金屬成型的基礎

有四種基本的生產方法用于生產所需的產品形狀。這些是鑄造，機械加工，連接（焊接，機械快速，環(huán)氧樹脂等）和變形過程。當鑄造成型并在模具中凝固時，鑄造工藝利用液態(tài)金屬的流動性。加工過程提供了具有良好精度和精度的所需形狀，但是在產生被移除部分時傾向于浪費材料。連接過程允許復雜的形狀由更簡單的組件構成，并具有廣泛的應用領域。

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

圖1.1變形過程中金屬應力的狀態(tài)。

當金屬變形（或形成，如通常所稱）成為有用的形狀時，它經受諸如拉伸，壓縮，剪切或其各種組合的應力，圖1.1示出了這些應力狀態(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受的應力狀態(tài)。

圖1.2常見的金屬成形工藝。還給出了金屬經受的應力狀態(tài)

要了解金屬的形成，了解金屬的結構非常重要。金屬本質上是結晶的，由不規(guī)則形狀的各種尺寸的顆粒組成。每個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。當施加力使其變形或改變其形狀時，在晶粒結構中發(fā)生許多變化。這些包括顆粒破碎，原子運動和晶格畸變?；瑒悠矫嫱ㄟ^晶格結構在吸引原子鍵最弱的點處發(fā)展，整個原子塊被置換。然而，當發(fā)生滑移時，原子的取向不會改變。

要使金屬永久變形，應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，當處于冷態(tài)時比在熱態(tài)下需要更大的壓力。

當在冷態(tài)下形成金屬時，沒有晶粒的再結晶，因此不會發(fā)生從晶粒變形或破碎中的恢復。隨著晶粒變形的進行，對該作用的更大抵抗力導致硬度和強度增加。據說金屬是應變硬化的。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，碎裂或晶格畸變或三種現象的組合在晶粒中形成的電阻。

金屬在室溫下可以經受的變形量取決于其延展性。金屬的延展性越高，它可以經受的變形越大。純金屬可以比具有合金元素的金屬承受更大量的變形，因為合金化增加了應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。

當金屬在冷態(tài)下變形時，在材料中建立稱為殘余應力的嚴重應力。這些應力通常是不希望的，為了除去它們，金屬被加熱到低于再結晶范圍溫度的某個溫度。在該溫度范圍內，應力無效，物理性質或晶粒結構沒有明顯變化。

金屬的冷熱加工

冷加工：

低于再結晶溫度的金屬的塑性變形稱為冷加工。它通常在室溫下進行。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度。冷加工提供了許多獨特的優(yōu)點，因此各種冷加工過程變得極為重要。近年來的顯著進步擴大了冷成型的使用，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)點是

1.不需要加熱

2.獲得Bettter表面光潔度

3.實現更好的尺寸控制; 因此通常不需要二次加工。

4.產品具有更好的重現性和可互換性。

5.更好的強度，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。

與冷加工過程相關的一些缺點是：

1.變形需要更大的力。

2.需要更重，更強大的設備。

3.延展性較差。

4.金屬表面必須清潔，無污垢。

5.發(fā)生應變硬化（可能需要中間退火）。

6.可能產生不希望的殘余應力

通常，冷成型工藝由于所需設備和工具的成本而更適合于大規(guī)模生產零件。

溫暖工作：

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

?工具和設備的負載較小

?更好的金屬延展性

?退火操作次數減少（因為應變硬化較少）

與熱成型相比，熱成型具有以下優(yōu)點。

?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)：

在高于再結晶溫度的溫度下進行的金屬塑性變形稱為熱加工。在熱和力的作用下，當金屬原子達到一定的較高能級時，新晶體開始形成。這稱為重結晶。當發(fā)生這種情況時，通過先前進行的機械加工而變形的舊晶粒結構不再存在，而是形成無應變的新晶體。

在熱加工中，加工完成的溫度是關鍵的，因為加工后材料中剩余的任何額外熱量將促進晶粒生長，導致材料的機械性能差。

與冷加工相比，熱加工的優(yōu)點是

1.

沒有應變硬化

2.

3.

變形需要較小的力

4.

5.

材料具有更大的延展性，因此可以實現更大的變形。

6.

7.

獲得有利的晶粒尺寸，導致材料的更好的機械性能

8.

9.

需要功率較小的設備

10.

11.

材料中無殘余應力。

12.

金屬熱加工的一些缺點是：

1.

需要熱能

2.

3.

由于表面結垢導致材料表面光潔度差

4.

5.

零件精度和尺寸控制不佳

6.

7.

部件的重現性和互換性差

8.

9.

處理和維護鐵水是困難和麻煩的

10.

11.

降低工具和設備的使用壽命。

12.

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