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1、金属压力加工,第 九 章,概 述,一、压力加工的实质：金属材料在外力作用下，发生塑性变形，获得所要求的形状、尺寸、机械性能的原材料毛坯或零件的加工方法。,塑性加工的适用材料：各类钢 大多数非铁金属及其合金,我国自行研制的万吨级水压机,二、压力加工的主要生产方式：1.轧制；2.挤压；3.拉拔；4.锻造；5.板料冲压.,三、塑性成形特点：1.能改善金属的组织，力学性能高；2.可提高材料利用率；3.加工精度较高，生产率较高。,两不加工：脆性材料复杂形状,轧制、挤压、拉拔 金属型材、板材、钢材、线材等；自由锻、模锻 承受重载的机械零件，如机器主轴、重要齿轮、连杆、炮管、枪管等；板料冲压 汽车制造、电器
2、、仪表及日用品。,应用：,第一节 金属塑性变形,一、金属塑性变形,金属在外力作用下产生塑性变形的实质是晶体内部的原子产生滑移。,滑移：就是晶体的一部分相对与另一部分沿一定晶面发生相对的位移；产生的变形称为滑移变形。,正应力：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将晶体拉断；切应力：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。,1.单晶体金属的塑性变形,单晶体的塑性变形主要通过滑移进行。,滑移面整体刚性滑移,滑移变形具有以下特点：,1）切应力引起滑移；,2）滑移面在密排面滑移方向沿着密排面方向进行，滑移距离为原子间距的整数倍。,原因：晶体内部的各种缺陷（特别是位
3、错）的运动更容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。当位错运动到晶体表面时，晶体就产生了塑性变形。,实际晶体内部存在大量缺陷。滑移通过位错在滑移面上的运动来实现。,滑移的机理,晶界：滑移过程中，位错的运动在晶界处受到较大的阻力，难以发生变形；晶粒位向：晶粒位向不同，各晶粒的滑移系不能同时开动，受到周围晶粒的阻碍。晶粒大小：晶粒越细，相同体积内晶粒越多，塑性变形就越困难。,2.多晶体金属的塑性变形,(1)晶粒取向的影响(2)晶界的影响(3)晶粒大小的影响,1）变形特点：,2.多晶体金属的塑性变形,2）变形过程：,其塑性变形可以看成是由组成多晶体的许多单个晶粒产生变
4、形(称为晶内变形)的综合效果。同时，晶粒之间也有滑动和转动(称为晶间变形)。每个晶粒内部都存在许多滑移面，因此整块金属的变形量可以比较大。低温时，多晶体的晶间变形不可过大，否则将引起金属的破坏。,二、塑性变形对金属组织及性能的影响,1.对组织结构的影响,1）引起晶粒变形，晶粒沿最大变形方向伸长；2）晶格与晶粒发生扭曲，产生晶格畸变与内应力；3）造成晶粒破碎，产生碎晶。,形成纤维组织,结果：使金属的性能产生各向异性。,表现：,定义：金属在变形过程中，晶粒形状和沿晶界分布的杂质在钢料中的定向分布状态称为钢料锻造时的纤维组织（流线）。,a纵向（平行纤维方向），塑韧性、强度提高 b横向（垂直纤维方向）
5、，抗剪强度提高 特点：纤维组织很稳定，热处理、再锻均不能消除，只能改变分布。,钢锭热变形后的组织变化,2.对性能的影响,1）产生加工硬化现象,结果：金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,原因：塑性变形位错移动位错大量增殖相互作用运动阻力加大变形抗力强度、硬度、塑性、韧性,举例：高强度钢丝是将含碳量为1.0%的高碳钢处理成细片状珠光体，然后冷拔变形90%以上，抗拉强度可高达3000MPa。,加工硬化的应用及不利影响：,1）应用：主要是强化金属材料（1）提高材料强度、耐磨性；例：自行车链条片16Mn钢 原：厚=3.5mm b=520MPa 150HBS；五次冷轧后：厚=1.2mm（65%）b=1
6、200MPa 275HBS（2）构件使用安全系数（如钢丝绳）（3）有利于金属进行均匀的变形。2）不利影响：材料塑韧性降低，对进一步塑性变形带来困难。,3、回复与再结晶,图：冷变形金属在加热时组织和性能的变化示意图,金属材料在冷变形以后，组织处于不稳定的状态，但室温下难以进行。加热使原子扩散能力增加，随温度的升高，冷变形后的金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。,1）回复 T回=(0.25-0.3)T熔,定义：随着温度的上升，原子热运动加剧，晶格扭曲被消除，内应力明显下降的现象。,作用：a）晶格扭曲消除 b）内应力明显下降回复只能部分消除加工硬化,图：冷变形金属在加热时组织和性能的变化示意图,2
7、）再结晶,定义：温度上升到金属熔化温度的倍时，金属原子获得更多的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心，生长成新的晶粒，加工硬化完全被消除，塑性上升。,图：冷变形金属在加热时组织和性能的变化示意图,3）晶粒长大,三、冷变形与热变形,1）、定义：金属在再结晶温度以上的变形称为热变形，再结晶温度以下的变形称为冷变形。,例：钨（熔点为3380）在800变形为冷加工，而铅（熔点为327）在室温变形就可称为热加工。,加工硬化与回复、再结晶同时发生；加工硬化随时被消除，使变形抗力下降，塑性升高。,2）、热变形的特点：,1)可消除铸锭中的气孔、缩松等缺陷；2)可使铸态晶粒细化，力学性能提高；3)形成热变形纤维组织
8、（流线）。,3）、热变形后的组织与性能：,热轧时组织变化,冷加工与热加工组织的变化,热变形加工在变形的同时伴随着动态再结晶，变形停止后在冷到室温过程中继续有再结晶发生。所以热变形加工基本没有加工硬化现象。,4）、锻造比(Y锻),锻造时变形程度大小常以锻造比Y锻表示：,对拔长：Y锻=F0（原截面）/F（拔长后截面）对镦粗：Y锻=H0（镦前高度）/H（镦后高度）,结构钢钢锭的锻造比一般为24；各类钢坯和轧材的锻造比一般为1.1 1.3。,零件设计和制造中充分利用锻造流线：,1）零件最大拉应力方向应与锻造流线平行;2）零件最大剪切应力方向应与锻造流线垂直;3）零件外形轮廓应与锻造流向的分布相符合 而
9、不被切断。,(a)齿根处的切应力平行于流线方向。力学性能最差，寿命最短；(b)齿1的根部切应力与流线方向垂直，力学性能好，齿2情况正好相反，力学性能差；(c)流线呈径向放射状，各齿的切应力方向均与流线近似垂直，强度与寿命较高；(d)流线完整且与齿廓一致，未被切断，性能最好，寿命最长。,三、金属的可锻性（塑性成形性）,金属可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。,1、衡量金属可锻性的指标 两个 内因与外因 1）塑性：金属的塑性是指金属材料在外力作用下 产生永久变形而不破坏其完整性的能力；用断面收缩率、伸长率表示；2）变形抗力:变形过程中，金属抵抗外力作用能力的大小。,原因
10、：优良的塑性使产品获得准确的外形而不破裂；变形抗力越小，变形消耗的能量也越少，锻压越省力。,1）金属本质对可锻性的影响 两方面：,纯金属和固溶体具有良好的可锻性，碳化物可锻性差；细晶粒组织可锻性优于粗晶粒，但变形抗力大。,（1）化学成分：,一般情况下，纯金属的可锻性优于合金；碳钢随含碳量增加，可锻性降低；合金钢中合金元素含量越多，可锻性下降；钢中P、S含量超过一定值可锻性降低。,（2）组织结构：,2、影响金属可锻性的因素：金属本质和加工条件,（1）变形温度：,变形条件：变形温度、应变速率和应力状态,碳钢的锻造温度范围,2）加工条件的影响（变形条件）,温度：塑性，可锻 性；温度：产生“过热”，可锻性；温度：接近熔化，出现“过烧”失去塑性，b；温度：可锻性，加工硬化产生，开裂，塑性差。,图：变形速度对塑性及变形抗力的影响示意图,a）变形速度a后，由于塑性变形的热效应使材料温度升高，回复和再结晶充分，可锻性提高。但难实现。,（2）变形速度(双重影响),指金属材料在单位时间内的变形程度。,（3）应力状态的影响,1）压应力个数越多、数值越大，金属的塑性就越好；2）同号应力状态下引起的变形抗力大于异号应力状态的变形抗力，如拉拔时金属的变形抗力远小于挤压和模锻。,所以，塑性差的材料：尽量三方受压；塑性好的材料：出现拉应力有利。,金属的塑性变形与可锻性,
