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1、哈工程材料成型课件哈工程材料成型课件- -金属塑金属塑性成形技术性成形技术 Four short words sum up what has lifted most successful Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more. individuals above the crowd: a little bit more. -author -author -date-date为何采用塑性成形技术2 金属塑性成形技术 n金属经过塑性
2、成形后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过热塑性变形后由于金属的变形和再结晶，会使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、缩松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。因此铸件的力学性能低于同材质的锻件的力学性能。n塑性成形能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。利用金属材料在外力作用下所产生的塑性变形，获得所需产品的加工方法称为塑性成形，由于这种外力多数情况下是以压力的形式出现的，因此也称为压力加工压力加工。金属塑性成形的概念2 金
3、属塑性成形技术 适用的材料 各种钢材和大多数非铁金属及其合金都具有一定的塑性，都可在热态或冷态下进行压力加工。铸铁是脆性材料，不能进行压力加工。世界上最大的钛合金锻件中机身隔框 锻造铝合金轮毂 世界最大船用曲轴打造中国芯，突破技术垄断 2 金属塑性成形技术 2 金属塑性成形技术 金属塑性成形的特点n金属塑性成形是保持金属整体性的前提下，依靠塑性变形发生物质转移来实现工件形状和尺寸变化的，不会产生切屑，因而材料的利用率高得多材料的利用率高得多。n塑性成形过程中，除尺寸和形状发生改变外，金属的组织、性能也能得到改善和提高，尤其对于铸造坯，经过塑性加工将使其结构致密、粗晶破碎细化和均匀化，从而使性能
4、提高性能提高。此外，塑性流动所产生的流线也能使其流线也能使其性能得到改善性能得到改善。n塑性成形过程便于实现生产过程的连续化、自动化，适于大批量生产，因而劳动生产率高劳动生产率高。n塑性成形产品的尺寸精度和表面质量高尺寸精度和表面质量高。很多精密的塑性加工方法，可以不经过切削加工直接生产出零件，实现无屑加工，大量节省材料。n设备较庞大，能耗较高。2 金属塑性成形技术 中国古代锻造分为冷锻和热锻两种。中国古代锻造分为冷锻和热锻两种。 冷锻工艺冷锻工艺 齐家文化时期齐家文化时期(约公元前约公元前2000多年多年)冷锻工艺已应用于制造工冷锻工艺已应用于制造工具。具。1978年以前在甘肃武威皇娘娘台齐
5、家文化遗址出土的红铜器如刀、凿、年以前在甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址出土的红铜器如刀、凿、锥和一些饰物均经过冷锻，锤击痕迹非常明显。在秦魏家出土的青铜锥也是锥和一些饰物均经过冷锻，锤击痕迹非常明显。在秦魏家出土的青铜锥也是经过冷锻的。经过冷锻的。1953年和年和70年代在河南安阳殷墟出土的殷代年代在河南安阳殷墟出土的殷代(公元前公元前14前前11世纪世纪)冷锤打的金箔碎片厚仅冷锤打的金箔碎片厚仅0.01毫米毫米, 厚度差不超过厚度差不超过0.001毫米。毫米。 我国塑性加工的历史青铜锥青铜锥2 金属塑性成形技术 热锻工艺商代中期（公元前14世纪）用陨铁制造武器，采用了加热锻造工艺。1972年河
6、北藁城和1977年北京市平谷县出土的商代铁刃铜钺，经研究分析确定铁刃是用陨铁加热锻造成形（厚2毫米）,再与青铜钺身铸成一体的。 我国塑性加工的历史2 金属塑性成形技术 为了减轻重量，铁甲多为薄片，大都经过加热锻造。1960年呼和浩特二十家子古城出土的西汉（公元前2前1世纪）铁铠甲，其铁片厚度仅12毫米，为热锻铁件。 我国塑性加工的历史西汉铁铠甲还原模型西汉铁铠甲还原模型2 金属塑性成形技术 金属塑性成形方法类型常用塑性成形加工方法有：锻造、冲压、轧制、拉拔、挤压等几种类型。轧制 挤压 拉拔 锻造 冲压 2.1金属塑性成形物理基础 单晶体和多晶体如果一块晶体内部的晶格位向完全一致，则称为单晶体如
7、果一块晶体内部的晶格位向完全一致，则称为单晶体;由许多位向不同的微小晶体组成的晶体称为多晶体。由许多位向不同的微小晶体组成的晶体称为多晶体。(a)单晶体 (b)多晶体2.1.1单晶体的塑性变形单晶体滑移变形示意图 (a)未变形 (b)弹性变形 (c)弹塑性变形 (d)塑性变形单晶体的塑性变形机制主要有两种形式：滑移变形滑移变形和孪生变形孪生变形.滑移：滑移：滑移是金属塑性变形最常见的一种方式，即在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向的晶面和晶向相对于另一部分产生滑动。滑移的距离是滑移方向上原子间距的整数倍。使大量原子从一个平衡位置滑移到另一个平衡位置，产生宏观的塑性变形。2.1.1单
8、晶体的塑性变形2.1金属塑性成形物理基础 滑移变形单晶体滑移照片单晶体滑移照片 2.1.1金属的塑性变形及变形后的性能滑移的位错机制：晶体的滑移变形实际上不是晶体内两部分彼此以刚性的整体相对滑动，而是在切应力的作用下通过滑移面上的位错运动进行的。当一位错移到晶体表面时，便形成了一个原子间距的滑移量。 2.1金属塑性成形物理基础 (a) 位错位错 (b) 位错移动位错移动 (c) 产生滑移产生滑移刃型位错运动造成滑移的示意图刃型位错运动造成滑移的示意图 2.1.1单晶体的塑性变形滑移的位错机制2.1金属塑性成形物理基础 螺型位错移动造成滑移的示意图螺型位错移动造成滑移的示意图2.1.1单晶体的塑
9、性变形滑移的位错机制螺型位错螺型位错2.1金属塑性成形物理基础 2.1.1单晶体的塑性变形2.1金属塑性成形物理基础 孪生变形：晶体的一部分相对一定的晶面（孪晶面）沿一定方向产生相对移动，已变形部分的晶体位向发生了变化，并以孪晶面为对称面与未变形部分相互对称。孪晶面孪晶带孪生方向2.1.2多晶体的塑性变形2.1金属塑性成形物理基础 3603202802401601208040单晶多晶（退火态）伸长率/%20040080120140应力/MPa锌的单晶体与多晶体的锌的单晶体与多晶体的应力应力-应变曲线应变曲线 多晶体塑性变形包括晶内变形和晶间变形晶内变形和晶间变形。晶内变形主要是滑移变形，而晶间
10、变形则包括各晶粒之间的滑动变形和转动变形。通常情况下的塑性变形主要是晶内变形，当变形量特别大（尤其是超塑性变形）时，晶间变形占主导地位。 多晶体塑性变形示意图 2.1金属塑性加工理论基础 多晶体的塑性变形a晶内变形 b晶间变形2.1.2多晶体的塑性变形1.金属的晶粒越细，晶界面积越大，其变形抗力也就越大金属的晶粒越细，晶界面积越大，其变形抗力也就越大。另外，变形较均匀，因应力集中引起开裂的机会也较少，从而细晶粒金属断裂前能承受较大的变形量，表现出良好的塑性表现出良好的塑性。因此，从一般的使用角度来看，晶粒细的材料强度高，塑性好晶粒细的材料强度高，塑性好，在实际生产中通常希望获得细小而均匀的晶粒
11、组织，使材料具有良好的综合机械性能。2. 多晶体塑性变形的不均匀性。各晶粒的变形先后不一致，变形量也不一致，在同一晶粒内变形也不一致。2.1金属塑性加工理论基础 2.1.2多晶体的塑性变形变形前变形后仅有两个晶粒的试样在拉仅有两个晶粒的试样在拉伸时的变形伸时的变形 冷塑性变形对金属组织结构的影响:1)晶粒变形：晶粒沿变形最大的方向伸长；（a）变形前(b)变形后变形前后晶粒形状变化示意图2.1金属塑性成形物理基础 2.1.3冷塑性变形对金属组织性能的影响2.1.3冷塑性变形对金属组织性能的影响2.1金属塑性成形物理基础 变形程度为变形程度为30% 变形程度为变形程度为50% 变形程度为变形程度为
12、70% 冷塑性变形对金属组织结构的影响:1) 1) 晶粒变形晶粒变形 变形程度很大时，多晶体晶粒沿一方向显著拉长，晶界模糊不清，各晶粒难以分辨，呈现出一片如纤维状的条纹。低碳钢冷塑性变形后的组织低碳钢冷塑性变形后的组织2.1.3冷塑性变形对金属组织性能的影响冷塑性变形对金属组织结构的影响:2) 2) 亚结构细化亚结构细化; 3) ; 3) 变形织构变形织构; ;晶粒要相对于外力轴发生转动，结果大多数晶粒聚集到某些取向上来，从而形成变形织构。 4) 4) 残余应力残余应力晶格与晶粒均发生扭曲，产生内应力（金属内部变形不均匀, 位错等晶体缺陷增多， 金属内部会产生残余内应力）。拉拔方向丝织构示意图
13、丝织构示意图 轧制方向板织构示意图板织构示意图 2. 冷塑性变形对金属性能的影响冷塑性变形对金属性能的影响: 加工硬化加工硬化 1. 力学性能：力学性能： 金属的力学性能随其内部组织的改变而发生明显变化。变形程度增大时，金属的强度及硬度升高，而塑性和韧性下降。 2. 对金属物理、化学性能的影响：比电阻增加，电阻温度系数下降，导热系数下降，磁导率和磁饱和强度下降，待磁滞和矫顽力增加。化学活性提高，加快腐蚀速度。2.1.3冷塑性变形对金属组织性能的影响2.1金属塑性成形物理基础 2.1.3冷塑性变形对金属组织性能的影响2. 冷塑性变形对金属性能的影响冷塑性变形对金属性能的影响: 加工硬化加工硬化2
14、.1金属塑性成形物理基础 2.1.3冷塑性变形对金属组织性能的影响材料为Q345（16Mn)钢的自行车链条经过五次轧制，厚度由3.5mm压缩到1.2mm，总变形量为65%，硬度从150HBS提高到275HBS；抗拉强度从510MPa提高到980MPa；使承载能力提高了将近一倍。020040060080010001200硬度（H B S ）抗拉强度（M p a )变形前变形后2. 冷塑性变形对金属性能的影响冷塑性变形对金属性能的影响: 加工硬化加工硬化2.1金属塑性成形物理基础 2.1.3冷塑性变形对金属组织性能的影响弹簧钢丝的强化：65Mn弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可达20003000MPa,
15、，比一般钢材的强度提高46倍。2.1金属塑性成形物理基础 2.1.4加热对加热对冷塑性变形金属组织性能的影响回复：是指经冷塑性变形的金属在加热时，发生某些亚结构及物理和化学性能变化的过程。在该阶段，金属的力学性能变化不大，但残余应力明显下降，某些物理和化学性能也部分地恢复到变形前的水平。(a)塑性变形前的组织塑性变形前的组织 (b)塑性变形后的组织塑性变形后的组织 (c)金属回复后的组织金属回复后的组织 金属发生回复的示意图金属发生回复的示意图 2.1金属塑性成形物理基础 2.1.4加热对加热对冷塑性变形金属组织性能的影响再结晶过程示意图再结晶过程示意图 再结晶：当经冷塑性变形的金属加热到高于
16、回复阶段的温度时，在变形组织的基体上又形成新的无畸变的等轴晶粒，取代了原来已变形的组织，这一过程称为再结晶。结果使冷变形后的金属组织和性能恢复到变形之前的状态。2.1金属塑性成形物理基础 2.1.4加热对加热对冷塑性变形金属组织性能的影响再结晶2.1金属塑性成形物理基础 2.1.4加热对加热对冷塑性变形金属组织性能的影响回复与再结晶2.1金属塑性成形物理基础 2.1.5热热塑性变形对金属组织性能的影响金属的冷变形和热变形：再结晶温度为分界点。从金属学的角度出发，冷、热变形加工是以再结晶温度为界限的，低于再结晶温度的变形称为冷变形加工；高于再结晶温度的变形就称为热变形加工。如钨的再结晶温度为12
17、00，其在1000的变形加工仍是冷变形；又如铅、锡等低熔点金属的再结晶温度在0 以下 ，在室温下的变形就是热变形加工。2.1金属塑性成形物理基础 2.1.5热热塑性变形对金属组织性能的影响改善铸锭组织：通过热塑性变形可使铸锭或毛坯中的气孔和缩松焊合，打碎粗大的柱状晶和树枝晶，改善夹杂物与脆性相的形态、大小和分布，消除偏析。细化晶粒：正常的热塑性变形由于发生塑性变形和再结晶，一般可使晶粒得到细化，因而可以提高金属的力学性能。2.1金属塑性成形物理基础 2.1.5热热塑性变形对金属组织性能的影响纤维组织纤维组织 纤维组织：在热变形过程中，铸态金属中的各种偏析、夹杂物、第二相和晶界等逐淅沿变形方向延
18、伸，形成纤维组织，也称流线。由于纤维组织的形成，使金属的力学性能具有了各向异性。2.1金属塑性成形物理基础 2.1.5热热塑性变形对金属组织性能的影响 应使流线合理分布，使流线与零件服役时的最大应力方向一致，与切应力或冲击力方向垂直。 (a)锻造(b)切削加工环形座流线2.3.1金属塑性及变形抗力金属的可锻性： 是指金属在经受压力加工时，获得优质锻件难易程度的工艺性能。金属的可锻性的综合衡量： 常用金属的塑性和变形抗力塑性和变形抗力，金属的塑性高，变形抗力小，变形时不易开裂，且变形中所消耗的能量也少。这样的金属可锻性良好；反之，可锻性差。2.3金属塑性变形评价指标及影响因素 2.3.1金属塑性
19、及变形抗力2.3金属塑性变形评价指标及影响因素 1.塑性及塑性指标：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。 伸长率：伸长率： 断面收缩率断面收缩率： %10000LLL%10000AAA2.变形抗力：是指在一定的加载条件下、一定的变形温度下和一定的变形速度是指在一定的加载条件下、一定的变形温度下和一定的变形速度下，引起材料发生塑性变形的单位变形力。下，引起材料发生塑性变形的单位变形力。 1. 化学成分及组织的影响 1 1) ) 化学成分化学成分：金属或合金的化学成分不同，其可锻性也不同。 随着含碳量的增加，渗碳体的数量亦增加，塑性的降低就更甚，同时变形抗力也随之增加。
20、合金元素无论以何种形式存在，一般都会使钢的塑性降低，提高钢的强度和硬度，进而使钢的变形抗力增加。 磷溶入铁素体后，使钢的强度、硬度显著提高，塑性、韧性显著降低，尤其在低温时更为严重，这种现象称为冷脆。 当钢在8001200范围内进行塑性加工时，由于晶界处的硫化铁共晶体塑性低或发生熔化，而导致锻件开裂，这种现象称为热脆。 2.3.2影响金属塑性及变形抗力的因素2.3金属塑性变形评价指标及影响因素 1. 化学成分及组织的影响 2) 2) 金属组织金属组织：单相组织比多相组织塑性好，变形抗力也低。含有较多碳化物的合金，因碳化物既硬又脆，而且塑性极低，可锻性较差。 细晶组织有利于提高钢的塑性，但也会导
21、致变形抗力的增加。 铸造组织由于具有粗大的柱状晶粒和偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，故使金属塑性降低。 2.3.2影响金属塑性及变形抗力的因素2.3金属塑性变形评价指标及影响因素 2. 变形温度的影响： 提高加热温度有利于提高锻件的塑性、降低变形抗力。 变形温度不当将产生的缺陷； 温度过高温度过高时产生过热、过烧、脱碳、严重氧化； 温度过低温度过低时锻件变形困难或者被锻裂及损毁锻造设备。2.3.2影响金属塑性及变形抗力的因素2.3金属塑性变形评价指标及影响因素 高速钢的过烧组织高速钢的过烧组织 高速钢的过热组织高速钢的过热组织 高速钢的正常淬火组织高速钢的正常淬火组织 2.变形温度的影响：始锻温
22、度：始锻温度：金属加热后开始锻造的温度称为始锻温度。始锻温度应低于AE线以下200左右。终锻温度：终锻温度：金属锻造中允许的最低变形温度称为终锻温度。一般低、中碳钢的终锻温度控制在800左右。碳钢的锻造温度范围 2.3.2影响金属塑性及变形抗力的因素2.3金属塑性变形评价指标及影响因素 合金种类合金种类 牌牌 号号锻造温度范围锻造温度范围始锻温度始锻温度/终锻温度终锻温度/碳钢碳钢15，2540，45T9A，T10125012001100800800770合金结构钢合金结构钢20Cr，40Cr20CrMnTi30Mn2120012001200800800800合金工具钢合金工具钢9SiCrCr
23、1211001080800840不锈钢不锈钢1Cr13，2Cr131Cr18Ni9Ti11501180750850紫铜紫铜T1T5950800黄铜黄铜H68830700硬铝硬铝LY1，LY11，LY124703802.3.2影响金属塑性及变形抗力的因素2.3金属塑性变形评价指标及影响因素 3. 变形速度的影响：1) 变形速度单位时间内的变形程度变形速度与塑性和变形抗力的关系 2.3.2影响金属塑性及变形抗力的因素2.3金属塑性变形评价指标及影响因素 3.应力状态的影响：一般而言，压应力有利于提高金属的塑性，但使金属的变形抗力增加，而拉应力恰好相反。同号压应力要比同号拉应力有利于提高金属的塑同号
24、压应力要比同号拉应力有利于提高金属的塑性，同号应力下的变形抗力要比异号应力下的变形抗力高。性，同号应力下的变形抗力要比异号应力下的变形抗力高。 挤压金属应力状态 拉拔金属应力状态2.1金属塑性加工理论基础 2.3.2影响金属塑性及变形抗力的因素2.3金属塑性变形评价指标及影响因素 2.3.2影响金属塑性及变形抗力的因素单选题：1、金属热变形与冷变形的分界线是：（ ） 高于或低于回复温度；高于或低于再结晶温度；加热温度；软化温度2、用以综合衡量金属锻造性能的因素是金属的：（ ） 塑性，变形抗力； 弹性； 强度； 冲击韧性多选题：3、锻压的目的是改变或改善金属材料的：（ ） 尺寸； 形状； 晶格结构； 组织； 性能2.1金属塑性加工理论基础思考题2.1.5热塑性变形对金属组织性能的影热塑性变形对金属组织性能的影响响不同方法制造齿轮的纤维比较 轧制棒料切削加工轧制钢板切削加工镦粗热轧2.1金属塑性成形物理基础