哈工程材料成型课件--金属塑性成形技术.ppt
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1、哈工程材料成型课件哈工程材料成型课件- -金属塑金属塑性成形技术性成形技术 Four short words sum up what has lifted most successful Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more. individuals above the crowd: a little bit more. -author -author -date-date为何采用塑性成形技术2 金属塑性成形技术 n金属经过塑性
2、成形后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过热塑性变形后由于金属的变形和再结晶,会使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织,使钢锭内原有的偏析、缩松、气孔、夹渣等压实和焊合,其组织变得更加紧密,提高了金属的塑性和力学性能。因此铸件的力学性能低于同材质的锻件的力学性能。n塑性成形能保证金属纤维组织的连续性,使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致,金属流线完整,可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。利用金属材料在外力作用下所产生的塑性变形,获得所需产品的加工方法称为塑性成形,由于这种外力多数情况下是以压力的形式出现的,因此也称为压力加工压力加工。金属塑性成形的概念2 金
3、属塑性成形技术 适用的材料 各种钢材和大多数非铁金属及其合金都具有一定的塑性,都可在热态或冷态下进行压力加工。铸铁是脆性材料,不能进行压力加工。世界上最大的钛合金锻件中机身隔框 锻造铝合金轮毂 世界最大船用曲轴打造中国芯,突破技术垄断 2 金属塑性成形技术 2 金属塑性成形技术 金属塑性成形的特点n金属塑性成形是保持金属整体性的前提下,依靠塑性变形发生物质转移来实现工件形状和尺寸变化的,不会产生切屑,因而材料的利用率高得多材料的利用率高得多。n塑性成形过程中,除尺寸和形状发生改变外,金属的组织、性能也能得到改善和提高,尤其对于铸造坯,经过塑性加工将使其结构致密、粗晶破碎细化和均匀化,从而使性能
4、提高性能提高。此外,塑性流动所产生的流线也能使其流线也能使其性能得到改善性能得到改善。n塑性成形过程便于实现生产过程的连续化、自动化,适于大批量生产,因而劳动生产率高劳动生产率高。n塑性成形产品的尺寸精度和表面质量高尺寸精度和表面质量高。很多精密的塑性加工方法,可以不经过切削加工直接生产出零件,实现无屑加工,大量节省材料。n设备较庞大,能耗较高。2 金属塑性成形技术 中国古代锻造分为冷锻和热锻两种。中国古代锻造分为冷锻和热锻两种。 冷锻工艺冷锻工艺 齐家文化时期齐家文化时期(约公元前约公元前2000多年多年)冷锻工艺已应用于制造工冷锻工艺已应用于制造工具。具。1978年以前在甘肃武威皇娘娘台齐
5、家文化遗址出土的红铜器如刀、凿、年以前在甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址出土的红铜器如刀、凿、锥和一些饰物均经过冷锻,锤击痕迹非常明显。在秦魏家出土的青铜锥也是锥和一些饰物均经过冷锻,锤击痕迹非常明显。在秦魏家出土的青铜锥也是经过冷锻的。经过冷锻的。1953年和年和70年代在河南安阳殷墟出土的殷代年代在河南安阳殷墟出土的殷代(公元前公元前14前前11世纪世纪)冷锤打的金箔碎片厚仅冷锤打的金箔碎片厚仅0.01毫米毫米, 厚度差不超过厚度差不超过0.001毫米。毫米。 我国塑性加工的历史青铜锥青铜锥2 金属塑性成形技术 热锻工艺商代中期(公元前14世纪)用陨铁制造武器,采用了加热锻造工艺。1972年河
6、北藁城和1977年北京市平谷县出土的商代铁刃铜钺,经研究分析确定铁刃是用陨铁加热锻造成形(厚2毫米),再与青铜钺身铸成一体的。 我国塑性加工的历史2 金属塑性成形技术 为了减轻重量,铁甲多为薄片,大都经过加热锻造。1960年呼和浩特二十家子古城出土的西汉(公元前2前1世纪)铁铠甲,其铁片厚度仅12毫米,为热锻铁件。 我国塑性加工的历史西汉铁铠甲还原模型西汉铁铠甲还原模型2 金属塑性成形技术 金属塑性成形方法类型常用塑性成形加工方法有:锻造、冲压、轧制、拉拔、挤压等几种类型。轧制 挤压 拉拔 锻造 冲压 2.1金属塑性成形物理基础 单晶体和多晶体如果一块晶体内部的晶格位向完全一致,则称为单晶体如
7、果一块晶体内部的晶格位向完全一致,则称为单晶体;由许多位向不同的微小晶体组成的晶体称为多晶体。由许多位向不同的微小晶体组成的晶体称为多晶体。(a)单晶体 (b)多晶体2.1.1单晶体的塑性变形单晶体滑移变形示意图 (a)未变形 (b)弹性变形 (c)弹塑性变形 (d)塑性变形单晶体的塑性变形机制主要有两种形式:滑移变形滑移变形和孪生变形孪生变形.滑移:滑移:滑移是金属塑性变形最常见的一种方式,即在切应力的作用下,晶体的一部分沿一定的晶面和晶向的晶面和晶向相对于另一部分产生滑动。滑移的距离是滑移方向上原子间距的整数倍。使大量原子从一个平衡位置滑移到另一个平衡位置,产生宏观的塑性变形。2.1.1单
8、晶体的塑性变形2.1金属塑性成形物理基础 滑移变形单晶体滑移照片单晶体滑移照片 2.1.1金属的塑性变形及变形后的性能滑移的位错机制:晶体的滑移变形实际上不是晶体内两部分彼此以刚性的整体相对滑动,而是在切应力的作用下通过滑移面上的位错运动进行的。当一位错移到晶体表面时,便形成了一个原子间距的滑移量。 2.1金属塑性成形物理基础 (a) 位错位错 (b) 位错移动位错移动 (c) 产生滑移产生滑移刃型位错运动造成滑移的示意图刃型位错运动造成滑移的示意图 2.1.1单晶体的塑性变形滑移的位错机制2.1金属塑性成形物理基础 螺型位错移动造成滑移的示意图螺型位错移动造成滑移的示意图2.1.1单晶体的塑
9、性变形滑移的位错机制螺型位错螺型位错2.1金属塑性成形物理基础 2.1.1单晶体的塑性变形2.1金属塑性成形物理基础 孪生变形:晶体的一部分相对一定的晶面(孪晶面)沿一定方向产生相对移动,已变形部分的晶体位向发生了变化,并以孪晶面为对称面与未变形部分相互对称。孪晶面孪晶带孪生方向2.1.2多晶体的塑性变形2.1金属塑性成形物理基础 3603202802401601208040单晶多晶(退火态)伸长率/%20040080120140应力/MPa锌的单晶体与多晶体的锌的单晶体与多晶体的应力应力-应变曲线应变曲线 多晶体塑性变形包括晶内变形和晶间变形晶内变形和晶间变形。晶内变形主要是滑移变形,而晶间
10、变形则包括各晶粒之间的滑动变形和转动变形。通常情况下的塑性变形主要是晶内变形,当变形量特别大(尤其是超塑性变形)时,晶间变形占主导地位。 多晶体塑性变形示意图 2.1金属塑性加工理论基础 多晶体的塑性变形a晶内变形 b晶间变形2.1.2多晶体的塑性变形1.金属的晶粒越细,晶界面积越大,其变形抗力也就越大金属的晶粒越细,晶界面积越大,其变形抗力也就越大。另外,变形较均匀,因应力集中引起开裂的机会也较少,从而细晶粒金属断裂前能承受较大的变形量,表现出良好的塑性表现出良好的塑性。因此,从一般的使用角度来看,晶粒细的材料强度高,塑性好晶粒细的材料强度高,塑性好,在实际生产中通常希望获得细小而均匀的晶粒
11、组织,使材料具有良好的综合机械性能。2. 多晶体塑性变形的不均匀性。各晶粒的变形先后不一致,变形量也不一致,在同一晶粒内变形也不一致。2.1金属塑性加工理论基础 2.1.2多晶体的塑性变形变形前变形后仅有两个晶粒的试样在拉仅有两个晶粒的试样在拉伸时的变形伸时的变形 冷塑性变形对金属组织结构的影响:1)晶粒变形:晶粒沿变形最大的方向伸长;(a)变形前(b)变形后变形前后晶粒形状变化示意图2.1金属塑性成形物理基础 2.1.3冷塑性变形对金属组织性能的影响2.1.3冷塑性变形对金属组织性能的影响2.1金属塑性成形物理基础 变形程度为变形程度为30% 变形程度为变形程度为50% 变形程度为变形程度为
12、70% 冷塑性变形对金属组织结构的影响:1) 1) 晶粒变形晶粒变形 变形程度很大时,多晶体晶粒沿一方向显著拉长,晶界模糊不清,各晶粒难以分辨,呈现出一片如纤维状的条纹。低碳钢冷塑性变形后的组织低碳钢冷塑性变形后的组织2.1.3冷塑性变形对金属组织性能的影响冷塑性变形对金属组织结构的影响:2) 2) 亚结构细化亚结构细化; 3) ; 3) 变形织构变形织构; ;晶粒要相对于外力轴发生转动,结果大多数晶粒聚集到某些取向上来,从而形成变形织构。 4) 4) 残余应力残余应力晶格与晶粒均发生扭曲,产生内应力(金属内部变形不均匀, 位错等晶体缺陷增多, 金属内部会产生残余内应力)。拉拔方向丝织构示意图
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