金屬塑性加工

通過塑性變形（範性形變）使固體金屬成為所需形狀的加工過程。又稱金屬壓力加工，此名源於俄語обра-ботка металлов давлением。中國古代的金屬塑性加工技術發展較早（見冶金史）。中國近代的金屬軋制生產，始於1871年福州船政局所屬的拉鐵(軋鋼)廠。以後，較大規模的有始建於1890年的漢陽鐵廠的軋機，還有上海、天津的中小型軋機，山西太原的軋鋼廠，以及1931年以後遼寧鞍山和本溪的軋鋼廠。從年，中國的金屬塑性加工生產得到了較大的發展，能生產各種型材、線材，各種中厚鋼板、薄板和箔材，各種鋼管和有色金屬管，鋼絲繩、銅、鋁電線以及各種有色金屬製品。目前已形成品種較全、體系初具的金屬塑性加工業。

金屬塑性加工在現代冶金工業生產中佔有重要地位，同金屬切削加工相比，塑性加工有以下優點：①從成型原則上說，無切屑，金屬損耗較少；②在取得所需形狀的同時，改善材料的組織和性能，成品能夠直接使用或者便於加工；③適於專業化的大規模生產。主要缺點是：①某些脆性材料和形狀複雜的製品不適於用塑性加工；②專業化生產時需要專用的設備和工具。

金屬塑性加工的類別 可以按照加工施力類型和製品性質（加工硬化程度）等特徵進行分類。

加工施力類型 大致分為以下五類(圖1)：①直接受壓，壓力施加於工件，如鍛壓、擠壓和軋制；②間接受壓，施加的力常為張力，但通過工具和工件的反作用而產生的間接壓力可達相當高的數值。如拔絲、拔管和金屬板深拉；③張力，在張力作用下，金屬板被反捲成下面模子的形狀，如拉延；④彎曲，施加的是彎矩，如金屬冷彎成型；⑤剪切，施加剪切使金屬成型，如沖裁、剪切。

加工硬化程度 按照塑性加工時是否完全消除加工硬化，分為熱加工和冷加工(見塑性變形的力學原理)。對大多數金屬和合金來說，熱加工是塑性加工的第一步。熱加工能量消耗低，允許變形程度高，有助於消除鑄錠的鑄態組織中的粗晶、空洞和疏鬆，並能減輕偏析；經過熱加工的製品的延性和韌性優於鑄件。在實際生產中，對特定的金屬或合金品種和生產條件，往往有一個完全消除鑄態組織或保證獲得某種性能所必需的加工量。這個加工量對鍛壓稱為開坯鍛壓比，對軋制稱為開坯壓縮比。

熱加工也產生不少問題。金屬在高溫下氧化吸氣，不僅損耗金屬，而且會惡化製品性質。例如：鈦因高溫氧化而變脆，往往要求特殊的防護；某些鋼材由於表面氧化脫碳，加工后要把表層完全去掉；由於氧化物的壓入，熱加工后難於得到良好的表面；此外，還由於溫度控制有偏差，熱加工製品的尺寸精度和組織均勻度都較低。

熱加工的溫度範圍首先取決於材料化學成分，其次取決於生產條件和控制溫度的水平。熱加工溫度的上限受到金屬熔化、迅速氧化、易熔相的熔化以及金屬熱脆的限制；下限受到和金屬加工應能同時完成再結晶的限制（見塑性加工與金屬組織）。有時為了得到良好的晶粒組織，進行控制軋制。圖2給出碳鋼的加工溫度和含碳量的關係，參見鐵碳平衡圖可更好地理解圖2。

冷加工常同各種形式的退火結合，構成加工硬化-退火軟化的交替循環操作。由於退火氣氛可以控制，這就減少了氧化和由溫度變化引起最終製品的尺寸變化，從而獲得良好的金屬表面和尺寸精度。因此這種工藝常用於成品加工（見回復和再結晶）。

塑性加工方式的選擇 金屬塑性加工的實際應用，要考慮三方面的因素的影響：

材料的塑性加工性 即材料在某種加工過程中所能容許的變形程度；它不僅取決於材料本身的性質和具體的變形條件(如溫度、應變速率和應力狀態條件等)，而且也同材料被破壞的方式有關，因為材料斷裂並非是不能繼續加工的唯一原因。例如在拔制和深沖時，如果材料的加工硬化性不足，可能引起塑性失穩產生頸縮而失效（圖3）。正因如此，通常認為室溫下塑性極好的鉛和錫，由於沒有加工硬化，所以拔制或衝壓加工性很差。同樣，也可能由於其他方式的塑性失穩，使加工過程失敗，這種情況可發生於墩粗、深沖和拉伸，見圖4。

塑性加工大多是因為工件產生裂紋或斷裂而無法繼續進行。裂紋按形成部位分為：①在自由表面上的裂紋，如墩粗時形成桶形裂紋，軋制時產生側邊裂紋（圖5）；②在磨擦力特強部位的裂紋，如擠壓時靠近模子處的龜裂（圖6）；③內裂，如拔棒時生成的中間裂口（圖3）。

材料的塑性加工性可用多種方法測定。這些方法既是研究的手段，又是加工后檢驗產品的手段。測定的試驗方法可分為兩類：①同普通材料試驗相似，測定材料在拉、壓、彎、扭等情況下的表現，主要用於探討變形條件（溫度、應變速率等）對塑性的影響；②模擬實際加工條件的試驗，如對板的衝壓成型性用液壓脹形試驗、杯突試驗、頂鍛、楔形軋制以及旋鍛試驗等。

設備和工具 塑性加工需要有足夠的強度和剛性的工具向工件施力。一般說來，設備和工具的彈性變形應有一定的限度，超出限度就得不到合格的產品（見軋機彈性變形）。

技術經濟比較 同一製品有多種加工方法，各種方法在經濟技術上互相競爭，如初軋和連鑄、無縫管和焊管、熱軋型材和冷彎型材等。選擇加工工藝和設備時要根據產品的品種、質量、批量和總產量，以及原料、勞動力等條件，並充分考慮到現有條件，進行多方面的比較。

塑性加工方法 鍛壓 把工件放在成對工具之間，由衝擊或靜壓使工件高度縮短而得到預期的形狀。鍛壓加工的優點是適應性強，能生產形狀複雜的各種材質的多種製品，又能鍛壓特大工件。對於改善合金鋼組織，特別是消除網狀碳化物來說，鍛壓的效果通常優於軋制。鍛壓的缺點是能耗大，生產效率低，成本高。

擠壓 把坯料放在擠壓筒內，使之從一定形狀和尺寸的孔中擠出，獲得製品。擠壓加工的優點是能夠加工低塑性材料，還可擠壓出形狀複雜、尺寸比較精確的工件。擠壓的主要缺點是成材率低，勞動生產率低，單產投資和成本均高。

軋制 被加工金屬通過轉動的軋輥而變形的過程。軋制的優點是勞動生產率、成材率、機械化和自動化程度都高，能耗低，適於大規模生產，是冶金工業使用最廣的塑性加工方法。缺點是生產品種和批量受到限制。

拔制 被加工金屬由拉力通過傾角約為的錐形拉模而變形的過程。拔制的產品可以為棒、絲或管，其斷面通常為圓形，但也有種種異形製品。拔制大多數為冷拔，都屬於二次加工，只能用於特定的產品，而且往往這種方法是唯一可行的方法。拔制工藝的優點是平均單位壓力低，製品尺寸精度高；但不適用於低塑性材料。

板金加工 金屬板材經過加工，厚度無多大變化，而斷面形成各種所需形狀的過程。板金加工屬於二次加工，常為冷加工（見冷彎型材，板材衝壓）。

組合加工 對於特定的製品，常把各種塑性加工過程以及焊接、切削等組合在一起，進行加工。冶金產品中比較典型的例子是螺旋焊接鋼管(見焊接管生產)和金屬連續鑄軋等。（見彩圖）

參考書目

G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 2nd ed.,McGraw-Hill,New York,1976.