金属工艺学第五版第三篇 金属的塑性加工

第一章 金属的塑性变形
金属塑性变形的实质 塑性变形对金属组织和性能的影响 金属的可锻性 金属材料经塑性加工之后： 内部组织发生很大变化； 性能也得到改善与提高。
知识点： 1、塑性变形及其实质。 2、“弹复”现象的应用。 3、加工硬化现象（冷、热）及热效应现象。 4、再结晶。 5、纤维组织。 6、可锻性。
金属材料通过塑性加工获得优质零件的难易程度。
衡量指标 目标
塑性 变形抗力
塑性大 变形抗力小 金属本身 加工条件
影响可锻性的因素
1 金属本身
纯金属可锻性好 合金差
化学成分
钢的可锻性随碳和合金元素的质量分数的增加 而变差。
组织状态
纯金属和固溶体可锻性好 金属碳化物差 细晶粒好 粗晶粒差
2 加工条件
①变形温度：
③应力状态 三向压应力— 塑性最好、变形抗力最小。
三向拉应力— 塑性最差、变形抗力最大。
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。
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。
2.塑性加工主要方式:
锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔等。 1）锻造：将金属坯料置于上下砧或锻模内，用
冲击力或压力使金属成型为各种型材和锻件等。
a）自由锻 b）模锻 c）胎模锻
胎模锻：自由锻设备上，采用不与上、下砧相连接的活动模
具成形锻件的方法。是介于自由锻和模锻之间的锻造工艺方法。
2）冲压 利用冲模将金属板料切离或变形为各种 冲压件。 冲压示意图如下：
典型模锻件
第二章 锻造
§2-1 锤上模锻
设备为模锻锤：蒸汽-空
气锤 。合模准确。 吨位：1~10t，可锻150kg以 下锻件。
锻造方法
第二章 锻造
§2-1 锤上模锻 锻造方法
锻模结构
由上、下两个模块组成，有模膛。 单模膛锻模、多模膛锻模
第二章 锻造
§2-1 锤上模锻 锻造方法
模膛
锻模结构
第二章 锻造
第三篇
金属的塑性加工
压力加工的产品
第三篇
1.概念
金属的塑性加工
金属塑性加工：利用金属在外力作用下所
产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和 机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，也 称为金属塑性成型或压力加工。
各类钢和大多数有色金属及其合金都具 有一定塑性，可以在热态或冷态下进行塑 性成形。
图3－3 多晶体塑性变形示意图
“弹复”现象：应力 弹性变形；应 力增大 塑性变形；去除外力 弹性变形恢复。
“弹复”现象，在塑性变形加工中的应 用。 增加变形量。
§1-2 塑性变形对金属组织和性能的影响
常温下金属塑性变形后，内部组织变化：
1、变形：晶粒沿最大变形方向伸长。 2、产生内应力：晶格与晶粒均发生扭曲。 3、晶粒间产生碎晶。
§1-1 金属塑性变形的实质
弹性变形 金属变形
塑性变形
单晶体的塑性变形
多晶体的塑性变形
一、单晶体的塑性变形
塑性变形的实质：晶体内部产生滑移的结果。
1）滑移
晶体的一部分相对另一部分 沿一定的晶面发生相对滑动
未变形
弹性变形 Biblioteka Baidu塑性变形 塑性变形
图3－1 单晶体滑移变形示意图
位错，使部分原子 处于不稳定状态。
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。
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。
§1-3
概念：
金属的可锻性
第二章 锻造
自由锻
第二章 锻造
利用外力(冲击力或压力)使金属 在抵铁间或锻模中变形，获得一定
形状和尺寸锻件的工艺方法。
自由锻
自由锻是利用冲击力或压力使 金属在上、下砧之间产生塑性 变形，从而得到所需锻件的锻 造方法。坯料在二砧间变形时， 沿变形方向可自由流动。
模锻
模锻是利用锻模使 坯料变形而获得锻 件的锻造方法。
第二章 锻造
§2-1 锻造方法
自由锻
手工自由锻
靠人力和手工工具对坯料施加 外力，只能生产小型锻件，效 率低，目前基本被淘汰。
机器自由锻
靠机器对坯料施加外力，能够 锻造各种大小的锻件，是自由 锻的主要方式。
自由锻造的主要设备
锻锤：靠冲击力使坯料变形。空气锤（100kg)和蒸 汽——空气锤(1500kg)。用于中、小锻件。 液压机：靠静压力使坯料变形。水压机（可锻300t 锻件)和油压机。
锻造方法
应用：
大批量生产中小锻件。
＜150Kg， 如曲轴、连杆、齿轮。 原因：受吨位限制、成本高。
设备：锤上模锻、 曲柄压力机上
模锻、摩擦螺旋压力机上模锻、胎 模锻。
第二章 锻造
§2-1 模锻特点
● ● ● ● ● ●
锻造方法
锻件的尺寸精度和表面质量高； 可锻造形状较复杂的零件； 生产率高； 材料利用率高； 模具成本高、设备昂贵； 锻件重量小。
一、金属材料产生加工硬化
金属材料 强度和硬 度提高， 塑性和韧 性下降。
有利：加工硬化可提高产品性能! 不利：进一步的塑性变形带来困难!
加热可消除硬化现象!
回复 再结晶
T回 = （0.25 ～ 0.3）T熔 T再 = （0.35 ～ 0.4）T熔
加工硬化 再结晶
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。
形变强化现象:金属经过冷态下的塑
性变形(冷加工)后,其强度、硬度提 高,而塑性、韧性降低的现象叫做形 变强化,或加工硬化或冷作硬化。 形变强化还使物理、化学性能发 生变化,如电阻增大,耐蚀性降低。 在冷加工时,形变强化使金属塑 性降低,进一步加工困难,应安排中间 退火工艺。 实质：塑性变形时位错运动受阻，使交叉滑移中 位错运动范围缩小，因此，金属性能随之改变。
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。
趁热打铁
T温越高，材料的可锻性越好。
始锻温度
终锻温度
45: 800℃~1200℃
过热、过烧 、脱碳缺陷
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。
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。
各 向 异 性
在平行于纤维组织的方向 上：材料的抗拉强度提高 在垂直于纤维组织的方向 上：材料的抗剪强度提高
锻件使用中应注意纤维方 向!
实例：
当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头 部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生 的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱(如图 示 )。 当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(如图 示)，纤维不被切断且连贯性好，纤维方向也较为有利， 故螺钉质量较好。
自由锻基本工序
拔长、镦粗、冲孔、弯曲、扭转、错移、切割
镦粗： 使坯料高度减小，截面积增大的工序。
锻造比：Y镦= A0 ＞1 高径比＜2.5-3.0
A
主要用于圆盘类锻件。
拔长： 使截面减小，长度增加的工序。
锻造比： Y拔=
A0 A
＞1，
适当增大锻造比有利于改善组织、提高力学性能，但太大反而加剧各向异性。 碳素结构钢： 2-3；合金结构钢： 3-4；高速钢：5-12。
第二章 锻造
§2-1 锻造方法
自由锻
基本工序
使金属产生一定程 度的塑性变形，以 达到所需形状及尺 寸的工艺过程，完 成锻件的基本工艺 过程。
自由锻工序
辅助工序
精整工序
进行基本工序之 前的预变形工序。 在完成基本工艺 之后，用以提高 锻件尺寸及位置 精度的工序。
第二章 锻造
§2-1 自由锻 锻造方法
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。
自由锻的典型工艺举例
盘类锻件自由锻工艺过程:
下料
镦粗
垫环局 部镦粗
冲 孔
冲子扩孔
修整
• 轴类锻件：
切肩
一端拔长并切料头
调头切肩
拔长
阶梯轴的锻造过程
端部拔长并 切料头
• 环类锻件：
镦粗 下料 冲孔
心轴扩孔 平整端面
圆环的锻造过程
曲轴类锻件：
下料 压出Ⅱ段槽 错移、压出 Ⅱ拐扁方 压槽Ⅰ、 Ⅱ 、 Ⅲ分段 拔出中间及两 端轴颈
压出Ⅰ、Ⅲ拐 扁方
Ⅰ、 Ⅱ 、 Ⅲ 分段压槽
扭转Ⅰ、Ⅲ拐各30˚
三拐曲轴的锻造过程
第二章 锻造
§2-1 自由锻特点
●
锻造方法
坯料表面变形自由；
● 设备及工具简单，锻件重量不受限制； ● ● ●
锻件的精度低； 生产率低，适用于单件小批生产； 是大型锻件的唯一锻造方法。
第二章 锻造
§2-1 模锻
使加热后的金属在模膛内受压变形 以获得所需锻件的方法。
位错移动：高位能的位错处原子， 在比理论值小的切应力下滑移。从 一个位置滑移到另一个位置。
金属塑性变形的 实质是晶体内部 产生滑移变形， 其中位错是引起 滑移变形的主要 原因。
二、多晶体的塑性变形 晶内变形 晶间变形 滑动 转动
多晶体塑性变形的实质： 晶粒内部发生滑移；同 时晶粒之间发生滑移和 转动。
§2-1 锤上模锻 锻造方法
模膛
锻模结构
模锻模膛
终锻模膛
预锻模膛
拔长模膛
模膛 制坯模膛
滚压模膛
弯曲模膛 切断模膛
（1）模锻模膛
1）终锻模膛：
使坯料最后变形到所需的形状、尺寸 终锻模膛有飞边槽，斜度、圆角小。
容纳多余金属，有利于金属填满模膛；起缓 冲作用，保护模具，提高模具寿命。 钢件收缩率：1.5%； 飞边槽：增加流出阻力，容纳多余金属。 连皮：带孔模锻件不能直接获得通孔， 留有的一层较薄金属。
5）拉拔：将金属坯料从拉模的模孔中拉出而 成型为各种线材、薄壁管材、特殊截面型 材等。
3.金属压力加工的特点（与铸造相比）
（1）优点 a）力学性能高、内部缺陷被压合、晶粒显著 细化 ｂ)生产率高、节约材料、适用范围广 （2）缺点 a)形状不能太复杂 b)坯料塑性要好 c）模具、设备昂贵 4.应用 汽车、拖拉机、宇航、军工、电器、桥梁、 建筑等。
热变形
以上 T再 以下
冷变形
冷变形无再结晶现象，只有加工硬化现象 热变形有再结晶现象，无加工硬化现象
使晶粒细化 消除了部分铸锭缺陷，使金属更加致密 形成纤维组织
二、金属材料产生纤维组织
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
主要用于轴、杆类锻件。
冲孔： 用冲头在坯料上冲出通孔或
不通孔的工序。
弯曲：
将坯料弯成一定角度或形状的工序。 如角尺、吊钩、 地脚螺钉等。
扭转： 将坯料的一部分绕轴心线相对
于另一部分转动一定角度的工 序。 如多拐曲轴、麻花钻。
错移： 将坯料的一部分相对于另一部分错开
一段距离而又保持平行的工序。
主要用于曲轴类锻件。
碳钢的锻造温 度范围
②变形速度
V变越小，材料的可锻性越好。
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， 应以较小的变形速度，在压力机上 进行锻造。
3）轧制 使金属坯料通过两个旋转轧辊之间的间隙而产生塑 性变形的加工方法。 用于生产各种型材、管材、板材等。
4）挤压：使金属坯料从挤压模孔挤出而成型 的各种型材、管材、零件等。 挤压的方法有： a）正挤压 b）反挤压 c）复合挤压 d）径向挤压
径向挤压：金属流动 方向与凸模运动方向 呈90度。
挤压产品截面形状
切割： 将坯料切去一部分的工序。
常用于切除钢锭底部、夹钳部分、料头。
第二章 锻造
§2-1 自由锻 锻造方法
自由锻件及基本工序
盘类件:镦粗（拔长、镦粗）、冲孔 轴类件:拔长（镦粗、拔长）、切肩、锻台阶 筒类件:镦粗（拔长、镦粗）、冲孔、心轴上拔长 环类件:镦粗（拔长、镦粗）、冲孔、心轴上扩孔 弯曲类件:拔长（镦粗、拔长）、弯曲 曲轴类件:拔长（镦粗、拔长）、错移、锻台阶、扭转