金属塑性成形原理第五章

1、第五章第五章 塑性成形件质量的定性分析塑性成形件质量的定性分析 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 塑性成型件中的空洞和裂纹塑性成型件中的空洞和裂纹 第三节第三节 塑性成型件中的晶粒度塑性成型件中的晶粒度 第四节第四节 塑性成型件中的折叠塑性成型件中的折叠 第五节第五节 塑性加工中的失稳塑性加工中的失稳第一节第一节 概述概述l 塑性成形件的外形质量比较直观，而内部质量塑性成形件的外形质量比较直观，而内部质量(组织、性能、微裂纹、空洞组织、性能、微裂纹、空洞等等)问题必须借助于问题必须借助于一些专门的试验方法才能分析清楚。一些专门的试验方法才能分析清楚。l 塑性成形件的质量除与塑性成形工艺和热

2、处理工塑性成形件的质量除与塑性成形工艺和热处理工艺规范有关外，还与原材料的质量有密切关系。艺规范有关外，还与原材料的质量有密切关系。因此，因此，要确保塑性成形件的质量，首先要确保原要确保塑性成形件的质量，首先要确保原材料的质量。材料的质量。一、原材料及塑性成形过程中常见的缺陷类型一、原材料及塑性成形过程中常见的缺陷类型a a.原材料中常见的缺陷原材料中常见的缺陷：毛细裂纹、结疤、折叠、非金：毛细裂纹、结疤、折叠、非金属夹杂、碳化物偏析、异金属夹杂物、白点、缩孔残余等；属夹杂、碳化物偏析、异金属夹杂物、白点、缩孔残余等；b.b.塑性成形中的缺陷塑性成形中的缺陷：过热、过烧、加热裂纹、铜脆、脱：过

3、热、过烧、加热裂纹、铜脆、脱碳、增碳等；碳、增碳等；c.c.成形工艺不当产生的缺陷成形工艺不当产生的缺陷：大晶粒、晶粒不均匀、裂纹、：大晶粒、晶粒不均匀、裂纹、锻造折叠、穿流、带状组织等；锻造折叠、穿流、带状组织等；d.d.锻后冷却不当产生的缺陷锻后冷却不当产生的缺陷：冷却裂纹、网状碳化等：冷却裂纹、网状碳化等e.e.锻后热处理不当产生的缺陷锻后热处理不当产生的缺陷：硬度过高或过低、硬度不：硬度过高或过低、硬度不均等。均等。缩孔残余缩孔残余锻造折叠锻造折叠加热裂纹加热裂纹冷却裂纹冷却裂纹二、塑性成形件质量分析的一般过程及分析方法二、塑性成形件质量分析的一般过程及分析方法1.1.一般分析过程一般

4、分析过程a.a.调查原始情况调查原始情况b.b.弄清质量问题弄清质量问题c.c.试验研究分析试验研究分析d.d.提出解决措施提出解决措施2.2.质量分析的方法质量分析的方法低倍组织试验、金相试验及金属变形流动分析试验低倍组织试验、金相试验及金属变形流动分析试验1.对塑性成形件进行质量分析的一般过程是： (1)调查原始情况 调查原始情况应包括原材料、塑性成形工艺及热处理工艺情况。 (2)弄清质量问题 在这一阶段中，主要是查明塑性成形件缺陷部位、缺陷处的宏观特征，并初步确定是原材料质量问题引起的缺陷还是塑性成形工艺或热处理工艺本身造成的缺陷。 (3)试验研究分析 这是确定塑性成形件缺陷原因的主要试

5、验阶段 (4)提出解决措施 l 塑性成形件质量分析方法的特点塑性成形件质量分析方法的特点是广泛采用各种是广泛采用各种先进的试验技术与试验方法。先进的试验技术与试验方法。l要准确地分析成形件质量问题，有赖于正确的试要准确地分析成形件质量问题，有赖于正确的试验方法和检测技术，同时要善于对试验结果进行验方法和检测技术，同时要善于对试验结果进行科学的分析与判断。科学的分析与判断。l破坏性试验是成形件质量分析的主要方法破坏性试验是成形件质量分析的主要方法，但是，但是无损探伤这种非破坏性试验技术已日益显示出它无损探伤这种非破坏性试验技术已日益显示出它的优越性，并将在塑性成形件质量检验与分析中的优越性，并将

6、在塑性成形件质量检验与分析中占据应有的地位占据应有的地位。一、塑性成形件中的空洞一、塑性成形件中的空洞成因：材料存在成因：材料存在缺陷缺陷，在应力应变场的，在应力应变场的作用下，作用下，夹杂或第二相质点夹杂或第二相质点等缺陷集中等缺陷集中在晶界处，由于位错塞积或缺陷本身分在晶界处，由于位错塞积或缺陷本身分裂而形成微观空洞。裂而形成微观空洞。一般情况下，在一般情况下，在压应力作用压应力作用下产生的空下产生的空洞比拉应力作用时洞比拉应力作用时困难困难。因为在高球张。因为在高球张量压应力下变形材料内部不易出现空洞，量压应力下变形材料内部不易出现空洞，在高的球张量压应力作用下，使得空洞在高的球张量压应

7、力作用下，使得空洞给压平了。给压平了。第二节第二节 塑性成形件中的空洞和裂纹塑性成形件中的空洞和裂纹第二节第二节 塑性成形件中的空洞和裂纹塑性成形件中的空洞和裂纹一、塑性成形件中的空洞 在金属材料中，一般都存在各种各样的缺陷，如疏松、缩孔残余、偏析、第二相和夹杂物质点、杂质等，这些缺陷，特别是夹杂物或杂质质点一般都处于晶界处。带有这些缺陷的材料，在塑性成形中，当施加的外载荷达到一定程度时，在应力应变场中，有夹杂物或第二相质点等缺陷的晶界处，由于位错塞积或缺陷本身的分裂而形成微观空洞(图51a)。l由于由于位错塞积或缺陷本身的分裂而形成微观空洞位错塞积或缺陷本身的分裂而形成微观空洞(图图51)。

8、l空洞是塑性成形过程中普遍存在的组织变化。塑空洞是塑性成形过程中普遍存在的组织变化。塑性成形过程中，在一定的外界条件下，就会出现性成形过程中，在一定的外界条件下，就会出现空空洞的形核、长大，继而发生空洞的聚合或连接，形洞的形核、长大，继而发生空洞的聚合或连接，形成裂纹。成裂纹。 按空洞的形状，空洞大致可分为两类：按空洞的形状，空洞大致可分为两类： 1）产生于三晶粒交界处的楔形空洞，或）产生于三晶粒交界处的楔形空洞，或称称V形空洞形空洞 (图图52)，这类空洞是由应力集中产生的；，这类空洞是由应力集中产生的； 2）沿晶界，特别是相界产生的圆形空洞或称）沿晶界，特别是相界产生的圆形空洞或称o形空洞

9、，形空洞，它们的形状多半接近圆或椭圆。出现它们的形状多半接近圆或椭圆。出现o形空洞的晶界或形空洞的晶界或相界多半与拉应力垂直。在带坎的晶界上相界多半与拉应力垂直。在带坎的晶界上也会出现也会出现0形形空洞空洞(图图53)。二、塑性成形件中的裂纹二、塑性成形件中的裂纹l在塑性成形过程中，变形体内的空洞形核、长大、在塑性成形过程中，变形体内的空洞形核、长大、聚集就会发展成裂纹。聚集就会发展成裂纹。裂纹是塑性成形件中常见裂纹是塑性成形件中常见的缺陷之一。的缺陷之一。 l在塑性成形中产生裂纹基本上有两个方面，在塑性成形中产生裂纹基本上有两个方面，一是一是由于原材料中的缺陷，由于原材料中的缺陷，如各种冶金

10、缺陷、夹杂物如各种冶金缺陷、夹杂物等等；二是属于塑性成形本身的原因；二是属于塑性成形本身的原因，如加热不当、，如加热不当、变形不当或冷却不当等。变形不当或冷却不当等。n从从力学角度力学角度分析裂纹产生原因：分析裂纹产生原因：na.a.由由外力外力直接引起直接引起nb.b.由由附加应力附加应力及及残余应力残余应力引起引起nc.c.由由温度应力（热应力）温度应力（热应力）及及组织应力组织应力引引起起131）由外力直接引起的裂纹由外力直接引起的裂纹2）由附加应力和残余应力引起的裂纹3）由温度应力（热应力）及组织应力引起的裂纹n从从组织角度组织角度分析裂纹产生原因：分析裂纹产生原因：na.a.由由冶金

11、冶金和和组织缺陷处组织缺陷处应力集中应力集中引起引起nb.b.由由第二相第二相及及夹杂物本身夹杂物本身的的强度低强度低和和塑塑性低性低引起引起nc.c.由由第二相第二相及及非金属夹杂非金属夹杂与与基体之间基体之间在在力学力学和和理化性能理化性能上有上有差异差异引起引起17防止产生裂纹的原则措施从下列因素来考虑：防止产生裂纹的原则措施从下列因素来考虑： 1)增加静水压力。增加静水压力。2)选择和控制合适的变形温度和变形速度。选择和控制合适的变形温度和变形速度。3)采用中间退火，以便消除变形过程中产生的硬化、采用中间退火，以便消除变形过程中产生的硬化、 变形不均匀、残余应力等。变形不均匀、残余应力

12、等。 4)提高原材料的质量。提高原材料的质量。第三节第三节 塑性成形件中的晶粒度塑性成形件中的晶粒度一、晶粒度的概念一、晶粒度的概念l 晶粒度晶粒度是表示是表示金属材料晶粒大小的程度金属材料晶粒大小的程度，它，它是由单位面积内所包含晶粒个数来衡量，也是由单位面积内所包含晶粒个数来衡量，也可用晶粒平均直径大小可用晶粒平均直径大小(以毫米或微米为单位以毫米或微米为单位)来表示。来表示。l晶粒度级别越高，说明晶粒度级别越高，说明单位面积内包含晶粒单位面积内包含晶粒个数越多，亦即晶粒越细。个数越多，亦即晶粒越细。l 钢的晶粒度有两种概念，即钢的晶粒度有两种概念，即钢的奥氏体本质晶粒度钢的奥氏体本质晶粒

13、度和和钢的奥氏体实际晶粒度钢的奥氏体实际晶粒度。l钢的钢的奥氏体本质晶粒度奥氏体本质晶粒度是将钢加热到是将钢加热到930，保温，保温适当时间适当时间(一般一般38h)，冷却后在室温下放大，冷却后在室温下放大100倍观察到的晶粒大小。倍观察到的晶粒大小。l钢的钢的奥氏体实际晶粒度奥氏体实际晶粒度是指钢加热到某一温度下获是指钢加热到某一温度下获得的奥氏体晶粒大小。得的奥氏体晶粒大小。二、晶粒大小对力学性能的影响二、晶粒大小对力学性能的影响l 一般情况下，一般情况下，晶粒细化晶粒细化可以提高金属材料的屈可以提高金属材料的屈服强度服强度(s)、疲劳强度、疲劳强度(-1)、塑性、塑性(、)和冲和冲击韧度

14、击韧度(k)降低钢的脆性转变温度。降低钢的脆性转变温度。l因为因为晶粒越细晶粒越细，不同取向的晶粒越多，变形能较，不同取向的晶粒越多，变形能较均匀地分散到各个晶粒，即均匀地分散到各个晶粒，即可提高变形的均匀性，可提高变形的均匀性，同时，晶界总长度越长，位错移动时阻力越大，同时，晶界总长度越长，位错移动时阻力越大，所以能提高强度、塑性和韧性所以能提高强度、塑性和韧性。2223三、三、 影响晶粒大小的主要因素影响晶粒大小的主要因素 1）加热温度加热温度 加热温度包括塑性变形前的加热温度和因溶处加热温度包括塑性变形前的加热温度和因溶处理时的加热温度。理时的加热温度。 2）变形程度变形程度l 塑性变形

15、后，内部的晶粒受到不同程度的变形塑性变形后，内部的晶粒受到不同程度的变形和破碎，随变形程度的增加，和破碎，随变形程度的增加，晶粒的变形和破晶粒的变形和破碎程度也越严重，最后完全看不到完整的晶粒碎程度也越严重，最后完全看不到完整的晶粒而成为纤维状组织。而成为纤维状组织。l 一定温度下，热变形的晶粒大小与变形程度之一定温度下，热变形的晶粒大小与变形程度之间的关系间的关系（如图（如图5-17所示）所示）n两个峰值，两个大晶粒区两个峰值，两个大晶粒区n第一个大晶粒区，临界变形区第一个大晶粒区，临界变形区n第二个峰值出现的原因：第二个峰值出现的原因：1）变形程度大，内部很大热效应，引起锻件实际变）变形程

16、度大，内部很大热效应，引起锻件实际变形温度大幅度升高形温度大幅度升高2）变形程度大，沿晶界分布的杂质破碎并分散，造）变形程度大，沿晶界分布的杂质破碎并分散，造成变形的晶粒与晶粒之间局部地区直接接触，从而成变形的晶粒与晶粒之间局部地区直接接触，从而促使形成大晶粒促使形成大晶粒25 3）机械阻碍物机械阻碍物l 有些材料随加热温度升高，晶粒分阶段突然长有些材料随加热温度升高，晶粒分阶段突然长大，而不是随温度升高成直线关系长大。大，而不是随温度升高成直线关系长大。l这是由于金属材料中存在机械阻碍物，对晶界有这是由于金属材料中存在机械阻碍物，对晶界有钉札作用，阻止晶界迁移的缘故。钉札作用，阻止晶界迁移的

17、缘故。l 机械阻碍物在钢中可以是氧化物机械阻碍物在钢中可以是氧化物(如如AI2O3等等)、氮化物氮化物(如如AIN、TiN等等)、碳化物、碳化物(如如VC、TiC等等)；在铝合金中可以是在铝合金中可以是Mn、Ti、Fe等元素及其化合等元素及其化合物。物。l对晶粒度的影响，除以上三个基本因素外，还有对晶粒度的影响，除以上三个基本因素外，还有变形速度、原始晶粒度和化学成分变形速度、原始晶粒度和化学成分等。等。 四、细化晶粒的主要途径四、细化晶粒的主要途径 使塑性成形件使塑性成形件获得细晶粒的主要途径获得细晶粒的主要途径有：有： (1)在原材料冶炼时加入一些合金元素在原材料冶炼时加入一些合金元素(如

18、钽、如钽、铌、锆、钼、钨、钒、钛等铌、锆、钼、钨、钒、钛等)及最终采用铝、及最终采用铝、钛等作脱氧剂钛等作脱氧剂 （2）采用适当的变形程度和变形温度）采用适当的变形程度和变形温度 （3）采用）采用锻后正火（或退火）锻后正火（或退火）等相变重结晶等相变重结晶的方法的方法第四节第四节 塑性成形件中的折叠塑性成形件中的折叠l 折叠折叠是在金属变形流动过程中已氧化过的表是在金属变形流动过程中已氧化过的表面金属汇合在一起而形成的面金属汇合在一起而形成的。l 在零件上，在零件上，折叠是一种内患折叠是一种内患。它不仅减小了。它不仅减小了零件的承载面积，而且工作时此处产生应力零件的承载面积，而且工作时此处产生

19、应力集中，常常成为疲劳源。因此，技术条件中集中，常常成为疲劳源。因此，技术条件中规定锻件上一般不允许有折叠。规定锻件上一般不允许有折叠。一、一、 折叠特征折叠特征 锻件中的折叠一般具有下列特征：锻件中的折叠一般具有下列特征： 1).折叠与其周围金属流线方向一致折叠与其周围金属流线方向一致 如图如图522所示所示2).折叠尾端一般呈小圆角或枝叉形折叠尾端一般呈小圆角或枝叉形(鸡爪形鸡爪形) 如图如图523、图图524所示所示3）折叠两侧有较重的脱碳、氧化现象。二、二、 折叠的类型及形成原因折叠的类型及形成原因1由两股由两股(或多股或多股)金属对流汇合而形成的折叠金属对流汇合而形成的折叠 这种类型

20、的折叠其形成原因有以下几方面：这种类型的折叠其形成原因有以下几方面： 1)模锻过程中由于某处金属充填较慢，而在相邻部分模锻过程中由于某处金属充填较慢，而在相邻部分均已基本充满时，此处仍缺少大量金属，均已基本充满时，此处仍缺少大量金属，形成空腔，形成空腔，于是相邻部分的金属便往此处汇流而形成折叠于是相邻部分的金属便往此处汇流而形成折叠 2)弯轴和带枝叉的锻件弯轴和带枝叉的锻件，模锻时常易由两，模锻时常易由两股流动金属汇合形成折叠股流动金属汇合形成折叠 如图如图525、图图526所示。所示。3)由于变形不均习，两股(或多股)金属对流汇合而成折叠 312.由一股金属的急速大量流动将邻近部分的表层金属

21、由一股金属的急速大量流动将邻近部分的表层金属带着流动，两者汇合形成的折叠带着流动，两者汇合形成的折叠3.由于变形金属发生弯曲、回流而形成的折叠 分为两种情况：分为两种情况：l(1)细长细长(或扁薄或扁薄)锻件，先被压弯然后发展锻件，先被压弯然后发展成的折叠成的折叠 ；l(2)由于金属回流形成弯曲，继续模锻时发由于金属回流形成弯曲，继续模锻时发展成的折叠展成的折叠4.部分金属局部变形，被压入另一部分金属内部分金属局部变形，被压入另一部分金属内而形成的折叠而形成的折叠 如下图如下图n防止产生折叠，可采取的措施如下：防止产生折叠，可采取的措施如下：1）中间部分金属在终锻时的变形量小一）中间部分金属在

22、终锻时的变形量小一些，即使由中间部分排出的金属量尽量些，即使由中间部分排出的金属量尽量少一些；少一些；2）创造条件，使终锻时由中间部分排出）创造条件，使终锻时由中间部分排出的金属量尽可能向上、下模腔中流动，的金属量尽可能向上、下模腔中流动，继续充填模腔继续充填模腔35第五节第五节 塑性加工中的失稳塑性加工中的失稳l 在塑性加工中，在塑性加工中，当材料所受载荷达到某一临界值当材料所受载荷达到某一临界值后，即使载荷下降，塑性变形还会继续，这种现象后，即使载荷下降，塑性变形还会继续，这种现象称为塑性失稳称为塑性失稳l 失稳有失稳有压缩失稳压缩失稳和和拉伸失稳拉伸失稳。l压缩失稳：压缩失稳：刚度刚度参

23、数，主要表现为坯料的弯曲和起参数，主要表现为坯料的弯曲和起皱，在皱，在弹性或塑性变形范围内弹性或塑性变形范围内都可能产生。都可能产生。l而拉伸失稳：而拉伸失稳：强度强度参数，主要表现为明显的非均匀参数，主要表现为明显的非均匀伸长变形，在坯料上产生局部变薄或变细现象，其伸长变形，在坯料上产生局部变薄或变细现象，其进一步发展是坯料的拉断或破裂，进一步发展是坯料的拉断或破裂，只产生在塑性变只产生在塑性变形范围内。形范围内。第五节第五节 塑性加工中的失稳塑性加工中的失稳 在塑性加工中，当材料所受载荷达到某一临界值后，即使载荷下降，塑性变形还会继续，这种现象称为塑性失稳 失稳有压缩失稳和拉伸失稳。压缩失

24、稳的主要影响因素是刚度参数，它在塑性成形中主要表现为坯料的弯曲和起皱，在弹性或塑性变形范围内都可能产生。而拉伸失稳的主要影响因素是强度参数，它主要表现为明显的非均匀伸长变形，在坯料上产生局部变薄或变细现象，其进一步发展是坯料的拉断或破裂，只产生在塑性变形范围内。一、一、 拉伸失稳拉伸失稳1.单向拉伸时的塑性失稳单向拉伸时的塑性失稳当当 时，且标距内的试样时，且标距内的试样横截面积相等，横截面积相等，变形是均匀的变形是均匀的。当当 时，出现缩颈，时，出现缩颈，缩缩颈处的加工硬化不能补偿其横截颈处的加工硬化不能补偿其横截面积的减小，面积的减小，使变形集中在缩颈处，而其他截面的变使变形集中在缩颈处，