金属固态塑性成形技术理论基础

8.1　金属固态塑性成形技术理论基础

8.1.1　金属固态塑性成形原理及工艺过程

在物理特征上，任何固体自身都具有一定的几何形状和尺寸，固态成形就是改变固体原有的形状和尺寸，从而获得所需（预期）的形状和尺寸的过程。

金属材料固态塑性成形原理是指在外力作用下固态金属材料通过塑性变形，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或者零件。可见，所有在外力作用下产生塑性变形而不破坏的金属材料，都有可能进行固态塑性成形。

要实现金属材料的固态塑性成形，必须具备两个基本条件:①被成形的金属材料应具备一定的塑性；②要有外力作用固态金属材料上。可见，金属材料的固态塑性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塑性变形和可形变的能力大小，外在因素即需要多大的外力，且成形过程中两因素相互影响；另外，外界条件（如温度，变形速度等）对内、外因素也有相当的影响。

金属材料中，低、中碳钢及大多数非铁合金的塑性较好，都可进行塑性成形加工；而铸铁、铸铝合金等材料，塑性很差，不能或不宜进行塑性成形。

1.金属塑性加工

工业上实现金属材料的“固态塑变”的方法或技术称为金属塑性加工（又简称锻压）——在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形来改变其原有的形状和尺寸，以获得所需形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件。具体的方式或过程称为锻压工艺（又称压力加工工艺）。工业生产中金属塑性加工（金属塑性成形）工艺多种多样，主要的有自由锻、模锻、板料冲压、轧制、挤压、拉拔等，其塑性成形方式（技术）示意图如图8－1所示。

图8－1　锻压生产方式示意图

（1）自由锻造是指将加热后的金属坯料置于上、下砧铁间受冲击力或压力而塑性变形的加工方法，如图8－1（a）所示。

（2）模型锻造（又称模锻）是指将加热后的金属坯料置于具有一定形状和大小的锻模模膛内受冲击力或压力而塑性变形的加工方法，如图8－1（b）所示。

（3）板料冲压是指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8－1（c）所示。

（4）轧制是指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、角钢、槽钢等）的加工方法。如图8－2（a）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，轧出的产品截面与轧辊间的空隙形状和大小相同，长度增加。

图8－2　轧制及产品

（5）挤压是指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8－3（a）所示。挤压过程中金属坯料的截面依照模孔的形状减小，坯料长度增加。挤压可以获得各种复杂截面的型材或零件。

图8－3　挤压及产品

1—正挤压；2—反挤压

（6）拉拔是指将金属坯料拉过拉拔模模孔，而使金属拔长、其断面与模孔相同的加工方法。主要用于生产各种细线材、薄壁管和一些特殊截面形状的型材，如图8－4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，也可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；机械制造业中用锻造（自由锻和模锻）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。

各种锻压工艺过程的基本作业模块（工艺流程）如图8－5所示。

图8－4　拉拔及产品

图8－5　锻压工艺作业基本模块

2.金属塑性成形（压力加工）的特点

（1）改善金属的内部组织、提高或改善力学性能等　金属材料经压力加工后，其组织、性能都得到改善或提高，如热塑性变形加工能消除金属铸锭内部的气孔、缩孔和树枝状晶等缺陷，并由于金属的塑性变形和再结晶，可使粗大晶粒细化，得到致密的金属组织和纤维组织，从而提高金属的力学性能，在零件设计时，若正确选用零件的受力方向与纤维组织方向，可以提高零件的抗冲击性能等；又如冷塑性变形加工能使形变后的金属制件具有加工硬化现象，使金属的强度和硬度大幅提高，这对那些不能或不易用热处理方法提高强硬度的金属构件，利用金属在冷塑变成形过程中的加工硬化来提高构件的强硬度不但有效且经济，另外，冷塑性成形制成的产品尺寸精度高、表面质量好。

（2）材料的利用率高　金属塑性成形主要是靠金属的体积重新分配，而不需要切除金属，因而材料利用率高。

（3）较高的生产率　塑性成形加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的，生产效率高。例如，利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍以上。

（4）毛坯或零件的精度较高　应用先进的技术和设备，可实现少切削或无切削加工。例如，精密锻造的伞齿轮齿形部分可不经切削加工直接使用，复杂曲面形状的叶片精密锻造后只需磨削便可达到所需精度等。

3.金属塑性成形的用途

承受冲击或交变应力的重要零件（如机床主轴、齿轮、曲轴、连杆等）及薄壁件等，都应采用锻压生产的制品（即锻压件）。所以金属压力加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业中成为不可缺少的材料成形技术。例如，飞机上的塑性成形零件的质量分数占85%；汽车，拖拉机上的锻压件质量分数占60%～80%。

4.金属塑性成形的缺点

压力加工不能成形脆性材料（如铸铁，铸铝合金等）和形状特别复杂（尤其是内腔形状复杂）或体积特别大的毛坯或零件。另外，多数压力加工工艺的投资较大等。

8.1.2　金属固态塑性变形基本规律

要对金属材料进行固态塑性成形，则须对金属在工业上实现这类过程的可能性和局限性作出正确的评价，以便于掌握和运用。

1.金属的塑性变形能力

金属的塑性变形能力是用来衡量压力加工工艺性好坏的主要工艺性能指标，称为金属的塑性成形性能（又称金属的可锻性），它是指金属材料在塑性成形加工时获得优质毛坯或零件的难易程度。金属的塑性成形性能好，表明该金属适用于压力加工；可锻性差，说明该金属不宜于选用塑性成形加工。衡量金属的塑性成形性能，常从金属材料的塑性和变形抗力两个方面来考虑，材料的塑性越好，变形抗力越小，则材料的塑性成形性能越好，越适合压力加工。在实际生产中，往往优先考虑材料的塑性。金属塑性成形性能的优劣受金属本身性质和成形加工条件等内外因素的综合影响。

1）金属材料本身的性质

（1）材料化学成分的影响　不同种类的金属材料及不同成分含量的同类材料的塑性是不同。铁、铝、铜、金、银、镍等的塑性就好；且一般情况下，纯金属的塑性较合金的好，如纯铝的塑性就比铝合金的好，又如，低碳钢的塑性就比中高碳钢的好，而碳素钢的塑性又比碳含量相同的合金钢的好；合金元素会生成合金碳化物，形成硬化相，使钢的塑性下降，塑性变形抗力增大，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，降低了钢的塑性成形性能。

（2）材料内部组织的影响　金属内部组织结构的不同，其塑性成形性能有较大的差异。纯金属及单相固溶体合金的塑性成形性能较好，成形抗力低；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；钢的碳含量对钢的塑性成形性影响很大，对于碳质量分数＜0.25%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，使钢的塑性大大下降，塑性成形性能也越来越差。

2）金属塑性成形加工条件（又称变形条件）

（1）成（变）形温度的影响　就大多数金属材料而言，提高塑性成形时的温度，金属的塑性指标（伸长率δ和断面减缩率ψ）增加，成形抗力降低，是改善或提高金属塑性成形性能的有效措施。故热塑变成形中，都要将温度升高到再结晶温度以上，不仅提高金属塑性降低成形抗力，而且可使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。

金属随着温度的升高，其力学性能变化较大。图8－6所示为低碳钢的力学性能与温度变化的关系，由图可见，在300℃以上，随着温度升高低碳钢的塑性指标δ和ψ上升，成形抗力下降。原因之一是金属原子在热能作用下，处于极活跃的状态，很易进行滑移变形；其二是碳钢在加热温度位于A‘ESG’区时，其内部组织为单一奥氏体，塑性好，故很适宜于进行塑性成形加工。

热塑变成形时对金属的加热还应是金属在加热过程中不产生微裂纹、过热（加热温度过高，使金属晶粒急剧长大，导致金属塑性减小，塑性成形性能下降）、过烧（如果加热温度接近熔点，会使晶界严重氧化甚至晶界低熔点物质熔化，导致金属的塑性变形能力完全消失）；另外，希望加热时间较短和节约燃料等。为保证金属在热变形过程中具有最佳变形条件以及热变形后获得所要求的内部组织，须正确制定金属材料的热变形加热温度范围。例如，碳钢的热变形温度范围即锻造温度范围如图8－7中阴影所示。碳钢的始锻温度（开始锻造温度）比固相线温度低200℃左右，过高会产生过热甚至过烧现象；终锻温度（停止锻造温度）约为800℃，过低会因出现加工硬化而使塑性下降，变形抗力剧增，变形难以进行，若强行锻造，可能会导致锻件破裂而报废。

（2）变形速度的影响　变形速度是指单位时间内变形程度的大小。它对金属塑变成形的影响比较复杂，一方面变形速度的增大，金属在冷变形时的变形强化趋于严重，热变形时再结晶来不及完全克服加工硬化，金属表现出塑性下降（见图8－8），导致变形抗力增大；另一方面，当变形速度很大时（图8－8中a点以后），金属在塑变过程中消耗于塑性变形的能量有一部分转换成热能，当热能来不及散发，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8－6　低碳钢的力学性能与温度变化的关系

图8－7　碳钢锻造温度范围

在锻压加工塑性较差的合金钢或大截面锻件时，一般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8－8　变形速度与塑性和抗力间的关系

1—变形抗力曲线；2—塑性变化曲线

图8－9　拉拔时金属应力状态

（3）应力状态的影响　金属材料在经受不同方法进行变形时，所产生的应力大小和性质（指压应力或拉应力）是不同的。例如，拉拔时为两向受压、一向受拉的状态，如图8－9所示；而挤压变形时则为三向受压状态，如图8－10所示。

实践证明，金属塑性变形时，三个方向中压应力的数目越多，金属表现出的塑性就越好；拉应力的数目多，则金属的塑性就差。而且同号应力状态下引起的变形抗力大于异号应力状态的变形抗力。当金属内部有气孔、小裂纹等缺陷时，在拉应力作用下，缺陷处易产生应力集中，导致缺陷扩展，甚至使其破裂。压应力会使金属内部摩擦增大，变形抗力也随之增大；但压应力使金属内原子间距减小，又不易使缺陷扩展，故金属的塑性得到提高。在锻压生产中，人们通过改变应力状态来改善金属的塑性，以保证生产的顺利进行。例如，在平砧上拔长合金钢时，容易在毛坯心部产生裂纹，改用V形砧后，因V形砧侧向压力的作用，增加了压应力数目，从而避免了裂纹的产生。对某些非铁合金和耐热合金等，由于塑性较差，常采用挤压工艺来进行开坯或成形。

图8－10　挤压时金属应力状态

综上所述，金属的塑性成形性能既取决于金属的本质，又取决于成（变）形条件。因此，在金属材料的塑性成形加工过程中，力求创造最有利的变形加工条件，提高金属的塑性，降低变形抗力，达到塑性成形加工目的。另外，还应使成形过程能耗低、材料消耗少、生产率高、产品质量好等。

3）其他

如模具，模锻的模膛内应有圆角，这样可以减小金属成形时的流动阻力，避免锻件被撕裂或纤维组织被拉断而出现裂纹；板料拉深和弯曲时，成形模具应有相应的圆角，才能保证顺利成形。又如，润滑剂可以减小金属流动时的摩擦阻力，有利于塑性成形加工等。

综上所述，金属的塑性成形性能既取决于金属的本质，又取决于变形条件。在塑性成形加工过程中，要根据具体情况，尽量创造有利的变形条件，充分发挥金属的塑性，降低其变形抗力，以达到塑性成形加工的目的。

2.金属塑性变形的基本规律

金属的塑性变形属固态成形，其遵循的基本规律主要有体积不变规律、最小阻力定律和加工硬化等。

1）塑性变形时的体积不变规律

金属材料在塑性变形前、后体积保持不变，称为体积不变定理（又称质量恒定定理）。实际上金属在塑性变形过程中，体积总有些微小变化，如锻造钢锭时，因气孔、缩松的锻合，钢坯的密度略有提高，以及加热过程中因氧化生成的氧化皮耗损等。然而这些变化对比整个金属坯料是微小的（尤其是在冷塑性成形中），故一般可忽略不计。因此，依据体积不变规律，坯料在塑形成形工艺的工序中，一个方向的尺寸减小，必然在其他方向有所增加，这就可确定各工序间坯料或制品的尺寸变化。

2）最小阻力定律

最小阻力定律:金属在塑性变形过程中，如果金属质点有向几个方向移动的可能时，则金属各质点将沿着阻力最小的方向移动。最小阻力定律符合力学的一般原则，它是塑性成形加工中最基本的规律之一。

一般来说，金属内某一质点塑性变形时移动的最小阻力方向就是通过该质点向金属变形部分的周边所作的最短法线方向。因为质点沿这个方向移动时路径最短而阻力最小，所需做的功也最小。因此，金属有可能向各个方向变形时，则最大的变形将向着大多数质点遇到的最小阻力的方向。

在锻造过程中，应用最小阻力定律可以事先判定变形金属的截面变化和提高效率。例如，镦粗圆形截面毛坯时，金属质点沿半径方向移动，镦粗后仍为圆形截面（见图8－11（a））；镦粗正方形截面毛坯时，以对角线划分的各区域里的金属质点都垂直于周边向外移动，这是因为在镦粗时，金属流动距离越短，摩擦阻力也越小，沿四边垂直方向摩擦阻力最小，而沿对角线方向阻力最大，金属在流动时主要沿垂直于四边方向流动，很少向对角线方向流动，随着变形程度的增加，断面将趋于圆形，图8－11（b）所示为方形坯料镦粗时。由于相同面积的任何形状总是圆形周边最短，因而最小阻力定律在镦粗中也称为最小周边法则。这就不难理解为什么正方形截面会逐渐向圆形变化，长方形截面会逐渐向椭圆形变化的规律了（见图8－11（c））。

图8－11　金属镦粗后外形及金属流向

通过调整某个方向的流动阻力来改变某些方向上金属的流动量，以便合理成形，消除缺陷。例如，在模锻中增大金属流向分型面的阻力，或者减小流向型腔某一部分的阻力，可以保证锻件充满型腔。在模锻制坯时，可以采用闭式滚挤和闭式拔长模膛来提高滚挤和拔长的效率。又如，毛坯拔长时，送进量小，金属大部分沿长度方向流动；送进量越大，更多的金属将沿宽度方向流动，故对拔长而言，送进量越小，拔长的效率就越高。另外，在镦粗或拔长时，毛坯与上、下砧铁表面接触产生的摩擦力使金属流动形成鼓形。

图8－12　硬化曲线

3）加工硬化及卸载弹性恢复规律

金属在常温下随着变形量的增加，变形抗力增大，塑性和韧度下降的现象称为加工硬化。表示变形抗力随变形程度增大的曲线称为硬化曲线，如图8－12所示。由图可知，在弹性变形范围内卸载，没有残留的永久变形，应力、应变按照同一直线回到原点，如图8－12所示的OA段。当变形超过屈服点A进入塑形变形范围，达到点D时的应力与应变分别为σ_b、ε_D，再减小载荷，应力－应变的关系将按另一直线DC回到点C，不再重复加载曲线经过的路线。加载时的总变形量ε_D可以分为两部分:一部分ε_t因弹性恢复而消失，另一部分ε_s保留下来成为塑性变形。

如果卸载后再重新加载，应力－应变关系将沿直线CD逐渐上升，到达点D，应力σ_D使材料又开始屈服，随后应力－应变关系仍按原加载曲线变化，所以σ_D又是材料在变形程度为ε_D时的屈服点。硬化曲线可以用函数式表达为

硬化指数n大，表明变形时硬化显著，对后续变形不利。例如，20钢和奥氏体不锈钢的塑性都很好，但是奥氏体不锈钢的硬化指数较高，变形后再变形的抗力比20钢大得多，所以其塑性成形性能也较20钢差。

3.金属塑性变形对组织和性能的影响

按金属固态塑性成形时的温度，其成形过程分为两大类。

1）冷变形（又称冷成形）过程及其影响

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塑性变形后具有加工硬化现象，即金属的强度、硬度升高，塑性和韧度下降；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），利用金属在冷成形过程中的加工硬化来提高构件的强度和硬度不但有效，而且经济。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，故冷变形加工在各行各业中应用广泛。

冷变形过程加工出来的制品，其中有一些复杂件或要求较高的制件，还需进行消除内应力但也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，故冷变形需重型和大功率设备；对加工坯料要求其表面干净、无氧化皮、平整等；另外，加工硬化使金属变形处电阻升高，耐蚀性降低等。

2）热变形（又称热成形）过程及其影响

热变形是指金属材料在其再结晶温度以上进行的塑性变形。

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，因而导致以下结果。

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，易于变形。

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（特别是韧度）明显改善和提高。如表8－1所示。

表8－1　碳钢（0.3%C）锻造状态与铸造状态力学性能比较

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）具有最大的抗拉强度且塑性和韧度较横向（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。例如，锻造齿轮毛坯，应对棒料镦粗加工，使其纤维呈放射状，有利于齿轮的受力；曲轴毛坯的锻造，应采用拔长后弯曲工序，使纤维组织沿曲轴轮廓分布，这样曲轴工作时不易断裂等。另外，纤维组织形成后，不能用热处理方法消除，只能通过锻造方法使金属在不同方向变形，才能改变纤维的方向和分布。

金属的热变形程度越大，纤维组织现象越明显。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、热挤及高强度高韧度毛坯的锻造生产等；但热变形中，金属表面氧化较严重，工件精度和表面品质较冷变形的低；另外，设备维修工作量大，劳动强度也较大。

3）变形程度的影响

塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。变形程度过小，不能达到细化晶粒提高金属力学性能的目的；变形程度过大，不仅不会使力学性能再增高，还会出现纤维组织，增加金属的各向异性，当超过金属允许的变形极限时，将会出现开裂等缺陷。

对不同的塑性成形加工工艺，可用不同的参数表示其变形程度:

（1）锻造比Y_锻　锻造加工工艺中，用锻造比Y_锻来表示变形程度的大小；

（2）拔长Y_锻　Y_锻＝S₀/S（S₀、S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）；

（3）镦粗Y_锻　Y_锻＝H0/H（H0、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。

碳素结构钢的锻造比在2～3范围选取，合金结构钢的锻造比在3～4范围选取，高合金工具钢（例如高速钢）组织中有大块碳化物，需要较大锻造比（Y_锻＝5～12），采用交叉锻，才能使钢中的碳化物分散细化。以钢材为坯料锻造时，因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善，锻造比一般取1.1～1.3即可。

表示变形程度的技术参数:相对弯曲半径（r/t）、拉深系数（m）、翻边系数（k）等。挤压成形时则用挤压断面缩减率（ε_p）等参数表示变形程度。

4.常用合金的塑性成形性能

常用塑性成形合金:各种钢材、铝、铜合金等都可以压力加工。其中，Q195、Q235、10、15、20、35、45、50钢等中低碳钢，20Cr，铜及铜合金，铝及形变铝合金等锻造性能较好。冷冲压是在常温下加工，对于分离工序，只要材料有一定的塑性就可以进行；对于变形工序，如弯曲、拉深、挤压、胀形、翻边等，则要求材料具有良好的冲压成形性能，Q195、Q215、08、08F、10、15、20等低碳钢，奥氏体不锈钢，铜，铝等都有良好的冷冲压成形性能。

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，使其在各行业中成为不可缺少的材料成形方法。