3.1 金属塑性成形基础
3.3.1金属塑性变形的机理
1.单晶体的塑性变形,
在外力作用下金属内部产生应力和应变。
单晶体 在切应力作用下产生应变，当切
应力 达到 材料的 屈服强度 时晶格内产生相对
滑移 。外力去除后晶格的弹性变形消失，而
滑移造成的变形保留下来，故形成宏观塑性
变形。
（ 1）塑性变形形式,
1）滑移； 2）双晶（孪晶）。
（ 2）滑移, 晶体内一部分原子相对于另一部
分产生滑动。
位错,晶体中一列或若干列原子发生错排而
造成的晶格扭曲现象。, 位错具有易动性,
滑移的位错理论,晶体内的滑移是借助滑移
面上的位错运动来实现的。
安徽工程科技学院机械系
● 孪晶 ● 滑移
安徽工程科技学院机械系
2.多晶体的塑性变形,
由 晶内变形
（各晶粒内通过位错运动
发生的滑移或孪晶）和
晶间变形
（晶粒间的滑动和转动）
共同完成的。
3.1.2 金属的加工硬化、回复和再结晶
1.金属的加工硬化,
即金属在低于再结晶温度加工时，由于塑性应变而产
生的强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象。
意义, 强化金属。
纯 金属及某些不能通过热处理方法强化的合金，如低碳
钢、纯铜、防锈铝、奥氏体不锈钢、高锰钢等，可通
过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提高其强度和硬度。
但 在冷轧薄钢板、冷拉细钢丝及多道拉深的过程中，也
会由于加工 硬化造成后道加工 的困难,甚至开 裂 。
故 应 在工序间穿插热处理工艺来消除加工硬化。
2.回复与再结晶,
（ 1）回复,
即将冷成形后的金属加热至一定温度后，
使原子恢复到平衡位臵，晶内残余应力大大减
小的现象。
T回 ＝（ 0.25～ 0.3） T熔 K
生产中常利用 回复 消除加工硬化后工件
的残余内应力。
（ 2）再结晶,即塑性变形后金属被拉长的
晶粒重新生核、结晶，变为等轴晶粒的现象。
T再 ＝ 0.4 T 熔 K
生产中，再结晶也有广泛的应用。
例 如, 在冷轧、冷挤、冷拉、冷冲的过程中穿
插 再结晶退火, 消除加工硬化, 恢复金属材料
的良好塑性,以利于后续的冷变形加工。
3.1.3 金属的冷成形、热成形及温成形
1.冷成形,即坯料在回复温度以下进行的塑性
成形过程，变形过程中会出现加工硬化。
包括冷冲、冷挤、冷镦、冷轧、冷拔等,T变 ＜ T回。
优缺点,（ 1） 成形后的金属表面光洁, 尺寸
精确, 具有较高强度和硬度 。
（ 2）有加工硬化，变形 量 不宜过大。
2.热成形,
即金属在再结晶温度以上进行的塑性成形过程。
包括 锻造、热挤压、热轧, T变 ＞ T再
优缺点,（ 1） 产品力学性能高；
（ 2） 无加工硬化现象；
（ 允许以较小的功达到较大的变形 。 ）
（ 3） 产品尺寸精度有所下降 。
3.温成形,
即金属在高于回复温度以上和低于再结
晶温度范围内进行的塑性成形过程。
包括温挤压、温拉拔、温锻等。
T回 ＜ T变 ＜ T再
特点,变形中有加工硬化和回复现象,
无再结晶现象。
为帮助大家更好地理解和掌握加工硬化, 回复,
再结晶对金属组织和性能的影响，下面举例 说明,
例 1：已知铅的熔点为 327℃,钨的熔点为
3380℃ 。问：铅在 20℃, 钨在 1000℃ 时变
形各属哪种变形？为什么？
解,T铅再 ＝ 0.4T 熔 ＝ 0.4（ 327+273）
＝ 240° K ＝ -33℃ < 20℃
故铅在 20℃ 属于热变形,
T 钨再 ＝ 0.4 T熔 ＝ 0.4（ 3380+273）
＝ 1461° K ＝ 1188℃ >1000℃
T 钨 回 ＝ （ 0.25－ 0.3） T熔
＝ （ 913－ 1096） K
＝ （ 640－ 823） ℃ < 1000℃
故钨在 1000℃ 属于 温 变形 。
3.1.4 锻造比和锻造流线
1.锻造比, y”,锻造时变形程度的一种表示
方法，通常用变形前后的截面比、长度比或
高度比来表示。
拔长时,y = A0 （前） / A （后） = L / L0
镦粗时,y = A / A0 = H0 / H
一般：随 y增大，金属力学性能提高；
结构钢钢锭的 y通常为 2－ 4。
2.锻造流线,
也称, 流纹,
即锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金
属的主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑
性杂质呈带状分布，从而具有一定方向性。
（ 1） 特点,
1） 沿着流线方向抗拉强度高, 塑性, 韧性
也高 。 垂直流线方向抗拉强度低, 塑性, 韧
性也低 。
2） 化学稳定性强, 通过热处理不能消除 。
2．应用：一般应遵循两项原则
（ 1）使流线分布与零件的轮廓相符合而不
被切断。
（ 2）使零件所受的最大正 (拉 )应力与流线方
向一致，切应力与流线垂直。
例如,1）用棒料经局部镦粗制螺钉；
2）, 金流线金属锻造,,制吊钩,
曲轴、齿轮等。
安徽工程科技学院机械系
A U T S
锻造流线的化学稳定性很高，用热处理或其
它方法都不能消除，只能通过重新锻压才能改变
其流线方向和分布状况。
3.1.5 材料的塑性成形性
1.材料的塑性成形性,
指是材料经过塑性变形不产生裂纹和破裂
以获得所需形状的加工性能。
包括 可锻性和板料冲压性能。
可锻性,指材料在锻造过程中经受塑性变形而
不开裂的能力。
一般,材料塑性越好，变形抗力越小，材料的
塑性成形性越好。
2.影响因素
（ 1） 材料本质
1） 化学成分,
碳, C固溶于 Fe中, 形成 F,A,塑性增大,
变形抗力下降, 塑性成形性提高； C与 Fe形成
Fe3C,塑性下降, 变形抗力增大 。
杂质元素,硫, 磷等杂质元素, 一般使钢塑
性下降 。
合金元素,一般降低塑性, 提高变形抗力,
塑性成形性下降 。
2）金相组织,
单相优于多相；细晶粒优于粗晶粒,
热成形组织优于冷成形和铸态组织 。
（ 2） 变形条件
1） 变形温度,
一般情况,
温度升高, 塑性增大, 塑性成形性增大,
但温度过高, 塑性会下降,
塑性成形性也会下降 。
2）应变速率,指应变相对于时间的变化率。
两方面：①应变速率增大，塑性下降；
②应变速率达一定值后,
由于热效应，塑性增大。
3）应力状态,指受力物体内一点的各个面
上的应力状况。
主应力图：变形体内单元体上主应力作用情
况的示意图形。
应力状态取决于加工方式。
压应力个数越多，数值越大，塑性越好。
3.1.6 金属塑性成形的基本规律
1.体积不变条件（定律）,
由于塑性变形时金属密度变化很小，所以可
以认为变形前后的体积相等,
实际上在变形中有微小变化 。 气孔, 缩松被压
合；氧化及耗损等 。
运用此定律, 便于 估算 坯料体积, 质量及坯料
在各工序中的尺寸；
采用 V形砧拔长以 提高 拔长效率。
2.最小阻力定律,
即如果物体在变形过程中某质点有向各
种方向移动的可能性时，则物体各质点将向
阻力最小的方向移动。
故宏观上变形阻力最小的方向上变形量大。
依据该定律,
镦粗矩形截面坯料，最终会成为圆形截面。
3.3.1金属塑性变形的机理
1.单晶体的塑性变形,
在外力作用下金属内部产生应力和应变。
单晶体 在切应力作用下产生应变，当切
应力 达到 材料的 屈服强度 时晶格内产生相对
滑移 。外力去除后晶格的弹性变形消失，而
滑移造成的变形保留下来，故形成宏观塑性
变形。
（ 1）塑性变形形式,
1）滑移； 2）双晶（孪晶）。
（ 2）滑移, 晶体内一部分原子相对于另一部
分产生滑动。
位错,晶体中一列或若干列原子发生错排而
造成的晶格扭曲现象。, 位错具有易动性,
滑移的位错理论,晶体内的滑移是借助滑移
面上的位错运动来实现的。
安徽工程科技学院机械系
● 孪晶 ● 滑移
安徽工程科技学院机械系
2.多晶体的塑性变形,
由 晶内变形
（各晶粒内通过位错运动
发生的滑移或孪晶）和
晶间变形
（晶粒间的滑动和转动）
共同完成的。
3.1.2 金属的加工硬化、回复和再结晶
1.金属的加工硬化,
即金属在低于再结晶温度加工时，由于塑性应变而产
生的强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象。
意义, 强化金属。
纯 金属及某些不能通过热处理方法强化的合金，如低碳
钢、纯铜、防锈铝、奥氏体不锈钢、高锰钢等，可通
过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提高其强度和硬度。
但 在冷轧薄钢板、冷拉细钢丝及多道拉深的过程中，也
会由于加工 硬化造成后道加工 的困难,甚至开 裂 。
故 应 在工序间穿插热处理工艺来消除加工硬化。
2.回复与再结晶,
（ 1）回复,
即将冷成形后的金属加热至一定温度后，
使原子恢复到平衡位臵，晶内残余应力大大减
小的现象。
T回 ＝（ 0.25～ 0.3） T熔 K
生产中常利用 回复 消除加工硬化后工件
的残余内应力。
（ 2）再结晶,即塑性变形后金属被拉长的
晶粒重新生核、结晶，变为等轴晶粒的现象。
T再 ＝ 0.4 T 熔 K
生产中，再结晶也有广泛的应用。
例 如, 在冷轧、冷挤、冷拉、冷冲的过程中穿
插 再结晶退火, 消除加工硬化, 恢复金属材料
的良好塑性,以利于后续的冷变形加工。
3.1.3 金属的冷成形、热成形及温成形
1.冷成形,即坯料在回复温度以下进行的塑性
成形过程，变形过程中会出现加工硬化。
包括冷冲、冷挤、冷镦、冷轧、冷拔等,T变 ＜ T回。
优缺点,（ 1） 成形后的金属表面光洁, 尺寸
精确, 具有较高强度和硬度 。
（ 2）有加工硬化，变形 量 不宜过大。
2.热成形,
即金属在再结晶温度以上进行的塑性成形过程。
包括 锻造、热挤压、热轧, T变 ＞ T再
优缺点,（ 1） 产品力学性能高；
（ 2） 无加工硬化现象；
（ 允许以较小的功达到较大的变形 。 ）
（ 3） 产品尺寸精度有所下降 。
3.温成形,
即金属在高于回复温度以上和低于再结
晶温度范围内进行的塑性成形过程。
包括温挤压、温拉拔、温锻等。
T回 ＜ T变 ＜ T再
特点,变形中有加工硬化和回复现象,
无再结晶现象。
为帮助大家更好地理解和掌握加工硬化, 回复,
再结晶对金属组织和性能的影响，下面举例 说明,
例 1：已知铅的熔点为 327℃,钨的熔点为
3380℃ 。问：铅在 20℃, 钨在 1000℃ 时变
形各属哪种变形？为什么？
解,T铅再 ＝ 0.4T 熔 ＝ 0.4（ 327+273）
＝ 240° K ＝ -33℃ < 20℃
故铅在 20℃ 属于热变形,
T 钨再 ＝ 0.4 T熔 ＝ 0.4（ 3380+273）
＝ 1461° K ＝ 1188℃ >1000℃
T 钨 回 ＝ （ 0.25－ 0.3） T熔
＝ （ 913－ 1096） K
＝ （ 640－ 823） ℃ < 1000℃
故钨在 1000℃ 属于 温 变形 。
3.1.4 锻造比和锻造流线
1.锻造比, y”,锻造时变形程度的一种表示
方法，通常用变形前后的截面比、长度比或
高度比来表示。
拔长时,y = A0 （前） / A （后） = L / L0
镦粗时,y = A / A0 = H0 / H
一般：随 y增大，金属力学性能提高；
结构钢钢锭的 y通常为 2－ 4。
2.锻造流线,
也称, 流纹,
即锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金
属的主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑
性杂质呈带状分布，从而具有一定方向性。
（ 1） 特点,
1） 沿着流线方向抗拉强度高, 塑性, 韧性
也高 。 垂直流线方向抗拉强度低, 塑性, 韧
性也低 。
2） 化学稳定性强, 通过热处理不能消除 。
2．应用：一般应遵循两项原则
（ 1）使流线分布与零件的轮廓相符合而不
被切断。
（ 2）使零件所受的最大正 (拉 )应力与流线方
向一致，切应力与流线垂直。
例如,1）用棒料经局部镦粗制螺钉；
2）, 金流线金属锻造,,制吊钩,
曲轴、齿轮等。
安徽工程科技学院机械系
A U T S
锻造流线的化学稳定性很高，用热处理或其
它方法都不能消除，只能通过重新锻压才能改变
其流线方向和分布状况。
3.1.5 材料的塑性成形性
1.材料的塑性成形性,
指是材料经过塑性变形不产生裂纹和破裂
以获得所需形状的加工性能。
包括 可锻性和板料冲压性能。
可锻性,指材料在锻造过程中经受塑性变形而
不开裂的能力。
一般,材料塑性越好，变形抗力越小，材料的
塑性成形性越好。
2.影响因素
（ 1） 材料本质
1） 化学成分,
碳, C固溶于 Fe中, 形成 F,A,塑性增大,
变形抗力下降, 塑性成形性提高； C与 Fe形成
Fe3C,塑性下降, 变形抗力增大 。
杂质元素,硫, 磷等杂质元素, 一般使钢塑
性下降 。
合金元素,一般降低塑性, 提高变形抗力,
塑性成形性下降 。
2）金相组织,
单相优于多相；细晶粒优于粗晶粒,
热成形组织优于冷成形和铸态组织 。
（ 2） 变形条件
1） 变形温度,
一般情况,
温度升高, 塑性增大, 塑性成形性增大,
但温度过高, 塑性会下降,
塑性成形性也会下降 。
2）应变速率,指应变相对于时间的变化率。
两方面：①应变速率增大，塑性下降；
②应变速率达一定值后,
由于热效应，塑性增大。
3）应力状态,指受力物体内一点的各个面
上的应力状况。
主应力图：变形体内单元体上主应力作用情
况的示意图形。
应力状态取决于加工方式。
压应力个数越多，数值越大，塑性越好。
3.1.6 金属塑性成形的基本规律
1.体积不变条件（定律）,
由于塑性变形时金属密度变化很小，所以可
以认为变形前后的体积相等,
实际上在变形中有微小变化 。 气孔, 缩松被压
合；氧化及耗损等 。
运用此定律, 便于 估算 坯料体积, 质量及坯料
在各工序中的尺寸；
采用 V形砧拔长以 提高 拔长效率。
2.最小阻力定律,
即如果物体在变形过程中某质点有向各
种方向移动的可能性时，则物体各质点将向
阻力最小的方向移动。
故宏观上变形阻力最小的方向上变形量大。
依据该定律,
镦粗矩形截面坯料，最终会成为圆形截面。
