第六章 锻压成形技术

• 2.物理、化学性能的变化 • 金属的塑性变形也使金属的某些物理性能、 化学性能发生变化，例如使电阻增大，耐 蚀性降低等。
3.变形引起的内应力
• 在金属塑性变形过程中，大约有10％的能 量转化为内应力而残留在金属中，使其内 能增加。 • 这些残留于金属内部且平衡于金属内部的 应力称为残余内应力。它是由于金属在外 力作用下各部分发生不均匀的塑性变形而 产生的。 • 内应力一般可分为三种类型：
• 滑移面总是原子排列最密的晶面，而滑移 方向也总是原子排列最密的方向。 • 这是因为晶体中原子密度最大的晶面上， 原子的结合力最强，而面与面之间的距离 却最大，所以其面与面之间的结合力最弱， 最容易滑动。 • 同理，沿原子密度最大的方向滑动时，阻 力也最小。
• 3.滑移时晶面的转动 • 在单晶体试样拉伸过程中，由于发生滑移 后的晶体使试样两端拉力不再处于同一直 线上，因此产生一个力矩迫使滑移面产生 趋向与外力平行的方向转动，使试样两端 拉力重新作用于一条直线上。 • 因此金属单晶体在拉伸过程中除了发生滑 移外，也同时发生转动。
4. 滑移的机理
• 滑移的过程不是晶体的一部分相对于另一部分作 整体刚性滑移。 • 滑移实质上是位错在滑移面上运动的结果，在切 应力的作用下，晶体中存在的正刃位错逐步移动， 当这个位错移到晶体的右边缘时，移出晶体的上 半部就相对于下半部移动了一个原子间距，形成 一个原子间距的滑移量。 • 同一滑移面上若有大量的位错移出，则在晶体表 面形成一条滑移线。
• 金属中存在形变织构时，具有明显的各向异性， 用退火方法也难以消除。 • 织构的形成在多数情况下是不利的。例如用有织 构的板材去冲制杯形零件时，由于板材各个方向 变形能力的不同，深冲后零件的边缘不齐，会产 生“制耳”现象。 • 在某些情况下织构也是有用的。如变压器铁芯用 的硅钢片，沿<100>晶向最易磁化。如果用这种织 构的硅钢片制作变压器和电机时，则可提高铁芯 的导磁率，降低其磁滞损失，提高设备的效率。
第一节 塑性成形基本理论
• 在本章研究在塑性变形的过程中，金属的 组织和性能也发生了哪些的变化。 • 同时研究金属塑性变形以及变形金属在加 热过程中所发生的变化。 • 了解塑性变形对充分发挥金属材料的力学 性能具有重要的意义。
（一） 金属的塑性变形
• 1.金属单晶体的塑性变形 • 滑移和滑移带 • 金属单晶体塑性变形的基本形式有滑移和 孪生，在大多数情况下滑移是金属塑性变 形的一种主要方式。 • 滑移是晶体的一部分相对于另一部分沿着 一定晶面上的晶向发生滑动。 • 如图
三、 回复与再结晶
• 1.回复、再结晶和晶粒长大 • 金属冷塑性变形后，产生了加工硬化现象， 结果金属晶体中缺陷密度增加，内能升高， 这种处于不稳定状态的组织有自发恢复到 变形前的组织状态的倾向。 • 在常温下，这种转变一般不易进行。如果 对金属进行加热，随着加热温度的升高， 其组织会相继发生回复、再结晶和晶粒长 大三个阶段的变化。
• 通过对单晶体试样拉伸变形的分析，我们 可将滑移变形的要点总结如下： • 滑移只能在切应力的作用下发生。（正应 力只能引起弹性变形或断裂）使晶体开始 滑移的最小切应力称为临界切应力，用τκ表 示。 • 影响晶体临界切应力的因素主要有金属的 类型、成分、温度和变形速度等。
• 2.滑移系 • 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶 向发生。一个滑移面和该面上的一个滑移 方向构成一个滑移系。Fcc和Bcc有12个滑 移系。Hcp有3个滑移系。 • 相同的滑移系数量下，滑移方向数量多更 易滑移。
第六章 锻压成形技术
• 锻压成形是利用金属在外力作用下产生的 塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和 力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方 法，称为金属压力加工，又称金属塑性加 工。 • 一般常用的金属及其合金都具有一定的塑 性，因此都可以在热态或冷态下进行压力 加工。
金属压力加工的基本生产方式有以 下几种：
（三） 冷塑性变形对金属组织和性能的影响
• 一、冷塑性变形对金属组织结构的影响 • 1.晶粒变形 • 金属发生塑性变形时，其内部晶粒的形状也发生 变化，各个晶粒将沿着变形的方向被拉长或压扁， 变形量越大，晶粒变形也越显著。 • 当变形量很大时，各晶粒将沿着变形方向被拉长 成纤维状。这种组织被称为“纤维组织”。 • 形成纤维组织后，金属的性能会出现明显的各向 异性，如其纵向(沿纤维的方向)的强度和塑性远 大于其横向(垂直纤维的方向)的强度和塑性。
• 合理利用内应力的存在有时可以提高零件 的寿命，如齿轮进行表面淬火和喷丸处理， 在其表面产生一层极薄的塑性变形层。在 变形层中产生的残余压应力可以大大提高 材料的疲劳极限，抵消工作时齿面受到的 张应力，从而提高齿轮的使用寿命。
• 内应力对热处理质量也有很大的影响。钢经塑性 变形所产生的各种内应力是导致淬火工件产生变 形甚至开裂的重要原因之一。 • 实践表明，经过粗机械加工、冷压力加工的工件， 以及锻造后的毛坯，其内部都残存着因塑性变形 而产生的内应力。为了减少淬火变形量并防止产 生淬火裂纹，在淬火之前，必须进行消除内应力 处理(如退火处理)。
3.形变织构
• 在塑性变形过程中，当金属按一定的方向变形量 很大时(变形量大于70%以上)，多晶体中原来任意 位向的各晶粒的取向会大致趋于一致，这种有序 化结构叫作“变形织构”，又称为“择优取向”， • 金属材料的加工方式不同形成不同类型的织构： 拉拔时形成的织构称为丝织构，其特征是各个晶 粒的某一晶向平行于拉拔方向；轧制时形成的织 构称为板织构，其特征是不仅某一晶面平行于轧 制平面，而且某一晶向也平行于轧制方向。
• • • • • • 轧制 拉拔 挤压 锻造 板料冲压 一般常用的金属型材，大都是通过压力加工制成 的。 • 重要的机械零件通常都用锻造毛坯。 • 板料冲压则广泛用于汽车、电器、仪表零件等。
• 锻压成形加工的特点： • （1）力学性能高 锻压加工可使金属获得 比较致密的组织，可以弥合或消除金属铸 锭内部的气孔、缩孔和粗大的树枝状晶粒。 合理利用锻造的纤维组织，提高力学性能。 • （2）材料利用率高 • （3）生产率高
2. 亚结构的形成
• 金属在塑性变形时，除了产生滑移之外，晶粒内 部还破碎成许多位向差小于1°的小晶块，这种小 晶块称为亚晶粒，这种结构被称为亚结构。 • 亚晶粒的边界堆积有大量的位错，而亚晶粒内部 的晶格则相对地比较完整。塑性变形程度愈大， 形成的亚晶粒愈多，亚晶界也就愈多，位错密度 随之增大。 • 研究表明，亚晶界的存在使晶体的变形抗力增加， 是引起加工硬化的重要因素之一。
1.晶粒位向对变形的影响
• 多晶体中各晶粒的位向不同，滑移系与外力的取向 也各不相同，在外力的作用下，不同位向的晶粒和 同一晶粒内不同的滑移系获得的应力状态和应力大 小也各不相同。 • 因此，不同的晶粒或是同一晶粒内的不同部位变形 的先后顺序和变形量是不相同的。 • 由于相邻晶粒之间存在位向差，当一个晶粒发生变 形时，周围的晶粒如不发生塑性变形，则必须产生 弹性变形来与之协调。这样，周围晶粒的弹性变形 就成为该晶粒继续塑性变形的阻力。所以，由于晶 粒间相互约束，多晶体金属抗塑性变形的能力就大 大提高。而且晶粒越细，相同体积内晶粒越多，晶 粒位向对金属塑性变形的影响就越显著。
• 冷塑性变形在金属内部产生大量的位错和空位， 造成晶格畸变，这种因晶格畸变而产生的残余 应力叫晶格畸变应力。这类应力占内应力总量 的90％左右，是存在于变形金属中主要的残余 内应力。它使金属的硬度、强度升高，同时使 塑性和抗腐蚀能力下降。 内应力的大小与形变条件有关。变形量大、变 形不均匀、变形时温度低、变形速率大等都能 使内应力增加。
• 晶体内存在少量的位错时，滑移易于进行， 因此金属晶体的强度也就比较低。 • 当位错密度增加到一定时，由于位错之间 以及位错与其它缺陷之间存在着相互的牵 制作用，使位错的运动受阻，结果金属的 强度和硬度又逐渐增加。金属材料的冷加 工硬化现象就是在加工过程中，金属内部 位错密度的增大而引起的金属材料硬化。
• （1）宏观内应力(第一类内应力) • 金属材料在塑性变形时，由于各部分变形 不均匀，使整个工件或在较大的宏观范围 内(如表层与心部)产生的残余应力。 • （2）微观内应力(第二类内应力) • 它是金属经冷塑性变形后，由于晶粒间或 晶粒内各亚晶粒之间因变形不均匀而形成 的微观内应力。
（3）晶格畸变(第三类内应力)
2.晶界对变形的影响
• 多晶粒中的晶界是原子排列比较紊乱的区 域，又是杂质聚集的地方，必然会阻碍位 错的运动，使滑移变形难以进行。 • 因而多晶体的塑性变形抗力比同种金属的 单晶体大得多。
3.多晶体金属的变形过程
• 多晶体的塑性变形，是在各晶粒互相影响， 互相制约的条件下，从少量晶粒开始，分 批进行，逐步扩大到其它晶粒；从不均匀 的变形逐步发展到均匀的变形。
二、冷塑性变形对金属性能的影响
• 1.加工硬化 • 加工硬化是金属在塑性变形过程中，随着 亚晶粒的增多和位错密度的增加，位错间 的交互作用增强，位错滑移发生困难，使 金属塑性变形的抗力增大，其强度和硬度 显著升高，塑性和韧性下降。也称形变强 化或冷作硬化。
• 金属的加工硬化现象的有利之处是，它可以作为 一种提高金属强度、硬度和耐磨性的重要Fra Baidu bibliotek段之 一，尤其是对一些不能用热处理强化的材料显得 更为重要， • 加工硬化还能使金属各部分相继发生塑性变形， 使变形更加均匀 • 加工硬化还可以提高构件在使用过程中的安全性。 • 加工硬化也有不利的一面，如使材料在冷轧时的 动力消耗增大，也给金属继续变形造成困难。因 此，在金属的冷变形和加工过程中，必须进行中 间热处理来消除加工硬化现象。
内应力对金属材料性能的不良影响
• 第一类内应力所占比例虽然不大，但当其 放臵一段时间后会因其松弛或应力重新分 布而引起金属自动变形，严重时会引起工 件开裂。 • 第二类内应力使金属产生晶间腐蚀，所以 塑性变形后的金属应进行消除应力退火处 理，以消除或降低这部分内应力。 • 第三类内应力则是产生加工硬化的主要原 因。
• 金属单晶体塑性变形的实质是在切应力作 用下位错连续运动，使金属沿一定的滑移 面和滑移方向发生位移。 • 这对我们正确认识和深入理解金属的塑性 变形，以及变形对金属性能的影响都具有 非常重要的意义
（二）实际金属的塑性变形
• 大多数金属材料是由多晶体组成的。 • 多晶体塑性变形的实质与单晶体一样。 • 要考虑到晶粒彼此之间在变形过程中的约 束作用，以及晶界对塑性变形的影响。 •
• 用金相显微镜观察被拉伸的金属单晶体试样表面 时，可以见到试样的表面有许多呈一定角度阶梯 状的互相平行的线条，这些平行的线条称为滑移 带。 • 一个滑移带实际上是由一束平行滑移线组成。晶 体的塑性变形就是众多大小不同的滑移带的综合 效果的宏观上的体现。 • 晶体在滑移过程中并未改变晶体的结构，仅是晶 体在切应力的作用下，一部分沿着某一滑移面上 的某一晶向相对于另一部分发生滑动。
• 位错在晶体中移动时所需切应力很小，因为当位 错中心前进一个原子间距时，一齐移动的只是位 错中心少数原子，而且其位移量都不大，形成逐 步滑移，这就比一齐移动所需的临界切应力要小 得多，这称为“位错的易动性”。 • 滑移所需的临界切应力τκ的大小取决于位错滑动 时所要克服的阻力，对单晶体来说，位错的阻力 主要由晶体内位错的密度及其分布特征所决定
（ 1） 回 复
• 当冷变形金属的加热温度不太高时，内部 原子活动能力尚不大，只能作短距离扩散， 这一过程称为回复。 • 在回复这一阶段，金属的某些力学性能、 物理性能和亚结构发生变化，但没有新的 晶粒出现。 • 内部的“多边化”过程
• 由于回复过程温度比较低，金属的晶粒大 小和形状不会发生明显变化，所以金属加 工硬化后的强度、硬度和塑性等力学性能 基本不变，但残余内应力和电阻显著下降， 应力腐蚀现象也基本消除。 • 因此，冷变形金属若要在消除残余内应力 的同时仍保持冷变形强化状态的话，就可 以采取回复处理，进行一次250～300℃的 低温退火。