第3章 金属材料的塑性成形——压力加工
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可锻性的优劣一般常用金属的塑性和变形抗力两个 指标来综合衡量。
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。
§3.3 金属的塑性加工工艺
金属塑性加工方法按加工目的可分为两大类：
一类是轧制、挤压和拉拔，它主要用于生产建筑结构、 切削加工和塑性加工用的等截面型材、管材、线材 和板材等，在一些情况下也可用于生产毛坯、半成 品和成品零件。
另一类是自由锻、模锻和冲压，它们主要用于生产各 种毛坯、半成品或成品零件。
金、沉淀硬化不锈钢)；Tm —熔化
温度。
2) 变形速度：一方面随着变形速度的增加，回复 与再结晶过程来不及进行，不能及时消除加工 硬化现象，故使塑性降低，变形抗力增大，可 锻性变差。 另一方面随着变形 速度的增高，产生 热效应，使金属的 塑性升高，变形抗 力降低，又有利于 改善可锻性。
3) 应力状态： 拉应力成分数量愈多，变形抗力小，要求材料塑性 愈好；压应力成分数量愈多，变形抗力大，但可降 低对材料塑性的要求。
材、薄板材等。 ▪ 热轧：再结晶温度以上；
经历再结晶，明显改变材料显微组织； 变形抗力小，生产效率高，适合轧制较大断 面尺寸，塑性较差或变形量较大的材料。
热轧件的组织变化
主要工艺类型
根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同，轧制 可分为纵轧、横轧和斜轧。
金属不仅可在液态下直接铸造成形，也可冷凝为固态锭 坯后，通过外力作用发生塑性变形加工成管、棒、板、带 材、线材及各种形状的制品。
通过铸造方法得到的零件坯体大多不能直接使用，还需 要进一步的加工成形，如锻造、轧制、挤压、拉拔等。
▪教学目标： 1、熟悉金属材料塑性成形的基础理论知识 2、了解常用塑性成形工艺的特点、工艺过程及应
一、轧制（Rolling）
轧制最早在16世纪后期发展起来，目前大约有90% 左右的钢和大部分有色金属要经过轧制。
轧制的基本操作是平板轧制，即简单轧制，轧出来
的是平板和薄板。
300 mm 大锅炉支撑
> 6 mm
平板
150 mm
反应容器
平板 轧制
< 6 mm
薄板
100~125 mm 坦 克 装 甲
Байду номын сангаас
1.8 mm
三、塑性成形工艺的应用
▪ 机械 ▪ 航空 ▪ 航天 ▪ 船舶 ▪ 军工 ▪ 仪器仪表 ▪ 电器 ▪ 日用五金
四、发展方向
1、向更精细方向发展，齿轮精锻可达IT7级，铝件变薄 拉 深 表 面 粗 糙 度 Ra 达 0.05m ， 铝 箔 冲 孔 内 直 径 达 0.03mm，轧丝直径达0.016~0.023mm。
应力状态条件对 可锻性的影响 (a)—试样； (b)—拉拔； (c)—挤压
降低变形抗力的途径
▪ (1) 降低材料自身的变形抗力 最有效的措施是适当提高热变形时的温度。
▪ (2) 改善变形时的受力状态 主要是采用合理的变形方案，设计合理的模膛，
减少变形时的摩擦阻力。 ▪ (3) 减少加工过程中的接触面积
单晶体：滑移（slip）、孪生（twinning） 多晶体的塑性变形: 晶内变形、晶间变形
塑 性 成 形 的 常 见 工 艺
一、金属塑性变形分类 (1)冷变形（冷加工）
塑性变形温度低于该金属的再结晶温度 特征：晶粒沿变形最大的方向伸长，形成纤维组织 和形变织构； 晶粒间产生碎 晶。金属产生 加工硬化现象。
(2)热变形（热加工）
塑性变形温度高于该金属的再 结晶温度 特征：经过回复和再结晶组织均 匀化，塑性好，消除内部缺 陷，形成锻造流线/流纹。
二、金属塑性成形的特点
与切削加工相比： 材料利用率高；生产效率高；产品质量高，性能好。 与铸造相比： 不能制造形状较复杂零件；低塑性材料不能成形。 加工精度和成形极限有限；模具、设备费用高。
波音747蒙皮
0.1 mm
饮料罐
0.008 mm 香 烟 铝 箔
轧制是金属坯料在旋转轧辊的 间隙中靠摩擦力的作用连续进 入轧辊而产生塑 性变形的一种压 力加工方法。
轧制分类（按轧制温度分类）
▪ 冷轧：室温； 增加位错密度，增加强度，减少延展性，改
变制品形状，不改变晶粒平均尺寸； 产品尺寸精度高，表面光洁； 变形抗力大，适于轧制塑性好，尺寸小的线
用范围
▪教学内容： §3.1 概述 §3.2 金属的塑性加工成形性 §3.3 金属的塑性加工工艺
§3.1 概述
塑性成形是指在不破坏金属自身完整性 的条件下，利用外力作用使金属产生塑 性变形，从而获得具有一定形状、尺寸 和力学性能的原材料、毛坯或零件的加 工方法，也称为压力加工或塑性加工。
▪ 塑性变形的基本方式
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。
§3.3 金属的塑性加工工艺
金属塑性加工方法按加工目的可分为两大类：
一类是轧制、挤压和拉拔，它主要用于生产建筑结构、 切削加工和塑性加工用的等截面型材、管材、线材 和板材等，在一些情况下也可用于生产毛坯、半成 品和成品零件。
另一类是自由锻、模锻和冲压，它们主要用于生产各 种毛坯、半成品或成品零件。
金、沉淀硬化不锈钢)；Tm —熔化
温度。
2) 变形速度：一方面随着变形速度的增加，回复 与再结晶过程来不及进行，不能及时消除加工 硬化现象，故使塑性降低，变形抗力增大，可 锻性变差。 另一方面随着变形 速度的增高，产生 热效应，使金属的 塑性升高，变形抗 力降低，又有利于 改善可锻性。
3) 应力状态： 拉应力成分数量愈多，变形抗力小，要求材料塑性 愈好；压应力成分数量愈多，变形抗力大，但可降 低对材料塑性的要求。
材、薄板材等。 ▪ 热轧：再结晶温度以上；
经历再结晶，明显改变材料显微组织； 变形抗力小，生产效率高，适合轧制较大断 面尺寸，塑性较差或变形量较大的材料。
热轧件的组织变化
主要工艺类型
根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同，轧制 可分为纵轧、横轧和斜轧。
金属不仅可在液态下直接铸造成形，也可冷凝为固态锭 坯后，通过外力作用发生塑性变形加工成管、棒、板、带 材、线材及各种形状的制品。
通过铸造方法得到的零件坯体大多不能直接使用，还需 要进一步的加工成形，如锻造、轧制、挤压、拉拔等。
▪教学目标： 1、熟悉金属材料塑性成形的基础理论知识 2、了解常用塑性成形工艺的特点、工艺过程及应
一、轧制（Rolling）
轧制最早在16世纪后期发展起来，目前大约有90% 左右的钢和大部分有色金属要经过轧制。
轧制的基本操作是平板轧制，即简单轧制，轧出来
的是平板和薄板。
300 mm 大锅炉支撑
> 6 mm
平板
150 mm
反应容器
平板 轧制
< 6 mm
薄板
100~125 mm 坦 克 装 甲
Байду номын сангаас
1.8 mm
三、塑性成形工艺的应用
▪ 机械 ▪ 航空 ▪ 航天 ▪ 船舶 ▪ 军工 ▪ 仪器仪表 ▪ 电器 ▪ 日用五金
四、发展方向
1、向更精细方向发展，齿轮精锻可达IT7级，铝件变薄 拉 深 表 面 粗 糙 度 Ra 达 0.05m ， 铝 箔 冲 孔 内 直 径 达 0.03mm，轧丝直径达0.016~0.023mm。
应力状态条件对 可锻性的影响 (a)—试样； (b)—拉拔； (c)—挤压
降低变形抗力的途径
▪ (1) 降低材料自身的变形抗力 最有效的措施是适当提高热变形时的温度。
▪ (2) 改善变形时的受力状态 主要是采用合理的变形方案，设计合理的模膛，
减少变形时的摩擦阻力。 ▪ (3) 减少加工过程中的接触面积
单晶体：滑移（slip）、孪生（twinning） 多晶体的塑性变形: 晶内变形、晶间变形
塑 性 成 形 的 常 见 工 艺
一、金属塑性变形分类 (1)冷变形（冷加工）
塑性变形温度低于该金属的再结晶温度 特征：晶粒沿变形最大的方向伸长，形成纤维组织 和形变织构； 晶粒间产生碎 晶。金属产生 加工硬化现象。
(2)热变形（热加工）
塑性变形温度高于该金属的再 结晶温度 特征：经过回复和再结晶组织均 匀化，塑性好，消除内部缺 陷，形成锻造流线/流纹。
二、金属塑性成形的特点
与切削加工相比： 材料利用率高；生产效率高；产品质量高，性能好。 与铸造相比： 不能制造形状较复杂零件；低塑性材料不能成形。 加工精度和成形极限有限；模具、设备费用高。
波音747蒙皮
0.1 mm
饮料罐
0.008 mm 香 烟 铝 箔
轧制是金属坯料在旋转轧辊的 间隙中靠摩擦力的作用连续进 入轧辊而产生塑 性变形的一种压 力加工方法。
轧制分类（按轧制温度分类）
▪ 冷轧：室温； 增加位错密度，增加强度，减少延展性，改
变制品形状，不改变晶粒平均尺寸； 产品尺寸精度高，表面光洁； 变形抗力大，适于轧制塑性好，尺寸小的线
用范围
▪教学内容： §3.1 概述 §3.2 金属的塑性加工成形性 §3.3 金属的塑性加工工艺
§3.1 概述
塑性成形是指在不破坏金属自身完整性 的条件下，利用外力作用使金属产生塑 性变形，从而获得具有一定形状、尺寸 和力学性能的原材料、毛坯或零件的加 工方法，也称为压力加工或塑性加工。
▪ 塑性变形的基本方式