第五章 材料的塑性成形工艺

主讲人：于美杰副教授Tel：88396181Email：[e-mail]工程材料与机械制造基础第五章材料的塑性成形工艺本章基本要求塑性变形的微观机制塑性变形对力学性能的影响影响金属可锻性的因素了解几种常用的锻造技术和板料冲压技术的工艺特点。第五章材料的塑性成形工艺第五章目录第一节塑性成形理论基础第二节金属塑性成形方法第三节锻压件结构工艺性第四节先进塑性成形方法什么是塑性成形?在外力作用下利用金属材料的塑性，使其成形并获得一定力学性能的加工方法。也称塑性加工或压力加工第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础第五章材料的塑性成形工艺TheoryofPlasticDeformation分类静压力动压力轧制挤压拉拔自由锻模锻冲压轧制挤压拉拔自由锻模锻冲压第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation塑性成形（压力加工）的特点优点结构致密，组织细化，力学性能提高；少无切削加工，材料利用率高；生产效率高；缺点一般工艺表面质量差（氧化）；不能形成形状复杂件（相对铸造）；设备庞大、价格昂贵；劳动条件差（强度高、噪音大）；第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation一、塑性变形机理什么是塑性？－在外力作用下发生永久变形而不破坏的能力。金属并非理想晶体：多晶体，晶粒内部有缺陷。塑性变形的实质晶内变形：滑移（为主）＋孪生晶间变形：滑动＋转动滑移：在外力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生移动或切变。位错运动引起滑移第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation注意：多晶体变形以晶内滑移为主，晶间转动为辅（原因：晶界有阻碍变形的作用，晶界强度高于晶内，晶界变形更难）晶粒越细、越多，晶界越多，对材料起到强化作用。晶粒间的滑动和转动第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation细晶强化原因a)晶界面积越多，位错障碍越多，金属塑性变形的抗力越大，强度、硬度越高。b)晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多，塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，变形均匀，减少了应力集中，使塑性指标提高；c)晶粒越细小，晶界面积越多，对裂纹扩展的阻碍作用越大，金属在断裂前消耗的功越大，使韧性指标提高；回顾：固溶强化第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation二、加工硬化、回复和再结晶1.加工硬化金属在冷变形时（低于再结晶温度），随塑性变形量的增加，强度和硬度增加，而塑性和韧性下降的现象，也称“形变强化”。－－强化金属的重要手段之一原因：随变形量增加,晶格畸变和碎晶，位错密度增加，使变形抗力增加。形变强化的结果：①强硬度提高；②使进一步塑性变形困难。第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation2.回复和再结晶金属经变形后,组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，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。回复：将冷成形后的金属加热至一定温度后，使原子回复到平衡位置，晶内残余应力大大减小的现象，称为回复。T回＝（0.25～0.3）T熔再结晶：对形变强化的金属加热到熔点的0.4倍时，开始以某些碎晶或杂质为核心生成新的等轴晶粒，原来已变形的晶粒消失，使金属的强度、硬度降低，塑性和韧性增加，形变强化现象完全消除的现象。T再=0.4T熔注意:公式中的T单位为”K”!第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation几点说明：①回复只能部分消除加工硬化（晶格畸变消除，但晶粒形状不变）；②再结晶能消除全部加工硬化（晶格畸变消除，晶粒形状改变）；③再结晶不是恒温过程，而是在一定温度范围内连续进行的过程。T再再结晶温度是开始再结晶的最低温度。④再结晶也是晶核形成和长大的过程，不是相变过程，再结晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同。晶格畸变晶格畸变消除晶粒形状改变第五章材料的塑性成形工艺第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation3.冷变形、热变形、温变形冷变形：在T回复温度以下的塑性变形，存在加工硬化,强度、硬度↑，塑性、韧性↓；冷冲压、冷挤压、冷轧、冷拔;尺寸精度高、表面质量好;变形不宜过大，避免破裂；热变形：在T再温度以上的塑性变形，形变强化随时被再结晶消除。热锻、热轧、热挤压;变形程度大,缺陷少，组织致密，力学性能高；温变形：在高于回复温度和低于再结晶温度范围内进行的塑性成形过程，有加工硬化及回复现象，但无再结晶，硬化只得到部分消除。第五章材料的塑性成形工艺第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation四、锻造流线（纤维组织）晶粒被拉长或压扁；晶粒破碎产生碎晶。当变形量很大时，晶界上的杂质随晶粒一起沿变形方向被拉长后呈流线状分布，这种流线分布形态的微观结构称为锻造流线或纤维组织；力学性能呈现各向异性平行纤维方向：抗拉强度高、剪切强度低垂直纤维方向：剪切强度高、抗拉强度低纤维组织不能用热处理消除,只能合理应用拉应力∥纤维组织剪切应力⊥纤维组织第五章材料的塑性成形工艺第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础ForgingTechnology五、塑性成形基本定律最小阻力定律体积不变定律临界切应力定律镦粗时的变形锥第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础六、塑性成形性（可锻性）金属产生塑性变形而不破坏的难易程度塑性好、变形抗力小，可锻性好影响金属可锻性的因素•化学成分：含合金元素少的可锻性好,纯金属/低碳•组织：•单相组织（纯金属或固溶体）比多相好•钢中碳化物少好，呈弥散分布比网状分布好•塑性变形条件：•加热温度、变形速度、应力状态TheoryofPlasticDeformation第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础温度对可锻性的影响：加热温度高，可锻性好；温度过高，会过热、过烧始锻温度~终锻温度，如碳素钢1150/1250~800/850高于再结晶温度变形速度对可锻性的影响：a,速度↑，可锻性↓原因：回复和再结晶不能及时克服加工硬化a,速度↑，可锻性↑原因：热效应使塑性提高TheoryofPlasticDeformation再结晶消除加工硬化趁热打铁一般设备不会超过a点，除高速锤上锻造第五章材料的塑性成形工艺第一节塑性成形理论基础应力状态对可锻性的影响：压应力下变形，对塑性有利，阻止裂纹扩展，焊合孔、缝等缺陷；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。挤压时金属的应力状态拉拔时金属的应力状态TheoryofPlasticDeformation三向受压两向受压、一向受拉第五章材料的塑性成形工艺第二节金属塑性成形方法ForgingTechnology一、自由锻利用冲击力或压力使金属在上、下两砧铁之间产生变形，从而获得得所需形状和尺寸的锻件的锻造方法。特点坯料变形时，只有部分表面变形受到限制，其余表面可自由流动;所用设备及工具简单，适应性强，锻件重量不受限制；由人工控制锻件的形状和尺寸，锻件的尺寸精度低，生产率低；适用于单件、小批生产。是大型锻件的唯一锻造方法。第五章材料的塑性成形工艺第二节金属塑性成形方法ForgingTechnology自由锻分类手工锻造机械锻造–锻锤自由锻（中小锻件）空气锤冲击力–液压机自由锻（大型锻件）水压机静压力自由锻的工序镦粗：饼块类，盘套类拔长：适于轴类、杆类冲孔：空心件UpsettingDrawing-outPunching第二节金属塑性成形方法ForgingTechnology镦粗：平砧镦粗、局部镦粗、垫环镦粗（注意：原始直径和垫环直径的区别）Do=DDoD第二节金属塑性成形方法第八章材料成形的工艺设计Processdesignofforgingparts自由锻件工艺设计锻造方法锻造余量和公差结构特点锻件图变形工序原始坯料尺寸锻造温度锻后热处理是否能直接锻出（＋余块）有孔拔长件注意：先镦粗、冲孔，再拔长批量、形状、精度、尺寸自由锻工艺规程制定第五章材料的塑性成形工艺第二节金属塑性成形方法ForgingTechnology留机械加工余量，保证尺寸精度；锻件公差：锻件的实际尺寸与理论尺寸之间所允许的偏差值。敷料（余块）：针对有凹槽、台阶的部位，简化锻件第五章材料的塑性成形工艺第二节金属塑性成形方法ForgingTechnology选择锻造工序基本工序：用来改变坯料的形状和尺寸的工序辅助工序：为方便基本工序的操作而设置的工序修整工序：用来减少锻件表面缺陷的工序第二节金属塑性成形方法第八章材料成形的工艺设计Processdesignofforgingparts例：紧固盘尺寸材料：45数量：200要求：绘锻件图、订工艺零件分析和锻造方法加工余量和公差绘锻件图第八章材料成形的工艺设计Processdesignofforgingparts工序：锻粗冲孔：d冲≤D/3扩孔：15～30mm修正计算原始坯料尺寸坯料体积：V坯＝(1+δ%)V锻高径比：1.25≤H0/D0≤2.5锻造温度（表5－2）热处理：正火烧损率2～5％第二节金属塑性成形方法第五章材料的塑性成形工艺第二节金属塑性成形方法ForgingTechnology二、模锻迫使坯料在一定形状的锻模模膛内产生塑性流动成形的方法。特点：生产效率高；模具制造费用高；尺寸精度和表面质量比自由锻高；加工余量少，节省材料；力学性能高；锻件重量小，一般小于150公斤分类锤上模锻压力机上模锻:变形缓慢,适于塑性较差的锻件.锻模结构：下模固定不动，上模固定在锻锤上模膛结构：制坯模膛、预锻模膛、终锻模膛第八章材料成形的工艺设计Processdesignofforgingparts模锻工艺规程制定模锻件工艺设计结构特点分型面余量和公差斜度和圆角冲孔连皮锻件图较为复杂壁不宜过薄第二节金属塑性成形方法第五章材料的塑性成形工艺第二节金属塑性成形方法ForgingTechnology（1）选取分模面最大截面，且尽量为平面；应使锻件上敷料最少；使模膛浅而宽，便于加工、利于金属流动；（2）确定加工余量、公差锻件尺寸大，余量（1～4mm）大、公差（0.3～3mm）大（3）锻模斜度、圆角、冲孔连皮内侧斜度外侧斜度2～3度圆角：利于流动充型；避免应力集中；Rr第八章材料成形的工艺设计Processdesignofforgingparts工艺参数模锻件不能锻出通孔冲孔连皮：不能太薄或厚（25mm的孔不锻出）小孔大孔预锻模大孔终锻模第二节金属塑性成形方法第八章材料成形的工艺设计Processdesignofforgingparts其他工序切除飞边和冲孔连皮需要利用专用模具热切：利用模锻后的余温完成切边和冲孔。（800℃，否则会影响模具寿命和锻件精度)冷切：锻件冷却到室温后完成切除。（需要较大吨位的冲切设备）热处理：退火或正火表面处理：酸洗法、抛丸法第二节金属塑性成形方法第五章材料的塑性成形工艺第二节金属塑性成形方法ForgingTechnology三、胎模锻在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法。胎模一般不固定在锻锤上。特点操作简便，模具简单，不需昂贵的模锻设备生产率高、锻件精度、允许的复杂程度介于自由锻和模锻之间；胎模结构扣模：用于非回转体锻件的成形或制坯筒模：圆筒形锻