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1、,3.1塑性成形概述,1概念金属在外力作用下塑性变形，获得具有一定形状、尺寸、精度和力学性能的毛坯、零件或原材料的加工方法压力加工。,3 金属塑性成形,1,2塑性成形应用,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,机械,航空,航天,船舶,军工,仪器仪表,电器,日用五金,2,冲压成形产品示例日常用品,3,冲压成形产品示例高科技产品,汽车覆盖件,飞机蒙皮,4,5,6,3塑性成形分类,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,锻压（Metal forging and stamping）,轧制（Rolling）,1.体积成形(Bulk Metal Forming):1.1 锻造(Forging)1.1.1自由
2、锻造1.1.2模锻1.2 挤压(Extrusion)1.3 拉拔(Drawing),板材轧制型材轧制管材轧制横轧纵轧,2.板料成形(Sheet Metal Forming)2.1 冲裁(blanking)2.2 弯曲(Bending)2.3 拉深(Deep drawing)2.4 翻边(flanging)2.5 胀形(Bulging)辊锻，楔横轧，辗环，辊弯,7,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,塑性成形类型,8,体积成形体积成形主要是指那些利用锻压设备和工、模具，对金属坯料（块料）进行体积重新分配的塑性变形，得到所需形状、尺寸及性能的制件。主要包括锻造（Forging）和挤压（Extru
3、sion）两大类。前者在成形过程中，变形区的形状随变形的进行而发生改变，属于非稳定塑性变形；后者在变形的大部分阶段变形区的形状不随变形的进行而改变，属于稳定塑性变形。,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,9,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,汽车曲轴锻造（体积成形）,10,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,阶梯轴类零件的楔横轧,11,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,高温合金涡轮盘锤锻（体积成形）,12,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,汽车中的锻件,13,板料成形板料成形又称为冲压，这种成形方法通常都是在常温下进行，所以也称为冷冲压。按照金属的变形性质又可以分为分离工序和成
4、形工序。分离工序主要是利用冲模在压力机外力的作用下，使板料分离出一定的形状和尺寸工件的冲压工序。它包括落料、冲孔、切断、切边、剖切等工序。成形工序是利用冲模在压力机外力的作用下，使板料产生塑性变形而得到相应工件的冲压工序。主要包括弯曲、拉深、翻边、胀形、扩口、缩口、旋压等。,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,14,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,汽车覆盖件成形（板料成形）,15,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,汽车前翼子板成形（板料成形）,16,圆筒的拉深成形（板料成形）,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,17,汽车中的冲压件（钣金),3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,
5、18,4.塑性成形优点组织细化致密、力学性能提高。体积不变的材料转移成形，材料利用率高。生产率高，易机械化、自动化。制品精度较高。,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,19,塑性成形缺点不能加工脆性材料。难以加工形状特别复杂（特别是内腔）、体积特别大的制品。设备、模具投资费用高。,3.1塑性成形概述,3 金属塑性成形,20,塑性变形：在外力作用下，金属材料产生的不可逆永久变形。弹性变形：外力卸除后，自动消失的可逆变形。,3.2塑性成形机理,3 金属塑性成形,21,1.塑性：在外力作用下，金属材料产生不可逆永久变形而不发生破坏的能力。衡量金属变形难易程度的指标。塑性越好，变形抗力越小，成形越容
6、易。用伸长率、断面收缩率表示：=（L1-L0）/L0 100%=（S0-S1）/S0100%,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,22,3 金属塑性成形,2.金属塑性变形的实质,3.2塑性成形机理,金属显微组织晶体原子,典型晶格结构:体心立方（Body-Centered Cube bcc）面心立方（Face-Centered Cube fcc）密排六方（Close-Package Hexagonal Hex）,金属变形：晶粒内部变形+晶界变形,晶内变形：滑移（slipping）和孪晶(twin crystal),23,金属结构,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,原子结构,晶体结构,显微结
7、构,24,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,典型金属晶体结构,体心立方,（Body Centered Cube）(-Fe、Cr、W、V、Mo),面心立方（Face Centered Cube）(Al、Cu、-Fe、Ni)密排六方（Close-package Hexagonal）(Mg、Zn、Cd、-Ti),25,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,滑移,滑移带 500倍,26,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,滑移,27,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,滑移,28,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,滑移,29,孪晶,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,孪晶后,孪晶面,孪晶
8、前,工业纯铁 孪晶 100倍,30,晶内变形,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,31,晶界变形,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,32,3.金属塑性变形的影响因素化学成分的影响组织状态的影响变形温度的影响变形速度的影响应力状态的影响,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,33,(1)化学成分的影响钢的碳含量，塑性成形性钢的合金元素含量，塑性成形性碳 少量有利 过量有害（Fe3C）磷 有害，“冷脆”硫 有害，“热脆”氮 有害，“时效脆性”氢“氢脆”“白点”氧 与其它杂质结合 有害,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,34,(2)金属组织 单相固溶体的塑性成形性优于多相组织常温下，均匀细
9、小等轴晶的塑性成形性优于粗大树枝晶钢中存在网状二次渗碳体，塑性成形性,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,35,(3)变形温度的影响变形温度高，原子振动增强，结合力减弱，塑性提高,变形抗力减少；金属高温下发生再结晶，加工硬化消除。高温下，金属的变形抗力仅为常温的1/4-1/5。温度，塑性，变形抗力，塑性成形性能在加热过程的某些温度区间，过剩相析出和相变的原因，会产生脆性。碳钢蓝脆:200-350 渗碳体析出热脆:800-950 Pearlite Austenite高温脆区:1300 过热、过烧,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,36,(4)变形速度的影响单位时间内的变形程度越大，金属塑性
10、下降，抗力提高。但超过一定的临界点后，变形热来不及散发，会产生“热效应”，使金属塑性提高，抗力减小。变形速度，硬化速度，塑性成形性变形速度，热效应，塑性成形性一般生产条件下采用较低变形速度。,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,37,（5）应力状态的影响拉应力状态易产生应力集中，促使裂纹产生和扩展，造成破坏。故拉应力越多，材料塑性越差，压应力数目越多，塑性越好。压应力数目，塑性，变形抗力拉应力数目，塑性，变形抗力,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,38,（6）表面状态的影响润滑条件坯料表面质量表面缺陷易成为“裂纹源”。表面质量好，有利于提高塑性。,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,3
11、9,如何提高金属塑性变形提高材料的成分和组织的均匀性合理选择成形温度和成形速度选择三向受压较强的变形方式减少变形的不均匀性,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,40,4.塑性变形对组织和性能的影响变形后的组织和性能形成纤维组织：晶粒被压扁、拉长，晶界模糊不清。晶粒破碎，细化。产生冷变形强化，或加工硬化。形成变形织构：晶粒择优取向，形成变形织构，使金属各向异性。残余内应力：由于变形不均匀，局部区域变形量的大小不同，造成受拉或受压。,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,41,铜材经不同程度冷轧后的光学显微组织,42,变形10%100,变形40%100,变形80%纤维组织100,工业纯铁不同变形
12、度的显微组织,43,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,44,铁于冷变形过程中位错缠结和胞状组织的发展过程(a)应变1%；(b)应变3.5%；(c)应变9%；(d)应变20%,45,(1)变形温度的影响再结晶温度以下的塑性变形冷变形，会产生加工硬化，制品表面质量好、尺寸精度高、力学性能好。再结晶温度以上的塑性变形热变形，加工硬化会同时被再结晶消除，制品表面易氧化，精度和表面质量较低。,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,46,冷变形金属加热时的变化变化过程：形成织构、加工硬化的金属(加热至0.25-0.3T熔)回复(继续加热至0.5-0.7T熔)再结晶(保温)晶粒长大回复：加热温度不高，内
13、应力降低，组织、性能无明显变化。再结晶：加热温度较高，原子扩散、重新排列，形成新的等晶粒。加工硬化消除，变形抗力降低，塑性提高。,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,47,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,冷作后 经时间t1 经时间t2 经时间t3 经时间t4 经时间t5,|-加热至大约Tm/2-|,晶粒长大|,纯铁冷拔90%后在550加热不同时间后的显微组织,回复-|-再结晶-|,48,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,回复、再结晶及晶粒长大阶段中性能的变化示意图,49,热变形后金属组织与性能热变形：在再结晶温度以上进行的变形。变形造成的加工硬化随时被再结晶消除（动态再结晶）。变化
14、如下：金属的致密度提高，气孔、缩松被压缩而发生焊合。晶粒细化，性能提高。锻造流线形成，力学性能呈各向异性。,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,50,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,51,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,52,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,(2)流线的影响,53,热塑性变形时，金属中的夹杂物、第二相等，随变形方向呈现的宏观“流线”状分布流线。流线不能用热处理方法消除，只能通过塑性变形改变其方向和分布。设计制造时应注意：(1)使零件工作时的正应力方向与流线方向一致，切应力方向与流线方向垂直。(2)使流线沿零件外形轮廓分布，尽量不被切断。,3 金属塑性成形,3
15、.2塑性成形机理,54,(3)变形程度的影响变形程度过小，不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的。变形程度过大，会因严重的纤维组织，使金属各向异性增加，且易出现开裂等缺陷。,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,55,5.塑性变形遵循的几个规律最小阻力定律卸载弹性恢复规律加工硬化规律体积不变规律,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,56,最小阻力定律 塑性变形过程中，金属各质点有向多个方向流动的可能时，将向阻力最小的方向流动。,最小阻力定律镦圆图,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,57,卸载弹性恢复规律 金属变形包括塑性和弹性二部分，外力卸除之后，塑性变形部分保留，而弹性变形部分会因为弹
16、性恢复而消除。如弯曲时回弹。,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,58,加工硬化规律金属冷变形时，随变形程度的增加，强度和硬度提高，塑性和韧性下降。冷作硬化，冷变形强化。,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,59,体积不变规律 变形前后，金属体积保持不变。（致密材料）,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,60,6.变形量的表达,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,工程应变：改变量/初始尺寸。L/L0,对数应变（真实应变）：ln(变形后尺寸/初始尺寸)Ln(L1/L0),61,工程应变设坯料原来的高度H0，压缩后高度为H1，高度差H=H1-H0，工程应变为:,3 金属塑性成形,3.2塑性
17、成形机理,62,对数应变真实应变（对数应变）：在变形过程中，如原始尺寸L0经过无穷多个中间数值逐渐变到L1，则由L0变到L1终了的应变程度可以看作是各阶段相对应变的总和，这个总和称为对数应变或真实应变。,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,例如高100mm的坯料被压缩到高为40mm时，对数应变=0.9163。,表达成积分形式,63,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,对数应变具有下列特点：,1.一般大变形情况下，工程应变不能确切地反映工件真实的应变程度；在小变形情况下，两者相差不多，例如，工程应变为10%时，对数应变为0.095。2.工程应变和对数应变的关系3.在分次成形时，对数变形指标能
18、够相加。,例如：毛坯到工件的长度的变化L1 L2 L3,，则,64,4.对数应变是可以比较的应变。例如有两个试件，其中试件1长度为L，被拉伸成长度为2L；试件2长度为2L，被压缩成长度为L。用工程应变来衡量，试件1的工程应变为e1=100%，试件2的工程应变为e2=-50%用对数应变来衡量，试件1的对数应变为1=ln2=0.6931，试件2的对数应变为2=ln0.5=-0.6931，,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,可以看出，对于这样实际上变形程度一样的情况，用工程应变来衡量两者相差却很多；显然对数应变能够准确地表达大变形的变形程度。,65,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,两种应变
19、的比较,66,压缩中的工程应变,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,67,拉伸中真实应变,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,68,其他塑性变形量的表达锻比断面收缩率体积不变规则,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,69,锻比(挤压比)变形前后的截面积比值,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,70,断面收缩率,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,71,体积不变规则在金属塑性成形中，三个相互垂直方向的均匀变形量不能同时都是伸长，或同时都是压缩。三个相互垂直的方形满足下列关系：一个方向压缩，另外两个方向都伸长，如镦粗。两个方向压缩，第三个方向伸长，如挤压或拔长。一个方向长度不变，其余两个方向一为伸长、变形另一个为压缩，如平面变形。,3 金属塑性成形,3.2塑性成形机理,72,
