固态金属塑性成形的基本理论

1、第第3 3章章 固态金属塑性成形固态金属塑性成形教学目的：通过本章学习，使学生了解教学目的：通过本章学习，使学生了解 （1 1）金属塑性成形的工艺理论基础）金属塑性成形的工艺理论基础 （2 2）塑性成形件的工艺设计）塑性成形件的工艺设计 （3 3）塑性成形技术新进展）塑性成形技术新进展 掌掌 握：握： （1 1）金属塑性成形工艺方法的原理及应用）金属塑性成形工艺方法的原理及应用 （2 2）塑性成形件的结构工艺性）塑性成形件的结构工艺性 教学重点：教学重点：金属塑性成形工艺方法的原理及应用金属塑性成形工艺方法的原理及应用 塑性成形件的结构工艺性塑性成形件的结构工艺性 教学难点：塑性成形件的工艺设

2、计教学难点：塑性成形件的工艺设计 3.1 固态金属塑性成形的基本原理固态金属塑性成形的基本原理3.1.1 塑性成形概述塑性成形概述一、塑性成形的概念一、塑性成形的概念 金属材料在金属材料在外力外力作用下产生塑性变形，作用下产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。坯或零件的生产方法。 金属塑性成形金属塑性成形轧制轧制挤压挤压拉拔拉拔主要用于生产型材主要用于生产型材锻造锻造自由锻自由锻胎模锻胎模锻模模 锻锻用于生产毛坯或零件用于生产毛坯或零件冲压冲压用于生产零件用于生产零件二、金属塑性成形的基本工艺二、金属塑性成形的基本工艺 1.轧

3、制2.挤压用挤压生产的零件挤压种类正挤压反挤压3.拉拔三、金属塑性成形的特点（与铸造及切削加工比）三、金属塑性成形的特点（与铸造及切削加工比） 1、组织与性能优于铸件和切削加工件、组织与性能优于铸件和切削加工件 组织致密、晶粒细化、压合铸造缺陷、使纤维组织合理分布组织致密、晶粒细化、压合铸造缺陷、使纤维组织合理分布 2、材料利用率高、材料利用率高 力学性能高，承载能力提高；减少零件制造中的金属消耗（与力学性能高，承载能力提高；减少零件制造中的金属消耗（与 切削加工相比）。切削加工相比）。 3、不能生产形状复杂的零件、不能生产形状复杂的零件四、金属塑性成形生产常用的材料四、金属塑性成形生产常用的

4、材料 高塑性的高塑性的钢、非铁金属及其合金钢、非铁金属及其合金 3.1.2 3.1.2 金属塑性变形的实质金属塑性变形的实质一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形1.1.滑移滑移 2. 2.孪生孪生 孪生是指在切孪生是指在切应力作用下，晶体应力作用下，晶体的一部分原子相对的一部分原子相对于另一部分原子沿于另一部分原子沿某个晶面转动，使某个晶面转动，使未转动部分与转动未转动部分与转动部分的原子排列呈部分的原子排列呈镜面对称。镜面对称。二、多晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形 滑移滑移晶内变形晶内变形晶间变形晶间变形孪生孪生滑动滑动转动转动多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形三、金属塑性变形后的组织

5、和性能三、金属塑性变形后的组织和性能 1 1、冷变形后金属的组织及性能、冷变形后金属的组织及性能 a a组织变化的特征组织变化的特征 晶粒沿变形最大方向伸长晶粒沿变形最大方向伸长 晶格与晶粒均发生畸变；晶格与晶粒均发生畸变； 晶粒间产生碎晶。晶粒间产生碎晶。 b b性能变化的特征性能变化的特征 出现出现加工硬化加工硬化 塑性变形前组织塑性变形前组织塑性变形后组织塑性变形后组织加工硬化加工硬化 金属在再结晶温度以下塑性变形时，由于内部晶粒沿金属在再结晶温度以下塑性变形时，由于内部晶粒沿变形最大方向伸长并转动、晶格扭曲畸变以及晶内和晶间变形最大方向伸长并转动、晶格扭曲畸变以及晶内和晶间产生碎晶的综

6、合影响，金属进一步滑移变形的阻力增加了，产生碎晶的综合影响，金属进一步滑移变形的阻力增加了，从而引起其从而引起其强度及硬度上升而塑性和韧性下降强度及硬度上升而塑性和韧性下降,这种现象这种现象称为加工硬化。称为加工硬化。 加工硬化在生产中很有实用意义，是强化金属的重要加工硬化在生产中很有实用意义，是强化金属的重要方法之一。方法之一。纯金属及某些不能通过热处理方法强化的合金，纯金属及某些不能通过热处理方法强化的合金，如低碳钢、纯铜、防锈铝、奥氏体不锈钢、高锰钢等，均如低碳钢、纯铜、防锈铝、奥氏体不锈钢、高锰钢等，均可通过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提高其强度和硬度。可通过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提

7、高其强度和硬度。但在冷轧薄钢板、冷拉细钢丝及多道拉深的过程中，也会但在冷轧薄钢板、冷拉细钢丝及多道拉深的过程中，也会由于加工硬化造成后道工序的困难，甚至开裂报废。因此由于加工硬化造成后道工序的困难，甚至开裂报废。因此有时要在工序间适当穿插热处理工艺来消除加工硬化。有时要在工序间适当穿插热处理工艺来消除加工硬化。1 1）冷塑性变形对低碳钢的力学性能的影响）冷塑性变形对低碳钢的力学性能的影响 2）加工硬化对金属组织性能的影响）加工硬化对金属组织性能的影响(1)(1)压力加工过程中，加工硬化增大了材料压力加工过程中，加工硬化增大了材料 继续变形的阻力。继续变形的阻力。(2)(2)通过加工硬化可以提高

8、金属的强度、硬度通过加工硬化可以提高金属的强度、硬度 和耐磨性。和耐磨性。(3)(3)加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发 地回复到稳定状态的倾地回复到稳定状态的倾向。向。 2 2 回复与再结晶回复与再结晶 1 1） 回复回复 将已产生加工硬化的金属加热到绝对温度将已产生加工硬化的金属加热到绝对温度 回回(0.250.3)熔熔 以上，使原子回复到正常排列位置，以上，使原子回复到正常排列位置，消除了晶格扭曲，降低了内消除了晶格扭曲，降低了内应力应力，从而，从而部分消除加工硬化部分消除加工硬化。这种使金属强度、硬度略有下降，。这种使金属强度、硬度略有下降，塑性、

9、韧性略有上升的现象称为回复。塑性、韧性略有上升的现象称为回复。 2）再结晶）再结晶 若将硬化金属加热到绝对温度若将硬化金属加热到绝对温度 再再 0.4熔熔 以上，原来被拉长的晶粒将以以上，原来被拉长的晶粒将以碎晶或杂质为核心碎晶或杂质为核心重新生核、重新生核、结晶，变为细小的等轴晶粒，从而结晶，变为细小的等轴晶粒，从而完全消除加工硬化完全消除加工硬化,这种这种现象称为再结晶现象称为再结晶塑性变形前组织塑性变形前组织塑性变形后组织塑性变形后组织回复后组织回复后组织再结晶后组织再结晶后组织3）金属冷变形及）金属冷变形及回复和再结晶后回复和再结晶后的组织变化的组织变化3 冷变形与热变形冷变形与热变形

10、 1 1） 冷变形冷变形 金属在其金属在其再结晶温度以下的变形再结晶温度以下的变形称为冷变形。称为冷变形。 金属冷变形后将产生加工硬化现象金属冷变形后将产生加工硬化现象 冷变形后的产品精度高、表面光洁，冷变形后的产品精度高、表面光洁，常用于已常用于已热变形过的坯料的再加工热变形过的坯料的再加工，如冷轧、冷冲压、冷镦，如冷轧、冷冲压、冷镦及冷拉等。及冷拉等。 2 2） 热变形热变形 金属在其金属在其再结晶温度以上的变形再结晶温度以上的变形称为热变形。称为热变形。 热变形加工可使金属中的气孔和疏松焊合，并热变形加工可使金属中的气孔和疏松焊合，并可改善夹杂物及碳化物的形态、大小和分布，提可改善夹杂物

11、及碳化物的形态、大小和分布，提高钢的强度、塑性及冲击韧度。高钢的强度、塑性及冲击韧度。 金属热变形后不产生加工硬化现象金属热变形后不产生加工硬化现象思考题：思考题： 铅在20、钨在1000的变形，各属哪种变形？（铅的熔点：327，钨的熔点：3380）4 4 热塑性变形对金属的组织与性能的影响热塑性变形对金属的组织与性能的影响 1 1） 改善晶粒组织改善晶粒组织 2 2） 锻合铸态材料内部缺陷锻合铸态材料内部缺陷 铸态金属中的疏松、空隙和微裂纹等内部缺陷被压实，铸态金属中的疏松、空隙和微裂纹等内部缺陷被压实， 从而提高了金属的致密度。从而提高了金属的致密度。 3 3） 破碎并改善网状碳化物和非金

12、属夹杂物在钢中的分布破碎并改善网状碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布 4 4） 形成纤维组织形成纤维组织 铸态粗晶铸态粗晶等轴细晶等轴细晶纤维组织纤维组织 塑性夹杂变形后分布呈流线的形态。塑性夹杂变形后分布呈流线的形态。形成原因形成原因 变形中脆性夹杂物被破碎呈链状分布，而塑性夹杂物则被拉长成变形中脆性夹杂物被破碎呈链状分布，而塑性夹杂物则被拉长成条带状、线状或薄片状，于是在磨面腐蚀的试样上可看到沿主变形方条带状、线状或薄片状，于是在磨面腐蚀的试样上可看到沿主变形方向上一条条断续的细线，称为流线，具有流线的组织称为纤维组织。向上一条条断续的细线，称为流线，具有流线的组织称为纤维组织。纤维组织的危

13、害纤维组织的危害 使构件形成各向异性使构件形成各向异性 在在平行平行于纤维组织的方向上：材料的于纤维组织的方向上：材料的塑性高，强度低。塑性高，强度低。 在垂直于纤维组织的方向上：材料的强度高，塑性低。在垂直于纤维组织的方向上：材料的强度高，塑性低。纤维组织的控制纤维组织的控制 设计中应合理利用纤维组织设计中应合理利用纤维组织 控制锻造比控制锻造比 3.1.33.1.3金属塑性变形理论及假设金属塑性变形理论及假设一、最小阻力定律一、最小阻力定律 金属受外力作用发生塑性变形时，如果金属金属受外力作用发生塑性变形时，如果金属质点在几个方向上都可流动，那么，质点在几个方向上都可流动，那么，金属质点就

14、金属质点就优先沿着阻力最小的方向流动优先沿着阻力最小的方向流动。二、塑性变形前后体积不变的假设二、塑性变形前后体积不变的假设 金属在塑性变形时，由于金属材料连续而致密，其金属在塑性变形时，由于金属材料连续而致密，其体体 积变化很小，与形状变化比可以忽略不计。积变化很小，与形状变化比可以忽略不计。三、金属塑性变形程度的计算三、金属塑性变形程度的计算 锻造比锻造比 Y拔拔S0/S Y镦镦H0/H 3.1.4 3.1.4 金属的可锻性金属的可锻性一、可锻性的概念一、可锻性的概念 金属材料经受压力加工时获得优金属材料经受压力加工时获得优质零件难易程度的工艺性能。质零件难易程度的工艺性能。二、可锻性的衡

15、量标准二、可锻性的衡量标准 1.1.金属的塑性金属的塑性 2.2.变形抗力变形抗力三、影响可锻性的因素三、影响可锻性的因素 主要是主要是金属的本质和工艺条件金属的本质和工艺条件 1 1、金属的本质、金属的本质 a a 化学成分化学成分 不同化学成分的金属锻造性能不同。不同化学成分的金属锻造性能不同。纯金属纯金属的锻造性能比合金要好；合金元素的含量越多，的锻造性能比合金要好；合金元素的含量越多，锻造性能越差锻造性能越差。如低碳钢的锻造性能很好，高碳。如低碳钢的锻造性能很好，高碳钢的锻造性能比较差，高合金钢的锻造性能更差。钢的锻造性能比较差，高合金钢的锻造性能更差。 b b 金属组织：金属组织：

16、同一成分的合金，当组织结构不同时，其锻同一成分的合金，当组织结构不同时，其锻造性能也不同。造性能也不同。单一固溶体组织的锻造性能好于单一固溶体组织的锻造性能好于化合物组织化合物组织。2 2、工艺条件、工艺条件(1) (1) 变形温度变形温度 温度越高温度越高，原子活动能力越大，滑移所需的应力越，原子活动能力越大，滑移所需的应力越小，因而小，因而变形抗力降低、塑性增加变形抗力降低、塑性增加，所以加热有助于提高，所以加热有助于提高锻造性能。但锻造性能。但加热不当会产生氧化、脱碳、过热等缺陷，加热不当会产生氧化、脱碳、过热等缺陷，甚至造成过烧使产品报废甚至造成过烧使产品报废。所以金属的锻造温度不能太

17、高，。所以金属的锻造温度不能太高，允许加热的最高温度称允许加热的最高温度称始锻温度始锻温度。 锻造过程中由于散热锻件的温度会降低，使材料塑性锻造过程中由于散热锻件的温度会降低，使材料塑性下降，变形抗力增大，降到一定温度，若继续锻造，下降，变形抗力增大，降到一定温度，若继续锻造，塑性塑性变形则难以进行，甚至会在构件内产生裂纹，变形则难以进行，甚至会在构件内产生裂纹，不能再继续不能再继续锻造的温度，亦即结束锻造的温度称为锻造的温度，亦即结束锻造的温度称为终锻温度终锻温度。 金属的锻造应在始锻温度与终锻温度之间进行金属的锻造应在始锻温度与终锻温度之间进行碳钢的锻造温度范围可依据相图来确定碳钢的锻造温

18、度范围可依据相图来确定金金 属属 种种 类类 始始 锻锻 温温 度（度（）终终 锻锻 温温 度（度（）w wC C :0.3%:0.3%以下以下w wC C :0.3% :0.3% 0.5%0.5%w wC C :0.5% :0.5% 0.9%0.9%w wC C :0.9% :0.9% 1.4%1.4%1200 1200 12501250800 800 850850 碳碳1150 1150 12001200800 800 850850 钢钢1100 1100 11501150800 800 8508501050 1050 11001100800 800 850850合合金金钢钢合金结构钢合金

19、结构钢合金工具钢合金工具钢耐热钢耐热钢1150 1150 12001200800 800 8508501050 1050 11501150800 800 850850 1100 1100 11501150850 850 900900铜合金铜合金 700 700 800800650 650 750750铝合金铝合金450 450 490490350 350 400400镁合金镁合金370 370 430430300 300 350350钛合金钛合金1050 1050 11501150750 750 900900 常用金属材料的锻造温度范围常用金属材料的锻造温度范围(2)(2)变形速度变形速度 采

20、用常规锻压方法时采用常规锻压方法时，随着变形速度的增随着变形速度的增加加，回复和再结晶来不及充分进行，加工硬化，回复和再结晶来不及充分进行，加工硬化未彻底消除，造成未彻底消除，造成金属的塑性下降、变形抗力金属的塑性下降、变形抗力增加、锻造性能变差。增加、锻造性能变差。所以常规锻造塑性较差所以常规锻造塑性较差的金属材料时应采用较低的变形速度（即用压的金属材料时应采用较低的变形速度（即用压机而不用锤）。机而不用锤）。 在高速锤上锻造时，随变形速度的增加，在高速锤上锻造时，随变形速度的增加，变形时间缩短，由塑性变形功转化而来的热量变形时间缩短，由塑性变形功转化而来的热量大大超过散失的热量，会明显提高变形温度，大大超过散失的热量，会明显提高变形温度，即热效应使即热效应使塑性上升、抗力变小，锻造性能反塑性上升、抗力变小，锻造性能反而变好，而变好，所以常规设备难以锻造的高强度低塑所以常规设备难以锻造的高强度低塑性合金可以采用高速锤锻造。性合金可以采用高速锤锻造。(3(3）应力状态）应力状态 三向应力状态中，压应力数目越多，材料塑性越