金属塑性理论基础-可锻性及其影响因素
wwei材料成形技术(塑性)1
二、金属塑性成形的基本生产方式 1、轧制：金属毛坯在两个轧辊之间受压变形而形成各 种产品的成形工艺，图6-1。 2、挤压：金属毛坯在挤压模内受压被挤出模孔而变形 的成形工艺，图6-3。 3、拉拔：将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的成形 工艺，图6-5。 4、自由锻：金属毛坯在上下砥铁间受冲击或压力而变 形的成形工艺，图6-7（a）。 5、模锻：金属坯料在既有一定形状的锻模模膛内受击 力或压力而变形的成形工艺，图6-7（b） 。
塑性愈大、变形抗力愈小，材料的可锻性愈好
4、可锻性的影响因素
（1）化学成分 A、碳钢中碳和杂质元素的影响
C、H、P（冷脆）、S （热脆） B、合金元素的影响
塑性降低，变形抗力提高。
（2）内部组织
单相组织（纯金属或者固溶体）比多相组织塑性好。 细晶组织比粗晶组织好； 等轴晶比柱状晶好。 面心立方结构的可锻性最好，体心立方结构次之， 而密排六方结构可锻性最差。
冲击力和压力
锻压是锻造与冲压的总称。
★锻造：在加压设备及工（模）具作用下，使坯料、铸锭产生局 部或全部的塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件 的加工方法。锻造通常是在高温（再结晶温度以上）下成形的，
因此也称为金属热变形或热锻。
★锻造特点：1、压密或焊合铸态金属组 织中的缩孔、缩松、空隙、气泡和裂纹。 2、细化晶粒和破碎夹杂物，从而获得一 定的锻造流线组织。因此，与铸态金属 相比，其性能得到了极大的改善。 3、主要用于生产各种重要的、承受重载荷的机器零件或毛坯。 如机床的主轴和齿轮、内燃机的连杆、起重机的吊钩等。 4、高温下金属表面的氧化和冷却收缩等各方面的原因，锻件精度 不高、表面质量不好，加之锻件结构工艺性的制约。
2、晶粒和分布在晶界上的非金属夹杂物ห้องสมุดไป่ตู้沿变形方向被拉长， 但是拉长的晶粒可经再结晶又变成等轴细粒状，而这些夹杂物不能 改变，就以细长线条状保留下来，形成了所谓的纤维组织。 纤维组织的化学稳定性很高，只有经过锻压才能改变其分布方向， 用热处理是不能消除或改变纤维组织形态的。 纤维组织使金属的力学性能具有明显的方向性。
影响金属塑性成形的因素及条件
《材料成形技术基础》—影响金属塑性成形的因素及条件一、影响金属塑性变形的内在因素（一）化学成分纯金属的塑性成形性较合金的好。
钢的含碳量对钢的塑性成形性影响很大，对于碳质量分数小于0.15%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，使钢的塑性下降，塑性成形性也越来越差。
合金元素会形成合金碳化物，形成硬化相，使钢的塑性变形抗力增大，塑性下降，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，降低钢的塑性成形性能。
（二）金属组织纯金属及单相固溶体的合金塑性成形性能较好；钢中有碳化物和多相组织时，塑性成形性能变差；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；网状二次渗碳体，钢的塑性将大大下降。
二、影响金属塑性变形的加工条件（一）变形温度温度升高，塑性提高，塑性成形性能得到改善。
变形温度升高到再结晶温度以上时，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。
过热：加热温度过高，会使晶粒急剧长大，导致金属塑性减小，塑性成形性能下降，这种现象称为“过热”。
过烧：如果加热温度接近熔点，会使晶界氧化甚至熔化，导致金属的塑性变形能力完全消失，这种现象称为“过烧”，坯料如果过烧将报废。
（二）变形速度变形速度：单位时间内变形程度的大小。
变形速度的增大，金属在冷变形时的冷变形强化趋于严重；当变形速度很大时，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2-5所示是变形速度与塑性的关系。
问题：在锻压加工塑性较差的合金钢或大截面锻件时，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2-5 变形速度与塑性的关系（三）应力状态实践证明，在三向应力状态下，压应力的数目越多，则其塑性越好；拉应力的数目越多，则其塑性越差。
金属的塑性变形
滑移
滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一
定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移， 且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
τ
τ
a)未变形
bτ )弹性变形
τc)弹塑性变形
单晶体滑移变形示意图
d)塑性变形
孪生
孪生：晶体内的一部分原子（红色）相对另一部分原子沿某个
晶面转动，使未转动部分与转动部分的原子排列成镜面对称关系。
一、金属的可锻性（塑性加工性能）
定义：在锻造过程中，金属通过塑性加工而不开裂， 并获得合格零件的能力。 衡量指标：金属的塑性和变形抗力 塑性越高、变形抗力越低，可锻性越好。
二、影响金属可锻性的因素：
三个主要因素：金属的本质、加工条件、应力状态 1、金属的本质（内在因素）： ①化学成分
➢ 碳钢：钢的含碳量越低，可锻性越好; ➢ 合金钢：合金元素含量越高，可锻性越差； ➢ 纯金属的可锻性优于合金。 ②金属组织
冷变形过程缺点：
①冷变形过程的加工硬化使金属的塑性变差，给进一步塑性变 形带来困难。 ②对加工坯料要求其表面干净、无氧化皮、平整。 ③加工硬化使金属变形处电阻升高，耐蚀性降低。
五、纤维组织及其利用
纤维组织（热加工流线）：
塑性加工中，金属的晶粒形状和晶界分布的杂质沿变形方 向被拉长，呈纤维状。纤维组织不能热处理消除，只能通过锻 压改变其形状和方向。
纯金属或单相固溶体（奥氏体）的可锻性优于多相组织； 均匀细晶的可锻性优于粗晶组织和铸态柱状晶； 钢中存在网状二次渗碳体时可锻性下降。
影响金属可锻性的因素：
2、加工条件：
①变形温度 温度越高，金属塑性提高，
变形抗力降低，可锻性提高。
加热温度过高，产生缺陷： 过热：晶粒长大，使综合机械性能下降； 过烧：晶粒边界氧化或熔化 ，一击即碎； 脱碳：碳与环境气体反应，使表层含碳量减少； 严重氧化：表层与 氧反应，生成氧化物。
材料工程基础第三、四章习题答案
1、何为冷变形、热变形和温变形？冷变形：温度低于回复温度，变形过程只有加工硬化无回复和再结晶。
热变形：温度在再结晶温度以上，变形产生的加工硬化被再结晶抵消，变形后具有再结晶等轴晶粒组织，而无加工硬化痕迹。
温变形：金属材料在高于回复温度但低于再结晶开始温度的温度范围内进行的塑性变形过程。
2、简述金属的可锻性及其影响因素。
可锻性：指金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。
它包括在热态或冷态下能够进行锤锻，轧制，拉伸，挤压等加工。
可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分有关。
(1)内在因素(a)化学成分:不同化学成分的金属其可锻性不同；(b)合金组织:金属内部组织结构不同，其可锻性差别很大。
(2)外在因素(a)变形温度:系指金属从开始锻造到锻造终止的温度范围。
温度过高:过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷。
温度过低：变形抗力↑－难锻，开裂(b)变形速度:变形速度即单位时间内的变形程度(c)应力状态:金属在经受不同方法进行变形时，所产生的应力大小和性质（压应力或拉应力）不同。
3、自由锻和模锻的定义及其特点是什么？自由锻造是利用冲击力或压力使金属在上下砧面间各个方向自由变形，不受任何限制而获得所需形状及尺寸和一定机械性能的锻件的一种加工方法，简称自由锻。
1、自由锻锻件的精度不高，形状简单，其形状和尺寸一般通过操作者使用通用工具来保证，主要用于单件、小批量生产。
2、对于大型机特大型锻件的制造，自由锻仍是唯一有效的方法。
3、自由锻对锻工的技术水平要求高，劳动条件差，生产效率低。
模锻是指在专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件的锻造方法。
模锻具有如下特点：(1)生产效率高。
劳动强度低。
(2)锻件成形靠模膛控制，可锻出形状复杂、尺寸准确，更接近于成品的锻件，且锻造流线比较完整，有利于提高零件的力学性能和使用寿命。
(3)锻件表面光洁，尺寸精度高，加工余量小，节约材料和切削加工工时。
(4)操作简便，质量易于控制，生产过程易实现机械化、自动化。
影响金属塑性、强度的因素
影响金属塑性、强度的因素
一.金属组织对塑性的影响
纯金属及固溶体具有较高的塑性（如纯铁、奥氏体钢），化合物和紧缩性很差（如高速钢）。
铸造组织由于是由粗大组织状结晶组成，合金成分分布不均匀，内部缺陷多，塑性较低。
冷变形后，塑性也有所降低。
二．化学成分对金属性能的影响
碳（C）:含碳量增加，钢的硬度升高，塑性及韧性降低。
当含碳量小于0.8%时，钢的强度随含碳量增加而提高；当含碳量大于0.8%时，钢的强度反而随含碳量的增加而降低。
硅（Si）:在普通碳钢中，硅含量不超过0.5%时，对机械性能影响不大；当硅含量继续增加时，钢的强度指标（特别是屈服强度）有明显提高，但塑性及韧性降低。
锰（Mn）:在一般碳钢中，锰含量在0.7%以下，对钢的性能影响不大。
含锰量增加到1~2%时，可使强度提高，塑性降低，可锻性变差。
钨（W）：单一钨含量的结构钢，其性能与碳钢相比无多大改善，当钨与其他元素合用时，可细化晶粒，降低回火死刑，从而提高钢的强度。
高合金钨钢（高速钢）由于含有大量共晶碳化物，其塑性低。
钼（Mo）：在高速钢中加入钼可提高耐磨性、回火硬度；在不锈钢中有助于提高钢的抗蚀性，还有助于提高钢的高温强度。
钒（V）:钒在钢中能形成高硬度的碳化物，提高钢的耐磨性。
但钒含量过高则使钢的锻造性变差。
钛（Ti）:钛在钢中可细化晶粒，，一定程度上可提高钢的强度。
当钢中钛含量超过0.05%时，其轧制状态的塑性和韧性均将降低。
经过热加工的含钛钢其塑性及韧性有明显的方向性。
钛也可提高钢的高温强度。
铬（Cr）:铬在一定含量内可提高钢的强度和硬度。
金属塑性理论基础-可锻性及其影响因素
金属塑性成形理论基础可锻性及其影响因素1.金属的可锻性。
可锻性是指金属材料受压力加工而产生塑性变形的工艺性能，反映了金属材料获得优质锻件的难易程度。
2.可锻性的衡量塑 性变形抗力金属的可锻性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。
金属的塑性高，变形抗力小，变形时不易开裂，且变形中所消耗的能量也少。
这样的金属可锻性良好；反之，可锻性差。
2.可锻性的衡量1）塑性及塑性指标：是指固体材料在外力作用下发生永久变形，而不破坏其完整性的能力。
%10000⨯-=L L L k δ%10000⨯-=A A A k ψ伸长率断面收缩率0L k L 0A FF LkA2）变形抗力：是指在一定的加载条件下、一定的变形温度下和一定的变形速度下，引起材料发生塑性变形的单位变形力。
2.可锻性的衡量1）塑性及塑性指标：是指固体材料在外力作用下发生永久变形，而不破坏其完整性的能力。
%10000⨯-=A A A k ψ伸长率断面收缩率%10000⨯-=L L L k δ3 金属可锻性影响因素在三向压应力状态，表现较高的塑性和较大的变形抗力； 在两向压应力和一向拉应状态时，表现出较低的塑性和较小的变形抗力。
(1)单相组织比多相组织塑性好，变形抗力也低。
(2)含有较多碳化物的合金， 可锻性差(3)铸态和粗晶组织可锻性差在一定温度范围内，随着变形温度的提高，可锻性提高。
一般变形速度区中，随着速度的增加，塑性下降，可锻性变差。
在高速变形区，随变形速度的增加，，可锻性反而变好。
5）应力状态的影响1）化学成分的影响2）组织的影响3）变形温度的影响4）变形速度的影响(1)纯金属的可锻性比合金的可锻性好；(2)合金成分越复杂，可锻性越差3 金属可锻性影响因素1）化学成分的影响钢中碳含量越高，塑性越差；纯金属的可锻性比合金的可锻性好；2）组织的影响单相组织比多相组织塑性好，变形抗力也低；含有较多碳化物的合金，可锻性差；铸态和粗晶组织可锻性差。
3）变形温度的影响提高加热温度有利于提高锻件的塑性、降低变形抗力。
金属的塑性名词解释
金属的塑性名词解释金属是一类具有良好导电性和导热性的物质，常见于自然界及人工合成材料中。
而金属的塑性，则是指金属在外力作用下，能够发生可逆形变的性质。
金属的塑性是金属材料广泛应用于工程和制造领域的重要特性之一。
1. 塑性的定义和特点在材料科学中，塑性是指材料在外力作用下能够在不断施加压力的情况下产生形变，并在去除外力后保持永久形变的能力。
金属的塑性是由金属的晶体结构和原子的排列所决定的。
金属晶体的原子对于应力有很强的耐力，可在外力作用下，通过滑移和重排等微观过程发生塑性变形。
相对于其他材料，金属材料具有较高的塑性，这使得金属制品可以通过冷加工、热加工等工艺方式来获得所需形状。
2. 塑性与金属工艺金属的塑性为金属工艺提供了重要的基础条件。
无论是锻造、拉伸、挤压还是压铸、锋锅等金属成型工艺，都依赖于金属的塑性特性。
例如，金属锻造是通过对金属材料施加压力使其塑性变形，来形成所需形状的工艺。
挤压则是指将金属材料放置在挤压机中，通过外力作用将材料压入模具中，从而获得具有中空或复杂横截面的塑性变形零件。
可见，金属的塑性在各种金属工艺中发挥着重要的作用。
3. 影响金属塑性的因素金属塑性受多种因素的影响，下面将介绍其中几个主要因素。
a) 温度：金属的塑性随温度变化而变化。
一般来说，金属的塑性随温度的升高而增加。
温度的变化会影响金属晶体内原子的活动性和间距，从而影响金属的塑性。
b) 结晶度：金属的晶粒度和结晶度对金属的塑性有着重要的影响。
较小的晶粒和高结晶度的金属具有更好的塑性。
c) 合金化：添加适量的合金元素，如镍、钢、铝等可以显著提高金属的塑性。
这是因为合金元素的添加可以改变金属结晶格局，增强晶界的弹性变形能力，从而提高了金属的塑性。
4. 应用前景金属的塑性使得金属材料成为各行各业广泛应用的基础材料。
例如，汽车、飞机、火箭等交通工具的结构部件，以及建筑物的支撑结构往往使用金属材料，这是因为金属的塑性能够满足这些部件在复杂应力条件下的要求。
锻造01
3）需配备对棒料局部加热的专用加热炉。
4）高效率、高质量、容易实现机械化的锻造方法，但设备 结构复杂，价格贵，适用于大批量生产。
第二节 锻造工艺规程的制订
自由锻的工艺规程包括：绘制锻件图，计算坯料的重
量和尺寸，确定变形工步，选定设备和工具，确定锻造温 度范围，加热、冷却及热处理的方法及规范等。 模锻的工艺规程包括：自由锻的内容外，还应有分模 面膜的选择、模锻斜度和圆角半径等等。
3 ）滑块运动精度高，并有锻件顶出装置，使模锻斜度、 加工余量、锻造公差减小，锻件精度比锤上模锻高。 4）振动和噪声较小，劳动条件改善。
缺点：
1）设备费用高，模具结构复杂； 2）滑块行程和压力不能在锻造过程中调整，因此 不能进行拔长、滚压等制坯。
3.摩擦压力机上模锻
摩擦压力机是将飞轮旋转所积蓄的能量转化成金属的 变形能进行锻造的，属锻锤类锻压设备。其结构与传动原 理如图3-30所示。
3、自由锻的特点
优点： 1）自由锻使用工具简单，不需要造价昂贵的模具；
2）可锻造各种重量的锻件，对大型锻件，它是唯一方法
3）由于自由锻的每次锻击坯料只产生局部变形，变形金属 的流动阻力也小，故同重量的锻件，自由锻比模锻所需的 设备吨位小。 缺点： 1）锻件的形状和尺寸靠锻工的操作技术来保证，故尺寸精 度低，加工余量大，金属材料消耗多； 2）锻件形状比较简单，生产率低，劳动强度大。故自由锻 只适用于单件或小批量生产。
摩擦压力机上模锻的特点如下： 1）滑块运动速度低，可锻造低塑性合金钢和有色金属； 2）承受偏心载荷能力差，仅适合单膛模锻；
3）打击速度低，可采用组合模具，降低生产成本，缩短生 产周期；
4）滑块行程不固定，故工艺性广泛。
4. 胎模锻
在自由锻设备上使用简单的非固定模具（胎模）生产模 锻件的一种工艺方法。 （1）与自由锻相比，锻件质量好，生产率高，节约金
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金属塑性成形理论基础
可锻性及其影响因素
1.金属的可锻性。
可锻性是指金属材料受压力加工而产生塑
性变形的工艺性能，反映了金属材料获得优质
锻件的难易程度。
2.可锻性的衡量
塑 性变形抗力
金属的可锻性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。
金属的塑性高，变形抗力小，变形时不易开裂，且变形中所消耗的能量也少。
这样的金属可锻性良好；反之，可锻性差。
2.可锻性的衡量
1）塑性及塑性指标：
是指固体材料在外力作用下发生永久变形，而不破坏其完整性的能力。
%10000⨯-=L L L k δ%10000⨯-=A A A k ψ伸长率断面收缩率0L k L 0
A F
F L
k
A
2）变形抗力：
是指在一定的加载条件下、一定的变形温度下和一定的变形速度下，引起材料发生塑性变形的单位变形力。
2.可锻性的衡量
1）塑性及塑性指标：
是指固体材料在外力作用下发生永久变形，而不破坏其完整性的能力。
%10000⨯-=
A A A k ψ伸长率断面收缩率%10000⨯-=L L L k δ
3 金属可锻性影响因素
在三向压应力状态，表现较高的塑性和较大的变形抗力； 在两向压应力和一向拉应状态时，表现出较低的塑性
和较小的变形抗力。
(1)单相组织比多相组织塑性好，变形抗力也低。
(2)含有较多碳化物的合金， 可锻性差
(3)铸态和粗晶组织可锻性差在一定温度范围内，随着变形温度的提高，可锻性提高。
一般变形速度区中，随着速度的增加，塑性下降，可锻性变差。
在高速变形区，随变形速度的增加，，可锻性反
而变好。
5）应力状态的影响
1）化学成分的影响2）组织的影响3）变形温度的影响
4）变形速度的影响
(1)纯金属的可锻性比合金的可锻性好；
(2)合金成分越复杂，可锻性越差
3 金属可锻性影响因素
1）化学成分的影响钢中碳含量越高，塑性越差；
纯金属的可锻性比合金的可
锻性好；
2）组织的影响单相组织比多相组织塑性好，
变形抗力也低；
含有较多碳化物的合金，可
锻性差；
铸态和粗晶组织可锻性差。
3）变形温度的影响提高加热温度有利于提高锻
件的塑性、降低变形抗力。
温度过高时产生过热、过烧、脱碳、严重
氧化；温度过低时锻件变形困难或者被锻
裂及损毁锻造设备。
高速钢的过烧组织
高速钢的过热组织
高速钢的正常淬火组织
变形速度与塑性和变形抗力的关系
4）变形速度的影响一般变形速度区中，随着速度
的增加，塑性下降，可锻性变差。
在高速变形区，随变形速度的增加可锻性反而变好。
挤压金属应力状态 拉拔金属应力状态 5）应力状态的影响3 金属可锻性影响因素
三个方向上受压应力数目越多，金
属的塑性越好，而拉应力数目越多，金属的塑性越差。
同号应力状态比异号应力状态的变形抗力大。
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