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摘 要：金属材料在外力作用下，发生永久变形而不开裂的能力称为金属的塑性。材料的塑性是变形的内在因素，具有一定塑性的金属坯料，当内应力达到屈服条件时，便发生塑性变形。然而，外在的变形条件，例如变形温度、变形速度、受力状况等，对材料的塑性也有重要影响。本文主要探讨金属材料塑性成形方法及其应用。
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关键词：金属材料 塑性成形 工程
金属内部的组织结构不同，其塑性成形性能也有很大差别。一般情况下，纯金属及单相固溶体的合金塑性成形性能较好，钢中有碳化物和多相组织时，塑性成形性能变差。例如，碳素钢在高温下为单相奥氏体组织，锻造性能好。低碳钢主要以铁素体为基体，塑性比高碳钢好，变形抗力也较小。随着含碳量的增加，钢中的碳化物逐渐增多，在高碳钢中甚至出现硬而脆的网状渗碳体，使钢的塑性下降，抗力增加，可锻性变差。通常，铸态柱状晶和粗大树枝晶组织的塑性较差，均匀细小的等轴晶组织塑性较好，如超细晶粒在特定的变形条件下还会出现超塑性现象。
一、金属材料塑性成形及其特点
（一）金属材料塑性成形概述
金属塑性成形是指金属材料在外力的作用下，利用本身的塑性产生变形，改变尺寸获得所需形状和力学性能的成形加工方法。又称为压力加工或锻压。锻压通过对坯料施加外力，制取各类机械零件、工件或毛坯，是锻造和冲压的总称。大多数金属材料在冷态或热态下都具有一定的塑性，因此它们可以在室温或高温下进行各种塑性成形加工。在机械制造、汽车、拖拉机、仪表、造船、冶金工程及国防等工业中广泛的应用。小到几克的精密零件，大到几百吨的巨型锻件，都可以由塑性成形方法获得。以汽车为例，按重量计算，汽车上70%的零件均是采用塑性成形加工方法制造的。
（二）塑性成形加工的优点
塑性成形与其他加工方法，如金属切削、铸造、焊接等相比，具有以下特点：（1）力学性能好金属塑性成形过程中，能将坯料中的缩孔、缩松压合，使其组织致密，细化晶粒，并能合理控制金属纤维方向，使纤维方向与应力方向一致，提高制件的性能。因此，塑性成形产品具有较高的力学性能，对于承受重载、冲击或交变应力的重要零件一般都采用锻件。（2）材料利用率高金属塑性成形依靠材料形状的变化和体积的转移来实现。不产生切屑，材料利用率高，可节约材料和大量金属切削加工工时。
二、金属材料塑性成形方法
（一）自由锻造
自由锻造是采用简单工具或在自由锻造设备上利用通用工具，使金属坯料产生变形而获得锻件的工艺方法。金属坯料在铁砧间受力变形时，朝各个方向可以自由流动，不受限制。锻件的形状和尺寸由锻工的操作水平保证。（1）自由锻的特点及应用自由锻分为手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只能生产小型锻件，且生产效率低、劳动强度大。机器锻造则是自由锻的主要生产方法。自由锻造使用的工具简单，通用性好，变形抗力小，应用较为广泛。锻件的质量可在不足1kg到数百吨之间。如水轮机主轴、多拐曲轴、大型连杆等零件在工作中承受的载荷较大，要求具有较高的力学性能，多用自由锻制造毛坯。因而自由锻在重型机械制造中具有特别重要的作用。（2）自由锻造设备根据自由锻造设备对坯料作用力的性质，分为锻锤类和液压机类两种。锻锤主要有空气锤和蒸汽～空气锤；液压机主要指水压机。工作时，电动机驱动曲柄连杆机构，使压缩缸中的活塞作上、下往复运动，活塞上部或下部的空气受到压缩。被压缩的空气经上、下转阀交替地进入工作缸的上部或下部空间，推动工作缸内的活塞上、下运动锤击工件。控制上、下转阀的位置，实现锤头的悬空、压紧、连续轻重锤击、单下锤击等动作。空气锤的吨位较小，以其落下部分的质量来表示吨位，通常在637～7350N之间。主要用于小型锻件的镦粗、拔长、冲孔、弯曲等自由锻工序，也可用于胎模锻造。
（二）模型锻造
模型锻造（简称模锻）是在模锻设备上利用锻模对金属材料进行锻造成型的一种工艺方法。锻模是用高强度金属制造的成型锻件的模具，其上有与锻件形状一致的模膛，使坯料在模膛内受压变形。在变形过程中由于模膛对金属坯料流动的限制，因而锻造终了时能得到和模膛形状相同的锻件。按模锻使用设备的不同可分为：锤上模锻、摩擦压力机模锻、热模锻压机模锻和水压机模锻等。这里主要介绍模锻锤上的模锻。（1）模锻的特点及应用模锻与自由锻比较有如下特点。①生产率较高。自由锻时，金属的变形是在上、下两个铁砧间进行的，难以控制。模锻时，金属的变形是在模膛内进行的，故能较快获得所需要的形状。②模锻件尺寸精确，加工余量小。
三、金属材料塑性成形的应用
金属材料在塑性变形时的应力状态不同，对塑性的影响也不同。实践证明，三个方向主应力中压应力的个数越多，数值越大，金属的塑性越好；拉应力的个数越多，数值越大，则金属的塑性越差。因为，拉应力易使滑移面分离，易在材料内部的缺陷处产生应力集中，促使缺陷扩展，造成破坏，压应力状态则与之相反，可以抑制和消除这些缺陷。例如，铅具有极好的塑性，但在三向等拉应力的状态下，会像脆性材料一样破裂，大理石在三向压应力状态下，反而能产生较大的塑性变形。有时采用V形砧而不用平砧拔长，就是利用工具侧向压应力的作用，避免坯料心部产生拉应力甚至开裂。应力状态不同，变形抗力也是不同的。拉应力使金属容易产生滑移变形，变形抗力减小，而压应力会使金属内部摩擦力增大，变形抗力增加。
在成形过程中，摩擦力对变形也有重要影响。摩擦力越大，变形不均匀程度越严重，引起的附加应力也越大，从而导致变形抗力增加，塑性降低。提高毛坯的表面质量，降低零件的表面粗糙度值，选用适当的润滑剂和润滑方法，可以减小金属流动时的摩擦阻力，对于冷挤压和板料成形尤为重要。总之，金属的塑性变形能力既取决于金属的本质，又取决于变形条件，塑性加工时，要选择合理的成形工艺，充分发挥金属的塑性，力求创造有利的变形条件，从经济角度获得合格制品。
参考文献：
[1]吕立华编.金属塑性变形与轧制原理[M].化学工业出版社，2007，（1）.