固态金属材料塑性成形过程-

第一讲固态金属材料塑性成形过程
金属固态塑性成形过程简称金属成形过程(又叫金属压力加工或锻压加工)，它是指在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形，以获得所需形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。

金属成形过程的成形原理属质量不变的“固态成形”。

任何固态材料本身都具有一定的形状和大小，固态成形就是要改变固体原来的形状和大小，获得预期要求的形状和尺寸。

因此，要实现金属材料的固态成形，必须要有两个基本成形条件，即
(1)被成形的金属材料具备一定的塑性。

(2)要有外力作用于固态金属材料上。

可见，金属的固态成形受到内外两方面因素的制约。

内在因素即金属本身能否进行固态形变和可形变的能力大小，外在因素即需要多大的外力。

另外，外界条件(如温度等)对内外因素有相当大的影响，且成形过程中两因素也相互影响。

由上述可知，所有在外力下产生塑性变形而不破坏的材料，都有可能进行质量不变的固态变形。

低、中碳钢及大多数有色金属的塑性较好，故都可进行塑性成形加工，而铸铁、铸铝合金等脆性材料，塑性很差，一般不能或不宜进行塑性成形。

一、金属固态塑性成形方法
工业中实现质量不变的金属固态成形的方式多种多样，主要的金属塑性成形方法有：
(1)轧制将金属通过轧机上两个相对回转轧辊之间的空隙，进行压延变形成为型材(如钢板、圆钢、角钢、槽钢等)的加工方法，如图1a所示。

轧制生产所用坯料主要是金属锭，坯料在轧制过程中靠摩擦力得以连续通过而受压变形，结果坯料的截面减小，轧出的产品截面与孔隙形状和大小相同，长度增加。

(2)挤压是将金属置于一封闭的挤压模内，用强大的挤压力将金属从模孔中
挤出成形的方法，如图2a所示。

挤压过程中金属坯料的截面依照模孔的形状减小，长度增加。

挤压可以获得各种复杂截面的型材或零件。

(3)拉拔将金属坯料拉过拉拔模模孔，而使金属拔长、断面与模孔相同的加工方法。

它主要生产各种细线材、薄壁管和一些特殊截面形状的型材，如图3所示。

(4)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，如图4a所示。

(5)模型锻造(又叫模锻)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，如图4b所示。

(6)板料冲压金属板料在冲压模之间受压产生分离或变形而形成产品的加工方法，如图4c所示。

通常，轧制、挤压、拉拔主要是用来生产各类型材、板材、管材、线材等工业上作为二次加工的原(材)料，其次也用来直接生产毛坯或零件，如热轧钻头、齿轮、齿圈，冷轧丝杆，叶片的挤压等等；机械制造业中用锻造来生产高强度、高韧度的机械零件毛坯，如重要的轴类，齿轮、连杆类，枪炮管等；板料冲压则广泛用于汽车制造、船舶、电器、仪表、标准件、日用品等工业中。

二、金属固态塑性成形类别及特征
按金属固态成形时的温度，其成形过程分为两大类。

1.冷变形(又叫冷成形过程)
冷变形是指金属在进行塑性变形时的温度低于该金属的再结晶温度。

冷变形的特征是金属变形后具有加工硬化现象，即金属的强度、硬度升高，塑韧度下降。

而且冷变形制成的产品尺寸精度高、表面质量好。

对于那些不能或不易用热处理方法提高强度、硬度的金属构件，特别是薄壁细长件，利用金属在成形过程中的加工硬化来提高构件的强度和硬度，则有效而经济。

例如各类冷冲压件、冷轧冷挤型材、冷卷弹簧、冷拉线材、冷镦螺栓等等，可见冷变形加工在各行各业中应用广泛。

通过冷变形加工出来的制品，其中有一些复杂件或要求较高的件，还需进行消除内应力但保留加工硬化的低温回火处理。

由于冷变形过程中的加工硬化现象，使金属材料的塑性变差，给进一步塑性变形带来困难，故冷变形需要重型和大功率设备；要求加工坯料表面干净、无氧化皮、平整等。

另外，加工硬化使金属变形处电阻升高，耐蚀性降低。

2.热变形(又叫热成形过程)
热变形是指金属材料在其再结晶温度以上进行塑性变形。

金属在热变形过程中，由于温度较高，原子的活动能力大，变形所引起的硬化随即被再结晶消除，因而具有如下特征：
(1)金属在热变形中始终保持着良好的塑性，可使工件进行大量的塑性变形。

又因高温下金属的屈服强度较低，故变形抗力低，易变形。

(2)热变形使金属材料内部的缩松、气孔或空隙被压实，粗大(树枝状)的晶粒组织结构被再结晶细化，从而使金属内部组织结构致密细小，力学性能(特别是韧性)明显改善和提高(见下表)。

(3)热变形使金属材料内部晶粒间的杂质和偏析元素沿金属流动的方向呈线条状分布。

再结晶后，晶粒的形状改变了，但定向伸长的杂质并不因再结晶的作用而消除，形成了纤维组织，使金属材料的力学性能具有方向性，即金属在纵向(平行于纤维方向)上具有最大的抗拉强度且塑韧度较横向(垂直于纤维方向)的好，而横向具有最大的抗剪切强度。

因此，为了利用纤维组织性能上的方向性，在设计和制造零件或毛坯时，都应使零件在工作中所承受的最大正应力方向尽量与纤维方向重合，最大剪切应力方向与纤维方向垂直，以提高零件的承载能力。

金属的热变形程度越大，纤维组织现象就越明显。

由于纤维组织的稳定性很高，无法消除，只能经过热变形来改变其形状和方向。

热变形广泛应用于大变形量的热轧、热挤以及高强度高韧度毛坯的锻造生产中。

但热变形中，金属表面氧化较严重，工件精度和表面质量较冷变形低。

另外，设备维修量大，劳动强度也较大。

综上所述，利用金属固态塑性成形过程不仅能得到强度高、性能好的产品，且多数成形过程具有生产率高、材料消耗少等优点，但成形件(如锻件、挤压件、冲压件等)的形状和大小受到一定的限制。

另外，大多数固态塑性成形方法的投资较大，能耗也较大。

由于金属固态塑性成形过程在技术经济上的独特之处，从而使其在各行业中成为不可缺少的材料成形方法。

--->>>第二讲金属塑性成形过程的理论基础。