金属工艺学 第三篇(第五版)

T回 =(0.25~0.3)T熔
*以绝对温度表示的
当温度继续升高到该金属熔点绝对温度的0.4倍时，金属原子 获得更多的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心，按变形前的晶格 结构结晶成新的等轴晶粒，从而消除了全部冷变形强化现象。这个 过程称为再结晶。这时的温度称为再结晶温度，
T再 = 0.4T熔
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金属的塑性变形分为冷变形和热变形两种。 在再结晶温度以下的变形叫冷变形。 在再结晶温度以上的变形叫热变形。
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纤维组织使金属在性能上具有了方向性，对金属变形后的质量也有 影响。纤维组织越明显，金属在纵向(平行纤维方向)上塑性和韧性提高， 而在横向(垂直纤维方向)上塑性和韧性降低。纤维组织的明显程度与金属 的变形程度有关。变形程度越大，纤维组织越明显。压力加工过程中， 常用锻造比(y)来表示变形程度。
拔长时的锻造比为:Y拔＝ L/L0 镦粗时的锻造比为:Y镦＝H0/H
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第一章 金属的塑性变形
第一节 金属塑性变形的实质
金属塑性变形的实质是晶体内部产生滑移的结果。
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近代物理学证明，实际晶体内部存在大量缺陷。其中，以位错对 金属塑性变形的影响最为明显。由于位错的存在，部分原子处于不稳 定状态。在比理论值低得多的切应力作用下，处于高能位的原子很容 易从一个相对平衡的位置上移动到另一个位置上，形成位错运动。位 错运动的结果，就实现了整个晶体的塑性变形。
预锻模膛和终锻模膛的区别是预锻模 膛的圆角和斜度较大，没有飞边槽。
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制坯模膛
拔长模膛——用来减小坯料某 部分的横截面积，以增加该部分的 长度。
滚压模膛——长度基本不变， 减小坯料某部分的横截面积， 以增大另一部分的横截面积。 主要是使金属按模锻件形状来 分布。
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弯曲模膛——对于弯曲的杆类模锻件，需用 弯曲模膛来弯曲坯料。
一、自由锻
只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间直接变形而 获得所需几何形状及内部质量锻件的方法。由于坯料在两砧间变形时， 沿变形方向可以自由流动，不受限制。
在重型机械中，自由锻是生产大型和特大型锻件的唯一成形方法。 自由锻所用设备根据它对坯料施加外力的性质不同，分为锻锤和 液压机两大类。 1、自由锻工序 基本工序 镦粗、拔长、扭转、冲孔、弯曲、扭转、错移、切割。 辅助工序 精整工序
第三篇 金属塑性加工
利用金属的塑性，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材、 棒材、板材、线材或锻压件的加工方法，称为金属塑性加工。 金属压力加工的基本生产方式有以下几种： 锻造 在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料、铸锭产生局部 或全部的塑性变形。 冲压 使板料分离或成形而得到制品的工艺。 挤压 坯料在封闭模腔内受三向不均匀压应力作用下，从模具的孔 口或缝隙挤出，使之横截面积减小，成为所需制品的加工方法。 轧制 坯料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，获得所 需的截面形状并改变其性能的方法。 拉拔 坯料在牵引力作用下通过模孔拉出，使之产生塑性变形而得 到截面小、长度增加制品的工艺。
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锻造温度范围的确定以 合金状态图为依据。碳 钢的锻造温度范围，其 始锻温度比AE线低 200℃左右，终锻温度为 800℃左右。
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2、变形速度的影响
一方面由于变形速度的增大，回复 和再结晶不能及时克服加工硬化现象， 金属则表现出塑性下降、变形抗力增大 (图中a点以左)，可锻性变坏。
另一方面，金属在变形过程中，消 耗于塑性变形的能量有一部分转化为热 能，使金属温度升高(称为热效应现象)。 变形速度越大，热效应现象越明显，使
若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低，这种现 象称为“过热”。若加热温度更高接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒 间的结合，使金属失去塑性，坯料报废，这一现象称为“过烧”。
金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度。 不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的温 度称终锻温度。 锻造温度范围系指始锻温度和终锻温度间的温度区间。
压力加工对组织和性能的影响： 金属压力加工生产采用的最初坯料是铸锭。铸锭加热进行压力
加工后，由于金属经过塑性变形及再结晶，从而改变了粗大的铸造 组织，获得细化的再结晶组织。
同时还可以将铸锭中的气孔、缩松等结合在一起，使金属更加 致密，其机械性能会有很大提高。
铸锭在压力加工中产生塑性 变形时，基体金属的晶粒形状和 沿晶界分布的杂质形状都发生了 变形，它们将沿着变形方向被 拉长，呈纤维形状。这种结构叫 纤维组织。
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2、金属组织的影响 纯金属及固溶体(如奥氏体)的可锻性好，而碳化物(如渗碳体)
的可锻性差。 铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可
锻性好。
二、加工条件
1、变形温度的影响
随温度的升高、金属原子的运动能力增强，很容易进行滑移， 因而塑性提高，变形抗力降低，可锻性明显改善，更加适宜进行压 力加工。
终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个 收缩量。钢件收缩量取1.5%
沿模膛四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力， 促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。
终锻后在孔内留下一薄层金属，称为冲孔连皮。
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预锻模膛
预锻模膛的作用是：使坯料变形到接近于 锻件的形状和尺寸，终锻时，金属容易充满终 锻模膛。同时减少了终锻模膛的磨损，以延长 锻模的使用寿命。
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3．模锻斜度 为了使锻件易于从模膛中取出，锻件与模膛侧壁接触部分
需带一定斜度。模锻斜度与模膛深度和宽度有关。当模膛深度 (h)与宽度(b)的比值(h/b)越大时，取较大的斜度值。内壁(即当 锻件冷却时，锻件与模壁夹紧的表面)斜度，比外壁(即当锻件冷 却时，锻件与模壁离开的表面)斜度大。
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4．模锻圆角半径 圆角结构可使金属易于充满模膛，避免锻模的尖角处产生
裂纹，减缓锻件外尖角处的磨损，从而提高锻模的使用寿命。 同时可增大锻件的强度。钢质模锻件内圆角半径(R)比外圆角半 径(r)大2～3倍。模膛越深圆角半径的取值就越大。
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5．冲孔连皮 模锻无法锻出通孔，需在孔中留出冲孔连皮，其厚度依孔径
而定。
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齿轮坯的模锻锻件图
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二、坯料重量和尺寸的确定
G坯料 =G锻件 +G烧损 +G料头
金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a
点以右)，可锻性变好。
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3、应力状态的影响 挤压时为三向受压状态。 拉拔时为两向受压一向受拉的状态。 三个方向的应力中，压应力的数量愈多，则其塑性愈好；拉应力的
数量愈多，则其塑性愈差。但压应力使金属内部摩擦阻力增大，变形抗 力亦随之增大。
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第二章 锻造
第一节 锻造方法
第三节 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。
可锻性以金属的塑性和变形抗力来综合衡量。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。
一、金属的本质
1、化学成分的影响 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元素（铬、钼、钨、钒）时，其可锻性显 著下降。例如纯铁、低碳钢和高合金钢，可锻性依次下降。
纤维组织的稳定性很高，不能用热处理的方法消除，只有经过塑性 加工使金属变形，才能改变其方向和形状。
为了获得具有最好力学性能的零件，在设计和制造零件时，都应使 零件在工作中产生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，尽量使纤维组织 不被切断。
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三、锻造工序(工步)的确定
(1)长轴类模锻件 锻造过程中，锤击方向垂直于锻件的 轴线。终锻时。金属沿高度与宽度方 向流动，而沿长度方向没有显著的流 动。因此，常选用拔长、滚压、弯曲、 预锻和终锻等工步。
图 3-30 长轴类锻件
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(2)短轴类模锻件 锻造过程中，锤击方向与坯料轴线相同。终锻时金属沿高度、宽 度及长度方向均产生流动。因此常选用镦粗、预锻、终锻等工步。
图 3-32 短轴类锻件
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第三节 锻件结构的工艺性
一、自由锻件的结构工艺 性
避免锥体和斜面结构
几何体间的交接处 不应形成空间曲线
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自由锻件上不应设计出加强筋、 凸台、工字形截面或空间曲线
形表面
横截面急剧变化或形 状复杂时，采用组合 连接
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二、模锻件的结构工艺性
模锻零件必须具有一个合理的分模面，以保证模锻件易于从锻模 中取出、敷料最少、锻模容易制造。 零件上与锤击方向平行的非加工表面，应设计出模锻斜度。非加 工表面所形成的角都应按模锻圆角设计。 为了使金属容易充满模膛和减少工序，零件外形力求简单、平直 和对称，尽量避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋、凸起 等结构。
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第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响
金属在常温下经过塑性变形后，内部组织将发生变化： ①晶粒沿最大变形的方向伸长； ②晶格与晶粒均发生扭曲，产生内应力； ③晶粒间产生碎晶。
随变形程度增大，强度和硬度 上升而塑性和韧性下降的现象 称为冷变形强化，又称加工硬化。
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冷变形强化是一种不稳定现象，具有自发地回复到稳定状态的 倾向。但室温下不易实现。将冷变形后的金属加热至一定温度后， 因原子的活动能力增强，使原子回复到平衡位置，晶内残余应力大 大减小。这种现象称为“回复” 。回复时不改变晶粒形状。这时的 温度称为回复温度
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(4)曲柄压力机上模锻所 用锻模都设计成镶块式模 具。 (5)坯料表面上的氧化皮 不易被清除掉，影响锻件 质量。曲柄压力机上也不 宜进行拔长和滚压工步。
1—上顶杆；2—下顶杆；3—导柱；4、5—镶块； 6—上模板；7—下模板；8—螺栓；9— 压板
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3 摩擦压力机上模锻
摩擦压力机工作过程中， 滑块运动速度为0.5～ 1.0m／s，具有一定的冲 击作用，且滑块行程可控， 这与锻锤相似。坯料变形 中抗力由机架承受，形成 封闭力系，这又是压力机 的特点。所以摩擦压力机 具有锻锤和压力机的双重 工作特性。