金属塑性成形原理

一、塑性的概念金属塑性变形的力学基础

1、塑性指标和影响金属塑性的因素

1）变形抗力       塑性的基本概念受力物体解除外力后，由外力引起的变形随即消失，物体完全恢复了自己的原始形状和尺寸，这样的变形称为弹性变形。

受力物体解除外力后，物体并不完全恢复自己的原始形状和尺寸，这样的变形称为塑性变形（或称为永久变形）。

所谓塑性，是指固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力。因此，塑性反映了材料产生塑性变形的能力。塑性的好坏或大小，可用金属在破坏前产生的最大变形程度来表示，并称其为“塑性极限”或“塑性指标”。2.2  金属塑性变形的力学基础2.2.1 外力

为了使物体产生塑性变形，必须施加一定的外力。如果在该外力作用下物体的运动受阻，则在物体内部将产生内力。

在压力加工过程中，如忽略被加工物体的重量和惯性力，则物体所受外力有如下三种：   ①作用力
   ②发作用力
   ③摩擦力作用力

       一般是由运动机械的作用而产生的。例如，拉线时拉线轮作用于线上的力，即为作用力。

2）反作用力
     
       由于工具阻碍金属向某个方向运动而产生的力。反作用力的方向总是垂直于工具表面。并指向被加工物体的内部，而不一定和作用力在同一直线上。

摩擦力
 
      在任何压力加工过程中，变形金属和工具之间，都存在着摩擦力。工具对于工件作用产生的摩擦力的方向是阻止工件的质点沿工具表面运动的方向。

内力

内力是材料内部所受的力，它的产生来自于外界作用和物体内维持自身完整性的力。外界作用可以是外力，也可以是物理作用、化学作用，如冷热不均。内在力则来自于组成物体的众多原子，它们总是试图保持相互之间的距离不变。当外界作用于物体时，迫使原子间距发生变化，而原子则以力的形式与外界抗衡，以恢复稳定位置，保持原有的间距。

所以内力是物体抵抗外界作用而产生的于内部各部分之间相互平衡的力。
2、 应力应力是单位面积上的内力。
3、  塑性指标及影响塑性的因素

1） 塑性指标        为了便于比较各种材料的塑性性能和确定每种材料在一定变形条件下的加工性能，需要有一种度量指标，这种指标称为塑性指标，即金属在不同变形条件下允许的极限变形量。
               由于影响金属塑性的因素很多，所以很难采用一种通用指标来描述。目前人们大量使用的仍是那些在某特定的变形条件下所测出的塑性指标。如拉伸试验时的断面收缩率及延伸率，冲击试验所得之冲击韧性；镦粗或压缩实验时，第一条裂纹出现前的高向压缩率（最大压缩率）；扭转实验时出现破坏前的扭转角（或扭转数）；弯曲实验试样破坏前的弯曲角 度等等。
      （1）拉伸试验法
      （2） 压缩试验法
      （3）扭转试验法2.3.2 影响金属塑性的因素

        金属的塑性不是固定不变的，它受到许多内在因素和外部条件的影响。同一种材料，在不同的变形条件下，会表现出不同的塑性。因此，塑性是金属及合金的一种状态属性它不仅与其化学成分、组织结构有关，而且与变形速度、变形温度、变形程度、应力状态诸因素有关。
 
4、内部因素
 
 1）化学成分 
      工业用金属均还有一定数量的杂质。为了改善金属使用性能，人为的加入一些其他元素而成为合金。这些混入的杂质和加入的元素，对金属的合金的塑性均有影响。
       金属的塑性随其纯度的提高而增加。例如纯度为99.96%的铅，延伸率为45%；而纯度为98%的铅，其延伸率则只有30%左右。
2）组织结构 
       组织结构指金属组元的晶格、晶粒取向及晶界特征等。
 面心晶格的塑性最好，体心晶格次之，六方晶格最差。
在室温下多数金属单晶体塑性高。这是由于多晶体的晶粒大小不一、晶粒位向不同、晶粒边界的强度不足等原因所造成的。
细晶粒塑性好于粗晶粒。这是因为，细晶粒金属在一定体积内晶粒数目多，塑性变形时位向有利于滑移的晶粒也多，故变形能较均匀地分散到各处。晶粒细小，晶界的影响能遍及整个晶粒，故变形时晶界影响造成的各处的差异较小，由变形不均引起的应力集中也较小。再者，细晶粒单位体积内表面大、晶界强度高、晶界曲折，晶间滑移困难，故在断裂前能承受很大的塑像形变。
5、外部因素
 
 1）变形温度 
   变形温度对金属的塑性有很大影响。一般规律是，随着温度升高，塑性增加。
   在变形过程中，随着温度的升高，发生了消除硬化的回复和再结晶过程，从而使那些由于塑性变形造成的破坏和显微缺陷得到修复。
2）变形速度 
   变形速度对塑性的影响比较复杂。当变形速度不大时，随变形速度的提高塑性是降低的；而当变形速度较大时，塑性随变形程度的提高反而变好。这种影响还没有找到确切的定量关系。
3）变形程度 
    在冷塑加工中变形量到达一定程度时，金属内部聚会产生明显的加工硬化现象，并且伴有产生微裂纹的倾向，所有塑性随变形程度增加而降低。在实际生产中，为使后续加工能继续进行，须在两次加工中间对硬化材料进行退火处理。
     在热变形中，变形程度与适当的加工速度、温度条件相配合，可以消除硬化和修补微裂纹，变形可以继续进行。所以在热加工中，变形程度对塑性影响不大。
4）应力状态 
        应力状态对塑性的影响是，压应力个数越多，数值越大，则金属的塑性越低。反之，拉应力个数越多，数值越大，则金属的塑性越低。其原因有以下几点：
 ⑴拉伸应力会促进晶粒间变形，加速晶粒间破坏。而压应力则会阻止或减少晶粒间变形，随着三向压缩作用的加强，晶粒间变形越困难，因而提高了金属的塑性。
 ⑵三向压缩应力有利于消除由于塑性变形所引起的各种破坏。而拉应力则相反，它促使各种破坏的发展。  ⑶当变形体内原来存在着少量对塑性不利的杂质，液态相或者组织缺陷时，三相压缩作用能抑制这些缺陷，全部或部分地消除其危害。反之，拉力作用下，将在这些地方形成应力集中，促使金属的破坏。
  ⑷三向压缩作用能抵消由于不均匀变形所引起的附加拉应力。例如，圆柱体镦粗时，侧表面就可能出现附加拉应力而导致纵向裂纹的产生，施加侧向压力后，能抵消此附加拉应力而防止裂纹的产生。
提高金属塑性的途径  ： 为提高金属的塑性，必须设法促进对塑性有利的因素，同时要减小或避免不利的因素。归纳起来，提高塑性的主要途径有以下几个方面：控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；采用合适的变形温度—速度制度；选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；避免加热和加工时周围介质的不良影响等，在分析解决具体问题时应当综合考虑所有因素，要根据具体情况来采取相应的有效措施。2.4  变形抗力

在塑性加工过程中，金属抵抗变形的应力称为变形抗力。
它通常由材料在不同的变形温度、变形速度和变形程度下，单向压缩（或拉伸）时的屈服强度的大小来度量。
在实际生产条件下，实际测得的变形抗力值包括金属真实抵抗变形的抗力（材料在线应力状态下产生屈服现象时的变形抗力）和附加抗力（由影响变形力学图的外部因素所引起的附加抗力值）两部分。
6、 塑性条件当物体受外力作用时，则物体内部将产生应力，同时产生弹性变形。若外力继续增加到某一定数值时，物体将由弹性变形状态变为塑性变形状态。
人们将物体由弹性变形阶段转入塑性变形阶段的这种极限状态，称为第一极限状态，而产生这种转变的力学条件称为塑性条件。