金属塑性成形原理教学配套课件作者俞汉清基本配套课件 第五章 塑性成形件质量的定性分析

第五章塑性成形件质量的定性分析 第一节概述第二节塑性成型件中的空洞和裂纹第三节塑性成型件中的晶粒度第四节塑性成型件中的折叠第五节塑性加工中的失稳 第一节概述 塑性成形件的外形质量比较直观 而内部质量 组织 性能 微裂纹 空洞等 问题必须借助于一些专门的试验方法才能分析清楚 塑性成形件的质量除与塑性成形工艺和热处理工艺规范有关外 还与原材料的质量有密切关系 因此 要确保塑性成形件的质量 首先要确保原材料的质量 一 原材料及塑性成形过程中常见的缺陷类型 原材料中常见的缺陷有 毛细裂纹 结疤 折叠 非金属夹杂 碳化物偏析 异全局夹杂物 白点 缩孔残余等 在塑性成形过程中 由于加热不当产生的缺陷主要有 过热 过烧 加热裂纹 铜脆脱碳 增碳等 由于成形工艺不当产生的缺陷主要有 大晶粒 晶粒不均匀 裂纹 十字裂纹 表面龟裂 飞边裂纹 分模面裂纹 孔边龟裂等 锻造折叠 穿流 带状组织等 由于锻后冷却不当产生的缺陷主要有 冷却裂纹 网状碳化物等 由于锻后热处理工艺不当产生的缺陷主要有 硬度过高或过低 硬度不均等 二 塑性成形件质量分析的一般过程及分析方法 1 对塑性成形件进行质量分析的一般过程是 1 调查原始情况调查原始情况应包括原材料 塑性成形工艺及热处理工艺情况 2 弄清质量问题在这一阶段中 主要是查明塑性成形件缺陷部位 缺陷处的宏观特征 并初步确定是原材料质量问题引起的缺陷还是塑性成形工艺或热处理工艺本身造成的缺陷 3 试验研究分析这是确定塑性成形件缺陷原因的主要试验阶段 4 提出解决措施 2 塑性成形件质量分析的方法塑性成形件质量分析方法的特点是广泛采用各种先进的试验技术与试验方法 要准确地分析成形件质量问题 有赖于正确的试验方法和检测技术 同时要善于对试验结果进行科学的分析与判断 破坏性试验是成形件质量分析的主要方法 但是无损探伤这种非破坏性试验技术已日益显示出它的优越性 并将在塑性成形件质量检验与分析中占据应有的地位 第二节塑性成形件中的空洞和裂纹 一 塑性成形件中的空洞在金属材料中 一般都存在各种各样的缺陷 如疏松 缩孔残余 偏析 第二相和夹杂物质点 杂质等 这些缺陷 特别是夹杂物或杂质质点一般都处于晶界处 带有这些缺陷的材料 在塑性成形中 当施加的外载荷达到一定程度时 在应力应变场中 有夹杂物或第二相质点等缺陷的晶界处 由于位错塞积或缺陷本身的分裂而形成微观空洞 图5 1a 空洞是塑性成形过程中普遍存在的组织变化 塑性成形过程中 在一定的外界条件下 就会出现空洞的形核 长大 继而发生空洞的聚合或连接 形成裂纹 按空洞的形状 空洞大致可分为两类 1 产生于三晶粒交界处的楔形空洞 或称V形空洞 图5 2 这类空洞是由应力集中产生的 2 沿晶界 特别是相界产生的圆形空洞或称o形空洞 它们的形状多半接近圆或椭圆 出现o形空洞的晶界或相界多半与拉应力垂直 在带坎的晶界上也会出现0形空洞 图5 3 二 塑性成形件中的裂纹在塑性成形过程中 变形体内的空洞形核 长大 聚集就会发展成裂纹 裂纹是塑性成形件中常见的缺陷之一 在塑性成形中产生裂纹基本上有两个方面 一是由于原材料中的缺陷 如各种冶金缺陷 夹杂物等 二是属于塑性成形本身的原因 如加热不当 变形不当或冷却不当等 塑性成形过程中的裂纹有很多形成情况 1 由外力直接引起的裂纹 2 由附加应力和残余应力引起的裂纹 3 由温度应力 热应力 及组织应力引起的裂纹 防止产生裂纹的原则措施从下列因素来考虑 1 增加静水压力 2 选择和控制合适的变形温度和变形速度 3 采用中间退火 以便消除变形过程中产生的硬化 变形不均匀 残余应力等 4 提高原材料的质量 第三节塑性成形件中的晶粒度 一 晶粒度的概念晶粒度是表示金属材料晶粒大小的程度 它是由单位面积内所包含晶粒个数来衡量 也可用晶粒平均直径大小 以毫米或微米为单位 来表示 晶粒度级别越高 说明单位面积内包含晶粒个数越多 亦即晶粒越细 钢的晶粒度有两种概念 即钢的奥氏体本质晶粒度和钢的奥氏体实际晶粒度 钢的奥氏体本质晶粒度是将钢加热到930 保温适当时间 一般3 8h 冷却后在室温下放大100倍观察到的晶粒大小 钢的奥氏体实际晶粒度是指钢加热到某一温度下获得的奥氏体晶粒大小 二 晶粒大小对力学性能的影响一般情况下 晶粒细化可以提高金属材料的屈服强度 s 疲劳强度 1 塑性 和冲击韧度 k 降低钢的脆性转变温度 因为晶粒越纫 不同取向的晶粒越多 变形能较均匀地分散到各个晶粒 即可提高变形的均匀性 同时 晶界总长度越长 位错移动时阻力越大 所以能提高强度 塑性和韧性 三 影响晶粒大小的主要因素1 加热温度加热温度包括塑性变形前的加热温度和因溶处理时的加热温度 2 变形程度 3 机械阻碍物有些材料随加热温度升高 晶粒分阶段突然长大 而不是随温度升高成直线关系长大 这是由于金属材料中存在机械阻碍物 对晶界有钉札作用 阻止晶界迁移的缘故 机械阻碍物在钢中可以是氧化物 如AI2O3等 氮化物 如AIN TiN等 碳化物 如VC TiC等 在铝合金中可以是Mn Ti Fe等元素及其化合物 对晶粒度的影响 除以上三个基本因素外 还有变形速度 原始晶粒度和化学成分等 四 细化晶粒的主要途径使塑性成形件获得细晶粒的主要途径有 1 在原材料冶炼时加入一些合金元素 如钽 铌 锆 钼 钨 钒 钛等 及最终采用铝 钛等作脱氧剂 2 采用适当的变形程度和变形温度 3 采用锻后正火 或退火 等相变重结晶的方法 第四节塑性成形件中的折叠 折叠是在金属变形流动过程中已氧化过的表面金属汇合在一起而形成的 在零件上 折叠是一种内患 它不仅减小了零件的承载面积 而且工作时此处产生应力集中 常常成为疲劳源 因此 技术条件中规定锻件上一般不允许有折叠 一 折叠特征锻件中的折叠一般具有下列特征 1 折叠与其周围金属流线方向一致如图5 22所示 2 折叠尾端一般呈小圆角或枝叉形 鸡爪形 如图5 23 图5 24所示3 折叠两侧有较重的脱碳 氧化现象 二 折叠的类型及形成原因1 由两股 或多股 金属对流汇合而形成的折叠这种类型的折叠其形成原因有以下几方面 1 模锻过程中由于某处金属充填较慢 而在相邻部分均已基本充满时 此处仍缺少大量金属 形成空腔 于是相邻部分的金属便往此处汇流而形成折叠2 弯轴和带枝叉的锻件 模锻时常易由两股流动金属汇合形成折叠如图5 25 图5 26所示 3 由于变形不均习 两股 或多股 金属对流汇合而成折叠2 由一股金属的急速大量流动将邻近部分的表层金属带着流动 两者汇合形成的折叠 3 由于变形金属发生弯曲 回流而形成的折叠分为两种情况 1 细长 或扁薄 锻件 先被压弯然后发展成的折叠 2 由于金属回流形成弯曲 继续模锻时发展成的折叠4 部分金属局部变形 被压入另一部分金属内而形成的折叠如下图 第五节塑性加工中的失稳 在塑性加工中 当材料所受载荷达到某一临界值后 即使载荷下降 塑性变形还会继续 这种现象称为塑性失稳失稳有压缩失稳和拉伸失稳 压缩失稳的主要影响因素是刚度参数 它在塑性成形中主要表现为坯料的弯曲和起皱 在弹性或塑性变形范围内都可能产生 而拉伸失稳的主要影响因素是强度参数 它主要表现为明显的非均匀伸长变形 在坯料上产生局部变薄或变细现象 其进一步发展是坯料的拉断或破裂 只产生在塑性变形范围内 一 拉伸失稳1 单向拉伸时的塑性失稳当时 而且标距内的试样横截面积相等 变形将是均匀的 当时 出现缩颈 由于缩颈处的加工硬化不能补偿其横截面积的减小 使变形集中在缩颈处 而其他截面的变形几乎不再增长 因此 处就是单向拉伸时的失稳点 图5 40 2 双向等拉时的塑性失稳 薄板双向等拉的情况如图示 图中P1 P2 垂直于板面方向的载荷P3 0 发生塑性失稳时 dP 0 对于所讨论的情况 有P1 1A1式中A1 P1作用面的面积 1 A1面上的正应力 对上式两边进行微分 整理得 则表明双向等拉时 失稳时的应变为单向拉伸时的两倍 二 压缩失稳1 压杆 板条 失稳临界力材料的抗压缩失稳的能力除与材料的刚度性能参数E0 F有关外 还与受载的压杆 或板条 的几何参数 有着更密切的关系 当相对高度越大 相对厚度越小 即杆件越细 板料越薄时越发生失稳 杆件的压缩失稳往往表现为失稳弯曲 而板料的压缩失稳往往表现为失稳起皱 2 板料失稳起皱引起压应力的外力如图5 44所示 大致可分为压缩力 剪切力 不均匀拉伸力及板平面内弯曲力四种 失稳起皱有一下几种 1 压缩力引起的失稳起皱 2 剪应力引起的失稳起皱 3 不均匀拉伸力引起的失稳起皱