锻造生产-材料成形技术基础
第3章锻压
3.1 锻压基础
3.2 锻造方法
3.3 工艺设计
3.4 锻造的结构工艺性
3.5 塑性成形新发展
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塑性成形：指固态金属在外力作用下产生塑性变形，获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法。具有较好塑性的材料如钢和有色金属及其合金均可在冷态或热态下进行塑性成形加工。
塑性成形加工的特点：
优点：
1）改善金属的组织，提高金属的力学性能；
2）节约金属材料和切削加工工时，提高金属材料的利用率和经济效益；
3）具有较高的劳动生产率。
4）适应性广。
缺点：
1）锻件的结构工艺性要求较高，内腔复杂零件难以锻造；2）锻造毛坯的尺寸精度不高，一般需切削加工；
3）需重型机器设备和较复杂模具，设备费用与周期长；4）生产现场劳动条件较差。
常用塑性成形加工方法有：1）自由锻造；2）模型锻造；3）挤压；4）拉拔；5）轧锻；6）板料冲压。如图
3-1所示。
塑性成形主要用于主轴、曲轴、连杆、齿轮、叶轮、炮筒、枪管、吊钩、飞机和汽车零件等力学性能要求高
的重要零部件。
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图3-1各种塑性成形方法
第1节理论基础
3.1.1 塑性成形的实质
3.1.2 冷变形强化与再结晶
3.1.3 锻造比与锻造流线
3.1.4 塑性成形基本规律
3.1.5 金属的锻造性能
3.1.1塑性成形的实质
具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，当内应力达到一定的条件，就会发生塑性变形；由于金属材料都是晶体，故要说明塑性变形的实质，必须从其晶体结构来说明。
1.单晶体的塑性变形
单晶体的塑性变形有两种方式：滑移变形和孪晶变形。1）滑移变形：晶体内的一部分相对另一部分，沿原子排列紧密的晶面作相对滑动。其变形过程如图3-2所示。
晶体在晶面上的滑移，是通过位错的不断运动来实现的。如图3-3所示。
当很多晶面同时滑移积累起来就形成滑移带，如图3-
4所示，形成可见的变形。
2）孪晶。晶体在外力作用下，晶体内一部分原子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动。如图3-5所示。
2.多晶体的塑性变形
多晶体是由大量的大小、形状、晶格排列位向各不相同的晶粒所组成，故它的塑性变形很复杂，可分为晶内变形和晶间变形。晶粒内部的塑性变形称为晶内变形；晶粒之间相互移动或转动称为晶间变形。如图3-6所示。
多晶体的晶内变形方式和单晶体一样，也是滑移和孪晶，但各个晶粒所处的塑性变形条件不同，即晶粒内晶格排列的方向性决定了其变形的难易，与外力成45度的滑移面最易变形。因为其产生的切应力最大。
同时在多晶体的晶界处，由于相邻晶粒间的位向差别，产生晶格的畸变，并有杂质的存在，以及晶粒间犬牙交错状态，对多晶体的变形造成很大障碍。低温时，晶界强度高于晶粒内部强度，变形抗力大不易变形；高温时，晶界强度降低，晶粒易于相互移动。所以多晶体由于存在晶界和各晶粒的位向差别，其变形抗力要远高于同种金属的单晶体。
3.1.2
冷变形强化与再结晶
金属塑性变形时，在不同的温度下，对金属组织和性能产生不同的影响。主要讨论加工硬化、回复和再结晶。1.冷变形强化（加工硬化）
指金属在低温下进行塑性变形时，金属的强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象，如图3-8所示；变形程度越大，冷变形强化现象越严重。
冷变形强化的原因是：在塑性变形过程中，在滑移面上产生了许多晶格方向混乱的微小碎晶，滑移面附近的晶格也产生了畸变，增加了继续滑移的阻力，使继续变形困难。
对某些不能通过热处理来强化的金属，可用低温变形来提高金属强度指标，如用冷轧、冷拔和冷挤来提高低碳钢、纯铜、防锈铝等所制型材和锻压件的强度和硬度。
但在塑性加工中，冷变形强化使塑性变形困难，故采用加热的方法使金属再结晶，而获得好的塑性。
2.回复
指当温度升高时，金属原子获得热能，使冷变形时处于高位能的原子回复到正常排列，消除由于变形而产生的晶格扭曲的过程，可使内应力减少。
回复温度较低，对于纯金属，可用下式计算：
()熔
回T T 3.02.0-=式中----金属的绝对回复温度；
----金属的绝对熔化温度；
回T 熔T 回复作用不改变晶粒的形状及晶粒变形时所构成的方向性，也不能使晶粒内部的破坏现象及晶界间物质的破坏现象得到恢复，只是逐渐消除晶格的扭曲程度。故回复作用可以降低内应力，但力学性能变化不大，强度稍降低，塑性稍提高。
3.再结晶
指当温度升高到一定程度时，金属原子获得更高的热能，通过金属原子的扩散，使冷变形强化的结晶构造进行改变，成长出许多正常晶格的新晶粒，新晶粒代替原变形晶粒的过程即为再结晶。
再结晶过程：先在变形金属中出现再结晶核心（小
晶块，或破碎物），结晶核心周围的畸变晶格中的原子
向再结晶核心聚集，从不稳定状态向稳定状态过渡，有
秩序地排列起来，而形成新的具有正常晶格结构的晶粒，直至新晶粒完全形成，再结晶结束。如果继续升温或保温，再结晶晶粒还会聚合长大，即二次再结晶。
再结晶使内应力全部消除，强度降低，塑性增加。
再结晶的最低温度称为再结晶温度，一般纯金属的再结晶温度为：再结晶处理：利用金属再结晶过程消除低温变形后的冷变形强化，恢复金属的良好塑性，以利于后继的冷变形加工。
4.冷变形和热变形
熔
再T T 4.0=冷变形：指金属在其再结晶温度以下进行塑性变形。如冷冲压、冷弯、冷挤、冷镦、冷轧和冷拔，能获得较高的硬度及表面质量。
热变形：指金属在其再结晶温度以上进行塑性变形。如锻造、热挤和轧制等，能消除冷变形强化的痕迹，保持较低的塑性变形抗力和良好的塑性。
力与流线方向垂直；使锻造流线的分布与零件的外形轮廓相符合，而不被切断。
3.1.4塑性成形基本规律
塑性成形规律：就是塑性成形时金属质点流动的规律，即在给定条件下，变形体内将出现什么样的位移速度场和位移场，以确定物体形状、尺寸的变化及应变场。从而为选择变形工步和设计成形模具奠定基础。
1.体积不变定律
金属塑性变形前后体积不变，实际中略有缩小；可计算各工序尺寸。
2.最小阻力定律
塑性变形时金属质点首先向阻力最小方向移动。一般金属某质点移动时阻力最小方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向。
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图3-16
金属镦粗变形
3.1.5金属的锻造性能
金属的锻造性能是用来衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度，是金属的工艺性能指标之一。常用金属的塑性和变形抗力两个因素来综合衡量。塑性越好，变形抗力越小，则锻造性能越好。影响金属锻造性能的因素有：金属的本质和金属的变形条件。
1.金属本质的影响
1）金属的化学成分：化学成分不同，塑性不同，锻造性能不同。
2）金属的组织状态：组织结构不同，锻造性能不同；单一固溶体组成的合金，塑性好，锻造性能好；铸态柱状组织和粗晶结构不如细小均匀的晶粒结构；金属内部有缺陷也不一样。
2.金属的变形条件
1）变形温度：温度升高，塑性上升，降低变形抗力，易于锻造；但温度过高也会产生相应的缺陷，如氧化，脱碳、过热和过烧等。故要严格控制锻造温度范围。
锻造温度范围指始锻温度与终锻温度间的温度范围，以合金状态图为依据。对始锻温度，原则是在不出现过热和过烧的前提下，尽量提高始锻温度。碳钢的始锻温度为AE线下2000C。终锻温度即停止锻造的温度，对于锻件质量有很大影响，终锻温度太高，停锻后晶粒会重新长大，降低锻件力学性能；太低，再结晶困难，冷变形强化现象严重，变形抗力太大，甚至产生锻造裂纹，也易损坏设备和工具。
碳钢在加热时奥氏体晶粒长大示意图如图3-17a所示，锻造温度见图3-17b。
返回文档图
3-17a 碳钢在加热时奥氏体的
形成及晶粒长大示意图图3-17b
碳钢的锻造温度范围
2）变形速度：指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量。变形速度的影响较复杂：一方面变形速度增大，冷变形强化现象严重，变形抗力增大，锻造性能变坏；另一方面变形速度很大时产生的热能使金属温度升高，提高塑性，降低变形抗力，锻造性能变好。
3）变形时的应力状态：不同压力加工方法，金属内部的应力状态是不同的。在金属塑性变形时，压应力数目越多，其塑性变形越好，因为压应力使滑移面紧密结合，防止产生裂纹；拉应力则使塑性变形降低，应为它使缺陷扩大，使滑移面分离。但压应力时变形抗力增大。故必须综合考虑塑性和变形抗力。