第1章沖壓成形原理

1、第一章 沖壓成形原理主講：閆潔主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：n1.金屬塑性變形的基本概念 n2.塑性變形對金屬組織和性能影響n3.影響金屬塑性和變形抗力的主要因素 n利用外力使金屬產(chǎn)生塑性變形，來獲得具有一定形狀、利用外力使金屬產(chǎn)生塑性變形，來獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的原材料、毛坯或零件的生產(chǎn)方法稱為尺寸和力學(xué)性能的原材料、毛坯或零件的生產(chǎn)方法稱為金屬壓力加工金屬壓力加工。n 壓力加工的種類：壓力加工的種類：軋制、拉拔、擠壓、鍛造、板料沖壓軋制、拉拔、擠壓、鍛造、板料沖壓鍛壓生產(chǎn)方式示意圖鍛壓生產(chǎn)方式示意圖本質(zhì)：本質(zhì)： 利用固態(tài)金屬的塑性，使其受力，改變形狀、尺寸并利用固態(tài)金屬的塑性，使其受力，

2、改變形狀、尺寸并改善組織，性能，獲得所需形狀、尺寸和可靠性能的毛坯改善組織，性能，獲得所需形狀、尺寸和可靠性能的毛坯或零件?；蛄慵?。條件：條件：）塑性材料。低碳鋼、鋁、銅合金最好；）塑性材料。低碳鋼、鋁、銅合金最好； ）受力塑性變形、滿足屈服條件：）受力塑性變形、滿足屈服條件：s s（材料屈服強(qiáng)度）。材料屈服強(qiáng)度）。1.金屬塑性變形的金屬塑性變形的基本概念基本概念 彈性變形彈性變形 在外力作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力迫使原子離開原在外力作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力迫使原子離開原來的平衡位置，改變了原子間的距離，使金屬發(fā)生變形。并來的平衡位置，改變了原子間的距離，使金屬發(fā)生變形。并引起原子位

3、能的增高，但原子有返回低位能的傾向。當(dāng)外力引起原子位能的增高，但原子有返回低位能的傾向。當(dāng)外力停止作用后，應(yīng)力消失，變形也隨之消失。停止作用后，應(yīng)力消失，變形也隨之消失。塑性變形塑性變形 內(nèi)應(yīng)力超過金屬的屈服點(diǎn)后，外力停止作用后，金屬的變內(nèi)應(yīng)力超過金屬的屈服點(diǎn)后，外力停止作用后，金屬的變形并不完全消失。形并不完全消失。滑移面：在切向應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部滑移面：在切向應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分，沿著一定的晶面產(chǎn)生相對滑移，該面稱為滑移面。分，沿著一定的晶面產(chǎn)生相對滑移，該面稱為滑移面。位錯：沿滑移面舊原子對破壞，新原子對形成。位錯：沿滑移面舊原子對破壞，新原子對形成。

4、位錯運(yùn)動引起塑性變形。近代物理學(xué)證明，晶體不是在滑位錯運(yùn)動引起塑性變形。近代物理學(xué)證明，晶體不是在滑移面上，原子并不是整體的剛性運(yùn)動而是以位錯引起金屬移面上，原子并不是整體的剛性運(yùn)動而是以位錯引起金屬塑性變形。塑性變形。多晶體的塑性變形（晶內(nèi)和晶間變形）多晶體的塑性變形（晶內(nèi)和晶間變形） 晶內(nèi)變形：外力作用下，某一晶粒的塑性變形。晶內(nèi)變形：外力作用下，某一晶粒的塑性變形。 晶間變形：晶粒之間的相互位移或轉(zhuǎn)動。晶間變形：晶粒之間的相互位移或轉(zhuǎn)動。 在外力作用下，有的晶粒處于利于塑性變形位置，則在外力作用下，有的晶粒處于利于塑性變形位置，則首先塑性變形。有的處于不利于塑性變形的位置，則暫時首先塑性

5、變形。有的處于不利于塑性變形的位置，則暫時不變形。晶粒間會移動、轉(zhuǎn)動，這種利與不利位置在變化，不變形。晶粒間會移動、轉(zhuǎn)動，這種利與不利位置在變化， 塑性變形不斷進(jìn)行。塑性變形不斷進(jìn)行。2.塑性變形對金屬組織和性能影響塑性變形對金屬組織和性能影響金屬在常溫下經(jīng)塑性變形后，內(nèi)部組織將發(fā)生變化。金屬在常溫下經(jīng)塑性變形后，內(nèi)部組織將發(fā)生變化。 晶粒沿最大變形的方向伸長；晶粒沿最大變形的方向伸長； 晶格與晶粒發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；晶格與晶粒發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力； 晶粒產(chǎn)生碎晶。晶粒產(chǎn)生碎晶。 加工硬化加工硬化 現(xiàn)象：強(qiáng)度、硬度上升，而塑性、韌性下降?，F(xiàn)象：強(qiáng)度、硬度上升，而塑性、韌性下降。 原因：滑移面

6、附近的晶粒碎晶塊，晶格扭曲畸變，增大原因：滑移面附近的晶粒碎晶塊，晶格扭曲畸變，增大滑移阻力，使滑移難以進(jìn)行?；谱枇?，使滑移難以進(jìn)行。 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶 回復(fù)：回復(fù)： 加工硬化是一種不穩(wěn)定的現(xiàn)象，具有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)加工硬化是一種不穩(wěn)定的現(xiàn)象，具有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。室溫下不易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)提高溫度時，原子定狀態(tài)的傾向。室溫下不易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)提高溫度時，原子 獲得熱能，熱運(yùn)動加劇，當(dāng)加熱溫度獲得熱能，熱運(yùn)動加劇，當(dāng)加熱溫度T T回回( (用用K K氏溫標(biāo)氏溫標(biāo)) ) T T回回= =（0.250.30.250.3）T T熔熔 使原子回復(fù)到正常排列，消除了晶格扭曲，使加工使原子回復(fù)到正常排列，

7、消除了晶格扭曲，使加工硬化得到部分消除。硬化得到部分消除。 再結(jié)晶：再結(jié)晶： 當(dāng)加熱溫度當(dāng)加熱溫度T T再再： T T再再=0.4T=0.4T熔熔 原子獲得更多熱能，開始的某些碎晶或雜質(zhì)為核心構(gòu)成新原子獲得更多熱能，開始的某些碎晶或雜質(zhì)為核心構(gòu)成新晶粒，因?yàn)槭峭ㄟ^形核和晶核長大方式進(jìn)行的，故稱再結(jié)晶粒，因?yàn)槭峭ㄟ^形核和晶核長大方式進(jìn)行的，故稱再結(jié)晶。晶。 再結(jié)晶后清除了全部加工硬化。再結(jié)晶后清除了全部加工硬化。 再結(jié)晶后晶格類型不變，只改變晶粒外形。再結(jié)晶后晶格類型不變，只改變晶粒外形。加工硬化的利用、消除加工硬化的利用、消除 利用：冷加工后使材料強(qiáng)度利用：冷加工后使材料強(qiáng)度硬度硬度。 如冷拉

8、鋼，不能熱處理強(qiáng)化的金屬材料。如冷拉鋼，不能熱處理強(qiáng)化的金屬材料。 消除：再結(jié)晶退火消除：再結(jié)晶退火 650750650750冷變形冷變形 變形溫度低于回復(fù)溫度時，金變形溫度低于回復(fù)溫度時，金屬在變形過程中只有屬在變形過程中只有加工硬化加工硬化而無而無回復(fù)與再結(jié)晶現(xiàn)象，變形后的金屬回復(fù)與再結(jié)晶現(xiàn)象，變形后的金屬只具有加工硬化組織，這種變形稱只具有加工硬化組織，這種變形稱為為冷變形冷變形。n熱變形熱變形 變形溫度在再結(jié)晶溫度以上時，變形溫度在再結(jié)晶溫度以上時，變形產(chǎn)生的加工硬化被隨即發(fā)生的變形產(chǎn)生的加工硬化被隨即發(fā)生的再結(jié)晶所抵消，變形后金屬具有再再結(jié)晶所抵消，變形后金屬具有再結(jié)晶的等軸晶粒組織

9、，而無任何加結(jié)晶的等軸晶粒組織，而無任何加工硬化痕跡，這種變形稱為工硬化痕跡，這種變形稱為熱變形熱變形。熱變形性能變化：熱變形性能變化： 去除殘余內(nèi)應(yīng)力；去除殘余內(nèi)應(yīng)力； 消除加工硬化（冷變形硬化）；消除加工硬化（冷變形硬化）； 恢復(fù)良好塑性；恢復(fù)良好塑性； 為進(jìn)一步冷加工變形創(chuàng)造條件；為進(jìn)一步冷加工變形創(chuàng)造條件；熱變形組織變化：熱變形組織變化： 形成鍛造流線，形成鍛造流線， 即纖維組織，即纖維組織， 凸顯性能各向異性。凸顯性能各向異性。以模鍛為例：以模鍛為例：其特點(diǎn)：其特點(diǎn)： 鍛件精度高，鍛造曲線合理，力學(xué)性能好；鍛件精度高，鍛造曲線合理，力學(xué)性能好； 生產(chǎn)效率高；金屬消耗少。生產(chǎn)效率高；金

10、屬消耗少。3.影響金屬塑性的主要因素n金屬的塑性不是固定不變的，它受金屬的內(nèi)在因素（晶格類型、化學(xué)成分、組織狀態(tài)等）和外部條件（變形溫度、應(yīng)變速率、變形的力學(xué)狀態(tài)等）的影響。n因此通過創(chuàng)造合適的內(nèi)、外部條件，就有可能改善金屬的塑性行為。 3.1化學(xué)成分及組織的影響n（1）化學(xué)成分的影響 n工業(yè)用的金屬除基本元素之外大都含有一定的雜質(zhì)，有時為了改善金屬的使用性能也往往人為地加入一些合金元素。它們對金屬的塑性均有影響。金屬的塑性隨其純度的提高而增加。n例如純度為99.96的鋁，伸長率為45。而純度為98的鋁，其伸長率則只有30左右。n純金屬的塑性與其晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，面心立方的金屬（ Ag 、 Al

11、、 Au 、 Ni 、 Cu 、 Pb 、 g-Fe 等）、體心立方的金屬（ Cr 、 V 、 Nb 、 Ta 、 Mo 、 W 、 a-Fe 、 b-Ti 等）滑移系較多，因此比密排六方的金屬（ Zn 、 Mg 、 Cd 、 a-Be 、 a-Ti 、 a-Co 等）塑性好。但金屬塑性的好壞，還與滑移方向的數(shù)目有關(guān)，所以面心立方結(jié)構(gòu)的金屬塑性較體心立方的為好。3.1化學(xué)成分及組織的影響（內(nèi)因）（2）組織結(jié)構(gòu)的影響 n 一般情況下，單相組織（純金屬或固溶體）比多相組織的塑性好，固溶體（如奧氏體）比化合物（如滲碳體）的塑性好。n而多相組織的塑性又與各相的特性、晶粒的大小、形狀、分布等有關(guān)。（如晶

12、粒細(xì)小而又均勻的組織的比鑄態(tài)柱狀組織和粗晶粒結(jié)構(gòu)塑形好）n若兩相變形性能相近，則塑性為其平均值相差懸殊時，則變形主要在塑性好的一相中進(jìn)行,另一相起 阻礙作用，這時的塑性與第二相 的分布有關(guān)，第二相若呈不連續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界上,則塑性很差；若第二相呈片、層狀分布在晶粒內(nèi)則塑性稍有下降；若呈顆粒狀彌散分布，則不影響塑性。 3.2加工條件度對塑性的影響（外因） （1）變形溫度的影響 就大多數(shù)金屬和合金而言，總的趨勢是：隨著溫度的升高，塑性增加。但在升溫過程中的某些溫度區(qū)間，塑性會降低，出現(xiàn)脆性區(qū)。 溫度升高，塑性增加的原因有：發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶；臨界切應(yīng)力降低，滑移 系增加 ；金屬的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，

13、可能由多相組織轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘟M織，也可能由對塑性不利的晶格轉(zhuǎn)變?yōu)閷λ苄杂欣木Ц?；熱塑性的發(fā)生；晶界滑動作用的加強(qiáng)等。 （1）變形溫度的影響 在一定的變形溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，原子動能升在一定的變形溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，原子動能升高，從而塑性提高，變形抗力減小。高，從而塑性提高，變形抗力減小。 若加熱溫度過高，晶粒急劇長大，金屬力學(xué)性能降低，若加熱溫度過高，晶粒急劇長大，金屬力學(xué)性能降低，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“過熱過熱”。若加熱溫度更高接近熔點(diǎn)，晶若加熱溫度更高接近熔點(diǎn)，晶界氧化破壞了晶粒間的結(jié)合，使金屬失去塑性，坯料報(bào)界氧化破壞了晶粒間的結(jié)合，使金屬失去塑性，坯料報(bào)廢，這一現(xiàn)象稱為廢

14、，這一現(xiàn)象稱為“過燒過燒”。 金屬鍛造加熱時允許的最高溫度稱為金屬鍛造加熱時允許的最高溫度稱為始鍛溫度始鍛溫度。 不能再鍛，否則引起加工硬化甚至開裂，不能再鍛，否則引起加工硬化甚至開裂， 此時停止鍛造的溫度稱此時停止鍛造的溫度稱終鍛溫度終鍛溫度3.2加工條件度對塑性的影響（外因）（2）變形速度的影響 一方面由于變形速度的增大，回復(fù)和再一方面由于變形速度的增大，回復(fù)和再結(jié)晶不能及時克服加工硬化現(xiàn)象，金屬結(jié)晶不能及時克服加工硬化現(xiàn)象，金屬則表現(xiàn)出塑性下降、變形抗力增大。則表現(xiàn)出塑性下降、變形抗力增大。 另一方面，金屬在變形過程中，消耗另一方面，金屬在變形過程中，消耗于塑性變形的能量有一部分轉(zhuǎn)化為熱

15、能，于塑性變形的能量有一部分轉(zhuǎn)化為熱能，使金屬溫度升高使金屬溫度升高(稱為稱為熱效應(yīng)現(xiàn)象熱效應(yīng)現(xiàn)象)。變形速度越大，熱效應(yīng)現(xiàn)象越明顯，使金屬的變形速度越大，熱效應(yīng)現(xiàn)象越明顯，使金屬的塑性提高、變形抗力下降塑性提高、變形抗力下降( (圖中圖中a a點(diǎn)以后點(diǎn)以后) )。3.2加工條件度對塑性的影響（外因）（3 3）應(yīng)力狀態(tài)的影響）應(yīng)力狀態(tài)的影響 擠壓時為三向受壓狀態(tài)。擠壓時為三向受壓狀態(tài)。 拉拔時為兩向受壓一向受拉的狀態(tài)。拉拔時為兩向受壓一向受拉的狀態(tài)。 壓應(yīng)力的數(shù)量愈多，則其塑性愈好，變形抗力增大；壓應(yīng)力的數(shù)量愈多，則其塑性愈好，變形抗力增大； 拉應(yīng)力的數(shù)量愈多，則其塑性愈差。拉應(yīng)力的數(shù)量愈多，則其塑性愈差。思思 考考 題題 說明金屬壓力加工的條件和種類。說明金屬壓力加工的條件和種類。 何謂金屬冷變形和熱變形？何謂金屬冷變形和熱變形？ 同種金屬材料分別經(jīng)過冷、熱變形，其組織同種金屬材料分別經(jīng)過冷、熱變形，其組織和