第2章 冲压变形的基本原理
2.1 金属塑性变形的基本概念
冲压成形是以金属板料为加工对象，在外力作用下使其发生塑性变形或分离而成形为制件的一种金属加工方法。要掌握冲压成形加工技术，首先必须了解金属的塑性变形和塑性。
2.1.1 塑性变形的物理概念
在金属材料中，原子之间作用着相当大的力，足以抵抗重力的作用，所以在没有其他外力作用的条件下，物体将保持自有的形状和尺寸。当金属受到外力作用后，物体的形状和尺寸将发生变化，即变形，变形的实质就是原子间的距离产生变化。
假如作用于物体的外力去除后，由外力引起的变形随之消失，物体能完全恢复自己的原始形状和尺寸，这样的变形称为弹性变形。若作用于物体的外力去除后，物体并不能完全恢复自己的原始形状和尺寸，这样的变形称为塑性变形。
塑性变形和弹性变形一样，它们都是在变形体不破坏的条件下进行的，或在变形体中局部区域不破坏的条件下进行的（即连续性不破坏）。在塑性变形条件下，总变形既包括塑性变形，也包括除去外力后消失的弹性变形。
2.1.2 塑性变形的基本形式
金属塑性变形过程非常复杂，原子离开平衡位置而产生的变形，主要有滑移和孪动两种形式。
1.滑移
当作用在晶体上的切应力达到一定数值后，晶体一部分沿一定的晶面和晶向相对另一部分产生滑移。这一晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。图2-1所示为晶格的滑移过程示意图。
金属的滑移面，一般都是晶格中原子分布最密的面，滑移方向则是原子分布最密的结晶方向。这是因为沿着原子分布最密的面和方向滑移的阻力最小。金属晶格中，原子分布最密的晶面和结晶方向越多，产生滑移的可能性越大，金属的塑性就越好。各种晶格，其滑移面与滑移方向及其数量如图2-2、表2-1所示。
图2-1 晶格的滑移过程
a）滑移前 b）弹性变形 c）弹性变形+ 塑性变形 d）塑性变形
图2-2 各种晶格的滑移面与滑移方向
a）体心立方晶格 b）面心立方晶格 c）密排六方晶格
表2-1 常见金属晶格结构及其滑移系
2.孪动
孪动也是在一定的切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分，沿着一定的晶面和方向发生转动的结果，已变形部分的晶体位向发生改变，与未变形部分以孪动面对称，如图2-3所示。
孪动与滑移的主要差别是：①滑移过程是渐进的，而孪动过程是突然发生的；②孪动时原子位置不会产生较大的错动，因此晶体取得较大塑性变形的方式，主要是滑移的作用；③孪动后，晶体内部出现空隙，易于导致金属的破坏；④孪动所要求的临界切应力比滑移要求的临界切应力大得多，只有滑移过程很困难时，晶体才发生孪动。
滑移和孪动都是发生在单个晶粒内部的变形，称为晶内变形。工业生产中实际使用的金属则是由多个晶粒组成的集合体，即多晶体。多晶体的变形基本形式仍是滑移和孪动，但在变形过程中，多晶体变形受到晶粒位向的影响和晶界的阻碍，会造成变形不均匀。
多晶体的变形方式除晶粒本身的滑移和孪动外，还有在外力作用下晶粒间发生的相对移动和转动而产生的变形，即晶间变形。凡是加强晶间结合力、减少晶间变形、有利于晶内发生变形的因素，均有利于晶体进行塑性变形。当晶体间存有杂质时，会使晶间结合力降低，晶界变脆，不利于多晶体进行塑性变形。当多晶体变形所受的应力状态为压应力时，增加了晶间变位困难，使脆性材料的晶内变形发生，结果增加了脆性材料的塑性。
图2-3 单晶体的孪动过程
a）孪动前 b）弹性变形 c）孪动发生 d）永久变形
2.1.3 金属的塑性与变形抗力
塑性成形是以塑性为依据，在外力的作用下进行的。从成形工艺的角度，人们总是希望变形金属具有较高的塑性和低的变形抗力。下面对塑性和变形抗力的概念作一简要介绍。
1.塑性
所谓塑性，是指固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性不仅与材料本身的性质有关，还与变形方式和变形条件有关。因此，材料的塑性不是固定不变的，不同的材料在同一变形条件下会有不同的塑性，而同一种材料，在不同的变形条件下，也会表现不同的塑性。例如，在通常情况下，铅具有极好的塑性，但在三向等拉应力的作用下，却像脆性材料一样地破坏，而不产生任何塑性变形。反之，极脆的大理石，在三向压应力作用下，有可能产生较大的塑性变形。
塑性指标是衡量金属在一定条件下塑性高低的数量指标。它以材料开始破坏时的塑性变形量来表示，并可借助于各种试验方法测定。
常用的塑性指标是拉伸试验所得的断后伸长率A和断面收缩率Z。它们的定义分别为
式中 L0、A0———拉伸试样原始标距长度（mm）和原始横截面面积（mm2）；
Lk、Ak———试样断裂后标距长度（mm）和断裂处最小横截面面积（mm2）。
除了拉伸试验外，还有爱力克辛试验、弯曲试验（测定板料胀形和弯曲时的塑性变形能力）和镦粗试验（测定材料锻造时的塑性变形能力）等。需要指出的是，各种试验方法都是相对于特定的状况和变形条件下承受的塑性变形能力。它们说明在某种受力状况和变形条件下，这种金属的塑性比那种金属的塑性高还是低，或者对某种金属来说，在什么样的变形条件下塑性好，而在什么样的变形条件下塑性差。
2.变形抗力
塑性成形时，使金属发生变形的外力称为变形力，而金属抵抗变形的反作用力，称为变形抗力。变形力和变形抗力大小相等，方向相反。变形抗力一般用单位接触面积上的反作用力来表示。在某种程度上，变形抗力反映了材料变形的难易程度。它的大小，不仅取决于材料的流动应力，而且还取决于塑性成形时的应力状态、摩擦条件以及变形体的几何尺寸等因素。只有在单向均匀拉伸（或压缩）时，它才等于所考虑材料在一定变形温度、变形速度和变形程度下的流动应力。
塑性和变形抗力是两个不同的概念，前者反映塑性变形的能力，后者反映塑性变形的难易程度，它们是两个独立的指标。人们常认为塑性好的材料变形抗力低，塑性差的材料变形抗力高，但实际情况并非如此。如奥氏体不锈钢在室温下可经受很大的变形而不破坏，说明这种钢的塑性好，但变形抗力却很高。
2.1.4 影响金属塑性和变形抗力的主要因素
影响金属塑性和变形抗力的主要因素有两个方面：一是变形金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等内部性质；其二是变形时的外部条件，如变形温度、变形速度和变形形式等。
1.化学成分和组织对塑性和变形抗力的影响
化学成分和组织对塑性和变形抗力的影响非常明显，也很复杂。下面以钢为例来说明。
（1）化学成分的影响 在碳钢中，铁和碳是基本元素。在合金钢中，除了铁和碳外，还含有硅、锰、铬、镍、钨等。在各类钢中还含有某些杂质，如磷、硫、氢、氧等。
碳对钢的性能影响最大。碳能固溶到铁里形成铁素体和奥氏体固溶体，它们都具有良好的塑性和低的变形抗力。当碳含量超过铁的溶碳能力时，多余的碳便与铁形成具有很高的硬度而塑性几乎为零的渗碳体。渗碳体对基体的塑性变形起阻碍作用，降低塑性，抗力提高。可见碳含量越高，碳钢的塑性成形性能就越差。
合金元素加入钢中，不仅改变了钢的使用性能，而且改变了钢的塑性成形性能，其主要的表现为：塑性降低，变形抗力提高。这是由于：合金元素溶入固溶体（α-Fe和γ-Fe），使铁原子的晶体点阵发生不同程度的畸变；合金元素与钢中的碳形成硬而脆的碳化物（碳化铬、碳化钨等）；合金元素改变钢中相的组成，造成组织的多相性等，这些都会造成钢的变形抗力提高，塑性降低。
杂质元素对钢的塑性变形一般都有不利的影响。磷溶入铁素体后，使钢的强度、硬度显著增加，塑性、韧性明显降低。在低温时，造成钢的冷脆性。硫在钢中几乎不溶解，与铁形成塑性低的易溶共晶体FeS，热加工时出现热脆开裂的现象。钢中溶氢，会引起氢脆现象，使钢的塑性大大降低。
（2）组织的影响 钢在规定的化学成分内，由于组织的不同，塑性和变形抗力也会有很大的差别。单相组织比多相组织塑性好，变形抗力低。多相组织由于各相性能不同，使得变形不均匀，同时基本相往往被另一相机械地分割，故塑性降低，变形抗力提高。
晶粒的细化有利于提高金属的塑性，但同时也提高了变形抗力。这是因为在一定的体积内细晶粒的数目比粗晶粒的数目要多，塑性变形时有利于滑移的晶粒就较多，变形均匀地分散在更多的晶粒内；另外，晶粒越细，晶界面越曲折，对微裂纹的传播越不利。这些都有利于提高金属的塑性变形能力。另一方面晶粒多，晶界也越多，滑移变形时位错移动到晶界附近将会受到阻碍并堆积，若要位错穿过晶界则需要很大的外力，从而提高了塑性变形抗力。
另外，钢的制造工艺，如冶炼、浇注、锻轧、热处理等，都影响着金属的塑性和变形抗力。
2.变形温度对塑性和变形抗力的影响
变形温度对金属和合金的塑性有很大的影响。就多数金属和合金而言，随着温度的升高，塑性增加，变形抗力降低。这种情况，可以从以下几个方面进行解释：
1）温度升高，发生回复和再结晶。回复使金属的加工硬化得到一定程度的消除，再结晶能完全消除加工硬化，从而使金属的塑性提高，变形抗力降低。
2）温度升高，原子热运动加剧，动能增大，原子间结合力减弱，使临界切应力降低。温度升高，不同滑移系的临界切应力降低速度不一样。因此，在高温下可能出现新的滑移系。滑移系的增加，提高了变形金属的塑性。
3）温度升高，原子的热振动加剧，晶格中原子处于不稳定状态。此时，如晶体受到外力作用，原子就会沿应力场梯度方向，由一个平衡位置转移到另一个平衡位置，使金属产生塑性变形。这种塑性变形的方式称为热塑性，也称扩散塑性。在高温下，热塑性作用大为增加，使金属的塑性提高，变形抗力降低。但在回复温度以下，热塑性对金属变形的作用不明显。
4）温度升高，晶界强度下降，使得晶界的滑移容易进行。同时，由于高温下扩散作用加强，使晶界滑移产生的缺陷得到愈合。
由于金属和合金的种类繁多，上述一般的结论并不能概括各种材料的塑性和变形抗力随温度的变化情况。可能在温升过程中的某些温度区间，往往由于过剩相的析出或相变等原因，而使金属的塑性降低和变形抗力增加（也可能降低）。碳钢的断后伸长率、断面收缩率和抗拉强度随温度的变化如图2-4所示。
3.变形速度对塑性和变形抗力的影响
所谓变形速度，是指单位时间内变形物体应变的变化量。塑性成形设备的加载速度在一定程度上反映了金属的变形速度。变形速度对塑性变形的影响是多方面的。
一方面，变形速度大时，要同时驱使更多的位错更快地运动，金属晶体的临界切应力将提高，使变形抗力增大；当变形速度大时，塑性变形来不及在整个变形体内均匀地扩展，此时，金属的变形主要表现为弹性变形。根据胡克定律，弹性变形量越大，则应力越大，变形抗力也就越大。另外，变形速度增加后，变形体没有足够的时间进行回复和再结晶，而使金属的变形抗力增加，塑性降低。
另一方面，在高变形速度下，变形体吸收的变形能迅速地转化为热能（热效应），使变形体温度升高（温度效应）。这种温度效应一般来说对塑性的增加是有利的。
图2-4 碳钢[w（C）=0.07%]拉伸特性随温度的变化
1—抗拉强度 2—断面收缩率 3—断后伸长率