塑性成形工艺基础

2.2　塑性成形工艺基础

2.2.1　塑性变形后金属的组织和性能

1.加工硬化、回复和再结晶

金属材料随着塑性变形的变形度增加，使金属的强度、硬度提高，而塑性下降，此现象称为加工硬化或冷作硬化。

加工硬化现象在工程技术中具有重要的实用意义。首先可利用加工硬化来强化金属，提高金属强度、硬度和耐磨性。另外，加工硬化还可以在一定程度上提高构件在使用过程中的安全性。

加工硬化也有其不利的一面。它使金属塑性降低，给进一步冷塑性变形带来困难，并使压力加工时能量消耗增大。为了使金属材料能继续变形，必须采用中间热处理来消除加工硬化。这就增加了生产步骤，提高了成本，降低了生产率。

为了消除加工硬化效应，恢复材料的塑性，消除变形过程中产生的内应力，以便继续进行变形加工，就要对工件进行退火处理。

经塑性变形后的工件，在退火加热温度不太高时，冷变形金属的显微组织无明显的变化，只能使内应力明显降低和消除，金属的力学性能没有显著变化，即强度、硬度下降很少，塑性提高不多，这一过程称为回复。

当加热温度较高，塑性变形后金属被拉长的晶粒重新形核、结晶，变为等轴晶粒，称为再结晶。再结晶后的金属，强度、硬度显著下降，塑性和韧性显著提高，内应力完全消除。开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。纯金属的再结晶温度与熔点的大致关系是 T_再≈0.4T_熔（K）。 再结晶完成后，若加热温度继续升高或加热时间延长，金属的晶粒便开始不断长大。再结晶后的金属的力学性能与再结晶晶粒度关系很大，晶粒越细小，金属的综合力学性能越好。

金属的加工硬化及回复、再结晶过程中的力学性能变化关系如图2-2所示。

图2-2　金属加工硬化及回复和再结晶与性能的关系

2.塑性变形对金属组织和性能的影响

（1）变形加工时，金属中的脆性杂质被破碎，并沿金属流动方向呈粒状或链状分布；塑性杂质则沿变形方向呈带状分布，这种杂质的定向分布称为流线。通过热变形可以改变和控制流线的方向和分布，加工时因尽可能使流线与零件的轮廓相符合而不被切断。图2-3是锻造曲轴与切削加工曲轴的流线分布，明显看出经切削加工的曲轴流线易沿轴肩部位发生断裂，流线分布不合理。

图2-3　曲轴的流线分布示意

（2）热变形加工可以使铸坯中的组织缺陷得到明显改善，如铸坯中粗大的柱状晶经热变形加工后能变成较细的等轴晶粒；气孔、缩松被压实，使金属组织的致密度增加；某些合金钢中的大块碳化物被打碎并均匀分布；可以消除金属材料的偏析，使成分均匀化。

2.2.2　金属的塑性加工性能

金属的塑性加工性能是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。金属的锻造性能的优劣，常用金属的塑性和变形抗力两个指标来衡量。影响金属材料塑性和变形抗力的主要因素有两个方面：

1.金属的本质

（1）金属的化学成分　不同化学成分的金属，其塑性不同，锻造性能也不同。一般纯金属的锻造性能较好。金属组成合金后，锻造性能变差。例如碳钢随着碳含量的增加，塑性下降，锻造性能变差。合金钢中合金元素的含量增多，锻造性能也变坏。

（2）金属的组织状态　由单一固溶体组成的合金，具有良好的塑性，其锻造性能也较好。若含有多种合金而组成不同性能的组织结构，则塑性降低，锻造性能较差。

2.金属的变形条件

（1）变形温度　随着温度的升高，金属原子动能升高，易于产生滑移变形，从而提高了金属的锻造性能。所以，加热是锻压生产中很重要的变形条件。但温度过高，金属会出现过热、过烧，塑性反而下降。对于加热温度，需根据金属的材质不同要控制在一定范围，即合适的变形温度范围。

（2）变形速度　变形速度是指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量。变形速度大，会使金属的塑性下降，变形抗力增大，但变形速度很大时，由于热效应会使变形金属的温度升高而提高塑性、降低变形抗力。

（3）变形时的应力状态　压应力使塑性提高，拉应力使塑性降低；工具和金属间的摩擦力将使金属的变形不均匀，导致金属塑性降低，变形抗力增大。

综合上述，金属的塑性和变形抗力均受金属的本质与变形条件等因素所制约。在选用塑性加工方法进行金属成形时，要依据金属的本质和成形要求，充分发挥金属的塑性，尽可能降低其变形抗力，用最少的能耗，获得合格的锻压件。