第二章 塑性加工成型

第二章 金属的塑性成型工艺
第二章 塑性加工成型
在不破坏金属自身完整性的情况下，利 用金属在外力作用下产生的塑性变形来获得 具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、 毛坯或零件的成形工艺方法，称为塑性成形 （也称压力加工）工艺。 外力：冲击力（锤类设备） 压力（轧机和压力机）
金属塑性加工成型—— 在外力作用下，金属发生 塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能 的原料、毛坯或零件的生产方法。
2. 热变形
(热加工) —— T加工 > T再
热变形的结果： 无加工硬化——加工硬化和再结晶同时进行 细化晶粒——铸态晶粒被破碎 致密组织——缩松、气孔被压合 形成纤维组织
—杂质分布状态被改变
所以，经热变形的 金属虽然没有加工硬化， 但是其机械性能仍明显 提高。
热变形及其影响
1）不产生加工硬化 2）使组织得到改善，提高了力学性能 ① 细化晶粒； ② 压合了铸造缺陷； ③ 组织致密。 3）形成纤维组织
2）塑性变形前后体积不变的假设 金属塑性变形前后的体积相等。 故坯料和锻模模镗尺寸可按照体积 不变来进行计算，再结合最小阻力定 律，可大体确定塑性成形时的金属流 动模型。
3）金属塑性变形程度的计算 在压力加工过程中，常用锻造比来表示金属 坯料的变形程度。锻造比的计算公式与变形方式 有关。 拔长时的锻造比为： Y拔＝S0/S 式中，S0、S——坯料变形前、后的截面积。 镦粗时的锻造比为：Y镦=H0/H 式中，H0，H——坯料变形前、后的高度。
4、自由锻设备：
锻锤
压力机
空气锤 65~750Kg 蒸汽—空气锤 630Kg~5T 水压机
油压机
锻锤吨位 = 落下部分总重量 = 活塞+锤头+锤杆 压力机吨位 = 滑块运动到下始点时所产生的最大压力
根据对坯料施加外力的性质不同，分为锻锤 和液压机。 锻锤是利用冲 击力使金属坯料变 形，由于产生冲击 力能力有限，只用 来锻造中、小型锻 件。例如：空气锤、 蒸汽—空气自由锻 锤。
相变超塑性
——利用金属在相变点发生相变或同素异构转 变时反复均匀拉伸，即可获得超塑性。
第二节
锻造方法
自由锻造成形 锻压成形工艺可分为： （也称自由锻） 模膛锻造成形 （也称模锻）
锻造的概念：利用冲击力或压力使金属在上下
两个抵铁间或锻模中变形，从而获得所需形状和尺 寸的锻件的工艺方法，是金属零件的重要成型方法 之一。
三、金属的可锻性(锻造性): 金属材料在压力加工时成形的难易程度。
可锻性的衡量指标:
1）塑性：材料的塑性越好，其可锻性越好。 2）变形抗力：材料的变形抗力越小，其可 锻性越好。
衡量金属经受压力加工时获得优质锻件的难易 程度——工艺性能。 用金属的塑性和变形抗力来综合评定： 塑性越好，变形抗力越小 可锻性越好 金属的塑性：是指固体材料在外力作用下发生永久变 形而不破坏其完整性的能力。用金属的断面收缩率υ、 伸长率δ来表示； 金属的变形抗力：是指在压力加工过程中变形金属作 用于施压工具表面单位面积上的压力。变形抗力越小， 则变形中消耗的能量也越少。
晶粒被扭曲、拉长，随变形量的增大呈纤维状， 有些晶粒被破碎，造成晶格歪扭，位错密度增大 （组织变化）HB, b, , aK（性能变化）， 即产生了加工硬化。——是强化金属材料的十分有 效的途径。
加工硬化：经塑性变形后，金属的强度(b)、硬度
(HB)升高，塑性()、韧性(aK)下降的现象。
3、自由锻特点
优点：使用工具简单、通用，生产周期短，灵活 性大使用范围广。特别适合单件、小批生 产，而且是大型锻件唯一的锻造方法。
缺点：生产效率低，对工人的操作技术要求高， 工人劳动强度大，锻件精度差，后续机加 工余量大。
特点：
①设备的通用性好、工具简单； ②自由锻操作技术要求高、生产率低； ③锻件形状简单、加工余量大、精度低； ④可锻小到不足1公斤，大可到几百吨大型件，且 大型锻件的组织致密、力学性能好；自由锻主要 用于单件、小批量生产，且是生产大型和特大型 锻件的唯一方法。
纤维组织
纤维组织稳定性很高，一旦形成就不易消除。 纤维组织使金属具有各向异性，结构设计或机械加 工时要注意合理应用。
设计和制造零件时，应使零件在工作中产生的拉 应力平行于纤维组织、剪应力垂直于纤维组织，并使 纤维组织分布与零件的轮廓相符合，尽量使纤维组织 不被切断。
纤维组织的利用原则
存在纤维组织的金属，具有各向异性的性质:
金属塑性加工成型的优点：
组织和性能得到改善和提高； 材料的利用率高，锻造流线分布合理；齿轮流线 工件可达到较高精度； 生产率高。
压力加工的基本工艺
锻造工艺 冲压工艺 轧制工艺 挤压工艺 拉拔工艺
气锤锻打 锻造
一、 扎制 ——金属坯料在二个回转运动的轧辊之间的孔
隙中受压变形，结果坯料的截面积减少、长度增加 工艺过程。
液压机是 利用产生的压 力使金属坯料 变形。其中水 压机可产生很 大的压力，可 锻造重达300 吨的锻件。是 重型机械厂锻 造生产的主要 设备。
塑性、变形抗力 变形抗力
塑性 c 变形速度
在一般的压力加工中，由于变形速度较低，随着 变形速度的增加，回复和再结晶不能及时克服加工硬 化，金属的塑性下降、变形抗力增大，可锻性变差 （速度极大时除外，如高速锤等设备的锻造中）。
3）应力状态的影响
金属在经受不同方法变形时，其产生的应力性 质和大小是不同的。实践证明，三个方向的应力中， 压应力数目越多，则金属的塑性越好；拉应力数目越 多，金属的塑性越差。
加工硬化:随着塑性变形量的增加，金属的强度和硬 度逐渐升高，塑性、韧性逐渐降低的现象。 有利：强化金属材料 不利：进一步的塑性变形带来困难
温度升高
a)
b)
c)
回复温度：T回 = (0.2 ~ 0.3)T熔点 (K)
加热到回复温度时，加工硬化部分消除； 加热到再结晶温度时，加工硬化全部消除。
工业生产中，有时利用加工硬化来提高金属的 强度；有时为了提高塑性，而对变形后的金属进行 再结晶退火。
经典理论认为：塑性变形实质是晶粒内部产生“滑 移”，无数个滑移便形成宏观的塑性变形。滑移是通 过位错运动实现的。
单晶体滑移变形示意图
2 多晶体(实际金属)的塑性变形

二、 金属塑性变形的组织和性能
在常温下经塑性变形后，金属内部组织将发生 如下变化： 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。
冷变形后加热：
变形金属 回复 再结晶（加工硬化消除）
加工硬化的消除：再结晶退火。 温度升高到(0.25～0.3)T熔，原子获得了热能，热运动 就会加剧，才使原子排列回复到正常状态，从而消除晶格扭 曲，并部分消除加工硬化，这个过程称为回复。 当温度继续升高到0.4 T熔时，金属原子获得更多的热能， 开始以碎晶或杂质为核心结晶成细小而均匀的再结晶新晶粒， 从而消除全部加工硬化，这个过程称为再结晶。 在再结晶温度以上加热已产生加工硬化的金属，使其发 生再结晶而再次获得良好的塑性，这种操作工艺称为再结晶 退火。
塑性变形按变形时的温度可分为冷变形和热变形。 1. 冷变形 —— 在再结晶温度以下的变形
纯金属的再结晶温度：T再 = 0.4T熔点 (K) 实例：铝的再结晶温度的计算：其熔点为 660˚C (660+273 = 933K)，则 T再 = 0.4×933 =373.2 (K) 100 ˚C
冷变形的结果：
2. 加工（变形）条件的影响（外因） 1） 变形温度的影响
金属在加热时，随温度的升高，金属原子的活 动能力增强，容易滑移，因而其塑性提高，变形抗力 降低，可锻性会得到明显改善，更适合于压力加工。
注意：对钢而言，温度过高，可能产生过热、过烧、
脱碳和严重氧化等缺陷，甚至使锻件报废，因此，应 严格控制锻造温度。
轧制生产所用坯 料主要是金属（钢） 锭。 轧制产品：各种 截面形状的型材、 板材、无缝管材等。
轧制生产概况
轧制产品截面形状：
二、 挤压
挤压方法：正挤压，反挤压
挤压可获得各种复杂截面的型材或零件.
管材挤压生产示意图
三、 拉拔
——将金属坯料拉过拉拔模的模孔而使其变形的 加工方法。
free ——金属坯料在上下砧铁间受 冲击力或压力而变形。
变形温度： T温越高，材料的可锻性越好。 注意: 若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学 性能降低，产生“过热”。后果与解决办法： 锻造易击碎，退火消除。 若加热温度接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒 间的结合，金属失去塑性而报废，这种现象称为 “过烧”。 金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度。 停止锻造时的温度称终锻温度。 锻造温度：是指始锻温度与终锻温度之间的温度。
塑性变形：如果金属所应力超过金属的屈服强度， 外力去除后，原子达到新的平衡状态，金属恢复不 到原来的形状和尺寸，产生永久变形，这种变形称 为塑性变形。
1 单晶（晶内）的塑性变形机理
晶体受外力弹性变形弹塑性变形塑性变形 金属产生塑性变形，从宏观上看，金属发生了 形状的变化；从微观上看，原子间发生了相对移动。
影响可锻性的因素：
1. 金属的本身的影响（内因）
1）化学成分的影响： 化学成分：不同化学成分的金属其可锻性不同。 纯金属的可锻性比合金好； 碳钢的含碳量越低，可锻性越好；
钢中含有形成碳化物的合金元素（例如
Cr、Mo、W、V等） ，其可锻性显著下降。
2）金相组织的影响：纯金属及固溶体的可锻
性好，而碳化物的可锻性差；晶粒细小而又均匀 的组织可锻性好。
四、 自由锻
上砧铁
坯料
五、 模锻
die
下砧铁
——金属坯料在具 有一定形状的锻模模 膛内受冲击力或压力 而变形。
六、 板料冲压
单工序冲裁
——金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的加 工方法