机械制造工艺教案第二章1-3节.ppt

在一般情况下增加锻造比，可使金属组织细密化，提高锻件 的力学性能。但是，当锻造比过大，金属组织的紧密程度 和晶粒细化程度都已达到了极限状况，锻件的力学性能不 再升高，而是增加各向异性。
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
• 流线的利用
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
2．自由锻的应用
自由锻使用的工具简单、通用，生产准备周期短，灵活性大， 所以使用范围较为广泛，特别适用于单件、小批量生产。 在重型机械中，自由锻是生产大型和特大型锻件的唯一成 形方法。
3．模锻
rging and Stamping Process
• 锻造比
在压力加工中，金属截面积变化的程度。
拔长时的锻造比为:
Y拔＝F0/F
镦粗时的锻造比为:
Y镦＝H0/H
式中，
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。
金属的加工条件，一般指金属的变形温度、变形速度和变形 方式等。
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
• 1．变形温度的影响
随着温度升高，原子动能升高，易于产生滑移变形，从而提 高了金属的锻造性能，所以加热是压力加工成形中很重要 的变形条件(dz28) 。
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
• 钢锭开坯
热加工生产采用的原始坯料是铸锭。其内部组织很不均匀， 晶粒较粗大，并存在气孔、缩松、非金属夹杂物等缺陷。 铸锭加热后经过热加工，由于塑性变形及再结晶，从而改 变了粗大、不均匀的铸态结构(dd26) ，获得细化了的再结 晶组织。同时还可以将铸锭中的气孔、缩松等压合在一起， 使金属更加致密，力学性能得到很大提高。
• 3．应力状态的影响
金属在经受不同方式进行变形时，所产生的应力大小和性质 (压应力或拉应力)是不同的。例如，挤压变形时(td113)为 三向受压状态(dd25) 。而拉拔时(td117)则为两向受压一 向受拉的状态。
理论与实践证明，在三向应力状态图中，压应力的数量愈多， 则其塑性愈好；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。其理 由是在金属材料的内部或多或少总是存在着微小的气孔或 裂纹等缺陷，在拉应力作用下，缺陷处会产生应力集中， 使得缺陷扩展甚至达到破坏，从而金属失去塑性；而压应 力使金属内部原子间距减小，又不易使缺陷扩展，故金属 的塑性会增高。另一方面，，从变形抗力来分析，压应力 使金属内部摩擦增大，变形抗力也随之增大。在三向受压 的应力状态下进行变形时，其变形抗力较三向应力状态不 同时大得多。
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
第二节 金属的可锻性 Forgability of Metals
• 金属的可锻性
用来衡量金属材料在经受压力加工时获得优质制品难易程度 的工艺性能。可锻性的优劣是以金属的塑性和变形抗力来 综合评定的。
• 再结晶退火
采用加热的方法使金属发生再结晶，从而再次获得良好塑性 的工艺方法。
二、冷变形与热变形
• 冷变形
在再结晶温度以下的变形。变形过程中无再结晶现象，变形 后的金属具有加工硬化现象(dz115,dd13) 。
• 热变形
在再结晶温度以上的变形。变形后，金属具有再结晶组织、 而无加工硬化痕迹(td107) 。也称热加工(dz124) 。
• 塑性
指金属材料在外力作用下产生永久变形，而不破坏其完整性 的能力。
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• 变形抗力
金属对变形的抵抗力，称为变形抗力。
塑性反映了金属塑性变形的能力，而变形抗力反映了金属塑 性变形的难易程度(dz124) 。塑性高，则金属变形不易开 裂；变形抗力小，则锻压省力。两者综合起来，金属材料 就具有良好的可锻性。金属的可锻性取决于材料的性质(内 因)和加工条件(外因)。
例如，当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与 杆部的流线被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力 顺着流线方向，故螺钉的承载能力较弱(dd12) 。当采用同 样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(dd13) ，流线不被切断 且连贯性好，流线方向也较为有利，故螺钉质量较好。
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当温度继续升高到该金属熔点绝对温度的0.4倍时，金属原子 获得更多的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心，结晶成 新的晶粒，从而消除了全部加工硬化现象(dz117) (td107)。
这时的温度称为再结晶温度T再 = 0.4 T熔。
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越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a点以后)，
可锻性变好。但热效应现象只有在高速锤上锻造时才能实
现，在一般设备上都不可能超过a点的变形速度，故塑性较
差的材料(如高速钢等)或大型锻件，还是应采用较小的变 形速度为宜。
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• 2.金属组织的影响
金属内部的组织结构不同，其可锻性有很大差别。纯金属及 单相固溶体(如奥氏体)具有良好的塑性，其锻造性能较好。 若含有多个不同性能的组成相，则塑性降低，锻造性能较 差(dd04) 。铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又 均匀的组织的可锻性好(dh18_c) 。
二、加工条件的影响
（该面称滑移面）作相对滑动(td76) 。 滑移带-很多晶面同时滑移积累起来而形成（dd76） 。
一、加工硬化、回复与再结晶
• 加工硬化
金属在低温下进行塑性变形时，随变形程度增大，强度和硬 度上升而塑性下降的现象(dd27) ,又称冷变形强化(td84) 。
• 加工硬化的实质
金属在低温下塑性变形时内部组织发生了变化：(1)晶粒沿变 形最大的方向伸长；(2)晶格与晶粒均发生扭曲，产生内应 力；(3)晶粒间产生碎晶(dz117) 。
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复习思考题
1、如何提高金属的塑性?最常用的措施是什么? 2、“趁热打铁”的含义何在? 3、在如图2-8所示的两种砧铁上拔长时，效果有何不同？ 4、重要的轴类锻件为什么在锻造过程中安排有镦粗工序？
过热-加热温度过高，晶粒急剧长大，金属机械性能降低的现 象。
过烧-若加热温度更高接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结 合，使金属失去塑性，坯料报废的现象(cracks4) 。
始锻温度-金属锻造加热时允许的最高温度。 终锻温度-在锻造过程中，金属坯料温度不断降低，当温度降
低到一定程度，塑性变差，变形抗力增大，不能再锻，否 则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的温度。 锻造温度范围-始锻温度与终锻温度之间的区间(td51) 。
流线的化学稳定性强，通过热处理是不能消除的，只能通过 不同方向上的锻压才能改变流线的分布状况。由于流线的 存在对力学性能有影响，特别是对冲击韧性的影响，因此， 在设计和制造易受冲击载荷的零件时，一般应遵守两项原 则：①使流线分布与零件的轮廓相符合而不被切断；②使 零件所受的最大拉应力与流线方向一致，最大切应力与流 线方向垂直(fig10.3)。
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• 回复
加工硬化是一种不稳定现象，具有自发地回复到稳定状态的
倾向。当加热温度为T回 = （0.25～0.3）T熔 时，塑性变
形后的金属性能大部分回复到变形前的性能。称为回复(td
78) ，此时的温度称为回复温度T回。 T回——以绝对温度表示的金属回复温度； T熔—一以绝对温度表示的金属熔点温度。 • 再结晶
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
本讲小结：
主要内容：加工硬化与再结晶；冷变形与热变形；纤维组织 与流线；可锻性
重点内容：加工硬化与再结晶；纤维组织与流线；可锻性。
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第三节 锻造工艺 Forging Process
一、模锻工艺
锻造工艺主要分为无模自由成形(也称为自由锻)和模膛塑性 成形(也称为模锻)。
1．自由锻 用冲击力或压力使金属在锻造设备的上下砧块(或砥铁)间产
生塑性变形，从而获得所需几何形状及内部质量的锻件的 压力加工方法。坯料在锻造过程中，除与上下砥铁或其它 辅助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形不受限 制，故称之为自由锻(dd02) 。
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
复习思考题
1、锡在20℃、钨在1100℃变形，各属哪种变形？为什么（锡 的熔点为232℃，钨的熔点为3380℃）？
2、流线组织是怎样形成的?它的存在有何利弊？试举例说明。 3、原始坯料长150mm，若拔长到450mm时，锻造比是多少？
一、材料性质的影响
• 1.化学成分的影响
不同化学成分的金属其可锻性不同。一般来说，纯金属的可 锻性比合金的可锻性好。钢中合金元素含量越多，合金成 分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大。例如纯铁、低碳 钢和高合金钢，它们的可锻性是依次下降的（dd32） 。
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
4．模锻的应用 模锻生产率高，可以锻出形状复杂的锻件。其尺寸精确、表
面光洁、加工余量少。由于模锻件流线分布合理，所以它 的强度高、耐疲劳、寿命长。模锻适用于中、小型锻件的 成批和大量生产，在机械制造业和国防工业中得到了广泛 的应用。
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
• 2．变形速度的影响
变形速度即单位时间内的变形程度。它对可锻性的影响是矛 盾的。一方面，随着变形速度的增大，回复和再结晶不能 及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗 力增大(td06) ，可锻性变坏。另一方面，金属在变形过程 中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属 温度升高(称为热效应现象)。变形速度越大，热效应现象
使加热到锻造温度的金属坯料在锻模模腔内一次或多次承受 冲击力或压力的作用，而被迫流动成形以获得锻件的压力 加工方法。在变形过程中由于模膛对金属坯料流动的限制， 因而锻造终了时能得到和模膛形状相符的锻件。
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
三、纤维组织、流线与锻造比
• 纤维组织
金属在冷变形时，晶粒沿变形方向拉长而产生（td119） 。 可通过再结晶退火消除。
• 流线
金属在热变形时，非金属夹杂物等杂质沿变形方向排布而产 生(td139) 。流线越明显，金属在纵向（平行流线方向） 上塑性和韧性提高，而在横向（垂直流线方向）上塑性和 韧性降低。
机械制造工艺基础
主讲教师：周世权
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
第一节 热加工基础 Hot-work Fundament
金属塑性变形的实质-晶体内部产生滑移(td75) ， 滑移-晶体的一部分相对另一部分，沿原子排列紧密的晶面
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第二章 锻压工艺 Forging and Stamping Process
综上所述，影响金属塑性变形的因素是很复杂的。在压力加 工中，要依据金属的本质和成形要求，力求创造有利的变 形条件，充分发挥金属的塑性，降低变形抗力，降低设备 吨位，减少能耗，使变形进行得充分，达到优质低耗的要 求。