第三篇金屬壓力加工(第一章金屬的塑性變形)

1、 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 鍛鍛 造造 板料沖壓板料沖壓講授學(xué)時：講授學(xué)時：8 8 學(xué)時學(xué)時 利用金屬在外力作用下所產(chǎn)生的塑性變形，來獲得具有一定利用金屬在外力作用下所產(chǎn)生的塑性變形，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，稱為金屬壓力加工，又稱金屬壓力加工，又稱“金屬塑性加工金屬塑性加工”。 金屬壓力加工的基本方式有以下幾種：軋制、拉拔、擠壓金屬壓力加工的基本方式有以下幾種：軋制、拉拔、擠壓、鍛造及板料沖壓。、鍛造及板料沖壓。 軋制：金屬坯料在兩個回轉(zhuǎn)軋輥的孔隙中受壓變形，以獲得軋制：金屬坯料在兩個回轉(zhuǎn)軋輥

2、的孔隙中受壓變形，以獲得各種產(chǎn)品的加工方法。各種產(chǎn)品的加工方法。軋板軋板、軋圓鋼軋圓鋼、冷軋絲杠冷軋絲杠視頻。視頻。 軋制產(chǎn)品：各種截面形狀的型材、板材、無縫管材等。軋制產(chǎn)品：各種截面形狀的型材、板材、無縫管材等。 拉拔：金屬坯料被拉過拉拔模的?？锥冃蔚募庸し椒ā＠危航饘倥髁媳焕^拉拔模的?？锥冃蔚募庸し椒?。 冷拔加工冷拔加工視頻。視頻。 擠壓：金屬坯擠壓：金屬坯料在擠壓模內(nèi)被擠料在擠壓模內(nèi)被擠出?？锥冃蔚募映瞿？锥冃蔚募庸し椒?。擠壓可獲工方法。擠壓可獲得各種復(fù)雜截面的得各種復(fù)雜截面的型材或零件。型材或零件。動畫動畫 類型分：正擠壓類型分：正擠壓空心件空心件和和實(shí)心件實(shí)心件以及以及反

3、擠壓反擠壓的動畫演示。的動畫演示。 鍛造：金屬坯料在抵鐵或鍛模模膛內(nèi)變形而獲得產(chǎn)品的加工鍛造：金屬坯料在抵鐵或鍛模模膛內(nèi)變形而獲得產(chǎn)品的加工方法。方法。鍛自由造鍛自由造視頻。視頻。 板料沖壓：金屬板料在沖模間受外力作用而產(chǎn)生分離或變形板料沖壓：金屬板料在沖模間受外力作用而產(chǎn)生分離或變形的加工方法。的加工方法。板料沖壓板料沖壓視頻。視頻。 應(yīng)用：應(yīng)用： 一般常用的金屬型材、板材、管材和線材等原材料一般常用的金屬型材、板材、管材和線材等原材料 軋軋制、擠壓和拉拔等方法制成。制、擠壓和拉拔等方法制成。 承受重載的機(jī)件等許多毛坯承受重載的機(jī)件等許多毛坯( (機(jī)床主軸、重要齒輪）機(jī)床主軸、重要齒輪） -

4、 - 鍛鍛造方法制造。造方法制造。 板料沖壓廣泛用于汽車、電器、儀表等方面。板料沖壓廣泛用于汽車、電器、儀表等方面。學(xué)習(xí)目的及要求學(xué)習(xí)目的及要求：1.1.了解變形機(jī)理；了解變形機(jī)理；2.2.掌握金屬常溫下塑性變形時組織性能變化；掌握金屬常溫下塑性變形時組織性能變化；3.3.掌握加工硬化現(xiàn)象的利與弊及如何消除；掌握加工硬化現(xiàn)象的利與弊及如何消除；4.4.了解影響可鍛性的因素。了解影響可鍛性的因素。重點(diǎn)及難點(diǎn)：重點(diǎn)及難點(diǎn)：1.1.加工硬化、再結(jié)晶；加工硬化、再結(jié)晶；2.2.纖維組織。纖維組織。金屬材料經(jīng)過壓力加工之后，其內(nèi)部組織發(fā)生很大變化，金屬材料經(jīng)過壓力加工之后，其內(nèi)部組織發(fā)生很大變化，金屬的

5、性能得到改善和提高。金屬的性能得到改善和提高。因此，為正確選用壓力加工方法、合理設(shè)計(jì)其零件，必須了因此，為正確選用壓力加工方法、合理設(shè)計(jì)其零件，必須了解金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)、規(guī)律和影響因素等。解金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)、規(guī)律和影響因素等。 第一節(jié)第一節(jié) 金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)金屬塑性變形的實(shí)質(zhì) 彈性變形：彈性變形： 金屬在外力作用下，其內(nèi)部必將產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)外力停止作用金屬在外力作用下，其內(nèi)部必將產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)外力停止作用后，應(yīng)力消失，變形也隨之消失，金屬的這種變形稱為彈性變形后，應(yīng)力消失，變形也隨之消失，金屬的這種變形稱為彈性變形 塑性變形：塑性變形： 外力增大到使金屬的內(nèi)應(yīng)力超過該金外力增大到使金屬的內(nèi)應(yīng)

6、力超過該金屬的屈服點(diǎn)之后，即使外力停止作用，金屬的屈服點(diǎn)之后，即使外力停止作用，金屬的變形也并不消失，這種變形稱為屬的變形也并不消失，這種變形稱為塑性塑性變形變形。 1. 1. 單晶體內(nèi)的變形單晶體內(nèi)的變形 塑性變形的實(shí)質(zhì)：是在晶體內(nèi)沿一定晶面產(chǎn)生相對滑移的結(jié)塑性變形的實(shí)質(zhì)：是在晶體內(nèi)沿一定晶面產(chǎn)生相對滑移的結(jié)果。果。動畫演示動畫演示。 2. 2. 多晶體（實(shí)際金屬）的變形多晶體（實(shí)際金屬）的變形 實(shí)際晶體內(nèi)部存在大量缺陷。其中，以位錯對金屬塑性變形實(shí)際晶體內(nèi)部存在大量缺陷。其中，以位錯對金屬塑性變形的影響最為明顯。的影響最為明顯。多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形動畫。動畫。 滑移：滑移： 是

7、通過位錯運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的。是通過位錯運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的。塑性變形主要通過塑性變形主要通過“滑移滑移”方方式進(jìn)行，式進(jìn)行，無數(shù)個滑移便形成宏無數(shù)個滑移便形成宏觀的塑性變形。觀的塑性變形。 可知，由于通常使用的金屬都是大量微小晶粒組成的多晶可知，由于通常使用的金屬都是大量微小晶粒組成的多晶體。因此，體。因此，其塑性變形可以看成是由組成多晶體的許多單個晶粒其塑性變形可以看成是由組成多晶體的許多單個晶粒產(chǎn)生變形的綜合效果，同時，晶間也變形。產(chǎn)生變形的綜合效果，同時，晶間也變形。 自由鍛錯移變形：自由鍛錯移變形：視頻視頻。地毯的皺折移動與位錯：。地毯的皺折移動與位錯：視頻視頻。 純鋁試件的拉伸試驗(yàn)及位錯模型：純鋁試件

8、的拉伸試驗(yàn)及位錯模型：視頻視頻。 電子顯微鏡下的位錯運(yùn)動：電子顯微鏡下的位錯運(yùn)動：視頻視頻。金屬受外力金屬受外力晶內(nèi)晶內(nèi)- -滑移滑移晶間晶間- -滑動、轉(zhuǎn)動滑動、轉(zhuǎn)動宏觀塑性變形宏觀塑性變形 彈復(fù)現(xiàn)象：彈復(fù)現(xiàn)象： 金屬內(nèi)部有了應(yīng)力就會發(fā)生彈性變形。應(yīng)力增大到一定程度金屬內(nèi)部有了應(yīng)力就會發(fā)生彈性變形。應(yīng)力增大到一定程度后使金屬產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)外力去除后，彈性變形將恢復(fù)，后使金屬產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)外力去除后，彈性變形將恢復(fù)，稱稱“彈復(fù)彈復(fù)”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 - - 彈復(fù)對工件的變形和質(zhì)量影響很大，金屬壓力加工時，應(yīng)彈復(fù)對工件的變形和質(zhì)量影響很大，金屬壓力加工時，應(yīng)采取措施防止。采取措施防止。 實(shí)際金屬

9、：實(shí)際金屬： 1 1）冷變形強(qiáng)化（加工硬化）：）冷變形強(qiáng)化（加工硬化）：a a、金屬的力學(xué)性能隨其內(nèi)部組織變化而發(fā)生明顯變化。、金屬的力學(xué)性能隨其內(nèi)部組織變化而發(fā)生明顯變化。變形變形，金屬的強(qiáng)度及硬度，金屬的強(qiáng)度及硬度而塑性和韌性而塑性和韌性。這種現(xiàn)象稱。這種現(xiàn)象稱為為冷變形強(qiáng)化冷變形強(qiáng)化，又稱，又稱加工硬化加工硬化。原因：碎晶塊和附近晶格扭曲阻礙滑移。原因：碎晶塊和附近晶格扭曲阻礙滑移。 金屬在常溫下經(jīng)過塑性變形后，內(nèi)部組織和性能將發(fā)生兩種金屬在常溫下經(jīng)過塑性變形后，內(nèi)部組織和性能將發(fā)生兩種變化：變化： 1 1、組織變化：、組織變化： 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

10、格與晶粒發(fā)生扭曲；晶格與晶粒發(fā)生扭曲； 晶粒間產(chǎn)生碎晶。晶粒間產(chǎn)生碎晶。 2 2、性能變化（加工硬化）、性能變化（加工硬化） 是隨變形程度的增加，強(qiáng)度、硬是隨變形程度的增加，強(qiáng)度、硬度增加，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。度增加，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。b b、金屬回復(fù)溫度：、金屬回復(fù)溫度：冷變形強(qiáng)化冷變形強(qiáng)化是一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，具有自發(fā)的回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)是一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，具有自發(fā)的回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在室溫下不易實(shí)現(xiàn)。的傾向。但在室溫下不易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)提高溫度時，原子因獲得熱能，熱運(yùn)動加劇，使原子得以當(dāng)提高溫度時，原子因獲得熱能，熱運(yùn)動加劇，使原子得以回復(fù)正常排列，消除了晶格扭曲，致使加工硬化得到部分消

11、除?；貜?fù)正常排列，消除了晶格扭曲，致使加工硬化得到部分消除。這一過程稱為這一過程稱為“回復(fù)回復(fù)”。這時的溫度稱為回復(fù)溫度，即這時的溫度稱為回復(fù)溫度，即 T T回回=(0.25=(0.250.3)T0.3)T熔熔c c、金屬再結(jié)晶溫度、金屬再結(jié)晶溫度當(dāng)溫度繼續(xù)升高到該金屬熔點(diǎn)絕對溫度當(dāng)溫度繼續(xù)升高到該金屬熔點(diǎn)絕對溫度0.40.4倍時，金屬原子獲倍時，金屬原子獲得更多熱能，開始以某些碎晶或雜質(zhì)為核心，按變形前的晶格結(jié)得更多熱能，開始以某些碎晶或雜質(zhì)為核心，按變形前的晶格結(jié)構(gòu)結(jié)晶成新的晶粒，從而消除了全部冷變形強(qiáng)化現(xiàn)象。構(gòu)結(jié)晶成新的晶粒，從而消除了全部冷變形強(qiáng)化現(xiàn)象。這個過程這個過程稱為再結(jié)晶。稱為

12、再結(jié)晶。這時的溫度稱為再結(jié)晶溫度，即這時的溫度稱為再結(jié)晶溫度，即T T再再=0.4 T=0.4 T熔熔金屬強(qiáng)化：金屬強(qiáng)化：金屬的冷變形強(qiáng)化（冷作硬化）是強(qiáng)化金屬的重要手段，尤金屬的冷變形強(qiáng)化（冷作硬化）是強(qiáng)化金屬的重要手段，尤其是對無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬是唯一強(qiáng)化金屬的方法。其是對無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬是唯一強(qiáng)化金屬的方法。但強(qiáng)化金屬的同時，給金屬的繼續(xù)加工帶來了困難，因此但強(qiáng)化金屬的同時，給金屬的繼續(xù)加工帶來了困難，因此要經(jīng)過再結(jié)晶使金屬重新獲得塑性，因此塑性變形工藝過程中經(jīng)要經(jīng)過再結(jié)晶使金屬重新獲得塑性，因此塑性變形工藝過程中經(jīng)常應(yīng)用到再結(jié)晶退火工藝。常應(yīng)用到再結(jié)晶退火工藝。再結(jié)晶退火：再結(jié)晶

13、退火：就是將冷作硬化以后的金屬重新加熱到再結(jié)晶溫度以上某一就是將冷作硬化以后的金屬重新加熱到再結(jié)晶溫度以上某一溫度讓其發(fā)生再結(jié)晶，繼而消除冷作硬化現(xiàn)象，以利于繼續(xù)進(jìn)行溫度讓其發(fā)生再結(jié)晶，繼而消除冷作硬化現(xiàn)象，以利于繼續(xù)進(jìn)行塑性加工。塑性加工。加工硬化與再結(jié)晶的應(yīng)用：加工硬化與再結(jié)晶的應(yīng)用：視頻視頻。2 2）熱變形）熱變形( (熱加工熱加工) ) T T加工加工 T T再再 時，變形產(chǎn)生的加工硬化被時，變形產(chǎn)生的加工硬化被隨即發(fā)生的再結(jié)晶所抵消，變形后金屬具有隨即發(fā)生的再結(jié)晶所抵消，變形后金屬具有再結(jié)晶的相同晶粒組織，而無任何加工硬化再結(jié)晶的相同晶粒組織，而無任何加工硬化痕跡，這種變形稱為痕跡，

14、這種變形稱為熱變形熱變形。即冷變形強(qiáng)化和再結(jié)晶過程同時存在。即冷變形強(qiáng)化和再結(jié)晶過程同時存在。熱變形結(jié)果：熱變形結(jié)果：無加工硬化無加工硬化加工硬化和再結(jié)晶同時進(jìn)行；加工硬化和再結(jié)晶同時進(jìn)行；所以，經(jīng)熱變形的金屬雖然沒有加所以，經(jīng)熱變形的金屬雖然沒有加工硬化，但是其機(jī)械性能仍明顯提高。工硬化，但是其機(jī)械性能仍明顯提高?？砂汛执?、不均勻結(jié)構(gòu)可把粗大、不均勻結(jié)構(gòu) 細(xì)化。細(xì)化。細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒鑄態(tài)晶粒被破碎；鑄態(tài)晶粒被破碎；致密組織致密組織縮松、氣孔被壓合；縮松、氣孔被壓合；形成纖維組織形成纖維組織雜質(zhì)分布狀態(tài)被雜質(zhì)分布狀態(tài)被改變。改變。 纖維組織的利用原則：纖維組織的利用原則：1 1）纖維組織：）纖

15、維組織：鑄錠在壓力加工中產(chǎn)生塑性變形時，基體金屬的晶粒形狀和鑄錠在壓力加工中產(chǎn)生塑性變形時，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)形狀都發(fā)生了變形，它們將沿著變形方向被拉沿晶界分布的雜質(zhì)形狀都發(fā)生了變形，它們將沿著變形方向被拉長，呈纖維形狀。這種結(jié)構(gòu)叫長，呈纖維形狀。這種結(jié)構(gòu)叫纖維組織纖維組織。纖維組織視頻纖維組織視頻。2 2）具有纖維組織的金屬，各個方向上的機(jī)械性能不相同。）具有纖維組織的金屬，各個方向上的機(jī)械性能不相同。順纖維方向的機(jī)械性能比橫纖維方向的好。順纖維方向的機(jī)械性能比橫纖維方向的好。金屬的變形程度越大，纖維組織就越明顯，機(jī)械性能的方向金屬的變形程度越大，纖維組織就越明顯，機(jī)械性能

16、的方向性也就越顯著。性也就越顯著。實(shí)例：不同工藝及加工方法不同實(shí)例：不同工藝及加工方法不同a a）當(dāng)采用棒料直接經(jīng)）當(dāng)采用棒料直接經(jīng)切削加工切削加工制造螺釘時，螺釘頭部與桿部制造螺釘時，螺釘頭部與桿部的纖維被切斷，不能連貫起來，受力時產(chǎn)生的切應(yīng)力順著纖維方的纖維被切斷，不能連貫起來，受力時產(chǎn)生的切應(yīng)力順著纖維方向，故螺釘?shù)某休d能力較弱。向，故螺釘?shù)某休d能力較弱。原則：原則：使纖維分布與零件的輪廓相符合而不被切斷；使纖維分布與零件的輪廓相符合而不被切斷；使零件所受的最大拉應(yīng)力與纖維方向一致，最大切應(yīng)力與使零件所受的最大拉應(yīng)力與纖維方向一致，最大切應(yīng)力與纖維方向垂直。纖維方向垂直。b b）當(dāng)采用同

17、樣棒料經(jīng)局部）當(dāng)采用同樣棒料經(jīng)局部鐓粗方法鐓粗方法制造螺釘時，纖維不被切制造螺釘時，纖維不被切斷且連貫性好，纖維方向也較為有利，故螺釘質(zhì)量較好。斷且連貫性好，纖維方向也較為有利，故螺釘質(zhì)量較好。金屬的可鍛性金屬的可鍛性 金屬的可鍛性：是衡量材料在經(jīng)受壓力加工時獲得優(yōu)質(zhì)制品金屬的可鍛性：是衡量材料在經(jīng)受壓力加工時獲得優(yōu)質(zhì)制品難易程度的工藝性能。難易程度的工藝性能。 一、金屬的本質(zhì)（內(nèi)因）一、金屬的本質(zhì)（內(nèi)因） 1 1、化學(xué)成分的影響、化學(xué)成分的影響 一般情況下，純金屬的可鍛性比合金好；碳鋼一般情況下，純金屬的可鍛性比合金好；碳鋼C%C% ，可鍛性可鍛性 ；鋼中含有形成碳化物的元素（鉻、鉬、鎢、釩

18、）時，；鋼中含有形成碳化物的元素（鉻、鉬、鎢、釩）時，可鍛性可鍛性 可鍛性常用金屬的可鍛性常用金屬的塑性塑性( ( ) )和和變形抗力變形抗力( ( y y) )綜合評定。綜合評定。 , , y y 可鍛性可鍛性 ，反之差。，反之差。 變形抗力變形抗力( ( y y) )：指在壓力加工過程中變形金屬作用于施壓：指在壓力加工過程中變形金屬作用于施壓工具表面單位面積上的壓力。工具表面單位面積上的壓力。 y y，變型中所消耗的能量，變型中所消耗的能量。 可知，金屬的可鍛性取決于金屬的本質(zhì)和加工條件?？芍?，金屬的可鍛性取決于金屬的本質(zhì)和加工條件。 2 2、金屬組織的影響、金屬組織的影響 純金屬及固溶體

19、的可鍛性好，而碳化物的可鍛性差。純金屬及固溶體的可鍛性好，而碳化物的可鍛性差。 組織組成：組織組成： 單相比多相好，如單相比多相好，如 A A比比P P 好。故好。故鍛造溫度多選在鍛造溫度多選在 A A 區(qū)。區(qū)。 變形溫度變形溫度 ，, , y y ，可鍛性可鍛性 （但不能過燒）。（但不能過燒）。 過燒：過燒：是指加熱溫度過高，被是指加熱溫度過高，被鍛金屬的晶界因含合金元素或雜質(zhì)量鍛金屬的晶界因含合金元素或雜質(zhì)量高、熔點(diǎn)低而先發(fā)生熔化。高、熔點(diǎn)低而先發(fā)生熔化。鍛造時即鍛造時即發(fā)生開裂，故一定不能過燒。發(fā)生開裂，故一定不能過燒。 二、加工條件（外因）二、加工條件（外因） 1 1、變形溫度的影響、變形溫度的影響 提高金屬變形時的溫度，是改善金屬可鍛性的有效措施，并提高金屬變形時的溫度，是改善金屬可鍛性的有效措施，并對生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量及金屬的有效利用等均有極大的影響。對生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量及金屬的有效利用等均有極大的影響。 2 2、變形速度的影響、變形速度的影響 變形速度：變形速度： 即單位時間的變形速度。它對可鍛性的影響是矛盾的。即單位時間的變形速度。它對可鍛性的影響是矛盾的。 1 1、a a點(diǎn)左：變形速度點(diǎn)左：變形速度 ，, , y y