冷塑性变形的内应力按作用范围分为哪3个

工程材料

2025-02-26 19:56:26

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回答1：

属塑性成形：在外力作用下金属材料通过塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。

金属塑性成形在工业生产中称为压力加工，分为：自由锻、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧制等。

常用的压力加工方法

（a）自由锻 b）模锻 c）板料冲压 d）挤压（e）扎制(f）拉拔

压力加工的特点：

（1）改善金属的组织、提高力学性能金属材料经压力加工后，其组织、性能都得到改善和提高，塑性加工能消除金属铸锭内部的气孔、缩孔和树枝状晶等缺陷，并由于金属的塑性变形和再结晶，可使粗大晶粒细化，得到致密的金属组织，从而提高金属的力学性能。在零件设计时，若正确选用零件的受力方向与纤维组织方向，可以提高零件的抗冲击性能。

（2）材料的利用率高金属塑性成形主要是靠金属的体积重新分配，而不需要切除金属，因而材料利用率高。

（3）较高的生产率塑性成形加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的，生产效率高。例如，利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍以上。

（4）毛坯或零件的精度较高应用先进的技术和设备，可实现少切削或无切削加工。例如，精密锻造的伞齿轮齿形部分可不经切削加工直接使用，复杂曲面形状的叶片精密锻造后只需磨削便可达到所需精度。

材料：钢和非铁金属可以在冷态或热态下压力加工。

用途：承受冲击或交变应力的重要零件（如机床主轴、齿轮、曲轴、连杆等），都应采用锻件毛坯加工。所以压力加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到广泛应用。例如，飞机上的塑性成形零件的质量分数占85%；汽车，拖拉机上的锻件质量分数约占60%~80%。

缺点：不能加工脆性材料（如铸铁）和形状特别复杂（特别是内腔形状复杂）或体积特别大的零件或毛坯。

第一节金属塑性变形基础

一、金属塑性变形概念

塑性成形性能：用来衡量压力加工工艺性好坏的主要工艺性能指标，称为金属的塑性成形性能。金属的塑性成形性好，表明该金属适用于压力加工。衡量金属的塑性成形性，常从金属材料的塑性和变形抗力两个方面来考虑，材料的塑性越好，变形抗力越小，则材料的塑性成形性越好，越适合压力加工。在实际生产中，往往优先考虑材料的塑性。

金属塑性变形时遵循的基本规律主要有最小阻力定律、加工硬化和体积不变规律等。

(一)最小阻力定律

最小阻力定律：在塑性变形过程中，如果金属质点有向几个方向移动的可能时，则金属各质点将向阻力最小的方向移动。最小阻力定律符合力学的一般原则，它是塑性成形加工中最基本的规律之一。

通过调整某个方向的流动阻力来改变某些方向上金属的流动量，以便合理成形，消除缺陷。例如，在模锻中增大金属流向分型面的阻力，或减小流向型腔某一部分的阻力，可以保证锻件充满型腔。在模锻制坯时，可以采用闭式滚挤和闭式拔长模膛来提高滚挤和拔长的效率。

利用最小阻力定律可以推断，任何形状的物体只要有足够的塑性，都可以在平锤头下镦粗使坯料逐渐接近于圆形。这是因为在镦粗时，金属流动距离越短，摩擦阻力也越小。图2-2所示方形坯料镦粗时，沿四边垂直方向摩擦阻力最小，而沿对角线方向阻力最大，金属在流动时主要沿垂直于四边方向流动，很少向对角线方向流动，随着变形程度的增加，断面将趋于圆形。由于相同面积的任何形状总是圆形周边最短，因而最小阻力定律在镦粗中也称为最小周边法则。
（二）加工硬化及卸载弹性恢复规律

弹性恢复规律：金属在常温下随着变形量的增加，变形抗力增大，塑性和韧度下降的现象称为加工硬化。表示变形抗力随变形程度增大的曲线称为硬化曲线，如图2-3所示。由图可知，在弹性变形范围内卸载，没有残留的永久变形，应力、应变按照同一直线回到原点，如图2-3所示OA段。当变形超过屈服点A进入塑形变形范围，达到B点时的应力与应变分别为σB、εB，再减小载荷，应力-应变的关系将按另一直线BC回到C点，不再重复加载曲线经过的路线。加载时的总变形量εB可以分为两部分，一部分εt因弹性恢复而消失，另一部分εs保留下来成为塑性变形。

如果卸载后再重新加载，应力应变关系将沿直线CB逐渐上升，到达B点，应力σB使材料又开始屈服，随后应力-应变关系仍按原加载曲线变化，所以σB又是材料在变形程度为εB时的屈服点。硬化曲线可以用函数式表达为：

σ=Aεn

式中 A ——与材料有关的系数，单位为MPa；

n ——硬化指数。

硬化指数n：硬化指数大，表明变形时硬化显著，对后续变形不利。例如，20钢和奥氏体不锈钢的塑性都很好，但是奥氏体不锈钢的硬化指数较高，变形后再变形的抗力比20钢大得多，所以其塑性成形性也较20钢差。

（三）塑性变形时的体积不变规律

体积不变规律：金属材料在塑性变形前、后体积保持不变。根据体积不变规律，金属塑性变形时主应变状态只有三种

结论：

（1）塑性变形时，只有形状和尺寸的改变，而无体积的变化；

（2）不论应变状态如何，其中必有一个主应变的符号与其它两个主应变的符号相反，且这个主应变的绝对值最大。

（3）当已知两个主应变的数值时，第三个主应变大小也可求出。

二、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。

三、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。

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。

选择塑性成形加工方法时，应考虑应力状态对金属塑性变形的影响。

（四）其它

模具和工具：模锻的模膛内应有圆角，这样可以减小金属成形时的流动阻力，避免锻件被撕裂或纤维组织被拉断而出现裂纹。板料拉深和弯曲时，成形模具应有相应的圆角，才能保证顺利成形。

润滑剂：可以减小金属流动时的摩擦阻力，有利于塑性成形加工。

综上所述，金属的塑性成形性能既取决于金属的本质，又取决于变形条件。在塑性成形加工过程中，要根据具体情况，尽量创造有利的变形条件，充分发挥金属的塑性，降低其变形抗力，以达到塑性成形加工的目的。

四、金属塑性变形对组织和性能的影响

（一）变形程度的影响

塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。变形程度过小，不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的；变形程度过大，不仅不会使力学性能再增高，还会出现纤维组织，增加金属的各向异性，当超过金属允许的变形极限时，将会出现开裂等缺陷。

对不同的塑性成形加工工艺，可用不同的参数表示其变形程度。

锻造比Y锻：锻造加工工艺中，用锻造比Y锻来表示变形程度的大小。

拔长：Y锻=S0/S（S0、S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）；

镦粗：Y锻=H0/H（H0、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。

碳素结构钢的锻造比在2~3范围选取，合金结构钢的锻造比在3~4范围选取，高合金工具钢（例如高速钢）组织中有大块碳化物，需要较大锻造比（Y锻=5~12），采用交叉锻，才能使钢中的碳化物分散细化。以钢材为坯料锻造时，因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善，锻造比一般取1.1~1.3即可。

表示变形程度的技术参数：相对弯曲半径（r/t）、拉深系数（m）、翻边系数（k）等。挤压成形时则用挤压断面缩减率（εp）等参数表示变形程度。

（二）纤维组织的利用

纤维组织：在金属铸锭组织中的不溶于金属基体的夹杂物（如FeS等），随金属晶粒的变形方向被拉长或压扁呈纤维状。当金属再结晶时，被压碎的晶粒恢复为等轴细晶粒，而夹杂物无再结晶能力，仍然以纤维状保留下来，形成纤维组织。纤维组织形成后，不能用热处理方法消除，只能通过锻造方法使金属在不同方向变形，才能改变纤维的方向和分布。

纤维组织的存在对金属的力学性能，特别是冲击韧度有一定影响，在设计和制造零件时，应注意以下两点：

（1）零件工作时的正应力方向与纤维方向应一致，切应力方向与纤维方向垂直。

（2）纤维的分布与零件的外形轮廓应相符合，而不被切断。

例如，锻造齿轮毛坯，应对棒料镦粗加工，使其纤维呈放射状，有利于齿轮的受力；曲轴毛坯的锻造，应采用拔长后弯曲工序，使纤维组织沿曲轴轮廓分布，这样曲轴工作时不易断裂
三）冷变形与热变形

通常将塑性变形分为冷变形和热变形。

冷变形：再结晶温度以下的塑性变形。冷变形有加工硬化现象产生，但工件表面质量好。

热变形：再结晶温度以上的塑性变形。热变形时加工硬化与再结晶过程同时存在，而加工硬化又几乎同时被再结晶消除。由于热变形是在高温下进行的，金属在加热过程中表面易产生氧化皮，使精度和表面质量较低。自由锻、热模锻、热轧、热挤压等工艺都属于热变形加工。

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