本身的化学成分和组织对塑性的影响非常明显，但也很复杂。
现以钢(碳钢和合金钢)为主要对象，分析其化学成分和组织对金属塑性的影响。
分析影响金属塑性变形的主要因素
分析影响金属塑性变形的主要因素本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March分析影响金属塑性变形的主要因素(一）影响金属塑性变形的主要因素影响金属塑性变形的主要因素有两个方面，其一是变形金属本身的晶格类型，化学成份和组织状态等内在因素；其二是变形时的外部条件，如变形温度、变形速度和变形的力学状态等。
因此，只要有合适的内、外部条件，就有可能改变金属的塑性行为1.化学成份和组织对塑性变形的影响化学成份和组织对塑性和变形抗力的影响非常明显也很复杂。
下面以钢为例来说明。
①化学成份的影响在碳钢中，铁和碳是基本元素。
在合金钢中，除了铁和碳外还包含有硅、锰、铬、镍、钨等。
在各类钢中还含有些杂质，如磷、硫、氨、氢、氧等。
碳对钢的性能影响最大。
碳能固溶到铁里形成铁素体和奥氏体固溶体，它们都具有良好的塑性和低的变形抗力。
当碳的含量超过铁的溶碳能力，多余的碳便与铁形成具有很高的硬度，而塑性几乎为零的渗碳体。
对基体的塑性变形起阻碍作用，降低塑性，抗力提高。
可见含碳量越高，碳钢的塑性成形性能就越差。
合金元素加入钢中，不仅改变了钢的使用性能，而且改变了钢的塑性成形性能，其主要的表现为：塑性降低，变形抗力提高。
这是由于合金元素溶入固溶体(α—Fe和γ－Fe)，使铁原子的晶体点阵发生不同程度的畸变；合金元素与钢中的碳形成硬而脆的碳化物(碳化铬、碳化钨等)；合金元素改变钢中相的组成，造成组织的多相性等，都造成钢的抗力提高，塑性降低。
杂质元素对钢的塑性变形一般都有不利的影响。
磷溶入铁素体后，使钢的强度、硬度显著增加，塑性、韧性明显降低。
在低温时，造成钢的冷脆性。
硫在钢中几乎不溶解，与铁形成塑性低的易溶共晶体FeS，热加工时出现热脆开裂现象。
钢中溶氢，会引起氢脆现象，使钢的塑性大大降低。
②组织的影响钢在规定的化学成份内，由于组织的不同，塑性和变形抗力亦会有很大的差别。
第1章金属的塑性第3节-影响塑性的因素
33
4. 屈服准则的几何表示
34
35
小结： 1. 两个屈服面实际相差不多，最大误差15.5％。
2. 屈服面内为弹性区，屈服面上为塑性区。
3. 当物体承受三向等拉或三向等压应力状态时 （OE线），不管其绝对值多大，都不可能 发生塑性变形。
36
例1：一个两端封闭的薄管经受到的内压力为 35MPa，薄壁管的平均半径为300mm。 （1）如果材料的s＝700MPa，根据Tresca屈服 准则，为保证薄壁管处于弹性状态，管壁最小 的厚度为多少？ （2）如果材料的剪切屈服极限为K＝280MPa， 根据Tresca准则，管壁的最小厚度应是多少？
17
五、变形速度的影响
变形速度对塑性的影响，实质上是加工硬化和变形热效应的 共同作用。 热效应：金属在塑性变形时塑性变形能转化为热能的现象。 温度效应：塑性变形过程中，因金属发热而促使温度升高的效应
铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度 挤压系数 11 挤压速度 （毫米/秒） 150 金属温度 ℃ 158~195
17轧制前使两者的温度不同可减小弯曲程度四变形程度的影响无论在室温或高温条件下只要回复和再结晶过程来不及进行则随着变形程度的增加必然产生加工硬化硬化使变形抗力增大通常变形程度在30以下时使变形抗力增大通常变形程度在30以下时伴随加工硬化过程和回复再结晶过程18变形抗力增加显著
第一章 第3节 影响塑性变形的因素
一般金属有 1-2个脆性区
温度对塑性影响的典型曲线
温度，K
13
其塑性随温度而变化的曲线图，称为塑性图。塑性图表明了该金属 最有利的加工温度范围，是拟定热变形规程的必备资料之一
纯铝
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金属塑性成形理论基础
可锻性及其影响因素
1.金属的可锻性。
可锻性是指金属材料受压力加工而产生塑
性变形的工艺性能，反映了金属材料获得优质
锻件的难易程度。
2.可锻性的衡量
塑 性变形抗力
金属的可锻性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。
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。
2.可锻性的衡量
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。
%10000⨯-=L L L k δ%10000⨯-=A A A k ψ伸长率断面收缩率0L k L 0
A F
F L
k
A
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。
2.可锻性的衡量
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。
%10000⨯-=
A A A k ψ伸长率断面收缩率%10000⨯-=L L L k δ
3 金属可锻性影响因素
在三向压应力状态，表现较高的塑性和较大的变形抗力； 在两向压应力和一向拉应状态时，表现出较低的塑性
和较小的变形抗力。
(1)单相组织比多相组织塑性好，变形抗力也低。
(2)含有较多碳化物的合金， 可锻性差
(3)铸态和粗晶组织可锻性差在一定温度范围内，随着变形温度的提高，可锻性提高。
一般变形速度区中，随着速度的增加，塑性下降，可锻性变差。
在高速变形区，随变形速度的增加，，可锻性反
而变好。
5）应力状态的影响
1）化学成分的影响2）组织的影响3）变形温度的影响
4）变形速度的影响
(1)纯金属的可锻性比合金的可锻性好；
(2)合金成分越复杂，可锻性越差
3 金属可锻性影响因素
1）化学成分的影响钢中碳含量越高，塑性越差；
纯金属的可锻性比合金的可
锻性好；
2）组织的影响单相组织比多相组织塑性好，
变形抗力也低；
含有较多碳化物的合金，可
锻性差；
铸态和粗晶组织可锻性差。
3）变形温度的影响提高加热温度有利于提高锻
件的塑性、降低变形抗力。
温度过高时产生过热、过烧、脱碳、严重
氧化；温度过低时锻件变形困难或者被锻
裂及损毁锻造设备。
高速钢的过烧组织
高速钢的过热组织
高速钢的正常淬火组织
变形速度与塑性和变形抗力的关系
4）变形速度的影响一般变形速度区中，随着速度
的增加，塑性下降，可锻性变差。
在高速变形区，随变形速度的增加可锻性反而变好。
挤压金属应力状态 拉拔金属应力状态 5）应力状态的影响3 金属可锻性影响因素
三个方向上受压应力数目越多，金
属的塑性越好，而拉应力数目越多，金属的塑性越差。
同号应力状态比异号应力状态的变形抗力大。
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