2015金属工艺学冶金版：金属热加工工艺概述

金属工艺学,冶金与材料工程学院LJHCQUST,金属热加工工艺,金属液态凝固成形（铸造）,金属固态塑性成形（锻压）,金属连接成形（焊接）,热加工工艺,金属塑性成形的作用 金属塑性成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按照生产方式的不同，金属塑性加工一般可分为锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔等。随着塑性加工技术的发展，其包含的内容亦越来越广泛，尤其是发展了许多新工艺，比如超塑性成形、电磁成形，内高压成形等。,固态金属,外力作用下,工具模具,零件（毛坯）,塑性变形,金属塑性成形（锻压）的概念 金属塑性成形（传统叫法锻压，是锻造和冲压工艺的总称），其本质是利用金属材料所具有的塑性，在工具或模具作用下施加外力，使其发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸及力学性能的零件或毛坯的工艺方法，工业生产中一般称为金属塑性加工或压力加工。,第一节 概述,锻造与冲压生产方式示意图,一、金属塑性成形的基本生产方法,锻造（自由锻、模锻）所加工的对象具有三维尺寸，且由于成形力较大，加工时一般都需对坯料进行加热，因此亦称为体积成形和热成形；冲压加工对象主要是金属板料，厚向尺寸很小，成形力较小，一般不需加热，因此也称为板料冲压和冷冲压。,轧制示意图,挤压示意图,拉拔示意图,轧制：金属坯料通过转动轧辊间的缝隙使之受压变形，在长度方向上产生延伸的过程。挤压：金属坯料在封闭模腔内受三向不均匀压应力作用从模孔挤出变形的加工方法。拉拔：金属坯料在外加拉力的作用下，通过模孔产生塑性变形的加工方法。 常用的金属型材、板材、管材等原材料大都是通过轧制、挤压或拉拔工艺制成的。,一、金属塑性成形的基本生产方法,金属塑性成形的优点,1. 产品力学性能好。原因主要在于：金属材料在压力加工后可消除部分铸造缺陷，同时可将粗大的晶粒等打碎细化。,2. 可提高材料的利用率。塑性加工主要靠金属发生塑性变形使其体积进行重新分配（体积基本不变），不需切除金属。,3. 具有较高的生产率。塑性成形加工一般都是利用压力机和模具进行生产，容易实现机械化，生产效率高。,4. 加工范围广（几克上百吨） ，可获得精度较高的零件或毛坯。,金属 塑性 成形 优点,金属塑性成形应用范围很广，尤其适用于各种重要受力零部件。,金属塑性成形缺点,金属塑性成形的缺点,1. 不能加工脆性材料（如铸铁）。,2. 不能加工形状特别复杂（尤其是 具有复杂内腔）的零件或毛坯。,3. 不能加工体积特别大（设备吨位 难以满足变形力需要）的零件或 毛坯。,* 金属塑性变形的实质,一、单晶体金属的塑性变形,单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。,弹性变形：变形随外力的消失而消失。 塑性变形：永久变形，即使外力停止作用，塑性变形并不消失。,韧性断口,脆性解理断口,* 金属塑性变形的实质,滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分 沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生 滑动位移的现象。,塑性变形的基本形式：滑移和孪生。 金属塑性变形以滑移方式为主，当滑移 难以进行时则以孪生机理进行。,滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。 常见的金属晶格中，面心立方晶格塑性好于体心立方晶格，体心立方晶格好于密排六方晶格。,* 金属塑性变形的实质,滑移的机理 把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3至4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。,* 金属塑性变形的实质,二、多晶体金属的塑性变形,多晶体变形比单晶体复杂。 1、晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。要使变形继续进行, 则必须增加外力, 从而使金属的变形抗力提高。 2、晶粒位向的影响 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。,* 金属塑性变形的实质,三、晶粒大小对金属力学性能的影响 （1）金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。 因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。 （2）金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。 因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，减少了应力集中，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。,细晶强化：通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法。,* 金属塑性变形的实质,一、金属经冷塑性变形后，其组织性能将发生显著变化，主要表现在： 金属发生塑性变形时，其内部的晶粒也将沿着变形方向相应地被拉长或压扁，晶粒将被拉长为纤维状。这种冷加工纤维组织将使金属性能具有明显的各向异性。 当塑性变形达到一定程度时，由于塑性变形引发的晶粒转动会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，产生织构。织构同样会使金属具有各向异性。 塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。 塑性变形使金属内能增加，将引发晶格畸变，产生各种内应力。 产生冷加工硬化（冷作硬化）现象：随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,* 塑性变形对组织性能的影响,二、产生加工硬化的原因: 1. 随着变形量的增加， 位错密度增加，由于位错之间的交互作用，使变形抗力增加 2. 随变形量增加，亚结构细化 3. 几何硬化：由晶粒转动引起,位错密度与强度关系,由于加工硬化，使已变形部分发生硬化而停止变形， 而未变形部分开 始变形。没有加工硬化， 金属就不会发生均匀塑性变形。 加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和 合金尤为重要。,* 塑性变形对组织性能的影响,三、回复与再结晶,冷变形金属在加热时的组织和性能变化 金属经冷变形后，处于不稳定的状态，有自发恢复到稳定状态的倾向。常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。,在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力等显著下降。工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬化，即是热处理的去应力退火。 T回0.250.3T熔。,当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶，再结晶后加工硬化现象将消失。 T再0.4T熔。,再结晶并非相变过程，也并非一个恒温过程。再结晶所获得的等轴晶粒，其晶格类型及成分与之前的变形晶粒完全相同，但其形状、位相发生了变化。,* 塑性变形对组织性能的影响,四、冷加工与热加工 金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。,巨型自由锻件,* 塑性变形对组织性能的影响,热加工对组织和性能的影响 热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。 热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作热加工纤维组织，亦称为流线。它使钢产生各向异性。在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。,* 塑性变形对组织性能的影响,当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱（图a）。 当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时（图b），纤维不被切断且连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。,塑性加工产品力学性能好的实例,* 塑性变形对组织性能的影响,可锻性：金属材料在经受压力加工产生塑性变形获得优质零件难易程度的工艺性能。可锻性的优劣是以金属的塑性和变形抗力来综合评定的。显然，金属材料的塑性越好，变形抗力越低，其可锻性越好。 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，常用伸长率 和断面收缩率 来表征。变形抗力是指金属对变形的抵抗力。常用屈服强度 s 来表征。需要注意的是，材料塑性的好坏与变形抗力的大小并无直接联系。 金属的可锻性取决于材料的性质（内因）以及加工条件（外因）。,二、金属的可锻性,合金的铸造性能：流动 性、收缩性,材料性质的影响（内因） （1）化学成分的影响,纯金属的可锻性比合金的可锻性好。 钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大。 如纯铁、低碳钢和高合金钢，其可锻性是依次下降的。,（2）金属组织的影响,纯金属及固溶体（如奥氏体）的可锻性好。而碳化物（如渗碳体）的可锻性差。,面心立方 体心立方 密排六方,铸态柱状组织和粗晶结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好。,二、金属的可锻性,加工条件的影响（外因）,在一定的变形温度范围内，随着温度升高，变形抗力减小，塑性提高，可有效改善可锻性。原因在于： 随着温度的升高，原子动能增强，塑性变形的位错滑移机制更容易进行，金属的变形抗力下降，塑性提高； 随着温度的升高，原子动能增强，引发回复与再结晶机制的发生，从而消除了塑性变形引起的加工硬化，重新获得细小的等轴晶，金属的塑性提高，变形抗力下降； 对于Fe-C合金，常温下基体相为具有体心立方晶格的铁素体，当加热至 Ac3 或 Accm 之上获得完全奥氏体相，其晶格结构转变为面心立方，塑性性能更好。 以上三点即为“趁热打铁”的微观机制。,（1）变形温度的影响,二、金属的可锻性,加工条件的影响（外因）,（1）变形温度的影响,金属锻造加热温度应处于一个合理的范围。若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能将降低，这种现象称为“过热”。若加热温度更高甚至接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废，这一现象称为“过烧”。 金属锻造加热时所允许的最高温度称为始锻温度（一般在固相线以下 150-250 ）；所允许的最低温度称为终锻温度（一般高于再结晶温度）。当温度低于终锻温度则不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂。,二、金属的可锻性,（2）变形速度的影响,一方面，随着变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大，可锻性变坏。 另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量部分转化为热能，使金属的温度升高（热效应现象）。金属变形速度越大，热效应现象越明显，使得金属的塑性提高、变形抗力下降（图a点以后），可锻性变好。,二、金属的可锻性,（3）应力状态的影响,应力状态对可锻性的影响也比较复杂。对提高塑性有利的应力条件往往对降低变形抗力不利；而变形抗力低的应力状态下，金属的塑性往往又不好。工程上主要考虑塑性指标。 例：挤压时为三向受压状态，拉拔时为两向受压一向受拉的状态。 一般情况下：压应力的数量愈多，则其塑性愈好；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。,二、金属的可锻性,思 考 题,1. 纤维组织是怎样形成的？它对金属的 力学性能有何影响? 2. 用棒料切削加工和用棒料冷镦制造的 螺栓，二者力学性能有何不同? 3. 趁热打铁的微观机制是什么？,