屬塑性成形：在外力作用下金屬材料通過塑性變形，獲得具有一定形狀、尺寸和力學性能的零件或毛坯的加工方法。

　　金屬塑性成形在工業生產中稱為壓力加工，分為：自由鍛、模鍛、板料沖壓、擠壓、拉拔、軋制等。

　　常用的壓力加工方法

　　（a）自由鍛 b）模鍛 c）板料沖壓 d）擠壓 （e）扎制(f）拉拔

　　壓力加工的特點：

　　（1）改善金屬的組織、提高力學性能 金屬材料經壓力加工后，其組織、性能都得到改善和提高，塑性加工能消除金屬鑄錠內部的氣孔、縮孔和樹枝狀晶等缺陷，并由于金屬的塑性變形和再結晶，可使粗大晶粒細化，得到致密的金屬組織，從而提高金屬的力學性能。在零件設計時，若正確選用零件的受力方向與纖維組織方向，可以提高零件的抗沖擊性能。

　　（2）材料的利用率高 金屬塑性成形主要是靠金屬的體積重新分配，而不需要切除金屬，因而材料利用率高。

　　（3）較高的生產率 塑性成形加工一般是利用壓力機和模具進行成形加工的，生產效率高。例如，利用多工位冷鐓工藝加工內六角螺釘，比用棒料切削加工工效提高約400倍以上。

　　（4）毛坯或零件的精度較高 應用先進的技術和設備，可實現少切削或無切削加工。例如，精密鍛造的傘齒輪齒形部分可不經切削加工直接使用，復雜曲面形狀的葉片精密鍛造后只需磨削便可達到所需精度。

　　材料：鋼和非鐵金屬可以在冷態或熱態下壓力加工。

　　用途：承受沖擊或交變應力的重要零件（如機床主軸、齒輪、曲軸、連桿等），都應采用鍛件毛坯加工。所以壓力加工在機械制造、軍工、航空、輕工、家用電器等行業得到廣泛應用。例如，飛機上的塑性成形零件的質量分數占85%；汽車，拖拉機上的鍛件質量分數約占60%~80%。

　　缺點：不能加工脆性材料（如鑄鐵）和形狀特別復雜（特別是內腔形狀復雜）或體積特別大的零件或毛坯。

　　第一節 金屬塑性變形基礎

　　一、 金屬塑性變形概念

　　塑性成形性能：用來衡量壓力加工工藝性好壞的主要工藝性能指標，稱為金屬的塑性成形性能。金屬的塑性成形性好，表明該金屬適用于壓力加工。衡量金屬的塑性成形性，常從金屬材料的塑性和變形抗力兩個方面來考慮，材料的塑性越好，變形抗力越小，則材料的塑性成形性越好，越適合壓力加工。在實際生產中，往往優先考慮材料的塑性。

　　金屬塑性變形時遵循的基本規律主要有最小阻力定律、加工硬化和體積不變規律等。

　　(一)最小阻力定律

　　最小阻力定律：在塑性變形過程中，如果金屬質點有向幾個方向移動的可能時，則金屬各質點將向阻力最小的方向移動。最小阻力定律符合力學的一般原則，它是塑性成形加工中最基本的規律之一。

　　通過調整某個方向的流動阻力來改變某些方向上金屬的流動量，以便合理成形，消除缺陷。例如，在模鍛中增大金屬流向分型面的阻力，或減小流向型腔某一部分的阻力，可以保證鍛件充滿型腔。在模鍛制坯時，可以采用閉式滾擠和閉式拔長模膛來提高滾擠和拔長的效率。

　　利用最小阻力定律可以推斷，任何形狀的物體只要有足夠的塑性，都可以在平錘頭下鐓粗使坯料逐漸接近于圓形。這是因為在鐓粗時，金屬流動距離越短，摩擦阻力也越小。圖2-2所示方形坯料鐓粗時，沿四邊垂直方向摩擦阻力最小，而沿對角線方向阻力最大，金屬在流動時主要沿垂直于四邊方向流動，很少向對角線方向流動，隨著變形程度的增加，斷面將趨于圓形。由于相同面積的任何形狀總是圓形周邊最短，因而最小阻力定律在鐓粗中也稱為最小周邊法則。

　　（二）加工硬化及卸載彈性恢復規律

　　彈性恢復規律：金屬在常溫下隨著變形量的增加，變形抗力增大，塑性和韌度下降的現象稱為加工硬化。表示變形抗力隨變形程度增大的曲線稱為硬化曲線，如圖2-3所示。由圖可知，在彈性變形范圍內卸載，沒有殘留的永久變形，應力、應變按照同一直線回到原點，如圖2-3所示OA段。當變形超過屈服點A進入塑形變形范圍，達到B點時的應力與應變分別為B、B，再減小載荷，應力-應變的關系將按另一直線BC回到C點，不再重復加載曲線經過的路線。加載時的總變形量B可以分為兩部分，一部分t因彈性恢復而消失，另一部分s保留下來成為塑性變形。

　　如果卸載后再重新加載，應力應變關系將沿直線CB逐漸上升，到達B點，應力B使材料又開始屈服，隨后應力-應變關系仍按原加載曲線變化，所以B又是材料在變形程度為B時的屈服點。硬化曲線可以用函數式表達為：

　　=An

　　式中 A ——與材料有關的系數，單位為MPa；

　　n ——硬化指數。

　　硬化指數n：硬化指數大，表明變形時硬化顯著，對后續變形不利。例如，20鋼和奧氏體不銹鋼的塑性都很好，但是奧氏體不銹鋼的硬化指數較高，變形后再變形的抗力比20鋼大得多，所以其塑性成形性也較20鋼差。

　　（三）塑性變形時的體積不變規律

　　體積不變規律：金屬材料在塑性變形前、后體積保持不變。根據體積不變規律，金屬塑性變形時主應變狀態只有三種

　　結論：

　　（1）塑性變形時，只有形狀和尺寸的改變，而無體積的變化；

　　（2）不論應變狀態如何，其中必有一個主應變的符號與其它兩個主應變的符號相反，且這個主應變的絕對值最大。

　　（3）當已知兩個主應變的數值時，第三個主應變大小也可求出。

　　二、 影響金屬塑性變形的內在因素

　　（一）化學成分

　　純金屬的塑性成形性較合金的好。鋼的含碳量對鋼的塑性成形性影響很大，對于碳質量分數小于0.15%的低碳鋼，主要以鐵素體為主（含珠光體量很少），其塑性較好。隨著碳質量分數的增加，鋼中的珠光體量也逐漸增多，甚至出現硬而脆的網狀滲碳體，使鋼的塑性下降，塑性成形性也越來越差。

　　合金元素會形成合金碳化物，形成硬化相，使鋼的塑性變形抗力增大，塑性下降，通常合金元素含量越高，鋼的塑性成形性能也越差。

　　雜質元素磷會使鋼出現冷脆性，硫使鋼出現熱脆性，降低鋼的塑性成形性能。

　　（二）金屬組織

　　純金屬及單相固溶體的合金塑性成形性能較好；鋼中有碳化物和多相組織時，塑性成形性能變差；具有均勻細小等軸晶粒的金屬，其塑性成形性能比晶粒粗大的柱狀晶粒好；網狀二次滲碳體，鋼的塑性將大大下降。

　　三、 影響金屬塑性變形的加工條件

　　（一） 變形溫度

　　溫度升高，塑性提高，塑性成形性能得到改善。變形溫度升高到再結晶溫度以上時，加工硬化不斷被再結晶軟化消除，金屬的塑性成形性能進一步提高。

　　過熱：加熱溫度過高，會使晶粒急劇長大，導致金屬塑性減小，塑性成形性能下降，這種現象稱為“過熱”。

　　過燒：如果加熱溫度接近熔點，會使晶界氧化甚至熔化，導致金屬的塑性變形能力完全消失，這種現象稱為“過燒”，坯料如果過燒將報廢。

　　（二） 變形速度

　　變形速度：單位時間內變形程度的大小。變形速度的增大，金屬在冷變形時的冷變形強化趨于嚴重；當變形速度很大時，熱能來不及散發，會使變形金屬的溫度升高，這種現象稱為“熱效應”，它有利于金屬的塑性提高，變形抗力下降，塑性變形能力變好。

　　圖2-5所示是變形速度與塑性的關系

　　問題：在鍛壓加工塑性較差的合金鋼或大截面鍛件時，都應采用較小的變形速度，若變形速度過快會出現變形不均勻，造成局部變形過大而產生裂紋。

　　三） 應力狀態

　　實踐證明，在三向應力狀態下，壓應力的數目越多，則其塑性越好；拉應力的數目越多，則其塑性越差。

　　選擇塑性成形加工方法時，應考慮應力狀態對金屬塑性變形的影響。

　　（四） 其它

　　模具和工具：模鍛的模膛內應有圓角，這樣可以減小金屬成形時的流動阻力，避免鍛件被撕裂或纖維組織被拉斷而出現裂紋。板料拉深和彎曲時，成形模具應有相應的圓角，才能保證順利成形。

　　潤滑劑：可以減小金屬流動時的摩擦阻力，有利于塑性成形加工。

　　綜上所述，金屬的塑性成形性能既取決于金屬的本質，又取決于變形條件。在塑性成形加工過程中，要根據具體情況，盡量創造有利的變形條件，充分發揮金屬的塑性，降低其變形抗力，以達到塑性成形加工的目的。

　　四、 金屬塑性變形對組織和性能的影響

　　（一）變形程度的影響

　　塑性變形程度的大小對金屬組織和性能有較大的影響。變形程度過小，不能起到細化晶粒提高金屬力學性能的目的；變形程度過大，不僅不會使力學性能再增高，還會出現纖維組織，增加金屬的各向異性，當超過金屬允許的變形極限時，將會出現開裂等缺陷。

　　對不同的塑性成形加工工藝，可用不同的參數表示其變形程度。

　　鍛造比Y鍛：鍛造加工工藝中，用鍛造比Y鍛來表示變形程度的大小。

　　拔長：Y鍛=S0/S（S0、S分別表示拔長前后金屬坯料的橫截面積）；

　　鐓粗：Y鍛=H0/H（H0、H分別表示鐓粗前后金屬坯料的高度）。

　　碳素結構鋼的鍛造比在2~3范圍選取，合金結構鋼的鍛造比在3~4范圍選取，高合金工具鋼（例如高速鋼）組織中有大塊碳化物，需要較大鍛造比（Y鍛=5~12），采用交叉鍛，才能使鋼中的碳化物分散細化。以鋼材為坯料鍛造時，因材料軋制時組織和力學性能已經得到改善，鍛造比一般取1.1~1.3即可。

　　表示變形程度的技術參數：相對彎曲半徑（r/t）、拉深系數（m）、翻邊系數（k）等。擠壓成形時則用擠壓斷面縮減率（p）等參數表示變形程度。

　　（二）纖維組織的利用

　　纖維組織：在金屬鑄錠組織中的不溶于金屬基體的夾雜物（如FeS等），隨金屬晶粒的變形方向被拉長或壓扁呈纖維狀。當金屬再結晶時，被壓碎的晶粒恢復為等軸細晶粒，而夾雜物無再結晶能力，仍然以纖維狀保留下來，形成纖維組織。纖維組織形成后，不能用熱處理方法消除，只能通過鍛造方法使金屬在不同方向變形，才能改變纖維的方向和分布。

　　纖維組織的存在對金屬的力學性能，特別是沖擊韌度有一定影響，在設計和制造零件時，應注意以下兩點：

　　（1）零件工作時的正應力方向與纖維方向應一致，切應力方向與纖維方向垂直。

　　（2）纖維的分布與零件的外形輪廓應相符合，而不被切斷。

　　例如，鍛造齒輪毛坯，應對棒料鐓粗加工，使其纖維呈放射狀，有利于齒輪的受力；曲軸毛坯的鍛造，應采用拔長后彎曲工序，使纖維組織沿曲軸輪廓分布，這樣曲軸工作時不易斷裂

　　三）冷變形與熱變形

　　通常將塑性變形分為冷變形和熱變形。

　　冷變形：再結晶溫度以下的塑性變形。冷變形有加工硬化現象產生，但工件表面質量好。

　　熱變形：再結晶溫度以上的塑性變形。熱變形時加工硬化與再結晶過程同時存在，而加工硬化又幾乎同時被再結晶消除。由于熱變形是在高溫下進行的，金屬在加熱過程中表面易產生氧化皮，使精度和表面質量較低。自由鍛、熱模鍛、熱軋、熱擠壓等工藝都屬于熱變形加工。