棒材工藝教程(第二章第二節(jié)軋制原理1).ppt

一金屬的塑性加工,第二節(jié)軋制原理,二軋制過程基本概念,一金屬的塑性加工,金屬的塑性：是指金屬在外力作用下，穩(wěn)定地發(fā)生永久變形而又不破壞其完整性的能力。塑性好的金屬，變形量既使很大也不破壞；而塑性差的金屬，變形量即使很小也可能產(chǎn)生裂紋。,金屬的塑性和柔軟性是兩個完全不同的概念，金屬的柔和硬是指金屬對變形的抵抗能力，金屬柔說明該金屬材料對變形抵抗能力小，也就是說只需較小的變形力就可以使金屬產(chǎn)生塑性變形。金屬硬說明該金屬抵抗變形的能力大，就說需要用較大的變形力才能使金屬產(chǎn)生塑性變形。,一金屬的塑性加工,金屬材料通過冶煉、鑄造，獲得鑄錠后，可通過塑性加工的方法獲得具有一定形狀、尺寸和機械性能的型材、板材、管材或線材，以及零件毛坯或零件。塑性加工包括鍛壓、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等方法。金屬在承受塑性加工時，產(chǎn)生塑性變形，這對金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能會產(chǎn)生重要的影響,一金屬的塑性加工,塑性變形中的力,力和應(yīng)力金屬壓力加工過程，通過工具（軋輥或模具）把外力傳到金屬上，在外力作用下，金屬運動受到阻礙時，金屬內(nèi)部則產(chǎn)生與外力平衡地內(nèi)力，同時引起金屬變形。故金屬發(fā)生的變形是受外力和內(nèi)力作用的結(jié)果。,一金屬的塑性加工,外力,金屬在變形時所受的外力可分為三種；即作用力、約束反力、摩擦力。,A作用力是由壓力加工設(shè)備的動作而產(chǎn)生的（如鍛錘的機械動作，軋輥的轉(zhuǎn)動等）。作用力的大小由金屬變形時所需能量的大小所決定。B約束反力：在變形過程中，工具或模具阻止被加工物體的整體運動和質(zhì)點流動而作用于該物體上的力稱為約束反力。C摩擦力：摩擦力在金屬壓力加工中一般來講總是存在的。因為在加工工具與金屬的接觸面上總是有一定程度的粗糙不平，當(dāng)變形金屬的質(zhì)點與接觸面相對運動時，接觸面上必然產(chǎn)生一個與金屬質(zhì)點運動方向相反的阻力T，這個阻力叫摩擦力。,一金屬的塑性加工,內(nèi)力和應(yīng)力,物體在外力或其它物理或物理化學(xué)的作用下，使原子間距發(fā)生變化，就產(chǎn)生內(nèi)力。,壓力加工中金屬的內(nèi)力是由以下兩方面原因引起；由于平衡外部的機械作用所產(chǎn)生的內(nèi)力（在金屬內(nèi)部產(chǎn)生與外力平衡的力）由于物理或物理化學(xué)過程所產(chǎn)生的相互平衡的內(nèi)力，一般是由于變形不均勻，溫度不均勻及相變等原因引起的。,提示：內(nèi)力的大小用應(yīng)力來表示。正應(yīng)力是指單位面積上所受的法向內(nèi)力。由于大多數(shù)情況下內(nèi)力的分布是不均勻的，因此常用平均正應(yīng)力來表示內(nèi)力的大小。,一金屬的塑性加工,變形抗力,在壓力加工中，金屬抵抗變形的能力，叫變形抗力。變形抗力大說明金屬抵抗變形的能力大，也就是所金屬比較硬，需要較大的外力才能使金屬變形。,一金屬的塑性加工,影響變形抗力的各種因素,A、金屬的化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)：純金屬與合金的變形抗力是不同的，一般純金屬的變形抗力都較小。鋼中含碳量增加，變形抗力也增加。另一方面，化學(xué)成分相同的金屬，由于組織結(jié)構(gòu)不同，其變形抗力也不相同，一般細晶粒有較大的變形抗力，粗晶粒金屬的變形抗力較小。B、變形溫度：一般來說金屬的變形抗力隨變形溫度的升高而降低。C、變形速度：金屬在熱變形時，因變形速度的增加，金屬的再結(jié)晶軟化過程來不及完成，加工硬化現(xiàn)象來不及消除，因此使變形抗力增加。D、變形程度：金屬在熱軋時，所有鋼中的變形抗力都隨著軋制溫度的降低，壓下量的增加而增加，隨變形程度的增加而增加。,一金屬的塑性加工,塑性變形的基本定律,A、體積不變定律在塑性變形過程中，根據(jù)實測和研究，鑄造狀態(tài)的金屬開始加工時，由于內(nèi)部存在疏松、縮孔、氣泡和裂紋等缺陷。因此鍛軋初期將使金屬的密度增加體積縮小，當(dāng)在軋制后的再結(jié)晶退火過程中，密度將重新恢復(fù)到原來的狀態(tài)，為此得出。金屬在壓力加工時，金屬變形前后的體積保持不變，這一規(guī)律稱為體積不變定律。B、最小阻力定律最小阻力定律：金屬塑性變形時，任何部分的質(zhì)點都按照所需功最小的路程來移動，當(dāng)路程相同時，則質(zhì)點將沿著阻力最小的方向移動，這一規(guī)律稱為最小阻力定律。C、彈塑性共存定律彈塑性共存定律指的是金屬在塑性變形過程中，一定有彈性變形存在，但并不是說在金屬發(fā)生彈性變形時，一定沒有塑性變形產(chǎn)生。,一金屬的塑性加工,影響塑性的各種因素,影響塑性的內(nèi)因A、化學(xué)成分純金屬和它的固溶體具有良好的塑性，化合物塑性較差，鋼中化學(xué)成分和雜質(zhì)的增加，會降低金屬的塑性。B、組織結(jié)構(gòu)金屬的組織結(jié)構(gòu)取決于金屬的化學(xué)成分，組成合金的主要元素的晶格；雜質(zhì)的性質(zhì)、數(shù)量及其分布；晶粒形狀的大小。另外同一化學(xué)成分的金屬或合金，由于組織不同，其塑性也不同，一般細晶粒的鋼具有較好的塑性?；衔镫s質(zhì)呈球狀分布時徐行較好，呈片狀、網(wǎng)狀分布在晶界上時，使金屬塑性下降。,一金屬的塑性加工,影響塑性的各種因素,影響塑性的外因A變形溫度一般的說，在較高溫度下金屬和合金的塑性是較好的。B變形速度變形速度是指單位時間內(nèi)變形程度的變化率。金屬在變形過程中，加工硬化發(fā)生的速度，超過軟化進行的速度，塑性明顯下降，如果軟化過程比產(chǎn)生硬化過程快或者當(dāng)變形速度增加時，由于熱效應(yīng)使金屬溫度升高，金屬由脆性區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詤^(qū)的溫度時，塑性有所提高。C應(yīng)力狀態(tài)金屬在變形時受拉應(yīng)力成分越少，壓應(yīng)力成分越多，則金屬塑性越好。,一金屬的塑性加工,金屬的塑性變形,單晶體的塑性變形的基本方式有兩種：滑移和孿生。,滑移:滑移是晶體在切應(yīng)力的作用下,晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發(fā)生滑動。,一金屬的塑性加工,金屬的塑性變形,滑移特點：A滑移只能在切應(yīng)力作用下才會發(fā)生；B滑移是晶體內(nèi)部位錯在切應(yīng)力作用下運動的結(jié)果。位借運動造成滑移；C由于位錯每移出晶體一次即造成一個原子間距的變形量,因此晶體發(fā)生的總變形量一定是這個方向上的原子間距的整數(shù)倍。D滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)進行,這是由于密排面之間、密排方向之間的間距最大，結(jié)合力最弱。金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好?；品较?qū)扑鸬淖饔帽然泼娲?，所以面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性更好。,一金屬的塑性加工,孿生,在切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面(孿生面)和晶向(孿生方向)發(fā)生切變的變形過程稱孿生。發(fā)生切變、位向改變的這一部分晶體稱為孿晶。孿晶與未變形部分晶體原子分布形成對稱。孿生所需的臨界切應(yīng)力比滑移的大得多。孿生只在滑移很難進行的情況下才發(fā)生。體心立方晶格金屬（如鐵）在室溫或受沖擊時才發(fā)生孿生。而滑移系較少的密排六方晶格金屬如鎂、鋅、鎘等,則比較容易發(fā)生孿生。,一金屬的塑性加工,多晶體的塑性變形,A多晶體中,由于晶界上原子排列不很規(guī)則,阻礙位錯的運動,使變形抗力增大。金屬晶粒越細，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強度就越大。B多晶體中每個晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應(yīng)力方向(稱晶粒處于軟位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應(yīng)力方向相差較大(稱晶粒處于硬位向)。在發(fā)生滑移時，軟位向晶粒先開始。當(dāng)位錯在晶界受阻逐漸堆積時，其它晶粒發(fā)生滑移。因此多晶體變形時晶粒分批地逐步地變形，變形分散在材料各處。晶粒越細，金屬的變形越分散，減少了應(yīng)力集中，推遲裂紋的形成和發(fā)展，使金屬在斷裂之前可發(fā)生較大的塑性變形，因此使金屬的塑性提高。由于細晶粒金屬的強度較高，塑性較好，所以斷裂時需要消耗較大的功，因而韌性也較好。因此細晶強化是金屬的一種很重要的強韌化手段。,一金屬的塑性加工,塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響,A金屬發(fā)生塑性變形后,晶粒發(fā)生變形,沿形變方向被拉長或壓扁。當(dāng)變形量很大時,晶粒變成細條狀(拉伸時),金屬中的夾雜物也被拉長,形成纖維組織。,一金屬的塑性加工,塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響,B亞結(jié)構(gòu)形成金屬經(jīng)大的塑性變形時,由于位錯的密度增大和發(fā)生交互作用,大量位錯堆積在局部地區(qū),并相互纏結(jié),形成不均勻的分布,使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊,而在晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞晶粒。,一金屬的塑性加工,塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響,形變織構(gòu)產(chǎn)生金屬塑性變形到很大程度(70%以上)時,由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動,使各晶粒的位向趨近于一致,形成特殊的擇優(yōu)取向,這種有序化的結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。,一金屬的塑性加工,塑性變形對金屬性能的影響,A金屬發(fā)生塑性變形,隨變形度的增大,金屬的強度和硬度顯著提高,塑性和韌性明顯下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化,也叫形變強化。產(chǎn)生加工硬化的原因是：金屬發(fā)生塑性變形時,位錯密度增加,位錯間的交互作用增強,相互纏結(jié),造成位錯運動阻力的增大,引起塑性變形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎細化,使強度得以提高。在生產(chǎn)中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。,一金屬的塑性加工,塑性變形對金屬性能的影響,B由于纖維組織和形變織構(gòu)的形成,使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。如沿纖維方向的強度和塑性明顯高于垂直方向的。用有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時,即由于在不同方向上塑性差別很大,零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”。,一金屬的塑性加工,塑性變形對金屬性能的影響,C塑性變形可影響金屬的物理、化學(xué)性能。如使電阻增大,耐腐蝕性降低。D由于金屬在發(fā)生塑性變形時,金屬內(nèi)部變形不均勻,位錯、空位等晶體缺陷增多，金屬內(nèi)部會產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。即外力去除后，金屬內(nèi)部會殘留下來應(yīng)力。殘余內(nèi)應(yīng)力會使金屬的耐腐蝕性能降低，嚴(yán)重時可導(dǎo)致零件變形或開裂。,一金屬的塑性加工,塑性變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化,金屬經(jīng)塑性變形后，組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生很大的變化。如果對變形后的金屬進行加熱，金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能又會發(fā)生變化。隨著加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程。,一金屬的塑性加工,塑性變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化,金屬經(jīng)塑性變形后，組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生很大的變化。如果對變形后的金屬進行加熱，金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能又會發(fā)生變化。隨著加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程。,一金屬的塑性加工,回復(fù),變形后的金屬在較低溫度進行加熱，會發(fā)生回復(fù)過程。由于加熱溫度不高,原子擴散能力不很大,只是晶粒內(nèi)部位錯、空位、間隙原子等缺陷通過移動、復(fù)合消失而大大減少，而晶粒仍保持變形后的形態(tài)，變形金屬的顯微組織不發(fā)生明顯的變化。此時材料的強度和硬度只略有降低，塑性有增高，但殘余應(yīng)力則大大降低。工業(yè)上常利用回復(fù)過程對變形金屬進行去應(yīng)力退火、以降低殘余內(nèi)應(yīng)力，保留加工硬化效果。,一金屬的塑性加工,再結(jié)晶,A、再結(jié)晶過程及其對金屬組織、性能的影響變形后的金屬在較高溫度加熱時，由于原子擴散能力增大，被拉長（或壓扁）、破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細小的等軸晶。這個過程稱為再結(jié)晶。變形金屬進行再結(jié)晶后，金屬的強度和硬度明顯降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除，此時內(nèi)應(yīng)力全部消失，物理、化學(xué)性能基本上恢復(fù)到變形以前的水平。再結(jié)晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。B、再結(jié)晶溫度變形后的金屬發(fā)生再結(jié)晶的溫度是一個溫度范圍，并非某一恒定溫度。一般所說的再結(jié)晶溫度指的是最低再結(jié)晶溫度(T再),通常用經(jīng)大變形量(70%以上)的冷塑性變形的金屬,經(jīng)一小時加熱后能完全再結(jié)晶的最低溫度來表示。,一金屬的塑性加工,最低再結(jié)晶溫度與下列因素有關(guān)：A預(yù)先變形度：金屬再結(jié)晶前塑性變形的相對變形量稱為預(yù)先變形度。預(yù)先變形度越大,金屬的晶體缺陷就越多,組織越不穩(wěn)定,最低再結(jié)晶溫度也就越低。當(dāng)預(yù)先變形度達到一定大小后,金屬的最低再結(jié)晶溫度趨于某一穩(wěn)定值。B金屬的熔點：熔點越高,最低再結(jié)晶溫度也就越高。C雜質(zhì)和合金元素：由于雜質(zhì)和合金元素特別是高熔點元素,阻礙原子擴散和晶界遷移,可顯著提高最低再結(jié)晶溫度。D加熱速度和保溫時間：再結(jié)晶是一個擴散過程,需要一定時間才能完成。提高加熱速度會使再結(jié)晶在較高溫度下發(fā)生,而保溫時間越長,再結(jié)晶溫度越低。,一金屬的塑性加工,再結(jié)晶后晶粒的晶粒度晶粒大小影響金屬的強度、塑性和韌性,因此生產(chǎn)上非常重視控制再結(jié)晶后的晶粒度。A加熱溫度加熱溫度越高,原子擴散能力越強,則晶界越易遷移,晶粒長大也越快。B預(yù)先變形度變形度的影響主要與金屬變形的均勻度有關(guān)。變形越不均勻,再結(jié)晶退火后的晶粒越大。變形度很小時，因不足以引起再結(jié)晶，晶粒不變。由于塑性變形后的金屬加熱發(fā)生再結(jié)晶后，可消除加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)金屬的塑性和韌性，因此生產(chǎn)中常用再結(jié)晶退火工藝來恢復(fù)金屬塑性變形的能力，以便繼續(xù)進行形變加工。,一金屬的塑性加工,晶粒長大,再結(jié)晶完成后的晶粒是細小的,但如果繼續(xù)加熱,加熱溫度過高或保溫時間過長時,晶粒會明顯長大,最后得到粗大晶粒的組織,使金屬的強度、硬度、塑性、韌性等機械性能都顯著降低。一般情況下晶粒長大是應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生的現(xiàn)象。當(dāng)金屬變形較大,產(chǎn)生織構(gòu),含有較多的雜質(zhì)時,晶界的遷移將受到阻礙,因而只會有少數(shù)處于優(yōu)越條件的晶粒(例如尺寸較大,取向有利等)優(yōu)先長大,迅速吞食周圍的大量小晶粒,最后獲得晶粒異常粗大的組織。這種不均勻的長大過程類似于再結(jié)晶的生核(較大穩(wěn)定亞晶粒生成)和長大(吞食周圍的小亞晶粒)的過程,所以稱為二次再結(jié)晶,它大大降低金屬的機械性能。,一金屬的塑性加工,金屬的熱加工及其對組織、性能的影響,在金屬的再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工稱為熱加工，例如鋼材的熱鍛和熱軋。由于溫度處于再結(jié)晶溫度以上，金屬材料發(fā)生塑性變形后，隨即發(fā)生再結(jié)晶過程。因此塑性變形引起的加工硬化效應(yīng)隨即被再結(jié)晶過程的軟化作用所消除，使材料保持良好的塑性狀態(tài)。A熱加工能使鑄態(tài)金屬中的氣孔、疏松、微裂紋焊合，提高金屬的致密度；減輕甚至消除樹枝晶偏析和改善夾雜物、第二相的分布等；提高金屬的機械性能，特別是韌性和塑性。B熱加工能打碎鑄態(tài)金屬中的粗大樹枝晶和柱狀晶，并通過再結(jié)晶獲得等軸細晶粒，而使金屬的機械性能全面