金属塑性加工技术

1、金属塑性加工技术第1页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三第一篇 绪论及金属材料加工方法一、材料加工的内涵 1.材料合成：是指通过一定的途径，从气态、液 态或固态的各种不同原材料中得到 化学上不同于原材料的新材料。 2.材料加工：是指通过一定的工艺手段使新材料 在物理上处于和原材料不同的状态 (化学上完全相同)。 第2页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 3. 材料加工所涉及的内容： (1) 液态金属的凝固； (2) 金属塑性加工； (3) 粉末冶金加工； (4) 无机非金属材料加工； (5) 复合材料和高分子材料加工； (6) 材料连接加工； (7) 材

2、料切割加工。 目前，金属材料在日常生活和高科技中占有相当大的比例，其加工技术是其它加工的基础，因此，本门课程主要讲述金属塑性加工技术。 第3页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 4.材料的可加工性： 材料对各种加工工艺手段所表现出来的特性，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。 5.材料加工的基本原则： 材料加工必须统筹考虑材料构件的使用性能、工艺性能、环保性能及经济性，经过对比分析、系统考虑后，找出解决实际工程要求的方法和途径。 第4页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三可塑性加工性使金属很容易塑性成形的材料性质，常与成形性能互换

3、，包括变形阻尼（强度及流动应力）和破裂前的可能变形程度（延性）。 其中着重强调的是破裂前材料的变形极限（板料）。更一般的意义： 塑性加工性是在特定金属成形工艺中材料在不出现不希望有的状况条件下所能达到的最大变形程度。第5页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三二、金属塑性加工 1.定义：利用金属材料在外力作用下产生塑性变 形，从而获得具有一定几何形状、尺寸 和力学性能及物理化学性能的材料、毛坯或 零件的加工方法。 2.适用范围：钢、有色金属及其合金。 3. 类别：冷加工、热加工、温加工、半固态加工等； 4.主要生产方式（基本）： (1) 轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面

4、积减小，长度增加的过程。第6页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 纵轧、横轧、斜轧；平辊、型辊。 产品：板带箔，如：电冰箱外壳、洗衣机外壳 管棒型线。 其它：连续轧制、多辊轧制(24辊)、孔型轧制等。 (2) 挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔 中流出而制取各种断面金属材料的 加工方法。 正挤、反挤 产品：管棒型线，如：铝合金门窗 其它：连续挤压。第7页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 (3) 拉拔：使用拉力，将金属坯料拉过拉拔模 的模孔而变形的加工方法。 产品：管棒型线，如：灯丝、冷凝管 其它：连续拉拔、多模拉拔 (4) 锻造： A.自由锻：金属在

5、上下抵铁间受到冲击力或压 力而变形的加工。 B. 模 锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受 冲击力或压力而变形的加工。 产品：各种锻件，如：机器的立柱、弯曲连杆 第8页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 (5) 冲压：金属坯料在冲模记之间受压产生分 离或变形的加工方法。 产品：各种冲压件，如：易拉罐、弹壳 4. 特点： (1) 质量比铸件好； a.热变形，细化晶粒；b.消除铸造缺陷。 (2) 少切削，节省金属； （3）产量大、生产率高。 (4) 难以形成复杂件。第9页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三5.特种塑性成形（1） 超塑性成形 金属或合金在特定条件

6、下，即低的形变速率（10-2/10-4/s)、一定的变形温度T0.5Tm和均匀的细晶粒度（0.20.5um），其延伸率超过100%以上的特性。如:铝合金、钛合金及高温合金。（2）旋压成形 利用旋压机使坯料和模具以一定的速度共同旋转，并在滚轮的作用下使坯料在与滚轮接触的部位上产生局部变形，获得空心回转体的加工方法。第10页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三（3）粉末冶金锻造 是粉末冶金与锻造工艺的结合。可显著提高粉末冶金件的机械性能，同时又保证粉末冶金的优点。是制取高强高韧粉末冶金件提供一种新的加工方法。（4）液态模锻 将一定量的液态金属直接注入金属模膛，随后在压力的作用下，

7、是处于熔融或半熔融状态的金属液发生流动并凝固成形，同时伴有少量塑性变形，从而获得毛坯或零件的加工方法。其它：高能率成形、充液拉深等。第11页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三三、金属塑性变形理论 1. 金属塑性变形的基本理论： 单晶体塑性变形：滑移和孪生， 多晶体塑性变形： (1) 晶粒内的滑移、孪生和转移 (2) 晶粒间的滑动、转动及转移 2. 塑性变形对金属组织的影响： (1) 显微组织的变化：形成“纤维组织”； (2) 亚结构的细化：位错缠结、晶粒破碎； 第12页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 (3) 织构现象的产生： 织构：在塑性变形过程中，

8、晶粒转动，当变形 量达到一定程度(7090%以上)时，会使 绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋 于一致。 a. 缺陷：制耳； b. 优点：使硅钢片的特定晶界、晶向平行于磁 力线方向，提高导磁率，减小磁滞耗 损。第13页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 3. 塑性变形对金属性能的影响： (1) 对力学性能的影响：强度、硬度， 塑性、韧性 (2) 残余应力： a. 材料经塑性变形后残存在内部的应力。 b. 是一种弹性应力，在金属中处于自相平 衡的状态； 可分为三种： a. 宏观残余应力(第一类内应力) b. 微观残余应力(第二类内应力) c. 晶格畸变应力(第三类内应力) 第

9、14页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 (3) 对理化性能的影响： a. 电阻率； b. 电阻温度系数； c. 导磁率； d. 导热率； e. 腐蚀。 4. 变形金属在加热时组织与性能的变化： (1) 回复、再结晶和晶粒长大： a. 回复：把经过冷变形的金属加热时，在显 微组织发生变化前所发生的一些亚 结构的改变过程称为回复。 特点：显微组织没有明显变化； 力学性能变化不大； 残余应力显著降低； 理化性能基本恢复到变形前情况。 第15页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 应用：低温去应力退火(深冲黄铜弹壳， 会自动变形，甚至开裂，需经 2600左右的去

10、应力退火)。 b. 再结晶：变形金属加热到较高温度时，由 于原子扩散能力增加，在晶格畸 变严重处形成一些位向与变形晶 粒不同，内部缺陷减少的等轴小 晶粒，这些小晶粒不断向外扩展 长大，直至金属中的变形金属全 部被等轴晶取代，即冷变形组织 完全消失，这一过程为再结晶。 第16页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 变形金属的再结晶： 位错密度，强度、硬度， 塑性、韧性，内应力消除。 再结晶温度： 开始产生再结晶现象的最低温度； 工业条件下定义： 经大变形量(70%以上)的金属，在一小时的 保温时间内全部完成再结晶所需的最低温度。 影响因素： 预先变形程度 加热速度与保温时间 原

11、始晶粒度 金属纯度及成分第17页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 再结晶后晶粒度的影响因素： 预先变形程度： 临界变形度：金属获得粗大 的再结晶晶粒 的冷变形量。210% 引起粗晶的原因：变形量较小，形成的再结晶核 心少，造成晶粒异常长大。 当变形量很大时，晶粒又粗大，沿一定方向长大。 加热温度与保温时间：T，t，晶粒。再结晶全图：加热温度、冷变形程度、晶粒大小关系的图。 “三度”：加工温度、加工速度、变形程度。 第18页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 c. 晶粒长大：再结晶后，形成等轴晶，若 T，或t，则d。 是一个自发过程： d，晶界面积，表面

12、能，能量降低的自发过程。 实质：晶界迁移。 一个晶界的边界向另一晶粒迁移，把另一晶粒中的晶格位向逐步地改变成为与这个晶粒相同的晶格位向，于是另一晶粒便逐步地被这一晶粒“吞并”，合并成为一个大晶粒。 正常长大与异常长大： 正常长大：再结晶后的晶粒细而均匀，长大时均匀； 异常长大：再结晶后的晶粒大小不均匀，大晶粒吞 并小晶粒，形成异常粗大的晶粒。 (二次再结晶) 第19页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三四、金属塑性加工技术的发展 金属塑性加工(材料加工工程)是材料科学与工程的二级学科，它的范围包括了所有的金属材料成形技术。 在我国金属塑性加工学科长期化分为机械类压力加工和冶金

13、类压力加工。在人们的观念中，机械类压力加工就是锻压、冶金类压力加工就是轧钢。这种观念某种程度上阻碍了塑性加工技术的发展，面对锻压和轧钢设备与技术的暂时停滞，有人评论：塑性加工是夕阳工业。 这无疑是错的! 第20页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三1. 历史的回顾 4000多年前(青铜器时代)，金属的塑性加工与金属的熔炼与铸造同时出现，可加工铜、铁、银、金、铅、锌、锡等，所采用的工艺包括热锻、冷锻、板材加工、旋压、箔材和丝材拉拨。 近代第一次技术革命开始于18世纪中叶，以蒸汽机的发明和广泛使用为标志，从而实现了手工工具到机械工具的转变。塑性加工也从手工自由锻向机械压力机(蒸汽

14、锤、自由锻锤及蒸汽轧钢机)进步。 近代第二次技术革命以电力技术为主导，电磁理论的建立，为电力取代蒸汽动力的革命奠定了基础。金属塑性加工设备以蒸汽向电力驱动进步。机械制造业的进一步发展，提高了塑性加工设备的制造水平，出现了轧钢机、挤压机、锻造机、拉拨机和压力机。 现代科技革命开始于上世纪40年代，其主要标志为电子技术的发展，电控和电子计算机的应用，塑性加工设备和技术向全流程自动化进步。现在可以做到配料、熔炼、铸造、轧制及随后处理全线自动化。 第21页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三2. 金属塑性加工体系的思维模式(1) 传统金属塑性加工体系的思维模式 以轧钢为例，二战以来，

15、对钢厂建设模式工程逻辑的实质可用叠加蔓延万能化概括。即以初轧机为中心，确定钢厂的工艺布置和规模，扩大能力时，一台初轧机不够就搞两个，即所谓的叠加；由初轧厂往后配置，由于初轧机可以万能开坯，成品轧机可以“蔓延”，设置板管型棒线，而且某一类轧机一台不够还可以搞同类的，由此而形成超大规模的“万能”钢厂。 第一次石油危机后，能源价格的上涨，推动了原材料及装备价格上涨，同时也由于连铸技术的发展与完善大幅度降低了产品的单耗，成材率明显提高，初轧机逐步被淘汰，这使钢厂结构发生深刻变化，由此引发钢厂模式的工程逻辑有了根本性进步，这就是“临介紧凑”的系列化专业化。所谓临介即某工序的功能参数达到或超过某一数值后，

16、则将使工艺流程中的某一工序或设备被淘汰或是其若干功能被取代，从而实现生产工艺流程的紧凑化。临介紧凑发展的必然趋势是专业化、系列化和高附加产值化。 第22页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三(2) 塑性加工发展的思路 就轧钢而言，从临介紧凑的思维出发，当铸造技术达到一定的临介值后，初轧己被取消，热连轧也行将被取代，面临这种局面，塑性加工工作者如何思考塑性加工的发展与创新呢? 受现代科技革命的影响，塑性加工技术表现出以下显著特征：塑性加工技术的发展表现在技术的工程科学化、技术的集合化及智能化。 a.技术的工程科学化。 b. 技术的集合化。第23页，共32页，2022年，5月20

17、日，22点1分，星期三a. 技术的工程科学化。 塑性加工技术从原来的技术向工程科学进步，以轧制理论为例，战前主要靠经验，一般把轧制看成是一种技艺，战后第一个10年是钢铁工业迅速发展时期，轧机的设计者迫切需要有关知识，众多的轧制力，宽展公式问世，第二个10年是第三代轧机的准备期，一方面提高轧制精度，另一方面研究和描述轧制的动态方程，使理论与技术取得重大进展，1965年由计算机控制的带材轧机的建成就是其标志，自适应控制技术的成功应用对稳定自动控制的轧制操作起重要作用。b. 技术的集合化。 轧制工程愈来愈连续化、自动化，并且成为一个大而复杂的系统。连续式冷轧机不仅实现了无头轧制，而且将前后酸洗、退火

18、、精整等工序全部连接起来，连铸使过程更加宠大，为使这种复杂生产系统正常运行，维持高的作业水平，设计能力水平，必须用系统的观点来处理工艺过程。 第24页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三3、当前有色金属塑性加工技术发展趋势随着科学技术整体的飞速进步，金属塑性加工技术也取得了迅速发展。人们充分认识到随着科学技术整体的飞速进步，金属塑性加工技术也取得了迅速发展。人们充分认识到最终决定材料及产品结构和控制性能的关键是合成与加工。因此，材料科学与材料工程学紧密结合成为开发新材料和提高传统材料性能的必然途径。有色金属材料加工技术向高精度、高性能、低消耗、低成本、优化生产过程和自动化方向

19、发展。最终决定材料及产品结构和控制性能的关键是合成与加工。因此，材料科学与材料工程学紧密结合成为开发新材料和提高传统材料性能的必然途径。有色金属材料加工技术向高精度、高性能、低消耗、低成本、优化生产过程和自动化方向发展。目前金属塑性加工技术现状与总的发展趋势是主要体现在以下一些方面。第25页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三 1、生产方法、工艺技术向着节能降耗、综合连续、优化精简、高速高效的方向发展。如实行冶炼、铸造与加工的综合一体化，采用连铸连轧，连续铸轧、连续铸挤，半固态加工等新工艺技术；尽量生产最终和接近最终形状产品；利用余热变形、热变形与温变形配合，冷加工与热加工变

20、形量之间的优化匹配，变形与热处理的配合，省略或减少加热与中间退火次数等。第26页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三2、工艺装备更新换代加快，设备更趋大型、精密、成套、连续，自动化水平更加提高。生产线更趋大型化、专业化。产品单重大大增加。3、产品向多品种、高质量、高精度发展，产品结构不断调整，新材料新产品不断被开发。轻型薄壁材料、复合材料、镀层涂层材料等不断发展，产品注重深度加工，有色材料的产品综合性能和使用效能大大提高。第27页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三4、工模具结构、材质，加工工艺、热处理工艺和表面处理工艺不断改进和完善。模具的质量和使用效果、寿命得到极大的提高。5、在加工辅助工序和其他环节，开发新型辅助设备，采取先进技术和多种工艺措施，提高产品质量与生产率。6、金属的再生技术、废料回收与综合利用得到高度重视，生产企业向环保型、节约型、可持续发展型方向发展。第28页，共32页，2022年，5月20日，22点1分，星期三7、十分注重信息的全面采集与开发，生产运行体制和机制不断调整优化，管理全面实现现代化和科学化。8、加强塑性加工技术的理论研究和实验研究，探索合金成分、加工工艺、组织性能的变化规律和最佳组配，以优