金属材料在塑性变形过程中的体积、表面积以及表面形貌等几何特性参数与塑性变形本身密切相关,且存在着复杂的相互关系。经典塑性理论认为,致密金属塑性变形过程中的体积保持不变,该假设已在实践中得到大量验证,并在有限元模拟等理论分析以及生产现场的坯料计算等场合得到应用。但迄今为止,对于金属塑性变形过程表面积变化的研究很少,一些基础性的问题——如表面积的变化规律及其宏、微观演化机制——仍然缺乏深入认识。事实上,金属塑性变形过程中坯料的表面积不仅是变化的,在锻造、挤压等体积成形中的变化程度还很大,同时这种变化对于金属的塑性流动、表面摩擦特性及润滑剂的使用状态、坯料与环境的热交换、坯料表面氧化状态以及制件的表面质量等,都有着直接影响。本文对金属体积塑性成形过程的表面积变化规律进行了研究,以期从宏、微观的多尺度系统认识塑性成形过程中坯料表面积变化的基本规律。首先,总结了金属塑性变形过程中主要几何特性参数演化的研究现状;其次,选择圆柱体这一典型几何体的镦粗成形基础工序,结合数值模拟和物理实验研究了变形过程的宏观表面积的变化规律;通过物理实验,研究了金属压缩和拉伸过程微观表面状态的变化机制;最后,探讨了一个实际生产中的微车曲轴锻件成形过程表面积的变化情况。主要结论如下:(1)通过对圆柱体这一典型规则几何体镦粗成形过程的解析分析,发现坯料总表面积呈先减小、后增加的规律,当高径比k等于1时(即最接近球体),总表面积最小,这符合一定体积下球体表面积最小的几何学理论。在坯料与上、下砧板不存在摩擦的理想状态,坯料形状始终为圆柱体且由于变形体体积不变,可得出表面积S是关于圆柱体直径的二次函数;对于坯料与上下砧板间存在摩擦的实际情况,虽然摩擦导致“鼓形”,但表面积的变化规律类似。当变形体形状偏离球形越多(或某维度的几何尺寸远大于或小于其他方向),则表面积越大。(2)圆柱体镦粗的数值模拟和物理实验表明:总表面积先减小、再增大,而其中侧自由表面积S1为减小,端部与上、下砧板接触表面积S2为增加;当表面积最小时,变形体各方向尺寸都十分接近;坯料与上下砧板间的摩擦增加,则总表面积S改变量减小,侧表面积S1改变量增加,而端部表面积S2改变量减小。摩擦越大,表面积的变化越小。(3)在一定变形量前,圆柱体压缩过程的微观表面积也是先减小、后增加,其微观机制主要是由于晶体的自由表面出现了皱褶等现象。(4)板料拉伸过程中的表面积一直增加,其微观机制主要包括晶界的拉裂等。(5)通过对于微车曲轴这一复杂锻件锻造成形过程总表面积的分析,可以认为:对于大多数的体积塑性成形过程,由于坯料在某些方向的尺寸与其他方向尺寸的差异较大、且偏离程度总是不断增加,导致坯料形状整体上越来越偏离球体,因此总表面积始终不断增大。此外,数值模拟能够很好地反映体积塑性成形过程的表面积变化。