材料成形原理--固态成形部分
固态成形原理讲义拉拔62页PPT
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
固态成形原理讲义拉拔
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
材料加工原理
= aVDLσ / kTd ε
2
（7.2）
式 中， a 为晶粒 形 状常 数 (a=5-15) ； V 为 原 子 体 积 ； DL 为晶 格 内 扩 散 系数； k 为 波 耳兹曼 常数；T为温度；d为晶粒尺寸。
这种机理的特征是： 1) 流 动 应 力 和 应 变 速 率 呈 线 性 变 化 ， 即m等于1。 2) 应变速率与晶粒尺寸的平方成反比。 3) 变形过程的激活能是自扩散的。 4) 变形中晶粒拉长。 此 理 论 可以 解释 一 些 材料的 蠕 变变 形，但不能充分解释超塑性变形，如在蠕 变变形中，m值可为1，并且晶粒沿外力方 向 拉 长 ； 而在 超塑性 变 形中， m 值 一般不 大于0.8，变形后晶粒仍保持等轴状。
2．超塑性成形的种类
超塑性实际上是材料在特定条件下的一 种特殊状态。超塑性通常按变形特性和状态 分为三类，即微细晶粒超塑性(又称恒温超塑 性或第—类超塑性)、相变超塑性(又称变态超 塑性、转变超塑性或第二类超塑性)以及其他 超塑性(又称第三类超塑性)。
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7.1.3 超塑性变形机理
1. 溶解—沉淀理论 1945 年 ， 为 解释 超塑性 现象 ， 苏联 学 者 包 赤伐尔提 出所 谓 “ 溶解 — 沉淀 ” 理 论。 根据 这 种 理 论 ，超塑性 主 要 发生 在 两 相 合金中。 当 合金 中 一相在 另 一相 中的 极限溶解 度 随 温度变化 时， 由 于在变 形 过 程中可 能产生 局部 温度 波 动 ， 使 一 些 相 界 上 发生 溶解 过 程， 而在 另 一 些 相 界 上 发生 沉淀 过 程。 这 种特 定 的 物 质迁移 扩 散 过 程 引起 晶粒相 互移 动 ， 在 合 适 的高 温下 ， 变 形速 度 小则 产生 超塑性。 这一 理 论 对 于 大 量 晶间 滑移 、 晶粒转动 及 单 相 合金的超塑性 现象 还无法解释。
材料成型原理 ：第5章 凝固成型
铸造缺陷
充型能力不足 浇不足 冷 隔 夹 砂 气 孔 夹 渣
影响因素
合金的流动性 铸型性质 浇注条件 铸件结构等
凝固成型
液态金属的冷却收缩与凝固缺陷 铸件凝固温度场 铸造应力 凝固控制
Te=0℃
• 冷却过程无相变，无机械阻碍
• 弹塑性转变临界温度为Tk
• I、II间无热交换
I
II
热应力形成机理图解 “厚拉薄压”原则TTiTI TIII
II
Tk
I II III 0 0 1 2 l
塑性状态 弹性状态
3
l3=1
实际长度
I II III I II
0
(2) 相变应力的形成：
相变应力可以是临时应力，也可以是残留应力。 有残留相变应力时，应力方向与热应力方向相反。
改善铸型和型芯的退让性
消除铸造残余应力的方法：
自然时效：
将铸件露天长时间放置，促使应力松弛的方 法。优点是成本低，缺点是生产周期长，占 地面积大，消除应力不彻底
人工时效：
将铸件加热到合金弹性状态的温度范围，保 温一定时间后，缓慢冷却，使残余应力消除 的方法
凝固成型
液态金属的冷却收缩与凝固缺陷 铸件凝固温度场 铸造应力 凝固控制
erf
2
x at
2
x
2 at e 2 d
0
• 代入铸件（型）的边界条件得：
铸件侧
T1
Ti
T10
Ti
erf
2
x a1t
铸型侧
铸型侧
T2
Ti
Ti
陶瓷原位凝固胶态成形基本原理及工艺过程
陶瓷原位凝固胶态成形基本原理及工艺过程陶瓷作为一种重要的结构和功能材料，被广泛应用于化工、冶金、电子、机械、航空、航天、生物等各个领域。
陶瓷材料成型是为了得到内部均匀和高密度的坯体，提高成型技术是制备高性能陶瓷材料的关键步骤。
不同形态的陶瓷粉体应用不同的成型方法。
如何选择适宜的成型方法，主要取决于对陶瓷材料的性能要求和陶瓷粉体的自身性质（如颗粒尺寸、分布、表面积），下面小编简要介绍几种陶瓷材料成型工艺。
陶瓷材料成型工艺主要分为胶态成型工艺、固体无模成型工艺、气相成型工艺等。
认识陶瓷材料成型工艺一、胶态成型工艺1、挤压成型挤压成型是指将陶瓷粉体、粘结剂、润滑剂等与水均匀混合，然后将塑性物料挤压出刚性模具即可得到管状、柱状、板状以及多孔柱状成型体。
挤压成型优点是：工艺过程简单、适合工业化生产。
缺点是：物料强度低、容易变形，并可能产生表面凹坑和起泡、开裂以及内部裂纹等缺陷。
挤压成型广泛应用于传统耐火材料如炉管、护套管以及一些电子材料的成型生产。
2、压延成型压延成型是指将陶瓷粉体、添加剂和水混合均匀，然后将塑性物料经两个相向转到滚柱压延，而成为板状素坯的成型方法。
压延法成型优点是：密度高，适于片状、板状物件的成型。
3、注射成型陶瓷注射成型是借助高分子聚合物在高温下熔融、低温下凝固的特性来进行成型的，成型之后再把高聚物脱除。
注射成型优点是：可成型形状复杂的部件，并且具有高的尺寸精度和均匀的显微结构。
缺点是：模具设计加工成本和有机物排除过程中的成本比较高。
目前，注射成型新技术主要有水溶液注射成型和气相辅助注射成型。
（1）水溶液注射成型水溶液注射成型采用水溶性的聚合物作为有机载体，很好的解决了脱脂问题。
水溶液注射成型技术优点是：自动化控制水平高，而且成本低。
（2）气体辅助注射成型气体辅助注射成型是把气体引入聚合物熔体中而使成型过程更容易进行。
适合于腐蚀性流体和高温高压下流体的陶瓷管道成型。
4、注浆成型注浆成型工艺是利用石膏模具的吸水性，将制得的陶瓷粉体浆料注入多孔质模具，由模具的气孔把浆料中的液体吸出，而在模具中留下坯体。
第三章 固态材料塑性成形
（2）自由锻成形过程
自由锻成形过程流程：
1）根据零件图绘制锻件图； 2）确定坯料的质量和尺寸； 3）选择锻造工序，决定变形工艺 过程； 4）选择锻造设备，确定设备能力； 5）确定锻造温度范围、冷却方式 和热处理规范； 6）规定锻件的技术要求和检验要 求； 7）编制劳动组织和确定锻造工时 定额。 零件图 绘制锻件图 计算坯料质量和尺寸、下料 确定工序、加热温度、设备等 加热坯料、锻打
锻件冷却方式常用下列三种：
①空冷 多用于WC≤0.5%的碳钢和WC ≤0.3%的低合金钢
中小锻件。
②在炉灰或干砂中缓冷 多用于中碳钢、高碳钢和大
多数低合金钢的中型锻件。
③随炉缓冷 在500～700℃的炉中随炉缓冷，多用于中
碳钢和低合金钢的大型锻件及高合金钢的重要锻件。
4）自由锻典型过程举例
①盘类锻件的锻造过程 ②轴类锻件的锻造过程
在300℃以上，随着温度的升高，低碳钢 的塑性指标δ和ψ上升，变形抗力下降。 原因：① 金属原子在热能作用下，处于极 活跃的状态，很容易进行滑移变形；② 低碳钢 在加热温度位于AESG区（奥氏体区） ，组织 为单一奥氏体，塑性很好，故很适宜于进行塑 性成形加工。
对金属加热应不产生微裂纹、过热、过 烧和严重氧化；加热应避免在脆性温度 区间。
自由锻件结构设计时注意以下原则
① 应避免锥体、曲线或曲面交接以及椭圆形、 工字形截面等结构。 ② 应避免加强筋、凸台等结构。 ③ 当锻件的横截面有急剧变化或形状较复杂时， 可采用特别的技术措施或工具；或者将其设计成 几个简单件构成的组合件，锻造后再用焊接或机 械连接方法将其连成整体件。
3.3.2 模型锻造
2）热变形过程（热成形）：变形在再结晶温度 以上进行，变形硬化被再结晶消除。 特点：
固态成形课件3
相对普通铸铁件 “ 锻件如锅饼，铸件似面包” 锻造流线更增强工件强度。
金属铸锭经塑性变形后，铸造组织 的内部缺陷如气孔、缩孔、微裂纹等得 到焊合，再结晶后可细化晶粒，金属的 各种力学性能得到提高。 冲压件又具有重量轻、精度高、刚 性好等优点。 2.节约金属 指轧制、冲压、模锻等； （自由锻无此优点）。 3.生产率高（自由锻除外） 4.适应性广 质量、尺寸大小约束少； 对重载荷、强而韧的工件是基本选择。 5.不宜内腔形状复杂的零件 但由于锻压件是在固态成形，金属的流动受到限制。因此， 对于形状复杂、尤其是内腔形状复杂的零件，从制造工艺上锻 件远不及铸件容易实现。
锻造比对锻件的锻透程度和力学性能有很大 影响。 当锻造比达到2时，随着金属内部组织的致密 化，锻件纵向和横向的力学性能均有显著提高； 当锻造比为2-5时，由于流线化的加强，力学 性能出现各向异性，纵向性能虽仍略提高，但横 向性能开始下降; 锻造比超过5后，因金属组织的致密度和晶粒 细化度均已达到最大值，纵向性能不再提高，横 向性能却急剧下降。 因此，选择适当的锻造比相当重要。一般， 碳素结构钢取2-3，合金结构钢取3-4。对于某些 高合金工具钢和特殊性能的合金钢，为促进合金 碳化物分布的均匀化，击碎钢中的碳化物，常采 用较大的锻造比，如高速钢取5-12，不绣钢取46。 锻造比越大，锻造流线越明显；锻造流线的 稳定性很高，不能用热处理方法消除，只有经过 碳素钢钢锭拔长锻比对力学 锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。 性能的影响
3．温锻 在高于室温和低于再结晶温度范围内进行的锻造工艺称为温锻。
与热锻相比，坯料氧化脱碳少，有利于提高工件的精度和表面质量；与 冷锻相比，变形抗力减小、塑性增加，一般不需要预先退火、表面处理
和工序间退火。温锻适用于变形抗力大、冷变形强化敏感的高碳钢、中
固态成形课件
5、计算中间工序次数及尺寸 每一次变形受材料抗拉极限限制时，需 分步完成总变形。 拉深系数 m=d/D（d：本次，D：前次）
6、确定模具类型与结构 7、选择冲压设备 根据冲裁力、拉深力确定
余块
自由锻锻件图
金属材料
始锻温度／℃
终锻温度／℃
碳素结构钢
碳素工具钢 合金结构钢 合金工具钢 高速工具钢 弹 簧 钢 轴 承 钢
2、塑性变形对金属组织的影响 A、冷变形强化 由于畸变严重，硬度、强度加大，塑 性明显下降，使得塑变抗力加大，进一步 变形困难
B、残余应力 晶格扭曲、变形不一致引起。
3、冷变形后加热时的组织与性能 A、回复： 加热温度较低，T回=（0.25－0.3）T熔， 原子扩散能力弱，显微组织无本质变化。位 错微量改善，残余应力部分消失，硬化基本 保留。 B、再结晶： 加热温度 T再=（0.4）T熔，原子扩散 能力增强，破碎晶粒重新形核并长大，形成 新的晶粒，消除了原先的畸变，使得机械性 能各指标恢复，内应力、硬化消除。
空心件。 基本过程 受力状态 破坏现象 C、弯曲 板料受压弯曲成所需（模具）形状。 受力状态 回弹 D、翻边、胀形、收口、压筋
2、冲压设备：剪床 冲床 3、常用方法 A、简单：一个冲程完成一个工序。 B、连续：一个冲程在模具不同位置完成 多个工序。 C、复合：一个冲程在模具同一位置上下 完成多个工序。
5、常用金属材料的锻造性能 塑性变形的难易程度，取决于材料性能 与变形条件。通过金属的塑性和变形抗力来 衡量 A、影响因素 材料组织本身（化学组织、元素数量、晶格结
构、晶粒粗细）
变形条件（温度范围、变形速度、变 形形式等） B、常用材料锻造性 碳钢－合金钢 铸铁
二、锻造形式
1、自由锻 使在上下砧铁（平面）中的金属受压力 或冲力后（局部）变形。 尺寸精度低、形状简单、效率低，尺寸 大小范围宽。 设备常用空气锤、蒸汽－空气锤 常用工序：拔长、镦粗、冲孔
材料成型技术-第三章-固态材料塑性成型过程
• 回复 • 随着温度的升高，已产生加工硬化的金属其晶 格的扭曲程度减小，内应力降低，但金属组织 还没有显著变化的现象。 • T回=（0.25～0.3）T熔 • 回复的应用： • 经冷拉的钢丝卷成弹簧后的低温回火（加热到 250～300℃）,青铜丝弹簧加工后的回火处理 (加热到120～125℃)。
塑 性
B
变形速度
• （3）应力状态的影响
–金属材料在经受不同方法进行变形时，所产生的应力 大小和性质(指压应力或拉应力)是不同的。 –实践证明，金属塑性变形时，三个方向中压应力的数 目越多，则金属表现出的塑性越好；拉应力的数目多， 则金属的塑性就差。 – 压应力状态下塑性变形，金属内摩擦加剧，变形抗力 增大； – 金属材料塑性较低时，尽量在压应力状态下进行变形。
30号钢锻造状态与铸造状态力学性能比较
毛MPa
530 500
σs／MPa
310 280
δ／%
20 15
σk／(J· cm-2)
70 35
3．2 金属塑性成形过程的理论基础
• 一、金属塑性变形的能力
– 金属塑性变形的能力又称为金属的可锻性，它指金属 材料在塑性成形加工时获得优质毛坯或零件的难易程 度。 – 金属的可锻性好，表明该金属适合于塑性加工成形； 可锻性差，说明该金属不宜于选用塑性成形加工。 – 可锻性常用金属的塑性指标(延伸系数δ和断面减缩率 ψ)和变形抗力来综合衡量，塑性指标越高，变形抗力 越低，则可锻性越好。 – 金属可锻性的优劣受金属本身性质和变形加工条件的 综合影响。
• （2）加工余量 由于自由锻锻件的尺寸精度低、 表面品质较差，需再经切削加工才能成为零件， 所以，应在零件的加工表面上增加供切削加工 用的金属部分，称为加工余量。锻件加工余量 的大小与零件的形状、尺寸、加工精度、表面 粗糙度等因素有关。通常自由锻锻件的加工余 量为4~6mm。 • （3）锻件公差 锻件公差是锻件名义尺寸的允 许变动量。规定锻件的公差，有利于提高生产 率。自由锻锻件的公差一般为1~2mm。 • 自由锻锻件机加工余量和自由锻锻件公差的具 体值可查锻造手册。
固态成形原理-锻造成形原理
2.1.3局部镦粗 坯料只是局部长度(端部或中间)进行镦粗。 可以锻造凸肩直径和高度较大的饼块锻件，也可 锻造端部带有较大法兰的轴杆锻件。 金属流动特征：
2.1.4 镦粗工序的质量缺陷及控制 质量缺陷： （1）低塑性坯料：易在侧表面产生纵向或呈45 方向的裂纹，上、下端常残留铸态组织等。 （2）高坯料：由于失稳而弯曲，并可能发展成折 叠等。分析 (1) 作用力 作用力类型： 加载方式： 1）整体加载：镦粗（整体变形）；缩口（局部变
形）
2）局部加载：冲孔（整体变形）；拔长（局部变 形）
(2) 摩擦力
P1＞P2
1.2 局部加载时沿加载方向应力的分布规律
规律:沿加载方向的正应力随受力面积不断扩大， 其绝对值逐渐减小。 以冲孔为例：
送进长度l与宽度a相等时，两个方向的金属流动量 并不等，即沿轴向的金属流动量多于横向。
（2）变形区金属对外端的影响
2.2.2 圆截面坯料的拔长 特点：
产生中心裂纹的原因：
1)工具与金属接触，通过AB、BC面，沿着与其垂直的方 向，将外力H传给坯料的其它部分，于是坯料中心部分 便受到合力R的作用；
D0
Ⅱ
ⅠⅠ
Ⅱ
环孔斜度大小对金属流动的影响： 环孔无斜度时：金属向环孔中流动，仅受孔壁摩 擦阻力； 环孔有斜度时：孔壁摩擦阻力以及孔壁的反作用 力。 垂直分力的作用： 水平分力的作用：
图2-28 垫环镦粗的锻件尺寸比例
孔板间镦粗特点： 变形体分为三区：A区相当于环形件镦粗；B区 相当于圆坯料在摔子里拔长；C区相当于一般镦 粗。
(6) 变形不均
变形不均时，在各区 金属间产生附加应力。 附加应力必定是成对 出现，在趋向伸长较 多的区域受附加压应 力，在趋向伸长较少 的区域受附加拉应力。
固态金属材料塑性成形过程-
第一讲固态金属材料塑性成形过程金属固态塑性成形过程简称金属成形过程(又叫金属压力加工或锻压加工)，它是指在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形，以获得所需形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。
金属成形过程的成形原理属质量不变的“固态成形”。
任何固态材料本身都具有一定的形状和大小，固态成形就是要改变固体原来的形状和大小，获得预期要求的形状和尺寸。
因此，要实现金属材料的固态成形，必须要有两个基本成形条件，即(1)被成形的金属材料具备一定的塑性。
(2)要有外力作用于固态金属材料上。
可见，金属的固态成形受到内外两方面因素的制约。
内在因素即金属本身能否进行固态形变和可形变的能力大小，外在因素即需要多大的外力。
另外，外界条件(如温度等)对内外因素有相当大的影响，且成形过程中两因素也相互影响。
由上述可知，所有在外力下产生塑性变形而不破坏的材料，都有可能进行质量不变的固态变形。
低、中碳钢及大多数有色金属的塑性较好，故都可进行塑性成形加工，而铸铁、铸铝合金等脆性材料，塑性很差，一般不能或不宜进行塑性成形。
一、金属固态塑性成形方法工业中实现质量不变的金属固态成形的方式多种多样，主要的金属塑性成形方法有：(1)轧制将金属通过轧机上两个相对回转轧辊之间的空隙，进行压延变形成为型材(如钢板、圆钢、角钢、槽钢等)的加工方法，如图1a所示。
轧制生产所用坯料主要是金属锭，坯料在轧制过程中靠摩擦力得以连续通过而受压变形，结果坯料的截面减小，轧出的产品截面与孔隙形状和大小相同，长度增加。
(2)挤压是将金属置于一封闭的挤压模内，用强大的挤压力将金属从模孔中挤出成形的方法，如图2a所示。
挤压过程中金属坯料的截面依照模孔的形状减小，长度增加。
挤压可以获得各种复杂截面的型材或零件。
(3)拉拔将金属坯料拉过拉拔模模孔，而使金属拔长、断面与模孔相同的加工方法。
它主要生产各种细线材、薄壁管和一些特殊截面形状的型材，如图3所示。
(4)自由锻造将加热后的金属坯料置于上下砧铁间受冲击力或压力而变形的加工方法，如图4a所示。
固态成形原理-板料成形原理
(3)剪切断面分析
由于冲裁变形的特点，使冲出的工件断面明显地分成
三个特征区，即圆角带、光亮带与断裂带。
圆角带：
光亮带：
圆角带
光亮带
断裂带：
断裂带
断裂带
圆角带
光亮带
4）凸模与凹模之间的间隙
a)间隙对冲裁件质量的影响 对切断面的要求： 对零件表面的要求： 对尺寸精度的要求： 影响冲裁件质量的因素：
2)弹—塑性弯曲和线性纯塑
性弯曲
切向应力与切向应变的函数关
系为： f ( )
弹性变形范围内(见图1-12(d)
实际应变与工程应变关系：
1 ln1 e1 2 ln1 e2
3 ln 1 e3
体积不变条件：
1 2 3 0
（1）变形板料中一点，其应变或应力状态的几 何表示方法
采用主轴表示法，可将应变分量减少为3个
主条应件，变3分个量主应1 变、中2只、有3两。个由是塑独性立变的形。体一积般不规变
2.2 弯曲
视频
图1-10 弯曲变形过程 1-凸模；2-凹模
变形特点： a)圆角附近部分： 远离圆角的直边部分： 靠近圆角处的直边： (b)在变形区内： 纵向纤维bb： 纵向纤维aa： 应变中性层(图中oo层)：
(c)弯曲变形区 变薄因数： (d)变形区的横断面情况： 1）宽板(板宽B与板 厚t之比大于3)弯曲时： 2）窄板(B<3t)弯曲时：
1 板材成形的基本变形方式
1.1 板材成形中的应力应变状态及其几何表示方法 工程应变，主应变为：
e1
l1
l0 l0
e2
b1 b0 b0
e3
t1
t0 t0
在塑性变形中，一般用对数应变（实际应变）：
固态成形原理-挤压成形原理
沿横断面径向上，外层金属的主延伸变形比内层 的大；沿纵向上制品后端的主延伸变形比前端的 大。
挤压筒内的金属，存在两个难变形区。 前端难变形区：位于挤压筒与模子交界的环形死 区部位。 后端难变形区：位于塑性变形区压缩锥后面的锭 坯未变形部分。
图4-7 正挤压时的弹性变形区 a-平模挤压；b-锥形模挤压
(4)反向挤压时金属流动的特点： 特点： 优点： 缺点：
图4-13-1反挤压时作用于金属的力 1-挤压筒；2-空心挤压杆；3-模子；4-锭坯未挤压部分；5-塑性变形
区；6-挤压制品
图4-14挤压实验的坐标网格对比 1-反挤压；2-正挤压
(5) 横向挤压金属流动特点：先镦粗再横向挤压
图4-14-1 十字接头锻件图 图4-14-2 十字接头的横向挤压过程示意图
4.1 概述 挤压特点: 4.2 挤压的基本方法 正挤压：
图4-1 挤压的基本方法 1一挤压筒；2一模子；3一挤压杆；4一锭坯；5一制品
反挤压：
不动的
可动的
挤压杆为不可动的反向挤压过程
1 可动的
3 不动的
挤压杆可动的反向挤压过程
横向挤压棒材 1-挤压杆；2-挤压金属；
3-挤压模
4.3 挤压时金属的流动
3）皮下缩尾 皮下缩尾出现在制品表皮内，存在一层使金属径向上不连 续的缺陷。 原因：挤压时，剧烈滑移区金属和死区金属之间发生断裂 或形成滞流区，死区金属参与流动而包覆在制品的外面， 形成分层或起皮。
图4-7-4 皮下缩尾形成过程 1-表面层；2-死区
图4-8 镶填物在正挤压过程中的变化 a-挤压前；b-无润滑；c-有润滑
(4)挤压时金属变形流动分区 的假定 （看书）
(5) “死区”的应力应变分析
湖大材料工程基础课件第三章材料的固态成形工艺
17
材料科学与工程学院
影响金属冷成形性力学性能参量的冶金因素
(1)材料的种类和成分：面心立方金属或合金好于 体心立方金属或合金；纯金属中加入合金元 素，一般均降低材料的冷成形性能。
(2)材料的组织结构：细化晶粒不仅可提高材料的 屈服强度，而且可改善塑性；球状P比片状P 具有更低的屈服强度和较高的塑性；晶体结
35
材料科学与工程学院
冲锻时，锻件可能留下贯穿组 织的流线，这些晶界直接暴露 在外，容易被环境腐蚀，产生 粗糙表面，应力集中。
445MN（50000t）水压机
2021/1/11
材料工程基础—材料的固态成形
36
锻造缺陷
材料科学与工程学院
2021/1/11
材料工程基础—材料的固态成形
37
材料科学与工程学院
构主要影响塑性应变比。
(3)材料的冶金质量：例如钢中夹杂物过多时，必
然会导致塑性降低，使冷成形性能变坏。
2021/1/11
材料工程基础—材料的固态成形
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材料科学与工程学院
§1.3 金属的塑性加工工艺
金属压力加工方法按加工目的可分为两大类：
一类是轧制、挤压和拉拔，它主要用于生产建筑 结构、切削加工和塑性加工用的等截面型材、 管材和板材等，在一些情况下也可用于生产 毛坯、半成品和成品零件。
21
材料科学与工程学院
现代化的连续轧制生产线
轧制是金属坯料在旋转轧辊的间隙中靠摩擦力的作用 连续进入轧辊而产生塑性变形的一种压力加工方法。
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材料工程基础—材料的固态成形
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材料科学与工程学院
轧制分类（按轧制温度分类）
冷轧：室温； 增加位错密度，改变制品形状，不改变晶粒平
固态成形原理-板料成形原理
板料成形中，只要板面内两个主应力 1（代数值较大的一 个）、2就可描述(垂直于板面的主应力 3=0 )。设2 / 1=，则称为该点的应力状态参数。在简单加载情况下， 值也为常数。
变形板料中一点的应变状态和应力状态，是完全 对应的。
1
2 3
i i
1
3
2
2 3
i i
2
3
i
2 3
2 1
2 2
2 3
F1，F2 -凸、凹模对板料的 侧压力； P1，P2 -凸、凹模端面与 板料间的摩擦力，其方向与
间隙大小有关，但一般指向 模具刃口； F1、F2-凸、凹模侧面与 板料间的摩擦力。
图3-5 冲裁时作用于材料上的力 1-凹模2-材料3-凸模
视频
冲裁变形过程
冲裁变形过程分为三个阶段： 第一阶段：弹性变形阶段 弯矩M的作用，材料不仅产生 弹性压缩变形而且有穹弯，并 稍有压入凹模腔口。 第二阶段：塑性变形阶段 在塑剪变形的同时还伴有纤维 的弯曲与拉伸。 第三阶段：断裂阶段 当刃口附近应力达到破坏应力 时，先后在凹、凸模刃口侧面 产生裂纹，裂纹产生后沿最大 剪应力方向向材料内层发展， 使材料分离。
(b)应力状态 纵向： 外区受拉应力，内区受压应力。纵 向应力为绝对值最大的主应力。 厚向：
表1-1 立体塑性弯曲时变形区的应力应变状态
(3) 宽板立体纯塑性弯曲时的应力分布与应力中性层位置
1) 外区的三个主应力
(a)微分平衡方程
在板料的纵向剖面内，微体只有、r两个未知主应力的作 用，微体切向应力()对称相等，半径为r处的径向应力 为(r)。
2.2 弯曲
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图1-10 弯曲变形过程 1-凸模；2-凹模
变形特点： a)圆角附近部分： 远离圆角的直边部分： 靠近圆角处的直边： (b)在变形区内： 纵向纤维bb： 纵向纤维aa： 应变中性层(图中oo层)：
固态成形技术PPT课件
典型锻件的锻造比
计算 锻造比 部位
锻件 名称
碳素钢轴类 最大
零件
截面
合金钢轴类 最大
零件
截面
热轧辊
辊身
2.0~2.5 2.5~3.0 2.5~3.0
冷轧辊
辊身 3.5~5.0
锤头
水轮机主 轴 水轮机立 柱 模块
计算 部位
锻造比
最大截面 ≥2.5
轴身
≥2.5
最大截面 ≥3.0 最大截面 ≥3.0
齿轮轴
3.2 金属塑性成形过程的理论基础
⑶应力状态：
三个方向中的压应力数目越多，塑性越好，变形抗力 增大；拉应力数目多，则金属的塑性就差，变形抗力降低。
3.2.2 塑性变形基本规律
⑴体积不变规律
金属固态成形加工中金 属变形后的体积等于变形前 的体积（又叫质量恒定定理 ）
⑵最小阻力定律
金属在塑性变形过程中 ，其质点都将沿着阻力最小 的方向移动。(最小周边法则 ）
3.1 概述
金属塑性成形的主要方法
金属固态塑性成形优缺点
优点： ⑴组织细化致密、力学性能提高； ⑵体积不变的材料转移成形，材料利用率高; ⑶生产率高，易机械化、自动化等。 ⑷可获得精度较高的零件或毛坯，可实现少无切削加工。
缺点： ⑴不能加工脆性材料； ⑵难以加工形状特别复杂（特别是内腔）、体积特别大的制品； ⑶设备、模具投资费用大。
3.2 金属塑性成形过程的理论基础 塑性成形性能（可锻性）
衡量因素——塑性指标和变形抗力； 塑性越高，变形抗力越低，可锻性越好。
3.2 金属塑性成形过程的理论基础
影响金属塑性成形性能的因素：
内在因素、加工条件、应力状态等。
⑴内在因素： ①化学成分—钢的含碳量越大，塑性成形性越差;
固态成形原理讲义-锻造
2.3.2 闭式冲孔（反挤） A区：属于环形金属包围 下的镦粗，处于三向压 应力状态和一向压缩两 向伸长的应变状态。
3
1 2
凹模
3 1
2
B区：金属在径向和轴 向都受压应力，轴向是 最大主应力，切向是中 间主应力。轴向和切向 是伸长应变，径向是压 缩应变。
外端的影响：
3
1
3
2
1 2
2.3.3 冲孔工序质量问题及措施 (1)开式冲孔 主要缺陷：“走样”、侧表面裂纹、内孔圆角处
Px P
3）角裂 原因：
4)对角线裂纹 原因：
5)内部横向裂纹
原因： 拔长大锭料时，如进料比很小，变形主要集中在 上下表面层，锻件中心部分锻不透，轴心部分沿 轴向受附加拉应力。
矩形截面拔长的措施： 1)正确地选择送进量 相对送进量l/h=0.50.8较为合适。绝对送进量 l=(0.4 0.8)B(B为砧宽)较为合适。拔长操作 时，应使前后各遍压缩时的进料位置相互错开。
1)侧表面裂纹 拔长时送进量和压下量过大造成的。
当送进量和压下量很大时，轴心部分变形大，于 是侧表面沿轴向受拉应力作用，当拉应力足够大 时，便可能引起开裂，主要措施是适当控制压下 量。
2)上、下表面横向裂纹
原因：
主要措施： （1）改善润滑条件；（2）加大锤砧转角处的圆 角；（3）沿砧面的前后方向作成一定的凸弧或 斜度，以利于表层金属沿轴向流动。
垫环镦粗时的金属流动情况： 金属朝两个方向流动：
沿着轴向流 入环孔，增 大锻件凸肩 高度。
ⅠⅡ Ⅰ
沿着径向流 向四周，使 锻件的外径 增大
分流面:
影响分流面的位置 的因素：坯料高度与直径之比
(
H0 D0
d )、环孔与坯料直径之比( D 0
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机械学院--固态成形部分《材料成形原理》习题解（1）绪论1、什么是金属的塑性？什么是塑性成形？塑性成形有何特点？答：在外力的作用下使金属材料发生永久的塑性变形而不破坏其完整性的能力称为金属的塑性。
金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成形并获得一定力学性能的加工方法称为塑性成形。
塑性成形的特点是（1）组织、性能好；（2）材料利用率高；（3）如在模具中成型，尺寸精度高，生产效率高。
第六章1、如何完整的表示受力物体内任一点的应力状态？原因何在？答：为了完整的表示受力物体内任一点的应力状态，围绕该点切取一平行于坐标轴的六面体作应力单元体，用三个微分面上的应力来完整的描述该点的应力状态。
在一般情况下表示一点的应力状态须用九个应力分量来描述，由切应力互等定理，只须用六个应力分量来描述，如果以主轴作坐标系，一点的应力状态只须用三个应力分量来描述。
应力单元体，应力张量，应力莫尔圆，应力椭球面都是点的应力状态的表达方法。
2、叙述下列术语的定义或含义：张量：张量是矢量的推广，可以定义由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量所组成的集合为张量应力张量：在一定的外力条件下，受力物体内任一点的应力状态已被确定，如果取不同的坐标系，表示该点的应力状态的九个应力分量将有不同的数值，而该点的应力状态并没有变化，因此，在不同坐标系中的应力分量之间应该存在一定的关系。
符合数学上张量之定义，表示该点的应力状态的九个应力分量构成一个二阶张量，称为应力张量。
应力张量不变量：应力状态特征方程式中的系数J1、、J2、J3、不随坐标而变，所以将J1、、J2、J3、称为应力张量的第一、第二、第三不变量。
主应力：切应力为零的微分面称为主平面，主平面上的正应力称为主应力。
主切应力：切应力达极大值的微分面称为主切应力平面，主切应力平面上的切应力称为主切应力。
最大切应力：三个主切应力中绝对值最大的一个。
主应力简图：只用主应力的个数及符号来描述一点应力状态的简图。
八面体应力：在主轴坐标系空间八个象限中的等倾微分面构成一个正八面体，正八面体的每个平面称八面体平面，八面体平面上的应力称八面体应力。
等效应力：_σ=238τ，也称广义应力或应力强度，它代表一点应力状态中应力偏张量的综合作用。
平面应力状态：若变形体内与某方向轴垂直的平面上无应力存在，并所有应力分量与该方向轴无关，则这种应力状态即为平面应力状态。
平面应变状态：如果物体内所有质点都只在同一坐标平面内发生变形，而在该平面的法线方向无变形，这种变形称为平面应变状态。
轴对称应力状态：当旋转体承受的外力对称于旋转轴分布时，则旋转体内质点所处的应力状态称为轴对称应力状态。
3、张量有那些基本性质？答：张量有第一、第二、第三不变量，存在主值，有主方向，可合并，分解。
4、 试说明应力偏张量和应力球张量的物理意义。
答：应力球张量是作用于一点各向相等的平均应力，它使物体产生弹性的体积变化。
从应力张量中减去应力球张量就是应力偏张量，应力偏张量使物体产生塑性的形状变化。
5、 等效应力有何特点？写出其数学表达式。
答：等效应力代表一点应力状态中应力偏张量的综合作用。
它不代表某一实际平面上的应力，它是一个不变量。
对主轴坐标系 _σ=238τ=21232231221)()()(σσσσσσ-+-+-对任意坐标系 _σ=21)(6)()()(222222zy xz xy y z z x y x τττσσσσσσ+++-+-+-6、对于oxyz 直角坐标系,已知物体内一点的应力张量=ijσ（1）画出该点的应力单元体（2）求该点的应力张量不变量、主应力及主方向、主切应力、最大切应力、八面体应力、等效应力、应力球张量，应力偏张量。
（3）该点的应力莫尔圆,并将应力单元体的微分面（即x 、y、z 面）分别标注在应力莫尔圆上。
解：（1）解：（2）(a)010*******)(2200)]10000(100100100[)]([0101010222322221=++-=++-+==++-+---=+++-++-==+-=++=xy z xz y zy x xz zy xy z y x xz zy xy z x y z y x z y x J J J τστστστττσσστττσσσσσσσσσ(b) 由应力状态的状态方程MPaMPa J J J 10;0;200)20)(10(0)20010(020010032122332213-====-+=--=--=---σσσσσσσσσσσσσσσ （c ）将321,,σσσ分别代人以n m l ,,为未知数的齐次线性方程组，并与1222=++n m l 联立求解：10)(0)(0)(222=++=-++=+-+=++-n m l n m l n m l n m l z yz xz zy y xy zx yx x σστττσστττσσ将MPa MPa 10;0;20321-===σσσ分别代人上式解出：0102102121021333222111======-===n m l n m l n m l（d ）152201025201021020202133123322112±=--±=-±=±=--±=-±=±=-±=-±=σστσστσστ (e)152201021331±=--±=-±=σστ(f)14310)2010()100()020(31)()()(3131031222213232221818±=--+++-±=-+-+-±====σσσσσστσσj m (g)7101431023238=⨯==τσ (h) 34031010310310035031020310313322111-=--=-='-=-=-='=-=-='==m m m m j σσσσσσσσσσ 解：（3）《材料成形原理》习题解（2）7、试判断下列应变场能否存在0;2;0;;222=====+=zy xz xy z y x xy y y x γγγεεε解：只有xy y x γεε;;三个应变分量，在同一坐标平面内，因此代入6—57（1）式： 左边：22=∂∂∂y x xyγ 右边：1)02(21)(212222=+=∂∂+∂∂x y y x εε 不满足连续方程，应变场不能存在。
8、常用的屈服准则有那两个？如何表述？分别写出其数学表达式。
答 ：常用的屈服准则有屈雷斯加屈服准则和米塞斯屈服准则。
屈雷斯加屈服准则表述为当材料（质点）中的最大切应力达到某一定值时，材料就屈服。
即s c c K σσσσστ==-=-±==3131m ax ;22 如果不知主应力大小顺序，普遍表达式为： ; ; ;322131s s s σσσσσσσσσ=-=-=-三个式子中只要满足一个，该点就进入塑性状态。
米塞斯屈服准则是将屈雷斯加屈服准则的三个式子统一起来，即三个方程合起来成为一个连续的方程，表述为当等效应力等于某一定值时，材料就屈服。
即s σσσσσσσσ=-+-+-=])()()[(212132322219、两个屈服准则有何差别？在什么状态下两个屈服准则相同？什么状态下差别最大？答：米塞斯屈服准则考虑中间主应力的影响，在主应力空间是一无限长倾斜圆柱体，而屈雷斯加屈服准则未考虑中间主应力的影响，在主应力空间是一内接于米塞斯圆柱体的正六棱柱体。
在圆柱体和正六棱柱体的接点处两个屈服准则相同（单向应力状态，轴对称应力状态，β =1），在弓形的高处差别最大（纯切应力状态，平面应变状态，β=1.155）。
10、塑性变形时的应力应变关系有何特点？为什么说塑性变形时的应力应变关系与加载历史有关？答：塑性变形时的应力应变关系的特点有（1）应力与应变之间为非线性关系；（2）应力与应变之间无单值关系；（3）全量应变与应力主轴不一定重合；（4）塑性变形体积不变，泊松比γ=05。
因为塑性变形是不可恢复的，不可逆的，由于加载路线不同，同一种应力状态可以对应几种应变状态，同一种应变状态也可以对应几种应力状态。
所以说塑性变形时的应力应变关系与加载历史有关。
11、在一般情况下对应变增量积分是否等于全量应变？为什么？在什么情况下这种积分才成立？可建立全量理论。
答：在一般情况下对应变增量积分不等于全量应变，因为在复杂加载的情况下，应力与应变主轴不重合，积分无意义。
只有在简单加载的条件下，应力与应变主轴重合，有对应关系，对应变增量积分得全量应变，才可建立全量理论。
12、主应力法的基本原理和求解要点是什么？答：主应力法的基本原理是（1）把问题简化成平面问题或轴对称问题，对于形状复杂的变形体，根据金属流动的情况，将其化成若干部分，每一部分分别按平面问题或轴对称问题求解，然后“拼合”在一起，得到整个问题的解。
因此主应力法也称切块法。
（2）假定切面上的正应力为主应力，且分布均匀。
（3）用主应力法求解变形力的精确度与所作假设与实际情况的接近程度有关。
求解要点是（1）在变形区切取包括接触面在内的基元体，作基元体的受力图；（2）列基元体的受力平衡微分方程，化简，略去高阶小量；（3）引入塑性条件或摩檫条件；（4）积分，由边界条件求积分常数；（5）将积分常数代回原方程求得变形区的应力分布，进而求得变形力。
13、金属拉深成型时，其凸缘变形区微元体的应力状态如图，试用主应力法求解бr ，бθ 。
(注：不考虑变形区的加工硬化，β近似取1.1)r +d бrd θ 解（1）作微元体的受力平衡图，бθ可分解为切向力和径向力，如图； （2）求微元体的静力平衡微分方程，化简；∑=0r F02sin 2))((=⋅⋅⋅+⋅⋅+++⋅⋅-t dr d t d dr r d rt d r r r θσθσσθσθ 因为2θd 很小，取22sin θθd d ≈，展开后略去高阶小量； (a) )(d0)( rdr r d dr r r r r θθσσσσσσ+-==++（3）引入塑性条件(b) 1.1)( s r σσσθ=--（4）(a) (b) 联解，积分； c nr rdrd r dr d s r sr r s r r +-=-=⋅-+-= σσσσσσσσ1.11.1)1.1( （5）引入边界条件求积分常数； 当nR c R r s r σσ1.10=== r R ns r σσ1.1= 将r σ代入屈服准则得)1(1.1 1.11.1r R n r R ns s s -=-=σσσσθ14、什么是滑移线？什么是滑移线场？答：塑性变形体内各点最大切应力方向的轨迹线，即称为滑移线。