第五章材料的塑性成形工艺

c) 晶粒越细小，晶界面积越多，对裂纹扩展的阻碍 作用越大，金属在断裂前消耗的功越大，使韧性 指标提高；
第五章材料的塑性成形工艺
第一节 塑性成形理论基础
Theory of Plastic Deformation
v 二、加工硬化、回复和再结晶
n 1. 加工硬化 n 金属在冷变形时（低于再结晶温度），随塑性变形量的增加，强
• 单相组织（纯金属或固溶体）比多相好
• 钢中碳化物少好，呈弥散分布比网状分布好
• 塑性变形条件：
• 加热温度、变形速度、应力状态
第五章材料的塑性成形工艺
第一节 塑性成形理论基础
Theory of Plastic Deformation
n 温度对可锻性的影响： 再结晶消除加工硬化
趁热打铁
加热温度高，可锻性好；温度过高，会过热、过烧
部分消除。
第五章材料的塑性成形工艺
第一节 塑性成形理论基础
Theory of Plastic Deformation
v 四、锻造流线（纤维组织）
第 五 章
n 晶粒被拉长或压扁； n 晶粒破碎产生碎晶。
n 当变形量很大时，晶界上的杂质随晶粒一起沿变形方向被拉长
材
后呈流线状分布，这种流线分布形态的微观结构称为锻造流线
拉拔
模锻 冲压
自由锻
模锻
冲压
第五章材料的塑性成形工艺
第一节 塑性成形理论基础
Theory of Plastic Deformation
v 塑性成形（压力加工）的特点
n 优点
结构致密，组织细化，力学性能提高； 少无切削加工，材料利用率高； 生产效率高；
n 缺点
一般工艺表面质量差（氧化）； 不能形成形状复杂件（相对铸造）； 设备庞大、价格昂贵； 劳动条件差（强度高、噪音大）；
Theory of Plastic Deformation
n 应力状态对可锻性的影响：
压应力下变形，对塑性有利，阻止裂纹扩展，焊 合孔、缝等缺陷；
拉应力下变形，对塑性不利，气孔、裂纹等缺陷
处易引起应力集中，缺陷扩展，导致破裂。
两向受压、一
三向受压
向受拉
挤压时金属的应力状态
拉拔时金属的应力状态
第五章材料的塑性成形工艺
Upsetting Drawing-out
Punching
第五章材料的塑性成形工艺
第二节 金属塑性成形方法
Forging Technology
n 镦粗：平砧镦粗、局部镦粗、垫环镦粗 n （注意：原始直径和垫环直径的区别）
Do>D
Do=D
第五章材料的塑性成形工艺
第二节 金属塑性成形方法
Process design of forging parts
第五章材料的塑性成形工艺
第一节 塑性成形理论基础
Theory of Plastic Deformation
v 一、 塑性变形机理
n 什么是塑性？－在外力作用下发生永久变形而不破坏的能力。 n 金属并非理想晶体：多晶体，晶粒内部有缺陷。
n 塑性变形的实质
晶内变形：滑移（为主）＋孪生 晶间变形：滑动＋转动
n 锻件尺寸大，余量（1～4mm）大、公差（0.3～3mm）大
（3）锻模斜度、圆角、冲孔连皮
n 内侧斜度>外侧斜度2～3度
n 圆角：利于流动充型；
避免应力集中；
r
R
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第二节 金属塑性成形方法
Process design of forging parts
v 第 八 章
工艺参数
n 模锻件不能锻出通孔 n 冲孔连皮：不能太薄或厚（<25mm的孔不锻出）
度和硬度增加，而塑性和韧性下降的现象，也称“形变强化”。 －－强化金属的重要手段之一
n 原因：随变形量增加, 晶格畸变和碎晶，位错密度增加，使变形 抗力增加。
n 形变强化的结果：
①强硬度提高；
②使进一步塑性变形困难。
第五章材料的塑性成形工艺
第一节 塑性成形理论基础
Theory of Plastic Deformation
第五章材料的塑性成形工艺
第二节 金属塑性成形方法
Process design of forging parts
v 第 八 章 材 料 成 形 的 工 艺 设 计
例：紧固盘
n 尺寸 n 材料：45 n 数量：200 n 要求：绘锻件图、订工艺
n 零件分析和锻造方法 n 加工余量和公差 n 绘锻件图
第五章材料的塑性成形工艺
适用于单件、小批生产。是大型锻件的唯一锻造 方法。
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第二节 金属塑性成形方法
Forging Technology
n 自由锻分类
手工锻造 机械锻造
– 锻锤自由锻（中小锻件）空气锤 冲击力 – 液压机自由锻 （大型锻件）水压机 静压力
n 自由锻的工序
镦粗：饼块类，盘套类 拔长：适于轴类、杆类 冲孔：空心件
章
杂
壁不宜过薄
材
料
成
形
结构特点 分型面 余量和公差 斜度和圆角
的
工
艺
设
计
锻件 图
冲孔连皮
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第二节 金属塑性成形方法
Forging Technology
（1）选取分模面
n 最大截面，且尽量为平面；
n 应使锻件上敷料最少；
n 使模膛浅而宽，便于加工、利于金属流动；
（2）确定加工余量、公差
始锻温度~终锻温度，如碳素钢1150/1250~800/850
高于再结晶温度
n 变形速度对可锻性的影响：
<a, 速度↑，可锻性↓
原因：回复和再结晶不能及时
克服加工硬化 >a,速度↑，可锻性↑
一般设备不会超过a 点，除高速锤上锻造
原因：热效应使塑性提高
第五章材料的塑性成形工艺
第一节 塑性成形理论基础
第二节 金属塑性成Leabharlann Baidu方法
Forging Technology
v 一、 自由锻
n 利用冲击力或压力使金属在上、下两砧铁之间产生变形，从而 获得得所需形状和尺寸的锻件的锻造方法。
n 特点
坯料变形时，只有部分表面变形受到限制，其余 表面可自由流动;
所用设备及工具简单，适应性强，锻件重量不受 限制；
由人工控制锻件的形状和尺寸，锻件的尺寸精度 低，生产率低；
v 什么是塑性成形?
n 在外力作用下利用金属材料的塑性，使其成形并获得一定力学 性能的加工方法。
n 也称塑性加工或压力加工
第五章材料的塑性成形工艺
第一节 塑性成形理论基础
Theory of Plastic Deformation
v 分类 第 五 章
材
料
的
塑
轧制
性
成
形
工
艺
静压力
动压力
轧制
挤压
挤压
拉拔 自由锻
Forging Technology
镦粗时的变形锥
第五章材料的塑性成形工艺
第一节 塑性成形理论基础
v 六、塑性成形性（可锻性）
n 金属产生塑性变形而不破坏的难易程度 n 塑性好、变形抗力小，可锻性好
Theory of Plastic Deformation
n 影响金属可锻性的因素
• 化学成分：含合金元素少的可锻性好, 纯金属/低碳 • 组织：
2. 回复和再结晶
n 金属经变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复到稳定状态的 倾向。但在常温下，原子扩散能力小, 不稳定状态可长时间维持。 加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶 粒长大。
n 回复：将冷成形后的金属加热至一定温度后，使原子回复到平衡 位置，晶内残余应力大大减小的现象，称为回复。
材 料
冷冲压、冷挤压、冷轧、冷拔; 尺寸精度高、表面质量好;
的
变形不宜过大，避免破裂；
塑 性
n 热变形：在T再温度以上的塑性变形，形变强化随时被再结晶消 除。
成
形
热锻、热轧、热挤压;
工
变形程度大, 缺陷少，组织致密，力学性能高；
艺
n 温变形：在高于回复温度和低于再结晶温度范围内进行的塑性
成形过程，有加工硬化及回复现象，但无再结晶，硬化只得到
n T回＝（0.25～0.3）T熔
n 再结晶：对形变强化的金属加热到熔点的0.4倍时，开始以某些碎 晶或杂质为核心生成新的等轴晶粒，原来已变形的晶粒消失，使
金属的强度、硬度降低，塑性和韧性增加，形变强化现象完全消
除的现象。
n T再=0.4T熔
注意:公式中的T单位为”K”!
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第一节 塑性成形理论基础
n 留机械加工余量，保证尺寸精度； n 锻件公差：锻件的实际尺寸与理论尺寸之间所允许的偏差值。 n 敷料（余块）：针对有凹槽、台阶的部位，简化锻件
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第二节 金属塑性成形方法
Forging Technology
选择锻造工序 n 基本工序：用来改变坯料的形状和尺寸的工序 n 辅助工序：为方便基本工序的操作而设置的工序 n 修整工序：用来减少锻件表面缺陷的工序
n 滑移：在外力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对 于晶体的另一部分发生移动或切变。
位错运动引起滑移
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第一节 塑性成形理论基础
Theory of Plastic Deformation
v 注意：
n 多晶体变形以晶内滑移为主，晶间转动为辅
（原因：晶界有阻碍变形的作用，晶界强度高于晶 内，晶界变形更难）
Theory of Plastic Deformation
晶格 畸变
晶格畸变消除
晶粒形状改变
第
五
章
材
料
的 塑
几点说明：
性
① 回复只能部分消除加工硬化（晶格畸变消除，但晶粒形状不变）；
成
② 再结晶能消除全部加工硬化（晶格畸变消除，晶粒形状改变）；
形
工
③ 再结晶不是恒温过程，而是在一定温度范围内连续进行的过程。T再
❖ 自由锻工艺规程制定
第 八
自由锻件 工艺设计 批量、形状、精
章
度、尺寸
材 料
锻造方法
成
形 的
锻造余量和公差
工
艺 设
结构特点
计
是否能直接锻出
（＋余块）
有孔拔长件注意：先 镦粗、冲孔，再拔长
变形工序
锻件图
原始坯料尺寸 锻造温度
锻后热处理
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第二节 金属塑性成形方法
Forging Technology
艺
再结晶温度是开始再结晶的最低温度。
④ 再结晶也是晶核形成和长大的过程，不是相变过程，再结晶前后晶 粒的晶格类型和成分完全相同。
第五章材料的塑性成形工艺
第一节 塑性成形理论基础
Theory of Plastic Deformation
3.冷变形、热变形、温变形
第 五 章
n 冷变形：在T回复温度以下的塑性变形，存在加工硬化, 强度、硬 度↑，塑性、韧性↓；
n 分类 锤上模锻
锻模结构：下模固定不动，上模固定在锻锤上 模膛结构：制坯模膛、预锻模膛、终锻模膛
压力机上模锻: 变形缓慢,适于塑性较差的锻件.
第五章材料的塑性成形工艺
第二节 金属塑性成形方法
Process design of forging parts
v 模锻工艺规程制定
第
模锻件
八
较为复
工艺设计
晶粒间的 滑动和 转动
晶粒越细、越多，晶界越多，对材料起到强化作用。
第五章材料的塑性成形工艺
第一节 塑性成形理论基础
Theory of Plastic Deformation
v 细晶强化
n 原因
回顾： 固溶强化
a) 晶界面积越多，位错障碍越多，金属塑性变形的 抗力越大，强度、硬度越高。
b) 晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目 越多，塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，变 形均匀，减少了应力集中，使塑性指标提高；
料
或纤维组织；
的 塑
力学性能呈现各向异性
性
平行纤维方向：抗拉强度高、剪切强度低
成 形
垂直纤维方向：剪切强度高、抗拉强度低
工
n 纤维组织不能用热处理消除,只能合理应用
艺
拉应力∥纤维组织
剪切应力⊥纤维组织
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第一节 塑性成形理论基础
v 五、塑性成形基本定律
n 最小阻力定律 n 体积不变定律 n 临界切应力定律
设 n 热处理：正火
计
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第二节 金属塑性成形方法
Forging Technology
v 二、 模锻
n 迫使坯料在一定形状的锻模模膛内产生塑性流动成形的方法。
n 特点：
生产效率高；模具制造费用高；
尺寸精度和表面质量比自由锻高；
加工余量少，节省材料；
力学性能高；
锻件重量小，一般小于150公斤
第二节 金属塑性成形方法
Process design of forging parts
n 工序：
第
Ÿ锻粗
八 章
Ÿ冲孔：d冲≤D/3
Ÿ扩孔：15～30mm
材 料
Ÿ修正
成 n 计算原始坯料尺寸
烧损率 2～5％
形
Ÿ坯料体积：V坯＝(1+δ%)V锻
的
Ÿ高径比：1.25≤H0/D0 ≤2.5
工 艺
n 锻造温度 （表5－2）
第五章材料的塑性成形 工艺
2020/12/11
第五章材料的塑性成形工艺
第五章 材料的塑性成形工艺
本章基本要求 塑性变形的微观机制 塑性变形对力学性能的影响 影响金属可锻性的因素 了解几种常用的锻造技术和板料冲压技术的工艺
特点。
第五章材料的塑性成形工艺
第五章 目录
v 第一节 塑性成形理论基础 v 第二节 金属塑性成形方法 v 第三节 锻压件结构工艺性 v 第四节 先进塑性成形方法