1,2,第二章 冲压变形的基本概念,第一节 金属塑性变形概述 第二节 影响塑性及变形抗力的主要因素 第三节 超塑性成形简介 第四节 金属塑性变形的力学条件 第五节 冲压成形中的变形趋向性及其 控制 第六节 冷冲压材料及其冲压成形性能,3,第一节 金属塑性变形概述,固体材料受到外力作用，如果发生形状和尺寸的变化，这种现象称为变形，使物体产生变形的外力称为变形力。变形力去除后，能恢复原状的变形称为弹性变形；变形力去除后，不能恢复原状的变形称为塑性变形。金属材料在变形力的作用下，既能产生弹性变形，又能从弹性变形发展到塑性变形，它是一种具有弹、塑性的工程材料。一般说来，金属体在弹性变形时，其内部的原子位置发生变化，表现为原子的间距有微小的改变，从而引起了物体尺寸和形状的变化，变形力去除后，原子回到原来的平衡位置，该金属体就完全恢复了原来的形状和尺寸。当金属体受力较大，使原子偏离其原来的稳定平衡位置，而达到邻近的稳定平衡位置。在变形力去除后，原子就不再回到其原来位置，而是停留在邻近的稳定平衡位置上，因而变形就成为不可恢复的永久变形，这就是金属的塑性变形。,4,第一节 金属塑性变形概述,从金属学的观点来看，所有的固态金属都是晶体，各种固态金属的晶体结构并不完全相同。工业上常用的金属中，除少数具有复杂的晶体结构外，最常见的金属晶体结构有面心立方结构、体心立方结构和密排六方结构三种。 晶体中由原子组成的平面称为晶面，由原子组成的直线称为晶向，每种晶格不同晶面上的原子密度和不同晶向上的原子间距是不同的。,5,研究表明，单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行。最常见的方式为滑移，即晶体一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑移，这一晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。一般说来，滑移面总是原子排列最密的面，滑移方向总是原子排列最密的方向。因为沿着原子分布最密的面和方向，滑移阻力最小。一个滑移面及其面上的一个滑移方向组成一个滑移系。每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采取的空间位向。当其它条件相同时，金属晶体的滑移系愈多，则滑移时可能出现的滑移位向愈多，塑性就愈好。一般说来，面心立方和体心立方金属的滑移系较多，因此比密排六方金属的塑性好。,第一节 金属塑性变形概述,6,第一节 金属塑性变形概述,就理想的晶体结构而言，全部原子都是规则地排列在晶体的格点上。然而实际晶体总是存在着各种缺陷，引起晶格的畸变以及原子排列的不规则，最明显的是多晶体。这些缺陷包括位错、空位、间隙原子和置换原子等。晶界更是缺陷集中的区域。研究表明，有些缺陷对金属塑性变形有很大的影响，如晶体的滑移变形就是在切应力的作用下通过滑移面上的位错运动进行的。一个位错移到晶体表面形成一个原子间距的滑移量。同一个滑移面上许多位错移到晶体表面便形成明显的滑移线。许多滑移线在一起形成滑移带，这种滑移带常可在拉伸变形后的金属试样上观察到。,7,在金属塑性变形过程中，金属的性能和组织都会发生变化。其中最重要的是加工硬化，即随着变形程度的增加，变形阻力增大，强度和硬度升高，而塑性、韧性下降。此外，由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间会存在不同的内应力。变形后作为残余应力，保留在金属内部，使经冷变形后的零件在放置一段时间后，可能自动发生变形甚至开裂。金属塑性变形后的性能变化是其组织发生变化的结果。多晶体变形时各晶粒沿其变形最大的方向伸长，在变形程度很大时，则显著伸长，形成纤维组织；晶内变形会使晶粒破碎，形成许多小晶粒，即亚晶粒；晶间变形则在晶界造成许多破损；另外，在变形程度很大时，多晶体内各个晶粒的位向会因滑移面的转向而逐渐趋向一致，形成变形织构。由于变形织构的形成，使轧制后的板料出现各向异性，即使退火一般也难以消除，用这种材料冲出的工件厚薄不均，沿口不齐，会使拉深成形的杯形件口部形成凸耳。由此可见，金属塑性变形过程中的这些物理变化对冲压成形工艺有相当大的影响。,第一节 金属塑性变形概述,8,第二节 影响塑性及变形抗力的主要因素,一、塑性与变形抗力的概念 二、金属成分与组织对塑性变形的影响 三、变形温度对塑性变形的影响 四、变形速度对塑性变形的影响 五、应力、应变状态及其对塑性变形的影响,9,一、塑性与变形抗力的概念,（一）塑性,所谓塑性，是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不被破坏的能力。塑性可用材料在不破坏条件下能获得的塑性变形的最大值来评定。同一种材料，在不同的变形条件下，其塑性是不一样的。,影响金属塑性的因素包括两方面： ）金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等。 ）变形时的外部条件，如变形温度、变形速度以及变形方式等。,（二）变形抗力,塑性和变形抗力是两个不同的概念。通常说某种材料的塑性好坏是指受力以后临近破坏时的变形程度的大小，而不是指变形抗力的大小。如奥氏体不锈钢允许的变形程度大，称为塑性好，但其变形抗力也大，需要较大的外力才能产生塑性变形。由此可见，变形抗力是从力的角度反映塑性变形的难易程度。,10,二、金属成分与组织对塑性变形的影响,（一）化学成分的影响,.碳钢中碳和杂质元素的影响,.合金元素对钢的塑性变形的影响,（二）组织的影响,金属材料的组织状态和其化学成分有密切关系，但这不是完全由化学成分所决定，它还和制造工艺（如冶炼、浇铸、锻轧、热处理）有关。由于以上原因，金属材料的组织很不相同，除了基体金属的晶体结构存在不同以外，还有晶粒的大小以及单相组织和多相组织的差别等。这些组织上的差异对材料的塑性和变形抗力的影响也不能忽视。 另外，晶粒的细化有利于提高金属的塑性，但也使其变形抗力提高。,11,三、变形温度对塑性变形的影响,变形温度对金属的塑性变形有很大影响。就大多数金属而言，其总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，变形抗力降低。其主要原因如下：,）随着温度的升高，发生了回复与再结晶。回复使变形金属得到一定程度的软化，再结晶则完全消除了加工硬化效应，使金属的塑性显著提高，变形抗力显著降低。 ）温度升高，临界切应力降低，滑移系增加。由于温度升高，原子的热振动加强，原子间的结合力变弱，使临界切应力降低。同时，在高温时还可能出现新的滑移系。多晶体滑移系的增加，大大提高了金属的塑性。 ）新的塑性变形方式热塑性的产生。温度升高时，原子的热振动加剧，晶格中的原子处于一种不稳定的状态。 ）温度升高导致晶界的切变抗力显著降低，晶界易于滑动；又由于扩散作用的加强，及时消除了晶界滑动所引起的微裂纹。这一切使金属在高温下具有良好的塑性和低的变形抗力。,12,四、变形速度对塑性变形的影响,所谓变形速度是指单位时间内应变的变化量，塑性成形设备的加载速度在一定程度上反应了金属的变形速度。变形速度对塑性变形的影响是多方面的。 一方面，在高速变形下，要同时驱使更多的位错更快地运动，使金属晶体的临界切应力升高，变形抗力增加；同时，由于多晶体的塑形变形机理复杂，塑性变形的扩展，需要一定的时间，难以在瞬间完成，这也使金属的变形抗力增加，塑性降低。 另一方面，由于变形速度大，变形体吸收的变形能迅即转化为热能，使变形体温度升高，这种所谓的温度效应一般说来有使金属软化的效果。,13,五、应力、应变状态及其对塑性变形的影响,（一）塑性变形时的应力、应变状态,.点的应力状态,模具对材料施加的外力引起材料产生内力，单位面积上内力的大小称为应力。 坯料内每一点上的受力情况，通常称为点的应力状态。 以主应力表示点的应力状态称为主应力状态。表示主应力个数及其符号的简图，称为主应力状态图，简称主应力图。,14,图- 应力状态的分解,图- 主切应力面及主切应力方向（用阴影线表示）,15,.点的应变状态,16,（二）应力状态对塑性变形的影响,由实践可知，单向压缩允许的变形程度比单向拉伸大得多；三向压应力状态的挤压比二向压缩一向拉伸的拉拔能发挥更大的塑性。德国学者卡尔曼对通常认为是脆性材料的大理石和红砂石进行了试验，试验结果是：大理石在单向压缩时缩短率不到%就会破坏，但在个大气压力（.）的静水压力下压缩时，缩短率可达%左右才破坏。 上述结果表明，强化三向压应力状态，能充分发挥材料的塑性，这实质上是应力状态中的静水压力分量在起作用。应力状态中的压应力个数多、压应力大，也就是静水压力大，则塑性好；反之，压应力个数少、压应力小，甚至存在拉应力，则塑性就差。 为什么静水压力愈大，金属的塑性会愈好呢？这是由于压应力能有效抑制或消除晶体中由于塑性变形引起的晶内滑移面上裂纹的扩展；而拉应力则相反，它促使裂纹发展、扩大。如图-所示，滑移面上的破损点爛，在拉应力作用下将扩大；在压应力作用下将闭合或消除。,17,此外，压应力还有利于增加晶间结合力，抑制晶间变形引起的破坏，三向压应力还能抵消由于不均匀变形所引起的附加拉应力，防止表面裂纹的产生。这些都说明增加静水压力有利于改善材料塑性。,18,第三节 超塑性成形简介,19,第四节 金属塑性变形的力学条件,一、真实应力-应变曲线（硬化曲线） 二、屈服条件 三、塑性变形时的应力、应变关系,20,一、真实应力应变曲线（硬化曲线）,（一）弹塑性变形共存规律,在塑性变形过程中不可避免地会有弹性变形存在。可以用最简单的拉伸试验来说明这种弹塑性变形的共存现象。,拉伸试验曲线图,21,（二）真实应力、真实应变概念,.真实应力,材料开始塑性变形时的应力在材料力学中称为屈服应力。一般金属材料在塑性变形过程中产生硬化，屈服应力不断变化，这种变化着的实际屈服应力就是真实应力，也即前面提及的变形抗力。 在室温下，低速拉伸金属试样，使之均匀变形时，真实应力就是作用于试样瞬时断面积上的应力，表示为,22,.真实应变,23,.真实应力应变曲线（硬化曲线）及其表达式,24,几种金属在室温下的真实应力-应变曲线,25,二、屈服条件,从材料力学的研究范围来看，总的来说是弹性变形的范畴，不希望材料出现塑性变形，因为材料的塑性变形意味着破坏的开始。材料力学中的第三、第四强度理论阐述的就是引起塑性材料流动破坏的力学条件。然而从冲压工艺来看，恰恰是金属材料在模具作用下产生塑性变形的特点才使冲压成形工艺成为可能。金属塑性变形是各种压力加工方法得以实现的基础。因此，金属塑性成形理论所研究的对象已超出弹性变形而进入塑性变形的范畴，屈服条件正是研究材料进入塑性状态的力学条件，因而它从形式上来讲和材料力学中的第三、第四强度理论是一致的。,26,27,三、塑性变形时的应力、应变关系,（一）塑性变形时的体积不变规律,28,（二）塑性变形的全量理论及其应用,在拉伸试验时的弹性变形阶段，无论加载或卸载，应力都与应变成正比。显然，弹性变形时，应力应变关系与加载历史无关。,在变形过程中的任一时刻，变形体的应力状态只与该时刻的受力情况有关，与整个加载过程无关，而此时的塑性应变值却是该时刻以前经历过的变形过程中应变积累的结果，两者并不存在对应关系，二者的主轴方向也不可能一致。为了建立物体受力和变形之间的关系，只有撇开整个变形过程而取某一微小时间间隔t来研究。在t时间内，受力的单元体的每个应变分量都将产生一个应变增量。研究表明，每个应变增量的分量与对应的偏应力分量成正比，这就是增量理论。,29,第五节 冲压成形中的变形趋向性及其控制,在冲压过程中，毛坯的各个部分在同一模具的作用下，有可能以不同的方式变形，即具有不同的变形趋向。如何使毛坯获得预期的变形，从而得到合格的冲件。为了达到这一目的，有必要研究变形趋向性及其控制的问题。 冲压成形时，毛坯内各处的应力应变关系都不相同，在应力状态满足屈服准则的区域内将产生塑性变形，此区称为塑性变形区，没有满足屈服准则的区域不会产生塑性变形，称为非变形区。非变形区进一步又可分为已变形区、待变形区和不变形区。图-所举的例子中A为变形区，B、C为非变形区，其中B为已变形区，C为不变形区或待变形区。如在图-对于缩口变形的例中，C的上部为待变形区，C的下部为不变形区。若非变形区也受到力的作用时，又可称其为传力区。,