第2章 沖壓變形的基本原理

2.1 金屬塑性變形的基本概念

沖壓成形是以金屬板料為加工對象，在外力作用下使其發(fā)生塑性變形或分離而成形為制件的一種金屬加工方法。要掌握沖壓成形加工技術(shù)，首先必須了解金屬的塑性變形和塑性。

2.1.1 塑性變形的物理概念

在金屬材料中，原子之間作用著相當(dāng)大的力，足以抵抗重力的作用，所以在沒有其他外力作用的條件下，物體將保持自有的形狀和尺寸。當(dāng)金屬受到外力作用后，物體的形狀和尺寸將發(fā)生變化，即變形，變形的實質(zhì)就是原子間的距離產(chǎn)生變化。

假如作用于物體的外力去除后，由外力引起的變形隨之消失，物體能完全恢復(fù)自己的原始形狀和尺寸，這樣的變形稱為彈性變形。若作用于物體的外力去除后，物體并不能完全恢復(fù)自己的原始形狀和尺寸，這樣的變形稱為塑性變形。

塑性變形和彈性變形一樣，它們都是在變形體不破壞的條件下進行的，或在變形體中局部區(qū)域不破壞的條件下進行的（即連續(xù)性不破壞）。在塑性變形條件下，總變形既包括塑性變形，也包括除去外力后消失的彈性變形。

2.1.2 塑性變形的基本形式

金屬塑性變形過程非常復(fù)雜，原子離開平衡位置而產(chǎn)生的變形，主要有滑移和孿動兩種形式。

1.滑移

當(dāng)作用在晶體上的切應(yīng)力達到一定數(shù)值后，晶體一部分沿一定的晶面和晶向相對另一部分產(chǎn)生滑移。這一晶面和晶向稱為滑移面和滑移方向。圖2-1所示為晶格的滑移過程示意圖。

金屬的滑移面，一般都是晶格中原子分布最密的面，滑移方向則是原子分布最密的結(jié)晶方向。這是因為沿著原子分布最密的面和方向滑移的阻力最小。金屬晶格中，原子分布最密的晶面和結(jié)晶方向越多，產(chǎn)生滑移的可能性越大，金屬的塑性就越好。各種晶格，其滑移面與滑移方向及其數(shù)量如圖2-2、表2-1所示。

圖2-1 晶格的滑移過程

a）滑移前 b）彈性變形 c）彈性變形+ 塑性變形 d）塑性變形

圖2-2 各種晶格的滑移面與滑移方向

a）體心立方晶格 b）面心立方晶格 c）密排六方晶格

表2-1 常見金屬晶格結(jié)構(gòu)及其滑移系

2.孿動

孿動也是在一定的切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對另一部分，沿著一定的晶面和方向發(fā)生轉(zhuǎn)動的結(jié)果，已變形部分的晶體位向發(fā)生改變，與未變形部分以孿動面對稱，如圖2-3所示。

孿動與滑移的主要差別是：①滑移過程是漸進的，而孿動過程是突然發(fā)生的；②孿動時原子位置不會產(chǎn)生較大的錯動，因此晶體取得較大塑性變形的方式，主要是滑移的作用；③孿動后，晶體內(nèi)部出現(xiàn)空隙，易于導(dǎo)致金屬的破壞；④孿動所要求的臨界切應(yīng)力比滑移要求的臨界切應(yīng)力大得多，只有滑移過程很困難時，晶體才發(fā)生孿動。

滑移和孿動都是發(fā)生在單個晶粒內(nèi)部的變形，稱為晶內(nèi)變形。工業(yè)生產(chǎn)中實際使用的金屬則是由多個晶粒組成的集合體，即多晶體。多晶體的變形基本形式仍是滑移和孿動，但在變形過程中，多晶體變形受到晶粒位向的影響和晶界的阻礙，會造成變形不均勻。

多晶體的變形方式除晶粒本身的滑移和孿動外，還有在外力作用下晶粒間發(fā)生的相對移動和轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的變形，即晶間變形。凡是加強晶間結(jié)合力、減少晶間變形、有利于晶內(nèi)發(fā)生變形的因素，均有利于晶體進行塑性變形。當(dāng)晶體間存有雜質(zhì)時，會使晶間結(jié)合力降低，晶界變脆，不利于多晶體進行塑性變形。當(dāng)多晶體變形所受的應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力時，增加了晶間變位困難，使脆性材料的晶內(nèi)變形發(fā)生，結(jié)果增加了脆性材料的塑性。

圖2-3 單晶體的孿動過程

a）孿動前 b）彈性變形 c）孿動發(fā)生 d）永久變形

2.1.3 金屬的塑性與變形抗力

塑性成形是以塑性為依據(jù)，在外力的作用下進行的。從成形工藝的角度，人們總是希望變形金屬具有較高的塑性和低的變形抗力。下面對塑性和變形抗力的概念作一簡要介紹。

1.塑性

所謂塑性，是指固體材料在外力作用下發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力。塑性不僅與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與變形方式和變形條件有關(guān)。因此，材料的塑性不是固定不變的，不同的材料在同一變形條件下會有不同的塑性，而同一種材料，在不同的變形條件下，也會表現(xiàn)不同的塑性。例如，在通常情況下，鉛具有極好的塑性，但在三向等拉應(yīng)力的作用下，卻像脆性材料一樣地破壞，而不產(chǎn)生任何塑性變形。反之，極脆的大理石，在三向壓應(yīng)力作用下，有可能產(chǎn)生較大的塑性變形。

塑性指標是衡量金屬在一定條件下塑性高低的數(shù)量指標。它以材料開始破壞時的塑性變形量來表示，并可借助于各種試驗方法測定。

常用的塑性指標是拉伸試驗所得的斷后伸長率A和斷面收縮率Z。它們的定義分別為

式中 L₀、A₀———拉伸試樣原始標距長度（mm）和原始橫截面面積（mm²）；

L_k、Ak———試樣斷裂后標距長度（mm）和斷裂處最小橫截面面積（mm²）。

除了拉伸試驗外，還有愛力克辛試驗、彎曲試驗（測定板料脹形和彎曲時的塑性變形能力）和鐓粗試驗（測定材料鍛造時的塑性變形能力）等。需要指出的是，各種試驗方法都是相對于特定的狀況和變形條件下承受的塑性變形能力。它們說明在某種受力狀況和變形條件下，這種金屬的塑性比那種金屬的塑性高還是低，或者對某種金屬來說，在什么樣的變形條件下塑性好，而在什么樣的變形條件下塑性差。

2.變形抗力

塑性成形時，使金屬發(fā)生變形的外力稱為變形力，而金屬抵抗變形的反作用力，稱為變形抗力。變形力和變形抗力大小相等，方向相反。變形抗力一般用單位接觸面積上的反作用力來表示。在某種程度上，變形抗力反映了材料變形的難易程度。它的大小，不僅取決于材料的流動應(yīng)力，而且還取決于塑性成形時的應(yīng)力狀態(tài)、摩擦條件以及變形體的幾何尺寸等因素。只有在單向均勻拉伸（或壓縮）時，它才等于所考慮材料在一定變形溫度、變形速度和變形程度下的流動應(yīng)力。

塑性和變形抗力是兩個不同的概念，前者反映塑性變形的能力，后者反映塑性變形的難易程度，它們是兩個獨立的指標。人們常認為塑性好的材料變形抗力低，塑性差的材料變形抗力高，但實際情況并非如此。如奧氏體不銹鋼在室溫下可經(jīng)受很大的變形而不破壞，說明這種鋼的塑性好，但變形抗力卻很高。

2.1.4 影響金屬塑性和變形抗力的主要因素

影響金屬塑性和變形抗力的主要因素有兩個方面：一是變形金屬本身的晶格類型、化學(xué)成分和金相組織等內(nèi)部性質(zhì)；其二是變形時的外部條件，如變形溫度、變形速度和變形形式等。

1.化學(xué)成分和組織對塑性和變形抗力的影響

化學(xué)成分和組織對塑性和變形抗力的影響非常明顯，也很復(fù)雜。下面以鋼為例來說明。

（1）化學(xué)成分的影響 在碳鋼中，鐵和碳是基本元素。在合金鋼中，除了鐵和碳外，還含有硅、錳、鉻、鎳、鎢等。在各類鋼中還含有某些雜質(zhì)，如磷、硫、氫、氧等。

碳對鋼的性能影響最大。碳能固溶到鐵里形成鐵素體和奧氏體固溶體，它們都具有良好的塑性和低的變形抗力。當(dāng)碳含量超過鐵的溶碳能力時，多余的碳便與鐵形成具有很高的硬度而塑性幾乎為零的滲碳體。滲碳體對基體的塑性變形起阻礙作用，降低塑性，抗力提高。可見碳含量越高，碳鋼的塑性成形性能就越差。

合金元素加入鋼中，不僅改變了鋼的使用性能，而且改變了鋼的塑性成形性能，其主要的表現(xiàn)為：塑性降低，變形抗力提高。這是由于：合金元素溶入固溶體（α-Fe和γ-Fe），使鐵原子的晶體點陣發(fā)生不同程度的畸變；合金元素與鋼中的碳形成硬而脆的碳化物（碳化鉻、碳化鎢等）；合金元素改變鋼中相的組成，造成組織的多相性等，這些都會造成鋼的變形抗力提高，塑性降低。

雜質(zhì)元素對鋼的塑性變形一般都有不利的影響。磷溶入鐵素體后，使鋼的強度、硬度顯著增加，塑性、韌性明顯降低。在低溫時，造成鋼的冷脆性。硫在鋼中幾乎不溶解，與鐵形成塑性低的易溶共晶體FeS，熱加工時出現(xiàn)熱脆開裂的現(xiàn)象。鋼中溶氫，會引起氫脆現(xiàn)象，使鋼的塑性大大降低。

（2）組織的影響 鋼在規(guī)定的化學(xué)成分內(nèi)，由于組織的不同，塑性和變形抗力也會有很大的差別。單相組織比多相組織塑性好，變形抗力低。多相組織由于各相性能不同，使得變形不均勻，同時基本相往往被另一相機械地分割，故塑性降低，變形抗力提高。

晶粒的細化有利于提高金屬的塑性，但同時也提高了變形抗力。這是因為在一定的體積內(nèi)細晶粒的數(shù)目比粗晶粒的數(shù)目要多，塑性變形時有利于滑移的晶粒就較多，變形均勻地分散在更多的晶粒內(nèi)；另外，晶粒越細，晶界面越曲折，對微裂紋的傳播越不利。這些都有利于提高金屬的塑性變形能力。另一方面晶粒多，晶界也越多，滑移變形時位錯移動到晶界附近將會受到阻礙并堆積，若要位錯穿過晶界則需要很大的外力，從而提高了塑性變形抗力。

另外，鋼的制造工藝，如冶煉、澆注、鍛軋、熱處理等，都影響著金屬的塑性和變形抗力。

2.變形溫度對塑性和變形抗力的影響

變形溫度對金屬和合金的塑性有很大的影響。就多數(shù)金屬和合金而言，隨著溫度的升高，塑性增加，變形抗力降低。這種情況，可以從以下幾個方面進行解釋：

1）溫度升高，發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶。回復(fù)使金屬的加工硬化得到一定程度的消除，再結(jié)晶能完全消除加工硬化，從而使金屬的塑性提高，變形抗力降低。

2）溫度升高，原子熱運動加劇，動能增大，原子間結(jié)合力減弱，使臨界切應(yīng)力降低。溫度升高，不同滑移系的臨界切應(yīng)力降低速度不一樣。因此，在高溫下可能出現(xiàn)新的滑移系。滑移系的增加，提高了變形金屬的塑性。

3）溫度升高，原子的熱振動加劇，晶格中原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此時，如晶體受到外力作用，原子就會沿應(yīng)力場梯度方向，由一個平衡位置轉(zhuǎn)移到另一個平衡位置，使金屬產(chǎn)生塑性變形。這種塑性變形的方式稱為熱塑性，也稱擴散塑性。在高溫下，熱塑性作用大為增加，使金屬的塑性提高，變形抗力降低。但在回復(fù)溫度以下，熱塑性對金屬變形的作用不明顯。

4）溫度升高，晶界強度下降，使得晶界的滑移容易進行。同時，由于高溫下擴散作用加強，使晶界滑移產(chǎn)生的缺陷得到愈合。

由于金屬和合金的種類繁多，上述一般的結(jié)論并不能概括各種材料的塑性和變形抗力隨溫度的變化情況。可能在溫升過程中的某些溫度區(qū)間，往往由于過剩相的析出或相變等原因，而使金屬的塑性降低和變形抗力增加（也可能降低）。碳鋼的斷后伸長率、斷面收縮率和抗拉強度隨溫度的變化如圖2-4所示。

3.變形速度對塑性和變形抗力的影響

所謂變形速度，是指單位時間內(nèi)變形物體應(yīng)變的變化量。塑性成形設(shè)備的加載速度在一定程度上反映了金屬的變形速度。變形速度對塑性變形的影響是多方面的。

一方面，變形速度大時，要同時驅(qū)使更多的位錯更快地運動，金屬晶體的臨界切應(yīng)力將提高，使變形抗力增大；當(dāng)變形速度大時，塑性變形來不及在整個變形體內(nèi)均勻地擴展，此時，金屬的變形主要表現(xiàn)為彈性變形。根據(jù)胡克定律，彈性變形量越大，則應(yīng)力越大，變形抗力也就越大。另外，變形速度增加后，變形體沒有足夠的時間進行回復(fù)和再結(jié)晶，而使金屬的變形抗力增加，塑性降低。

另一方面，在高變形速度下，變形體吸收的變形能迅速地轉(zhuǎn)化為熱能（熱效應(yīng)），使變形體溫度升高（溫度效應(yīng)）。這種溫度效應(yīng)一般來說對塑性的增加是有利的。

圖2-4 碳鋼[w（C）=0.07%]拉伸特性隨溫度的變化

1—抗拉強度 2—斷面收縮率 3—斷后伸長率