金属塑性加工概述

1 金属塑性加工的概况
金属塑性加工，又称金属压力加工，它是利用固态金属的塑性借助于工具对不同金属坯料施加外力，迫使其发生变形，以获得预期的形状和性能的加工材的过程。塑性加工生产出各种钢材和有色金属材，它为国民经济的建设起到促进和保证作用。事实上，金属材料中90%以上是经塑性加工制成各种板、带、箔、型、管、棒、线等制品的。
金属塑性加工技术在冶金史上出现很早，但长期处于手工阶段。欧洲产业革命后，金属塑性加工才转向大工业生产。因此，现代冶金加工业的发展已有240余年的历史了，其中20世纪是发展最快的。到了今天，我国冶金加工业成为名副其实的国民经济支柱产业。飞速发展的冶金业规模宏大，单说钢材，2008年世界总产量已达13.29亿t,而中国总产量已达5.4亿t,占世界总量的约40%,同时塑性加工技术达到十分成熟的阶段。
金属塑性加工按金属加工时温度区分可分为热加工、冷加工、半液态加工和温加工；按金属变形时变形方式、变形工具和受力方式区分，基本的类别有锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压、冷弯、旋压和高能率等；由基本的类别相组合的类别还有锻轧（锻造－轧制）、推轧（轧制－挤压）、拔轧（拉拔一轧制）、辊弯（轧制－弯曲）、异步轧制（轧制－剪切）、管材冷轧冷拔（常温下轧制一拉拔）等，见表1-4.其中，高能率加工指爆炸成形和电磁冲压成形。
金属塑性加工已成为国民经济支柱产业。我国已成为加工制造业大国，国家对其发展给予了极大的重视。它的主要发展趋势有：
（1)充分发挥资源效用，提高资源利用率。加强研发，不仅应生产出人们需要的各种材料和制品，还应生产出各种新材料，发展金属与金属、金属与高分子的复合材料，以及镀层涂
层材料。
（2)节约能源，降低能耗，特别要降低热加工中的能耗。要实现冶炼、连铸与加工工序一体化，尽量采用薄板坯连铸、连铸连轧、坯料热送热装等技术；要研究工序间的优化匹配，减少中间退火环节。
（3)适应大批量生产和优化加工条件。要实现生产连续化、专业化，采用计算机系统控制生产；要研发新的高性能、高效率的加工设备。
（4)促进相关技术共同发展。研究摩擦润滑和材料表面处理技术。
2金属塑性加工的理论基础
金属塑性加工在长期自身发展中形成一个独立的基础理论体系，成为自然科学中的一个学科。同时，它又不断吸收其他学科涉及金属塑性变形行为和机理的研究成果，深化、发展和丰富了金属塑性加工理论基础。该理论包括塑性加工金属学、塑性加工力学和塑性加工摩擦学3个方面。三者互为依存，共同解释塑性加工变形中的各种现象，又各有研究侧重方面。
2.1 塑性加工金属学
塑性加工金属学是研究金属晶体结构的运动机制。它是通过

控制和改善热力学和力学条件，以求最有成效地进行塑性成形的基础理论。它是总结了多年来塑性成形工业成果和实践经验而发展起来的。它主要的研究任务是探索金属及其合金产生形变适宜的热力学和力学条件，寻求提高变形性能、降低变形抗力、避免产生缺陷、变形后达到最佳的结晶组织状态和性能的工艺条件，以获取最优的内外质量的产品并达到节能的目标。它主要研究内容包括：
（1)金属塑性变形机理。金属塑性加工是使受外力作用的金属产生稳定连续的永久变形而赋予材料所期望的外形与组织。熟悉产生变形的机理及其在塑性变形中所起的作用、变化规律及导致的后果，这是极其重要的。在继承材料学科中有关晶体结构知识的基础上，了解有关滑移和位错理论，为深入理解塑性变形作基础工作。
（2)金属屈服与变形抗力。金属要在一定大小的外力下才能由弹性变形转变到塑性变形，这时的状态称为屈服。金属产生屈服时的应力值表征金属已能开始流变的应力，因此要研究金属多晶体的屈服行为。多晶体是由许多取向各异的单个晶体组成的，因此，首先要研究单晶体的一些屈服表现，弄清其本源，才能正确掌握金属多晶体的塑性变形情况。屈服只表示金属已开始塑性变形，而塑性加工的目的是期望金属能发生预定大小的变形以改变原来坯料的形状尺寸、改善力学性能，从而获得合格制品。施加的外力随着变形的加大而增加，要造就金属的屈服并能维持稳定的连续变形，就必须研究金属在各种情况下反抗这些意图的能力－金属的变形抗力。
（3)金属塑性变形的热力学条件。金属必须在一定的力学条件与热力学条件下受外力作用才能发生所希望的变形。热力学条件包括变形时的温度、程度和速率，它们制约着塑性变形的成败。因此，选择及确定变形温度范围、变形量大小及变形速度，对改变金属内部组织的实质是最基本的知识。
（4)金属塑性变形与组织性能变化。金属塑性加工的目的是创造最佳条件，以促进工件在承受变形的过程中发生预期的形状改变和组织改变，并获得所要求的良好性能。近来，在开发新材料的过程中，用常规加工方法生产出来的材料，又因组织或性能不够理想而难以符合要求，究其原因是形成了变形织构和再结晶织构等。为有效地控制织构的形成与存在方式，减少不良影响，对退火再结晶过程、结构及其他一些特殊组织的形成机制、调控技术等进
行研究，就能在了解其规律的基础上制备含有特殊性能要求的材料。
（5)金属的塑性与断裂。金属能稳定地发生塑性变形而不产生断裂，这是金属具有塑性的表征。研究金属在一定条件下承受塑性变形而不产生断裂的能力，促进金属达到最佳状态的条件及提高其塑性的途径。
（6)不均匀变形和残余应力。任何塑性变形加工过程均处于一种不均匀的状态中，所以变形的发生、发展以及所产生的应力、应变及性能等均处于不均匀状态。因此，必须研究不均匀变形发生和扩展的原因、不良后果及防止措施，以求在生产过程中尽可能达到均匀变形的条件。
2.2 塑性加工力学
塑性加工力学是研究金属等材料在塑性变形过程中的变形力学规律的基础理论学科。它的任务是结合金属等材料流变特性，分析塑性成形中的应力应变状态、建立变形力学方程、确定塑性加工变形时的力学性能参数和变形参数，以及应力和应变在变形体内分布，从而为正确选择塑性加工变形方式、制定合理的工艺规程、选择合适的加工设备、优化设计轧辊孔型或其他工模具、确定加工变形界限等提供科学依据。

塑性加工力学的内容包括：在塑性力学基础理论方面包括应力理论、应变理论，以及金属材料的屈服条件和本构方程；在塑性加工力学的计算和解析方法上包括变形力学问题的工程解法、滑移线解法、上界法和下界法以及有限元解法等。
随着电子计算机技术的发展，各种数值计算法在塑性力学上的应用越来越广泛。塑性加工力学和材料科学两者间的研究工作是相互渗透、彼此影响和互相促进的。这就是说，塑性加工变形的宏观力学与变形材料的微观力学相互结合才能促进塑性加工变形力学理论向纵
深发展，共同组成完整的理论体系。塑性加工力学目前尚存在一些问题，务实而有效的办法是弄清各类材料进行不同塑性加工成形过程的机制，采用有根据而又可靠的简化处理方法，以求得精确而实用的解。
2.3 塑性加工摩擦学
塑性加工摩擦学是研究金属塑性加工过程中变形金属与工具接触表面间的力学、物理化学规律的基础理论学科。在塑性变形过程中，摩擦对变形金属中的应力应变分布和变形力学性能参数有重要作用，而且直接影响工件的表面质量和工具的磨损及工具的寿命。塑性加工摩擦学的基本任务是按照摩擦学的原理，结合塑性加工时的摩擦特点，研究塑性变形中的摩擦、磨损和润滑问题，控制摩擦不利的方面，利用其有利方面，使加工过程节能，降低工具消耗，不断提高产品质量和效率。如在塑性加工过程中，在轧制时的初轧机上，常在轧辊表面上刻痕以增大摩擦、增大咬入角以便于坯锭的咬入；而在冷轧薄板时，为了降低轧制压力，提高表面质量和控制板形，需要将轧辊磨光甚至抛光，并加上良好的润滑以降低摩擦。因摩擦学是涉及多学科的综合性学科，过去因对它的认识不足而研究不足，现在看到了它对工程的重要性、普遍性和复杂性，所以需要对其进行更深入的研究。
金属塑性加工中的摩擦十分复杂，它与普通的机械摩擦相比有许多特点。如金属塑性加工中，作用于摩擦面上的压强远大于机械摩擦，加上金属的延伸变形使金属表面露出洁净的新金属面，易促成变形金属与工具面的局部黏结，使摩擦力增大，因而磨损也加大。此时的摩擦系数远大于机械摩擦的摩擦系数。另外，在接触表面的垂直方向，金属的流动受到工具表面的制约，但在切线方向金属的流动则决定于变形金属内部的应力应变状态。这就使接触表面上金属与工具之间相对运动呈现多种不同的状况：当垂直压强较小时，主要是两者的相互滑动，虽然也可能伴有随产生随除去的局部黏结现象；当压强增大至某一值，使摩擦力达到金属的剪切强度后，即呈现恒定摩擦力状态，或换为制动状态；当金属与工具表面间不动时，呈现出静摩擦状态，或称黏着，有时只发生少量的局部黏着。
按润滑状况不同，摩擦又可分为干摩擦、边界摩擦和液体摩擦3种类型。事实上，许多摩擦往往是这3种类型不同组合的混合形式。
一般多把接触面上剪切力与法向压强的比值称为摩擦系数，或称为摩擦力因子。但它已无法描述塑性变形中摩擦的本质及变化规律。因而在不同状态下测得的摩擦系数常常相差很大。
摩擦机制的进一步阐明、准确的摩擦系数的测定、润滑剂的研制和选用，这些都是金属塑性加工摩擦学的重要研究方向。
2.4塑性变形基本规律
在塑性加工时，塑性变形的基本规律有：
（1)体积不变定律。众所周知，物质不灭和质量守恒是自然界普遍存在的规律。当然在塑性变形时也必须遵守该自然法则。
物体的质量等于体积和密度的乘积。在塑性加工过程中，不论是热加工或冷加工，其密度变化很小，可以认为，加工前后金属的体积不变。
（2)最小阻力定律。从金属的微观粒子理论可知，金属是由无数晶体构成的，而晶体是由排列有序的原子组成的。金属塑性加工时，金属的变形是通过内部微小质点的流动实现的。当变形体的质点有可能沿不同方向移动时，则每一质点沿阻力最小的方向移动。这与导体内电子流动是相似的。
（3)不均匀的变形。金属的塑性变形在理想状态下认为是均匀的。但是实际情况时，常常并非理想状态，因受到许多因素的影响，金属在变形区内的实际应力状态及变形常常是不均匀的。此时会出现金属坯外形歪扭，内部组织不均匀，而且还使变形体内应
力分布不均匀。不均匀的变形给产品的性能、质量和工艺过程造成不良影响。因此必须深人研究不均匀变形产生的原因、后果及其防止措施。

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