哈工程材料成型--金屬塑性成形技術(shù)

1、2 金屬塑性成形技術(shù) 為何采用塑性成形技術(shù)2 金屬塑性成形技術(shù) n金屬經(jīng)過(guò)塑性成形后能改善其組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。鑄造組織經(jīng)過(guò)熱塑性變形后由于金屬的變形和再結(jié)晶，會(huì)使原來(lái)的粗大枝晶和柱狀晶粒變?yōu)榫Я］^細(xì)、大小均勻的等軸再結(jié)晶組織，使鋼錠內(nèi)原有的偏析、縮松、氣孔、夾渣等壓實(shí)和焊合，其組織變得更加緊密，提高了金屬的塑性和力學(xué)性能。因此鑄件的力學(xué)性能低于同材質(zhì)的鍛件的力學(xué)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(xué)性能與長(zhǎng)的使用壽命。利用金屬材料在外力作用下所產(chǎn)生的塑性變形，獲得所需產(chǎn)品的加工方法稱為塑性成形，由于這種外力多數(shù)情

2、況下是以壓力的形式出現(xiàn)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(shù) 適用的材料 各種鋼材和大多數(shù)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(jìn)行壓力加工。鑄鐵是脆性材料，不能進(jìn)行壓力加工。世界上最大的鈦合金鍛件中機(jī)身隔框 鍛造鋁合金輪轂 世界最大船用曲軸打造中國(guó)芯，突破技術(shù)壟斷 2 金屬塑性成形技術(shù) 2 金屬塑性成形技術(shù) 金屬塑性成形的特點(diǎn)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(zhì)轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)工件形狀和尺寸變化的，不會(huì)產(chǎn)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(guò)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(duì)于鑄造坯，經(jīng)過(guò)塑性加工將使其結(jié)構(gòu)致密、粗晶破碎細(xì)化和均勻化，從而使性能提高性能提高。此外，塑性流動(dòng)所產(chǎn)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(guò)程便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)化、自動(dòng)化，適于大批量生產(chǎn)，因而勞動(dòng)生產(chǎn)率高勞動(dòng)生產(chǎn)率高。n塑性成形產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量高尺寸精度和表面質(zhì)量高。很多精密的塑性加工方法，可以不經(jīng)過(guò)切削加工直接生產(chǎn)出零件，實(shí)現(xiàn)無(wú)屑加工，大量節(jié)省材料。n設(shè)備較龐大，能耗較高。2 金屬塑性成形技術(shù) 中國(guó)古代鍛造分為冷鍛和熱鍛兩種。中國(guó)古代鍛造分為冷鍛和熱鍛兩種。 冷鍛工藝?yán)溴懝に?齊家文化時(shí)期齊家文化時(shí)期(約公元前約公元前2000多年多年)冷鍛工藝

4、已應(yīng)用于制造工具。冷鍛工藝已應(yīng)用于制造工具。1978年以前在甘肅武威皇娘娘臺(tái)齊家文化遺址出土的紅銅器如刀、鑿、錐和年以前在甘肅武威皇娘娘臺(tái)齊家文化遺址出土的紅銅器如刀、鑿、錐和一些飾物均經(jīng)過(guò)冷鍛，錘擊痕跡非常明顯。在秦魏家出土的青銅錐也是經(jīng)過(guò)一些飾物均經(jīng)過(guò)冷鍛，錘擊痕跡非常明顯。在秦魏家出土的青銅錐也是經(jīng)過(guò)冷鍛的。冷鍛的。1953年和年和70年代在河南安陽(yáng)殷墟出土的殷代年代在河南安陽(yáng)殷墟出土的殷代(公元前公元前14前前11世紀(jì)世紀(jì))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(guò)厚度差不超過(guò)0.001毫米。毫米。 我國(guó)塑性加工的歷史青銅錐青銅錐2 金屬塑性成形技術(shù) 熱鍛

5、工藝 商代中期（公元前14世紀(jì)）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(jīng)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(guó)塑性加工的歷史2 金屬塑性成形技術(shù) 為了減輕重量，鐵甲多為薄片，大都經(jīng)過(guò)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(jì)）鐵鎧甲，其鐵片厚度僅12毫米，為熱鍛鐵件。 我國(guó)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(shù) 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(chǔ) 單晶體和多晶體如果一塊晶體內(nèi)部的晶格位向完全一致，則稱為單晶體如果一塊晶體內(nèi)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(jī)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(jiàn)的一種方式，即在切應(yīng)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(duì)于另一部分產(chǎn)生滑動(dòng)。滑移的距離是滑移方向上原子間距的整

7、數(shù)倍。使大量原子從一個(gè)平衡位置滑移到另一個(gè)平衡位置，產(chǎn)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(chǔ) 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(cuò)機(jī)制： 晶體的滑移變形實(shí)際上不是晶體內(nèi)兩部分彼此以剛性的整體相對(duì)滑動(dòng)，而是在切應(yīng)力的作用下通過(guò)滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的。當(dāng)一位錯(cuò)移到晶體表面時(shí)，便形成了一個(gè)原子間距的滑移量。 2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ) (a) 位錯(cuò)位錯(cuò) (b) 位錯(cuò)移動(dòng)位錯(cuò)移動(dòng) (c) 產(chǎn)生滑移產(chǎn)生滑移刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成滑移的示意圖刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成滑移的示意圖 2.1.1 單晶體的塑性變形滑移的位錯(cuò)機(jī)制2.1

8、金屬塑性成形物理基礎(chǔ) 螺型位錯(cuò)移動(dòng)造成滑移的示意圖螺型位錯(cuò)移動(dòng)造成滑移的示意圖2.1.1 單晶體的塑性變形滑移的位錯(cuò)機(jī)制螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ) 2.1.1 單晶體的塑性變形2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ) 孿生變形：晶體的一部分相對(duì)一定的晶面（孿晶面）沿一定方向產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，已變形部分的晶體位向發(fā)生了變化，并以孿晶面為對(duì)稱面與未變形部分相互對(duì)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(chǔ) 3603202802401601208040單晶多晶（退火態(tài)）伸長(zhǎng)率/%20040080120140應(yīng)力/MPa鋅的單晶體與多晶體的鋅的單晶體與多晶體的應(yīng)力

9、應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 多晶體塑性變形包括晶內(nèi)變形和晶間變形晶內(nèi)變形和晶間變形。晶內(nèi)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(dòng)變形和轉(zhuǎn)動(dòng)變形。通常情況下的塑性變形主要是晶內(nèi)變形，當(dāng)變形量特別大（尤其是超塑性變形）時(shí)，晶間變形占主導(dǎo)地位。 多晶體塑性變形示意圖 2.1 金屬塑性加工理論基礎(chǔ) 多晶體的塑性變形a晶內(nèi)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(xì)，晶界面積越大，其變形抗力也就越大金屬的晶粒越細(xì)，晶界面積越大，其變形抗力也就越大。另外，變形較均勻，因應(yīng)力集中引起開(kāi)裂的機(jī)會(huì)也較少，從而細(xì)晶粒金屬斷裂前能承受較大的變形量，表現(xiàn)出良好的塑性表現(xiàn)出良好的塑性。因此，從

10、一般的使用角度來(lái)看，晶粒細(xì)的材料強(qiáng)度高，塑性好晶粒細(xì)的材料強(qiáng)度高，塑性好，在實(shí)際生產(chǎn)中通常希望獲得細(xì)小而均勻的晶粒組織，使材料具有良好的綜合機(jī)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(nèi)變形也不一致。2.1 金屬塑性加工理論基礎(chǔ) 2.1.2 多晶體的塑性變形變形前變形后僅有兩個(gè)晶粒的試樣在拉僅有兩個(gè)晶粒的試樣在拉伸時(shí)的變形伸時(shí)的變形 冷塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響: 1) 晶粒變形：晶粒沿變形最大的方向伸長(zhǎng)；（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(chǔ) 2.1.3 冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響2.1.3 冷塑

11、性變形對(duì)金屬組織性能的影響2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ) 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% 冷塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響: 1) 1) 晶粒變形晶粒變形 變形程度很大時(shí)，多晶體晶粒沿一方向顯著拉長(zhǎng)，晶界模糊不清，各晶粒難以分辨，呈現(xiàn)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(duì)金屬組織性能的影響冷塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響:2) 2) 亞結(jié)構(gòu)細(xì)化亞結(jié)構(gòu)細(xì)化; 3) ; 3) 變形織構(gòu)變形織構(gòu); ;晶粒要相對(duì)于外力軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果大多數(shù)晶粒聚集到某些取向上來(lái)，從而形成變形織構(gòu)。 4) 4) 殘余應(yīng)

12、力殘余應(yīng)力晶格與晶粒均發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（金屬內(nèi)部變形不均勻, 位錯(cuò)等晶體缺陷增多， 金屬內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力）。拉拔方向絲織構(gòu)示意圖絲織構(gòu)示意圖 軋制方向板織構(gòu)示意圖板織構(gòu)示意圖 2. 冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響: 加工硬化加工硬化 1. 力學(xué)性能：力學(xué)性能： 金屬的力學(xué)性能隨其內(nèi)部組織的改變而發(fā)生明顯變化。變形程度增大時(shí)，金屬的強(qiáng)度及硬度升高，而塑性和韌性下降。 2. 對(duì)金屬物理、化學(xué)性能的影響：比電阻增加，電阻溫度系數(shù)下降，導(dǎo)熱系數(shù)下降，磁導(dǎo)率和磁飽和強(qiáng)度下降，待磁滯和矯頑力增加。化學(xué)活性提高，加快腐蝕速度。2.1.3 冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響2.1 金

13、屬塑性成形物理基礎(chǔ) 2.1.3 冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響2. 冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響冷塑性變形對(duì)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(chǔ) 2.1.3 冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響 材料為Q345（16Mn) 鋼 的自行車鏈條經(jīng) 過(guò)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(qiáng)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(qiáng)度（M p a )變形前變形后2. 冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響: 加工硬化

14、加工硬化2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ) 2.1.3 冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響彈簧鋼絲的強(qiáng)化：65Mn彈簧鋼絲經(jīng)冷拉后，抗拉強(qiáng)度可達(dá)20003000MPa,，比一般鋼材的強(qiáng)度提高46倍。2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ) 2.1.4 加熱對(duì)加熱對(duì)冷塑性變形金屬組織性能的影響回復(fù)：是指經(jīng)冷塑性變形的金屬在加熱時(shí)，發(fā)生某些亞結(jié)構(gòu)及物理和化學(xué)性能變化的過(guò)程。在該階段，金屬的力學(xué)性能變化不大，但殘余應(yīng)力明顯下降，某些物理和化學(xué)性能也部分地恢復(fù)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(fù)后的組織金屬回復(fù)后的組織 金屬發(fā)生回復(fù)的示意圖金屬發(fā)生回

15、復(fù)的示意圖 2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ) 2.1.4 加熱對(duì)加熱對(duì)冷塑性變形金屬組織性能的影響再結(jié)晶過(guò)程示意圖再結(jié)晶過(guò)程示意圖 再結(jié)晶：當(dāng)經(jīng)冷塑性變形的金屬加熱到高于回復(fù)階段的溫度時(shí)，在變形組織的基體上又形成新的無(wú)畸變的等軸晶粒，取代了原來(lái)已變形的組織，這一過(guò)程稱為再結(jié)晶。結(jié)果使冷變形后的金屬組織和性能恢復(fù)到變形之前的狀態(tài)。2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ) 2.1.4 加熱對(duì)加熱對(duì)冷塑性變形金屬組織性能的影響再結(jié)晶2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ) 2.1.4 加熱對(duì)加熱對(duì)冷塑性變形金屬組織性能的影響回復(fù)與再結(jié)晶2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ) 2.1.5 熱熱塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響金屬的冷變形和熱變

16、形： 再結(jié)晶溫度為分界點(diǎn)。 從金屬學(xué)的角度出發(fā)，冷、熱變形加工是以再結(jié)晶溫度為界限的，低于再結(jié)晶溫度的變形稱為冷變形加工；高于再結(jié)晶溫度的變形就稱為熱變形加工。 如鎢的再結(jié)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(diǎn)金屬的再結(jié)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(chǔ) 2.1.5 熱熱塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響改善鑄錠組織：通過(guò)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(shù)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(xì)化晶粒：正常的熱塑性變形由于發(fā)生塑性變形和再結(jié)晶，一般可使晶粒得到細(xì)化，因而可以提

17、高金屬的力學(xué)性能。2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ) 2.1.5 熱熱塑性變形對(duì)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(guò)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(xué)性能具有了各向異性。2.1 金屬塑性成形物理基礎(chǔ) 2.1.5 熱熱塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響 應(yīng)使流線合理分布，使流線與零件服役時(shí)的最大應(yīng)力方向一致，與切應(yīng)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(jīng)受壓力加工時(shí)，獲得優(yōu)質(zhì)鍛件難易程度的工藝性能。金屬的可鍛性的綜合衡

18、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(shí)不易開(kāi)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(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素 1.塑性及塑性指標(biāo)：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(zhǎng)率：伸長(zhǎng)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力。下，引起材料

19、發(fā)生塑性變形的單位變形力。 1. 化學(xué)成分及組織的影響 1 1) ) 化學(xué)成分化學(xué)成分：金屬或合金的化學(xué)成分不同，其可鍛性也不同。 隨著含碳量的增加，滲碳體的數(shù)量亦增加，塑性的降低就更甚，同時(shí)變形抗力也隨之增加。 合金元素?zé)o論以何種形式存在，一般都會(huì)使鋼的塑性降低，提高鋼的強(qiáng)度和硬度，進(jìn)而使鋼的變形抗力增加。 磷溶入鐵素體后，使鋼的強(qiáng)度、硬度顯著提高，塑性、韌性顯著降低，尤其在低溫時(shí)更為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象稱為冷脆。 當(dāng)鋼在8001200范圍內(nèi)進(jìn)行塑性加工時(shí)，由于晶界處的硫化鐵共晶體塑性低或發(fā)生熔化，而導(dǎo)致鍛件開(kāi)裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。 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(píng)價(jià)

20、指標(biāo)及影響因素 1. 化學(xué)成分及組織的影響 2) 2) 金屬組織金屬組織：?jiǎn)蜗嘟M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(xì)晶組織有利于提高鋼的塑性，但也會(huì)導(dǎo)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(píng)價(jià)指標(biāo)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(dāng)將產(chǎn)生的缺陷； 溫度過(guò)高溫度過(guò)高時(shí)產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)燒、脫碳、嚴(yán)重氧化； 溫度過(guò)低溫度過(guò)低時(shí)鍛件變形困難或者被鍛裂及損毀鍛造設(shè)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(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素 高速鋼的過(guò)燒組織高速鋼的過(guò)燒組織 高速鋼的過(guò)熱組織高速鋼的過(guò)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(kāi)始鍛造的溫度稱為始鍛溫度。始鍛溫度應(yīng)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