產(chǎn)品 案例 關(guān)于
鈑金加工固體材料受到外力作用，如果發(fā)生形狀和尺寸的變化，這種現(xiàn)象稱為變形，使物體產(chǎn)生變形的外力稱為變形力。變形力去除后，能恢復(fù)原狀的變形稱為彈性變形；變形力去除后，不能恢復(fù)原狀的變形稱為塑性變形。金屬材料在變形力的作用下，既能產(chǎn)生彈性變形，又能從彈性變形發(fā)展到塑性變形，它是一種具有彈、塑性的工程材料。一般說來，金屬體在彈性變形時(shí)，其內(nèi)部的原子位置發(fā)生變化，表現(xiàn)為原子的間距有微小的改變，從而引起了物體尺寸和形狀的變化，變形力去除后，原子回到原來的平衡位置，該金屬體就完全恢復(fù)了原來的形狀和尺寸。當(dāng)金屬體受力較大，使原子偏離其原來的穩(wěn)定平衡位置，而達(dá)到鄰近的穩(wěn)定平衡位置，在變形力去除后，原子就不再回到其原來位置，而是停留在鄰近的穩(wěn)定平衡位置上，其變形就成為不可恢復(fù)的永久變形，這就是金屬的塑性變形。
1.鈑金加工金屬的晶體結(jié)構(gòu)
從金屬學(xué)的觀點(diǎn)來看，所有的固態(tài)金屬都是晶體，且各種固態(tài)金屬的晶體結(jié)構(gòu)并不完全相同。工業(yè)上常用的金屬中，除少數(shù)具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)多為體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)三種晶格類型，如圖1-2所示。
圖1-2 三種晶格類型
a）體心立方晶格 b）面心立方晶格 c）密排六方晶格
晶體中由原子組成的平面稱為晶面，由原子組成的直線稱為晶向，每種金屬不同晶面上的原子密度和不同晶向上的原子間距是不同的。
2. 鈑金加工塑性變形的方式
研究表明，單晶體的塑性變形主要是通過滑移和孿生兩種方式進(jìn)行的。
塑性變形最常見的方式為滑移，即晶體一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分產(chǎn)生滑移，這一晶面和晶向稱為滑移面和滑移方向。一般說來，滑移面總是原子排列最密的面，滑移方向總是原子排列最密的方向，因?yàn)檠刂臃植甲蠲艿拿婧头较蚧谱枇ψ钚 Ｒ粋€(gè)滑移面及其面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系。每一個(gè)滑移系表示晶體在產(chǎn)生滑移時(shí)可能采取的空間位向。當(dāng)其他條件相同時(shí)，金屬晶體的滑移系越多，則滑移時(shí)可能出現(xiàn)的滑移位向越多，塑性就越好。一般說來，面心立方和體心立方金屬的滑移系較多，因此它們比密排六方金屬的塑性好。
實(shí)際上，金屬的滑移過程是比較復(fù)雜的。首先，滑移并非只是在一個(gè)單一的晶面上進(jìn)行，同時(shí)參加滑移的有若干個(gè)平行的晶面——滑移層?；茖拥暮穸瓤蛇_(dá)50nm左右，滑移層與滑移層之間形成一種階梯狀。當(dāng)變形程度很大時(shí)，兩個(gè)滑移層間的階梯可達(dá)120nm左右，如圖1-3a所示。當(dāng)塑性變形程度較大時(shí)，在金屬表面上可以觀察到滑移的痕跡，即無數(shù)互相平行的線條，這種線條通常稱為滑移線。
其次，在金屬滑移過程中，由于滑移層內(nèi)晶格逐漸破碎，附近的晶格逐漸畸變，使滑移面出現(xiàn)起伏歪扭，如圖1-3b所示，于是晶體的滑移阻力即變形抵抗力逐漸加大。變形越嚴(yán)重，滑移面上的晶格紊亂碎塊越多，繼續(xù)滑移的阻力也就越大，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化或應(yīng)變強(qiáng)化。
圖1-4所示為晶格塑性變形的孿動過程，孿動是晶體的一部分相對另一部分沿著一定的晶面和方向發(fā)生的轉(zhuǎn)動。
a）平衡狀態(tài) b）彈性畸變 c）晶面發(fā)生轉(zhuǎn)動 d）永久變形
與滑移相比，孿動的主要特點(diǎn)是：
1）滑移過程是漸進(jìn)的，而孿動過程是突然發(fā)生的。例如金屬錫孿動時(shí)，可聽到一種清脆的聲音，稱為“錫鳴”。其他的金屬孿動時(shí)，也可聽到類似的聲音。由于孿動進(jìn)行得非常迅速，因此從試驗(yàn)中很難了解其詳細(xì)過程。目前一般認(rèn)為六方與體心立方晶格在低溫與沖擊載荷下易于產(chǎn)生孿動。
2）孿動時(shí)，原子位置不能產(chǎn)生較大的錯(cuò)動，因此晶體取得較大永久變形的方式主要是滑移作用。
3）孿動后晶體內(nèi)部出現(xiàn)空隙，易于導(dǎo)致金屬的破裂。
就理想的晶體結(jié)構(gòu)而言，全部原子都是規(guī)則地排列在晶體的晶格點(diǎn)上。然而實(shí)際晶體總是存在著各種缺陷（這些缺陷包括位錯(cuò)、空位、間隙原子和置換原子等，晶界更是缺陷集中的區(qū)域），引起晶格的畸變以及原子排列的不規(guī)則，最明顯的是多晶體。研究表明：有些缺陷對金屬塑性變形有很大的影響，如晶體的滑移變形就是在切應(yīng)力的作用下通過滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動來進(jìn)行的。一個(gè)位錯(cuò)移到晶體表面形成一個(gè)原子間距的滑移量，同一個(gè)滑移面上許多位錯(cuò)移到晶體表面便形成明顯的滑移線，許多滑移線在一起形成滑移帶。這種滑移帶?？稍诶熳冃魏蟮慕饘僭嚇由嫌^察到。
工業(yè)上用于塑性成形的金屬都是多晶體，組成多晶體的各個(gè)晶粒類似于單晶體，它們的大小、形狀、位向不同，晶粒之間又有晶界相連，因而多晶體的變形比單晶體要復(fù)雜得多。
多晶體的變形，就其中每個(gè)晶粒的變形來講，不外乎滑移和孿生兩種晶內(nèi)變形方式，但就總體變形而言，多晶體內(nèi)還存在著晶粒之間的相對滑動和轉(zhuǎn)動。這種晶粒之間的變形稱為晶間變形，所以多晶體的變形實(shí)質(zhì)上是晶內(nèi)變形和晶間變形綜合作用的結(jié)果。
3.鈑金加工塑性變形的影響
由于晶粒是靠原子間的吸引力和晶粒間的機(jī)械連鎖力互相連接的，因此，晶間變形比較困難。晶粒間的滑動非常微小，很容易引起晶界處的結(jié)構(gòu)破損，從而導(dǎo)致金屬的斷裂。晶粒間的轉(zhuǎn)動過程相當(dāng)復(fù)雜，這是由于多晶體中不同位向的各個(gè)晶粒既有向有利于晶內(nèi)滑移的方向轉(zhuǎn)動的趨勢，又受到相互牽制的緣故。晶粒轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象在粗晶粒的板料沖壓成形后可以觀察到，這就是沖壓件表面顯出凹凸不平的所謂“橘皮”現(xiàn)象。
多晶體的塑性變形還受到晶界的影響。晶界內(nèi)晶格畸變更甚，晶界的存在使多晶體的強(qiáng)度、硬度比單晶體高。多晶體內(nèi)晶粒越細(xì)，晶界區(qū)所占比例也就越大，金屬的強(qiáng)度、硬度也就越高。此外，晶粒越細(xì)，變形越易分散在許多晶粒內(nèi)進(jìn)行，因此變形更為均勻，不易出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致金屬破壞，這就是一般的細(xì)晶粒金屬不僅強(qiáng)度、硬度高，而且塑性也較好的原因。
在金屬塑性變形過程中，金屬的性能和組織都會發(fā)生變化，其中最重要的是加工硬化，即隨著變形程度的增加，變形阻力增大，強(qiáng)度和硬度升高，而塑性、韌性下降。此外，由于變形不均勻，晶粒內(nèi)部和晶粒之間會存在不同的內(nèi)應(yīng)力，作為變形后殘余應(yīng)力保留在金屬內(nèi)部，使經(jīng)冷變形后的零件在放置一段時(shí)間后，可能自動發(fā)生變形甚至開裂。金屬塑性變形后的性能變化是其組織發(fā)生變化的結(jié)果。多晶體變形時(shí)各晶粒沿其變形最大的方向伸長，在變形程度很大時(shí)，則顯著伸長，形成纖維組織。晶內(nèi)變形會使晶粒破碎，形成許多小晶粒，即亞晶粒；晶間變形則在晶界會使晶粒破碎，形成許多小晶粒，即亞晶粒；晶間變形則在晶界造成許多破損。另外，在變形程度很大時(shí)，多晶體內(nèi)各個(gè)晶粒的位向會因滑移面的轉(zhuǎn)向而逐漸趨向一致，形成變形織構(gòu)。變形織構(gòu)的形成，使軋制后的板料出現(xiàn)各向異性，即使退火一般也難以消除，用這種材料沖出的工件厚薄不均，沿口不齊，會使拉深成形的杯形件口部形成凸耳。