工程材料固态成形课件

第七章金属塑性成形技术对坯料施加外力使其产生塑性变形，以改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛胚的成形加工方法。一、基本种类•体积（质量)不变规律压力加工的特点：

1、改善金属的组织、提高力学性能

2、材料的利用率高：金属的体积重新分配

3、较高的生产率：利用压力机和模具进行成形加工

4、毛坯或零件的精度较高•材料：钢和非铁金属在冷或热态下加工•

用途：承受冲击或交变应力的零件•

缺点：不能加工脆性材料和形状复杂（内腔）或体积特别大的零件或毛坯

第一节金属塑性成形原理一、塑性变形机理

1、宏观－－微观（晶内和晶间）

2、塑性变形：在外力作用下—产生晶格畸变--增大时—晶格错动（滑移和孪晶－－单晶体）主要为滑移：在切应力的作用下，晶体的一部分相对于晶体的另一部分沿一定的晶面做整体滑动。（过程、位置与方向）滑移面一般是晶格中原子分布最密的面滑移方向：原子分布最密的结晶方向滑移和孪动都是发生在单个晶粒内部的变形称为晶内变形。

多晶体的变形方式除晶粒本身的滑移和孪动外，还有在外力作用下晶粒间发生的相对移动和转动而产生的变形，即晶间变形。

实际晶体的滑移是在切应力的作用下，通过滑移面上的位错运动进行的，位错由内部移至表面，就实现了晶体的塑性变形。

孪动也是在一定的切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分，沿着一定的晶面和方向发生转动的结果，已变形部分的晶体位向发生改变，与未变形部分以孪晶面对称多晶体内存在大量的晶界，晶界附近的晶格畸变程度大，对位错的移动起阻碍作用，使多晶体具有较大的变形抗力，晶粒越细，变形抗力越大，同时在总塑性变形量一定时，多晶体变形也被分散在各个晶粒内进行，使变形均匀而不致产生过大的应力集中，所以，晶粒越细，其强度越高，塑性和韧性也越好。多晶体位错滑移（晶界处）位错堆积、交割、缠结，原子势能提高，内能增加，处于不稳定的高自由能状态；软位向晶粒发生滑移，位错堆积到一定程度发生转动滑移停止。并将形变传递到另一批位于软位向的晶粒。以此类推，直至全部晶粒都发生滑移为止。二、冷塑性变形对金属组织与性能的影响

1、残余应力其内部晶粒沿变形量最大的方向(晶向）被拉长，并出现大量微小的碎晶，滑移面附近晶格严重扭曲。使晶格处于不平衡状态，产生残余应力。塑性变形不一致引起。

2、冷变形强化由于畸变严重，硬度、强度加大，塑性明显下降;使得塑变抗力加大，进一步变形困难。又称加工硬化。冷变形的材料的各向异性还会引起材料的不均匀变形。

3、加热对冷塑性变形后的组织与性能的影响

A、回复：加热温度较低，原子扩散能力弱，位错微量改善，残余应力部分消失，硬化基本保留。T回=（0.25－0.3）T熔显微组织无明显变化。（晶粒的大小、形状和金属的强度、塑性变化不大

B、再结晶：加热温度T再=（0.4）T熔，原子扩散能力增强，破碎晶粒重新形核并长大，形成新的晶粒，消除了冷变形强化现象，使得机械性能各指标恢复。内应力、硬化消除。

c、金属的热变形与冷变形

冷变形：金属在再结晶温度以下进行的塑性变形热变形：金属在再结晶温度以上的变形变形后的金属无冷变形强化组织，故若要使变形正常维持，必须使金属材料保持在再结晶温度以上。

三、金属热变形后的组织与性能

1、改善组织破碎枝状晶粒，再结晶为等轴晶

2、形成纤维组织：金属性能呈现各向异性。106

应使零件工作时受力方向与纤维方向保持一定关系，并在安排加工工艺时保持纤维轮廓完整。衡量锻造变形程度的一指标。锻造比：Y拔=S0/SY墩=H0/H；

四、材料塑性成形性能－－锻造性能

1、金属的锻造性能是金属在压力加工时获得优质塑性成形件的难易程度（金属的塑性和塑性变形抗力来衡量）取决于材料性能与变形条件

2、影响因素材料组织本身（化学成分、组织）变形条件（温度、变形速度、变形形式等）坯料表面质量

B、常用材料锻造性碳钢－合金钢铸铁第二节金属塑性成形方法一、自由锻

1、是利用压力或冲击力使金属在上下砧铁（平面）之间产生塑性变形，以获得所需形状及尺寸锻件的方法。（适用于生产特大型锻件）

2、特点：尺寸精度低、形状简单、效率低，尺寸大小范围宽。

3、分类：手工和机器（锤锻和液压机）设备常用空气锤、蒸汽－空气锤

4、按变形的性质和并行的程度可分为：基本工序、辅助工序和精整工序在实际生产中常用基本工序：拔长、镦粗、冲孔。弯曲：使坯料轴线产生一定曲率的工序扭转：使坯料一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序错移：坯料一部分相对于另一部分平移错开的工序切割：分割坯料或去除锻件余量的工序辅助工序：使基本工序操作方便而进行的预变形工序（压钳口、切肩）修整工序：用以减少锻件表面缺陷而进行的工序

二、模锻

1、是利用压力或冲击力使金属坯料在一定形状锻模模膛内受压后变形，以获得锻件的方法。

2、优缺点：与自由锻相比

3、按所用的设备不同：锤上模锻、胎膜锻、压力机上模锻等（一）锤上模锻

工序与模具：

据功用不同：

制坯模膛：拔长、弯曲、滚压、镦粗台与压肩台

模锻模膛：预锻、终锻

切断模膛

1、2、3

设备:摩擦压力机,曲柄压力机（二）平锻机上模锻（三）胎模锻在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的方法－－空气锤上的（简易）模锻常用的结构：扣模、套模、合模（四）自动生产线六、拉拔、挤压与轧制。五、薄板冲压成形－冲压成形五、薄板冲压成形－板料冲压1、利用冲模使板料分离或变形的加工方法。2、特点：生产效率高、质量好且稳定、重量轻，常用作结构件。（一）冲压工序

1、基本工序（分离工序和变形工序）

A、冲裁－分离工序成形过程：弹性、塑性、断裂。分为切断、落料与冲孔。刃口尺寸的计算

B、拉深－－压延板料在凸模的作用下压入凹模变形成为中空形状的冲压工序。

基本过程受力状态

破坏现象

C、弯曲板料弯成一定角度一定曲率形状零件的工序。

受力状态回弹

D、翻边、胀形、收口、压筋

2、冲压设备：剪床冲床

3、冲压模具

A、简单：一个冲程完成一个工序。

B、连续：一个冲程在模具不同位置完成多个工序。

C、复合：一个冲程在模具同一位置上下完成多个工序。六、拉拔、挤压与轧制。四、先进成形方法

1、精密模锻：精冲

2、液态：铸锻结合

3、高速：变形速度

4、超塑性：超细晶粒

5、多点板料成形：无模具

6、数控冲裁、弯曲、成形

7、其他：1,2-3滑移多晶体位错强化回复与再结晶锻造温度纤维组织1、晶粒软、硬位相趋于一致；2、杂质形成链、带状纤维轮廓热变形与性能及各向异性温度与性能变形形式热变形与性能及各向异性空气锤蒸汽－空气锤锤上模锻锻模曲柄压力机摩擦压力机冲裁原理拉深1拉深2起皱弯曲简单模连续模复合模精冲原理多点成形数控弯曲图1常用的压力加工方法（a）自由锻

b）模锻c）板料冲压d）挤压（e）扎制(f）拉拔图－8拔长图-9使用V型砧铁拔长圆坯料图

镦粗a）全镦粗b）局部镦粗

图2-10冲孔

a）薄坯料冲孔b）厚坯料冲孔1－冲头2－坯料3－垫环4－芯料

正挤压金属流动方向与凸模运动方向相同，

反挤压金属流动方向与凸模运动方向相反

复合挤压金属坯料的一部分流动方向与凸模运动方向相同，另一部分流动方向与凸模运动方向相反

径向挤压金属流动方向与凸模运动方向成90°角

按照挤压时金属坯料所处的温度不同：

1、热挤压变形温度高于金属材料的再结晶温度

2、冷挤压变形温度低于材料再结晶温度（通常是室温）的挤压工艺。冷挤压时，为了降低挤压力，防止模具损坏，提高零件表面质量，必须采取润滑措施

3、温挤压将坯料加热到再结晶温度以下高于室温的某个合适温度下进行挤压的方法，是介于热挤压和冷挤压之间的挤压方法。

为防止拉裂采取的措施：

1、限制拉深系数：m是衡量拉深变形程度大小的主要工艺参数m=d/D02、凸凹模工作部分必须加工成圆角

3、合理的凸凹模间隙

4、减小拉深时的阻力扣模套模合模胎模示意图

拉拔示意图

1—坯料2—拉拔模3—制品

对金属坯料施加强大的压力作用，使其塑性变形从挤压模具的模口中流出，获得所需形状及尺寸制品的塑性成形方法。根据金属流动方向和凸模运动方向的不同可分为以下四种方式：（１）

正挤压（２）

反挤压（３）

复合挤压（４）

径向挤压轧制：金属坯料在回转轧辊的孔隙中，靠摩擦力的作用连续送入轧辊而产生塑性变形，从而获得所要求截面形状并改变其性能的加工方法。轧辊轴线与坯料轴线方向的不同：纵轧、横轧、斜轧轧制时坯料所处的温度：热轧、冷轧

利用冲模在压力机上使板料分离或变形，从而获得冲压件的加工方法称为板料冲压。板料冲压的坯料厚度一般小于10mm，通常在常温下冲压，故又称为冷冲压。原材料：

具有塑性的金属材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、