金屬成型的基礎(chǔ)

有四種基本的生產(chǎn)方法用于生產(chǎn)所需的產(chǎn)品形狀。這些是鑄造，機(jī)械加工，連接（焊接，機(jī)械快速，環(huán)氧樹脂等）和變形過程。當(dāng)鑄造成型并在模具中凝固時(shí)，鑄造工藝?yán)靡簯B(tài)金屬的流動(dòng)性。加工過程提供了具有良好精度和精度的所需形狀，但是在產(chǎn)生被移除部分時(shí)傾向于浪費(fèi)材料。連接過程允許復(fù)雜的形狀由更簡單的組件構(gòu)成，并具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

變形過程利用了金屬的顯著特性，即它們在固態(tài)下塑性流動(dòng)而不會(huì)使其性能劣化的能力。通過施加合適的壓力，移動(dòng)材料以獲得所需的形狀，幾乎沒有浪費(fèi)。所需的壓力通常很高，所需的工具和設(shè)備非常昂貴。通常需要大量生產(chǎn)來證明該過程的合理性。

圖1.1變形過程中金屬應(yīng)力的狀態(tài)。

當(dāng)金屬變形（或形成，如通常所稱）成為有用的形狀時(shí)，它經(jīng)受諸如拉伸，壓縮，剪切或其各種組合的應(yīng)力，圖1.1示出了這些應(yīng)力狀態(tài)。在圖1.2中示意性地給出了一些常見的金屬成形工藝以及在該工藝期間金屬經(jīng)受的應(yīng)力狀態(tài)。

圖1.2常見的金屬成形工藝。還給出了金屬經(jīng)受的應(yīng)力狀態(tài)

要了解金屬的形成，了解金屬的結(jié)構(gòu)非常重要。金屬本質(zhì)上是結(jié)晶的，由不規(guī)則形狀的各種尺寸的顆粒組成。每個(gè)晶粒由有序排列的原子組成，稱為晶格。晶粒中原子的取向是均勻的，但在相鄰晶粒中是不同的。當(dāng)施加力使其變形或改變其形狀時(shí)，在晶粒結(jié)構(gòu)中發(fā)生許多變化。這些包括顆粒破碎，原子運(yùn)動(dòng)和晶格畸變?；瑒?dòng)平面通過晶格結(jié)構(gòu)在吸引原子鍵最弱的點(diǎn)處發(fā)展，整個(gè)原子塊被置換。然而，當(dāng)發(fā)生滑移時(shí)，原子的取向不會(huì)改變。

要使金屬永久變形，應(yīng)力必須超過彈性極限。在室溫下，金屬處于比在較高溫度下更硬的狀態(tài)。因此，為了使金屬變形，當(dāng)處于冷態(tài)時(shí)比在熱態(tài)下需要更大的壓力。

當(dāng)在冷態(tài)下形成金屬時(shí)，沒有晶粒的再結(jié)晶，因此不會(huì)發(fā)生從晶粒變形或破碎中的恢復(fù)。隨著晶粒變形的進(jìn)行，對(duì)該作用的更大抵抗力導(dǎo)致硬度和強(qiáng)度增加。據(jù)說金屬是應(yīng)變硬化的。有幾種理論可以解釋這種情況。通常，這些是指通過原子位錯(cuò)，碎裂或晶格畸變或三種現(xiàn)象的組合在晶粒中形成的電阻。

金屬在室溫下可以經(jīng)受的變形量取決于其延展性。金屬的延展性越高，它可以經(jīng)受的變形越大。純金屬可以比具有合金元素的金屬承受更大量的變形，因?yàn)楹辖鸹黾恿藨?yīng)變硬化的趨勢和速度。具有大顆粒的金屬比具有較小顆粒的金屬更具延展性。

當(dāng)金屬在冷態(tài)下變形時(shí)，在材料中建立稱為殘余應(yīng)力的嚴(yán)重應(yīng)力。這些應(yīng)力通常是不希望的，為了除去它們，金屬被加熱到低于再結(jié)晶范圍溫度的某個(gè)溫度。在該溫度范圍內(nèi)，應(yīng)力無效，物理性質(zhì)或晶粒結(jié)構(gòu)沒有明顯變化。

金屬的冷熱加工

冷加工：

低于再結(jié)晶溫度的金屬的塑性變形稱為冷加工。它通常在室溫下進(jìn)行。在某些情況下，可以使用略微升高的溫度來提供增加的延展性和降低的強(qiáng)度。冷加工提供了許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因此各種冷加工過程變得極為重要。近年來的顯著進(jìn)步擴(kuò)大了冷成型的使用，并且趨勢似乎可能繼續(xù)下去。

與熱加工相比，冷加工的優(yōu)點(diǎn)是

1.不需要加熱

2.獲得Bettter表面光潔度

3.實(shí)現(xiàn)更好的尺寸控制; 因此通常不需要二次加工。

4.產(chǎn)品具有更好的重現(xiàn)性和可互換性。

5.更好的強(qiáng)度，疲勞和材料的磨損性能。

6.可以賦予方向性。

7.污染問題幾乎可以忽略不計(jì)。

與冷加工過程相關(guān)的一些缺點(diǎn)是：

1.變形需要更大的力。

2.需要更重，更強(qiáng)大的設(shè)備。

3.延展性較差。

4.金屬表面必須清潔，無污垢。

5.發(fā)生應(yīng)變硬化（可能需要中間退火）。

6.可能產(chǎn)生不希望的殘余應(yīng)力

通常，冷成型工藝由于所需設(shè)備和工具的成本而更適合于大規(guī)模生產(chǎn)零件。

溫暖工作：

在熱成形和冷成形中間的溫度下進(jìn)行的金屬變形稱為熱成形。與冷成形相比，溫成形具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這些包括：

?工具和設(shè)備的負(fù)載較小

?更好的金屬延展性

?退火操作次數(shù)減少（因?yàn)閼?yīng)變硬化較少）

與熱成型相比，熱成型具有以下優(yōu)點(diǎn)。

?較少的熱能需求

?更好的部件精度

?零件尺寸較小

?零件脫碳較少

?更好的尺寸控制

?更好的表面光潔度

?工具上的熱沖擊較小

?較少的工具熱疲勞，以及更長的工具壽命。

熱作業(yè)：

在高于再結(jié)晶溫度的溫度下進(jìn)行的金屬塑性變形稱為熱加工。在熱和力的作用下，當(dāng)金屬原子達(dá)到一定的較高能級(jí)時(shí)，新晶體開始形成。這稱為重結(jié)晶。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，通過先前進(jìn)行的機(jī)械加工而變形的舊晶粒結(jié)構(gòu)不再存在，而是形成無應(yīng)變的新晶體。

在熱加工中，加工完成的溫度是關(guān)鍵的，因?yàn)榧庸ず蟛牧现惺Ｓ嗟娜魏晤~外熱量將促進(jìn)晶粒生長，導(dǎo)致材料的機(jī)械性能差。

與冷加工相比，熱加工的優(yōu)點(diǎn)是

1.

沒有應(yīng)變硬化

2.

3.

變形需要較小的力

4.

5.

材料具有更大的延展性，因此可以實(shí)現(xiàn)更大的變形。

6.

7.

獲得有利的晶粒尺寸，導(dǎo)致材料的更好的機(jī)械性能

8.

9.

需要功率較小的設(shè)備

10.

11.

材料中無殘余應(yīng)力。

12.

金屬熱加工的一些缺點(diǎn)是：

1.

需要熱能

2.

3.

由于表面結(jié)垢導(dǎo)致材料表面光潔度差

4.

5.

零件精度和尺寸控制不佳

6.

7.

部件的重現(xiàn)性和互換性差

8.

9.

處理和維護(hù)鐵水是困難和麻煩的

10.

11.

降低工具和設(shè)備的使用壽命。

12.

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