金屬塑性

金屬塑性變形理論應(yīng)用于兩個(gè)領(lǐng)域:①解決金屬的強(qiáng)度問題，包括基礎(chǔ)性的研究和使用設(shè)計(jì)等;②探討塑性加工，解決施加的力和變形條件間的關(guān)系，以及塑性變形后材料的性質(zhì)變化等(見形變和斷裂)。

通過塑性變形（范性形變）使固體金屬成為所需形狀的加工過程。又稱金屬壓力加工,此名源于俄語обра-ботка металлов давлением。中國古代的金屬塑性加工技術(shù)發(fā)展較早（見冶金史）。中國近代的金屬軋制生產(chǎn)，始于1871年福州船政局所屬的拉鐵(軋鋼)廠。以后,較大規(guī)模的有始建于1890年的漢陽鐵廠的軋機(jī),還有上海、天津的中小型軋機(jī),山西太原的軋鋼廠,以及1931年以后遼寧鞍山和本溪的軋鋼廠。從1949～1980年，中國的金屬塑性加工生產(chǎn)得到了較大的發(fā)展，能生產(chǎn)各種型材、線材，各種中厚鋼板、薄板和箔材，各種鋼管和有色金屬管，鋼絲繩、銅、鋁電線以及各種有色金屬制品。目前已形成品種較全、體系初具的金屬塑性加工業(yè)。

金屬塑性加工在現(xiàn)代冶金工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，同金屬切削加工相比，塑性加工有以下優(yōu)點(diǎn)：①從成型原則上說,無切屑,金屬損耗較少；②在取得所需形狀的同時(shí),改善材料的組織和性能,成品能夠直接使用或者便于加工；③適于專業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)。主要缺點(diǎn)是：①某些脆性材料和形狀復(fù)雜的制品不適于用塑性加工；②專業(yè)化生產(chǎn)時(shí)需要專用的設(shè)備和工具。

金屬塑性加工的類別 可以按照加工施力類型和制品性質(zhì)（加工硬化程度）等特征進(jìn)行分類。

加工施力類型 大致分為以下五類(圖1)：①直接受壓,壓力施加于工件，如鍛壓、擠壓和軋制；②間接受壓,施加的力常為張力,但通過工具和工件的反作用而產(chǎn)生的間接壓力可達(dá)相當(dāng)高的數(shù)值。如拔絲、拔管和金屬板深拉；③張力，在張力作用下，金屬板被反卷成下面模子的形狀，如拉延；④彎曲，施加的是彎矩，如金屬冷彎成型；⑤剪切，施加剪切使金屬成型，如沖裁、剪切。

加工硬化程度 按照塑性加工時(shí)是否完全消除加工硬化，分為熱加工和冷加工(見塑性變形的力學(xué)原理)。對大多數(shù)金屬和合金來說，熱加工是塑性加工的第一步。熱加工能量消耗低，允許變形程度高，有助于消除鑄錠的鑄態(tài)組織中的粗晶、空洞和疏松，并能減輕偏析；經(jīng)過熱加工的制品的延性和韌性優(yōu)于鑄件。在實(shí)際生產(chǎn)中，對特定的金屬或合金品種和生產(chǎn)條件，往往有一個(gè)完全消除鑄態(tài)組織或保證獲得某種性能所必需的加工量。這個(gè)加工量對鍛壓稱為開坯鍛壓比，對軋制稱為開坯壓縮比。

熱加工也產(chǎn)生不少問題。金屬在高溫下氧化吸氣,不僅損耗金屬，而且會惡化制品性質(zhì)。例如：鈦因高溫氧化而變脆，往往要求特殊的防護(hù)；某些鋼材由于表面氧化脫碳，加工后要把表層完全去掉；由于氧化物的壓入，熱加工后難于得到良好的表面；此外，還由于溫度控制有偏差，熱加工制品的尺寸精度和組織均勻度都較低。

熱加工的溫度范圍首先取決于材料化學(xué)成分，其次取決于生產(chǎn)條件和控制溫度的水平。熱加工溫度的上限受到金屬熔化、迅速氧化、易熔相的熔化以及金屬熱脆的限制；下限受到和金屬加工應(yīng)能同時(shí)完成再結(jié)晶的限制（見塑性加工與金屬組織）。有時(shí)為了得到良好的晶粒組織,進(jìn)行控制軋制。圖2給出碳鋼的加工溫度和含碳量的關(guān)系，參見鐵碳平衡圖可更好地理解圖2。

冷加工常同各種形式的退火結(jié)合,構(gòu)成加工硬化-退火軟化的交替循環(huán)操作。由于退火氣氛可以控制，這就減少了氧化和由溫度變化引起最終制品的尺寸變化，從而獲得良好的金屬表面和尺寸精度。因此這種工藝常用于成品加工（見回復(fù)和再結(jié)晶）。

塑性加工方式的選擇 金屬塑性加工的實(shí)際應(yīng)用，要考慮三方面的因素的影響：

材料的塑性加工性 即材料在某種加工過程中所能容許的變形程度；它不僅取決于材料本身的性質(zhì)和具體的變形條件(如溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)力狀態(tài)條件等)，而且也同材料被破壞的方式有關(guān)，因?yàn)椴牧蠑嗔巡⒎鞘遣荒芾^續(xù)加工的唯一原因。例如在拔制和深沖時(shí)，如果材料的加工硬化性不足，可能引起塑性失穩(wěn)產(chǎn)生頸縮而失效（圖3）。正因如此,通常認(rèn)為室溫下塑性極好的鉛和錫，由于沒有加工硬化，所以拔制或沖壓加工性很差。同樣，也可能由于其他方式的塑性失穩(wěn)，使加工過程失敗,這種情況可發(fā)生于墩粗、深沖和拉伸，見圖4。

塑性加工大多是因?yàn)楣ぜa(chǎn)生裂紋或斷裂而無法繼續(xù)進(jìn)行。裂紋按形成部位分為：①在自由表面上的裂紋，如墩粗時(shí)形成桶形裂紋,軋制時(shí)產(chǎn)生側(cè)邊裂紋（圖5）；②在磨擦力特強(qiáng)部位的裂紋，如擠壓時(shí)靠近模子處的龜裂（圖6）；③內(nèi)裂,如拔棒時(shí)生成的中間裂口（圖3）。

材料的塑性加工性可用多種方法測定。這些方法既是研究的手段，又是加工后檢驗(yàn)產(chǎn)品的手段。測定的試驗(yàn)方法可分為兩類：①同普通材料試驗(yàn)相似，測定材料在拉、壓、彎、扭等情況下的表現(xiàn)，主要用于探討變形條件（溫度、應(yīng)變速率等）對塑性的影響；②模擬實(shí)際加工條件的試驗(yàn)，如對板的沖壓成型性用液壓脹形試驗(yàn)、杯突試驗(yàn)、頂鍛、楔形軋制以及旋鍛試驗(yàn)等。

設(shè)備和工具 塑性加工需要有足夠的強(qiáng)度和剛性的工具向工件施力。一般說來，設(shè)備和工具的彈性變形應(yīng)有一定的限度，超出限度就得不到合格的產(chǎn)品（見軋機(jī)彈性變形）。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較 同一制品有多種加工方法，各種方法在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上互相競爭，如初軋和連鑄、無縫管和焊管、熱軋型材和冷彎型材等。選擇加工工藝和設(shè)備時(shí)要根據(jù)產(chǎn)品的品種、質(zhì)量、批量和總產(chǎn)量，以及原料、勞動力等條件,并充分考慮到現(xiàn)有條件,進(jìn)行多方面的比較。

塑性加工方法 鍛壓 把工件放在成對工具之間,由沖擊或靜壓使工件高度縮短而得到預(yù)期的形狀。鍛壓加工的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，能生產(chǎn)形狀復(fù)雜的各種材質(zhì)的多種制品,又能鍛壓特大工件。對于改善合金鋼組織,特別是消除網(wǎng)狀碳化物來說，鍛壓的效果通常優(yōu)于軋制。鍛壓的缺點(diǎn)是能耗大，生產(chǎn)效率低，成本高。

擠壓 把坯料放在擠壓筒內(nèi)，使之從一定形狀和尺寸的孔中擠出，獲得制品。擠壓加工的優(yōu)點(diǎn)是能夠加工低塑性材料，還可擠壓出形狀復(fù)雜、尺寸比較精確的工件。擠壓的主要缺點(diǎn)是成材率低，勞動生產(chǎn)率低，單產(chǎn)投資和成本均高。

軋制 被加工金屬通過轉(zhuǎn)動的軋輥而變形的過程。軋制的優(yōu)點(diǎn)是勞動生產(chǎn)率、成材率、機(jī)械化和自動化程度都高，能耗低，適于大規(guī)模生產(chǎn)，是冶金工業(yè)使用最廣的塑性加工方法。缺點(diǎn)是生產(chǎn)品種和批量受到限制。

拔制 被加工金屬由拉力通過傾角約為5°～20°的錐形拉模而變形的過程。拔制的產(chǎn)品可以為棒、絲或管，其斷面通常為圓形，但也有種種異形制品。拔制大多數(shù)為冷拔,都屬于二次加工,只能用于特定的產(chǎn)品，而且往往這種方法是唯一可行的方法。拔制工藝的優(yōu)點(diǎn)是平均單位壓力低，制品尺寸精度高；但不適用于低塑性材料。

板金加工 金屬板材經(jīng)過加工,厚度無多大變化,而斷面形成各種所需形狀的過程。板金加工屬于二次加工，常為冷加工（見冷彎型材，板材沖壓）。

組合加工 對于特定的制品，常把各種塑性加工過程以及焊接、切削等組合在一起，進(jìn)行加工。冶金產(chǎn)品中比較典型的例子是螺旋焊接鋼管(見焊接管生產(chǎn))和金屬連續(xù)鑄軋等。（見彩圖）

參考書目

G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 2nd ed.,McGraw-Hill,New York,1976.