wwei-材料成形技术(塑性)-1

材料成形技术基础
Fundamental of Materials Forming
材料科学与工程系
Jiangsu Polytechnic University
第六章 金属塑性成形的工艺 理论基础
第一节 金属塑性成形的基本工艺
一、基本概念
金属的塑性成形工艺（压力加工工艺）：利用金属在 压力加工工艺）： ）：利用金属在
第二节 金属的塑性变形
一、塑性变形的实质：在切应力的作用下，金属内部晶体沿 塑性变形的实质：在切应力的作用下， 某一平面产生滑移，实现了晶体的塑性变形。 某一平面产生滑移，实现了晶体的塑性变形。 二、金属塑性变形的类型 （１）冷变形：金属在再结晶温度以下的塑性变形称为冷变形。 冷变形：金属在再结晶温度以下的塑性变形称为冷变形。 冷变形过程中只产生加工硬化而无再结晶现象，因此变形过程中 冷变形过程中只产生加工硬化而无再结晶现象， 金属的变形抗力大，塑性低。若变形量过大，会引起金属的破裂。 金属的变形抗力大，塑性低。若变形量过大，会引起金属的破裂。 如钢丝的折断 就是这个道理 （２）热变形：金属在再结晶温度以上的塑性变形称为热变形。 热变形：金属在再结晶温度以上的塑性变形称为热变形。 变形过程中再结晶能及时克服加工硬化。 变形过程中再结晶能及时克服加工硬化。 因而变形过程中金属的塑性好，变形抗力低，不需要安排中间退火。 因而变形过程中金属的塑性好，变形抗力低，不需要安排中间退火。
外力作用下产生的塑性变形来获得具有一定形状、尺寸 外力作用下产生的塑性变形来获得具有一定形状、 作用下产生的塑性变形来获得具有一定形状 和力学性能的原材料、毛坯或零件的成形工艺。 和力学性能的原材料、毛坯或零件的成形工艺。
冲击力和压力
锻压是锻造与冲压的总称。 锻压是锻造与冲压的总称。
★锻造：在加压设备及工（模）具作用下，使坯料、铸锭产生局 锻造：在加压设备及工（ 具作用下，使坯料、 部或全部的塑性变形，以获得一定几何尺寸、 部或全部的塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件 的加工方法。锻造通常是在高温（再结晶温度以上）下成形的， 的加工方法。锻造通常是在高温（再结晶温度以上）下成形的， 因此也称为金属热变形或热锻。 因此也称为金属热变形或热锻。 ★锻造特点：1、压密或焊合铸态金属组 锻造特点： 、 织中的缩孔、缩松、空隙、气泡和裂纹。 织中的缩孔、缩松、空隙、气泡和裂纹。 2、细化晶粒和破碎夹杂物，从而获得一 、细化晶粒和破碎夹杂物， 定的锻造流线组织。因此， 定的锻造流线组织。因此，与铸态金属 相比，其性能得到了极大的改善。 相比，其性能得到了极大的改善。 3、主要用于生产各种重要的、承受重载荷的机器零件或毛坯。 、主要用于生产各种重要的、承受重载荷的机器零件或毛坯。 如机床的主轴和齿轮、内燃机的连杆、起重机的吊钩等。 如机床的主轴和齿轮、内燃机的连杆、起重机的吊钩等。 高温下金属表面的氧化和冷却收缩等各方面的原因， 4、高温下金属表面的氧化和冷却收缩等各方面的原因，锻件精度 不高、表面质量不好，加之锻件结构工艺性的制约。 不高、表面质量不好，加之锻件结构工艺性的制约。 锻件通常只作为机器零件的毛坯。 锻件通常只作为机器零件的毛坯。
★冲压特点：1、冲压件刚性好、结构轻、 冲压特点： 、冲压件刚性好、结构轻、 特点 精度高、外形美观、互换性好等优点。 精度高、外形美观、互换性好等优点。 2、广泛用于汽车、拖拉机外壳、电器、仪表及日用品的生产。 、广泛用于汽车、拖拉机外壳、电器、仪表及日用品的生产。
二、金属塑性成形的基本生产方式 轧制： 1、轧制：金属毛坯在两个轧辊之间受压变形而形成各 种产品的成形工艺， 种产品的成形工艺，图6-1。 挤压： 2、挤压：金属毛坯在挤压模内受压被挤出模孔而变形 的成形工艺， 的成形工艺，图6-3。 拉拔： 3、拉拔：将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的成形 工艺， 工艺，图6-5。 自由锻： 4、自由锻：金属毛坯在上下砥铁间受冲击或压力而变 形的成形工艺， 形的成形工艺，图6-7（a）。 模锻： 5、模锻：金属坯料在既有一定形状的锻模模膛内受击 力或压力而变形的成形工艺， 力或压力而变形的成形工艺，图6-7（b） 。
（3）变形温度 随着温度的升高，塑性增加，变形抗力降低。 随着温度的升高，塑性增加，变形抗力降低。 1）确定始锻温度与终锻温度 2）塑性成形应避免脆性区：（蓝脆区与热脆区） 塑性成形应避免脆性区：（蓝脆区与热脆区） ：（蓝脆区与热脆区
（4）变形速度 一般变形速度增加则可锻性下降，故常用较小的变形速度。 一般变形速度增加则可锻性下降，故常用较小的变形速度。 （5）应力状态 1）应力状态对塑性的影响 在应力状态中，压应力个数 在应力状态中， 值越大， 越 多，数 值越大，则金属的塑性 越高。反之, 则拉应力个数越多， 越高。反之, 则拉应力个数越多， 数值越大，则金属的塑性越低。 数值越大，则金属的塑性越低。
四、影响塑Leabharlann 变形的因素1、塑性：在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整 塑性：
性的能力。 性的能力。 2、变形抗力：金属对塑性变形的抵抗力。 金属对塑性变形的抵抗力。 3、可锻性：金属材料经受压力加工的难易程度。 可锻性：金属材料经受压力加工的难易程度。 它是用金属材料的塑性与变形抗力来衡量的。 它是用金属材料的塑性与变形抗力来衡量的。
1、回复；2、再结晶。 回复； 再结晶。
五、纤维组织 1、金属压力加工最原始的坯料是铸锭。 金属压力加工最原始的坯料是铸锭。 其内部组织很不均匀，晶粒粗大，且存在着许多其他缺陷： 其内部组织很不均匀，晶粒粗大，且存在着许多其他缺陷：如 气孔、缩松、偏析、非金属夹杂物等。将这种铸锭经热变形， 气孔、缩松、偏析、非金属夹杂物等。将这种铸锭经热变形， 粗大的铸状晶粒被打碎后，经过再结晶，就可形成细晶粒， 粗大的铸状晶粒被打碎后，经过再结晶，就可形成细晶粒，同 时在热变形过程中还可以将气孔、缩松等压合在一起， 时在热变形过程中还可以将气孔、缩松等压合在一起，使金属 的致密性提高。 的致密性提高。 2、晶粒和分布在晶界上的非金属夹杂物，沿变形方向被拉长， 晶粒和分布在晶界上的非金属夹杂物，沿变形方向被拉长， 但是拉长的晶粒可经再结晶又变成等轴细粒状， 但是拉长的晶粒可经再结晶又变成等轴细粒状，而这些夹杂物不能 改变，就以细长线条状保留下来，形成了所谓的纤维组织 纤维组织。 改变，就以细长线条状保留下来，形成了所谓的纤维组织。 纤维组织的化学稳定性很高，只有经过锻压才能改变其分布方向， 纤维组织的化学稳定性很高，只有经过锻压才能改变其分布方向， 用热处理是不能消除或改变纤维组织形态的。 用热处理是不能消除或改变纤维组织形态的。 纤维组织使金属的力学性能具有明显的方向性。 纤维组织使金属的力学性能具有明显的方向性。
三、常温下金属塑性变形后的变化 1、晶粒沿变形最大的方向伸长； 晶粒沿变形最大的方向伸长； 晶格与晶粒均发生扭曲，产生内应力； 2、晶格与晶粒均发生扭曲，产生内应力； 晶粒间产生碎晶。 3、晶粒间产生碎晶。 位错密度增多，强度、硬度提高而塑性、 4、位错密度增多，强度、硬度提高而塑性、韧性则下 产生加工硬化。 降，产生加工硬化。 四、加工硬化组织加热时组织和性能的变化
塑性愈大、变形抗力愈小，材料的可锻性愈好 可锻性愈好 塑性愈大、变形抗力愈小，材料的可锻性
4、可锻性的影响因素
（1）化学成分 A、碳钢中碳和杂质元素的影响 C、H、P（冷脆）、S （热脆） 冷脆）、 ）、S 热脆） B、合金元素的影响 塑性降低，变形抗力提高。 塑性降低，变形抗力提高。 （2）内部组织
2）应力状态对变形抗力的影响： 应力状态对变形抗力的影响：
用相同材料在相同模具上进行挤压和拉拔， 用相同材料在相同模具上进行挤压和拉拔，其变形抗力前者 远比后者大，这是挤压时的应力 状态与拉拔时不同所致。 远比后者大， 状态与拉拔时不同所致。
习题： 习题：第1、2、6题。 、 、 题
3、纤维组织的利用原则 A、使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断 B、使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与 使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致， 纤维方向垂直
第三节 塑性变形 理论及假设
一、最小阻力定律 金属材料受外力作用发生塑性变形时， 金属材料受外力作用发生塑性变形时，若金属质点 在几个方向都可移动， 在几个方向都可移动，则金属质点就沿着阻力最小的方 向移动。 向移动。 按此定律，不论是圆形、 按此定律，不论是圆形、方形还是矩形的坯料在经 镦粗变形后，其最终都趋于圆形。 镦粗变形后，其最终都趋于圆形。
★冲压：板料在冲压设备及模具作用下，通过塑性变形产生分离 冲压：板料在冲压设备及模具作用下， 或成形而获得制件的加工方法，主要用于加工板料。 或成形而获得制件的加工方法，主要用于加工板料。 冲压通常是在再结晶温度以下完成变形的，因而也称为冷冲压。 冲压通常是在再结晶温度以下完成变形的，因而也称为冷冲压。
走最短的路，做最少的功。
开式模锻的金属流动
最小周边法则
二、金属经塑性变形前后体积不变假设
金属材料是连续的致密体，塑性变形前后体积变化很小， 金属材料是连续的致密体，塑性变形前后体积变化很小， 与形状变化相比可以忽略。 与形状变化相比可以忽略。
三、塑性变形程度的计算 1、锻造比（Y锻） 、锻造比（ （1）拔长：Y锻=F0/F； ）拔长： ； （2）镦粗：Y锻=H0/H ）镦粗： 锻造时一般要求锻造比为2—2.5之间，而对于要求 之间， 锻造时一般要求锻造比为 之间 纵向性能的零件，锻造比则应适当增加。 纵向性能的零件，锻造比则应适当增加。 根据锻造比和体积不变假设可计算出坯料的尺寸。 根据锻造比和体积不变假设可计算出坯料的尺寸。 即： F坯料 = Y锻 F锻件；L坯料 = V坯料/ F坯料 。
单相组织（纯金属或者固溶体）比多相组织塑性好。 单相组织（纯金属或者固溶体）比多相组织塑性好。 细晶组织比粗晶组织好； 细晶组织比粗晶组织好； 等轴晶比柱状晶好。 等轴晶比柱状晶好。 面心立方结构的可锻性最好，体心立方结构次之， 面心立方结构的可锻性最好，体心立方结构次之， 而密排六方结构可锻性最差。 而密排六方结构可锻性最差。