1 金屬塑性加工的概況
金屬塑性加工，又稱金屬壓力加工，它是利用固態(tài)金屬的塑性借助于工具對(duì)不同金屬坯料施加外力，迫使其發(fā)生變形，以獲得預(yù)期的形狀和性能的加工材的過程。塑性加工生產(chǎn)出各種鋼材和有色金屬材，它為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)起到促進(jìn)和保證作用。事實(shí)上，金屬材料中90%以上是經(jīng)塑性加工制成各種板、帶、箔、型、管、棒、線等制品的。
金屬塑性加工技術(shù)在冶金史上出現(xiàn)很早，但長(zhǎng)期處于手工階段。歐洲產(chǎn)業(yè)革命后，金屬塑性加工才轉(zhuǎn)向大工業(yè)生產(chǎn)。因此，現(xiàn)代冶金加工業(yè)的發(fā)展已有240余年的歷史了，其中20世紀(jì)是發(fā)展最快的。到了今天，我國(guó)冶金加工業(yè)成為名副其實(shí)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。飛速發(fā)展的冶金業(yè)規(guī)模宏大，單說鋼材，2008年世界總產(chǎn)量已達(dá)13.29億t,而中國(guó)總產(chǎn)量已達(dá)5.4億t,占世界總量的約40%,同時(shí)塑性加工技術(shù)達(dá)到十分成熟的階段。
金屬塑性加工按金屬加工時(shí)溫度區(qū)分可分為熱加工、冷加工、半液態(tài)加工和溫加工；按金屬變形時(shí)變形方式、變形工具和受力方式區(qū)分，基本的類別有鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓、冷彎、旋壓和高能率等；由基本的類別相組合的類別還有鍛軋（鍛造－軋制）、推軋（軋制－擠壓）、拔軋（拉拔一軋制）、輥彎（軋制－彎曲）、異步軋制（軋制－剪切）、管材冷軋冷拔（常溫下軋制一拉拔）等，見表1-4.其中，高能率加工指爆炸成形和電磁沖壓成形。
金屬塑性加工已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。我國(guó)已成為加工制造業(yè)大國(guó)，國(guó)家對(duì)其發(fā)展給予了極大的重視。它的主要發(fā)展趨勢(shì)有：
（1)充分發(fā)揮資源效用，提高資源利用率。加強(qiáng)研發(fā)，不僅應(yīng)生產(chǎn)出人們需要的各種材料和制品，還應(yīng)生產(chǎn)出各種新材料，發(fā)展金屬與金屬、金屬與高分子的復(fù)合材料，以及鍍層涂
層材料。
（2)節(jié)約能源，降低能耗，特別要降低熱加工中的能耗。要實(shí)現(xiàn)冶煉、連鑄與加工工序一體化，盡量采用薄板坯連鑄、連鑄連軋、坯料熱送熱裝等技術(shù)；要研究工序間的優(yōu)化匹配，減少中間退火環(huán)節(jié)。
（3)適應(yīng)大批量生產(chǎn)和優(yōu)化加工條件。要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化、專業(yè)化，采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制生產(chǎn)；要研發(fā)新的高性能、高效率的加工設(shè)備。
（4)促進(jìn)相關(guān)技術(shù)共同發(fā)展。研究摩擦潤(rùn)滑和材料表面處理技術(shù)。
2金屬塑性加工的理論基礎(chǔ)
金屬塑性加工在長(zhǎng)期自身發(fā)展中形成一個(gè)獨(dú)立的基礎(chǔ)理論體系，成為自然科學(xué)中的一個(gè)學(xué)科。同時(shí)，它又不斷吸收其他學(xué)科涉及金屬塑性變形行為和機(jī)理的研究成果，深化、發(fā)展和豐富了金屬塑性加工理論基礎(chǔ)。該理論包括塑性加工金屬學(xué)、塑性加工力學(xué)和塑性加工摩擦學(xué)3個(gè)方面。三者互為依存，共同解釋塑性加工變形中的各種現(xiàn)象，又各有研究側(cè)重方面。
2.1 塑性加工金屬學(xué)
塑性加工金屬學(xué)是研究金屬晶體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制。它是通過

控制和改善熱力學(xué)和力學(xué)條件，以求最有成效地進(jìn)行塑性成形的基礎(chǔ)理論。它是總結(jié)了多年來塑性成形工業(yè)成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展起來的。它主要的研究任務(wù)是探索金屬及其合金產(chǎn)生形變適宜的熱力學(xué)和力學(xué)條件，尋求提高變形性能、降低變形抗力、避免產(chǎn)生缺陷、變形后達(dá)到最佳的結(jié)晶組織狀態(tài)和性能的工藝條件，以獲取最優(yōu)的內(nèi)外質(zhì)量的產(chǎn)品并達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。它主要研究?jī)?nèi)容包括：
（1)金屬塑性變形機(jī)理。金屬塑性加工是使受外力作用的金屬產(chǎn)生穩(wěn)定連續(xù)的永久變形而賦予材料所期望的外形與組織。熟悉產(chǎn)生變形的機(jī)理及其在塑性變形中所起的作用、變化規(guī)律及導(dǎo)致的后果，這是極其重要的。在繼承材料學(xué)科中有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)知識(shí)的基礎(chǔ)上，了解有關(guān)滑移和位錯(cuò)理論，為深入理解塑性變形作基礎(chǔ)工作。
（2)金屬屈服與變形抗力。金屬要在一定大小的外力下才能由彈性變形轉(zhuǎn)變到塑性變形，這時(shí)的狀態(tài)稱為屈服。金屬產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力值表征金屬已能開始流變的應(yīng)力，因此要研究金屬多晶體的屈服行為。多晶體是由許多取向各異的單個(gè)晶體組成的，因此，首先要研究單晶體的一些屈服表現(xiàn)，弄清其本源，才能正確掌握金屬多晶體的塑性變形情況。屈服只表示金屬已開始塑性變形，而塑性加工的目的是期望金屬能發(fā)生預(yù)定大小的變形以改變?cè)瓉砼髁系男螤畛叽?、改善力學(xué)性能，從而獲得合格制品。施加的外力隨著變形的加大而增加，要造就金屬的屈服并能維持穩(wěn)定的連續(xù)變形，就必須研究金屬在各種情況下反抗這些意圖的能力－金屬的變形抗力。
（3)金屬塑性變形的熱力學(xué)條件。金屬必須在一定的力學(xué)條件與熱力學(xué)條件下受外力作用才能發(fā)生所希望的變形。熱力學(xué)條件包括變形時(shí)的溫度、程度和速率，它們制約著塑性變形的成敗。因此，選擇及確定變形溫度范圍、變形量大小及變形速度，對(duì)改變金屬內(nèi)部組織的實(shí)質(zhì)是最基本的知識(shí)。
（4)金屬塑性變形與組織性能變化。金屬塑性加工的目的是創(chuàng)造最佳條件，以促進(jìn)工件在承受變形的過程中發(fā)生預(yù)期的形狀改變和組織改變，并獲得所要求的良好性能。近來，在開發(fā)新材料的過程中，用常規(guī)加工方法生產(chǎn)出來的材料，又因組織或性能不夠理想而難以符合要求，究其原因是形成了變形織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)等。為有效地控制織構(gòu)的形成與存在方式，減少不良影響，對(duì)退火再結(jié)晶過程、結(jié)構(gòu)及其他一些特殊組織的形成機(jī)制、調(diào)控技術(shù)等進(jìn)
行研究，就能在了解其規(guī)律的基礎(chǔ)上制備含有特殊性能要求的材料。
（5)金屬的塑性與斷裂。金屬能穩(wěn)定地發(fā)生塑性變形而不產(chǎn)生斷裂，這是金屬具有塑性的表征。研究金屬在一定條件下承受塑性變形而不產(chǎn)生斷裂的能力，促進(jìn)金屬達(dá)到最佳狀態(tài)的條件及提高其塑性的途徑。
（6)不均勻變形和殘余應(yīng)力。任何塑性變形加工過程均處于一種不均勻的狀態(tài)中，所以變形的發(fā)生、發(fā)展以及所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變及性能等均處于不均勻狀態(tài)。因此，必須研究不均勻變形發(fā)生和擴(kuò)展的原因、不良后果及防止措施，以求在生產(chǎn)過程中盡可能達(dá)到均勻變形的條件。
2.2 塑性加工力學(xué)
塑性加工力學(xué)是研究金屬等材料在塑性變形過程中的變形力學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)理論學(xué)科。它的任務(wù)是結(jié)合金屬等材料流變特性，分析塑性成形中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、建立變形力學(xué)方程、確定塑性加工變形時(shí)的力學(xué)性能參數(shù)和變形參數(shù)，以及應(yīng)力和應(yīng)變?cè)谧冃误w內(nèi)分布，從而為正確選擇塑性加工變形方式、制定合理的工藝規(guī)程、選擇合適的加工設(shè)備、優(yōu)化設(shè)計(jì)軋輥孔型或其他工模具、確定加工變形界限等提供科學(xué)依據(jù)。

塑性加工力學(xué)的內(nèi)容包括：在塑性力學(xué)基礎(chǔ)理論方面包括應(yīng)力理論、應(yīng)變理論，以及金屬材料的屈服條件和本構(gòu)方程；在塑性加工力學(xué)的計(jì)算和解析方法上包括變形力學(xué)問題的工程解法、滑移線解法、上界法和下界法以及有限元解法等。
隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)值計(jì)算法在塑性力學(xué)上的應(yīng)用越來越廣泛。塑性加工力學(xué)和材料科學(xué)兩者間的研究工作是相互滲透、彼此影響和互相促進(jìn)的。這就是說，塑性加工變形的宏觀力學(xué)與變形材料的微觀力學(xué)相互結(jié)合才能促進(jìn)塑性加工變形力學(xué)理論向縱
深發(fā)展，共同組成完整的理論體系。塑性加工力學(xué)目前尚存在一些問題，務(wù)實(shí)而有效的辦法是弄清各類材料進(jìn)行不同塑性加工成形過程的機(jī)制，采用有根據(jù)而又可靠的簡(jiǎn)化處理方法，以求得精確而實(shí)用的解。
2.3 塑性加工摩擦學(xué)
塑性加工摩擦學(xué)是研究金屬塑性加工過程中變形金屬與工具接觸表面間的力學(xué)、物理化學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)理論學(xué)科。在塑性變形過程中，摩擦對(duì)變形金屬中的應(yīng)力應(yīng)變分布和變形力學(xué)性能參數(shù)有重要作用，而且直接影響工件的表面質(zhì)量和工具的磨損及工具的壽命。塑性加工摩擦學(xué)的基本任務(wù)是按照摩擦學(xué)的原理，結(jié)合塑性加工時(shí)的摩擦特點(diǎn)，研究塑性變形中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑問題，控制摩擦不利的方面，利用其有利方面，使加工過程節(jié)能，降低工具消耗，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率。如在塑性加工過程中，在軋制時(shí)的初軋機(jī)上，常在軋輥表面上刻痕以增大摩擦、增大咬入角以便于坯錠的咬入；而在冷軋薄板時(shí)，為了降低軋制壓力，提高表面質(zhì)量和控制板形，需要將軋輥磨光甚至拋光，并加上良好的潤(rùn)滑以降低摩擦。因摩擦學(xué)是涉及多學(xué)科的綜合性學(xué)科，過去因?qū)λ恼J(rèn)識(shí)不足而研究不足，現(xiàn)在看到了它對(duì)工程的重要性、普遍性和復(fù)雜性，所以需要對(duì)其進(jìn)行更深入的研究。
金屬塑性加工中的摩擦十分復(fù)雜，它與普通的機(jī)械摩擦相比有許多特點(diǎn)。如金屬塑性加工中，作用于摩擦面上的壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于機(jī)械摩擦，加上金屬的延伸變形使金屬表面露出潔凈的新金屬面，易促成變形金屬與工具面的局部黏結(jié)，使摩擦力增大，因而磨損也加大。此時(shí)的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于機(jī)械摩擦的摩擦系數(shù)。另外，在接觸表面的垂直方向，金屬的流動(dòng)受到工具表面的制約，但在切線方向金屬的流動(dòng)則決定于變形金屬內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。這就使接觸表面上金屬與工具之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)多種不同的狀況：當(dāng)垂直壓強(qiáng)較小時(shí)，主要是兩者的相互滑動(dòng)，雖然也可能伴有隨產(chǎn)生隨除去的局部黏結(jié)現(xiàn)象；當(dāng)壓強(qiáng)增大至某一值，使摩擦力達(dá)到金屬的剪切強(qiáng)度后，即呈現(xiàn)恒定摩擦力狀態(tài)，或換為制動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)金屬與工具表面間不動(dòng)時(shí)，呈現(xiàn)出靜摩擦狀態(tài)，或稱黏著，有時(shí)只發(fā)生少量的局部黏著。
按潤(rùn)滑狀況不同，摩擦又可分為干摩擦、邊界摩擦和液體摩擦3種類型。事實(shí)上，許多摩擦往往是這3種類型不同組合的混合形式。
一般多把接觸面上剪切力與法向壓強(qiáng)的比值稱為摩擦系數(shù)，或稱為摩擦力因子。但它已無法描述塑性變形中摩擦的本質(zhì)及變化規(guī)律。因而在不同狀態(tài)下測(cè)得的摩擦系數(shù)常常相差很大。
摩擦機(jī)制的進(jìn)一步闡明、準(zhǔn)確的摩擦系數(shù)的測(cè)定、潤(rùn)滑劑的研制和選用，這些都是金屬塑性加工摩擦學(xué)的重要研究方向。
2.4塑性變形基本規(guī)律
在塑性加工時(shí)，塑性變形的基本規(guī)律有：
（1)體積不變定律。眾所周知，物質(zhì)不滅和質(zhì)量守恒是自然界普遍存在的規(guī)律。當(dāng)然在塑性變形時(shí)也必須遵守該自然法則。
物體的質(zhì)量等于體積和密度的乘積。在塑性加工過程中，不論是熱加工或冷加工，其密度變化很小，可以認(rèn)為，加工前后金屬的體積不變。
（2)最小阻力定律。從金屬的微觀粒子理論可知，金屬是由無數(shù)晶體構(gòu)成的，而晶體是由排列有序的原子組成的。金屬塑性加工時(shí)，金屬的變形是通過內(nèi)部微小質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)變形體的質(zhì)點(diǎn)有可能沿不同方向移動(dòng)時(shí)，則每一質(zhì)點(diǎn)沿阻力最小的方向移動(dòng)。這與導(dǎo)體內(nèi)電子流動(dòng)是相似的。
（3)不均勻的變形。金屬的塑性變形在理想狀態(tài)下認(rèn)為是均勻的。但是實(shí)際情況時(shí)，常常并非理想狀態(tài)，因受到許多因素的影響，金屬在變形區(qū)內(nèi)的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)及變形常常是不均勻的。此時(shí)會(huì)出現(xiàn)金屬坯外形歪扭，內(nèi)部組織不均勻，而且還使變形體內(nèi)應(yīng)
力分布不均勻。不均勻的變形給產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和工藝過程造成不良影響。因此必須深人研究不均勻變形產(chǎn)生的原因、后果及其防止措施。

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