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1、金属塑性加工技术本讲稿第一页，共三十二页第一篇第一篇 绪论及金属材料加工方法绪论及金属材料加工方法一、材料加工的内涵1.材料合成：是指通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同原材料中得到化学上不同于原材料的新材料。2.材料加工：是指通过一定的工艺手段使新材料在物理上处于和原材料不同的状态(化学上完全相同)。本讲稿第二页，共三十二页3.材料加工所涉及的内容：(1)液态金属的凝固；(2)金属塑性加工；(3)粉末冶金加工；(4)无机非金属材料加工；(5)复合材料和高分子材料加工；(6)材料连接加工；(7)材料切割加工。目前，金属材料在日常生活和高科技中占有相当大的比例，其加工技术是其它加工的基础
2、，因此，本门课程主要讲述金属塑性加工技术。本讲稿第三页，共三十二页4.材料的可加工性：材料对各种加工工艺手段所表现出来的特性，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。5.材料加工的基本原则：材料加工必须统筹考虑材料构件的使用性能、工艺性能、环保性能及经济性，经过对比分析、系统考虑后，找出解决实际工程要求的方法和途径。本讲稿第四页，共三十二页可塑性加工性l使金属很容易塑性成形的材料性质，常与成形性能互换，包括变形阻尼（强度及流动应力）和破裂前的可能变形程度（延性）。其中着重强调的是破裂前材料的变形极限（板料）。更一般的意义：塑性加工性是在特定金属成形工艺中材料在不出现不希望
3、有的状况条件下所能达到的最大变形程度。本讲稿第五页，共三十二页二、金属塑性加工1.定义：利用金属材料在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定几何形状、尺寸和力学性能及物理化学性能的材料、毛坯或零件的加工方法。2.适用范围：钢、有色金属及其合金。3.类别：冷加工、热加工、温加工、半固态加工等；4.主要生产方式（基本）：(1)轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的过程。本讲稿第六页，共三十二页纵轧、横轧、斜轧；平辊、型辊。产品：板带箔，如：电冰箱外壳、洗衣机外壳管棒型线。其它：连续轧制、多辊轧制(24辊)、孔型轧制等。(2)挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出而制取各种
4、断面金属材料的加工方法。正挤、反挤产品：管棒型线，如：铝合金门窗其它：连续挤压。本讲稿第七页，共三十二页(3)拉拔：使用拉力，将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。产品：管棒型线，如：灯丝、冷凝管其它：连续拉拔、多模拉拔(4)锻造：A.自由锻：金属在上下抵铁间受到冲击力或压力而变形的加工。B.模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而变形的加工。产品：各种锻件，如：机器的立柱、弯曲连杆本讲稿第八页，共三十二页(5)冲压：金属坯料在冲模记之间受压产生分离或变形的加工方法。产品：各种冲压件，如：易拉罐、弹壳4.特点：(1)质量比铸件好；a.热变形，细化晶粒；b.消除铸造缺陷。(2)少
5、切削，节省金属；（3）产量大、生产率高。(4)难以形成复杂件。本讲稿第九页，共三十二页5.特种塑性成形（1）超塑性成形 金属或合金在特定条件下，即低的形变速率（10-2/10-4/s)、一定的变形温度T0.5Tm和均匀的细晶粒度（0.20.5um），其延伸率超过100%以上的特性。如:铝合金、钛合金及高温合金。（2）旋压成形 利用旋压机使坯料和模具以一定的速度共同旋转，并在滚轮的作用下使坯料在与滚轮接触的部位上产生局部变形，获得空心回转体的加工方法。本讲稿第十页，共三十二页（3）粉末冶金锻造 是粉末冶金与锻造工艺的结合。可显著提高粉末冶金件的机械性能，同时又保证粉末冶金的优点。是制取高强高韧粉
6、末冶金件提供一种新的加工方法。（4）液态模锻 将一定量的液态金属直接注入金属模膛，随后在压力的作用下，是处于熔融或半熔融状态的金属液发生流动并凝固成形，同时伴有少量塑性变形，从而获得毛坯或零件的加工方法。其它：高能率成形、充液拉深等。本讲稿第十一页，共三十二页三、金属塑性变形理论1.金属塑性变形的基本理论：单晶体塑性变形：滑移和孪生，多晶体塑性变形：(1)晶粒内的滑移、孪生和转移(2)晶粒间的滑动、转动及转移2.塑性变形对金属组织的影响：(1)显微组织的变化：形成“纤维组织”；(2)亚结构的细化：位错缠结、晶粒破碎；本讲稿第十二页，共三十二页(3)织构现象的产生：织构：在塑性变形过程中，晶粒转
7、动，当变形量达到一定程度(7090%以上)时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致。a.缺陷：制耳；b.优点：使硅钢片的特定晶界、晶向平行于磁力线方向，提高导磁率，减小磁滞耗损。本讲稿第十三页，共三十二页3.塑性变形对金属性能的影响：(1)对力学性能的影响：强度、硬度，塑性、韧性(2)残余应力：a.材料经塑性变形后残存在内部的应力。b.是一种弹性应力，在金属中处于自相平衡的状态；可分为三种：a.宏观残余应力(第一类内应力)b.微观残余应力(第二类内应力)c.晶格畸变应力(第三类内应力)本讲稿第十四页，共三十二页(3)对理化性能的影响：a.电阻率；b.电阻温度系数；c.导磁率；d.导热率
8、；e.腐蚀。4.变形金属在加热时组织与性能的变化：(1)回复、再结晶和晶粒长大：a.回复：把经过冷变形的金属加热时，在显微组织发生变化前所发生的一些亚结构的改变过程称为回复。特点：显微组织没有明显变化；力学性能变化不大；残余应力显著降低；理化性能基本恢复到变形前情况。本讲稿第十五页，共三十二页应用：低温去应力退火(深冲黄铜弹壳，会自动变形，甚至开裂，需经2600左右的去应力退火)。b.再结晶：变形金属加热到较高温度时，由于原子扩散能力增加，在晶格畸变严重处形成一些位向与变形晶粒不同，内部缺陷减少的等轴小晶粒，这些小晶粒不断向外扩展长大，直至金属中的变形金属全部被等轴晶取代，即冷变形组织完全消失
9、，这一过程为再结晶。本讲稿第十六页，共三十二页变形金属的再结晶：位错密度，强度、硬度，塑性、韧性，内应力消除。再结晶温度：开始产生再结晶现象的最低温度；工业条件下定义：经大变形量(70%以上)的金属，在一小时的保温时间内全部完成再结晶所需的最低温度。影响因素：预先变形程度加热速度与保温时间原始晶粒度金属纯度及成分本讲稿第十七页，共三十二页再结晶后晶粒度的影响因素：预先变形程度：临界变形度：金属获得粗大的再结晶晶粒的冷变形量。210%引起粗晶的原因：变形量较小，形成的再结晶核心少，造成晶粒异常长大。当变形量很大时，晶粒又粗大，沿一定方向长大。加热温度与保温时间：T，t，晶粒。再结晶全图：加热温度
10、、冷变形程度、晶粒大小关系的图。“三度”：加工温度、加工速度、变形程度。本讲稿第十八页，共三十二页c.晶粒长大：再结晶后，形成等轴晶，若T，或t，则d。是一个自发过程：d，晶界面积，表面能，能量降低的自发过程。实质：晶界迁移。一个晶界的边界向另一晶粒迁移，把另一晶粒中的晶格位向逐步地改变成为与这个晶粒相同的晶格位向，于是另一晶粒便逐步地被这一晶粒“吞并”，合并成为一个大晶粒。正常长大与异常长大：正常长大：再结晶后的晶粒细而均匀，长大时均匀；异常长大：再结晶后的晶粒大小不均匀，大晶粒吞并小晶粒，形成异常粗大的晶粒。(二次再结晶)本讲稿第十九页，共三十二页四、金属塑性加工技术的发展 金属塑性加工(
11、材料加工工程)是材料科学与工程的二级学科，它的范围包括了所有的金属材料成形技术。在我国金属塑性加工学科长期化分为机械类压力加工和冶金类压力加工。在人们的观念中，机械类压力加工就是锻压、冶金类压力加工就是轧钢。这种观念某种程度上阻碍了塑性加工技术的发展，面对锻压和轧钢设备与技术的暂时停滞，有人评论：塑性加工是夕阳工业。这无疑是错的!本讲稿第二十页，共三十二页1.历史的回顾4000多年前(青铜器时代)，金属的塑性加工与金属的熔炼与铸造同时出现，可加工铜、铁、银、金、铅、锌、锡等，所采用的工艺包括热锻、冷锻、板材加工、旋压、箔材和丝材拉拨。近代第一次技术革命开始于18世纪中叶，以蒸汽机的发明和广泛使
12、用为标志，从而实现了手工工具到机械工具的转变。塑性加工也从手工自由锻向机械压力机(蒸汽锤、自由锻锤及蒸汽轧钢机)进步。近代第二次技术革命以电力技术为主导，电磁理论的建立，为电力取代蒸汽动力的革命奠定了基础。金属塑性加工设备以蒸汽向电力驱动进步。机械制造业的进一步发展，提高了塑性加工设备的制造水平，出现了轧钢机、挤压机、锻造机、拉拨机和压力机。现代科技革命开始于上世纪40年代，其主要标志为电子技术的发展，电控和电子计算机的应用，塑性加工设备和技术向全流程自动化进步。现在可以做到配料、熔炼、铸造、轧制及随后处理全线自动化。本讲稿第二十一页，共三十二页2.金属塑性加工体系的思维模式(1)传统金属塑性
13、加工体系的思维模式以轧钢为例，二战以来，对钢厂建设模式工程逻辑的实质可用叠加蔓延万能化概括。即以初轧机为中心，确定钢厂的工艺布置和规模，扩大能力时，一台初轧机不够就搞两个，即所谓的叠加；由初轧厂往后配置，由于初轧机可以万能开坯，成品轧机可以“蔓延”，设置板管型棒线，而且某一类轧机一台不够还可以搞同类的，由此而形成超大规模的“万能”钢厂。第一次石油危机后，能源价格的上涨，推动了原材料及装备价格上涨，同时也由于连铸技术的发展与完善大幅度降低了产品的单耗，成材率明显提高，初轧机逐步被淘汰，这使钢厂结构发生深刻变化，由此引发钢厂模式的工程逻辑有了根本性进步，这就是“临介紧凑”的系列化专业化。所谓临介即
14、某工序的功能参数达到或超过某一数值后，则将使工艺流程中的某一工序或设备被淘汰或是其若干功能被取代，从而实现生产工艺流程的紧凑化。临介紧凑发展的必然趋势是专业化、系列化和高附加产值化。本讲稿第二十二页，共三十二页(2)塑性加工发展的思路就轧钢而言，从临介紧凑的思维出发，当铸造技术达到一定的临介值后，初轧己被取消，热连轧也行将被取代，面临这种局面，塑性加工工作者如何思考塑性加工的发展与创新呢?受现代科技革命的影响，塑性加工技术表现出以下显著特征：塑性加工技术的发展表现在技术的工程科学化、技术的集合化及智能化。a.技术的工程科学化。b.技术的集合化。本讲稿第二十三页，共三十二页a.技术的工程科学化。
15、塑性加工技术从原来的技术向工程科学进步，以轧制理论为例，战前主要靠经验，一般把轧制看成是一种技艺，战后第一个10年是钢铁工业迅速发展时期，轧机的设计者迫切需要有关知识，众多的轧制力，宽展公式问世，第二个10年是第三代轧机的准备期，一方面提高轧制精度，另一方面研究和描述轧制的动态方程，使理论与技术取得重大进展，1965年由计算机控制的带材轧机的建成就是其标志，自适应控制技术的成功应用对稳定自动控制的轧制操作起重要作用。b.技术的集合化。轧制工程愈来愈连续化、自动化，并且成为一个大而复杂的系统。连续式冷轧机不仅实现了无头轧制，而且将前后酸洗、退火、精整等工序全部连接起来，连铸使过程更加宠大，为使这
16、种复杂生产系统正常运行，维持高的作业水平，设计能力水平，必须用系统的观点来处理工艺过程。本讲稿第二十四页，共三十二页3、当前有色金属塑性加工技术发展趋势l随着科学技术整体的飞速进步，金属塑性加工技术也取得了迅速发展。人们充分认识到随着科学技术整体的飞速进步，金属塑性加工技术也取得了迅速发展。人们充分认识到最终决定材料及产品结构和控制性能的关键是合成与加工。因此，材料科学与材料工程学紧密结合成为开发新材料和提高传统材料性能的必然途径。有色金属材料加工技术向高精度、高性能、低消耗、低成本、优化生产过程和自动化方向发展。最终决定材料及产品结构和控制性能的关键是合成与加工。因此，材料科学与材料工程学紧
17、密结合成为开发新材料和提高传统材料性能的必然途径。有色金属材料加工技术向高精度、高性能、低消耗、低成本、优化生产过程和自动化方向发展。l目前金属塑性加工技术现状与总的发展趋势是主要体现在以下一些方面。本讲稿第二十五页，共三十二页1、生产方法、工艺技术向着节能降耗、综合连续、优化精简、高速高效的方向发展。如实行冶炼、铸造与加工的综合一体化，采用连铸连轧，连续铸轧、连续铸挤，半固态加工等新工艺技术；尽量生产最终和接近最终形状产品；利用余热变形、热变形与温变形配合，冷加工与热加工变形量之间的优化匹配，变形与热处理的配合，省略或减少加热与中间退火次数等。本讲稿第二十六页，共三十二页l2、工艺装备更新换
18、代加快，设备更趋大型、精密、成套、连续，自动化水平更加提高。生产线更趋大型化、专业化。产品单重大大增加。l3、产品向多品种、高质量、高精度发展，产品结构不断调整，新材料新产品不断被开发。轻型薄壁材料、复合材料、镀层涂层材料等不断发展，产品注重深度加工，有色材料的产品综合性能和使用效能大大提高。本讲稿第二十七页，共三十二页l4、工模具结构、材质，加工工艺、热处理工艺和表面处理工艺不断改进和完善。模具的质量和使用效果、寿命得到极大的提高。l5、在加工辅助工序和其他环节，开发新型辅助设备，采取先进技术和多种工艺措施，提高产品质量与生产率。l6、金属的再生技术、废料回收与综合利用得到高度重视，生产企业
19、向环保型、节约型、可持续发展型方向发展。本讲稿第二十八页，共三十二页l7、十分注重信息的全面采集与开发，生产运行体制和机制不断调整优化，管理全面实现现代化和科学化。l8、加强塑性加工技术的理论研究和实验研究，探索合金成分、加工工艺、组织性能的变化规律和最佳组配，以优化工艺，提高产品质量，开发新技术、新工艺。本讲稿第二十九页，共三十二页l我国的有色金属材料生产经过几十年，尤其是最近十年的发展，无论从生产规模，技术水平，产品数量质量都取得了很大的进步，某些产品在数量上甚至处在世界前列，少量领域技术水平已达到国际同类先进水平，但是从整体上讲，技术装备水平大多还不高，生产工艺偏落后，产品质量与国外发达
20、国家相比仍有差距，经济效益也不太高。l今后，应以市场为导向，以经济效益为中心，加快结构调整，增加品种，改善质量，节能降耗，防治污染，提高劳动生产率，依靠科技进步，使我国有色金属材料生产的技术装备工艺水平，产品质量和经济效益有较大的提高。经过不断努力，我国的有色金属材料生产将跨入世界先进行列。本讲稿第三十页，共三十二页五、本课程介绍选择设备设计工模具外力作用塑性加工原理各工艺设备课程塑塑塑塑性性性性加加加加工工工工技技技技术术术术制定工艺坯料、变形温度、程度、速度、热处理等坯料塑性好抗力低各种塑性加工方法产品轧制板带箔，管棒型线挤压管棒型线拉拔管棒型线锻造各种锻件冲压各种冲压件检验形状尺寸表面质量力学性能物理化学性能熔铸粉冶改变形状尺寸合格产品改善组织性能本讲稿第三十一页，共三十二页课程内容与目的l研究塑性加工主要方法（轧、挤、拉等）的基本概念、基本原理；l介绍相应的变形规律；l介绍相应的力能参数、计算方法；l介绍组织、性能、质量控制的相关知识；l说明制定生产工艺的基本知识；l为后继课程学习及加工、研究提供科学依据；本讲稿第三十二页，共三十二页