金属塑性成形原理课件

课程基本任务：阐明金属在塑性成形时的共同性，即研究和探讨金属在各种塑性加工过程中可遵循的基础和规律。课程的目的：科学地、系统地阐明这些基础和规律，为学习后续的工艺课程做理论准备，也为合理制订塑性成形工艺规范及选择设备、设计模具奠定理论基础。第一章金属塑性成形的物理基础绪论：金属材料的基本加工方法切削加工法优点：尺寸精度高、表明光洁度好缺点：不能改变组织与性能，成本高，生成效率低铸造法优点：形状复杂的产品缺点：质量低，组织与化学成分不均匀，如砂眼、缩孔、偏析等塑性成形法第一节金属塑性成形的特点及分类一、金属的塑性、塑性成形及其特点□什么是塑性？弹性极限弹性变形拉伸试样拉力与伸长之间的关系塑性变形□几个基本的概念◇弹性：当作用力PPe时进行卸载，试样恢复原来长度，这种性质称为材料弹性。◇弹性变形：当作用在物体上外力取消后，物体的变形能够完全恢复，这种变形称为弹性变形。◇塑性变形：当作用在物体上外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形。◇塑性：在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力称为塑性。塑性成形是指金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成形并获得一定力学性能的加工方法，也称为塑性加工或压力加工。（注意区别：成形、变形）□什么是塑性成形？□金属成形的特点◇组织、性能好：使铸锭内部组织疏松多孔、晶粒粗大且不均匀等许多缺陷，经塑性成形使其结构致密、组织改善、性能提高。90％以上铸钢要经过塑性加工。铸造缺陷：缩孔铸造缺陷：气泡气泡铸造缺陷：晶界上的小气泡铸造缺陷：疏松实物高倍照片◇材料利用率高：不产生切屑，只有少量的工艺废料，并且流线分布合理。一般可达75～85％。锻造缺陷：涡流锻造缺陷：涡流◇尺寸精度较高：精密锻造、精密挤压、精密冲裁等方法已达到少或无切削的要求。如叶片的复杂曲面可达到只需磨削的精度。红原航空锻铸工业公司生产的精锻叶片◇生产效率高：随着塑性加工工具和设备的改进及机械化、自动化程度的提高，生产率也相应得到提高。高速冲床形成次数已达1500～1800次/分；12000×10kN热模锻压力机锻造一根汽车发动机用的六拐曲轴只需40s.（思考：缺点？）塑性成形块料成形一次加工二次加工二、金属塑性成形的分类轧制挤压拉拔自由锻模锻分离工序成形工序冲裁落料弯曲拉深（体积成形，锻造）板料成形（冲压）冶金厂锻造厂□块料成形（体积成形）块料成形是在塑性成形过程中靠体积转移和分配来实现的。可分为一次加工和二次加工。◇一次加工这是属于冶金工业内的原材料生产的加工方法，可提供棒材、板材、管材、线材等。包括轧制、挤压和拉拔等。△轧制：轧制是将金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间使其产生塑性变形，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。轧制原理示意图△挤压：挤压是在大截面坯料的后端施加一定的压力，将坯料通过模孔使其产生塑性变形，以获得符合模孔截面形状的小截面坯料的成形方法。挤压又分正挤压、反挤压和正反复合挤压。正挤反挤复合挤挤压原理示意图△拉拔：拉拔是在金属坯料的前端施加一定的拉力，将金属坯料通过模孔使其产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的小截面坯料的塑性成形方法。拉拔原理示意图◇二次加工为机械制造工业领域内提供零件或坯料的加工方法。包括自由锻和模锻，统称为锻造。△自由锻：自由锻是在锻锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭料或坯料锻成所需形状和尺寸的加工方法。自由锻示意图△模锻：模锻是将金属坯料放在与成品形状、尺寸相同的模腔中使其产生塑性变形，从而获得与模腔形状、尺寸相同的坯料或零件的加工方法。模锻又分开式模锻和闭式模锻。模锻示意图开式模锻闭式模锻□板料成形（冲压）它是对厚度较小的板料，利用专门的模具，使金属板料通过一定的模孔而产生塑性变形，从而获得所需的形状、尺寸的零件或坯料。一般分为分离工序和成形工序两类。◇分离工序分离工序是在冲压过程中使冲压零件与板料沿一定的轮廓线相互分离。包括落料、冲孔、切断、切边等。△落料用冲模沿封闭轮廓线冲切，冲下部分是零件。△冲孔用冲模沿封闭轮廓线冲切，冲下部分是废料。△切断用剪刀或冲模沿不封闭轮廓线切断，多用于加工形状简单的平板零件。△切边将成形零件的边缘修切整齐或切成一定的形状。◇成形工序成形工序是板料在不破裂的条件下产生塑性变形，获得与模具形状一致的工件。包括弯曲、拉深、翻边、胀形、扩口、缩口等。△弯曲将板料沿直线弯成各种形状。△拉深把板料毛坯成形制成各种空心零件。△翻边把板料半成品的边缘按曲线或圆弧成形成竖立的边缘。△胀形在双向拉应力作用下实现的变形，可以成形各种空间曲面形状。△扩口在空心毛坯或管状毛坯的某个部位上使其直径扩大的变形方法。△缩口在空心毛坯或管状毛坯的某个部位上使其直径减小的变形方法。□塑性加工还可按照成形时工件的温度分为热成形、冷成形、温成形三类。◇热成形热成形是指在充分进行再结晶的温度以上所完成的加工。如热轧、热锻、热挤压等。◇冷成形冷成形是指在不产生回复和再结晶的温度以下所进行的加工。如冷轧、冷冲压、冷挤压等。◇温成形温成形是指在介于冷、热成形之间的温度下进行的加工。如温轧、温挤等。第二节金属的塑性及其影响因素(一)塑性的基本概念和塑性指标(1)塑性的基本概念所谓塑性，是指金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力，它是金属的一种重要的加工性能。(2)塑性指标常用的试验方法有拉伸试验、压缩试验和扭转试验等。1)拉伸试验：在材料试验机上进行，可以确定两个塑性指标——伸长率δ(％)和断面收缩率ψ(％)，即2)镦粗试验：将圆柱体试样在压力机或落锤上进行镦粗，用试样侧表面出现第一条裂纹时的压缩程度作为塑性指标，即100%100%LKL0L0A0AKA0100%H0HKH0c3)扭转试验：在专门的扭转试验机上进行，材料的塑性指标用试样破断前的扭转角或扭转圈数表示。没有变形不均匀性的影响，这对塑性理论的研究无疑是很重要的。板料成形性能的模拟实验方法有：胀形试验、扩孔试验、拉深试验、弯曲试验和拉深—胀形复合试验等。通过这些试验，可以获得评价各相关成形工序板料成形性能的指标。(二)影响材料塑性的因素(1)化学成分和合金成分的影响(2)组织状态对金属塑性的影响(3)变形温度对金属塑性的影响(4)应变速率对金属塑性的影响(5)应力状态对金属塑性的影响材料中常见的合金元素有：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Co、Ti等。杂质元素有：P、S、N、H、O等。合金元素对材料塑性的影响非常复杂，需要根据具体的材料、冷、热变形进行具体分析。(1)化学成分和合金成分的影响(2)组织的影响1)相组成的影响单相组织比多相组织塑性好。多相组织由于各相性能不同，变形难易程度不同，导致变形和内应力的不均匀分布，因而塑性降低。如碳钢在高温时为奥氏体单相组织，故塑性好，而在800℃左右时，转变为奥氏体和铁素体两相组织，塑性就明显降低。因此，对于有固态相变的金属来说，在单相区内进行成形加工显然是有利的。。2)晶粒度的影响晶粒越细小，金属的塑性也越好。因为在一定的体积内，细晶金属的晶粒数比粗晶粒金属的多，因而塑性变形时位向有利的晶粒也较多，变形能较均匀地分散到各个晶粒上。3)晶格类型的影响面心立方金属塑性最好，如铝、铜和镍等；体心立方次之，如钒、钨、钼等；密排六方塑性最差，如镁、锌、钛等。4)铸造组织的影响铸造组织由于具有粗大的柱状晶粒和偏祈、夹杂、气泡、疏松等缺陷，故使金属塑性降低。右图是Cr-Ni-Mo钢铸造状态和锻造状态时的塑性差别。Cr-Ni-Mo钢铸造组织和锻造组织塑性的差别(3)变形温度对金属塑性的影响变形温度对金属的塑性有重大的影响。大多数金属的变化趋势是：随着温度升高，塑性增加；但在加热过程的某些温度区间，往往由于相态或晶粒边界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。在一般情况下，温度由绝对零度上升到熔点时，可能出现几个脆性区，包括低温的、中温的和高温的脆性区等。下面以碳钢为例，说明强度对塑性的影响(见下图）。△低温度脆性区(区域Ⅰ)，金属的塑性极低。可能是原子热振动能力极低所致，也可能与晶界组成物脆化有关。碳钢的塑性随温度的变化曲线△蓝脆区：在大约200-400℃温度范围内(区域Ⅱ)，出现相反情况，塑性有很大的降低。一般认为是氮化物、氧化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出所致，此温度区间称为蓝脆区(断口呈蓝色)。碳钢的塑性随温度的变化曲线△热脆区：大约800-950℃时，再一次出现塑性稍有下降的相反情形(区域Ⅲ)。这和珠光体转变为奥氏体，形成铁素体和奥氏体两相共存有关，也可能还与晶界处出现低熔共晶体有关，此温度区间称为热脆区。碳钢的塑性随温度的变化曲线△高温脆性区：一般当温度超过1250℃后，由于过热、过烧等原因，塑性又会急剧下降，此称高温脆区(区域Ⅳ)。碳钢的塑性随温度的变化曲线温度升高使金属塑性增加的原因，归纳起来有以下几个方面：1)发生回复或再结晶：回复使金属得到一定程度的软化，再结晶则完全消除了加工硬化的效应，因而使金属的塑性提高。2)原子动能增加，使位错活动性提高、滑移系增多，从而改善了晶粒之间变形的协调性。3)金属的组织、结构发生变化，可能由多相组织转变为单相组织，也可能由对塑性不利的晶格转变为对塑性有利的晶格。4)扩散蠕变机理起作用，它不仅对塑性变形直接作贡献，还对变形起协调作用，因此使金属塑性增加。5)晶间滑移作用增强。随着温度的升高，晶界切变抗力显著降低，晶问滑移易于进行；又由于扩散作用的加强及时消除了晶间滑移所引起的微裂纹，使晶间滑移量增大。1)增加应变速率会使金属的真实应力升高，这是由于塑性变形的机理比较复杂，需要有一定的时间来进行。流动应力升高会使金属的塑性降低。2)增加应变速率，由于没有足够的时间进行回复或再结晶，因而软化过程不充分而使金属的塑性降低。3)增加应变速率，会使温度效应增大和金属的温度升高，这有利于金属塑性的提高。(4)应变速率对金属望性的影响◇热效应：从能量观点看，塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分转化为热能，这种现象称为热效应。◇温度效应：塑性变形热能，除一部分散失到周围介质中，其余的使变形体温度升高，这种由于塑性变形过程中所产生的热量而使变形体温度升高的现象，称为温度效应。□两个基本概念：塑性指标abcde应变速率□应变速率对塑性影响的结论不同的应变速率大小影响不同；化学成分越复杂或合金元素含量越高，率敏感性越高；对有脆性转变金属，视是否避开脆性区而定；增大应变速率，降低摩擦系数；减少热量损失；提高惯性流动效应；非常高的应变速率大大提高金属的塑性(5)应力状态对金属塑性的影响应力状态对金属的塑性有很大的影响。同一金属在不同的受力条件下所表现出的塑性是不同的。大理石和红砂石三向受压的试验结果：σ1-轴向压力；σ2-侧向压力。卡尔曼发现在三向压应力作用下所得到的大理石压缩程度约为8～9％，红砂石的约为6-7％，后人在更大的侧向压力下进行大理石压缩试验，获得了高达78％的压缩程度。由上述所列举的种种现象可以知道，当静水压力越大，也即在主应力状态下压应力个数越多、数值越大时，金属的塑性越好；反之，若拉应力个数越多、数值越大，即静水压力越小时，则金属的塑性越差。静水压力越大，金属塑性越好的原因：1）拉伸应力会促进晶间变形、加速晶界的破坏；而压缩应力能阻止或减小晶间变形，随着静水压力的增大，晶间变形越加困难，因而提高了金属的塑性。2）三向压缩应力有利于愈合塑性变形过程中产生的各种损伤；而拉应力则相反，它促使损伤的发展。3）当变形体内原先存在着少量对塑性不利的杂质、液态相或组织缺陷时．三向压缩作用能抑制这些缺陷，全部或部分地消除其危害；反之，在拉应力作用下，将在这些地方产生应力集中，促进金属的破坏。滑移面上的显微缺陷受拉应力和压应力作用示意4）增大静水压力能抵消由于不均匀变形引起的附加拉应力，从而减轻了附加拉应力所造成的拉裂作用。图5-3平砧拔长时圆断面坯料的受力情况和产生的纵向在平砧上拔长合金钢时，容易在毛坯心部产生裂纹(图5-3)，改用V型砧后，由于工具侧面压力的作用