材料工程基础第三章

4、动态回复与动态再结晶 动态回复： 金属材料在高温下进行塑性变形时，能通过位错的攀移与交 滑移及异号位错的互相抵消来实现在恒定位错密度和流变应 力条件下的持续应变，此过程称为动态回复 动态再结晶： 当加工温度再提高时，在塑性变形的同时还可能发生再结晶， 则称之为动态再结晶。 在发生动态回复与动态再结晶时，所产生的动态软化过程可 以抵消形变所产生的加工硬化作用，从而获得近于稳定的流 变应力。

精密模锻：
定义：在模锻设备上锻造出形状复杂、锻件精度高
的模锻工艺方法。

基本工艺过程：

特点和应用：
1、模膛表面精度要求高，并开排气小孔；
2、精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料；
3、精细清洁坯料表面和模膛内表面；
4、在锻造过程中，应避免因加热引起的锻件表面氧化； 5、模锻时要润滑和冷却锻模； 6、模锻设备应具有刚度大、精度高等特点； 7、适于锻造超高精度的中小型零件。

特点和应用：
1、显著提高材料的工艺塑性； 2、极大降低金属的变形抗力； 3、金属充填性能良好，尺寸精度高，切削余量小； 4、可获得均匀细小晶粒，综合机械性能好；
5、适于一次锻造出形状复杂、薄壁和高筋的锻件。
3.2板材冲压 板材冲压时利用冲模使薄板产生分离或变形的加工方法。 通常用于加工表面积与厚度之比很大的工件，与体积成形工艺
喷气式发动机的工作原理。 利用牛顿反作用力的第三定律。 第一步，发动机前面装有空气压缩机，现代压缩机分为7--9级， 压缩机转子周圈装满叶片，发动机启动后，压缩机旋转吸入外界 的空气，外界的空气进入导向器以后，压缩机把气体一级一级向 后压，气体的浓度越来越浓，压力也就越来越大，当气体通过最 后一级后，气体压力增大很多倍。然后进入燃烧室，在燃烧室里， 喷电打火，喷油燃烧，因气体中含有氧气，气体燃烧膨胀，向后 喷出，燃烧室后面是涡轮，涡轮轴上装涡轮盘，涡轮盘周圈装满 叶片，涡轮分7--13级，通过涡轮旋转再一级一级向后压， 气体通 过发动机后部的涡轮一级一级压缩，压力再提高几百倍，最后， 通过尾部喷口喷出。产生反作用力，使飞机向前飞。
§3.1 锻造
锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件成型的工艺方法，
它是最古老的金属加工方法之一，可以追溯到公元前4000年——
甚至8000年。 锻造最初是通过石制 工具锤打的方法来制造珠
宝、钱币和各种器具，再
发展成铁匠这一古老的职 业。通常分为： 1、自由锻造 2、模型锻造 3、胎模锻造
铸造生产的C5A运输机着陆齿轮构件

定义：是指在较低的成形速率下，在可调速的水压机或液压机
上使超塑性金属模锻变形，模锻时变形速率逐渐减小的工艺方法。

基本工艺过程：
锻造钛合金涡轮盘时超塑性模锻和普通模锻的对比 工艺参数 坯料加热温度/C 模具预热温度/C 变形速率/（mm/s） 平均单位压力/MPa 模锻工步 锻件加工余量 普通模锻 940 480 12.7~42.3 50.0~58.3 4 大 超塑性模锻 940 940 0.025 11.7 1 小
第三章 金属压力加工
本章重点 1、金属的压力加工主要有哪几种方法，各有何特点？ 2、为什么锻件的机械性能优于铸件？ 3、试对比铸造和锻造生产的优缺点，两者在应用上有何区别? 4、试述自由锻造的特点和适用范围，为什么大型锻件通常采用 自由锻造的方法制造？ 5、试述模型锻造过程中金属在模腔中的充填过程。 6、什么是超塑性，超塑性模锻与普通模锻相比有何特点？ 7、冲压工艺有哪些基本工艺，板料弯曲中的回弹是如何产生的， 怎样克服回弹？ 8、金属挤压有哪几种形式，挤压的主要工艺特点是什么，为什 么静液挤压可用于低塑性材料的成形？

超塑性模锻：
超塑性：金属在特定条件下，即低的应变率（10-2~10-4/s）、 一定的变形温度（约为熔点温度K的一半）和均匀的细晶粒 （晶粒平均直径为0.2~5m）下，其相对伸长率超过100%以 上的特性。 在超塑性条件下，在拉伸变形中不产生缩颈，变形应力也比常 态下降低几倍至几十倍。 朝塑性变形时的组织结构变化不同于一般的高温蠕变。超塑性 变形没有晶内滑移，位错密度不增高，晶内不出现位错胞或位 错缠结。超塑性变形主要依靠晶粒间大范围的协调性转动来实 现，晶界起着重要的作用。 超塑性变形时，材料必须具有热稳定的超细晶组织，晶粒越微 细，则单位面积的金属材料中晶界面积越大。
4、空心光环及阶梯环 拔长（镦粗及拔长） 冲孔 扩孔
5、空心筒 拔长（镦粗及拔长） 拔长
6、弯曲件 拔 长 弯 曲

特点和应用：
1、锻件的质量范围宽，操作工具简单；
2、生产效率低，劳动强度大，金属损耗大； 3、锻件尺寸精度低，形状不太复杂； 4、适于单件小批量生产和锻造大型零件毛坯。

模型锻造：

预备知识-金属塑性变形与再结晶 1、单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形主要有三种方式: 滑移、 孪生、 扭折 滑移： 面心立方{111}<110>12个、体心立方{110}<111>12个、 密排六方结构{0001}<11-20>3个 面心立方塑性最高
孪生：面心立方的孪生面和孪生方向{111}<112>，体心立方的 孪生面和孪生方向{112}<111>， ，密排六方的孪生面和孪生方 向{10-12}<10-11>。
定义：把金属坯料放在锻模的模膛内，在模锻锤或
压力机上利用冲击力或压力使坯料在模膛内产生变形， 从而获得形状与模膛内轮廓相一致的锻件的加工方法。

基本工艺过程：
1、普通模锻
2、模锻＋切边
3、一模多锻

基本工序：
1、盘状锻件
镦
粗
（预 锻）
终 锻
2、直轴类锻件 拔 长 滚 压
终 锻
（预 锻）
3、弯轴类锻件
a 、加工硬化给金属件的进一步加工带来困难。如在冷轧钢 板的过程中会愈轧愈硬以致轧不动，因而需在加工过程中安排中 间退火，通过加热消除其加工硬化。又如在切削加工中使工件表 层脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等。 b、有利的一面是，它可提高金属的强度、硬度和耐磨性， 特别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金属和某些合金 尤为重要。 如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等，就是利用冷加工变形来提 高其强度和弹性极限。 如坦克和拖拉机的履带、破碎机的颚板以及铁路的道岔等也 是利用加工硬化来提高其硬度和耐磨性的。
2、塑性变形引起金属组织结构的变化 （1）亚结构 变形进行到一定程度后，晶粒分成细小的块区（胞状组织），块 区之间的区域具有高密度的位错缠结，构成了胞壁，而胞状组织 内部位错密度较低，位错可以自由运动。所形成的这种组织称为 亚结构。约为10-3~10-6cm，亚晶粒、亚晶界 （2）纤维组织 冷变形后的组织呈现纤维状，常称为纤维组织 （3）形变织构 金属冷变形时，由于内部各晶粒之间的相互作用和滑移时的晶粒 转动，使各晶粒的某一晶向或某一晶面和晶向都不同程度地转到 与外力接近的方向

m T r , T C T
其中，m称为敏感性指数 研究结果表明，在恒定应变速率下稳态流变时，产生超塑性的 条件之一为：
lg r m lg T
1 r 3
② 超塑性变形还要求一定的温度范围，一般为0.5~0.6Tm,Tm为以 绝对温度表示的金属熔点。 ③ 通常认为，当形变温度大于0.4Tm时，产生结构超塑性的条件主 要是必须具有热稳定的超细晶组织，尤其是以混合等轴超细晶双相 组织为佳。 7.4超塑性过程中组织结构变化和机制 ① 大量的实验观察表明：超塑性变形和一般的高温蠕变不同，变 形时，没有晶内滑移，位错密度不增高，晶内不出现高温蠕变中常 见的位错胞或位错缠结，也不存在由于调整位错密度而出现的第一 阶段蠕变。 ② 由于超塑性变形主要依靠晶粒间大范围的协调性转动来实现， 所以在晶界上不产生空洞。此外，超塑性变形是很细的晶粒在高温 下长时间进行的，因此晶粒会有所长大 ③多数学者认为超塑性变形是依靠晶粒的换位，而这种换位是通过 晶界的滑动与扩散来完成的。


胎模锻造：
定义：在自由锻设备上利用自由锻的方法进行坯料
变形，最后在未固定的锤头或砧座上的简单模具（胎模） 内成形的压力加工方法。

基本工艺过程：
常见的胎模有扣模、套筒模及合模三大类。

特点和应用：
1、生产效率较自由锻高，但比模锻低；
2、锻件尺寸精确较自由锻高，但比模锻低； 3、与模锻相比，设备简单，锻模易加工； 4、适于批量锻造中小型零件。
3、回复与再结晶 将冷塑性变形后的金属加热到大约其熔点温度的一半，并在 此温度下保温，将要发生一系列变化： 回复：一般将无新的无畸变晶粒出现以前所发生的全部退火现 象称为回复； 再结晶：将随后通过在结晶核心的形成及生长、最终形成无畸 变的新晶粒过程成为再结晶； 二次再结晶：再结晶后形成的晶粒再继续加热时，还会发生长 大，包括正常的晶粒长大和异常的晶粒长大，后者又称为二 次再结晶。
C表示冲头与定模之间的间隙
冲剪变形区域的Fra Baidu bibliotek微硬度分布
当间隙C增加时，材料倾向于被拉
进定模内，而不是被剪切。在实际生
产中，间隙C控制在板厚的2～10％。

冲压的主要工艺类型
根据板料在加工过程中其整体性是否破坏，板料冲压
可以分为分离工序和变形工序两大类。
扭折：当受力的金属晶体处于对滑移和孪生都不利的位向情况下， 晶体某些部分的局部晶面就可能为适应外力而发生扭折变形
加工硬化 work hardening 金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而 塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是： 金属在塑性变形时，Ⅰ晶粒发生滑移（易滑移阶段），Ⅱ出 现位错的缠结（线性硬化阶段），Ⅲ出现位错的交滑移（抛物线 型硬化阶段）。 加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比 值和硬化层深度来表示。
（如锻造）不同，板料成形时材料的厚度通常不会减少，目的
是避免缩颈和撕裂。
与铸造、锻造出来的零件相比，薄板冲压的零件有着重量
轻、形状多变的优点。由于低碳钢价格低，具有足够的强度及 良好的成形性能，所以它是最常用的金属薄板料。而航空宇航
业则常选用铝和钛薄板料。


冲压概述：
冲压的主
要参数：

冲压的变形区域：
拔 长 滚 压 弯 曲
终 锻 4、叉类锻件 拔 长
（预 锻）
滚 压
终 锻
预 锻
5、枝芽类锻件
拔 长 滚 压 成形 （预 锻） 终 锻

特点和应用：
1、生产效率高；
2、锻件尺寸精确，表面光洁、加工余量小，节约材料； 3、成形依靠模膛控制，可锻造复杂形状的零件； 4、适于中小型复杂锻件的大批量生产。
5、合金的热变形加工
从金属学观点来说，在再结晶温度以上进行塑性变形加工时加工 硬化作用能被变形过程中所发生的动态软化过程（如动态再结晶） 所抵消，从而获得接近稳定流变应力的变形过程称为热变形加工； 而把之发生加工硬化的变形过程成为冷变形加工。
热加工的上限温度一般控制在固相线下100-200范围内，超过这 一温度时，晶界会发生氧化，下限温度一般应在再结晶温度以上。 。 对于有固态相变的材料则需要进行具体分析。以碳素钢为例，亚 共析钢的热加工终了温度应控制在铁素体析出温度以上稍高处。 温度过高温度过低-
6、影响金属塑性和形变抗力的因素 （1）合金元素的影响 （2）形变温度的影响 （3）形变速率的影响 （4）应力状态的影响
7、超塑性 7.1定义 某些金属和合金在高温低速拉伸，能产生特大型变量而不发生缩 颈，这种性质称为超塑性。 7.2 分类 相变超塑性、结构超塑性 7.3发生的条件 m ① 金属塑性变形的流变应力T 与变形速率 T 之间的关系可 以用以下公式来表示：


自由锻造：
定义：是指借助锻压设备上下砧块的压力使坯料成
形的压力加工方法，在锻造过程中，金属沿垂直于作用 力的方向上自由变形。

基本工艺过程：

主要工序：
1、实心圆截面光轴 及阶梯轴 拔长（镦粗及拔长） 2、实心圆截面光杆及阶梯杆 拔长（镦粗及拔长） 切割 锻台阶 冲孔 切 割 锻台阶
3、单拐及多拐曲轴 拔长（镦粗 及拔长） 错移 锻台阶 切割 扭转