材料及其加工工艺(10)讲义

第三篇 金属压力加工,山东理工大学 机械工程学院,2019/10/22,一 什么是压力加工 靠外力使金属材料产生塑性变形而得到预定形状与性能的制件（毛坯或零件）的加工方法。 外力 冲击力：锤类 静压力：压力机 各类钢和大多数有色金属及其合金都具有一定的塑性，因此，都能在热态或冷态下进行压力加工。 应用广泛：运输工具96%； 汽车拖拉机95%； 航天、航空90%； 农用机械工业80%。,2019/10/22,二 分类 1 轧制：金属坯料在两个回转轧辊的缝隙中受压变形以获得各种产品的加工方法。靠摩擦力，坯料连续通过轧辊间隙而受压变形。 主要产品：型材、圆钢、方钢、角钢、铁轨等。 2 挤压：金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。 正挤：金属流动方向与凹模运动方向相同。 反挤：金属流动方向与凹模运动方向相反。 3 拉拔：将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。 产品尺寸精度、表面光洁度较高，所以，常用于轧制件的再加工，提高产品质量。 坯料：低碳钢、有色金属及合金。 外力：拉力。 4 自由锻：金属坯料在上、下抵铁间受冲击力或压力而变形。 外力：压力。 5 模锻：金属坯料在具有一定形状的模膛内受冲击力或压力而变形的加工方法。 6 冲压：金属板料在冲模之间受压产生分离或成形。 15 立体变形（三维）； 6 平面变形（二维）； 16 可冲击力、可静压力。,2019/10/22,三 特点：（与铸造比） 1 优点：（1）结构致密、组织改善、性能提高、强、硬、韧 （2）少无切削加工，材料利用率高。 （3）可以获得合理的流线分布（金属塑变是固体体积转移过程）。 （4）生产效率高。（如：曲轴 、螺钉） 2 缺点：（1）一般工艺表面质量差（氧化）。 （2）不能成型形状复杂件（相对） （3）设备庞大、价格昂贵。 （4）劳动条件差（强度、噪音）,2019/10/22,第一章 金属的塑性变形 §1.1 金属塑性变形的实质,弹性变形 在外力作用下，材料内部产生应力，应力迫使原子离开 原来的平衡位置，改变了原子间的距离，使金属发生变 形。并引起原子位能的增高，但原子有返回低位能的倾 向。当外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失。 图3-1 塑性变形 内应力超过金属的屈服点后，外力停止作用后，金属的 变形并不完全消失。,2019/10/22,一 晶体： 1 晶体：物质中的原子按一定规律在三维空间周期重复排列。 2 单晶体：具有一个晶粒的晶体（由一个晶核生长而成的晶体）。 3 多晶体：大量晶粒组成的晶体。 二 变形： 1 弹性变形：（暂时的变形）e 力未去除。 弹性塑性变形：（暂时变形）s 力未去除。 纯塑性变形：永久变形 外力去除。 2 变形机制： 单晶体塑性变形：滑移。 多晶体塑性变形：滑移+晶粒转动。,2019/10/22,三 滑移： 1 单晶体： 在切应力作用下，晶体的一部分与另一部分沿着一定的晶面产生相对滑动，叫滑移。这个晶面滑移面。 与滑移面垂直的应力不引起滑移，只会弹性变形，大到一定程度引起脆断。 （上面所描述的滑移运动，相当于两部分晶体彼此进行的刚性运动，是由外力作用下发生的，而且所需力较大，但使实际测的力却小得多。近代塑性理论研究认为滑移变形是由于位错的滑移运动引起的。） 理想晶体结构：锌单晶理论计算：s=350kg/mm2 实测 s=0.1kg/mm2 晶体内部存在缺陷： 点缺陷：缺一个原子。 线缺陷：缺一行原子、位错。 面缺陷： 滑移逐步在滑移面上传播，直至晶体表面。 2 多晶体 塑性变形先在晶面方向有利于滑移的晶粒内开始，然后不利于滑移的晶粒向有利变形的方向转动， 协调变形，使滑移继续进行。,2019/10/22, 位错运动引起塑性变形 近代物理学证明，晶体不是在滑移面上，原子并不是整体的刚性运动而是以位错引起金属塑性变形。 位错：沿滑移面旧原子对破坏，新原子对形成,2019/10/22, 多晶体的塑性变形（晶内和晶间变形） 晶内变形：外力作用下，某一晶粒的塑性变形。 晶间变形：晶粒之间的相互位移或转动。 在外力作用下，有的晶粒处于利于塑性 变形位置，则首先塑性变形。有的处于 不利于塑性变形的位置，则暂时不变 形。晶粒间会移动、转动，这种利与不 利位置在变化，塑性变形不断进行。 图3-3,2019/10/22,§1.2 塑性变形对金属组织和性能影响, 金属在常温下经塑性变形后，内部组织将发生变化。 晶粒沿最大变形的方向伸长； 晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力； 晶粒产生碎晶。, 现象：强度、硬度上升， 而塑性、韧性下降。, 原因：滑移面附近的晶粒碎晶块， 晶格扭曲畸变，增大滑移 阻力，使滑移难以进行。,2019/10/22, 加工硬化（冷变形强化） 塑变程度增大，金属强度，硬度升高；塑性，韧性下降的现象。 1、 有利：强化金属，形变强化 有害：变形抗力，继续压力加工困难，对模具不利， 设备吨位 加工硬化的结果使金属的晶体构造处于不稳定的应力状态，有自发恢复稳定状态的趋势（室温不行） 2、消除方法：加热 回复 再结晶,2019/10/22,2）再结晶：温度再增加，金属原子获得更多能量，则以碎晶和杂质为核心结晶成新的晶粒。 实质：无畸变组织代替畸变组织，完全消除加工硬化。 T再0.4T熔 T再金属绝对再结晶温度。 再结晶退火加热再结晶金属再次获得良好塑性 高温下受力，塑性变形硬化与再结晶同时存在 ，此时变形中的强化和硬化随即被再结晶过程所消除。, 回复与再结晶 回复： 加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发恢复到稳定 状态的倾向。室温下不易实现。当提高温度时，原子 获得热能，热运动加剧，当加热温度T回： T回=（0.250.3）T熔 使原子回复到正常排列，消除了晶格扭曲，使加工硬 化得到部分消除。,2019/10/22,四、冷变形、热变形 冷变形T再以下发生的变形。 热变形T再以上发生的变形。 * 1、冷变形后具有加工硬化组织，能获得较高的表面光洁度及硬度，但变形程度不宜过大，避免破裂。 2、热变形可得到再结晶组织，变形程度大，无加工硬化，获得良好的机械性的组织。 冷变形后的件若继续加工，要再结晶退火。 金属压力加工主要采用热变形来进行，变形后金属具有再结晶组织、无加工硬化痕迹。 金属只有在热变形情况下，才能以较小的功达到加大的变形，同时获得高的力学性能的再结晶组织。,2019/10/22,五、锻造和纤维组织 1、锻造(常用锻造比表示变形程度) 1镦粗：横截面积变大：Y镦H0/H1 2拔长：横截面积变小：Y拔A0/A1 A0变形前横截面面积， A变形后横截面面积 Y2 组织细化，性能 Y25 具有方向性 Y5 组织紧密程度，晶粒细化，均达极限。性能方向性 出现性能方向性的组织已是纤维组织。 2、纤维组织： 金属发生塑性变形时，金属的晶粒形状和沿晶 界分布的杂质形状都发生变化，它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫纤维组织。 1）影响：使金属材料的机械性能出现方向性 平行纤维方向：塑、韧性 垂直纤维方向：塑、韧性 2） 利用：因流线稳定性很高，不能用热处理方法消除，只有经过锻压使金属变形，才能改变方向和形状。因此，为提高零件机械性能，尽量做到： a) 使纤维方向与零件的轮廓相符合，而不被切断。 b) 使零件受max拉应力与纤维方向一致。max与纤维垂直。,2019/10/22,§1.3 金属的可锻性,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。 是在力作用下稳定改变自身形态或尺寸，而其各质点间联系不破坏的能力。 包括方面：1塑性：变形时金属不易开裂。、k 2变形抗力：省力，不易磨损模具，小设备，消耗能量小。,2019/10/22,一、金属的本质 化学成分的影响 纯金属的可锻性比合金好，有些元素可使可锻性显著下降，钢的含碳量越低，可锻性越好。,可锻性的衡量： 塑性（断面收缩率，伸长率）， 变形抗力 可锻性取决于：金属本质和加工条件。,2019/10/22,金属组织的影响 组织不同，可锻性有差异、纯金属、 固溶体可锻性好； 碳化物可锻性差； 铸态柱状组织和粗晶粒不如晶粒细小、均匀的组织可锻性好。 二、加工条件 变形温度的影响 温度原子的运动能力容易滑移 塑性,变形抗力. 锻造温度： 始锻温度 终锻温度，过低难于锻造 图3-8,2019/10/22,2 变形速度：单位时间内的变形程度。 VC：V回、V再来不及完全消除加工硬化。 VC： 热效应，明显提高变形温度，但只在高速锤上才能有热效应。 高速锤：1225m/s， 普通锤：59m/s。 3 应力状态： 压应力下变形，对塑性有利，阻止裂纹扩展，焊合（孔、缝） 拉应力下变形，对塑性不利，气孔、裂纹等缺陷处易引起应力集中，缺陷扩展，导致破裂。 三向不等压应力会使金属塑性变形，挤压比拉拔时塑性好，三向压应力不等，才能塑变，否则弹变。 压应力会加大金属内摩擦，使变形抗力增加，故本质塑性较高的变形时出现拉应力，可减少变形抗力，对本质塑性较差的，应尽量在压应力下进行，以防止裂纹产生。,