哈工程材料成型課件--金屬塑性成形技術

1、2 金屬塑性成形技術 為何采用塑性成形技術2 金屬塑性成形技術 n金屬經過塑性成形后能改善其組織結構和力學性能。鑄造組織經過熱塑性變形后由于金屬的變形和再結晶，會使原來的粗大枝晶和柱狀晶粒變?yōu)榫Я］^細、大小均勻的等軸再結晶組織，使鋼錠內原有的偏析、縮松、氣孔、夾渣等壓實和焊合，其組織變得更加緊密，提高了金屬的塑性和力學性能。因此鑄件的力學性能低于同材質的鍛件的力學性能。n塑性成形能保證金屬纖維組織的連續(xù)性，使鍛件的纖維組織與鍛件外形保持一致，金屬流線完整，可保證零件具有良好的力學性能與長的使用壽命。利用金屬材料在外力作用下所產生的塑性變形，獲得所需產品的加工方法稱為塑性成形，由于這種外力多數情

2、況下是以壓力的形式出現的，因此也稱為壓力加工壓力加工。金屬塑性成形的概念2 金屬塑性成形技術 適用的材料 各種鋼材和大多數非鐵金屬及其合金都具有一定的塑性，都可在熱態(tài)或冷態(tài)下進行壓力加工。鑄鐵是脆性材料，不能進行壓力加工。世界上最大的鈦合金鍛件中機身隔框 鍛造鋁合金輪轂 世界最大船用曲軸打造中國芯，突破技術壟斷 2 金屬塑性成形技術 2 金屬塑性成形技術 金屬塑性成形的特點n金屬塑性成形是保持金屬整體性的前提下，依靠塑性變形發(fā)生物質轉移來實現工件形狀和尺寸變化的，不會產生切屑，因而材料的利用率高得多材料的利用率高得多。n塑性成形過程中，除尺寸和形狀發(fā)生改變外，金屬的組織、性能也能得到改善和提高

3、，尤其對于鑄造坯，經過塑性加工將使其結構致密、粗晶破碎細化和均勻化，從而使性能提高性能提高。此外，塑性流動所產生的流線也能使其流線也能使其性能得到改善性能得到改善。n塑性成形過程便于實現生產過程的連續(xù)化、自動化，適于大批量生產，因而勞動生產率高勞動生產率高。n塑性成形產品的尺寸精度和表面質量高尺寸精度和表面質量高。很多精密的塑性加工方法，可以不經過切削加工直接生產出零件，實現無屑加工，大量節(jié)省材料。n設備較龐大，能耗較高。2 金屬塑性成形技術 中國古代鍛造分為冷鍛和熱鍛兩種。中國古代鍛造分為冷鍛和熱鍛兩種。 冷鍛工藝冷鍛工藝 齊家文化時期齊家文化時期(約公元前約公元前2000多年多年)冷鍛工藝

4、已應用于制造工冷鍛工藝已應用于制造工具。具。1978年以前在甘肅武威皇娘娘臺齊家文化遺址出土的紅銅器如刀、鑿、年以前在甘肅武威皇娘娘臺齊家文化遺址出土的紅銅器如刀、鑿、錐和一些飾物均經過冷鍛，錘擊痕跡非常明顯。在秦魏家出土的青銅錐也是錐和一些飾物均經過冷鍛，錘擊痕跡非常明顯。在秦魏家出土的青銅錐也是經過冷鍛的。經過冷鍛的。1953年和年和70年代在河南安陽殷墟出土的殷代年代在河南安陽殷墟出土的殷代(公元前公元前14前前11世紀世紀)冷錘打的金箔碎片厚僅冷錘打的金箔碎片厚僅0.01毫米毫米, 厚度差不超過厚度差不超過0.001毫米。毫米。 我國塑性加工的歷史青銅錐青銅錐2 金屬塑性成形技術 熱鍛

5、工藝 商代中期（公元前14世紀）用隕鐵制造武器，采用了加熱鍛造工藝。1972年河北藁城和1977年北京市平谷縣出土的商代鐵刃銅鉞，經研究分析確定鐵刃是用隕鐵加熱鍛造成形（厚2毫米）,再與青銅鉞身鑄成一體的。 我國塑性加工的歷史2 金屬塑性成形技術 為了減輕重量，鐵甲多為薄片，大都經過加熱鍛造。1960年呼和浩特二十家子古城出土的西漢（公元前2前1世紀）鐵鎧甲，其鐵片厚度僅12毫米，為熱鍛鐵件。 我國塑性加工的歷史西漢鐵鎧甲還原模型西漢鐵鎧甲還原模型2 金屬塑性成形技術 金屬塑性成形方法類型常用塑性成形加工方法有：鍛造、沖壓、軋制、拉拔、擠壓等幾種類型。軋制 擠壓 拉拔 鍛造 沖壓 2.1 金屬

6、塑性成形物理基礎 單晶體和多晶體如果一塊晶體內部的晶格位向完全一致，則稱為單晶體如果一塊晶體內部的晶格位向完全一致，則稱為單晶體;由許多位向不同的微小晶體組成的晶體稱為多晶體。由許多位向不同的微小晶體組成的晶體稱為多晶體。(a)單晶體 (b)多晶體2.1.1 單晶體的塑性變形單晶體滑移變形示意圖 (a)未變形 (b)彈性變形 (c)彈塑性變形 (d)塑性變形單晶體的塑性變形機制主要有兩種形式：滑移變形滑移變形和孿生變形孿生變形.滑移：滑移：滑移是金屬塑性變形最常見的一種方式，即在切應力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向的晶面和晶向相對于另一部分產生滑動。滑移的距離是滑移方向上原子間距的整

7、數倍。使大量原子從一個平衡位置滑移到另一個平衡位置，產生宏觀的塑性變形。2.1.1 單晶體的塑性變形2.1 金屬塑性成形物理基礎 滑移變形單晶體滑移照片單晶體滑移照片 2.1.1 金屬的塑性變形及變形后的性能滑移的位錯機制： 晶體的滑移變形實際上不是晶體內兩部分彼此以剛性的整體相對滑動，而是在切應力的作用下通過滑移面上的位錯運動進行的。當一位錯移到晶體表面時，便形成了一個原子間距的滑移量。 2.1 金屬塑性成形物理基礎 (a) 位錯位錯 (b) 位錯移動位錯移動 (c) 產生滑移產生滑移刃型位錯運動造成滑移的示意圖刃型位錯運動造成滑移的示意圖 2.1.1 單晶體的塑性變形滑移的位錯機制2.1

8、金屬塑性成形物理基礎 螺型位錯移動造成滑移的示意圖螺型位錯移動造成滑移的示意圖2.1.1 單晶體的塑性變形滑移的位錯機制螺型位錯螺型位錯2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.1 單晶體的塑性變形2.1 金屬塑性成形物理基礎 孿生變形：晶體的一部分相對一定的晶面（孿晶面）沿一定方向產生相對移動，已變形部分的晶體位向發(fā)生了變化，并以孿晶面為對稱面與未變形部分相互對稱。孿晶面孿晶帶孿生方向2.1.2 多晶體的塑性變形2.1 金屬塑性成形物理基礎 3603202802401601208040單晶多晶（退火態(tài)）伸長率/%20040080120140應力/mpa鋅的單晶體與多晶體的鋅的單晶體與多晶體的應力

9、應力-應變曲線應變曲線 多晶體塑性變形包括晶內變形和晶間變形晶內變形和晶間變形。晶內變形主要是滑移變形，而晶間變形則包括各晶粒之間的滑動變形和轉動變形。通常情況下的塑性變形主要是晶內變形，當變形量特別大（尤其是超塑性變形）時，晶間變形占主導地位。 多晶體塑性變形示意圖 2.1 金屬塑性加工理論基礎 多晶體的塑性變形a晶內變形 b晶間變形2.1.2 多晶體的塑性變形1.金屬的晶粒越細，晶界面積越大，其變形抗力也就越大金屬的晶粒越細，晶界面積越大，其變形抗力也就越大。另外，變形較均勻，因應力集中引起開裂的機會也較少，從而細晶粒金屬斷裂前能承受較大的變形量，表現出良好的塑性表現出良好的塑性。因此，從

10、一般的使用角度來看，晶粒細的材料強度高，塑性好晶粒細的材料強度高，塑性好，在實際生產中通常希望獲得細小而均勻的晶粒組織，使材料具有良好的綜合機械性能。2. 多晶體塑性變形的不均勻性。各晶粒的變形先后不一致，變形量也不一致，在同一晶粒內變形也不一致。2.1 金屬塑性加工理論基礎 2.1.2 多晶體的塑性變形變形前變形后僅有兩個晶粒的試樣在拉僅有兩個晶粒的試樣在拉伸時的變形伸時的變形 1. 冷塑性變形對金屬組織結構的影響: 1) 晶粒變形：晶粒沿變形最大的方向伸長；（a）變形前 (b)變形后變形前后晶粒形狀變化示意圖2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.3 冷塑性變形對金屬組織性能的影響2.1.3

11、 冷塑性變形對金屬組織性能的影響2.1 金屬塑性成形物理基礎 變形程度為變形程度為30% 變形程度為變形程度為50% 變形程度為變形程度為70% 1.冷塑性變形對金屬組織結構的影響: 1) 1) 晶粒變形晶粒變形 變形程度很大時，多晶體晶粒沿一方向顯著拉長，晶界模糊不清，各晶粒難以分辨，呈現出一片如纖維狀的條紋。低碳鋼冷塑性變形后的組織低碳鋼冷塑性變形后的組織2.1.3 冷塑性變形對金屬組織性能的影響1. 冷塑性變形對金屬組織結構的影響:2) 2) 亞結構細化亞結構細化; 3) ; 3) 變形織構變形織構; ;晶粒要相對于外力軸發(fā)生轉動，結果大多數晶粒聚集到某些取向上來，從而形成變形織構。 4

12、) 4) 殘余應力殘余應力晶格與晶粒均發(fā)生扭曲，產生內應力（金屬內部變形不均勻, 位錯等晶體缺陷增多， 金屬內部會產生殘余內應力）。拉拔方向絲織構示意圖絲織構示意圖 軋制方向板織構示意圖板織構示意圖 2. 冷塑性變形對金屬性能的影響冷塑性變形對金屬性能的影響: 加工硬化加工硬化 1. 力學性能：力學性能： 金屬的力學性能隨其內部組織的改變而發(fā)生明顯變化。變形程度增大時，金屬的強度及硬度升高，而塑性和韌性下降。 2. 對金屬物理、化學性能的影響：比電阻增加，電阻溫度系數下降，導熱系數下降，磁導率和磁飽和強度下降，待磁滯和矯頑力增加?；瘜W活性提高，加快腐蝕速度。2.1.3 冷塑性變形對金屬組織性能

13、的影響2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.3 冷塑性變形對金屬組織性能的影響2. 冷塑性變形對金屬性能的影響冷塑性變形對金屬性能的影響: 加工硬化加工硬化2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.3 冷塑性變形對金屬組織性能的影響 材料為q345（16mn) 鋼 的自行車鏈條經 過五次軋制，厚度由3.5mm壓縮到1.2mm，總變形量為65%，硬度從150hbs提高到275hbs；抗拉強度從510mpa提高到980mpa；使承載能力提高了將近一倍。020040060080010001200硬度（h b s ）抗拉強度（m p a )變形前變形后2. 冷塑性變形對金屬性能的影響冷塑性變形對金屬性能的

14、影響: 加工硬化加工硬化2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.3 冷塑性變形對金屬組織性能的影響彈簧鋼絲的強化：65mn彈簧鋼絲經冷拉后，抗拉強度可達20003000mpa,，比一般鋼材的強度提高46倍。2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.4 加熱對加熱對冷塑性變形金屬組織性能的影響回復：是指經冷塑性變形的金屬在加熱時，發(fā)生某些亞結構及物理和化學性能變化的過程。在該階段，金屬的力學性能變化不大，但殘余應力明顯下降，某些物理和化學性能也部分地恢復到變形前的水平。(a)塑性變形前的組織塑性變形前的組織 (b)塑性變形后的組織塑性變形后的組織 (c)金屬回復后的組織金屬回復后的組織 金屬發(fā)生回復的

15、示意圖金屬發(fā)生回復的示意圖 2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.4 加熱對加熱對冷塑性變形金屬組織性能的影響再結晶過程示意圖再結晶過程示意圖 再結晶：當經冷塑性變形的金屬加熱到高于回復階段的溫度時，在變形組織的基體上又形成新的無畸變的等軸晶粒，取代了原來已變形的組織，這一過程稱為再結晶。結果使冷變形后的金屬組織和性能恢復到變形之前的狀態(tài)。2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.4 加熱對加熱對冷塑性變形金屬組織性能的影響再結晶2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.4 加熱對加熱對冷塑性變形金屬組織性能的影響回復與再結晶2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.5 熱熱塑性變形對金屬組織性能的影響金

16、屬的冷變形和熱變形： 再結晶溫度為分界點。 從金屬學的角度出發(fā)，冷、熱變形加工是以再結晶溫度為界限的，低于再結晶溫度的變形稱為冷變形加工；高于再結晶溫度的變形就稱為熱變形加工。 如鎢的再結晶溫度為1200 ，其在1000 的變形加工仍是冷變形；又如鉛、錫等低熔點金屬的再結晶溫度在0 以下 ，在室溫下的變形就是熱變形加工。2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.5 熱熱塑性變形對金屬組織性能的影響改善鑄錠組織：通過熱塑性變形可使鑄錠或毛坯中的氣孔和縮松焊合，打碎粗大的柱狀晶和樹枝晶，改善夾雜物與脆性相的形態(tài)、大小和分布，消除偏析。細化晶粒：正常的熱塑性變形由于發(fā)生塑性變形和再結晶，一般可使晶粒得到

17、細化，因而可以提高金屬的力學性能。2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.5 熱熱塑性變形對金屬組織性能的影響纖維組織纖維組織 纖維組織：在熱變形過程中，鑄態(tài)金屬中的各種偏析、夾雜物、第二相和晶界等逐淅沿變形方向延伸，形成纖維組織，也稱流線。由于纖維組織的形成，使金屬的力學性能具有了各向異性。2.1 金屬塑性成形物理基礎 2.1.5 熱熱塑性變形對金屬組織性能的影響 應使流線合理分布，使流線與零件服役時的最大應力方向一致，與切應力或沖擊力方向垂直。 (a) 鍛造 (b) 切削加工環(huán)形座流線2.3.1 金屬塑性及變形抗力金屬的可鍛性： 是指金屬在經受壓力加工時，獲得優(yōu)質鍛件難易程度的工藝性能。金屬

18、的可鍛性的綜合衡量： 常用金屬的塑性和變形抗力塑性和變形抗力，金屬的塑性高，變形抗力小，變形時不易開裂，且變形中所消耗的能量也少。這樣的金屬可鍛性良好；反之，可鍛性差。2.3 金屬塑性變形評價指標及影響因素 2.3.1 金屬塑性及變形抗力2.3 金屬塑性變形評價指標及影響因素 1.塑性及塑性指標：是指固體材料在外力作用下發(fā)生永久變形，而不破壞其完整性的能力。 伸長率：伸長率： 斷面收縮率斷面收縮率： %10000lll%10000aaa2.變形抗力：是指在一定的加載條件下、一定的變形溫度下和一定的變形速度是指在一定的加載條件下、一定的變形溫度下和一定的變形速度下，引起材料發(fā)生塑性變形的單位變形

19、力。下，引起材料發(fā)生塑性變形的單位變形力。 1. 化學成分及組織的影響 1 1) ) 化學成分化學成分：金屬或合金的化學成分不同，其可鍛性也不同。 隨著含碳量的增加，滲碳體的數量亦增加，塑性的降低就更甚，同時變形抗力也隨之增加。 合金元素無論以何種形式存在，一般都會使鋼的塑性降低，提高鋼的強度和硬度，進而使鋼的變形抗力增加。 磷溶入鐵素體后，使鋼的強度、硬度顯著提高，塑性、韌性顯著降低，尤其在低溫時更為嚴重，這種現象稱為冷脆。 當鋼在8001200范圍內進行塑性加工時，由于晶界處的硫化鐵共晶體塑性低或發(fā)生熔化，而導致鍛件開裂，這種現象稱為熱脆。 2.3.2 影響金屬塑性及變形抗力的因素2.3

20、金屬塑性變形評價指標及影響因素 1. 化學成分及組織的影響 2) 2) 金屬組織金屬組織：單相組織比多相組織塑性好，變形抗力也低。含有較多碳化物的合金，因碳化物既硬又脆，而且塑性極低，可鍛性較差。 細晶組織有利于提高鋼的塑性，但也會導致變形抗力的增加。 鑄造組織由于具有粗大的柱狀晶粒和偏析、夾雜、氣泡、疏松等缺陷，故使金屬塑性降低。 2.3.2 影響金屬塑性及變形抗力的因素2.3 金屬塑性變形評價指標及影響因素 2. 變形溫度的影響： 提高加熱溫度有利于提高鍛件的塑性、降低變形抗力。 變形溫度不當將產生的缺陷； 溫度過高溫度過高時產生過熱、過燒、脫碳、嚴重氧化； 溫度過低溫度過低時鍛件變形困難

21、或者被鍛裂及損毀鍛造設備。2.3.2 影響金屬塑性及變形抗力的因素2.3 金屬塑性變形評價指標及影響因素 高速鋼的過燒組織高速鋼的過燒組織 高速鋼的過熱組織高速鋼的過熱組織 高速鋼的正常淬火組織高速鋼的正常淬火組織 2.變形溫度的影響：始鍛溫度：始鍛溫度：金屬加熱后開始鍛造的溫度稱為始鍛溫度。始鍛溫度應低于ae線以下200左右。終鍛溫度：終鍛溫度：金屬鍛造中允許的最低變形溫度稱為終鍛溫度。一般低、中碳鋼的終鍛溫度控制在800左右。碳鋼的鍛造溫度范圍 2.3.2 影響金屬塑性及變形抗力的因素2.3 金屬塑性變形評價指標及影響因素 合金種類合金種類 牌牌 號號鍛造溫度范圍鍛造溫度范圍始鍛溫度始鍛溫度/終鍛溫度終鍛溫度/碳鋼碳鋼15，2540，45t9a，t10125012001100800800770合金結構鋼合金結構鋼20cr，40cr20crmnti30mn2120012001200800800800合金工具鋼合金工具鋼9sicrcr1211001