1 金屬塑性加工的概況
金屬塑性加工，又稱金屬壓力加工，它是利用固態(tài)金屬的塑性借助于工具對不同金屬坯料施加外力，迫使其發(fā)生變形，以獲得預期的形狀和性能的加工材的過程。塑性加工生產(chǎn)出各種鋼材和有色金屬材，它為國民經(jīng)濟的建設起到促進和保證作用。事實上，金屬材料中90%以上是經(jīng)塑性加工制成各種板、帶、箔、型、管、棒、線等制品的。
金屬塑性加工技術在冶金史上出現(xiàn)很早，但長期處于手工階段。歐洲產(chǎn)業(yè)革命后，金屬塑性加工才轉向大工業(yè)生產(chǎn)。因此，現(xiàn)代冶金加工業(yè)的發(fā)展已有240余年的歷史了，其中20世紀是發(fā)展最快的。到了今天，我國冶金加工業(yè)成為名副其實的國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。飛速發(fā)展的冶金業(yè)規(guī)模宏大，單說鋼材，2008年世界總產(chǎn)量已達13.29億t,而中國總產(chǎn)量已達5.4億t,占世界總量的約40%,同時塑性加工技術達到十分成熟的階段。
金屬塑性加工按金屬加工時溫度區(qū)分可分為熱加工、冷加工、半液態(tài)加工和溫加工；按金屬變形時變形方式、變形工具和受力方式區(qū)分，基本的類別有鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓、冷彎、旋壓和高能率等；由基本的類別相組合的類別還有鍛軋（鍛造－軋制）、推軋（軋制－擠壓）、拔軋（拉拔一軋制）、輥彎（軋制－彎曲）、異步軋制（軋制－剪切）、管材冷軋冷拔（常溫下軋制一拉拔）等，見表1-4.其中，高能率加工指爆炸成形和電磁沖壓成形。
金屬塑性加工已成為國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。我國已成為加工制造業(yè)大國，國家對其發(fā)展給予了極大的重視。它的主要發(fā)展趨勢有：
（1)充分發(fā)揮資源效用，提高資源利用率。加強研發(fā)，不僅應生產(chǎn)出人們需要的各種材料和制品，還應生產(chǎn)出各種新材料，發(fā)展金屬與金屬、金屬與高分子的復合材料，以及鍍層涂
層材料。
（2)節(jié)約能源，降低能耗，特別要降低熱加工中的能耗。要實現(xiàn)冶煉、連鑄與加工工序一體化，盡量采用薄板坯連鑄、連鑄連軋、坯料熱送熱裝等技術；要研究工序間的優(yōu)化匹配，減少中間退火環(huán)節(jié)。
（3)適應大批量生產(chǎn)和優(yōu)化加工條件。要實現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化、專業(yè)化，采用計算機系統(tǒng)控制生產(chǎn)；要研發(fā)新的高性能、高效率的加工設備。
（4)促進相關技術共同發(fā)展。研究摩擦潤滑和材料表面處理技術。
2金屬塑性加工的理論基礎
金屬塑性加工在長期自身發(fā)展中形成一個獨立的基礎理論體系，成為自然科學中的一個學科。同時，它又不斷吸收其他學科涉及金屬塑性變形行為和機理的研究成果，深化、發(fā)展和豐富了金屬塑性加工理論基礎。該理論包括塑性加工金屬學、塑性加工力學和塑性加工摩擦學3個方面。三者互為依存，共同解釋塑性加工變形中的各種現(xiàn)象，又各有研究側重方面。
2.1 塑性加工金屬學
塑性加工金屬學是研究金屬晶體結構的運動機制。它是通過

控制和改善熱力學和力學條件，以求最有成效地進行塑性成形的基礎理論。它是總結了多年來塑性成形工業(yè)成果和實踐經(jīng)驗而發(fā)展起來的。它主要的研究任務是探索金屬及其合金產(chǎn)生形變適宜的熱力學和力學條件，尋求提高變形性能、降低變形抗力、避免產(chǎn)生缺陷、變形后達到最佳的結晶組織狀態(tài)和性能的工藝條件，以獲取最優(yōu)的內外質量的產(chǎn)品并達到節(jié)能的目標。它主要研究內容包括：
（1)金屬塑性變形機理。金屬塑性加工是使受外力作用的金屬產(chǎn)生穩(wěn)定連續(xù)的永久變形而賦予材料所期望的外形與組織。熟悉產(chǎn)生變形的機理及其在塑性變形中所起的作用、變化規(guī)律及導致的后果，這是極其重要的。在繼承材料學科中有關晶體結構知識的基礎上，了解有關滑移和位錯理論，為深入理解塑性變形作基礎工作。
（2)金屬屈服與變形抗力。金屬要在一定大小的外力下才能由彈性變形轉變到塑性變形，這時的狀態(tài)稱為屈服。金屬產(chǎn)生屈服時的應力值表征金屬已能開始流變的應力，因此要研究金屬多晶體的屈服行為。多晶體是由許多取向各異的單個晶體組成的，因此，首先要研究單晶體的一些屈服表現(xiàn)，弄清其本源，才能正確掌握金屬多晶體的塑性變形情況。屈服只表示金屬已開始塑性變形，而塑性加工的目的是期望金屬能發(fā)生預定大小的變形以改變原來坯料的形狀尺寸、改善力學性能，從而獲得合格制品。施加的外力隨著變形的加大而增加，要造就金屬的屈服并能維持穩(wěn)定的連續(xù)變形，就必須研究金屬在各種情況下反抗這些意圖的能力－金屬的變形抗力。
（3)金屬塑性變形的熱力學條件。金屬必須在一定的力學條件與熱力學條件下受外力作用才能發(fā)生所希望的變形。熱力學條件包括變形時的溫度、程度和速率，它們制約著塑性變形的成敗。因此，選擇及確定變形溫度范圍、變形量大小及變形速度，對改變金屬內部組織的實質是最基本的知識。
（4)金屬塑性變形與組織性能變化。金屬塑性加工的目的是創(chuàng)造最佳條件，以促進工件在承受變形的過程中發(fā)生預期的形狀改變和組織改變，并獲得所要求的良好性能。近來，在開發(fā)新材料的過程中，用常規(guī)加工方法生產(chǎn)出來的材料，又因組織或性能不夠理想而難以符合要求，究其原因是形成了變形織構和再結晶織構等。為有效地控制織構的形成與存在方式，減少不良影響，對退火再結晶過程、結構及其他一些特殊組織的形成機制、調控技術等進
行研究，就能在了解其規(guī)律的基礎上制備含有特殊性能要求的材料。
（5)金屬的塑性與斷裂。金屬能穩(wěn)定地發(fā)生塑性變形而不產(chǎn)生斷裂，這是金屬具有塑性的表征。研究金屬在一定條件下承受塑性變形而不產(chǎn)生斷裂的能力，促進金屬達到最佳狀態(tài)的條件及提高其塑性的途徑。
（6)不均勻變形和殘余應力。任何塑性變形加工過程均處于一種不均勻的狀態(tài)中，所以變形的發(fā)生、發(fā)展以及所產(chǎn)生的應力、應變及性能等均處于不均勻狀態(tài)。因此，必須研究不均勻變形發(fā)生和擴展的原因、不良后果及防止措施，以求在生產(chǎn)過程中盡可能達到均勻變形的條件。
2.2 塑性加工力學
塑性加工力學是研究金屬等材料在塑性變形過程中的變形力學規(guī)律的基礎理論學科。它的任務是結合金屬等材料流變特性，分析塑性成形中的應力應變狀態(tài)、建立變形力學方程、確定塑性加工變形時的力學性能參數(shù)和變形參數(shù)，以及應力和應變在變形體內分布，從而為正確選擇塑性加工變形方式、制定合理的工藝規(guī)程、選擇合適的加工設備、優(yōu)化設計軋輥孔型或其他工模具、確定加工變形界限等提供科學依據(jù)。

塑性加工力學的內容包括：在塑性力學基礎理論方面包括應力理論、應變理論，以及金屬材料的屈服條件和本構方程；在塑性加工力學的計算和解析方法上包括變形力學問題的工程解法、滑移線解法、上界法和下界法以及有限元解法等。
隨著電子計算機技術的發(fā)展，各種數(shù)值計算法在塑性力學上的應用越來越廣泛。塑性加工力學和材料科學兩者間的研究工作是相互滲透、彼此影響和互相促進的。這就是說，塑性加工變形的宏觀力學與變形材料的微觀力學相互結合才能促進塑性加工變形力學理論向縱
深發(fā)展，共同組成完整的理論體系。塑性加工力學目前尚存在一些問題，務實而有效的辦法是弄清各類材料進行不同塑性加工成形過程的機制，采用有根據(jù)而又可靠的簡化處理方法，以求得精確而實用的解。
2.3 塑性加工摩擦學
塑性加工摩擦學是研究金屬塑性加工過程中變形金屬與工具接觸表面間的力學、物理化學規(guī)律的基礎理論學科。在塑性變形過程中，摩擦對變形金屬中的應力應變分布和變形力學性能參數(shù)有重要作用，而且直接影響工件的表面質量和工具的磨損及工具的壽命。塑性加工摩擦學的基本任務是按照摩擦學的原理，結合塑性加工時的摩擦特點，研究塑性變形中的摩擦、磨損和潤滑問題，控制摩擦不利的方面，利用其有利方面，使加工過程節(jié)能，降低工具消耗，不斷提高產(chǎn)品質量和效率。如在塑性加工過程中，在軋制時的初軋機上，常在軋輥表面上刻痕以增大摩擦、增大咬入角以便于坯錠的咬入；而在冷軋薄板時，為了降低軋制壓力，提高表面質量和控制板形，需要將軋輥磨光甚至拋光，并加上良好的潤滑以降低摩擦。因摩擦學是涉及多學科的綜合性學科，過去因對它的認識不足而研究不足，現(xiàn)在看到了它對工程的重要性、普遍性和復雜性，所以需要對其進行更深入的研究。
金屬塑性加工中的摩擦十分復雜，它與普通的機械摩擦相比有許多特點。如金屬塑性加工中，作用于摩擦面上的壓強遠大于機械摩擦，加上金屬的延伸變形使金屬表面露出潔凈的新金屬面，易促成變形金屬與工具面的局部黏結，使摩擦力增大，因而磨損也加大。此時的摩擦系數(shù)遠大于機械摩擦的摩擦系數(shù)。另外，在接觸表面的垂直方向，金屬的流動受到工具表面的制約，但在切線方向金屬的流動則決定于變形金屬內部的應力應變狀態(tài)。這就使接觸表面上金屬與工具之間相對運動呈現(xiàn)多種不同的狀況：當垂直壓強較小時，主要是兩者的相互滑動，雖然也可能伴有隨產(chǎn)生隨除去的局部黏結現(xiàn)象；當壓強增大至某一值，使摩擦力達到金屬的剪切強度后，即呈現(xiàn)恒定摩擦力狀態(tài)，或換為制動狀態(tài)；當金屬與工具表面間不動時，呈現(xiàn)出靜摩擦狀態(tài)，或稱黏著，有時只發(fā)生少量的局部黏著。
按潤滑狀況不同，摩擦又可分為干摩擦、邊界摩擦和液體摩擦3種類型。事實上，許多摩擦往往是這3種類型不同組合的混合形式。
一般多把接觸面上剪切力與法向壓強的比值稱為摩擦系數(shù)，或稱為摩擦力因子。但它已無法描述塑性變形中摩擦的本質及變化規(guī)律。因而在不同狀態(tài)下測得的摩擦系數(shù)常常相差很大。
摩擦機制的進一步闡明、準確的摩擦系數(shù)的測定、潤滑劑的研制和選用，這些都是金屬塑性加工摩擦學的重要研究方向。
2.4塑性變形基本規(guī)律
在塑性加工時，塑性變形的基本規(guī)律有：
（1)體積不變定律。眾所周知，物質不滅和質量守恒是自然界普遍存在的規(guī)律。當然在塑性變形時也必須遵守該自然法則。
物體的質量等于體積和密度的乘積。在塑性加工過程中，不論是熱加工或冷加工，其密度變化很小，可以認為，加工前后金屬的體積不變。
（2)最小阻力定律。從金屬的微觀粒子理論可知，金屬是由無數(shù)晶體構成的，而晶體是由排列有序的原子組成的。金屬塑性加工時，金屬的變形是通過內部微小質點的流動實現(xiàn)的。當變形體的質點有可能沿不同方向移動時，則每一質點沿阻力最小的方向移動。這與導體內電子流動是相似的。
（3)不均勻的變形。金屬的塑性變形在理想狀態(tài)下認為是均勻的。但是實際情況時，常常并非理想狀態(tài)，因受到許多因素的影響，金屬在變形區(qū)內的實際應力狀態(tài)及變形常常是不均勻的。此時會出現(xiàn)金屬坯外形歪扭，內部組織不均勻，而且還使變形體內應
力分布不均勻。不均勻的變形給產(chǎn)品的性能、質量和工藝過程造成不良影響。因此必須深人研究不均勻變形產(chǎn)生的原因、后果及其防止措施。

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