第六章 固态成形―金属压力加工
利用外力的作用使金属产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的成形工艺，称为金属压力加工(也称为塑性成形、固态成形)工艺。
在塑性成形过程中，作用在金属坯料上的外力主要有两种：冲击力和压力。锤类设备产生冲击力使金属变形，轧机与压力机对金属坯料施加压力使金属变形。
钢和大多数有色金属及其合金都具有一定的塑性，因此可以在热态或冷态下进行压力加工。通过压力加工，可使金属晶粒细化，组织均匀致密，并可使之具有连贯的纤维组织，从而获得强度高的零件。各种压力加工方法还具有生产率高、节省材料的优点。因此，压力加工在原材料生产和机械制造业的毛坯和零件生产中占有重要的地位。
压力加工的主要方法有(如图6-1所示)：
图6-1 压力加工的主要方法
1. 挤压 挤压是将金属坯料从挤压模孔或间隙挤出而成形的加工方法。挤压可获得各种复杂截面的型材或零件(见图6-2)，适用 于低碳钢、有色金属及其合金的加工，如采取适当的工艺措施，还可对合金钢和难熔合金进行加工。
2. 轧制 轧制是使金属坯料通过一对
回转轧辊之间的空隙而产生塑性变形的压力加工方法，可轧制出不同截面的原材料(见图6－3)，如钢板、型材和无缝钢管等，也可直接轧制出毛坯或零件。
3. 拉拔 拉拔是将金属坯料从拉拔模模孔中拉出而成形的压力加工方法。拉拔工艺主要用于制造各种细线材(如电缆等) 、薄壁管和特殊几何形状的型材(见图6-4)，多数情况下是在冷态下进行的，所得到的产品精度高，故常用于对轧制件的再加工，以提高产品质量。低碳钢和大多数有色金属及其合金都可以经拉拔成形。
图6-2 挤压产品截面形状图 图6-3 轧制产品截面形状图 图6-4 拉拔产品截面形状图
4. 自由锻造 自由锻造是将金属坯料置于上下砧铁之间，施加冲击力或压力使坯料变形的加工方法，主要用于锻件毛坯的单件小批生产。
5. 模型锻造 模型锻造是将金属坯料放在锻模模膛内，然后施加冲击力或压力，使坯料充满模膛而成形的方法，主要用于中小型锻件的成批生产。
6. 板料冲压 板料冲压是将金属板料放在冲压模中，施加作用力，使板料产生切离或变形的加工方法，常用的方法有剪切、冲裁、拉深、弯曲等，用于各种板材零件的成批生产。
第一节 金属压力加工基本原理
一、金属塑性变形的实质
晶体的原子按一定的规则排列，形成一定的空间点阵。点阵中原子排列在不同方向上的线密度和面密度不同，而且在有规律的排列中存在着缺陷——“位错”。当位错受到外力作用时，最易移动的原子面上的原子会偏离平衡位置产生位移，从而使其位能提高，并具有回到位能最低的平衡位置的趋势。当外力不大时，晶格扭曲，金属发生少许变形，当外力取消后，原子会恢复原位，变形消失，这是弹性变形；当外力增大到一定程度后，使原子产生大于一个原子间距的位移，去掉外力，原子将不再回到原来的平衡位置，变形被保留下来，产生塑性变形，这种位移是靠晶内“位错”的滑移实现的。以上讨论的只是单晶体的变形，其变形过程如图6-5所示。
图6-5 单晶体的变形过程示意图
图6-6 多晶体塑性变形示意图
机械制造中使用的金属和合金一般为多晶体，变形要比单晶体复杂得多。多晶体实际是由许多晶粒（单晶体）组成的，每个晶粒的位向各不相同，在受到外力作用时，那些位向处于易滑移位向的晶粒首先发生晶内滑移而变形。当首批晶粒发生变形时，由于晶界的影响，周围尚未发生塑性变形的晶粒只能以弹性变形相适应，并向有利于发生变形的位向产生微量的转动，同时在首批变形晶粒的晶界处形成位错的堆集，引起越来越大的应力集中。当应力集中达到一定程度时，变形便越过晶界传递到另一批晶粒中去。如图6-6所示。因此
，多晶体的塑性变形是在一批批晶粒中逐步发生，从少数晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒中，从不均匀变形逐步发展为比较均匀的变形。多晶体的塑性变形可以看成是组成多晶体的许多单个晶粒产生变形的综合效果。同时，晶粒与晶粒之间也有滑移和转动，称为晶间变形，晶间变形不能过大，否则将引起金属的破坏。
二、金属的加工硬化与回复、再结晶
金属在塑性变形过程中，随着其形状的改变，内部的组织结构会发生一系列变化：晶粒沿变形最大的方向伸长；晶格和晶粒均发生扭曲，产生内应力；晶粒间产生碎晶。组织结构的变化使其机械性能、物理和化学性能都发生变化，而机械性能的变化最为明显：随着变形程度的增加，金属的强度和硬度逐渐升高，而塑性和韧性降低（如图6－7），这种现象称为加工硬化。加工硬化可提高金属材料的强度，是强化金属材料的一种手段，尤其适用于用热处理工艺不能强化的金属材料。
图6-7 常温下塑性变形对低碳钢机械性能的影响
加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发回复到稳定状态的倾向，但在室温下不易实现。当提高温度时，原子因获得热能，热运动加剧，使原子排列回复到正常状态，从而消除晶格扭曲，并部分消除加工硬化。这个过程称为“回复”。这时的温度称为回复温度T回，T回＝（0.25～0.3）T熔（T回、T熔为用绝对温度表示的回复温度、熔点）。
当温度升高到T熔的0.4倍时，金属原子获得更多的热能，开始以碎晶或杂质为核心结晶成细小而均匀的再结晶新晶粒，从而消除全部加工硬化，这个过程称为再结晶，这时的温度称为再结晶温度T再，根据经验公式T再≈0.4T熔，可以计算出T再。在压力加工生产中，加工硬化给金属继续进行塑性变形带来困难，应予以消除。生产中常在高于再结晶温度下加热已加工硬化的金属，使其发生再结晶而再次获得良好的塑性，。这种工艺操作称为再结晶退火。再结晶后金属的机械性能与再结晶晶粒度关系很大，晶粒越细小，金属室温机械性能越好。
再结晶晶粒度取决于塑性变形程度、加热温度和保温时间。再结晶退火前塑性变形程度越大，再结晶晶粒越细小；加热温度越高，保温时间越长，再结晶晶粒越粗大。因此，在生产中要控制好这些因素，避免再结晶晶粒粗大。
三、金属塑性变形的分类
由于金属在不同温度下变形对组织和性能的影响不同，金属的塑性变形分为冷变形和热变形两种。
在再结晶温度以下的变形称为冷变形。变形过程中只有加工硬化而无再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化组织。由于产生加工硬化，冷变形需要很大的变形力，而且变形程度也不宜过大，以免缩短模具寿命和使工件破裂。但冷变形加工的产品具有表面质量好，尺寸精度高，力学性能好的优点，一般不需再进行切削加工。常温下，低碳钢在冷镦、冷挤﹑冷轧以及冷冲压中的变形都属于冷变形。
在再结晶温度以上变形称为热变形。变形产生的加工硬化立即随金属的再结晶而消失，变形后金属具有细而均匀的再结晶等轴晶粒组织而无任何加工硬化痕迹。金属只有在热变形的情况下，才能在较小的变形功的作用下产生较大的变形，加工出尺寸较大和形状较复杂的工件；同时，能获得具有较高力学性能的再结晶组织。但是，由于热变形是在高温下进行的，因而金属在加热过程中，表面容易形成氧化皮，产品尺寸精度和表面质量较低。金属在自由锻﹑热模锻﹑热轧﹑热挤压中的变形都属于热变形。
四、金属的纤维组织和各向异性
由于金属压力加工生产采用的最初坯料内部存在杂质，因此在产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，沿着变形方向被拉长，呈纤维形状，这种结构称为纤维组织。
纤维组织使金属在性能上具有方向性，平行于纤维方向（纵向）上的塑性和韧性明显高于垂直于纤维方向（横向）上的相应
性能。金属的变形越大，纤维组织越明显，性能的方向性也就越明显。
纤维组织的化学稳定高很强，纤维分布形态不能通过热处理消除，只能通过不同方向上的锻压才能改变。
为了获得具有最佳力学性能的零件，应充分利用纤维组织的方向性，一般应遵循两项原则：其一，使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直，图6-8所示为不同纤维方向上的锤锻模块受力时的情况比较；其二，使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断，图6-9 为两种不同纤维组织分布的齿轮与曲轴，显然，锻造的齿轮与曲轴比用轧材切削加工成的齿轮和曲轴的纤维组织分布状态要好。
图6-8 锤锻模块纤维方向比较
图6-9 不同纤维流线的齿轮和曲轴
五、金属的可变形性
金属的可变形性（可锻性）是衡量金属材料接受压力加工、获得优质制品难易程度的工艺性能。可变形性好，表明材料易于经受压力加工成形；反之则表明其不易压力加工成形。可变形性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。
塑性反映了金属塑性变形的能力，而变形抗力，即反作用在工具上的力反映了金属塑性变形所需作用力的大小。塑性高，则金属在变形中不易开裂；变形抗力小，则金属变形的能耗小。一种金属材料若既有较高的塑性，又有较小的变形抗力，则可变形性好。
金属的可变形性取决于以下因素：
1. 化学成分
一般来说，纯金属的可变形性优于合金，合金元素含量越多，合金成分越复杂，塑性越差，变形抗力越大。例如，纯铁、低碳钢和高合金钢的可变形性依次下降。
2. 金属组织
金属的组织结构不同，可变形性有很大差别。例如，固溶体（如奥氏体）的可变形性好，因其塑性好且变形抗力小；而化合物（如渗碳体）的可变形性差，因其塑性差且变形抗力大。具有铸态柱状组织和粗晶粒组织的金属不如具有晶粒细小而又均匀的组织的金属的可变形性好，因为组织越均匀，塑性越好。
3. 变形温度
一般来说，变形温度高，金属的塑性好，变形抗力小。但温度过高，出现“过热”、“过烧”现象则不允许。
4. 变形速度
一般来说，变形速度大会导致金属的塑性降低，变形抗力增大。但变形速度很大，超过临界值时，由于热效应会导致金属温度升高，使金属塑性升高，变形抗力减小。
5. 应力状态
材料在塑性变形过程中，受到三个方向的力的作用，其中，压应力的数量越多，材料的塑性越好，变形抗力越大；反之，拉应力的数量越多，材料的塑性越差，变形抗力越小。
