金属塑性成型导论140613

1、材料塑性成型工程材料塑性成型工程(金属压力加工金属压力加工) 张腾2014.6.13Plastic Shaping （Plastic Forming） 塑性成型的历史 早在两千多年以前的青铜器时代，我国劳动人民就已经发现铜具有塑性变形的能力,并且掌握了锤击金属用以制造兵器和工具的技术。 随着近代科学技术的发展，塑性加工技术已经具有了崭新的内容和涵义。作为这门技术的理论基础金属塑性成形原理发展得比较晚，在上世纪40年代才逐步形成独立的学科。 塑性成形理论的发展 金属塑性成形理论是在塑性成形的物理、物理化学和塑性力学的基础上发展起来的一门工艺理论。1. 金属塑性变形的物理和物理化学基础属于金属学范

2、畴。2.上世纪30年代提出的位错理论从微观上对塑性变形的机理做出了科学的解释。 塑性，作为金属的状态属性，不仅取决于金属材料本身（如晶格类型、化学成分和组织结构等），还取决于变形的外部条件，如合适的温度、速度条件和力学状态等等。 3. 塑性成形力学 1864年，法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）首次提出最大切应力屈服准则； 1913年，密席斯从纯数学的角度出发，提出了另一新的屈服准则密席斯准则； 1925年，德国学者卡尔曼（Von Karman）用初等方法建立了轧制时的应力分布规律，最早将塑性理论用于金属塑性加工技术。 继卡尔曼不久，萨克斯（G.Sachs）和奇别尔（E.Siebel）在研

3、究拉丝过程中提出了相似的求解方法切块法，即后来所称的主应力法。 此后，人们对塑性成形过程的应力、应变和变形力的求解逐步建立了许多理论求解方法：如滑移线法、工程计算法、变分法和变形功法、上限法、有限元法等等。 金属材料在外力作用下，发生塑性变形，获得所要求的形状、尺寸、机械性能的原材料毛坯或零件的加工方法。u塑性加工的适用材料： 各类钢 大多数非铁金属及其合金 金属变形:金属材料在外力作用下发生弹性变形当外力超过一定值后产生塑性变形外力继续加大，发生断裂塑性成型的实质塑性成型的产品塑性成型的产品 本章节的主要知识点 金属塑性成型基本原理； 按照其成形的特点，可以分为五类：轧制；挤压；拉拔；锻造；

4、冲压成形。 二、压力加工的主要生产方式：二、压力加工的主要生产方式： 1.1.轧制；轧制；2. 2. 挤压；挤压； 3. 3. 拉拔；拉拔；4.4.锻造；锻造； 5. 5. 板料冲压板料冲压. . 轧制（Rolling）视频视频1 1，视频视频2 2，视频视频3 3，视频视频4 4轧制（Rolling）挤压（Pressing）视频视频1，视频视频2，视频视频3挤压（Pressing）拉拔 (Stretch Form)视频视频1拉拔 (Stretch Form)锻造 (Forging)视频视频1 1，视频视频2 2，视频视频3 3，视频视频4 4锻造 (Forging)冲压成形 (Drop Ha

5、mmer)视频视频1 1，视频视频2 2，视频视频3 3冲压成形 (Drop Hammer) 按照塑性成形时的工件温度，金属塑性成形还可以分为热成形、冷成形和温成形。 热成形是在金属再结晶温度以上所完成的加工，如热轧、热锻、热挤压等等； 冷成形是在不产生回复和再结晶的温度以下所进行的加工，如冷轧、冷冲压、冷挤压、冷锻等等； 温成形则是介于热成形和冷成形之间的温度下进行的加工，如温锻、温挤压等等。扎制挤压拉拔静压力自由锻模锻冲压冲击力压力加工分类轧三、塑性成形特点：三、塑性成形特点：1.1.能改善金属的组织，力学性能高；能改善金属的组织，力学性能高；2.2.可提高材料利用率；可提高材料利用率；3

6、.3.加工精度较高，生产率较高。加工精度较高，生产率较高。两不加工：两不加工：脆性材料脆性材料复杂形状复杂形状 轧制、挤压、拉拔轧制、挤压、拉拔 金属型材、板材、钢材、线材等；金属型材、板材、钢材、线材等；自由锻、模锻自由锻、模锻 承受重载的机械零件，如机器主轴、承受重载的机械零件，如机器主轴、 重要齿轮、连杆、炮管、枪管等；重要齿轮、连杆、炮管、枪管等；板料冲压板料冲压 汽车制造、电器、仪表及日用品。汽车制造、电器、仪表及日用品。金属塑性变形的原理（1）金属的结构和塑性变形：单晶体的塑性变形、位错理论的基本概念、多晶体的塑性变形、加工硬化； （2）金属的塑性：塑性和塑性指标、金属的化学成分和

7、对塑性的影响、变形温度、变形速度对塑性的影响、提高金属塑性的主要途径、金属超塑性； 一、一、 金属塑性变形金属塑性变形金属在外力作用下产生金属在外力作用下产生塑塑性变形性变形的实质是晶体内部的实质是晶体内部的原子产生滑移。的原子产生滑移。1. 1. 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形单晶体的塑性变形主要通过滑移进行。单晶体的塑性变形主要通过滑移进行。 （a）未变形（b）弹性变形（c）弹塑性变形（d）塑性变形图：单晶体滑移变形示意图图：单晶体滑移变形示意图 滑移面整体刚性滑移滑移滑移塑性变形的主要方式塑性变形的主要方式 u滑移变形具有以下特点：滑移变形具有以下特点：滑移：就是晶体的一部分相

8、对与另一部分沿一定晶滑移：就是晶体的一部分相对与另一部分沿一定晶面发生相对的位移；面发生相对的位移； 产生的变形称为滑移变形。产生的变形称为滑移变形。1 1）切应力引起滑移；）切应力引起滑移；2 2）滑移面在密）滑移面在密排面滑移方向排面滑移方向沿着密排面方沿着密排面方向进行，滑移向进行，滑移距离为原子间距离为原子间距的整数倍。距的整数倍。原因：晶体内部的各种缺陷（特别是位错）的运动更原因：晶体内部的各种缺陷（特别是位错）的运动更容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。当位错运动到晶体表面性的整体滑移所需的切应力。当

9、位错运动到晶体表面时，晶体就产生了塑性变形。时，晶体就产生了塑性变形。 实际晶体内部存在大量缺陷。滑移实际晶体内部存在大量缺陷。滑移通过通过位错位错在滑移面上的运动来实现。在滑移面上的运动来实现。(2)(2)、滑移的机理、滑移的机理图：晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图图：晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图未变形 位错运动 塑性变形 晶格的不完整部晶格的不完整部位称位称晶体缺陷晶体缺陷。 实际金属中存在实际金属中存在着大量的晶体缺着大量的晶体缺陷，按形状可分陷，按形状可分三类，即点、线、三类，即点、线、面缺陷。面缺陷。实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷 点缺陷 晶体中的点缺陷主要包括空位

10、、间隙原子、杂质或溶质原子，以及由它们组合而成的复杂缺陷; 线缺陷 晶体中的线缺陷主要是指位错,包括刃型位错和螺型位错; 面缺陷 晶体中的面缺陷主要包括堆垛层错、晶界、亚晶粒及亚晶界。 位错：晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某位错：晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。种有规律的错排现象。 二、二、 塑性变形对金属组织及性能的影响塑性变形对金属组织及性能的影响1. 1. 对组织结构的影响对组织结构的影响1 1）引起晶粒变形，晶粒沿最大变形方向伸长；）引起晶粒变形，晶粒沿最大变形方向伸长；2 2）晶格与晶粒发生扭曲，产生晶格畸变与内应力；）晶格与晶粒发生扭曲，产生晶格畸变

11、与内应力；3 3）造成晶粒破碎，产生碎晶。）造成晶粒破碎，产生碎晶。 图：变形前后晶粒形状变化示意图图：变形前后晶粒形状变化示意图u形成纤维组织形成纤维组织结果：使金属的性能产生各向异性。结果：使金属的性能产生各向异性。表现：表现：定义：金属在变形过程中，晶粒形状和沿晶界分布的定义：金属在变形过程中，晶粒形状和沿晶界分布的杂质在钢料中的定向分布状态称为钢料锻造时的纤维杂质在钢料中的定向分布状态称为钢料锻造时的纤维组织（流线）。组织（流线）。 a a纵向（平行纤维方向），塑韧性、强度提高纵向（平行纤维方向），塑韧性、强度提高 b b横向（垂直纤维方向），抗剪强度提高横向（垂直纤维方向），抗剪强度

12、提高 特点特点：纤维组织很稳定，热处理、再锻均不能消除，纤维组织很稳定，热处理、再锻均不能消除， 只能改变分布。只能改变分布。2. 2. 对性能的影响对性能的影响1 1）产生加工硬化现象）产生加工硬化现象结果：金属的强度、硬度提结果：金属的强度、硬度提 高，塑性、韧性下降。高，塑性、韧性下降。020406080%变形程度36032028024020016012080407006005004003002001000220180160140120延 伸率 %冲 击韧度/J cm-2HB强度极 限/MPa强 度 极 限布 氏硬度延 伸率 %冲击 韧度 图：常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响图：常温

13、下塑性变形对低碳钢力学性能的影响产生加工硬化原因：产生加工硬化原因：(1) (1) 位错密度随变形量位错密度随变形量增加而增加，从而使变增加而增加，从而使变形抗力增大。形抗力增大。(2) (2) 随变形量增加，亚随变形量增加，亚结构细化，亚晶界对位结构细化，亚晶界对位错运动有阻碍作用。错运动有阻碍作用。(3) (3) 随变形量增加，空随变形量增加，空位密度增加。位密度增加。(4) (4) 几何硬化。由于塑几何硬化。由于塑性变形时晶粒方位的转性变形时晶粒方位的转动，使各晶粒由有利位动，使各晶粒由有利位向转到不利位向，因而向转到不利位向，因而变形抗力增大。变形抗力增大。面心立方结构单晶体的加工硬化

14、曲线第阶段：位错运动遇到阻力较小，加工硬化系数较小； 第阶段：位错线在相交的滑移面上形成位错林，使位错运动的阻力增大； 第阶段：由于位错的交滑移使得位错能够绕过阻碍，从而使加工硬化系数相对下降。 1 1） 应用：主要是强化金属材料应用：主要是强化金属材料 （1 1）提高材料强度、耐磨性；）提高材料强度、耐磨性； 例：自行车链条片例：自行车链条片16Mn16Mn钢（钢（Q345Q345） 原：原：厚厚=3.5mm b=520MPa 150HBS=3.5mm b=520MPa 150HBS； 五次冷轧后：五次冷轧后： 厚厚=1.2mm=1.2mm（65%65%）b=1200MPa 275HBSb=

15、1200MPa 275HBS （2 2）构件使用安全系数（如钢丝绳）构件使用安全系数（如钢丝绳） （3 3）有利于金属进行均匀的变形。）有利于金属进行均匀的变形。 2 2）不利影响）不利影响 ： 材料塑韧性降低，对进一步塑性变形带来困难材料塑韧性降低，对进一步塑性变形带来困难。图：冷变形金属在加热时组织图：冷变形金属在加热时组织和性能的变化示意图和性能的变化示意图 金属材料在冷变形金属材料在冷变形以后，组织处于不以后，组织处于不稳定的状态，但室稳定的状态，但室温下难以进行。温下难以进行。u加热使原子扩散加热使原子扩散能力增加，随温度能力增加，随温度的升高，冷变形后的升高，冷变形后的金属将依次发

16、生的金属将依次发生回复、再结晶和晶回复、再结晶和晶粒长大。粒长大。 1 1） 回复回复 T T回回=(0.25-0.3)T=(0.25-0.3)T熔熔定义：随着温度的上升，原子热运动加剧，晶格扭曲被定义：随着温度的上升，原子热运动加剧，晶格扭曲被消除，内应力明显下降的现象。消除，内应力明显下降的现象。 作用：作用： a a）晶格扭曲消除）晶格扭曲消除 b b）内应力明显下降）内应力明显下降回复只能部分消除加工硬化回复只能部分消除加工硬化2 2） 再结晶再结晶定义：温度上升到金属熔化温度的定义：温度上升到金属熔化温度的0.4-0.50.4-0.5倍时，金属倍时，金属原子获得更多的热能，开始以某些

17、碎晶或杂质为核心，原子获得更多的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心，生长成新的晶粒，生长成新的晶粒，加工硬化完全被消除，塑性上升。加工硬化完全被消除，塑性上升。冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小、冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小、均匀的等轴晶粒，如果再结晶后不控制其加热温度均匀的等轴晶粒，如果再结晶后不控制其加热温度或时间，继续升温或保温，晶粒之间便会相互吞并或时间，继续升温或保温，晶粒之间便会相互吞并而长大。而长大。3 3）晶粒长大）晶粒长大(b) 金属回复后的组织 (c) 再结晶组织(a)塑性变形后的组织图：金属的回复和再结晶示意图图：金属的回复和再结晶示意图三、冷变形与热

18、变形三、冷变形与热变形1 1）定义：金属在再结晶温度以上的变形称为热变）定义：金属在再结晶温度以上的变形称为热变形，再结晶温度以下的变形称为冷变形。形，再结晶温度以下的变形称为冷变形。 例：钨（熔点为例：钨（熔点为33803380）在）在800800变形为冷加工，而变形为冷加工，而铅（熔点为铅（熔点为327 327 ）在室温变形就可称为热加工。）在室温变形就可称为热加工。T=0.4T =0.43380+273 =1461K T=800+273=1073KTT 再结晶熔加工加工再结晶对铅：（）铅的铅在室温变形时属于热变形（热加工）。加工硬化与回复、再结晶同时发生；加工硬化加工硬化与回复、再结晶同

19、时发生；加工硬化随时被消除，使变形抗力下降，塑性升高。随时被消除，使变形抗力下降，塑性升高。2 2）热变形的特点：）热变形的特点：1)1)可消除铸锭中的气孔、缩松等缺陷；可消除铸锭中的气孔、缩松等缺陷；2)2)可使铸态晶粒细化，力学性能提高；可使铸态晶粒细化，力学性能提高；3)3)形成热变形纤维组织（流线）。形成热变形纤维组织（流线）。3 3）热变形后的组织与性能：）热变形后的组织与性能： 金属的可锻性（塑性成形性）金属的可锻性（塑性成形性）金属可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得金属可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。优质制品难易程度的工艺性能。1 1、衡量金属可

20、锻性的指标、衡量金属可锻性的指标 两个两个 内因与外因内因与外因 1 1）塑性塑性：金属的塑性是指金属材料在外力作用下：金属的塑性是指金属材料在外力作用下 产生永久变形而不破坏其完整性的能力；用断面收产生永久变形而不破坏其完整性的能力；用断面收缩率缩率、伸长率、伸长率表示；表示； 2 2）变形抗力变形抗力: :变形过程中，金属抵抗外力作用能力变形过程中，金属抵抗外力作用能力的大小。的大小。u原因：优良的塑性使产品获得准确的外形而不破裂；原因：优良的塑性使产品获得准确的外形而不破裂；变形抗力越小，变形消耗的能量也越少，锻压越省力。变形抗力越小，变形消耗的能量也越少，锻压越省力。塑性指标 常用的塑

21、性指标是由拉伸试验测定的伸长率和断面收缩率表示： 1 1） 金属本质对可锻性的影响金属本质对可锻性的影响 两方面：两方面：纯金属和固溶体具有良好的可锻性，碳化物可锻性差；纯金属和固溶体具有良好的可锻性，碳化物可锻性差；细晶粒组织可锻性优于粗晶粒，但变形抗力大。细晶粒组织可锻性优于粗晶粒，但变形抗力大。（1 1）化学成分：）化学成分：一般情况下，纯金属的可锻性优于合金；一般情况下，纯金属的可锻性优于合金； 碳钢随含碳量增加，可锻性降低；碳钢随含碳量增加，可锻性降低； 合金钢中合金元素含量越多，可锻性下降；合金钢中合金元素含量越多，可锻性下降；钢中钢中P P、S S含量超过一定值可锻性降低。含量超

22、过一定值可锻性降低。（2 2）组织结构：）组织结构：2 2、影响金属可锻性的因素：金属本质和加工条件、影响金属可锻性的因素：金属本质和加工条件（1 1）变形温度：）变形温度：变形条件：变形条件：变形温度、变形温度、应变速率和应力状态应变速率和应力状态温度温度：塑性：塑性，可锻性，可锻性； 温度温度：产生产生“过热过热”，可锻性，可锻性；温度温度：接近熔化，出现：接近熔化，出现“过烧过烧”失去塑性，失去塑性，bb； 温度温度：可锻性可锻性，加工硬化产生，开裂，塑性加工硬化产生，开裂，塑性差。差。抗 力塑 性变 形 速 度a变 形 抗 力 曲 线塑 性 变 化 曲 线图：变形速度对塑性及变形抗力图

23、：变形速度对塑性及变形抗力的影响示意图的影响示意图a a）变形速度）变形速度aaa后，由后，由于塑性变形的热效应于塑性变形的热效应使材料温度升高，回使材料温度升高，回复和再结晶充分，可复和再结晶充分，可锻性提高。锻性提高。但难实现。但难实现。( (双重影响双重影响) )指金属材料在单位时间指金属材料在单位时间内的变形程度。内的变形程度。 （3 3）应力状态的影响）应力状态的影响图：拉拔时金属应力状态图：拉拔时金属应力状态图：挤压时金属应力状态图：挤压时金属应力状态1 1）压应力个数越多、数）压应力个数越多、数值越大，金属的值越大，金属的塑性塑性就就越好；越好；2 2）同号应力状态下引起）同号应

24、力状态下引起的变形抗力大于异号应的变形抗力大于异号应力状态的力状态的变形抗力变形抗力，如，如拉拔时金属的变形抗力拉拔时金属的变形抗力远小于挤压和模锻远小于挤压和模锻 。所以，所以，塑性差的材料塑性差的材料：尽量三方受压；：尽量三方受压； 塑性好的材料塑性好的材料：出现拉应力有利。：出现拉应力有利。提高金属塑性的途径 合理选择变形温度和变形速度 合理选择变形方式 提高材料成分与组织的均匀性 减小不均匀变形 金属的超塑性(superplasticity) 普通的金属材料在拉伸时试样会产生缩颈, 最后在缩颈处断裂。即使是塑性很好的金属材料, 断裂时所得的延伸率也绝不会超过100%。 有些金属材料, 在特定条件下拉伸时,在没有局部缩颈或断裂情况下, 其延伸率高达1000-2000%,个别的达到。这种性能通常称为金属材料的超塑性超塑性。超塑