第三章金属压力加工分析

§2-1 自由锻设备 • 自由锻锤 产生冲击力使金属变形的， 生产中使用的自由锻锤是空气锤和蒸汽 空气自由锻锤。 • 自由锻锤的吨位是用落下部分（包括上 砧、锤头和工作缸活塞）质量来表示， 空气锤的吨位用一般为 50 ～ 1000 公斤。 蒸汽-空气自由锻锤的吨位，一般为1～5 吨。
• 水压机 水压机是以静压力使金属变形 的。水压机的吨位用所能产生的最大压 力来表示，一般为5～150MN。 • 水压机靠静压力工作，无振动，变形速 度低（水压机上砧速度约为0.1～0.3m/s； 锻锤锤头速度可达7～8m/s)，有利于改善 材料的可锻性，并容易达到较大的锻透 深度。常用于大型锻件的生产，所锻钢 锭质量可达300吨。
§2-2 自由锻的基本工序
根据变形性质和变形程度的不同，自由锻 工序可分为辅助工序、基本工序及修整工 序。 压钳口、倒棱、压肩、校直、滚圆、压平
• 2、影响可锻性的因素 • 1)金属的本质 • 化学成分 纯金属的可锻性比合金好。而钢的 可锻性随碳和合金元素的质量分数的增加而变 差。 • 组织结构 固溶体（如奥氏体）的可锻性好， 而化合物（如渗碳体）差。金属在单相状态下 的可锻性比在多相状态下的好。 • 细晶粒金属的塑性较粗晶粒的好，可锻性较好。 （但变形抗力较大）
2、挤压
挤压是利用压力，将金属坯料从挤压
模的模孔中挤出而成形的压力加工方
法。①正挤压；②反挤压；③复合挤
压。
3、拉拔
拉拔是利用拉力，将金属坯料拉过拉拔模 的模孔而成形的压力加工方法。常需经多 次拉拔，依次通过形状和尺寸逐渐变化的 模孔，才能得到所需截面的产品。
4、自由锻 自由锻是利用冲击力或压力， 使放在上下砧之间的金属坯料变形，从而 得到所需锻件的压力加工方法。 5、模锻 模锻是利用冲击力或压力，使放 在锻模模膛内的金属坯料变形，最后充满 模膛而成形的压力加工方法。 6、板料冲压 板料冲压是利用压力，使放 在冲模间的金属板料产生分离或变形的压 力加工方法。
• 2．圆钢拔长前直径为φ100mm，拔长后为φ50mm，试计算锻造比 y。 • y=F0/F=(100/50)2=4
第二节
锻造方法 - 自由锻
• 自由锻 利用冲击力或压力，使放在上下砧之间的金 属坯料产生塑性变形，从而得到所需锻件的压力加工 方法。 • 自由锻分手工锻造和机器锻造两种，目前都采用机器 锻造。 • 自由锻通常采用热变形，常以逐段变形的方式来达到 成形的目的， • 自由锻只能锻造形状简单的锻件，生产率低，劳动强 度大，锻件精度差、表面粗糙、加工余量大。 • 自由锻只适用于单件、小批量生产。 • 自由锻是大型锻件唯一可能的锻造方法。
4、金属锻件的特点 • 1、金属更加致密。 • 2、获得细化的再结晶组织。因此，金属的力 学性能得到很大提高。 • 3、形成纤维组织，或称流线。
• 纤维组织 金属晶界上的夹杂物随晶粒 沿变形最大方向被拉长得到的组织。
纤维组织的特点
• 变形程度越大，纤维组织越明显。 常用锻造比Y表示变形程度。坯料拔长时的锻造比为： Y=F0/F • 式中F0为坯料拔长前的横截面积；F为坯料拔长后的横 截面积。 • 纤维组织使金属在性能上具有方向性。 • 纵向（平行于纤维方向）上的塑性、韧性提高， • 横向（垂直于纤维方向）上的塑性、韧性则降低。 • 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。
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6-2 选择题 1 ．钢制的拖钩如图 6-1 所示，可以用多种方法制成。其中，拖重能力最大的是 （ ）。 A． 铸造的拖钩；B．锻造的拖钩；C．切割钢板制成的拖钩。 2．有一批经过热变形的锻件，晶粒粗大，不符合质量要求，主要原因是（ ）。 A．始锻温度过高；B ．始锻温度过低；C ．终锻温度过高；D．终锻温度过低。 3．锻造比是表示金属变形程度的工艺参数。用碳钢钢锭锻造大型轴类锻件时锻造 比应选（ ）。 A．y＝ 1～1.5 ；B．y＝ 1.5～2.5 ；C．y＝2.5～3.0；D．y＞5 。 4．有一批连杆模锻件，经金相检验，发现其纤维不连续，分布不合理。为了保证 产品质量应将这批锻件（ ）。 A．进行再结晶退火；B．进行球化退火；C．重新加热进行第二次锻造；D．报废。 5．经过热变形的锻件一般都具有纤维组织。通常应使锻件工作时的最大正应力与 纤维方向（ ）；最大切应力与纤维方向（ ）。 A．平行； B．垂直； C．呈45°角； D．呈任意角度均可。 6．碳的质量分数（含碳量）大于0.8％的高碳钢与低碳钢相比，可锻性较差。在 选择终锻温度时，高碳钢的终锻温度却低于低碳钢的终锻温度；其主要原因是为 了（ ）。 A．使高碳钢晶粒细化提高强度； B．使高碳钢获得优良的表面质量； C．打碎高碳钢内部的网状碳化物。
合理利用纤维组织 • 1、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。2、最大切应力方向与纤维 方向垂直。3、并使纤维分布与零件的轮廓相 符合，尽量不被切断。
§1-4 金属的锻造性能 1、可锻性概念 • 金属的锻造性能，是指金属材料在压力 加工时获得优质产品难易程度的工艺性 能。 • 衡量指标：金属的塑性和变形抗力。塑 性越高，变形抗力越小，则金属的可锻 性越好。
• 2、多晶体的塑性变形 • 1）每个晶粒变形不均匀 • 2 ）晶粒间也产生滑动和 转动。 • 3）变形抗力大
§1-3 塑性变形后金属的组织和性能 • 1、加工硬化 • 金属在进行塑性变形时，随着变形程 度的增加，强度和硬度不断提高，塑 性和冲击韧性不断降低，这种现象称 为加工硬化。
• • • • •
碳钢的锻造温
度范围
(2)变形速度 • 1 、随变形速度的增大， 加工硬化严重，可锻 性变坏。 • 2 、另一方面，在变形 过程中，产生热效应 现象。热效应现象使 金属的塑性提高，变 形抗力减小，可锻性 变好。
• 但是，除了高速锤以外，在普通锻压
设备上都不可能超过临界变形速度。
所以，一般塑性较差的金属，应以较
•
• 过热 加热温度过高，导致晶粒急剧长大 的现象。该缺陷可以通过重新的热处理 加以消除。 • 过烧 加热温度过高（过热之后），导致 晶界严重氧化，甚至局部熔化的现象。 产生该缺陷后，性能极脆，并不能挽救， 只能报废。 • 停止锻造的温度称为终锻温度，指金属 热变形允许的最低温度。终锻温度过低， 金属的加工硬化严重，变形抗力急剧增 加，使加工难于进行。
熔点（K）
式中T回复为金属回复的绝对温度；
T熔点为金属熔化的绝对温度。
2）再结晶 • 再结晶 以某些碎晶或杂质为晶核，成长为 新的等轴细晶粒的过程称为再结晶。 • 再结晶消除了全部加工硬化，使金属的强度 和硬度明显下降，塑性和韧性显著提高。 • 一般纯金属的再结晶温度为：
T再结晶≈0.4T熔点（K）
第三章 金属压力加工 • 金属压力加工是利用外力，使金属坯料产生 塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和 力学性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。 • 压力加工方法分类 • 1 、轧制 轧制是借助于摩擦力和压力使 金属坯料通过两个旋转的轧辊间的空隙而变 形的压力加工方法。 • 轧制主要用于生产各种规格的钢板、型钢和 钢管等钢材。
2)．压力加工条件 • (1)变形温度 随着温度的升高，钢的强 度下降，塑性上升，即钢的可锻性变好。 因此，压力加工都力争在高温下进行， 即采用热变形。 • 锻造温度范围 • 开始锻造的温度称为始锻温度，指金属 在锻造前加热允许的最高温度。始锻温 度过高必将产生过热、过烧、脱碳和严 重氧化等缺陷。
• 消除金属加工硬化的热处理方法叫再结晶退 火。 • 再结晶的特点 • 1、只有产生加工硬化的金属才能产生再结晶。 • 2、不同于同素异构转变，不发生晶体结构变 化。 • 3、可以细化晶粒。但过份地延长加热时间， 则晶粒还会不断长大，使金属力学性能下降。
塑性变形后的金属பைடு நூலகம்热时组织和性能的变化
3、冷变形、热变形和温变形
1) 冷变形 金属在回复温度以下的变形称 为冷变形，具有加工硬化组织。 冷变形特点 冷变形可以使工件获得较高的精度和表面 质量。冷变形也是强化金属的一种重要 手段。但变形抗力大。
2) 热变形 金属在再结晶温度以上的变形称为热 变形，具有再结晶组织。 • 热变形特点 金属在热变形过程中，也产生加 工硬化，但随时被再结晶所消除。热变形时， 金属的变形抗力小，塑性好。工件的表面质量 低于冷变形。 3)温变形 • 金属在回复温度和再结晶温度之间的变形，称 为温变形。兼有冷变形、热变形的综合特点。
加工硬化的金属内部组织变化特点： 1、各晶粒沿变形最大的方向伸长； 2、位错密度增加，晶格严重扭曲，产生内 应力； 3、滑移面和晶粒间产生碎晶。
2、回复和再结晶 1 ）回复 : 当加热温度不高时，晶格扭曲被消除， 内应力明显降低，但力学性能变化不大，部分 地消除了加工硬化。
T回复=（0.25～0.3）T
小的变形速度，在压力机上进行锻造。
(3)应力状态 • 三个方向中压应力的数目越多，则金属的塑性 越好。拉应力的数目越多，则金属的塑性越差。 • 压应力使各种缺陷受到抑制，不易扩展，故可 提高金属的塑性。 • 在拉应力作用下，极易扩展，甚至破坏，使金 属失去塑性。 • 同号应力状态下的变形抗力大于异号应力状态 下的变形抗力。
• 综上所述，金属的可锻性既取决于金属的本质， 又取决于加工条件。在压力加工过程中，要力 求创造最有利的加工条件，提高塑性，降低变 形抗力。
•
6-1 判断题
1．压力加工是利用金属产生塑性变形获得零件或毛坯的一种方法。在塑性变形的 过程中，理论上认为金属只产生形状的变化而其体积是不变的。 （ ） 2．把低碳钢加热到1200℃时进行锻造，冷却后锻件内部晶粒将沿变形最大的方向 被拉长并产生碎晶。如将该锻件进行再结晶退火，便可获得细晶组织。 （ ） 3．将化学成分和尺寸相同的三个金属坯料加热到同一温度，分别在空气锤、水压 机和高速锤上进行相同的变形，其变形抗力大小应相同。 （ ） 4．在外力作用下金属将产生变形。应力小时金属产生弹性变形，应力超过σs时金 属产生塑性变形。因此，塑性变形过程中一定有弹性变形存在。 （ ） 5．只有经过塑性变形的钢才会发生回复和再结晶。没有经过塑性变形的钢，即使 把它加热到回复或再结晶温度以上也不会产生回复或再结晶。 （ ） 6．塑性是金属可锻性中的一个指标。压力加工时，可以改变变形条件；但不能改 变金属的塑性。 （ ） 7．冷变形不仅能改变金属的形状，而且还能强化金属，使其强度、硬度升高。冷 变形也可以使工件获得较高的精度和表面质量。 （ ） 8．某一批锻件经检查，发现由于纤维组织分布不合理而不能应用。若对这批锻件 进行适当的热处理，可以使锻件重新得到应用。 （ ） 9．对于塑性变形能力较差的合金，为了提高其塑性变形能力，可采用降低变形速 度或在三向压应力下变形等措施。 （ ）
• 6-3 应用题 • 1．钨的熔点为3380℃，铅的熔点为327℃，试计算钨及铅的再结 晶温度。钨在900℃进行变形，铅在室温（20℃）进行变形，试判 断它们属于何种变形。 • T回=0.3T熔点（K) (3380+273) ×0.3 =3653 ×0.3 = 1096（823 ℃） • T再 =0.4T熔点（K) (3380+273) ×0.4 =3653 ×0.4 = 1461（1188 ℃） • T回（823 ℃）＜ 900℃＜ T再（1188 ℃）所以为温变形 • 铅 T再 =0.4T熔点（K) (327+273) ×0.4 =600×0.4 = 240（-33℃） • 所以铅在室温（20℃）进行变形为热变形
第一节 金属压力加工工艺基础
§1-1 金属塑性变形的实质
1、单晶体的塑性变形 单晶体塑性变形的主要方式是滑移。 滑移是在切应力作用下，晶体的一部分原子 相对另一部分原子，沿着一定的晶面（滑移 面）和一定的方向（滑移方向）产生的移动。
• 实际晶体的滑移不象理想晶体那样，而 是通过位错运动实现的。