朔料成型.ppt
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1、第第3 3章章 塑性成形塑性成形 3.13.1 塑性成形理论基础塑性成形理论基础3.2 3.2 塑性成形方法塑性成形方法3.3 3.3 塑性成形工艺设计塑性成形工艺设计3.4 3.4 塑性加工方法的结构工艺性塑性加工方法的结构工艺性 3.5 3.5 塑性成形新发展塑性成形新发展返回返回 塑性成形:塑性成形:指固态金属在外力作用下产生塑性变形,指固态金属在外力作用下产生塑性变形,获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法。具有较好塑性的材料如钢和有色金属及其合金均可法。具有较好塑性的材料如钢和有色金属及其合金均可在冷态或热态下进行塑性成形加
2、工。在冷态或热态下进行塑性成形加工。塑性成形加工的特点:塑性成形加工的特点:优点:优点:1)改善金属的组织,提高金属的力学性能;)改善金属的组织,提高金属的力学性能;2)节节约约金金属属材材料料和和切切削削加加工工工工时时,提提高高金金属属材材料料的的利利用率和经济效益;用率和经济效益;3)具有较高的劳动生产率。)具有较高的劳动生产率。4)适应性广。)适应性广。缺点:缺点:1 1)锻件的结构工艺性要求较高,内腔复杂零件难以锻造;)锻件的结构工艺性要求较高,内腔复杂零件难以锻造;2 2)锻造毛坯的尺寸精度不高,一般需切削加工;)锻造毛坯的尺寸精度不高,一般需切削加工;3 3)需重型机器设备和较复
3、杂模具,设备费用与周期长;)需重型机器设备和较复杂模具,设备费用与周期长;4 4)生生产现场劳动产现场劳动条件条件较较差差。常常用用塑塑性性成成形形加加工工方方法法有有:1 1)自自由由锻锻造造;2 2)模模型型锻锻造造;3 3)挤挤压压;4 4)拉拉拔拔;5 5)轧轧锻锻;6 6)板板料料冲冲压压。如如图图3-13-1所示。所示。塑塑性性成成形形主主要要用用于于主主轴轴、曲曲轴轴、连连杆杆、齿齿轮轮、叶叶轮轮、炮炮筒筒、枪枪管管、吊吊钩钩、飞飞机机和和汽汽车车零零件件等等力力学学性性能能要要求求高高的重要零部件。的重要零部件。第第1 1节节 塑性成形理论基础塑性成形理论基础3.1.1 塑性成
4、形的实质塑性成形的实质 3.1.2 冷变形强化与再结晶冷变形强化与再结晶3.1.3 锻造比与锻造流线锻造比与锻造流线3.1.4 塑性成形基本规律塑性成形基本规律3.1.5 金属的锻造性能金属的锻造性能3.1.1 塑性成形的实质塑性成形的实质 具具有有一一定定塑塑性性的的金金属属坯坯料料在在外外力力作作用用下下,当当内内应应力力达达到到一一定定的的条条件件,就就会会发发生生塑塑性性变变形形;由由于于金金属属材材料料都都是是晶晶体,故要说明塑性变形的实质,必须从其晶体结构来说明。体,故要说明塑性变形的实质,必须从其晶体结构来说明。1.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形有两种方式:单
5、晶体的塑性变形有两种方式:滑移变形和双晶变形滑移变形和双晶变形。1)滑滑移移变变形形:晶晶体体内内的的一一部部分分相相对对另另一一部部分分,沿沿原原子子排排列紧密的晶面作相对滑动。其变形过程列紧密的晶面作相对滑动。其变形过程如图如图3-2 所示。所示。晶晶体体在在晶晶面面上上的的滑滑移移,是是通通过过位位错错的的不不断断运运动动来来实实现现的的。如图如图3-3所示。所示。当当很很多多晶晶面面同同时时滑滑移移积积累累起起来来就就形形成成滑滑移移带带,如如图图3-3-4 4所示,形成可见的变形。所示,形成可见的变形。2 2)双双晶晶:亦亦叫叫孪孪晶晶。晶晶体体在在外外力力作作用用下下,晶晶体体内内
6、一一部部分分原原子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动。子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动。如图如图3-53-5所示。所示。2.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 多多晶晶体体是是由由大大量量的的大大小小、形形状状、晶晶格格排排列列位位向向各各不不相相同同的的晶晶粒粒所所组组成成,故故它它的的塑塑性性变变形形很很复复杂杂,可可分分为为晶晶内内变变形形和和晶晶间间变变形形。晶晶粒粒内内部部的的塑塑性性变变形形称称为为晶晶内内变变形形;晶晶粒粒之间相互移动或转动称为晶间变形。之间相互移动或转动称为晶间变形。如图如图3-63-6所示。所示。多多晶晶体体的的晶晶内内变变形形方方式式和和单单晶晶体体一一样
7、样,也也是是滑滑移移和和双双晶晶,但但各各个个晶晶粒粒所所处处的的塑塑性性变变形形条条件件不不同同,即即晶晶粒粒内内晶晶格格排排列列的的方方向向性性决决定定了了其其变变形形的的难难易易,与与外外力力成成4545度度的的滑滑移移面面最最易易变变形形。因因为为其其产产生生的的切切应应力力最最大大。如如图图3-73-7反反映映了了晶粒位向与受力变形的关系。晶粒位向与受力变形的关系。同同时时在在多多晶晶体体的的晶晶界界处处,由由于于相相邻邻晶晶粒粒间间的的位位向向差差别别,产产生生晶晶格格的的畸畸变变,并并有有杂杂质质的的存存在在,以以及及晶晶粒粒间间犬犬牙牙交交错错状状态态,对对多多晶晶体体的的变变
8、形形造造成成很很大大障障碍碍。低低温温时时,晶晶界界强强度度高高于于晶晶粒粒内内部部强强度度,变变形形抗抗力力大大不不易易变变形形;高高温温时时,晶晶界界强强度度降降低低,晶晶粒粒易易于于相相互互移移动动。所所以以多多晶晶体体由由于于存存在在晶晶界界和和各各晶晶粒粒的的位位向向差差别别,其其变变形形抗抗力力要要远远高高于于同同种种金金属属的的单单晶体。晶体。3.1.2 冷变形强化与再结晶冷变形强化与再结晶 金金属属塑塑性性变变形形时时,在在不不同同的的温温度度下下,对对金金属属组组织织和和性性能产生不同的影响。主要讨论加工硬化、回复和再结晶。能产生不同的影响。主要讨论加工硬化、回复和再结晶。1
9、.冷变形强化(加工硬化)冷变形强化(加工硬化)指指金金属属在在低低温温下下进进行行塑塑性性变变形形时时,金金属属的的强强度度和和硬硬度度升升高高,塑塑性性和和韧韧性性下下降降的的现现象象,如如图图3-83-8所所示示;变变形形程程度度越大,冷变形强化现象越严重。越大,冷变形强化现象越严重。冷变形强化的原因是冷变形强化的原因是:在塑性变形过程中,在滑移面上:在塑性变形过程中,在滑移面上产生了许多晶格方向混乱的微小碎晶,滑移面附近的晶格也产生了许多晶格方向混乱的微小碎晶,滑移面附近的晶格也产生了畸变,增加了继续滑移的阻力,使继续变形困难。产生了畸变,增加了继续滑移的阻力,使继续变形困难。对对某某些
10、些不不能能通通过过热热处处理理来来强强化化的的金金属属,可可用用低低温温变变形形来来提提高高金金属属强强度度指指标标,如如用用冷冷轧轧、冷冷拔拔和和冷冷挤挤来来提提高高低低碳碳钢、纯铜、防锈铝等所制型材和锻压件的强度和硬度。钢、纯铜、防锈铝等所制型材和锻压件的强度和硬度。但但在在塑塑性性加加工工中中,冷冷变变形形强强化化使使塑塑性性变变形形困困难难,故故采采用加热的方法使金属再结晶,而获得好的塑性。用加热的方法使金属再结晶,而获得好的塑性。2.2.回复回复 指指当当温温度度升升高高时时,金金属属原原子子获获得得热热能能,使使冷冷变变形形时时处处于于高高位位能能的的原原子子回回复复到到正正常常排
11、排列列,消消除除由由于于变变形形而而产产生生的的晶格扭曲的过程,可使内应力减少。晶格扭曲的过程,可使内应力减少。回复温度较低,对于纯金属,可用下式计算:回复温度较低,对于纯金属,可用下式计算:式中式中 -金属的绝对回复温度;金属的绝对回复温度;-金属的绝对熔化温度;金属的绝对熔化温度;回回复复作作用用不不改改变变晶晶粒粒的的形形状状及及晶晶粒粒变变形形时时所所构构成成的的方方向向性性,也也不不能能使使晶晶粒粒内内部部的的破破坏坏现现象象及及晶晶界界间间物物质质的的破破坏坏现现象象得得到到恢恢复复,只只是是逐逐渐渐消消除除晶晶格格的的扭扭曲曲程程度度。故故回回复复作作用用可可以以降降低低内内应应
12、力力,但但力力学学性性能能变变化化不不大大,强强度度稍稍降降低低,塑性稍提高。塑性稍提高。如图如图3-93-9b b所示。所示。3.再结晶再结晶 指指当当温温度度升升高高到到一一定定程程度度时时,金金属属原原子子获获得得更更高高的的热热能能,通通过过金金属属原原子子的的扩扩散散,使使冷冷变变形形强强化化的的结结晶晶构构造造进进行行改改变变,成成长长出出许许多多正正常常晶晶格格的的新新晶晶粒粒,新新晶晶粒粒代代替替原原变变形形晶粒的过程即为再结晶。晶粒的过程即为再结晶。如图如图3-93-9c c所示。所示。再再结结晶晶过过程程:先先在在变变形形金金属属中中出出现现再再结结晶晶核核心心(小小晶晶块
13、块,或或破破碎碎物物),结结晶晶核核心心周周围围的的畸畸变变晶晶格格中中的的原原子子向向再再结结晶晶核核心心聚聚集集,从从不不稳稳定定状状态态向向稳稳定定状状态态过过渡渡,有有秩秩序序地地排排列列起起来来,而而形形成成新新的的具具有有正正常常晶晶格格结结构构的的晶晶粒粒,直直至至新新晶晶粒粒完完全全形形成成,再再结结晶晶结结束束。如如果果继继续续升升温温或或保保温,再结晶晶粒还会聚合长大,即二次再结晶。温,再结晶晶粒还会聚合长大,即二次再结晶。再再结结晶晶使使内内应应力力全全部部消消除除,强强度度降降低低,塑塑性性增增加加。如如图图3-103-10所所示示为为变变形形后后的的金金属属在在加加热
14、热时时组组织织和和性性能能的的变变化。化。再再结结晶晶的的最最低低温温度度称称为为再再结结晶晶温温度度,一一般般纯纯金金属属的的再再结晶温度为:结晶温度为:再再结结晶晶处处理理:利利用用金金属属再再结结晶晶过过程程消消除除低低温温变变形形后后的的冷冷变变形强化,恢复金属的良好塑性,以利于后继的冷变形加工。形强化,恢复金属的良好塑性,以利于后继的冷变形加工。4.冷变形和热变形冷变形和热变形 冷冷变变形形:指指金金属属在在其其再再结结晶晶温温度度以以下下进进行行塑塑性性变变形形。如如冷冷冲冲压压、冷冷弯弯、冷冷挤挤、冷冷镦镦、冷冷轧轧和和冷冷拔拔,能能获获得得较较高高的的硬硬度及表面质量。度及表面
15、质量。热热变变形形:指指金金属属在在其其再再结结晶晶温温度度以以上上进进行行塑塑性性变变形形。如如锻锻造造、热热挤挤和和轧轧制制等等,能能消消除除冷冷变变形形强强化化的的痕痕迹迹,保保持持较较低低的塑性变形抗力和良好的塑性。的塑性变形抗力和良好的塑性。3.1.3 锻造比和锻造流线(纤维组织)锻造比和锻造流线(纤维组织)1.锻造流线的形成锻造流线的形成 在在金金属属铸铸锭锭中中含含有有的的夹夹杂杂物物多多分分布布在在晶晶界界上上,在在金金属属塑塑性性变变形形时时,晶晶粒粒沿沿变变形形方方向向伸伸长长,塑塑性性夹夹杂杂物物也也随随着着变变形形一一起起被被拉拉长长,呈呈带带状状分分布布;脆脆性性夹夹
16、杂杂物物被被打打碎碎呈呈碎碎粒粒状状或或链链状状分分布布;通通过过再再结结晶晶过过程程,晶晶粒粒细细化化,而而夹夹杂杂物物却却依依然然呈呈条条状状和和链链状状被被保保留留下下来来,形形成成锻锻造造流流线线。如如图图3-113-11所所示示。锻锻造造流流线线使使金金属属的的力力学学性性能能呈呈现现各各向向异异性性,平平行行于于纤纤维维方方向向塑塑性性和和韧韧性性增增加加,垂垂直直于于纤纤维维方方向向则下降。则下降。2、锻造比锻造比 它它是是锻锻造造生生产产中中代代表表金金属属变变形形大大小小的的一一个个参参数数,一一般般用用锻锻造造过过程程中中的的典典型型工工序序的的变变形形程程度度来来表表示示
17、:如如镦镦粗粗工序,锻造比为:工序,锻造比为:拔长锻造比:拔长锻造比:3.锻造比对金属的组织和性能的影响锻造比对金属的组织和性能的影响 一一般般情情况况下下,增增加加锻锻造造比比,可可使使金金属属组组织织细细密密化化,提提高高锻锻件件的的力力学学性性能能。但但当当锻锻造造比比过过大大,金金属属组组织织的的紧紧密密程程度度和和晶晶粒粒细细化化程程度度已已到到极极限限,故故力力学学性性能能不不再再升升高高,而而增增加加各各向向异异性性。锻锻造造比比越越大大,锻锻造造流流线线越越明明显显,其其力力学学性性能能的的方方向向性性越越明明显显。如如图图3-12所所示示为为碳碳素素结结构构钢钢锭锭采采用用不
18、不同同锻锻造造比比进进行行拔拔长长后后的的力力学学性性能能变变化化曲曲线线。当当锻锻造造比比增增加加时时,钢钢的的强强度度在在横横向向和和纵纵向向差差别别不不大大,而而塑塑性性和和韧韧性性纵纵向向明明显显好于横向。好于横向。锻锻造造流流线线的的稳稳定定性性很很高高,而而且且用用热热处处理理不不能能消消除除。故故在在设设计计和和制制造造易易受受冲冲击击载载荷荷的的零零件件时时,必必须须考考虑虑锻锻造造流流线线的方向,使最大正应力与流线方向一致,切应力或冲击应的方向,使最大正应力与流线方向一致,切应力或冲击应力力与与流流线线方方向向垂垂直直;使使锻锻造造流流线线的的分分布布与与零零件件的的外外形形
19、轮轮廓廓相相符符合合,而而不不被被切切断断。如如图图3-133-13所所示示的的拖拖钩钩,如如图图3-143-14所所示示的的齿轮。齿轮。3.1.4 3.1.4 塑性成形基本规律塑性成形基本规律 塑塑性性成成形形规规律律:就就是是塑塑性性成成形形时时金金属属质质点点流流动动的的规规律律,即即在在给给定定条条件件下下,变变形形体体内内将将出出现现什什么么样样的的位位移移速速度度场场和和位位移移场场,以以确确定定物物体体形形状状、尺尺寸寸的的变变化化及及应应变变场场。从从而而为为选选择择变形工步和设计成形模具奠定基础。变形工步和设计成形模具奠定基础。1.体积不变定律体积不变定律 金金属属塑塑性性变
20、变形形前前后后体体积积不不变变,实实际际中中略略有有缩缩小小;可可计计算各工序尺寸。算各工序尺寸。2.最小阻力定律最小阻力定律 塑塑性性变变形形时时金金属属质质点点首首先先向向阻阻力力最最小小方方向向移移动动。一一般般金金属属某某质质点点移移动动时时阻阻力力最最小小方方向向是是通通过过该该质质点点向向金金属属变变形形部分的周边所作的法线方向,部分的周边所作的法线方向,如图如图3-15,图图3-16所示。所示。3.1.5 金属的锻造性能金属的锻造性能 金金属属的的锻锻造造性性能能是是用用来来衡衡量量金金属属材材料料利利用用锻锻压压加加工工方方法法成成形形的的难难易易程程度度,是是金金属属的的工工
21、艺艺性性能能指指标标之之一一。常常用用金金属属的的塑塑性性和和变变形形抗抗力力两两个个因因素素来来综综合合衡衡量量。塑塑性性越越好好,变变形形抗抗力力越越小小,则则锻锻造造性性能能越越好好。影影响响金金属属锻锻造造性性能的因素有:金属的本质和金属的变形条件。能的因素有:金属的本质和金属的变形条件。1.1.金属本质金属本质的影响的影响1 1)金金属属的的化化学学成成分分:化化学学成成分分不不同同,塑塑性性不不同同,锻锻造造性能不同。性能不同。2 2)金金属属的的组组织织状状态态:组组织织结结构构不不同同,锻锻造造性性能能不不同同;单单一一固固溶溶体体组组成成的的合合金金,塑塑性性好好,锻锻造造性
22、性能能好好;铸铸态态柱柱状状组组织织和和粗粗晶晶结结构构不不如如细细小小均均匀匀的的晶晶粒粒结结构构;金金属属内内部部有缺陷也不一有缺陷也不一样样。1 1)变变形形温温度度:温温度度升升高高,塑塑性性上上升升,降降低低变变形形抗抗力力,易易于于锻锻造造;但但温温度度过过高高也也会会产产生生相相应应的的缺缺陷陷,如如氧氧化化,脱脱碳碳、过热和过烧等。故要严格控制锻造温度范围。过热和过烧等。故要严格控制锻造温度范围。锻锻造造温温度度范范围围指指始始锻锻温温度度与与终终锻锻温温度度间间的的温温度度范范围围,以以合合金金状状态态图图为为依依据据。对对始始锻锻温温度度,原原则则是是在在不不出出现现过过热
23、热和和过过烧烧的的前前提提下下,尽尽量量提提高高始始锻锻温温度度。碳碳钢钢的的始始锻锻温温度度为为AEAE线线下下2002000 0C C。终终锻锻温温度度即即停停止止锻锻造造的的温温度度,对对于于锻锻件件质质量量有有很很大大影影响响,终终锻锻温温度度太太高高,停停锻锻后后晶晶粒粒会会重重新新长长大大,降降低低锻锻件件力力学学性性能能;太太低低,再再结结晶晶困困难难,冷冷变变形形强强化化现现象象严严重重,变变形形抗抗力力太太大大,甚甚至至产产生生锻锻造造裂裂纹纹,也也易易损损坏坏设设备备和和工具。工具。碳碳钢钢在在加加热热时时奥奥氏氏体体晶晶粒粒长长大大示示意意图图如如图图3-173-17a
24、a所所示示,锻造温度见锻造温度见图图3-173-17b b。2.2.金属的变形条件金属的变形条件2 2)变变形形速速度度:指指金金属属在在锻锻压压加加工工过过程程中中单单位位时时间间内内的的相相对对变变形形量量。变变形形速速度度的的影影响响较较复复杂杂:一一方方面面变变形形速速度度增增大大,冷冷变变形形强强化化现现象象严严重重,变变形形抗抗力力增增大大,锻锻造造性性能能变变坏坏;另另一一方方面面变变形形速速度度很很大大时时产产生生的的热热能能使使金金属属温温度度升升高高,提提高高塑塑性性,降降低低变变形形抗抗力力,锻锻造造性性能能变变好好。如如图图3-18所示。所示。3 3)变变形形时时的的应
25、应力力状状态态:不不同同压压力力加加工工方方法法,金金属属内内部部的的应应力力状状态态是是不不同同的的,如如图图3-193-19所所示示。在在金金属属塑塑性性变变形形时时,压压应应力力数数目目越越多多,其其塑塑性性变变形形越越好好,因因为为压压应应力力使使滑滑移移面面紧紧密密结结合合,防防止止产产生生裂裂纹纹;拉拉应应力力则则使使塑塑性性变变形形降降低低,应应为为它它使使缺缺陷陷扩扩大大,使使滑滑移移面面分分离离。但但压压应应力力时时变形抗力增大。故必须综合考虑塑性和变形抗力。变形抗力增大。故必须综合考虑塑性和变形抗力。思考题:思考题:1.1.试述单晶体和多晶体塑性变形的实质。试述单晶体和多晶
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