第一节 金属材料件塑性成形原理,一、金属塑性成形原理（一）金属的塑性变形1.金属的塑性变形的分类, 弹性变形：材料在外力作用下会产生变形；当外力消失后，所产 生的应力和变形也消失的变形，称为弹性变形。, 塑性变形当外载荷在材料内部所产生的内应力超过了材料的 屈服强度以后，即使去掉外载荷，变形也不能完全消失 的变形称为塑性变形。,2. 金属的塑性变形在金属塑性变形过程中，金属的晶粒内部产生了滑移，晶粒间也产生了滑移并转动（多晶体的晶间变形）。,（1） 单晶体金属刚性滑移（2）多晶体金属位错运动,（二）冷变形对金属组织和性能的影响1.产生冷变形强化现象,冷变形时，随着变形程度的增加，产生金属的强度、硬度升高，塑性、冲击韧性下降的现象。,2.产生残余应力,加工硬化对金属组织性能的影响：,常在冷轧、冷拉等一些变形程度较大的冷变形工序中，穿插再结晶退火工序，以消除加工硬化。,如冷拉钢丝，冷卷弹簧，坦克和拖拉机履带，破碎机的颚板，发电机的护环等零件的制造均利用了加工硬化效应来提高零件的性能。,随着温度的升高，已产生加工硬化的金属其晶格的扭曲程度减小，但金属组织还没有显著变化的现象。T回=（0.250.3）T熔（ K）,T回-金属的绝对回复温度, KT熔-金属的绝对熔化温度, K,经冷拉的钢丝卷成弹簧后的低温回火（加热到250300）,青铜丝弹簧加工后的回火处理(加热到120125),（三）冷变形金属在加热时组织和性能的变化1. 低温加热,随着温度的进一步升高，已发生回复的金属开始以某些碎晶或杂质为核心形成新的晶粒，从而消除了加工硬化的现象。T再=0.4T熔（ K）,T再-金属的绝对再结晶温度, K,金属的再结晶退火温度比其再结晶温度高100200。,3冷变形、热变形和温热变形,在再结晶温度以下的变形。对金属冷变形将产生加工硬化现象。, 冷变形时金属的塑性低，变形抗力大； 热压力加工能一次成形的，采用冷压力加工就可能要加压 多次，在中间还需进行多次再结晶退火；设备也要求刚性 好， 吨位大； 冷变形后的产品精度高，表面光洁，常用于已热变形过的 坯料的再加工，如冷轧、冷冲压、冷镦及冷拉等。,指在再结晶温度以上的变形。在热变形中既产生加工硬化，又有再结晶现象，最终结果是加工硬化现象被再结晶所消除。,2）热变形,3）温热变形,介于冷变形和热变形之间的塑性变形。,温热变形中既有加工硬化，又有回复或再结晶现象；用温热变形得到的工件，其强度和尺寸精度比热变形高，而变形抗力比冷变形低。如温热挤压、半热锻等。说明：铅、锡在室温下的加工属于热变形；钨的再结晶温度为1210，即使在1000的高温下进行的加工也属于冷变形。,（1）消除铸态组织金属经过塑性变形及再结晶，粗大的铸造组织变成了细小的再结晶组织，钢锭中的气孔、缩松等缺陷压合在一起，使金属更致密。 （2）破碎并改善碳化物、非金属夹杂物的分布,（四）热变形对金属组织和性能的影响1.热变形对金属组织的影响,（3）形成纤维组织钢锭中分布在晶界上的杂质，在金属变形时，塑性杂质（如FeS等）沿晶粒变形方向伸长，呈带状分布；而脆性杂质（如氧化物等）则被击碎，呈链状分布。再结晶时，晶粒的形状改变，而杂质依然沿被拉长的方向（呈流线状）保留下来，形成纤维组织。,金属的变形程度越大，纤维组织越明显。变形程度用锻造比Y锻来表示。,拔长时的锻造比：,镦粗时的锻造比：,H0、F0-坯料变形前的高度和横截面积H、F-坯料变形后的高度和横截面积,当锻造比为25时，纤维组织愈来愈明显，金属呈现各向异性。,2.热变形对金属性能的影响, 热变形时金属的塑性良好，变形抗力也小，能获得具有 较高力学性能的再结晶组织； 变形抗力小，消耗较小的功可得到较大的变形； 能改善金属的组织，提高其力学性能；,3.纤维组织的特点及利用：锻件在纵向（平行于纤维方向）上的塑性和韧性增加。而在横向（垂直于纤维方向）上的塑性、韧性降低，金属的力学性能呈现各向异性。纤维组织很稳定，只有用锻压的方法才能改变纤维组织的方向和形状。在设计和制造零件时： （1）应使零件工作时的最大正应力方向与纤维方向重合，最大剪应力方向与纤维方向垂直， （2 ）并使纤维能与零件轮廓相符合而不被切断。,二、 常用金属的锻造性能,是衡量金属材料在压力加工中成形难易程度的工艺性能指标，包括金属的塑性和变形抗力两个指标。, 金属的塑性：断面收缩率 、延伸率 变形抗力：塑性变形时金属反作用于工具上的力。,1.影响金属的锻造性能的因素：,（1）金属的本质, 金属的化学成分：纯金属的可锻性比合金好，低碳钢的可锻性又比高碳 钢好；钢中含有形成碳化物的元素（如钨、钼、钒等）， 则可锻性明显下降。 合金的组织：固溶体（如奥氏体）的可锻性好，碳化物（如渗碳体） 则不能锻。 晶界强度：晶界上存在低熔点、低强度、高脆性的物质，将使塑 性大为降低。 晶粒大小：晶粒越细，金属的总变形量可增大，塑性也越好，但 变形抗力会增加；铸造组织的可锻性较差。,（2）变形温度适当提高变形温度，可增大材料的塑性，降低变形抗力； 但温度过高，会产生“过热”和“过烧”，材料塑性显著下降，易脆裂。,变形速度是指单位时间内的变形程度。 随着变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服硬化现象， 金属的塑性下降，变形抗力增加； 随着变形的进一步增加，金属的温升（热效应）使可锻性得 到改善，变形速度越大越明显。,（3）变形速度,（4）应力状态,应力状态对各种压力加工方法的影响, 拉应力的数目越多，塑性越差，压应力的数目越多，塑性 越好。 同号应力状态下的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗 力。, 金属在挤压、模锻时三向受压，表现出较高的塑性和较大的 变形抗力，且三向压应力相差越小，变形抗力越大；适合于 塑性较低的金属的压力加工； 金属在拉拔时两向受压，一向受拉，表现出较低的塑性和较 小的变形抗力；适合于塑性高的金属的压力加工；,三、金属的加热,加热金属，可以提高塑性，降低变形抗力，减小设备吨位， 以利于金属的变形和获得良好的锻后组织。 氧化在高温下，钢的表面与炉气中的氧化性气体（如O2、 CO2、H2O及SO2等）反应，生成氧化皮，造成金属的烧损和 增加压力加工设备的磨损。,1金属加热的目的2钢加热时产生的缺陷,钢的表面层的碳元素被烧损，含碳量降低的现象。脱碳的影响及防止：脱碳使零件表面的机械性能降低，因而脱碳层深度不能大 于加工余量；加热温度越高，时间越长，脱碳层就会越深。, 过热当钢的加热超过某一温度，且在此温度下停留时间过长，钢的晶粒迅速增大，形成粗大晶粒的现象。过热的影响及防止a. 过热使材料的晶粒粗大，力学性能下降；b.过热的钢件可以通过多次锻造及热处理方法来消除，但对 于不产生相变重结晶的钢种（如1Cr18Ni9Ti），不能用热处 理来细化晶粒，消除过热。, 脱碳,钢被加热到接近熔点时，炉气中的氧化性气体渗入到晶界，使晶界的物质氧化，形成易熔的共晶氧化物，严重地破坏了晶粒之间的联接，锻造时易造成崩碎的现象。过烧的影响发生过烧的钢件只能报废回炉重新冶炼,热应力：钢锭或钢材在加热时，因表面的温度高于中心的温度，这一温差使得表面的热膨胀大于心部的热膨胀，在中心产生三向拉应力，这种由温差引起的应力称为热应力。,内部裂纹：,钢锭或钢材在加热时，由于产生的热应力与坯料中的残余应力叠加，超过了钢的强度极限而产生的裂纹。钢的导热性差（如高合金钢），坯料断面尺寸大，加热速度快，则表里温差大，热应力也大。,3锻造温度范围, 始锻温度 终锻温度,锻件开始锻造的温度。在不产生过烧现象的情况下，始锻温度可高一些；始锻温度随含碳量的增加而降低。锻件停止锻造的温度。在保证锻件有足够的塑性和锻后获得再结晶组织的前提下，应降低终锻温度。, 锻造温度范围,指始锻温度与终锻温度之间的一段温度范围。锻造温度范围应尽可能宽一些。高碳钢及合金钢的锻造温度范围较窄，有色金属及其合金的就更窄。,4加热速度,加热速度一般采用单位时间内钢料表面的温度变化来 表示（/h）。 加热速度的影响因素：钢的化学成分、炉温、装炉方式、 钢坯尺寸大小等。 适当提高炉温，增大加热速度对热压力加工有利，但要防 止加热过快导致热应力增大，产生裂纹。 对塑性差，导热性差的材料和大尺寸的钢锭，常采用分段 加热法（先慢后快）。,在适宜的变形温度和变形速度条件下，具有超细晶粒的 某些金属与合金，能获得特别大而均匀的塑性变形的现象。 超细的等轴晶粒 特定的等温变形超塑性变形温度一般为(0.50.7)T熔左右。 极低的变形速度超塑性变形速度一般在10-110-5之间,2常用于超塑性成形的材料：,3超塑性变形的特点, 没有加工硬化，变形抗力很低 材料塑性大为提高 工件内部为均匀的细晶组织，机械性能好，没有各向异性 加工精度高,4超塑性变形的应用,超塑性成形已用于板料深冲、模锻和挤压等工艺上。,第二节 锻压成形,对坯料施加一定的外力, 利用金属的塑性变形以制造机械零件或毛坯制件，同时提高或改善制件力学或物理性能的一类成形加工方法,叫塑性成形工艺或压力加工工艺，简称锻压。, 经塑性成形工艺制得的毛坯和零件,具有良好的组织性能和机 械性能。 冲压件则具有强度高、刚度大，以及结构轻、生产率高、尺 寸精度和表面质量较高等优点。 与铸造成形工艺相比，锻件复杂程度不如铸件。,锻压成形工艺特点：,负载大，工作条件恶劣的关键零件，如汽轮发电机组的转子、主轴、叶轮和护环，大量生产的汽车、拖拉机中的曲轴、连杆、齿轮和转向节，大型水压机的立柱、高压缸和冷、热轧辊等，都是锻压加工而成的。各种刀具、模具、家具、手工工具、紧固件和轴承环等也大都采用锻压加工。先进工业国家模锻件占锻件总产量的比例已达70%-80%。,锻造是在一定的温度条件下,用工具或模具对坯料施加外力,使其金属发生塑性流动,从而使坯料发生体积的转移和形状的变化,获得所需锻件的一种成形方法。基本特点：锻造是利用金属的塑性流动来成形的，在成形过程中不仅坯料的质量不变（不计烧损及切头等损失），而且体积也不变；只是发生体积转移、形状改变，材料内部组织、性能改变。锻造属于二次塑性成形，变形方式为体积成形。 分类：按所用工具及模具安置情况不同，可分为以下几类：,锻造工艺:,一、自由锻,自由锻是在锻锤或压力机上,使用简单或通用的工具使 坯料变形, 获得所需几何形状和内部质量的锻件的成形方法。分类： 手工锻造 锤上自由锻造 液压机上自由锻造锤上自由锻造适用于生产中、小型自由锻件，液压机 上的锻造适用于生产大型自由锻件。,特点：, 所用设备和工具通用性大，成本低。 大、小锻件均适用，特别适用于大型锻件的生产。 只能锻形状简单的锻件。 适合小批、单件生产。,4模锻工艺及锻件图绘制,1）模锻工艺分析 模锻工艺方法与锻 件外形紧密相关。形状 相似的锻件。其模锻工 艺及锻模结构基本相 同。A 锻件类型 长轴类锻件。 短轴类（圆饼类）。 顶镦类及复合类型锻件。,B 工艺分析, 长轴类锻件 模锻时毛坯轴线方向（长度方向）与锻击方向垂直， 金属主要沿高度方向流动，沿长度方 向流动很少，往往 需制坯。锻造工艺过程为：制坯（如拔长、滚压、弯曲、成形） 预锻终 锻。 短轴类锻件 模锻时坯料轴线方向与打击方向相同，金属沿高度、 宽度和长度方向同时流动。工艺过程：制坯（镦粗、压扁） 终锻。,