下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
大多数金属是在结晶状态下使用的。所谓结晶，就是原子按一定几何规律在空间周期性排列。使金属原子结合在一起的是金属键，这种键的结合特点是每个正离子处境都是等同的。因此，金属在塑性变形时，原子在变形后的新位置上能重新键合。金属键的方向性很小，这种相互的吸引力将金属原子在各个方向等同地堆积起来，形成空间点阵，并使各金属原子间具有最小的间隙空间。点阵的定义是每个阵点在空间具有相同的环境。也就是说，在一个空间点阵的每个阵点上，所看到的是完全相同的景象，并且永无止境。
金属的种类很多，但绝大多数（占85％）金属的晶格类型属于下面三种。
（1）体心立方晶格
体心立方晶胞是一个立方体，其晶格常数 a ＝ b ＝ c ， α ＝ β ＝ γ ＝90°。在体心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心，如图1.1所示。属于这种晶格类型的金属有α-铁（α-Fe）及铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）等。
（2）面心立方晶格
其晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心，如图1.2所示。属于这种晶格类型的金属有γ-铁（γ-Fe）及铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）等。
图1.1 体心立方晶格
图1.2 面心立方晶格
（3）密排六方晶格
其晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个角顶上和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，如图1.3所示。属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）及锌（Zn）等。
不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、化学和力学性能。有些金属虽然具有相同的晶格类型，但由于原子直径的大小及晶格常数不相同，各原子所包含的电子数不同，其性能仍有很大的区别。金属的晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定。
图1.3 密排六方晶格
钣金工作就是使金属材料在常温下（或加热时）变形，从而得到所需零件形状的工作。钣金工作最大的特点是使金属材料变形，而变形必然引起金属内部结构变化。要做好钣金工作，必须了解变形对结构的影响，以便有效地利用它。
在钣金成形过程中为使板料变成所需形状，就要采用各种工艺方法（如弯曲、拉深等）对板料施加一定的力，这种在加工过程中对材料施加的力称为外力。
板料在外力作用下会发生变形，其内部各质点间的相对位置将会发生变化，各质点必然相互作用阻止其变化。这种原子间相互作用阻止材料变形的力称为内力，其数值大小和外力相等。
在钣金工艺中，应力是指作用在材料单位横截面积上的内力，用 σ 表示
式中： σ ——应力，Pa； P ——外力，N； A ——横截面积，m 2 。
金属在外力的作用下发生形状的改变，这种性质叫作变形。变形一般包括弹性变形和塑性变形两个发展阶段。弹性变形是组成晶格的原子在外力作用下被迫离开原来的平衡位置，在外力消失后，原子又能恢复到原来的平衡位置。这种外力去除后能消失的变形称为弹性变形。塑性变形则是原子被迫离开原来的平衡位置后，达到一个新的平衡位置，在外力消除后，原子不能回到原来的平衡位置。这种当外力去除后不能消失而残留下来的永久变形称为塑性变形，它是冷加工所需要的。金属的塑性变形主要是通过滑移和孪动两种方式进行的。
（1）滑移
金属塑性变形最基本的方式是滑移。所谓滑移，是指晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动。当原子滑移到新的平衡位置时，晶体就产生了微量的塑性变形，许多晶面滑移的总和就产生了宏观的塑性变形。图1.4表示晶体在切应力（ τ ）的作用下发生滑移产生变形的过程。
图1.4 单晶体在切应力作用下的变形
滑移变形具有以下特点：
①滑移在切应力作用下产生，不同金属产生滑移的最小切应力（称滑移临界切应力）大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。
②滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（滑移面）和其上密度最大的晶向（滑移方向）进行，这是由于密排面之间、密排方向之间的间距最大，结合力最弱。
③滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍。
④滑移时晶体发生转动。
⑤滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的。晶体滑移时，并不是整个滑移面上的全部原子一起移动的，因为那么多原子同时移动，需要克服的滑移阻力十分巨大，实际上滑移是借助位错的移动来实现的，如图1.5所示。大量位错移出晶体表面，就产生了宏观的塑性变形。
图1.5 位错的运动
（2）孪动
晶体的另一种塑性变形方式是孪生，又称孪动或孪晶。它不是塑性变形的主要方式，但它却能造成破坏。孪动是金属在一定的外力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面和方向发生转动，其结果使晶体的一部分与原晶体处于对称位置。
孪动与滑移的主要区别如下：
①滑移过程是渐进的，而孪动过程是突然发生的。例如，金属锡在孪动过程中，能听到一种清脆的声音，称为“锡鸣”。
②在微观方面，滑移时晶格两部分相对于滑移面的切变量是原子间距的整数倍，滑移不会引起晶格取向的变化；而孪动时切变量则是原子间距的分数倍，并且各晶面相对于孪生面的切变量和它与孪生面的距离成正比，也正是由于这个原因，孪动才会引起晶格取向的变化，如图1.6所示。
图1.6 孪动与滑移的区别
材料在外力作用下所呈现的有关强度和变形方面的特性，称为材料的力学性能。它是保证零件和构件正常工作应具备的主要性能，主要包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。
材料的力学性能一般通过试验来测定。例如，强度和塑性指标是通过拉伸试验测定的。板料的拉伸试验是确定板料力学性能的最简单、最普通的方法。根据拉伸试验所提供的力学性能指标，可以定性估计材料的压制成形性能。
以退火的低碳钢（含碳量在0.3％以下的碳素钢）为例，试样在拉伸试验过程中，伸长量与拉力 P 之间的关系曲线称为拉伸图或 P —Δ l 曲线，如图1.7所示。为了消除试样尺寸的影响，用拉力 P 除以试件横截面的原始面积 A ，得到名义正应力： σ ＝ P / A ；同时将伸长量Δ l 除以标距的原始长度 l ，得到应变： ε ＝Δ/ l 。以 σ 为纵坐标， ε 为横坐标，作图表示 σ 与 ε 的关系，称该图为应力—应变图或 σ — ε 曲线（如图1.8）。
图1.7 拉伸图（ P -Δ l 曲线）
图1.8 应力—应变图（ σε 曲线）
根据试验结果，低碳钢的拉伸力学性能（如图1.8）表现为4个不同的阶段。
在拉伸的初始阶段，如果解除拉力后变形可以完全消失，即变形是弹性的。实验表明，低碳钢在弹性阶段内工作应力 σ 不超过比例极限 σ p 时， σ 与 ε 的关系为直线 oa ，材料符合胡克定律，即 σ ＝ E ε 。式中， E 为与材料有关的比例常数，称为弹性模量。对应于 σ — ε 曲线图上直线 oa 的斜率，它的量纲和单位与正应力相同（Pa）。它是衡量材料抵抗弹性线变形能力的重要常数，称为弹性指标。弹性变形满足胡克定律的材料称为线弹性材料。某些材料（如某些高分子材料）称为非线性弹性材料。Q235 钢的比例极限约为 σ p ＝200 MPa。
当 σ 超过比例极限 σ p 后，即从 a 点到 b 点， σ 与 ε 的关系不再表现为直线，但变形仍然是弹性的。弹性阶段所对应的最高应力称为弹性极限，用 σ e 表示。弹性极限 σ e 和比例极限 σ p 的数值非常接近，因此，工程上并不严格区分。
当 σ 超过弹性极限 σ e 后，如果解除拉力，试样的一部分变形消失（即弹性变形），而另一部分不能消失的变形称为塑性变形或残余变形。在 σ - ε 曲线图上表现为一条大致水平的锯齿状线段。这种应力 σ 基本保持不变，而应变 ε 显著增加的现象称为屈服或流动，它标志着材料暂时失去了抵抗变形的能力。屈服阶段内的最高应力和最低应力分别称为上屈服极限和下屈服极限。试验结果表明：上屈服极限受很多因素影响，一般是不稳定的；而下屈服极限则较为稳定，通常把下屈服极限称为材料的屈服极限或屈服点，用 σ s 表示。材料的屈服使零件产生显著的塑性变形，从而影响机器的正常工作，因此，屈服极限 σ s 是衡量材料强度的重要指标。Q235钢的屈服极限约为 σ s ＝240 MPa。
若试样表面足够光滑，屈服时可以看到试件表面上出现一系列与轴线成45°的斜条纹，通常称为滑移线。它是由材料内部晶格产生滑移引起的。由斜截面应力计算公式知，在45°斜截面上存在最大切应力 τ max ， τ max 超过一定极限值是造成晶格滑移的根本原因。由此可见屈服现象与最大切应力有关。
过了屈服阶段以后，试样内晶粒滑移终止，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。 σ - ε 曲线图中，强化阶段的最高点 e 所对应的应力 σ b是材料所能承受的最大应力，称为强度极限（或抗拉强度）。它是衡量材料强度的另一重要指标。Q235钢的强度极限约为 σ b＝400 MPa。
当应力 σ 超过强度极限后，试样在某一横截面及其附近出现急剧收缩，即产生缩颈现象。由于缩颈部分横截面面积迅速减小，致使试样继续伸长所需的拉力也相应减小，继续伸长集中在缩颈区域。在 σ — ε 曲线图中，按原始横截面面积 A 计算的名义应力 σ ＝ P / A 随之下降，当缩颈处的横截面收缩到某一程度时，试件被拉断。
为了比较全面地衡量材料的力学性能，除了强度指标，还需要知道材料在拉断前产生塑性变形的能力。工程上常用的塑性指标有延伸率和断面收缩率。延伸率是指标件拉断前后标距范围内塑性变形的百分率，用 δ 表示，即
式中： l 为试验前拉伸试样的标距长度； l 1 为拉伸试样断裂后两段试样拼接后的标距长度。材料的另一个塑性指标是指试件剪断后断口处最小截面面积的断面收缩率，用 Ψ 表示，即
式中： A 为试验前横截面面积； A 1 为缩颈断口处最小截面面积。
δ 和 Ψ 愈大，说明材料的塑性愈好。工程上通常按延伸率的大小将材料分成两大类： δ ＞5％的材料称为塑性材料，如碳钢、黄铜、铝合金等； δ ＜5％的材料称为脆性材料，如灰铸铁、玻璃、陶瓷等。对于Q235钢， δ ＝5％～20％， Ψ ＝60％，这说明其塑性性能很好。
对于塑性材料，还有一个值得注意的力学性能，即卸载定律。如图1.9所示，将试件加载到超过屈服极限的 d 点，然后逐渐卸去载荷，则在卸载过程中应力与应变将按线性关系减小，即沿着斜直线 dg 回到 g ，斜直线 dg 近似地平行于 oa 。这说明：在卸载过程中，应力和应变按直线规律变化，这就是卸载定律。卸载完毕后，只有如图1.9中线段 gh 所代表的那部分应变消失，而线段 og 所代表的那部分应变并不消失。这说明：当加载至应力达到图1.9中 d 点对应的值时，相应的应变包括了弹性应变 ε e 和塑性应变 ε p 两部分。
图1.9 韧性材料的加载卸载再加载曲线
卸载后，如果在短期内再次加载，则应力和应变大致沿卸载时斜直线 gd 上升，到 d 点后又沿曲线 def 变化。这时，当应力达到原来的流动极限时不再发生流动。可见再次加载时，直到 d 点以前材料的变形都是弹性的，经过 d 点以后才开始出现塑性变形。倘若卸载后经过一段时间再加载，则应力应变曲线会在超过卸载应力一定值后才变为曲线。工程实践中就是利用这种加载卸载再加载的方式将塑性材料（如低碳钢）进行预张拉以提高材料的比例极限。但是，经过这种处理的钢材，比例极限虽然提高了，塑性变形和延伸率却有所降低。材料在室温下经受塑性变形后比例极限提高而塑性降低的现象称为冷作硬化。冷作硬化现象经退火后又可以消除。