锻压-塑性成形原理

第三章塑性成形PlasticityDeformation锻压：是锻造Forging与冲压Stamping的总称。对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状，改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。锻造Forging：在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料或铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得一定的几何形状、尺寸和质量的锻件的加工方法。工（模）具一般作直线运动。锻压的优缺点•能改善金属的组织，提高金属的机械性能。•节约金属材料和切削加工工时。•具有较高的生产率。•不能直接锻制成形状复杂的零件。尺寸精度不高。•需要重型的机器设备和复杂的工模具。•生产现场劳动条件较差。§3-1塑性成形原理一、塑性成形的实质SubstanceofPlasticityDeformationofMetals塑性与变形抗力是金属的重要状态属性，它决定了金属加工成形的工艺性能和使用性能。–塑性Plasticity：金属产生塑性变形而不破坏的能力。可以用最大变形程度来表示塑性的高低。–变形抗力ResistanceofDeformation：金属对于产生塑性变形的外力的抵抗能力。通常用流变应力来表示。塑性是与组织结构密切相关的结构敏感性质。既取决于金属的本质，还与变形条件有关。1.晶内塑性变形–滑移变形SlidingDeformation：在切应力作用下，晶体一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分产生滑动的变形方式称为滑移。–孪生变形TwinningDeformation：在切应力作用下，晶体一部分相对于其余部分沿一定晶面及晶向产生一定角度切变引起变形2.晶界变形–晶界滑动Grain-boundarySliding：在切应力作用下，晶粒沿晶界面所产生的剪切运动。–晶界迁移Grain-boundaryMigration：晶界沿晶界法向方向的运动。3.多晶体金属塑性变形变形复杂性：包括晶内塑性变形和晶界变形。变形抗力大：晶界阻碍滑移的作用强烈。变形不均匀：–各晶粒取向不同，晶内变形量比晶界附近区变形量大。–晶粒细化是降低多晶体塑性变形不均匀性的重要措施。二、冷变形强化与再结晶1.冷变形强化ColdDeformationStrengthening在冷变形时，随着变形程度的增加，金属材料的所有强度指标和硬度都有所提高，但塑性有所下降的现象。原因：晶格畸变distortionoflattice作用：阻碍继续变形，提高金属强度指标应用：代替热处理显微组织特征CharacteristicsofMicrostructure：–晶内微观结构变化：晶内点缺陷增加，位错密度提高，晶格严重畸变。–纤维组织形成：形变量很大时，晶界遭到破坏，变得模糊不清，各晶粒被拉成细条形，呈纤维状。–形变织构：由变形引起晶粒的择优取向，退火难以消除。2.回复与再结晶回复Recovery：–将冷变形后的金属加热到一定温度（约0.25～0.30T熔）后，使原子回复到平衡位置，因此，晶内残余应力大大减小。再结晶Recrystallization：塑性变形后金属被拉长了的晶粒重新生核、结晶，变为等轴晶粒。–再结晶温度：某种金属产生再结晶现象的最低温度，约0.4T熔。–再结晶过程：形核、聚集长大–再结晶组织：无畸变的细小等轴晶粒，但仍然保持与变形晶粒相同的晶格结构–作用：消除内应力；降低变形抗力；改变力学性能，增加塑性。晶粒长大GrainGrowth–冷变形金属在完成再结晶后，继续升温或延长保温时间使晶界上的弥散质点溶解，失去对晶粒长大的阻碍作用，晶界移动的结果使一些晶粒尺寸缩小以至于消失，另一些晶粒尺寸增大，形成粗大晶粒，导致力学性能恶化。动态回复和动态再结晶DynamicRecoveryandDynamicRecrystallization–在塑性变形过程中发生的，而不是在变形停止后发生的回复或再结晶–热加工：在再结晶温度以上所进行的塑性变形加工过程。三、锻造比与锻造流线ForgingRatioandForgingFlowLine1.锻造比ForgingRatio：–代表变形程度大小。–用y表示：变形前后截面比（拔长）或高度比（镦粗）Y拔=F0/F=L/L0Y镦=F/F0=H0/H轧材或锻坯作为锻造坯料：≥1.5用钢锭作为锻造坯料：–碳素结构钢，拔长锻造比≥3，镦粗锻造比≥2.5；–合金结构钢，锻造比为3～4铸造缺陷严重，碳化物粗大的高合金钢钢锭：不锈钢的锻造比选为4～6，高速钢的锻造比选为5～12y太大，会增加各向异性。锻造比的确定2.锻造流线锻造后金属组织具有方向性–脆性杂质：碎粒状或链状分布–塑性杂质：带状分布流线化程度与锻造比有关流线的存在使锻造金属的力学性能呈现明显的各向异性。用热处理的方法不能消除锻造流线。在设计和制造易受冲击载荷的零件时，应注意二点：1、使零件工作时的正应力方向与流线方向重合，切应力方向与流线方向垂直。2、使流线的分布与零件的外形轮廓相符合。如图所示。四、塑性成形基本规律1.体积不变定律VolumeConstance金属塑性变形前后的体积相等，即体积为常数，也称为不可压缩定律。2.临界切应力定律CriticalShearStress晶体滑移的驱动力是外力在滑移系上的分切应力。只有当滑移系上分切应力(τ)达到一定值时，则该滑移系才能开动。τ=（F/S）COSΦ·COSλ3.最小阻力定律LeastResistance在变形过程中，如果金属质点有可能向各个不同方向移动，则每一质点将沿着阻力最小方向移动。–质点流动阻力最小方向是通过该质点指向金属变形部分周边的法线方向。应用：–确定金属变形中质点的移动方向–控制金属坯料变形的流动方位–降低能耗，提高生产率。4.塑性变形时伴随有弹性变形的定律PlasticDeformationwithElasticDeformation变形金属的总变形是由弹性变形和塑性变形所组成。五、金属的锻造性能定义：用来衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度。用金属的塑性和变形抗力二个因素来衡量。影响金属锻造性能的因素主要有金属的本质和金属的变形条件。1.内在因素影响化学成分的影响金属组织的影响2.外在因素影响变形应力状态的影响1、在金属塑性变形时，其应力状态中压应力数目越多，其塑性越好；拉应力数目越多，塑性变形相对降低。2、在三向受压的应力状态下变形时，其变形抗力较三向应力状态不同时大的多。3、综上分析，金属的锻造性能是从塑性和变形抗力二个方面的因素进行综合衡量。变形温度的影响变形速率的影响1、金属随变形温度的升高，塑性升高、变形抗力降低。但是，随加热温度的升高，也会产生相应的缺陷，如产生氧化、脱碳、过热和过烧等。2、除采用高能高速锤外，一般压力加工方法中，随着变形速度的增加，金属的塑性下降、变形抗力增加。作业:1、锻造流线的存在对金属机械性能有何影响？在零件设计中应注意那些问题？2、试述金属的锻造性能，影响金属锻造性能的因素，提高金属锻造性能的途径？