哈工程材料成型課件--金屬塑性成形技術(shù)

1、,2 金屬塑性成形技術(shù),,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),,2.6 特種塑性成形方法,,2.7 鍛造工藝設(shè)計(jì),,2.9 鍛件及沖壓件結(jié)構(gòu)工藝性分析,,2.2 金屬塑性成形力學(xué)基礎(chǔ),,2.3 金屬塑性變形評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素,,2.4 體積塑性成形方法,,2.5 板料塑性成形方法,,2.8 沖壓工藝設(shè)計(jì),為何采用塑性成形技術(shù),2 金屬塑性成形技術(shù),金屬經(jīng)過塑性成形后能改善其組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。鑄造組織經(jīng)過熱塑性變形后由于金屬的變形和再

2、結(jié)晶，會(huì)使原來的粗大枝晶和柱狀晶粒變?yōu)榫Я］^細(xì)、大小均勻的等軸再結(jié)晶組織，使鋼錠內(nèi)原有的偏析、縮松、氣孔、夾渣等壓實(shí)和焊合，其組織變得更加緊密，提高了金屬的塑性和力學(xué)性能。因此鑄件的力學(xué)性能低于同材質(zhì)的鍛件的力學(xué)性能。塑性成形能保證金屬纖維組織的連續(xù)性，使鍛件的纖維組織與鍛件外形保持一致，金屬流線完整，可保證零件具有良好的力學(xué)性能與長(zhǎng)的使用壽命。,人間正道是滄桑前一句是天若有情天亦老。　　《人民解放軍占領(lǐng)南京》　　毛澤東寫

3、于1949年的七律詩　　原文：　　七律·人民解放軍占領(lǐng)南京　　鐘山風(fēng)雨起蒼黃，百萬雄師過大江?！　』⒕猃埍P今勝昔，天翻地覆慨而慷?！　∫藢儆伦犯F寇，不可沽名學(xué)霸王?！　√烊粲星樘煲嗬?，人間正道是滄桑?！　∽g文：　　革命的暴風(fēng)雨震蕩著蔣家王朝都城南京，解放軍以百萬雄師突破長(zhǎng)江天險(xiǎn)，直攻蔣軍苦心經(jīng)營(yíng)三個(gè)半月的根據(jù)地—南京城?！　∫孕燮骐U(xiǎn)峻而著稱的古都南京城回到了人民手中，她比

4、任何時(shí)候都美麗。這天翻地覆的巨大變化，是足以令人慷慨高歌和歡欣鼓舞的?！　?yīng)該趁現(xiàn)在這敵衰我盛的大好時(shí)機(jī)，痛追殘敵，解放全中國(guó)。不可學(xué)那割據(jù)長(zhǎng)江南岸，建立割據(jù)勢(shì)力的霸王項(xiàng)羽?！　∽匀唤缛绻兄?，它會(huì)體察到興盛與衰敗這條不可改變的法則。不斷地變異、不斷地發(fā)展、不斷地前進(jìn)，這是人類社會(huì)發(fā)展的必然規(guī)律。,利用金屬材料在外力作用下所產(chǎn)生的塑性變形，獲得所需產(chǎn)品的加工方法稱為塑性成形，由于這種外力多數(shù)情況下是以壓力的形式出現(xiàn)的，因此也

5、稱為壓力加工。,金屬塑性成形的概念,2 金屬塑性成形技術(shù),適用的材料,各種鋼材和大多數(shù)非鐵金屬及其合金都具有一定的塑性，都可在熱態(tài)或冷態(tài)下進(jìn)行壓力加工。鑄鐵是脆性材料，不能進(jìn)行壓力加工。,世界上最大的鈦合金鍛件——中機(jī)身隔框,鍛造鋁合金輪轂,世界最大船用曲軸——打造中國(guó)芯，突破技術(shù)壟斷,2 金屬塑性成形技術(shù),2 金屬塑性成形技術(shù),金屬塑性成形的特點(diǎn),金屬塑性成形是保持金屬整體性的前提下，依靠塑性變形發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)工件形狀和尺寸變化

6、的，不會(huì)產(chǎn)生切屑，因而材料的利用率高得多。塑性成形過程中，除尺寸和形狀發(fā)生改變外，金屬的組織、性能也能得到改善和提高，尤其對(duì)于鑄造坯，經(jīng)過塑性加工將使其結(jié)構(gòu)致密、粗晶破碎細(xì)化和均勻化，從而使性能提高。此外，塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的流線也能使其性能得到改善。塑性成形過程便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的連續(xù)化、自動(dòng)化，適于大批量生產(chǎn)，因而勞動(dòng)生產(chǎn)率高。塑性成形產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量高。很多精密的塑性加工方法，可以不經(jīng)過切削加工直接生產(chǎn)出零件，實(shí)現(xiàn)無屑加工

7、，大量節(jié)省材料。設(shè)備較龐大，能耗較高。,2 金屬塑性成形技術(shù),中國(guó)古代鍛造分為冷鍛和熱鍛兩種。 冷鍛工藝 齊家文化時(shí)期(約公元前2000多年)冷鍛工藝已應(yīng)用于制造工具。1978年以前在甘肅武威皇娘娘臺(tái)齊家文化遺址出土的紅銅器如刀、鑿、錐和一些飾物均經(jīng)過冷鍛，錘擊痕跡非常明顯。在秦魏家出土的青銅錐也是經(jīng)過冷鍛的。1953年和70年代在河南安陽殷墟出土的殷代(公元前14～前11世紀(jì))冷錘打的金箔碎片厚僅0.01毫米, 厚度

8、差不超過±0.001毫米。,我國(guó)塑性加工的歷史,青銅錐,2 金屬塑性成形技術(shù),熱鍛工藝 商代中期（公元前14世紀(jì)）用隕鐵制造武器，采用了加熱鍛造工藝。1972年河北藁城和1977年北京市平谷縣出土的商代鐵刃銅鉞，經(jīng)研究分析確定鐵刃是用隕鐵加熱鍛造成形（厚2毫米）,再與青銅鉞身鑄成一體的。,我國(guó)塑性加工的歷史,2 金屬塑性成形技術(shù),為了減輕重量，鐵甲多為薄片，大都經(jīng)過加熱鍛造。1960年呼和浩特二十家子古城出土的西漢（公元前2～

9、前1世紀(jì)）鐵鎧甲，其鐵片厚度僅1～2毫米，為熱鍛鐵件。,我國(guó)塑性加工的歷史,西漢鐵鎧甲還原模型,2 金屬塑性成形技術(shù),金屬塑性成形方法類型,常用塑性成形加工方法有：鍛造、沖壓、軋制、拉拔、擠壓等幾種類型。,軋制 擠壓 拉拔 鍛造 沖壓,,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),單晶體和多晶體,如果一塊晶體內(nèi)部的晶格位向完全一致，則稱為單晶體;由許多位向不同的微小晶體組成的晶體稱為

10、多晶體。,(a)單晶體 (b)多晶體,2.1.1 單晶體的塑性變形,,,,,單晶體的塑性變形機(jī)制主要有兩種形式：滑移變形和孿生變形.滑移：滑移是金屬塑性變形最常見的一種方式，即在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分產(chǎn)生滑動(dòng)?；频木嚯x是滑移方向上原子間距的整數(shù)倍。使大量原子從一個(gè)平衡位置滑移到另一個(gè)平衡位置，產(chǎn)生宏觀的塑性變形。,,2.1.1 單晶體的塑性變形,2

11、.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),滑移變形,,,,單晶體滑移照片,2.1.1 金屬的塑性變形及變形后的性能,滑移的位錯(cuò)機(jī)制： 晶體的滑移變形實(shí)際上不是晶體內(nèi)兩部分彼此以剛性的整體相對(duì)滑動(dòng)，而是在切應(yīng)力的作用下通過滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的。當(dāng)一位錯(cuò)移到晶體表面時(shí)，便形成了一個(gè)原子間距的滑移量。,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),(a) 位錯(cuò) (b) 位錯(cuò)移動(dòng) (

12、c) 產(chǎn)生滑移刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成滑移的示意圖,2.1.1 單晶體的塑性變形,滑移的位錯(cuò)機(jī)制,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),,螺型位錯(cuò)移動(dòng)造成滑移的示意圖,2.1.1 單晶體的塑性變形,滑移的位錯(cuò)機(jī)制,螺型位錯(cuò),2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),2.1.1 單晶體的塑性變形,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),,孿生變形：晶體的一部分相對(duì)一定的晶面（孿晶面）沿一定方向產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，已變形部分的晶體位向發(fā)生了變化，并以孿晶面為對(duì)稱面與未變形部分

13、相互對(duì)稱。,2.1.2 多晶體的塑性變形,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),,,,,鋅的單晶體與多晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,多晶體塑性變形包括晶內(nèi)變形和晶間變形。晶內(nèi)變形主要是滑移變形，而晶間變形則包括各晶粒之間的滑動(dòng)變形和轉(zhuǎn)動(dòng)變形。通常情況下的塑性變形主要是晶內(nèi)變形，當(dāng)變形量特別大（尤其是超塑性變形）時(shí)，晶間變形占主導(dǎo)地位。,多晶體塑性變形示意圖,2.1 金屬塑性加工理論基礎(chǔ),多晶體的塑性變形a〕晶內(nèi)變形 b〕晶間變形,2.1.2 多晶

14、體的塑性變形,1.金屬的晶粒越細(xì)，晶界面積越大，其變形抗力也就越大。另外，變形較均勻，因應(yīng)力集中引起開裂的機(jī)會(huì)也較少，從而細(xì)晶粒金屬斷裂前能承受較大的變形量，表現(xiàn)出良好的塑性。因此，從一般的使用角度來看，晶粒細(xì)的材料強(qiáng)度高，塑性好，在實(shí)際生產(chǎn)中通常希望獲得細(xì)小而均勻的晶粒組織，使材料具有良好的綜合機(jī)械性能。2. 多晶體塑性變形的不均勻性。各晶粒的變形先后不一致，變形量也不一致，在同一晶粒內(nèi)變形也不一致。,2.1 金屬塑性加工理論基礎(chǔ),

15、2.1.2 多晶體的塑性變形,僅有兩個(gè)晶粒的試樣在拉伸時(shí)的變形,冷塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響: 1) 晶粒變形：晶粒沿變形最大的方向伸長(zhǎng)；,（a）變形前 (b)變形后變形前后晶粒形狀變化示意圖,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),2.1.3 冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響,2.1.3 冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),,變形程度為30%,變形程度為50%,變形程度為70%,

16、冷塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響: 1) 晶粒變形 變形程度很大時(shí)，多晶體晶粒沿一方向顯著拉長(zhǎng)，晶界模糊不清，各晶粒難以分辨，呈現(xiàn)出一片如纖維狀的條紋。,低碳鋼冷塑性變形后的組織,2.1.3 冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響,,,,冷塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響:2) 亞結(jié)構(gòu)細(xì)化; 3) 變形織構(gòu);晶粒要相對(duì)于外力軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果大多數(shù)晶粒聚集到某些取向上來，從而形成變形織構(gòu)。 4) 殘余應(yīng)力晶格與晶粒均發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（金

17、屬內(nèi)部變形不均勻, 位錯(cuò)等晶體缺陷增多， 金屬內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力）。,,絲織構(gòu)示意圖,板織構(gòu)示意圖,2. 冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響: 加工硬化 1. 力學(xué)性能： 金屬的力學(xué)性能隨其內(nèi)部組織的改變而發(fā)生明顯變化。變形程度增大時(shí)，金屬的強(qiáng)度及硬度升高，而塑性和韌性下降。 2. 對(duì)金屬物理、化學(xué)性能的影響：比電阻增加，電阻溫度系數(shù)下降，導(dǎo)熱系數(shù)下降，磁導(dǎo)率和磁飽和強(qiáng)度下降，待磁滯和矯頑力增加?；瘜W(xué)活性提高，加

18、快腐蝕速度。,2.1.3 冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),,,,,2.1.3 冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響,2. 冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響: 加工硬化,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),2.1.3 冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響,材料為Q345（16Mn) 鋼 的自行車鏈條經(jīng) 過五次軋制，厚度由3.5mm壓縮到1.2mm，總變形量為65%，硬度從150HBS提高到275HBS；抗拉強(qiáng)度從510MPa提高到9

19、80MPa；使承載能力提高了將近一倍。,2. 冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響: 加工硬化,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),2.1.3 冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響,彈簧鋼絲的強(qiáng)化：65Mn彈簧鋼絲經(jīng)冷拉后，抗拉強(qiáng)度可達(dá)2000~3000MPa,，比一般鋼材的強(qiáng)度提高4~6倍。,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),2.1.4 加熱對(duì)冷塑性變形金屬組織性能的影響,回復(fù)：是指經(jīng)冷塑性變形的金屬在加熱時(shí)，發(fā)生某些亞結(jié)構(gòu)及物理和化學(xué)性能變化的過程。在該階段

20、，金屬的力學(xué)性能變化不大，但殘余應(yīng)力明顯下降，某些物理和化學(xué)性能也部分地恢復(fù)到變形前的水平。,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),2.1.4 加熱對(duì)冷塑性變形金屬組織性能的影響,再結(jié)晶過程示意圖,再結(jié)晶：當(dāng)經(jīng)冷塑性變形的金屬加熱到高于回復(fù)階段的溫度時(shí)，在變形組織的基體上又形成新的無畸變的等軸晶粒，取代了原來已變形的組織，這一過程稱為再結(jié)晶。結(jié)果使冷變形后的金屬組織和性能恢復(fù)到變形之前的狀態(tài)。,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),2.1.4 加熱對(duì)冷

21、塑性變形金屬組織性能的影響,再結(jié)晶,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),2.1.4 加熱對(duì)冷塑性變形金屬組織性能的影響,回復(fù)與再結(jié)晶,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),2.1.5 熱塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響,金屬的冷變形和熱變形： 再結(jié)晶溫度為分界點(diǎn)。  從金屬學(xué)的角度出發(fā)，冷、熱變形加工是以再結(jié)晶溫度為界限的，低于再結(jié)晶溫度的變形稱為冷變形加工；高于再結(jié)晶溫度的變形就稱為熱變形加工。

22、 如鎢的再結(jié)晶溫度為1200 ℃ ，其在1000 ℃的變形加工仍是冷變形；又如鉛、錫等低熔點(diǎn)金屬的再結(jié)晶溫度在0 ℃以下 ，在室溫下的變形就是熱變形加工。,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),2.1.5 熱塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響,改善鑄錠組織：通過熱塑性變形可使鑄錠或毛坯中的氣孔和縮松焊合，打碎粗大的柱狀晶和樹枝晶，改善夾雜物與脆性相的形態(tài)、大小和分布，消除偏析。,細(xì)化晶粒：正常的熱塑性變形由于發(fā)生塑性變形和再結(jié)晶，一般可使晶粒得到細(xì)化

23、，因而可以提高金屬的力學(xué)性能。,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),2.1.5 熱塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響,纖維組織,纖維組織：在熱變形過程中，鑄態(tài)金屬中的各種偏析、夾雜物、第二相和晶界等逐淅沿變形方向延伸，形成纖維組織，也稱流線。由于纖維組織的形成，使金屬的力學(xué)性能具有了各向異性。,2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ),2.1.5 熱塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響,應(yīng)使流線合理分布，使流線與零件服役時(shí)的最大應(yīng)力方向一致，與切應(yīng)力或沖擊力方向垂直。

24、,,(a) 鍛造 (b) 切削加工環(huán)形座流線,2.3.1 金屬塑性及變形抗力,金屬的可鍛性： 是指金屬在經(jīng)受壓力加工時(shí)，獲得優(yōu)質(zhì)鍛件難易程度的工藝性能。金屬的可鍛性的綜合衡量： 常用金屬的塑性和變形抗力，金屬的塑性高，變形抗力小，變形時(shí)不易開裂，且變形中所消耗的能量也少。這樣的金屬可鍛性良好；反之，可鍛性差。,2.3 金屬塑性變形評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響

25、因素,2.3.1 金屬塑性及變形抗力,2.3 金屬塑性變形評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素,,,1.塑性及塑性指標(biāo)：是指固體材料在外力作用下發(fā)生永久變形，而不破壞其完整性的能力。 伸長(zhǎng)率： 斷面收縮率：,2.變形抗力：是指在一定的加載條件下、一定的變形溫度下和一定的變形速度下，引起材料發(fā)生塑性變形的單位變形力。,1. 化學(xué)成分及組織的影響 1) 化學(xué)成分：金屬或合金的化學(xué)成分不同，其可鍛性也不同。 ① 隨著含碳量的增加，滲碳體的數(shù)量亦

26、增加，塑性的降低就更甚，同時(shí)變形抗力也隨之增加。 ② 合金元素?zé)o論以何種形式存在，一般都會(huì)使鋼的塑性降低，提高鋼的強(qiáng)度和硬度，進(jìn)而使鋼的變形抗力增加。 ③ 磷溶入鐵素體后，使鋼的強(qiáng)度、硬度顯著提高，塑性、韌性顯著降低，尤其在低溫時(shí)更為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象稱為冷脆。④ 當(dāng)鋼在800～1200℃范圍內(nèi)進(jìn)行塑性加工時(shí)，由于晶界處的硫化鐵共晶體塑性低或發(fā)生熔化，而導(dǎo)致鍛件開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。,2.3.2 影響金屬塑性及變形抗力的因素,2.3

27、 金屬塑性變形評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素,1. 化學(xué)成分及組織的影響 2) 金屬組織：?jiǎn)蜗嘟M織比多相組織塑性好，變形抗力也低。含有較多碳化物的合金，因碳化物既硬又脆，而且塑性極低，可鍛性較差。 細(xì)晶組織有利于提高鋼的塑性，但也會(huì)導(dǎo)致變形抗力的增加。 鑄造組織由于具有粗大的柱狀晶粒和偏析、夾雜、氣泡、疏松等缺陷，故使金屬塑性降低。,2.3.2 影響金屬塑性及變形抗力的因素,2.3 金屬塑性變形評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素,2. 變形溫

28、度的影響： 提高加熱溫度有利于提高鍛件的塑性、降低變形抗力。 變形溫度不當(dāng)將產(chǎn)生的缺陷； 溫度過高時(shí)產(chǎn)生過熱、過燒、脫碳、嚴(yán)重氧化； 溫度過低時(shí)鍛件變形困難或者被鍛裂及損毀鍛造設(shè)備。,2.3.2 影響金屬塑性及變形抗力的因素,2.3 金屬塑性變形評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素,2.變形溫度的影響：始鍛溫度：金屬加熱后開始鍛造的溫度稱為始鍛溫度。始鍛溫度應(yīng)低于AE線以下200℃左右。終鍛溫度：金屬鍛造中允許的最低變形溫度

29、稱為終鍛溫度。一般低、中碳鋼的終鍛溫度控制在800℃左右。,碳鋼的鍛造溫度范圍,2.3.2 影響金屬塑性及變形抗力的因素,2.3 金屬塑性變形評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素,2.3.2 影響金屬塑性及變形抗力的因素,2.3 金屬塑性變形評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素,3. 變形速度的影響：1) 變形速度——單位時(shí)間內(nèi)的變形程度,變形速度與塑性和變形抗力的關(guān)系,2.3.2 影響金屬塑性及變形抗力的因素,2.3 金屬塑性變形評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素,3 . 應(yīng)力狀態(tài)的

30、影響：一般而言，壓應(yīng)力有利于提高金屬的塑性，但使金屬的變形抗力增加，而拉應(yīng)力恰好相反。同號(hào)壓應(yīng)力要比同號(hào)拉應(yīng)力有利于提高金屬的塑性，同號(hào)應(yīng)力下的變形抗力要比異號(hào)應(yīng)力下的變形抗力高。,擠壓金屬應(yīng)力狀態(tài) 拉拔金屬應(yīng)力狀態(tài),2.1 金屬塑性加工理論基礎(chǔ),2.3.2 影響金屬塑性及變形抗力的因素,2.3 金屬塑性變形評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素,2.3.2 影響金屬塑性及變形抗力的因素,單選題：1、金屬熱變形與冷變形的分

31、界線是：（ ） ①高于或低于回復(fù)溫度；②高于或低于再結(jié)晶溫度；③加熱溫度；④軟化溫度2、用以綜合衡量金屬鍛造性能的因素是金屬的：（ ） ① 塑性，變形抗力； ②彈性； ③ 強(qiáng)度； ④沖擊韌性多選題：3、鍛壓的目的是改變或改善金屬材料的：（ ） ①尺寸； ②形狀； ③晶格結(jié)構(gòu)； ④組織； ⑤性能,《2.1 金屬塑性加工理論基礎(chǔ)》思考題,√,√,√,√,√,√,2.1.5