先進成形與智能技術戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造金屬塑性加工金屬塑性加工指固態金屬在外力作用下產生塑性變形，獲得具有一定形狀、尺寸和力學性能的毛坯或零件的生產方法。6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造金屬塑性加工基本方法外力為靜壓力；軋制、擠壓和拉拔主要用于生產型材、板材、線材、帶材等軋制：使金屬坯料在旋轉軋輥的壓力作用下，產生連續塑性變形，改變其性能，獲得所要求的截面形狀的加工方法。擠壓：將金屬坯料置于擠壓筒中加壓，使其從擠壓模的模孔中擠出，橫截面積減小，獲得所需制品的加工方法。拉拔：坯料在牽引力作用下通過拉拔模的模孔拉出，產生塑性變形，得到截面細小、長度增加的制品的加工方法，拉拔一般是在冷態下進行。軋制擠壓拉拔6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造自由鍛：用簡單的通用性工具，或在鍛造設備的上、下砧間，使坯料受沖擊力作用而變形，獲得所需形狀鍛件的加工方法。模鍛：利用模具使金屬坯料在模膛內受沖擊力或壓力作用，產生塑性變形而獲得鍛件的加工方法。板料沖壓：用沖模使板料經分離或成形得到制件的加工方法。自由鍛、模鍛和板料沖壓總稱鍛壓，外力為沖擊力，主要用于生產毛坯或零件。金屬塑性加工基本方法6.1塑性變形基礎自由鍛模鍛板料沖壓戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造金屬塑性加工特點(2)節約金屬材料如熱軋鉆頭、齒輪、齒圈及冷軋絲杠時節省了切削加工設備和材料的消耗。(1)改善金屬組織、提高力學性能鍛壓的同時可消除鑄造缺陷，均勻成分，從而提高鍛件的力學性能。(3)較高的生產率如在生產六角螺釘時采用模鍛成形就比切削加工效率約高50倍。(4)鍛壓主要生產承受重載荷零件的毛坯，如機器中主軸、齒輪等。鍛件的結構工藝性要求高，難以鍛造形狀復雜的毛坯和零件。鍛件的尺寸精度低，對于高精度要求的零件，還需經過切削加工來滿足要求。6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造外力金屬產生內應力內應力迫使原子離開平衡位置，導致原子內能升高。而處于高位能的原子，時刻有回到平衡位置的傾向。彈性變形外力停止作用，原子回到其原始位置，變形消失。塑性變形當外力超過該金屬的屈服強度，外力消失，而變形并不消失。室溫下，單晶體的塑性變形主要是通過滑移和孿生進行的。實驗表明晶體只有在切應力的作用下才會發生塑性變形。6.1塑性變形基礎金屬材料通常情況下都是由無數小晶粒構成的多晶體戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1、滑移實驗表明對滑移真正有貢獻的是在滑移面上沿滑移方向上的分切應力，只有當這個分切應力達到某一臨界值后，滑移過程才能開始進行，這時的分切應力就稱為臨界分切應力。

晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發生滑動叫滑移。發生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。單晶體金屬塑性變形6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造一個滑移面和其上的一個滑移方向構成一個滑移系。滑移系示意圖單晶體金屬塑性變形易變形難變形面心立方晶格體心立方晶格密排六方晶格三種典型金屬晶格的滑移系6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造滑移面整體剛性滑移單晶體在切應力作用下的滑移變形示意圖ττ單晶體金屬塑性變形（a）未變形（b）彈性變形（c）彈塑性變形（d）塑性變形6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造單晶體金屬塑性變形（a）未變形（b）（c）位錯運動（d）塑性變形位錯運動引起塑性變形示意圖位錯中心附近極少量原子微量移動刃型位錯6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造2、孿生單晶體金屬塑性變形孿晶組織孿生使晶體位向發生改變，原處于不利取向的滑移系轉變為新的有利取向，進一步滑移。孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發生的切變。發生切變的部分稱孿生帶或孿晶，沿其發生孿生的晶面稱孿生面。孿生的結果使孿生面兩側的晶體呈鏡面對稱。6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造

多晶體的塑性變形是單個晶粒內滑移與孿生和晶粒間滑移與轉動的綜合作用的結果。多晶體多晶體晶粒逐批滑移示意圖金屬晶粒越細小，晶界越多，強度和塑性越好。多晶體金屬塑性變形晶界晶粒6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造冷加工對金屬組織的影響(1)晶粒拉長，晶界變得模糊不清。(2)晶粒轉動，當變形達到一定程度，會使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，這種現象稱織構。(3)晶粒與晶格的扭曲，出現殘余內應力。(4)位錯密度增加，晶粒破碎為亞晶粒。6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造加工硬化（形變強化、冷作強化）：隨變形量的增加，材料的強度、硬度升高而塑韌性下降的現象。RmHBδψ對力學性能的影響（加工硬化）延展性材料脆性材料應變硬化應變硬化6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造式中：——以熱力學溫度表示的金屬回復溫度，K；

——以熱力學溫度表示的金屬熔化溫度，K。原子僅能作短距離擴散，使空位和間隙原子合并，空位與位錯發生交互作用而消失，使晶格畸變減輕，殘余應力顯著下降隨著加熱的溫度不同，金屬組織大致分為三個階段變化：回復、再結晶與晶粒長大。

(1)回復加工硬化后的金屬，在加熱到一定溫度后，原子獲得熱能，使原子得以恢復正常排列消除了晶格扭曲，加工硬化得到部分消除，其顯微組織無可見變化。這一過程稱為“回復”，這時的溫度稱為回復溫度，即：6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造在晶界處，晶格畸變嚴重而處于高能量狀態，最容易形核的地方。再結晶形成的等軸晶粒的晶格類型與原來變形了的晶粒的晶格類型完全一致，再結晶過程中沒有發生相變。對沒有發生塑性變形的金屬進行加熱，是不會發生再結晶現象的。

(2)再結晶當加熱溫度繼續升高時，原子的擴散能力增大，金屬內通過形核和長大過程，使晶粒的外形開始發生變化，從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒，從而消除了殘余應力和加工硬化現象，金屬的組織和性能盡可能復原到加工前的狀態。這個過程稱為再結晶，這時的溫度稱為最低再結晶溫度，即：式中：——以熱力學溫度表示的金屬回復溫度，K；6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造

(2)晶粒長大塑性變形的金屬經再結晶后，一般都得到細小均勻的等軸晶粒，但如繼續升高溫度或延長保溫時間，則再結晶后形成的新晶粒又會逐漸長大。晶粒長大是一個自發過程，可使晶界減少，實質上是一個晶粒的邊界向另一個晶粒中遷移，把另一個晶粒中晶格的位向逐步改變成為與這個晶粒相同的位向。于是，另一個晶粒便逐步被這個晶粒“吞并”而合成一個大晶粒。

（a）（b）（c）晶粒長大示意圖6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造當金屬在高溫下受力變形時，加工硬化和再結晶過程同時存在。由于變形中的加工硬化隨時都被再結晶過程所消除，所以變形后沒有加工硬化現象。加工硬化的金屬在在加熱時組織和性能變化示意圖6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造熱加工：熱鍛、熱軋、熱擠壓、熱拔冷加工：冷鐓、冷軋、冷擠壓、冷沖、切削熱加工：在再結晶溫度以上的塑性變形加工。加工硬化、回復、再結晶。冷加工：在再結晶溫度以下的塑性變形加工。發生加工硬化。金屬塑性變形加工方法熱加工和冷加工不是根據變形時是否加熱來區分，而是根據變形溫度處于金屬的再結晶溫度以上還是以下來劃分的。熱加工冷加工6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1、晶粒細化、提高致密度2、帶狀組織：雜質呈細帶狀或鏈狀分布3、纖維組織纖維組織當鑄錠在產生塑性變形時，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布雜質形狀都發生了變形，它們將沿著變形方向被拉長，呈纖維形狀。被拉長的呈纖維狀的晶粒組織稱為纖維組織。熱加工影響6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造縱向（平行于纖維方向）：塑、韌性增加；橫向（垂直于纖維方向）：韌、塑性降低，

但抗剪切能力顯著增強。纖維組織合理分布原則：

零件最大拉應力方向應與纖維方向平行；

零件最大剪切應力方向應與纖維方向垂直；

零件外形輪廓應與纖維的分布相符合而不被切斷。各向異性：變形后6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造螺釘的纖維組織比較（a）用棒料直接切削成螺釘；（b）用局部鐓粗方法制成的螺釘毛坯。曲軸的纖維組織比較（a）切削加工制成的曲軸；（b）用鍛造方法制成的曲軸毛坯。6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造在實際生產中，熱加工與冷加工相比也有不足之處①熱加工需要加熱，不如冷加工簡單易行。②熱加工制品的組織與性能不如冷加工均勻和易于控制。③熱加工制品不如冷加工制品尺寸精確，表面粗糙度值大。④對于薄或細的加工制品，由于降溫快，尺寸精度差，不宜采用熱加工。6.1塑性變形基礎戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造(1)噴丸強化

由于金屬材料塑性變形后強度提高，同時產生殘余應力，因此在齒輪、彈簧等零件生產過程中采用噴丸處理，即用高速氣流把細小的鐵砂或陶瓷細粒噴射到零件表面，零件表面強度、硬度提高，同時產生較大的殘余壓應力，可提高疲勞強度。

(2)滾壓或輾壓滾壓或輾壓形變加工一般是零件完成基本加工工序后，借助于適當的工具，通過在工件表面施加一定的壓力，使加工后的工件表面產生不同程度的壓應力，用來提高工件強度的工藝方法。工程上常