3第3讲：金属塑性变形与锻造工艺方法
合集下载
第三篇(塑性加工)
纤维组织的稳定性很高，不能用热处理或其它方法加以消 除，只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。 合理利用纤维组织
应使零件在工作中所受的最大正应力方向与纤维方向重合;
最大切应力方向与纤维方向垂直; 并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量不被切断。
§1-3
金属的可锻性
金属材料通过塑性加工获得优质零件的难易程度。 （经塑性加工而不断裂） 塑性
三拐曲轴的锻造过程
§2-1 锻造方法
自由锻特点
●
坯料表面变形自由；
● 设备及工具简单，锻件重量不受限制； ● ● ●
锻件的精度低； 生产率低，适用于单件小批生产； 是大型锻件的唯一锻造方法。
§2-1 锻造方法
模锻
使加热后的金属在模膛内
受压变形以获得所需锻件 的方法。 应用： 大批量生产中小锻件。 ＜150Kg，如曲轴、连 杆、齿轮。
在冷加工时,形变强化使金属塑性降低,进
一步加工困难,应安排中间退火工艺。 实质：塑性变形时位错运动受阻，使交叉滑移中位错运动范围缩小，因 此，金属性能随之改变。
一、金属材料产生加工硬化
金属材料 强度和硬 度提高， 塑性和韧 性下降。
有利：加工硬化可提高产品性能! 不利：进一步的塑性变形带来困难! 加热可消除硬化现象!
压力使金属成型为各种型材和锻件等。
a）自由锻 b）模锻 c）胎模锻 胎模锻：自由锻设备上，采用不与上、下砧相连接的活动模具 成形锻件的方法。是介于自由锻和模锻之间的锻造工艺方法。 2）冲压 利用冲模将金 属板料切离或变形 为各种冲压件。
3）轧制 使金属坯料通过两个旋转轧辊之间的间隙而产生塑性变形的 加工方法。 用于生产各种型材、管材、板材等。
模锻
模锻是利用锻模使坯 料变形而获得锻件的 锻造方法。
金属塑性成型工艺
第二篇金属的塑性成形工艺金属塑性成形——在外力作用下，金属产生了塑性变形，以此获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件。
此生产方法称金属塑性成形（也称压力加工）外力冲击力——锤类设备压力——轧机、压力机有一定塑性的金属——压力加工（热态、冷态）基本生产方法：1．轧制——钢板、型材、无缝管材（图6-1）（图6-2）2．挤压——低碳钢、非铁金属及其合金（图6-3）（图6-4）3．拉拔——各种细线材，薄壁管、特殊几何形状的型材（图6-5）（图6-6）4．自由锻——坯料在上、下砥铁间受冲击力或压力而变形（图6-7a）5．模锻——坯料在锻模模腔内受冲击力或压力而变形（图6-7b）6．板料冲压——金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法（图6-7c）金属的原材料，大部通过轧制、挤压、拉拔等制成。
第六章金属塑性成形的工艺理论基础压力加工——对金属施加外力→塑性变形金属在外力作用下，使其内部产生应力——发生弹性变形外力>屈服应力塑性变形塑性变形过程中一定有弹性变形存在，外力去除后，弹性变形将恢复→“弹复”现象，它对有些压力加工件的变形和工件质量有很大影响，须采取工艺措施的保证产品质量。
§6-1 塑性变形理论及假设一、最小阻力定律金属塑性成形问题实质，金属塑性流动，影响金属流动的因素十分复杂（定量很困难）。
应用最小阻力定律——定性分析（质点流动方向）最小阻力定律——受外力作用，金属发生塑性变形时，如果金属颗粒在几个方向上都可移动，那么金属颗粒就沿着阻力最小的方向移动。
利用此定律，调整某个方向流动阻力，改变金属在某些方向的流动量→成形合理。
最小阻力定律示意图在镦粗中，此定律也称——最小周边法则二、塑性变形前后体积不变的假设弹性变形——考虑体积变化塑性变形——假设体积不变（由于金属材料连续，且致密，体积变化很微小，可忽略）此假设+最小阻力定律——成形时金属流动模型三、变形程度的计算变形程度——用“锻造比”表示拔长时锻造比为： T 拔=Fo/F镦粗时锻造比： Y 镦=Ho/H式中：H 0、F 0——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T 锻=2~2.5 （要求横向力学性能）纵向Y 锻↑由Y 锻可得坯料的尺寸。
金属的塑性变形与再结晶(3)
滑移实质上是位错在滑移面上运动的结果，在切 应力的作用下，晶体中存在的正刃位错逐步移动， 当这个位错移到晶体的右边缘时，移出晶体的上 半部就相对于下半部移动了一个原子间距，形成 一个原子间距的滑移量。
同一滑移面上若有大量的位错移出，则在晶体表 面形成一条滑移线。
位错在晶体中移动时所需切应力很小，因为当位错中心前 进一个原子间距时，一齐移动的只是位错中心少数原子， 而且其位移量都不大，形成逐步滑移，这就比一齐移动所 需的临界切应力要小得多，这称为“位错的易动性”。
研究表明，亚晶界的存在使晶体的变形抗力增加， 是引起加工硬化的重要因素之一。
3.形变织构
在塑性变形过程中，当金属按一定的方向变形量 很大时(变形量大于70%以上)，多晶体中原来任 意位向的各晶粒的取向会大致趋于一致，这种有 序化结构叫作“变形织构”，又称为“择优取 向”，
金属材料的加工方式不同形成不同类型的织构： 拉拔时形成的织构称为丝织构，其特征是各个晶 粒的某一晶向平行于拉拔方向；轧制时形成的织 构称为板织构，其特征是不仅某一晶面平行于轧 制平面，而且某一晶向也平行于轧制方向。
3.变形引起的内应力
在金属塑性变形过程中，大约有10％的能量转化为内应力而残留在金属中， 使其内能增加。
这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为残余内应力。它是由于金 属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。
内应力一般可分为三种类型：Βιβλιοθήκη （1）宏观内应力(第一类内应力)
金属材料在塑性变形时，由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的 宏观范围内(如表层与心部)产生的残余应力。
3.1.2多晶体金属塑性变形的特点
大多数金属材料是由多晶体组成的。 多晶体塑性变形的实质与单晶体一样。 要考虑到晶粒彼此之间在变形过程中的约束作用，以及晶界对塑性变形的影
同一滑移面上若有大量的位错移出，则在晶体表 面形成一条滑移线。
位错在晶体中移动时所需切应力很小，因为当位错中心前 进一个原子间距时，一齐移动的只是位错中心少数原子， 而且其位移量都不大，形成逐步滑移，这就比一齐移动所 需的临界切应力要小得多，这称为“位错的易动性”。
研究表明，亚晶界的存在使晶体的变形抗力增加， 是引起加工硬化的重要因素之一。
3.形变织构
在塑性变形过程中，当金属按一定的方向变形量 很大时(变形量大于70%以上)，多晶体中原来任 意位向的各晶粒的取向会大致趋于一致，这种有 序化结构叫作“变形织构”，又称为“择优取 向”，
金属材料的加工方式不同形成不同类型的织构： 拉拔时形成的织构称为丝织构，其特征是各个晶 粒的某一晶向平行于拉拔方向；轧制时形成的织 构称为板织构，其特征是不仅某一晶面平行于轧 制平面，而且某一晶向也平行于轧制方向。
3.变形引起的内应力
在金属塑性变形过程中，大约有10％的能量转化为内应力而残留在金属中， 使其内能增加。
这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为残余内应力。它是由于金 属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。
内应力一般可分为三种类型：Βιβλιοθήκη （1）宏观内应力(第一类内应力)
金属材料在塑性变形时，由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的 宏观范围内(如表层与心部)产生的残余应力。
3.1.2多晶体金属塑性变形的特点
大多数金属材料是由多晶体组成的。 多晶体塑性变形的实质与单晶体一样。 要考虑到晶粒彼此之间在变形过程中的约束作用，以及晶界对塑性变形的影
锻造——锻造方法与工艺
锻造——锻造方法与工艺锻造是通过对金属材料进行加热和塑性变形的一种加工方法，通过锻造可以改变金属材料的形状和性能。
锻造方法和工艺是指在具体的锻造过程中，采取的各种技术措施和操作方法。
下面将详细介绍锻造的方法和工艺。
锻造方法主要分为手工锻造、机械锻造和液压锻造。
1.手工锻造：手工锻造是最早发展的锻造方法，也是最基本的锻造方法。
手工锻造主要是通过人工操作来完成金属材料的加工。
操作方法包括用锤子敲打、弯曲、拉伸和压缩等。
手工锻造的优点是操作简单、灵活性好，适用于小批量的生产，缺点是劳动强度大、生产效率低。
2.机械锻造：机械锻造是在锻造过程中使用机械设备来完成金属材料的加工。
机械锻造主要包括压力机锻造、冲击锻造和旋转锻造等。
压力机锻造是利用压力机的运动和压力来完成金属材料的塑性变形。
冲击锻造是利用冲击力瞬间使金属材料发生塑性变形。
旋转锻造是将金属材料固定在旋转工作台上，通过旋转工作台和切削刀具的相对运动，使金属材料发生塑性变形。
机械锻造的优点是生产效率高、加工精度高，适用于大批量的生产，缺点是设备投资大、工艺复杂。
3.液压锻造：液压锻造是利用液压力来完成金属材料的塑性变形。
液压锻造主要包括液压锤锻造和液压机锻造。
液压锤锻造是通过液压锤的冲击力来完成金属材料的塑性变形。
液压机锻造是通过液压机的压力来完成金属材料的塑性变形。
液压锻造的优点是操作简单、加工精度高，适用于对形状复杂的金属零件进行加工，缺点是生产效率低。
在锻造过程中，通常还需要采用以下几项工艺措施来提高锻造质量和合格率。
1.加热工艺：金属材料在进行锻造前需要通过加热来改变其组织结构和提高其塑性。
加热工艺包括预热和锻造温度的控制。
预热是在金属材料进行锻造前对其进行加热，预热可以减少金属材料的冷作硬化程度和塑性降低程度，使其更易于塑性变形。
锻造温度的控制是根据金属材料的熔点和塑性变形温度范围来确定，过低的温度会影响塑性变形，过高的温度会导致烧结和变形不均匀。
《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能
➢再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再)：用经过严
重冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的 最低温度来表示。
最低再结晶温度：
T再=0.4T熔点 式中温度单位为绝对温度(K)。
8
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
(3)再结晶温度影响因素：
1）变形程度 ➢2）金金属属再纯结度晶前：塑纯性度变越形高的, 最相低对再变结形晶量温称度为也预就先越变低形 度➢。3）预；加先热变速形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不 稳➢➢杂再定质结, 最和晶低合是再金一结元扩晶素散温（过度高程也熔, 需就点一越元定低素时；）间阻才碍能原完子成扩；散和晶 ➢界➢当提迁预高移先加, 可变热显形速著度度提达会高一使最定再低大结再小晶结后在晶,较最温高低度温再；度结下晶发温生度；趋于某 一➢高原稳纯始定度晶值铝粒。(越99粗.9大9,9再%结)最晶低温再度结越晶高温。度为80 ℃； ➢工业纯铝(99.0%)最低再结晶温度提高到290 ℃。
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、热加工晶粒大小控制措施
（1）.控制较低的加工终了温度 （2）.控制较大的变形程度 （3）.控制较快的冷却速度
0
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、产生残余内应力 ➢定义：外力去除后，金属内部残留下来的应力。
产生原因：金属发生塑性变形时，内部变形不均匀， 位错、空位等晶体缺陷增多，会产生残余内应力。
➢1）宏观内应力 ➢2）微观残余应力 ➢3）晶格畸变应力
1
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1
第一节 金属的塑性变形
重冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的 最低温度来表示。
最低再结晶温度：
T再=0.4T熔点 式中温度单位为绝对温度(K)。
8
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
(3)再结晶温度影响因素：
1）变形程度 ➢2）金金属属再纯结度晶前：塑纯性度变越形高的, 最相低对再变结形晶量温称度为也预就先越变低形 度➢。3）预；加先热变速形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不 稳➢➢杂再定质结, 最和晶低合是再金一结元扩晶素散温（过度高程也熔, 需就点一越元定低素时；）间阻才碍能原完子成扩；散和晶 ➢界➢当提迁预高移先加, 可变热显形速著度度提达会高一使最定再低大结再小晶结后在晶,较最温高低度温再；度结下晶发温生度；趋于某 一➢高原稳纯始定度晶值铝粒。(越99粗.9大9,9再%结)最晶低温再度结越晶高温。度为80 ℃； ➢工业纯铝(99.0%)最低再结晶温度提高到290 ℃。
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、热加工晶粒大小控制措施
（1）.控制较低的加工终了温度 （2）.控制较大的变形程度 （3）.控制较快的冷却速度
0
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、产生残余内应力 ➢定义：外力去除后，金属内部残留下来的应力。
产生原因：金属发生塑性变形时，内部变形不均匀， 位错、空位等晶体缺陷增多，会产生残余内应力。
➢1）宏观内应力 ➢2）微观残余应力 ➢3）晶格畸变应力
1
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1
第一节 金属的塑性变形
锻造工艺学(完整版)
锻造生产的能力在一定程度上标志着一个国
家的工业水平。
Seite 20
二、锻件生产的分类及其工艺流程
根据所用工具和生产工艺的不同可分为自由锻造、模锻和特 种锻造。
1．自由锻造 把加热好的坯料放在自由锻造设备的平砧之间 或简单的工具中进行锻造的方法称为自由锻。
一般由锻工控制金属的变形方向和形状尺寸。
手工锻造
Seite 23
自由锻还可以借助简单的模具进行锻造，称 胎模锻。
胎模锻造是把加热好的坯料用自由锻方法预 锻成近似锻件的形状，然后在自由锻设备上用胎 模终锻成形（形状简单的锻件可直接把坯料放入 胎模内成形），这种锻造方法称为胎模锻造。
Seite 24
2．模锻 把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的 模具内进行锻造的方法称为模锻。
这些缺陷的形成与冶炼、浇注和结晶过 程紧密相关，并且不可避免。
Seite 48
⑴偏析 包括枝晶偏析（指钢锭在晶体范围内化学 成分的不均匀性）和区域偏析（钢锭在宏观范围 内的不均匀性）
造成力学性能不均匀和裂纹缺陷。枝晶偏析现
象可以通过锻造、再结晶、高温扩散和锻后热处
理得到消除。区域偏析只有通过反复镦—拔变形工
Seite 38
4) 提高锻件的内在质量。 5) 提高机械化、自动化水平。 6) 发展以煤气、油、电等为热源的先进加热 技术，改善劳动条件。
Seite 39
（三）目前，我国锻造业面临的问题可以归纳 为如下
装备水平低，其主要表现是设备老化、精确度低 管理体制亟待理顺，生产厂点过多，力量分散 厂家封闭式经营 研究和生产不平衡
2) 高产 指机械化生产，生产率高
二、三百件/小时，现在更高了，一百多件/分， 1.2万件/小时。据统计，每模锻100万吨钢，由于提高 了生产率，可比切削加工减少2~3万工人，少用15000 台机床。在现今技术水平条件下，几乎任何一种金属 材料都可用锻造方法制成半成品零件，只是难易程度 不同而已。
家的工业水平。
Seite 20
二、锻件生产的分类及其工艺流程
根据所用工具和生产工艺的不同可分为自由锻造、模锻和特 种锻造。
1．自由锻造 把加热好的坯料放在自由锻造设备的平砧之间 或简单的工具中进行锻造的方法称为自由锻。
一般由锻工控制金属的变形方向和形状尺寸。
手工锻造
Seite 23
自由锻还可以借助简单的模具进行锻造，称 胎模锻。
胎模锻造是把加热好的坯料用自由锻方法预 锻成近似锻件的形状，然后在自由锻设备上用胎 模终锻成形（形状简单的锻件可直接把坯料放入 胎模内成形），这种锻造方法称为胎模锻造。
Seite 24
2．模锻 把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的 模具内进行锻造的方法称为模锻。
这些缺陷的形成与冶炼、浇注和结晶过 程紧密相关，并且不可避免。
Seite 48
⑴偏析 包括枝晶偏析（指钢锭在晶体范围内化学 成分的不均匀性）和区域偏析（钢锭在宏观范围 内的不均匀性）
造成力学性能不均匀和裂纹缺陷。枝晶偏析现
象可以通过锻造、再结晶、高温扩散和锻后热处
理得到消除。区域偏析只有通过反复镦—拔变形工
Seite 38
4) 提高锻件的内在质量。 5) 提高机械化、自动化水平。 6) 发展以煤气、油、电等为热源的先进加热 技术，改善劳动条件。
Seite 39
（三）目前，我国锻造业面临的问题可以归纳 为如下
装备水平低，其主要表现是设备老化、精确度低 管理体制亟待理顺，生产厂点过多，力量分散 厂家封闭式经营 研究和生产不平衡
2) 高产 指机械化生产，生产率高
二、三百件/小时，现在更高了，一百多件/分， 1.2万件/小时。据统计，每模锻100万吨钢，由于提高 了生产率，可比切削加工减少2~3万工人，少用15000 台机床。在现今技术水平条件下，几乎任何一种金属 材料都可用锻造方法制成半成品零件，只是难易程度 不同而已。
锻造01
3）需配备对棒料局部加热的专用加热炉。
4）高效率、高质量、容易实现机械化的锻造方法，但设备 结构复杂，价格贵，适用于大批量生产。
第二节 锻造工艺规程的制订
自由锻的工艺规程包括：绘制锻件图，计算坯料的重
量和尺寸，确定变形工步，选定设备和工具，确定锻造温 度范围，加热、冷却及热处理的方法及规范等。 模锻的工艺规程包括：自由锻的内容外，还应有分模 面膜的选择、模锻斜度和圆角半径等等。
3 ）滑块运动精度高，并有锻件顶出装置，使模锻斜度、 加工余量、锻造公差减小，锻件精度比锤上模锻高。 4）振动和噪声较小，劳动条件改善。
缺点：
1）设备费用高，模具结构复杂； 2）滑块行程和压力不能在锻造过程中调整，因此 不能进行拔长、滚压等制坯。
3.摩擦压力机上模锻
摩擦压力机是将飞轮旋转所积蓄的能量转化成金属的 变形能进行锻造的，属锻锤类锻压设备。其结构与传动原 理如图3-30所示。
3、自由锻的特点
优点： 1）自由锻使用工具简单，不需要造价昂贵的模具；
2）可锻造各种重量的锻件，对大型锻件，它是唯一方法
3）由于自由锻的每次锻击坯料只产生局部变形，变形金属 的流动阻力也小，故同重量的锻件，自由锻比模锻所需的 设备吨位小。 缺点： 1）锻件的形状和尺寸靠锻工的操作技术来保证，故尺寸精 度低，加工余量大，金属材料消耗多； 2）锻件形状比较简单，生产率低，劳动强度大。故自由锻 只适用于单件或小批量生产。
摩擦压力机上模锻的特点如下： 1）滑块运动速度低，可锻造低塑性合金钢和有色金属； 2）承受偏心载荷能力差，仅适合单膛模锻；
3）打击速度低，可采用组合模具，降低生产成本，缩短生 产周期；
4）滑块行程不固定，故工艺性广泛。
4. 胎模锻
在自由锻设备上使用简单的非固定模具（胎模）生产模 锻件的一种工艺方法。 （1）与自由锻相比，锻件质量好，生产率高，节约金
材料成型工艺学 金属塑性加工
二、模锻件的结构工艺性
1. 模锻件上必须具有一个合理的分模面 2. 零件上只有与其它机件配合的表面才需进行机械加工,
其它表面均应设计为非加工表面 (模锻斜度、圆角) 3. 模锻件外形应力求简单、平直和对称。避免截面间差别
过大, 薄壁、高筋、高台等结构 (充满模膛、减少工序) 4. 尽量避免深孔和多孔设计 5. 采用锻- 焊组合结构
自由锻设备：锻锤 — 中、小型锻件 液压机 — 大型锻件
在重型机械中,自由锻是生产大型和特大型锻件的 惟一成形方法。
1.自由锻工序 自由锻工序：基本工序 辅助工序 精整工序
(1) 基本工序 使金属坯料实现主要的变形要求, 达
到或基本达到锻件所需形状和尺寸的工序。 有：镦粗、拔长、冲孔、弯曲、
扭转、错移、切割 (2) 辅助工序
金属的力学性能的变化：
变形程度增大时, 金属的强度及硬度升高, 而塑 性和韧性下降。
原因：由于滑移面上的碎晶块和附近晶格的强烈 扭曲, 增大了滑移阻力, 使继续滑移难于进行所致。
几个现象：
▲ 加工硬化
（冷变形强化）： 随变形程度增大, 强度和硬度上升而塑性下降的现象。
▲回复：使原子得以回复正常排列, 消除了晶格扭曲, 致使
§3 金属的可锻性
金属的可锻性：材料在锻造过程中经受塑性变形 而不开裂的能力。
金属的可锻性好，表明该金属适合于采用压力加工 成形； 可锻性差，表明该金属不宜于选用压力加工方法 成形。
衡量指标：金属的塑性（ψ、δ ）； 变形抗力（σb、HB）。
塑性越好，变形抗力越小，则金属的可锻性好。
金属的可锻性取决于金属的本质和加工条件。
弹复：
金属塑性变形基本规律：
体积不变定律： 金属塑变后的体积与变形前的体积相等。
金属塑性成形原理及工艺
2
4．锻造
锻造的示意图如图 4 所示。 锻造可以分为自由锻造和模锻。自由锻造一般是在锤锻或者水压机上，利用简单的工具 将金属锭或者块料锤成所需要形状和尺寸的加工方法。 自由锻造不需要专用模具， 因而锻件 的尺寸精度低、生产效率不高。模锻是在模锻锤或者热模锻压力机上利用模具来成形的。金 属的成形受到模具的控制，因而其锻件的外形和尺寸精度高，生产效率高，适用于大批量生 产，模锻又可以分为开式模锻和闭式模锻。
4
变形问题和轴对程问题； （5）屈服准则：屈雷斯加屈服准则、密席斯屈服准则、屈服准则的几何表达、平面问 题和轴对程问题中屈服准则的简化； （6）本构方程：弹性应力应变关系、塑性变形时应力应变关系的特点、塑性变形的增 量理论、塑性变形的全量理论；
六、课程要求
金属塑性加工原理的任务是研究塑性成形中共同的规律性问题， 就是在阐述应力、 应变 理论以及屈服准则等塑性理论的基础上， 研究塑性加工中有关力学问题的各种解法， 分析变 形体内的应力和应变分布，确定变形力和变形功，为选择设备和模具设计提供依据。所以， 要求大家： （1） 掌握金属塑性变形的金属学基础， 具体的说就是金属的结构和金属塑性变形机理。 （2）了解影响金属塑性和塑性成形的主要因素。 （3）掌握塑性变形的力学基础：包括应力分析、应变分析、屈服准则和应力应变关系。 （4）掌握塑性成形力学问题的各种解法以及其在具体工艺中的应用。
图4
5．冲压
冲压又可以分为拉深、弯曲、剪切等等。其示意图见图 5。 拉深等成形工序是在曲柄压力机上或者油压机上用凸模把板料拉进凹模中成形， 用以生 产各种薄壁空心零件。 弯曲是坯料在弯矩的作用下成形，如板料在模具中的弯曲成形、板带材的折弯成形、钢 材的矫直等等。 剪切是指坯料在剪切力作用下进行剪切变形，如板料在模具中的冲孔、落料、切边、板 材和钢材的剪切等等。
第3章 金属材料的塑性成形——压力加工
可锻性的优劣一般常用金属的塑性和变形抗力两个 指标来综合衡量。
其优劣主要取决于金属本身和变形时的外部条件。
影响可锻性的因素
(1) 金属的成分：纯金属好于合金，fcc好于bcc好 于hcp，低碳钢优于高碳钢，低碳低合金钢优于 高碳高合金钢；有害杂质元素一般使可锻性变坏
(2) 金属的组织：单相组织好于多相组织；铸态下 的柱状组织、粗晶粒组织、晶界上存在偏析或有 共晶莱氏体组织使可锻性变差
2、研究与开发塑性加工过程的计算机模拟技术与模具 CAD/CAE/CAM技术等。
3、研究与开发柔性成形技术、增量成形技术、净成形技 术、近净成形技术、复合成形技术等。
4、研究与开发使环境净化的加工技术，如低噪音、小/ 无震动、节省能源、资源或再利用的加工技术。
§3.2 金属的塑性加工成形性
金属的塑性加工成形性/可锻性(Forgeability) ： 用来衡量金属在外力作用下发生塑性变形而不易 产生裂纹的能力，是金属重要的工艺性能之一；
(3) 加工条件 1) 变形温度：一般变形温度的升高，可提高金 属的可锻性；但注意过热、过烧问题
不同合金系8种典型金属的可锻性
Ⅰ—纯金属及单相合金(铅合金、 钼合金、镁合金)；Ⅱ—纯金属及 单相合金(晶粒长大敏感者)(铍、镁 合金、钨合含、钛合金)；Ⅲ—具 有不溶解组分的合金(高硫钢，含 硒不锈钢)；Ⅳ—具有可溶组分的 合金(含氧化物的钼合金，含可溶 性碳化物和氮化物的不锈钢)； Ⅴ—加热时形成有塑性第2相的合 金(高铬不锈钢)；Ⅵ—加热时形成 低熔点第2相的合金(含硫的铁、含 锌的镁合金)；Ⅶ—冷却时形成有 塑性第2相的合金(碳钢和低合金钢 、-钛合金和钛合金)；Ⅷ—冷 却时形成脆性第2相的合金(高温合
可显著减小总变形力，用小设备加工大零件。
其优劣主要取决于金属本身和变形时的外部条件。
影响可锻性的因素
(1) 金属的成分：纯金属好于合金，fcc好于bcc好 于hcp，低碳钢优于高碳钢，低碳低合金钢优于 高碳高合金钢；有害杂质元素一般使可锻性变坏
(2) 金属的组织：单相组织好于多相组织；铸态下 的柱状组织、粗晶粒组织、晶界上存在偏析或有 共晶莱氏体组织使可锻性变差
2、研究与开发塑性加工过程的计算机模拟技术与模具 CAD/CAE/CAM技术等。
3、研究与开发柔性成形技术、增量成形技术、净成形技 术、近净成形技术、复合成形技术等。
4、研究与开发使环境净化的加工技术，如低噪音、小/ 无震动、节省能源、资源或再利用的加工技术。
§3.2 金属的塑性加工成形性
金属的塑性加工成形性/可锻性(Forgeability) ： 用来衡量金属在外力作用下发生塑性变形而不易 产生裂纹的能力，是金属重要的工艺性能之一；
(3) 加工条件 1) 变形温度：一般变形温度的升高，可提高金 属的可锻性；但注意过热、过烧问题
不同合金系8种典型金属的可锻性
Ⅰ—纯金属及单相合金(铅合金、 钼合金、镁合金)；Ⅱ—纯金属及 单相合金(晶粒长大敏感者)(铍、镁 合金、钨合含、钛合金)；Ⅲ—具 有不溶解组分的合金(高硫钢，含 硒不锈钢)；Ⅳ—具有可溶组分的 合金(含氧化物的钼合金，含可溶 性碳化物和氮化物的不锈钢)； Ⅴ—加热时形成有塑性第2相的合 金(高铬不锈钢)；Ⅵ—加热时形成 低熔点第2相的合金(含硫的铁、含 锌的镁合金)；Ⅶ—冷却时形成有 塑性第2相的合金(碳钢和低合金钢 、-钛合金和钛合金)；Ⅷ—冷 却时形成脆性第2相的合金(高温合
可显著减小总变形力，用小设备加工大零件。
工程材料及成型技术基础第3章 金属的塑性变形
42
吊钩内部的纤 维组织 （左：合理； 右：不合理， 应使纤维流线 方向与零件工 作时所受的最 大拉应力的方 向一致）
43
3）热加工常会使复相合金中的各个相沿着加工变形 方向交替地呈带状分布，称为带状组织。 带状组织会使金属材料的力学性能产生方向性，特 别是横向塑性和韧性明显降低。一般带状组织可以通过 正火来消除。
滑移面 +
滑移方向
=
滑移系
原子排列 密度最大的 晶面
滑移面和 该面上的一 个滑移方向
三种典型金属晶格的滑移系
晶格 滑移面 {110}
体心立方晶格 {111} {110}
面心立方晶格
密排六方晶格
{111}
滑移 方向
滑移系
6个滑移面
×
2个滑移方向
=
12个滑移系
BCC
4个滑移面
×
3个滑移方向
=
12个滑移系
35
这是因为此时的变形量较小，形 成的再结晶核心较少。当变形度 大于临界变形度后,则随着变形度 的增大晶粒逐渐细化。当变形度 和退火保温时间一定时，再结晶 退火温度越高，再结晶后的晶粒 越粗大。
36
再结晶晶粒大小随加热温 度增加而增加。
临界变形度处的再结晶 晶粒特别粗大
变形度大于临界变形 度后,随着变形度的增 大晶粒逐渐细化
41
(2) 出现纤维组织 在热加工过程中铸态金属的偏析、 夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变 形方向延展，在宏观工件上勾画出 一个个线条，这种组织也称为纤维 组织。纤维组织的出现使金属呈现 各向异性，顺着纤维方向强度高， 而在垂直于纤维的方向上强度较低。 在制订热加工工艺时，要尽可能使 纤维流线方向与零件工作时所受的 最大拉应力的方向一致。
吊钩内部的纤 维组织 （左：合理； 右：不合理， 应使纤维流线 方向与零件工 作时所受的最 大拉应力的方 向一致）
43
3）热加工常会使复相合金中的各个相沿着加工变形 方向交替地呈带状分布，称为带状组织。 带状组织会使金属材料的力学性能产生方向性，特 别是横向塑性和韧性明显降低。一般带状组织可以通过 正火来消除。
滑移面 +
滑移方向
=
滑移系
原子排列 密度最大的 晶面
滑移面和 该面上的一 个滑移方向
三种典型金属晶格的滑移系
晶格 滑移面 {110}
体心立方晶格 {111} {110}
面心立方晶格
密排六方晶格
{111}
滑移 方向
滑移系
6个滑移面
×
2个滑移方向
=
12个滑移系
BCC
4个滑移面
×
3个滑移方向
=
12个滑移系
35
这是因为此时的变形量较小，形 成的再结晶核心较少。当变形度 大于临界变形度后,则随着变形度 的增大晶粒逐渐细化。当变形度 和退火保温时间一定时，再结晶 退火温度越高，再结晶后的晶粒 越粗大。
36
再结晶晶粒大小随加热温 度增加而增加。
临界变形度处的再结晶 晶粒特别粗大
变形度大于临界变形 度后,随着变形度的增 大晶粒逐渐细化
41
(2) 出现纤维组织 在热加工过程中铸态金属的偏析、 夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变 形方向延展，在宏观工件上勾画出 一个个线条，这种组织也称为纤维 组织。纤维组织的出现使金属呈现 各向异性，顺着纤维方向强度高， 而在垂直于纤维的方向上强度较低。 在制订热加工工艺时，要尽可能使 纤维流线方向与零件工作时所受的 最大拉应力的方向一致。
第三章 金属材料的塑性变形
二、再结晶 1. 再结晶过程及其对金属组织、性能的影 响 变形后的金属在较高温度加热时，由于原 子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的 晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小 的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进 行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而 塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除， 此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上 恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶 粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均 一样。
二、再结晶 1. 再结晶过程及其对金属组织、性能的影 响 变形后的金属在较高温度加热时，由于原 子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的 晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小 的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进 行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而 塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除， 此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上 恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶 粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均 一样。
3.3 塑性变形后的金属在加热时组织和性能的 变化 金属经塑性变形后，组织结构和性能发生 很大的变化。如果对变形后的金属进行加热， 金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加 热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再 结晶和晶粒长大过程。
一、回复 变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复 过程。 产生回复的温度T回复为： T回复=(0.25～0.3)T熔点 式中T熔点表示该金属的熔点, 单位为绝对温度 (K)。 由于加热温度不高, 原子扩散能力不很大, 只是 晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复 合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态， 变 形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材料的强 度和硬度只略有降低，塑性有增高，但残余应力则大 大降低。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应 力退火、以降低残余内应力，保留加工硬化效果。
金属塑性成形方法ppt课件
3〕排样：
即冲裁件在板料或带料上的布置方法。
排样原那么：合理。
目的：简化模具构造，提高资料利用率。
4〕提高冲裁质量的冲压工艺：
当冲裁件剪断面用做任务外表或配合外表时， 常采用整修、挤光、精细冲裁等冲压工艺以提 高冲裁质量。
⑵弯曲： 即将板料、型材或管材在弯矩的作用下弯成 具有一定曲率和角度的制件的成形方法。
拉深次数＜4~5次，且要求m1＜m2＜…＜ mn
3〕拉深缺陷：拉裂、起皱 拉裂---筒壁与底部的过渡处破裂。 防止措施： ①采用多次拉深，运用光滑剂； ②合理规定间隙及加大模具圆角半径。 起皱---由于切向压应力过大使毛坯失稳而
呵斥变形区折皱。 防止措施：①采用压边圈压紧坯料； ②间隙不能过大，m不能过小。
5.液态模锻 即将定量的熔化金属倒入凹模模腔内，在金属即将
凝固或未凝固形状下用冲头加压，使其凝固以得 到所需外形短见的加工方法。锻造设备可采用通 用液压机或公用液压机。
6.超塑成形
即利用金属在特定条件〔一定的温度条件、一定的变 速速度条件、一定的组织条件〕下具有的超塑〔高 的塑性和低的变形拉力〕来进展塑性加工的方法。
适于小型锻件的成批大量消费。 如飞机、机车、军工、轴承等制造业中的 齿轮、轴、连杆等零件。
〔3〕模锻方法
1〕锤上模锻： 即在锻锤上进展的模锻。 按所用设备和模具不同， 可分为锤模锻和胎模锻。
①锤模锻：即在各种模锻锤上进展的模锻。
★ 锻模模膛：→根据锻件外形和模锻工艺而 开设的凹腔。
●
模膛 种类
锤锻模具由带有燕尾的
2.摆动辗压
即上模的轴线与被辗压工件〔放在模下〕的轴线倾 斜一个角度，模具一面绕轴心旋转，一面、对坯 料进展紧缩的加工方法。
金属塑性变形与锻造工艺方法.ppt
© 2004 金工教研室
机械制造基础
（4）模锻件
© 2004 金工教研室
机械制造基础
（5）实例：制坯模膛－拔长
© 2004 金工教研室
机械制造基础
（5）实例：制坯模膛－滚压
© 2004 金工教研室
机械制造基础
（5）实例：制坯模膛 －弯曲和切断
© 2004 金工教研室
机械制造基础
（5）实例：弯曲连杆的锻造过程
© 2004 金工教研室
机械制造基础
本讲内容
• 一、金属塑性变形 • 二、锻造方法：自由锻 • 三、锻造方法：模锻 • 四、锻造工艺问题 • 五、锻造结构工艺性 • 六、板料冲压 • 七、特种压力加工方法
© 2004 金工教研室源自机械制造基础一、金属塑性变形
• 单晶体滑移变形－纯理论设想
未变形 弹性变形 弹塑性变形 塑性变形
© 2004 金工教研室
机械制造基础
4、锻造工艺：盘类锻件
• 拔长－镦粗－冲孔
© 2004 金工教研室
机械制造基础
4、锻造工艺：轴类锻件
• 镦粗－拔长－切肩－锻台阶
© 2004 金工教研室
机械制造基础
4、锻造工艺：筒类锻件
• 镦粗－拔长－冲孔－在芯轴上拔长
© 2004 金工教研室
机械制造基础
4、锻造工艺：环类锻件
© 2004 金工教研室
机械制造基础
2、曲柄压力机
© 2004 金工教研室
机械制造基础
曲柄压力机用的锻模
© 2004 金工教研室
机械制造基础
3、摩擦压力机
© 2004 金工教研室
机械制造基础
摩 擦 压 力 机
© 2004 金工教研室
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
© 2004 金工教研室
机械制造基础
金属可锻性
• 压力加工获得优良制品的工艺性能
– 塑性好、变形抗力小=>工艺性好
• 取决于
– 金属的本质：碳化物都不好
• 化学成分：纯金属、含碳量小好 • 内部组织：纯金源自、故溶体、晶粒细好– 加工条件
• 变形温度、变形速度、应力状态
© 2004 金工教研室 机械制造基础
– 零件
• 主轴、齿轮、枪炮管、汽车覆盖件、日用五金
© 2004 金工教研室 机械制造基础
本讲内容
• • • • • • • 一、金属塑性变形 二、锻造方法：自由锻 三、锻造方法：模锻 四、锻造工艺问题 五、锻造结构工艺性 六、板料冲压 七、特种压力加工方法简介
机械制造基础
© 2004 金工教研室
© 2004 金工教研室
机械制造基础
应力状态
• 三向应力=>塑性好 • 两向应力=>塑性差 • 拉应力不好
© 2004 金工教研室
机械制造基础
讨论：“趁热打铁”
• 铁：能打吗？ （锻造）
– 工业上 “铁” 即是 “铸铁” – 可锻性极差，绝对不能 “ 打 ”
• 趁热：
– 锻造温度是有严格限制的
© 2004 金工教研室
第三讲 金属塑性变形与锻造工艺方法
机械制造基础
金工教研室 制造科学与工程学院 2007年春季学期
© 2004 金工教研室 机械制造基础
第三讲 金属塑性变形与锻造工艺方法
• 压力加工－塑性变形－冷/热 • 基本生产方式 • 制作
– 原材料
• 金属型材、板材、管材、线材
压力加工 演示
– 轧制、拉拔、挤压、锻造、板料冲压
机械制造基础
制坯模膛－滚压
© 2004 金工教研室
机械制造基础
制坯模膛－弯曲和切断
© 2004 金工教研室
机械制造基础
弯曲连杆的锻造过程
© 2004 金工教研室
机械制造基础
曲柄压力机
© 2004 金工教研室
机械制造基础
曲柄压力机用的锻模
© 2004 金工教研室
机械制造基础
摩擦压力机
摩擦压力机模锻演示
机械制造基础
二、锻造方法：自由锻
• 自由：坯料沿各个方向自由变形流动 • 适应性极强
– 大型、特大型锻件唯一成形方法
• 设备
– 上下各一个抵铁 – 锤锻（中小型锻件）：锻锤冲击力 – 液（水）压机（大型锻件）：液压力
© 2004 金工教研室
机械制造基础
自由锻基本设备：空气锤
自由锻基本工 序演示
© 2004 金工教研室
– 敷料、余量、公差、分模面 – 模锻斜度、模锻圆角半径、冲孔连皮
• 坯料重量和尺寸计算
– G坯料＝G锻件＋G烧损＋G料头
• 锻造工序设计 • 其他问题
– 温度及加热冷却规程、辅助工序
© 2004 金工教研室 机械制造基础
敷料、余量、公差
© 2004 金工教研室
机械制造基础
分模面
© 2004 金工教研室
锻造工艺：弯曲类锻件
• 拔长－弯曲
叉杆类零件锻造过程演示
© 2004 金工教研室
机械制造基础
三、锻造方法：模锻
• 在锻模模膛内变形 • 变形流动受限
– 锻件尺寸精确、结构可较复杂、生产率高
• 按设备分类
– – – – 锤上模锻 曲柄压力机上模锻 摩擦压力机上模锻 胎模锻
机械制造基础
© 2004 金工教研室
• 钨（熔点3380 ℃ ） ：1100 ℃时的变形
– T再＝0.4T熔＝ 0.4（3380＋273）K＝1461K – 1100 ℃＝1373K：冷变形
• 注意：冷变形不是“室温”下的变形
© 2004 金工教研室 机械制造基础
金属纤维组织
• 铸锭缺陷=>纤维 组织=>性能方向 性=>竹竿 • 纵向塑性韧性提 高，横向降低 • 不能用热处理消 除
自由锻件
• 避免复杂相贯线
杆类零件
© 2004 金工教研室 机械制造基础
自由锻件
杆类零件
© 2004 金工教研室 机械制造基础
自由锻件
• 避免筋板、小孔、凸台面
盘类零件
© 2004 金工教研室 机械制造基础
自由锻件
• 避免筋板、小孔、凸台面
盘类零件
© 2004 金工教研室 机械制造基础
自由锻件
塑性变形与性能的关系
• 强度硬度提高塑性韧性降低
常温下 塑性变 形对低 碳钢力 学性能 的影响
© 2004 金工教研室
机械制造基础
冷变形强化的回复
• 不稳定=>自发回复稳定状态（温度）
© 2004 金工教研室
机械制造基础
回复与再结晶温度
• 回复温度
– T回＝（0.25~0.3）T熔
• 0.4T熔时，碎晶位核再结晶
© 2004 金工教研室
机械制造基础
常温下塑性变形=>组织与性能
• 内部组织
– 晶粒沿最大变形方向伸长 – 晶格与晶粒扭曲，产生内应力 – 晶粒间产生碎晶
• 性能
– 冷变形强化：阻碍进一步变形
• 变形增大=>强度硬度提高，塑性韧性降低 • 碎晶、晶格扭曲阻碍变形
© 2004 金工教研室 机械制造基础
变形温度
• 高温=>塑性好、易变形 =>太高=>过热、过烧 • 始锻：AE线以下200℃ • 终锻：800℃
© 2004 金工教研室
机械制造基础
变形速度
• 单位时间内的变形程 度 • 对可锻性的影响？
– 速度快=>强化难以及 时消除=>可锻性差？ – 速度快=>热能=>提高 塑性=>可锻性好？ – 高速锤才明显变好
机械制造基础
拉深系数
• m＝d / D
– m≥ [ 0.5 ~ 0.8 ] – d: 拉深件直径； D: 坯料直径
© 2004 金工教研室
机械制造基础
多次拉深
• m太小则必须多次拉 深 • 由于加工硬化一次比 一次严重 – m 应该逐步变大
多次拉深演示
© 2004 金工教研室 机械制造基础
起皱拉深件
© 2004 金工教研室
机械制造基础
锻造工艺：筒类锻件
• 镦粗－拔长－冲孔－在芯轴上拔长
© 2004 金工教研室
机械制造基础
锻造工艺：环类锻件
• 镦粗－拔长－冲孔－在芯轴上扩孔
© 2004 金工教研室
机械制造基础
锻造工艺：曲轴类锻件
• 镦粗－拔长－错移－锻台阶－扭转
© 2004 金工教研室
机械制造基础
– T再＝0.4T熔
• 冷变形：再结晶温度以下的塑性变形 • 热变形：以上
– 强化与再结晶过程同时存在，强化消失
• 再结晶退火：冷变形后进行
© 2004 金工教研室 机械制造基础
两种金属的变形
• 铅（熔点327 ℃ ）：0 ℃时的变形
– T再＝0.4T熔＝0.4（327＋273）K＝240K – 0 ℃＝273K：热变形
• 锻件结构工艺性好
– – – – 锻造成型方便 节约金属 保证质量 提高生产率
• 工艺性原则：相对的
© 2004 金工教研室
机械制造基础
自由锻件
• 力求简单
© 2004 金工教研室
机械制造基础
自由锻件
• 少用圆锥、斜面
© 2004 金工教研室
机械制造基础
自由锻件
© 2004 金工教研室
机械制造基础
• 损坏零件
– 侧面起皱痕迹 – 拉断
• 损坏拉深模 • 板材越薄、m越小， 越容易起皱
© 2004 金工教研室
机械制造基础
彩图
© 2004 金工教研室
机械制造基础
压边圈防止起皱
© 2004 金工教研室
机械制造基础
彩图
© 2004 金工教研室
机械制造基础
旋压拉深
© 2004 金工教研室
机械制造基础
© 2004 金工教研室
机械制造基础
胎模锻
• 在自由锻设备上增加胎模 • 三种胎模：扣模、筒模、合模
© 2004 金工教研室
机械制造基础
筒模
© 2004 金工教研室
机械制造基础
合模
© 2004 金工教研室
机械制造基础
三种胎模锻模具彩图
© 2004 金工教研室
机械制造基础
四、锻造工艺问题
• 锻件图设计
– 废料少、精度好、重量轻、成本低 – 设备操作简单
© 2004 金工教研室 机械制造基础
板料冲 压演示
板料冲 压工序
分离工序
• 冲裁：落料及冲孔
弹性 变形 断裂 开始
塑性 变形
断裂
© 2004 金工教研室
机械制造基础
凸凹模间歇
• 过大：边缘粗糙 • 过小：上下裂纹也不能很好重合 • 间歇大小还影响模具寿命
一、金属塑性变形
• 单晶体滑移变形－纯理论设想
未变形
弹性变形
弹塑性变形
塑性变形
© 2004 金工教研室
机械制造基础
位错运动
• 晶体内部存在大量 “ 缺陷 ”
– “位错”为主：使变形抗力增大千倍
未变形
位错运动
塑性变形
© 2004 金工教研室
机械制造基础
多晶体塑性变形
• 低温下变形过大会引起金属破坏
锤上模锻
锤上模锻演示
© 2004 金工教研室
机械制造基础
锻模
• • • • • • • • 1－锤头 2－上模 3－飞边槽 4－下模 5－模垫 6/7/10－楔铁 8－分模面 9－模膛