《冲压工》 | 第二章 冲压基本知识 第一节 塑性变形

一、塑性变形的含义及在冲压中的作用

冲压是机械加工中常用的一种加工方法。它是利用安装在压力机上的模具，对板材（主要是金属板材）施压，使其产生分离或变形，以获得一定的形状、尺寸和性能的产品。由于冲压一般都是在常温下（室温下）进行加工，故又称为冷冲压加工。其原材料一般为板料，故又称为板料冲压。

冷冲压是金属压力加工方法之一，是建立在金属塑性变形理论基础之上的材料成形技术。

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。

塑性变形是指物体在外力作用下产生变形，如果外力被取消后，物体不能恢复到原始的形状和尺寸的变形，也称其为残余变形。

变形抗力是指在一定的变形条件（加载条件、变形温度及变形速度）下，引起塑性变形的单位变形力。材料的塑性好，变形抗力不一定就低。

柔软性应理解为金属对变形的抵抗能力，变形抗力越小，则柔软性越好。

塑性和柔软性是两个不同的概念。通常说某种材料的塑性好坏是指受力后临近破坏时的变形程度的大小，而柔软性（变形抗力）是从力的角度反映塑性变形的难易程度。

塑性不仅与材料本身的性质有关，也与变形方式（应力应变状态）以及变形条件（变形温度和变形速度）有关。因此，不同的材料在同一变形条件下有不同的塑性；而同一材料，在不同的变形条件下有时会出现不同的塑性。总之，材料的塑性，并非是某种物质不变的性质，而是与物质种类、变形方式以及变形有关的性质。

物体在外力作用下会产生变形，去掉外力后，物体不能恢复到原来的形状和尺寸，这样的变形称为塑性变形。引起塑性变形的单位变形力，称为变形抗力。

二、塑性变形的特点

1.塑性变形是不可逆的

如将钢条弯曲变形后再将其校直，在变形部位会出现变细变长。

2.形状和尺寸发生变化

一般材料在塑性变形之前及塑性变形的同时，都伴随有弹性变形，去掉外力后，塑性变形部分保留下来，而弹性变形完全消失，使变形体去掉外力后的形状和尺寸与有外力作用时不完全一样。

3.体积基本保持不变

物体发生塑性变形时，它的体积基本保持不变。

4.变形质点移动方向

在变形过程中，每个变形质点总是沿其阻力最小的方向移动。

三、影响金属塑性变形和变形抗力的因素

能否充分利用金属的塑性并在最小变形抗力的情况下获得所需的工作，是冲压加工中的一个重要问题。影响金属塑性和变形抗力的因素很多，下面简要介绍。

1.金属的成分和组织结构

组成金属的晶格类型，杂质的性质数量及分布情况，晶粒大小、形状及晶格强度等不同，金属的塑性就不同。一般来说，组成金属的元素越少（为纯金属和固溶体），晶粒越小，组织分布越均匀，则金属的塑性越好。

2.变形温度

变形温度对金属的塑性有重大的影响。就大多数金属而言，其总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，变形抗力降低（金属的软化）。温度增高能使金属软化的原因是：随着温度的升高，金属组织发生了回复与再结晶，增加了新的滑移系统，产生了热塑性等现象的结果。

在冲压工艺中，有时也采用加热冲裁或加热成形的方法来提高材料塑性和降低变形抗力，以增加变形程度和减小冲压力。有些工序（如温差拉深）中还采用局部冷却的方法，以增加变形区的变形抗力，提高坯料危险断面的强度，从而达到延缓破坏、增大变形程度的目的。

需要指出的是，加热软化趋势并不是绝对的，有些金属在温升过程中的某些温度区间，由于过剩相的析出或相变等原因，可能会使金属的塑性降低和变形抗力增加。例如，碳钢加热到200~400C时，因为时效作用使塑性降低，变形抗力增加，脆性增大，这个温度范围为蓝脆区；而在800~950C时，又会出现热脆，使塑性降低，这个温度范围为热脆区。因此，选择变形温度时，碳钢应避免蓝脆区和热脆区。

总之，为了提高材料的变形程度，减小材料的变形抗力，在确定变形温度时，必须根据不同材料的温度力学性能曲线、加热对材料可能产生的不利影响（如氢脆、氧化脱碳等），以及材料的变形性质作出正确的选择。

3.变形速度

变形速度是指单位时间内应变的变化量，但在冲压生产中，不便控制和计量。因此，应以压力机滑块的移动速度来近似反映金属的变形速度。变形速度对金属塑性的影响比较复杂：一方面，增加变形速度，回复和再结晶速度低于加工硬化速度，金属塑性下降，变形抗力增加。另一方面，增加变形速度，由于塑性变形功转变为热能的热效率显著，引起金属温度的升高，从而降低变形抗力，提高塑性。

目前，对速度因素的考虑，一般凭生产经验而定，通常为：

（1）对于小零件的冲压工序（如冲裁、弯曲、拉深及翻边等），一般可以不考虑速度因素，只需考虑设备的构造、公称压力和功率等。

（2）对于大型复杂零件的成形，宜选用低速。因为大尺寸复杂零件成形时，坯料各部分的变形极不均匀，易于产生局部拉裂或起皱。为了便于控制金属的流动情况，以采用低速压力机或液压机为宜。

（3）对于加热成形工序（如加热拉深、加热缩口等），为了使坯料中的危险断面能及时冷却强化，宜选用低速。

（4）对于变形速度比较敏感的材料（如不锈钢、耐热合金、钛合金等），加载速度不宜超过0.25m/s（每秒0.25米）。

4.尺寸因素

同一种材料在其他条件相同时，尺寸越大，塑性越差。这是因为材料尺寸越大，组织和化学成分越不一致，杂质分布不均匀，应力分布也不均匀。例如，厚板冲裁产生剪裂纹时，其凸模挤入板料的深度与板料厚度的比值（称为相对挤入深度）比薄板冲裁时小。

5.变形时应力状态

应力状态中的压应力个数越多，数值越大，则塑性越好；反之，拉应力的成分越大，越不利于金属可塑性的发挥，塑性越差。

四、冲压件的硬化

在冷冲压成形中，还存在硬化现象。一般常用的金属材料，在冷塑性变形时，会引起材料性能的变化，随变形程度的增加，强度指标增加，硬度增加，塑性指标降低，这种现象称为加工硬化。材料不同和变形条件（变形温度、变形速度）不同，其加工硬化程度也不同。

作者：饶传锋 李黎 董代进 胡云翔