塑性成形基本原理-1

用于制造卫星的卫星座的 高性能铝合金三角锻环， 经过大变形量塑性变形、 及相应的固溶处理后，力 学性能高于国标40%。
飞机：锻压件占85％； 坦克：锻压件占70％； 铁道机场：锻压件占60％； 轿车：锻压件占80％以上； 农用车：锻件40%左右
1.3 金属塑性成形基本原理
• 1.3.1 金属塑性变形基本规律 • 1.3.2 塑性成形加工件的组织与性能 • 1.3.3 金属的塑性及其影响因素
• 60t双钩是铁路吊车上的一个起重部件，其产品质量的好坏
直接影响吊车工作的安全。
60吨双钩原锻造成形工艺过程
锻造60t双钩的
新工艺。
A
B
比较：
• 原锻造工艺生产的双钩锻件，沿轴向中心延伸的锻造流 线纤维切断，致使该件受力部位强度降低。 • 新锻造工艺生产的锻件中心产生沿轴向延伸的流线，使 该件受力纵向部位韧性指标获得显著提高。同时双钩各 部锻造比的增大，锻件晶粒度细化，内部组织的致密度 增大，大大提高了双钩的承载能力和机械性能。
第二章
塑性成形（锻压）
Metal Forming Processes
南京工程学院材料工程学院 材料成型及控制教研室
主要内容
金属塑性成形的基本知识(Basic Concept) • 锻造工艺(Forging) • 冲压工艺(Stamping)
•
第一节 塑性成形基本原理
• • • • • • •
1.1 锻压工艺的分类 1.2 ห้องสมุดไป่ตู้压工艺的特点及应用 1.3 塑性加工的基本原理
体积成形主要指那些利用锻压设备和工、
模具，对金属坯料（块料）进行体积重新
分配的塑性变形，得到所需形状、尺寸及
性能的制件。
汽车曲轴 锻造 (体积成形)
板料成形
板料成形又称为冲压，这种成形方法通常都 是在常温下进行，所以也称为冷冲压。
分离工序：利用冲模在压力机外力的作用下， 使板料分离出一定形状和尺寸工件的冲压工序。 它包括落料、冲孔、切断、切边等。
提示！
实际上锻造变形后的体积是有所变小的，其原 因在于金属的致密度有所提高：铸锭中的缩孔、 缩松及微裂纹被压合，空穴数量较少。（钢锭： 7.8×103kg/m3 ，锻件： 7.85×103kg/m3 ）
1.3.2 塑性成形加工件的组织与性能
通常以金属的再结晶温度为界，将塑性成形加工分为两种， 即冷变形加工和热变形加工。 （纯金属：T再＝ 0.4T熔） 1) 2) 冷变形加工件的组织与性能 热变形加工件的组织与性能
原因： 随着塑性变形程度的增加，金 属中原子局部产生畸变，原子 运动变得困难，继续运动需更 大的外力。
1)
冷变形加工件的组织与性能
工业纯铜：机械性 能－变形度曲线
加工硬化给塑性加工带来的影响
1. 加工硬化有利于金属的均匀变形
2. 加工硬化有利于提高金属的硬度和强度
自行车链条的链板，材料为16Mn 低合金钢，原来的硬度为150HB， 抗拉强度大于520MPa，经过五次 轧制(室温下进行)，使钢板厚度 由3.5mm变为1.2mm，这时硬度提 高到275HB，抗拉强度接近 1000MPa。
1.3.1 金属塑性变形基本规律
1) 体积不变定律 金属塑性变形前后的体积相等。 εL +εB + εH = 0 在金属塑性成形中，三个相互垂直方向的均匀变形量不 能同时都是伸长，或同时都是压缩。 2) 最小阻力定律
塑性变形时金属各质点 首先向阻力最小的方 向移动，称为最小阻 力定律。该定律在锻 造中有重要意义。
1) 化学成分对塑性的影响
不同的的化学成分，其塑性不同。一般来说：金属中合金 元素含量越多，越复杂，有害杂质越大，金属的塑性下 降。 例如： 20
45
40Cr
2) 组织结构对塑性的影响
• 单相与多相 单向组织塑性优于多相组织 • 晶粒细化程度 细晶粒组织有利于提高塑性 • 铸造组织 粗大柱状晶粒及铸造缺陷降低塑性
3.加工硬化对于塑性加工的不利方面
●加工硬化提高了强度，增加了变形抗力，进一步变形就必 须加大设备功率，增加动力消耗。 ●加工硬化还使得金属的塑性大为降低，继续变形有可能使 金属开裂。
2）热变形加工件的组织与性能
2）热变形加工件的组织与性能
(1) 再结晶：材料继续加热到再结晶温度以上后，晶粒内 变形剧烈的区域或晶界附近会出现新的晶核，晶核逐渐 长大成新的晶粒，改变了旧的晶体结构。新的晶粒内原 子排列整齐而有规则，完全和未经变形的金属一样，这 个过程叫再结晶。（recrystallization） • 纯金属 • 高合金钢
成形工序：利用冲模在压力机外力的作用下， 使得板料产生塑性变形而得到相应工件的冲 压工序。主要包括弯曲、拉深、翻边、扩口 等
汽车中的冲压件
圆筒的拉深成形（板料成形）
1.2
锻压工艺的特点及应用
☺材料利用率高 ☺成形件力学性能好 ☺尺寸精度高（相对） ☺生产效率高 ������ ������ 劳动条件差、强度高 投资成本高、产品附加值 低
1.1.2 板料成形(Sheet Metal Forming) 1) 冲裁(blanking) 2) 弯曲(Bending) 3) 拉深(Deep drawing) 4) 翻边(flanging) 5) 胀形(Bulging) 1.1.3 轧制（Rolling） 1) 板材轧制 2) 型材轧制
体积成形
2）热变形加工件的组织与性能 （3）焊合了空洞性缺陷 热加工能消除铸态金属的气孔、缩松、缩孔，提高了工件 机械性能 热加工状态下：一方面可以获得较大的变形量，有利于空 洞性缺陷的焊合；另一方面，金属在高温状态下，原子 的扩散能力强，缺陷缩小后，能很快焊合。 （4）降低了偏析度 由于热变形和原子在高温下的扩散，钢锭偏析能有效降低。 例如：Cr12模具钢 其铸锭为奥氏体中分布着网状的碳化物，用来制造模具时， 容易磨损。 经过大变形热锻后，网状碳化物破碎均匀分散的小颗粒，使 模具钢的性能大为提高。
1.3.1 金属塑性变形基本规律 1.3.2 塑性成形加工件的组织与性能 1.3.3 金属的塑性及其影响因素 1.4 塑性变形量的表达
1.1
金属塑性成形的分类
锻压（Metal forging and stamping） 1.1.1 体积成形(Bulk Metal Forming): 1) 锻造(Forging) ①自由锻造 ②模锻 2) 挤压(Extrusion) 3) 拉拔(Drawing)
T再≈ 0.4T熔
T再≈ (0.6~ 0.65)T熔
再结晶带来的性能变化
• 使金属恢复了 塑性，塑性变 形得以持续进 行。 • 细化了晶粒， 工件由原来粗 大的铸造组织 变成了等轴细 晶粒，从而大 大提高了工件 机械性能。
2）热变形加工件的组织与性能
2）热变形加工件的组织与性能 （2）锻造流线（组织） 锻造时，这样晶界间富集的杂质的走向逐渐和变形方向 一致，一些脆性杂质如氧化物、碳化物等破碎成链状， 塑性的夹杂物如MnS等则变成条带子状，在宏观试样上沿 着变形方向变成一条条细线，这就是锻造流线。 由一条条锻造流线勾画出来的组织，叫纤维组织。
3) 成形温度与成形速度对塑性的影响
• 随着温度升高，塑性增加 成形速度对塑性影响较为复杂。 • 增加成形速度使金属晶体的临界剪应力升高，断裂强度 过早达到。塑性降低 • 增加成形速度，温度效应显著，塑性升高 • 增加成形速度，来不及回复和再结晶，塑性降低。
5) 应力状态对塑性的影响
a.压缩优于拉伸 b.静压应力越大，塑性越高
思考：热加工得到的纤维组织和冷加工的 纤维组织有什么不同？
锻造流线
纤维组织的性能特点：
• 钢的机械性能呈现各向异性，沿着流线的方向具有较高的 机械性能，垂直于流线方向的性能则较低，特别是塑性和 韧性表现特别明显。 • 在制订热加工工艺时，必须合理控制流线的分布状态，尽 量使工件所受应力与流线方向一致。
6) 提高塑性的措施
• • • •
提高材料的成分和组织的均匀性 合理选择成形温度和成形速度 选择三向受压较强的变形方式 减少变形的不均匀性
1.4 塑性变形量的表达
锻造比 拔长：拔长前横截面积/拔长后横截面积 镦粗：镦粗后横截面积/镦粗前横截面积 钢锭做锻造坯料：碳素钢拔长锻造比需大于 等于3，镦粗锻造比需大于2.5；合金结构钢则需3～4。 轧材或锻坯做锻造坯料：锻造比一般取1.5左右。 高速钢：5～12
锻件比铸件性能提高的原因
1. 获得了再结晶组织（细小均匀的等轴晶粒）； 2. 焊合了空洞性缺陷； 3. 降低了偏析度。
1.3.4 金属的塑性及其影响因素
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• • • • ������ ������ ������ ������
化学成分的影响 组织结构的影响 温度的影响 变形速度的影响 应力状态的影响
1)
冷变形加工件的组织与性能
（1）纤维组织 随着塑性变形量的增加，金 属内部的晶粒沿变形方向被 压扁或拉长，当变形量很大 时，晶粒呈现出一片如纤维 状的条纹，称为纤维组织。
●纤维条纹为晶界 ●纤维的分布方向为金 属变形时的伸展方向
1)
冷变形加工件的组织与性能
（2）加工硬化 随着塑性变形程度的增加，金属的强度和硬度显著提高， 而塑性明显下降，这一现象称为加工硬化，也称为冷变 形强化。