產(chǎn)品 案例 關于
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，能恢復原狀的變形稱為彈性變形；變形力去除后，不能恢復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，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了原來的形狀和尺寸。當金屬體受力較大，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構
從金屬學的觀點來看，所有的固態(tài)金屬都是晶體，且各種固態(tài)金屬的晶體結構并不完全相同。工業(yè)上常用的金屬中，除少數(shù)具有復雜的晶體結構外，最常見的金屬晶體結構多為體心立方結構、面心立方結構和密排六方結構三種晶格類型，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，因為沿著原子分布最密的面和方向滑移阻力最小。一個滑移面及其面上的一個滑移方向組成一個滑移系。每一個滑移系表示晶體在產(chǎn)生滑移時可能采取的空間位向。當其他條件相同時，金屬晶體的滑移系越多，則滑移時可能出現(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。
實際上，金屬的滑移過程是比較復雜的。首先，滑移并非只是在一個單一的晶面上進行，同時參加滑移的有若干個平行的晶面——滑移層?；茖拥暮穸瓤蛇_50nm左右，滑移層與滑移層之間形成一種階梯狀。當變形程度很大時，兩個滑移層間的階梯可達120nm左右，如圖1-3a所示。當塑性變形程度較大時，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變強化。
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)生的轉動。
a）平衡狀態(tài) b）彈性畸變 c）晶面發(fā)生轉動 d）永久變形
與滑移相比，孿動的主要特點是：
1）滑移過程是漸進的，而孿動過程是突然發(fā)生的。例如金屬錫孿動時，可聽到一種清脆的聲音，稱為“錫鳴”。其他的金屬孿動時，也可聽到類似的聲音。由于孿動進行得非常迅速，因此從試驗中很難了解其詳細過程。目前一般認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，原子位置不能產(chǎn)生較大的錯動，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，易于導致金屬的破裂。
就理想的晶體結構而言，全部原子都是規(guī)則地排列在晶體的晶格點上。然而實際晶體總是存在著各種缺陷（這些缺陷包括位錯、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力的作用下通過滑移面上的位錯運動來進行的。一個位錯移到晶體表面形成一個原子間距的滑移量，同一個滑移面上許多位錯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。這種滑移帶常可在拉伸變形后的金屬試樣上觀察到。
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雜得多。
多晶體的變形，就其中每個晶粒的變形來講，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質(zhì)上是晶內(nèi)變形和晶間變形綜合作用的結果。
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構破損，從而導致金屬的斷裂。晶粒間的轉動過程相當復雜，這是由于多晶體中不同位向的各個晶粒既有向有利于晶內(nèi)滑移的方向轉動的趨勢，又受到相互牽制的緣故。晶粒轉動的現(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度、硬度比單晶體高。多晶體內(nèi)晶粒越細，晶界區(qū)所占比例也就越大，金屬的強度、硬度也就越高。此外，晶粒越細，變形越易分散在許多晶粒內(nèi)進行，因此變形更為均勻，不易出現(xiàn)應力集中而導致金屬破壞，這就是一般的細晶粒金屬不僅強度、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)應力，作為變形后殘余應力保留在金屬內(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)生變化的結果。多晶體變形時各晶粒沿其變形最大的方向伸長，在變形程度很大時，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，多晶體內(nèi)各個晶粒的位向會因滑移面的轉向而逐漸趨向一致，形成變形織構。變形織構的形成，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。