第3章塑性成形.

第3章塑性成形教学内容3.1塑性成形理论基础3.2金属的加热与锻件的冷却3.3塑性成形方法3.4塑性成形工艺设计3.5塑性加工方法的结构工艺性3.6常用塑性成形方法的选择3.7塑性成形新发展第3章塑性成形塑性成形：是指固态金属在外力作用下产生不可恢复的永久变形——塑性变形，获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法。各类钢和有色金属大都具有一定的塑性，均可在冷态或热态下进行塑性成形加工。第3章塑性成形概述锻造工艺锻造过程第3章塑性成形第3章塑性成形概述常见的塑性加工方法：a)自由锻b)模锻c)挤压1.锤头2.坯料3.下抵铁1.上模2.坯料3.下模1.挤压筒2.冲头3.坯料4.挤压凹模PPP1231231234第3章塑性成形第3章塑性成形概述d)拉拔e)轧制f)板料冲压1.拉拔模2.坯料1.轧辊2.坯料1.凸模2.板料3.凹模4.冲下部分12121234第3章塑性成形塑性成形的优点：1）改善金属的组织，提高金属的力学性能毛坯。2）节约金属材料和切削加工工时，提高金属材料的利用率和经济效益。3）具有较高的劳动生产率。4）适应性广。第3章塑性成形概述第3章塑性成形塑性成形的缺点：1）锻件的结构工艺性要求较高；对形状复杂特别是内腔复杂的零件或毛坯难以甚至不能锻压成形；2）通常锻压件(主要指锻造毛坯)的尺寸精度不高，还需配合切削加工等方法来满足精度要求；3）塑性加工方法需要重型的机器设备和较复杂的模具，模具的设计制造周期长，初期投资费用高等。第3章塑性成形概述第3章塑性成形第1节塑性成形理论基础3.1.1塑性成形的实质3.1.2冷变形强化与再结晶3.1.3锻造比与锻造流线3.1.4塑性成形基本规律3.1.5金属的锻造性能第3章塑性成形3.1.1塑性成形的实质具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，当坯料内的应力达到一定的条件，便发生塑性变形，这是能够制造塑性成形件的根据。所有金属都是晶体结构。1.单晶体的塑性变形单晶体是指原子排列方式完全一致的晶体。单晶体的塑性变形主要方式有两种，一为滑移变形，二为双晶变形(亦叫孪晶)。滑移是主要变形方式。第3章塑性成形3.1.1塑性成形的实质1）滑移：滑移是晶体内的一部分相对另一部分沿原子排列紧密的晶面作相对活动。a)未变形前b)弹性变形c)弹、塑性变形d)塑性变形后单晶体的塑性变形第3章塑性成形常见的三种金属晶格中，体心立方晶格和面心立方晶格对称性好，滑移系多，晶体可在多方向上发生滑移。晶体发生滑移后，其外表形状发生变化，体积保持不变，相对滑移后晶体的两部分仍保持晶格位向的一致性。2）双晶：双晶亦叫孪晶。双晶是晶体在外力作用下晶格的一部分相对另一部分发生转动。未变形部分和变形部分的交界面称为双晶面。在双晶面两侧形成镜面对称，如图3-3所示。3.1.1塑性成形的实质第3章塑性成形双晶一般发生在晶体内滑移系少的金属中，具有六方晶格的金属产生双晶变形的倾向较大。增加变形速度会促使双晶的发生。在冲击力的作用下容易产生双晶。a)变形前b)变形后图3-3晶体的双晶双晶面3.1.1塑性成形的实质第3章塑性成形2.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形可分为晶内变形与晶间变形。晶粒内部的塑性变形称为晶内变形。晶粒之间相互移动或转动称为晶间变形。多晶体内的单个晶粒，其塑性变形的方式和单晶体是一样的，即主要变形方式为滑移和双晶。多晶体的塑性变形如图3-4所示。3.1.1塑性成形的实质多晶体:是由大量的大小、形状、晶格排列位向各不相同的晶粒所组成。P图3-4多晶体塑性变形a)变形前b)变形后第3章塑性成形多晶体的晶粒各个位向不同，因此在外力作用下各个晶粒所处的塑性变形条件不同。3.1.1塑性成形的实质σ图3-5多晶体晶粒位向与受力变形关系与外力作用方向成45°角的滑移平面，产生切应力最大，易于达到塑性变形所需要的临界值，产生变形。而其邻近的晶粒，沿滑移平面上的切应力尚未达到临界值，处于非塑性变形状态，只能通过晶粒转动或者双晶变形以后，才能够进一步产生滑移变形。如图3-5所示，②、③晶粒易产生滑移，①、④晶粒不易产生滑移。第3章塑性成形在低温时，晶界的强度一般比晶粒内部强度高，变形抗力大，不易变形。在高温时，晶界强度降低，晶粒间易于相互移动。晶界相对于晶粒的体积所占比例大，其强度高，变形抗力大，不易塑性变形。多晶体的塑性变形正是由于存在着晶界和各晶粒的位向差别，其变形抗力要比同种金属的单晶体高得多。同时，由于晶粒越细，在一定体积的晶体内晶粒数目就越多，变形就可以分散到更多的晶粒内进行，使各晶粒的变形比较均匀，不致产生太大的应力集中，所以细晶粒金属的塑性和韧性均较好。3.1.1塑性成形的实质第3章塑性成形1.冷变形强化(加工硬化)金属在塑性变形中随变形程度增大，金属的强度、硬度升高，而塑性和韧性下降。原因是由于滑移面上的碎晶块和附近品格的强烈扭曲，增大了滑移阻力，使继续滑移难以进行。这种随变形程度增加，强度、硬度升高而塑性、韧性下降的现象称为冷变形强化(或加工硬化)。3.1.2冷变形强化与再结晶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，但在室温下这种回复不易实现。当将金属加热至其熔化温度的0.2~0.3倍时，晶粒内扭曲的品格将恢复正常，内应力减少，冷变形强化部分消除，这一过程称为回复。第3章塑性成形回复温度为T回=(0.2~0.3)T熔式中T回——金属的回复温度，单位为K；T熔——金属的熔点，单位为K。当温度继续升高至其熔化温度的0.4倍时，金属原子获得更多的热能，开始以某些碎品或杂质为核心结晶成新的晶粒，从而消除全部冷变形强化现象。这一过程称为再结晶。3.1.2冷变形强化与再结晶2.再结晶第3章塑性成形利用金属的冷变形强化可提高金属强度，这是工业生产中强化金属材料常用的一种手段。但是，在塑性加工生产中，冷变形强化给金属继续进行塑性变形带来困难，应加以消除。在实际生产中，常采用加热的方法使金属发生再结晶，从而再次获得良好的塑性，这种工艺操作叫再结晶退火。金属的塑性变形一般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。变形过程中无再结晶现象，变形后的金属只具有冷变形强化现象。所以在变形过程中变形程度不宜过太，以避免产生破裂。冷变形能使金属获得较高的硬度，产品表面质量好，尺寸精度高，一般不需再切削加工。生产中常用冷变形来提高产品的表面质量和性能。冷冲压、冷挤压、冷锻等都属于冷变形。3.1.2冷变形强化与再结晶第3章塑性成形再结晶温度为T再=0.4T熔式中T再——金属的再结晶温度，单位为K。在再结晶温度以上的变形叫热变形。其再结晶速度大于变形强化速度则变形产生的强化会随时因再结晶软化而消除，变形后金属具有再结晶组织，从而消除冷变形强化痕迹。在热变形过程中金属始终保持低的塑性变形抗力和良好的塑性，可以加工尺寸较大或形状较复杂的工件，塑性加工生产多采用热变形来进行。但热变形过程中金属表面易形成氧化皮，产品表面质量和尺寸精度较低。自由锻、热模锻、热轧、热挤压等都属于热变形。3.1.2冷变形强化与再结晶第3章塑性成形铸锭冷凝后，杂质分布在晶界上，无明显的方向，在热变形过程中，粗大的晶粒破碎，沿着金属流动的方向拉长，如图3-7所示。3.1.3锻造比与锻造流线1.缩孔2.缩松3.上础块4.再结晶的等抽晶5.下础块6.等轴晶图3-7热轧对晶粒组织的影响第3章塑性成形铸锭中的脆性杂质顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状断续分布；而塑性杂质随着金属变形，沿主要伸长方向呈带状连续分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性，通常称为锻造流线，又叫纤维流线，如图3-8所示。a)模锻钩b)切削加工钩图3-8拖钩的纤维流线3.1.3锻造比与锻造流线第3章塑性成形锻造流线使金属的力学性能表现为各向异性，锻件在纵向(平行于纤维方向)上的塑性和韧性增加，而在横向(垂直于纤维方向)上则下降。3.1.3锻造比与锻造流线杂质分布的流线化程度与锻造比有关，流线化程度越高，这种差别越明显。锻造比：在锻造中生产中常用锻造比表示变形的程度，通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示锻造比。第3章塑性成形3.1.3锻造比与锻造流线拔长锻造比为：镦粗锻造比为：0110拔长ALyAL0101镦粗HAyAH式中A0、L0、H0——变形前坯料的横截面积、长度和高度；A1、L1、H1——变形后坯料的横截面积、长度和高度。第3章塑性成形锻造比对金属的组织和性能有很大影响。一般情况下，增加锻造比，可细密金属组织，提高锻件的力学性能。但是，当锻造比过大，金属组织的紧密程度和晶粒细化程度都已达到了极限状况，锻件的力学性能不再升高，而是增加各向异性。锻造比增加时，钢的强度在横向和纵向上差别不大，而塑性和韧性则差别很大；纵向的塑、韧性明显优于横向。3.1.3锻造比与锻造流线第3章塑性成形2）凝固收缩指合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收缩。结晶温度范围越大，收缩率越大。液态和凝固收缩时金属液体积缩小，是形成缩孔和缩松的基本原因。锻造流线的稳定性很高，形成后不能用热处理方法消除，只有经过塑性加工使金属变形才能改变其方向和形状。在设计零件和制定变形工艺时必须考虑力学性能的异向性，尽量使零件所受的最大正应力与流线方向一致，使最大切应力或冲击力与流线方向垂直。3.1.3锻造比与锻造流线在锻压生产中，还应注意使锻造流线尽可能沿着零件的外形轮廓分布，并在切削加工过程中保持锻造流线不被切断，使材料的力学性能得到最充分的发挥。如图3-8a)为模锻钩，流线分布合理，使用寿命长，且材料消耗少，而图3-8b)是用板材直接切削加工出的拖钩，拖钩内侧流线组织被切断，使用时容易沿切断处断裂。第3章塑性成形图3-9a)是用棒料直接切削成形的齿轮，齿根处的切应力平行于流线方向，强度最差，寿命最短；3.1.3锻造比与锻造流线a)棒料切削成形b)扁钢经切削成形c)棒料镦粗后切削成形d)热轧成形1、2—轮齿图3-9不同成形工艺齿轮的流线分布1212第3章塑性成形图3-9b)是扁钢经切削加工的齿轮，齿1的根部切应力与流线方向垂直，强度高，齿2情况正好相反，性能差，寿命短；3.1.3锻造比与锻造流线图3-9c)是棒料镦粗后再经切削加工而成，流线呈径向放射状，各齿的切应力方向均与流线近似垂直，强度与寿命较高图3-9d)是热轧成形齿轮，流线完整且与齿廓一致，未被切断，强度最高，寿命最长。第3章塑性成形成形规律：就是塑性成形时金属质点流动的规律。它应该阐明：在给定的条件下，变形体内将出现什么样的位移速度(位移增量)场和位移场。3.1.4塑性成形基本规律掌握了流动规律也就可以合理地选择工步和设计成形模具，以及分析成形工件的质量问题。根据位移场就可以立即求得物体形状、尺寸的变化，并可方便地求得应变场。1.体积不变定律金属塑性变形后的体积等于变形前的体积，称为体积不变定律。应用体积不变定律可算出各工序尺寸。第3章塑性成形3.1.4塑性成形基本规律塑性变形时金属各质点首先向阻力最小方向移动，称为最小阻力定律。一般金属的某一质点移动时阻力最小的方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向，因为质点沿此方向移动的距离最短，所需的变形功最小。2.最小阻力定律第3章塑性成形3.1.4塑性成形基本规律塑性变形时金属各质点首先向阻力最小方向移动，称为最小阻力定律。一般金属的某一质点移动时阻力最小的方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向，因为质点沿此方向移动的距离最短，所需的变形功最小。2.最小阻力定律第3章塑性成形金属的锻造性能是衡量材料经受塑性成形加工时成形的难易程度。金属锻造性能的好坏，常用塑性和变形抗力两个指标来衡量。塑性越高，变形抗力越低，则认为该金属的锻造性能好。金属的锻造性能取决于金属的本质和变形条件。3.1.5金属的锻造性能第3章塑性成形纯金属的锻造性能比合金的锻造性能好。碳钢随含碳量增加，锻造性能变差。钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，锻造性能越差。钢中硫、磷含量多也会使锻造性能变差。3.1.5金属的锻造性能例如纯铁、低碳钢和高合金钢，它们的锻造性能是依次下降的。1.金属本质的