金屬塑性成形理論

1、金屬塑性成形工藝方法金屬塑性成形工藝方法:鍛造、沖壓、軋制、擠壓、拉拔等。鍛造、沖壓、軋制、擠壓、拉拔等。金屬坯料在設(shè)備提供的外力作用下產(chǎn)生塑性變形，獲得金屬坯料在設(shè)備提供的外力作用下產(chǎn)生塑性變形，獲得所需要的毛坯或零件。所需要的毛坯或零件。學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：l金屬塑性成形的基礎(chǔ)理論金屬塑性成形的基礎(chǔ)理論l自由鍛自由鍛l模鍛模鍛l板料沖壓板料沖壓4-1 金屬塑性成形的基礎(chǔ)理論金屬塑性成形的基礎(chǔ)理論 金屬塑性變形本質(zhì)：金屬塑性變形本質(zhì)：由外力引起的金屬內(nèi)部應(yīng)力由外力引起的金屬內(nèi)部應(yīng)力超過該金屬的屈服點(diǎn)，其內(nèi)超過該金屬的屈服點(diǎn)，其內(nèi)部的原子排列位置發(fā)生不可部的原子排列位置發(fā)生不可逆變

2、化。逆變化。金屬晶內(nèi)塑性變形的兩種基本形式：金屬晶內(nèi)塑性變形的兩種基本形式：滑移變形滑移變形孿生變形孿生變形滑移是在切應(yīng)力的作用下晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶滑移是在切應(yīng)力的作用下晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生相對的滑移；滑移變形是金屬最主要的塑性變形方式。向發(fā)生相對的滑移；滑移變形是金屬最主要的塑性變形方式。孿生是晶體在切應(yīng)力作用下，晶格的一部分相對于另一部分沿孿晶面發(fā)生孿生是晶體在切應(yīng)力作用下，晶格的一部分相對于另一部分沿孿晶面發(fā)生相對轉(zhuǎn)動的結(jié)果。相對轉(zhuǎn)動的結(jié)果。The deformation of metals, which is caused by th

3、e displacement of the atoms is achieved by one or both of the processes called slip and twinning. 金屬的塑性變形還包括晶界變形，是由于各晶粒間的相對位移金屬的塑性變形還包括晶界變形，是由于各晶粒間的相對位移和轉(zhuǎn)動所引起的。和轉(zhuǎn)動所引起的。l晶界滑動晶界滑動l晶界遷移晶界遷移 實(shí)際使用的金屬材料由多晶體構(gòu)成的，其塑性變形過程復(fù)雜，實(shí)際使用的金屬材料由多晶體構(gòu)成的，其塑性變形過程復(fù)雜，變形不均勻，變形抗力較大。變形不均勻，變形抗力較大。 4-1-1金屬塑性變形規(guī)律金屬塑性變形規(guī)律 (1)最小阻力定律最

4、小阻力定律 金屬在塑性變形過程中，其質(zhì)點(diǎn)都將沿著阻力最小的方向移動金屬在塑性變形過程中，其質(zhì)點(diǎn)都將沿著阻力最小的方向移動(2)體積不變定理體積不變定理 金屬塑性成形時金屬變形后的體積等于變形前的體積。金屬塑性成形時金屬變形后的體積等于變形前的體積。(1)最小阻力定律最小阻力定律 (2)體積不變定理體積不變定理 4-1-2 金屬塑性變形后的組織與性能金屬塑性變形后的組織與性能冷變形：金屬在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形；冷變形：金屬在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形；熱變形：金屬在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形。熱變形：金屬在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形。1. 冷變形對金屬組織與性能的影響冷變形對金屬組

5、織與性能的影響(1)冷變形后的金屬顯微組織冷變形后的金屬顯微組織(組織方面的變化）組織方面的變化）l等軸晶粒被拉長等軸晶粒被拉長l形成纖維組織形成纖維組織: 纖維組織具有明顯的方向性。纖維組織具有明顯的方向性。l形成晶粒碎塊（亞晶）形成晶粒碎塊（亞晶）亞晶界上聚集大量位錯，亞晶界上聚集大量位錯，使滑移阻力進(jìn)一步增加使滑移阻力進(jìn)一步增加l形成形成“形變織構(gòu)形變織構(gòu)”: 當(dāng)金屬的冷變形量足夠大時，會當(dāng)金屬的冷變形量足夠大時，會形成形成“形變織構(gòu)形變織構(gòu)”，金屬內(nèi)部的大部分晶粒沿主變形金屬內(nèi)部的大部分晶粒沿主變形方向排列而產(chǎn)生的擇優(yōu)取向引起方向排列而產(chǎn)生的擇優(yōu)取向引起的。的。形變織構(gòu)使金屬的力學(xué)性能

6、產(chǎn)生形變織構(gòu)使金屬的力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性各向異性。 (2)加工硬化（性能方面的變化）加工硬化（性能方面的變化）什么是什么是加工硬化？加工硬化？金屬冷變形時，隨著變形量的增加，金屬的強(qiáng)度和硬度提高，金屬冷變形時，隨著變形量的增加，金屬的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。塑性和韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化帶來的不利影響加工硬化帶來的不利影響金屬材料的加工硬化使其變形抗力增加，塑性下降，并使其繼金屬材料的加工硬化使其變形抗力增加，塑性下降，并使其繼續(xù)變形受到影響。續(xù)變形受到影響。如何消除加工硬化帶來的不利影響如何消除加工硬化帶來的不利影響實(shí)際生產(chǎn)中采用實(shí)際生產(chǎn)中采用中間退火工藝中間退火工藝來消除加工

7、硬化，降低變形抗力，來消除加工硬化，降低變形抗力，使塑性變形能夠繼續(xù)進(jìn)行。使塑性變形能夠繼續(xù)進(jìn)行。加工硬化帶來的有利影響加工硬化帶來的有利影響l加工硬化用來強(qiáng)化金屬材料（加工硬化用來強(qiáng)化金屬材料（提高了金屬的硬度和強(qiáng)度）提高了金屬的硬度和強(qiáng)度）。特別特別是對一些不能用熱處理強(qiáng)化的金屬材料是對一些不能用熱處理強(qiáng)化的金屬材料（某些零件利用冷輥壓加工（某些零件利用冷輥壓加工來提高其表面硬度和強(qiáng)度）來提高其表面硬度和強(qiáng)度） 。l獲得精度較高和表面光潔的產(chǎn)品獲得精度較高和表面光潔的產(chǎn)品在壓力加工中得到廣泛應(yīng)用冷成形，例如冷軋，冷拔，薄板沖在壓力加工中得到廣泛應(yīng)用冷成形，例如冷軋，冷拔，薄板沖壓、冷鐓等。

8、壓、冷鐓等。(3)殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力定義：殘余應(yīng)力是指金屑材料除去變形外力后殘余在內(nèi)部的定義：殘余應(yīng)力是指金屑材料除去變形外力后殘余在內(nèi)部的應(yīng)力。應(yīng)力。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因：殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因：主要由于金屬在外力作用下變形不均勻而引起的。主要由于金屬在外力作用下變形不均勻而引起的。殘余應(yīng)力會釋放出來殘余應(yīng)力會釋放出來殘余應(yīng)力使金屬內(nèi)部的原子處于一種高能狀態(tài)，具有自發(fā)恢復(fù)殘余應(yīng)力使金屬內(nèi)部的原子處于一種高能狀態(tài)，具有自發(fā)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的傾向，因此在特定的條件下，殘余應(yīng)力會釋放出到平衡狀態(tài)的傾向，因此在特定的條件下，殘余應(yīng)力會釋放出來。來。結(jié)論：結(jié)論： 冷變形使金屬的組織處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，冷變形使

9、金屬的組織處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，如何消除這種不穩(wěn)定狀態(tài)？如何消除這種不穩(wěn)定狀態(tài)？通過回復(fù)和再結(jié)晶來改善其性能。通過回復(fù)和再結(jié)晶來改善其性能。（4）經(jīng)冷變形的金屬在加熱時組織與性能的變化）經(jīng)冷變形的金屬在加熱時組織與性能的變化回復(fù)：回復(fù)：將冷成形后的金屬材料加熱到將冷成形后的金屬材料加熱到(0.250.3)Tm以下的溫度范以下的溫度范圍圍(Tm為熔點(diǎn)，為熔點(diǎn)，K)。此階段發(fā)生的變化：此階段發(fā)生的變化：l消除晶粒的晶格扭曲，消除晶粒的晶格扭曲，顯著降低金屬的內(nèi)應(yīng)力顯著降低金屬的內(nèi)應(yīng)力l金屬內(nèi)部晶粒的尺寸金屬內(nèi)部晶粒的尺寸和形狀無明顯變化和形狀無明顯變化l金屬的強(qiáng)度和塑性變金屬的強(qiáng)度和塑性變化不大。

10、化不大?；貜?fù)回復(fù)再結(jié)晶再結(jié)晶晶粒長大晶粒長大再結(jié)晶再結(jié)晶將冷成形金屬加熱到較高的溫度將冷成形金屬加熱到較高的溫度(0.4Tm ) 。組織和性能發(fā)生的變化：組織和性能發(fā)生的變化：l使原子能夠在金屬內(nèi)使原子能夠在金屬內(nèi)部重新排列，促使變形部重新排列，促使變形組織向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，組織向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生新的等軸晶粒。產(chǎn)生新的等軸晶粒。l冷變形金屬的強(qiáng)度和冷變形金屬的強(qiáng)度和硬度顯著下降，塑性和硬度顯著下降，塑性和韌性提高。韌性提高。l開始產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象開始產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象的最低溫度稱為再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。溫度?；貜?fù)回復(fù)再結(jié)晶再結(jié)晶晶粒長大晶粒長大加熱對冷變形金屬組織與性能的影響加熱對冷變形金

11、屬組織與性能的影響l產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象，形成新的等軸晶粒。產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象，形成新的等軸晶粒。l冷變形金屬的強(qiáng)度和硬度顯著下降，塑性和韌性提高。冷變形金屬的強(qiáng)度和硬度顯著下降，塑性和韌性提高。l開始產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。開始產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。Conclusion:l在壓力加工中常采用冷變形。在壓力加工中常采用冷變形。l所謂冷變形嚴(yán)格地說應(yīng)該是：所謂冷變形嚴(yán)格地說應(yīng)該是：在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的變形，變形過程中不發(fā)生再在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的變形，變形過程中不發(fā)生再結(jié)晶，因而變形后產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。結(jié)晶，因而變形后產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。2.熱變形對金屬組織與性能的影響熱

12、變形對金屬組織與性能的影響(1)消除缺欠與細(xì)化組織消除缺欠與細(xì)化組織熱變形可以焊合鑄錠中未氧化的氣孔、疏松等缺欠，使金屬熱變形可以焊合鑄錠中未氧化的氣孔、疏松等缺欠，使金屬材料的致密度提高。同時可以打碎粗大的鑄態(tài)組織，使其細(xì)化，材料的致密度提高。同時可以打碎粗大的鑄態(tài)組織，使其細(xì)化，從而提高其力學(xué)性能。從而提高其力學(xué)性能。 (2)動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶在熱變形中，在熱變形中，金屬材料的加工硬化過程與回復(fù)和再結(jié)晶軟化過金屬材料的加工硬化過程與回復(fù)和再結(jié)晶軟化過程同時發(fā)生。程同時發(fā)生。因此，在熱變形后的金屬材料中不會產(chǎn)生硬化，因此，在熱變形后的金屬材料中不會產(chǎn)生硬化，這種現(xiàn)象稱為

13、動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶。這種現(xiàn)象稱為動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶。例如：在鋼材熱軋過程中（例如：在鋼材熱軋過程中（Hot Rolling）消除缺欠與細(xì)化組織消除缺欠與細(xì)化組織動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶金屬鑄造組織：金屬鑄造組織：粗大柱狀晶粗大柱狀晶金屬鍛件組織：金屬鍛件組織：粗大晶粒粗大晶粒 (3)鍛造比及鍛造流線鍛造比及鍛造流線 l 鍛造比鍛造比鍛造鍛造塑性變形程度（鍛造前后金屬坯料的橫截塑性變形程度（鍛造前后金屬坯料的橫截面積比值或長面積比值或長度度(高度高度)比值比值）；）；l鑄態(tài)金屬在鍛造時其晶粒形狀和沿晶界分布鑄態(tài)金屬在鍛造時其晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)形狀都發(fā)生了變形，它們沿著

14、變形方向的雜質(zhì)形狀都發(fā)生了變形，它們沿著變形方向被拉長，呈纖維形狀，這種結(jié)構(gòu)稱為鍛造流線被拉長，呈纖維形狀，這種結(jié)構(gòu)稱為鍛造流線。鍛造流線鍛造流線金屬鑄件組織：金屬鑄件組織：粗大晶粒粗大晶粒鍛造比大小的影響：鍛造比大小的影響：l影響鍛件的質(zhì)量；影響鍛件的質(zhì)量；l影響鍛造流線：影響鍛造流線：鍛造比越大，鍛造流線越明顯。鍛造比越大，鍛造流線越明顯。鍛造流線使鍛件的性能具有方向鍛造流線使鍛件的性能具有方向性，在平行于流線方向上的塑性、性，在平行于流線方向上的塑性、韌性明顯提高，而強(qiáng)度有所提高。韌性明顯提高，而強(qiáng)度有所提高。鍛造流線能否消除？鍛造流線能否消除？不能用熱處理的方法消除，只能不能用熱處理的

15、方法消除，只能用變形的方法改變其方向和分布。用變形的方法改變其方向和分布。由于雜質(zhì)的分布和晶粒的由于雜質(zhì)的分布和晶粒的排列有了方向性，因而使排列有了方向性，因而使金屬的機(jī)械性能在不同方金屬的機(jī)械性能在不同方向上有了顯著的差異，即向上有了顯著的差異，即具有方向性。具有方向性。機(jī)械性能的方向性：機(jī)械性能的方向性：沖擊韌性沖擊韌性k、斷面收縮率、斷面收縮率和伸長率和伸長率在平行于纖維在平行于纖維方向顯著提高，而垂直于方向顯著提高，而垂直于纖維方向則明顯降低。纖維方向則明顯降低。這這種性能差別隨著鍛造比的種性能差別隨著鍛造比的增加而更加顯著；增加而更加顯著； 纖維組織的形成對抗拉強(qiáng)纖維組織的形成對抗拉

16、強(qiáng)度度b和屈服點(diǎn)和屈服點(diǎn)s影響很小。影響很小。b縱縱b橫橫b橫橫b縱縱纖維組織是十分穩(wěn)定的，在實(shí)際生產(chǎn)中纖維組織是十分穩(wěn)定的，在實(shí)際生產(chǎn)中很難用熱處理方法加以很難用熱處理方法加以消除消除。但。但采用壓力加工方法可以改變纖維組織的分布方向采用壓力加工方法可以改變纖維組織的分布方向，例，例如如把直線分布改變成曲線分布把直線分布改變成曲線分布。u如何使零件中鍛造流線合理分布？如何使零件中鍛造流線合理分布？螺釘內(nèi)鍛造流線的分布情況：螺釘內(nèi)鍛造流線的分布情況：(a)為棒料經(jīng)切削加工成形的螺釘，其頭部的部分流線被切斷為棒料經(jīng)切削加工成形的螺釘，其頭部的部分流線被切斷（直線分布），（直線分布），因此其使用時

17、承載能力較差；因此其使用時承載能力較差；(b)為鍛造成形的螺釘，其流線分布合理為鍛造成形的螺釘，其流線分布合理（曲線分布）（曲線分布） ，承載，承載能力強(qiáng)，質(zhì)量好。能力強(qiáng)，質(zhì)量好。選用加工方法制造零件使其纖維合理分布的原則：選用加工方法制造零件使其纖維合理分布的原則：l零件中的纖維方向與其所承受的最大拉應(yīng)力方向一零件中的纖維方向與其所承受的最大拉應(yīng)力方向一致；致；l與其所承受的最大切應(yīng)力方向垂直，并使纖維圍繞與其所承受的最大切應(yīng)力方向垂直，并使纖維圍繞零件的輪廓分布而不被切斷。零件的輪廓分布而不被切斷。Since it is possible to control these flow lin

18、es in any specific direction by careful manipulation of the applied forces, it is possible to achieve optimum mechanical properties. The metal, of course, would be weak along the flow lines.如果對金屬鍛件進(jìn)行機(jī)加工，會將流線切斷，使性能變差。如果對金屬鍛件進(jìn)行機(jī)加工，會將流線切斷，使性能變差。 A part made by three different processes, showing grain f

19、low.Casting 鑄造鑄造Machining 機(jī)加工機(jī)加工Forging 鍛造鍛造3. 金屬可鍛性及影響因素金屬可鍛性及影響因素 l金屬的可鍛性是指金屬材料承受鍛造成形的能力，金屬的可鍛性是指金屬材料承受鍛造成形的能力，通常用通常用塑性和變形抗力塑性和變形抗力來綜合評價(jià)來綜合評價(jià)l金屬的塑性越高、變形抗力越低，則可鍛性越好。金屬的塑性越高、變形抗力越低，則可鍛性越好。l影響金屬可鍛性的因素影響金屬可鍛性的因素內(nèi)部因素：金屬本身的成分、組織等內(nèi)部因素：金屬本身的成分、組織等外部因素：鍛造溫度、變形速度、應(yīng)力狀態(tài)等。外部因素：鍛造溫度、變形速度、應(yīng)力狀態(tài)等。影響金屬可鍛性的因素：影響金屬可鍛性的因素：內(nèi)部因素：金屬本身的成分、組織等內(nèi)部因素：金屬本身的成分、組織等a.化學(xué)成分化學(xué)成分的影響的影響 l純金