材料工程基础-第3章金属压力加工

金属压力加工铸造件展示铸造件展示在可以铸造的前提下，为什么要压力加工？优点：⑴组织细化致密、力学性能提高；⑵体积不变的材料转移成形，材料利用率高;⑶生产率高，易机械化、自动化等。⑷可获得精度较高的零件或毛坯，可实现少无切削加工。在可以铸造的前提下，为什么要压力加工？缺点：⑴不能加工脆性材料；⑵难以加工形状特别复杂（特别是内腔）、体积特别大的制品；⑶设备、模具投资费用大。目录3.0塑性变形基础3.1锻造3.2冲压3.3轧制和挤压3.0塑性变形基础一、弹性变形3.0塑性变形基础二、塑性变形3.0塑性变形基础二、塑性变形金属塑性变形的实质塑性塑性成形塑性成形的目的——常用塑性成形方法——材料在外力作用下发生永久变形又不破坏其完整性的能力——材料在外力作用下，利用自身的塑性而使其加工成具有一定形状、尺寸及力学性能的工件的加工方法1.改变形状、尺寸2.改善组织及性能轧制挤压拉拔锻压冲压轧制挤压拉拔锻压冲压3.0塑性变形基础二、塑性变形滑移的机理：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3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。多脚虫的爬行3.0塑性变形基础二、塑性变形210Kds①变形过程复杂②晶粒位相的影响③晶界的影响④多晶体滑移的不均匀性⑤晶粒大小的影响多晶体的塑性变形3.0塑性变形基础二、塑性变形加工硬化3.0塑性变形基础二、塑性变形加工硬化加工硬化产生原因•1、随变形量增加,位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加.•2.随变形量增加，亚结构细化，空位密度增加•3.几何硬化：由晶粒转动引起5%冷变形纯铝中的位错网5%冷变形纯铝中的位错网3.0塑性变形基础二、塑性变形加工硬化加工硬化后果及应用①强化金属的一个重要途径——对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要②某些冷加工工艺能够进行的重要因素——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③可提高构件在使用过程中的安全性关于加工硬化（重点）3.0塑性变形基础二、塑性变形回复、再结晶软化温度升高能量？如何降低能量？3.0塑性变形基础回复、再结晶软化回复再结晶晶粒长大能量？如何降低能量？3.0塑性变形基础回复、再结晶软化动态再结晶3.0塑性变形基础回复、再结晶软化正常长大异常长大3.0塑性变形基础二、塑性变形变形温度、速度变形温度温度越低，金属塑性越差，变形抗力越大，锻造性能越差，易开裂。常加热至奥氏体单相区进行锻造。温度过高，引起表面氧化、脱碳、过热、过烧等缺陷。同时，应避免在部分金属的脆化温度区间锻造。3.0塑性变形基础二、塑性变形变形温度、速度应变速率低应变速率范围，变形时间过长，散失的变形热多，形变热效应越小，锻件温度下降，金属塑性降低。高应变速率范围，变形时间短，散失热量少，热效应大，金属塑性增加，变形抗力减小。但当速率过快时，来不及发生再结晶，加工硬化会导致零件开裂。3.0塑性变形基础二、塑性变形冷变形VS热变形？冷、热以再结晶温度为分界。3.1锻造锻造生产的重要性(一)国防工业：飞机上的锻压件重量占85％；坦克上的锻压件重量占70％；大炮、枪支上的大部分零件都是锻制而成的。(二)机床制造工业：主轴、传动轴、齿轮和切削刀具等都由锻件制成的。(三)电力工业：水轮机主轴、透平叶轮、轮子、护环等均由锻件制成。(四)交通运输工业：机床上的锻压件重量占60％；汽车上的锻压件重量占80％；轮船上的发动机曲轴和推力轴由锻制而成。(五)农业：拖拉机、收割机的主要零件也都是锻制成的，如拖拉机上就有560多种锻件。(六)日常生活用品：锤子、斧头、小刀、钢丝钳等亦均是锻制而成。3.1锻造3.1锻造3.1锻造铸造：熔体的流动性。引言一：合金的可煅性？金属的可锻性是指金属经受锻造成形优质零件的能力，通常用塑性与变形抗力来衡量。塑性越高，锻造性能越好，越有利于加工成形。化学成分纯金属合金低碳钢高碳钢碳钢合金钢低合金钢高合金钢碳和合金元素含量越高，塑性越差，锻造性能越差。金属组织单相固溶体多相合金第二相的性能、数量、形状、分布对多相合金的锻造性能有重要作用（Cm）。细晶粒金属粗晶粒金属细晶粒组织比粗晶粒具有更好的塑性和锻造性能。过高温度合理温度高温晶界脆化，锻造性能变差。应力状态挤压拉拔自由锻应力压应力数目越多，金属越密实，裂纹越少，晶间变形越小，塑性越高。拉应力越多，塑性越差。同号应力状态引起的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力。三向压应力会增大内摩擦，提高变形抗力。3.1锻造引言二：原材料的缺陷及应对我国锻造用大型钢锭有两种规格：一种是普通锻件用的4％锥度、高径比为1.82.3、冒口比例为17％的钢锭另一种是优质锻件用的1112％锥度、高径比为15左右、冒口比例为2024％的钢锭。3.1锻造引言二：原材料的缺陷及应对大型钢锭的内部缺陷有：偏析、夹杂、气体、缩孔、疏松和溅疤等。并且不可避免。钢锭愈大，缺陷愈严重，往往是造成大型锻件报废的主要原因。3.1锻造引言二：原材料的缺陷及应对偏析:钢锭内部化学成分和杂质分布的不均匀性称为偏析。偏析可分为树枝状偏析(或显微偏析)和区域偏析(或低倍偏析)两种。树枝状偏析是指钢锭在晶体范围内化学成分的不均匀性。树枝状偏析通过锻造和锻后热处理可以消除；区域偏析是指钢锭在宏观范围内的不均匀性，可通过变形减小危害性。原因：选择性结晶、比重差异或流速不同造成的；措施：变形和热处理可消除或减小。3.1锻造缩孔、疏松：是由于晶间钢液最后凝固收缩造成的晶间空隙和钢液凝固过程中析出气体构成的显微孔隙。这些孔隙在区域偏析处较大者变为疏松，在树枝晶间处较小的孔隙则变为针孔。危害：缩孔和疏松使钢锭组织致密程度下降，破坏了金属的连续性，影响锻件的力学性能。措施：锻造时要求大变形，以便锻透钢锭．将疏松消除。引言二：原材料的缺陷及应对3.1锻造引言二：原材料的缺陷及应对粗大的第二相颗粒：其原因是钢中的菜氏体共晶碳化物和二次网状碳化物在开坯和轧制时未被打碎和不均匀分布所造成。危害：碳化物偏析会降低钢的锻造性能，容易引起锻件开裂，热处理淬火时容易局部过热、过烧和淬裂，制成的刀具在使用时刃口易崩裂。措施：为了消除碳化物偏析所引起的不良影响，最有效的办法是采用反复镦～拔工艺．彻底打碎碳化物，使之均匀分布，并为其后的热处理作好组织准备。3.1锻造引言二：原材料的缺陷及应对非金属夹杂在钢中．通常存在着硅酸盐、硫化物和氧化物等非金属夹杂物，这些夹杂物在轧制时被辗轧成条状。危害：夹杂物破坏基体金属的连续性，严重时会引起锻造开裂。措施：通过变形改善。3.1锻造引言三：加热锻前加热目的加热金属，可以提高塑性，降低变形抗力，减小设备吨位，以利于金属的变形和获得良好的锻后组织。3.1锻造引言三：加热金属加热对金属的影响•力学性能发面：总的趋势是金属塑性提高，变形抗力降低，残余应力逐步消失，但也可能产生新的内应力，过大的内应力会引起金属开裂。•物理性能方面：金属的导热系数、导温系数、膨胀系数、密度等均会随温度的升高而变化。500℃以上，金属会发出不同颜色的光线，即有火色变化。•在化学变化方面：金属表层与炉气或其它周围介质发生氧化、脱碳、吸氧等化学反应，结果生成氧化皮与脱碳层等。3.1锻造引言三：加热过热：当钢加热超过某一温度时，或在高温下停留时间过长，会引起奥氏体晶粒迅速长大的现象。（1）稳定过热是指钢经加热后除原高温奥氏体晶粒粗大外，沿奥氏体晶界大量析出第二相质点以及其他促使原高温奥氏体晶界稳定化的因素。这种过热用一般的热处理方法不易改善或消除。（2）不稳定过热是指由于单纯的高温奥氏体晶粒粗大形成的过热。这种过热可用一般的热处理方法消除。3.1锻造引言三：加热二过烧•当坯料加热超过过热温度，并且在此温度下停留时间过长，不但引起奥氏体晶粒迅速长大，而且还有氧化性气体渗入晶界，这种缺陷称为过烧。3.1锻造引言三：加热•裂纹：如果坯料在加热过程的某一温度下，拉应力超过它的强度极限，那么就要产生裂纹。3.1锻造引言四：始锻温度、终锻温度考虑到坯料组织、锻造方式、变形工艺等因素。钢锭为坯料时，铸态组织比较稳定，产生过烧的倾向性小，因此，始锻温度比同钢种钢坯和钢材要高20～50℃。采用高速锤精锻，因为高速变形产生很大的热效应，会使坯料温度升高以致引起过烧，所以，其始锻温度应比通常始锻温度约低约100℃，大型锻件锻造，最后一火的始锻温度，应根据剩余锻比确定，以避免锻后晶粒粗大，这对不能用热处理方法细化晶粒钢种尤为重要。始锻温度3.1锻造引言四：始锻温度、终锻温度如果终锻温度过高，锻件晶粒粗大，甚至产生魏氏组织；如果终锻温度过低，导致锻造后期加工硬化严重，有可能引起断裂。通常钢的终锻温度稍高于再结晶温度。3.1锻造一、自由锻自由：金属的四周没有约束，可以自由变形。3.1锻造一、自由锻自由锻优点3.1锻造一、自由锻自由锻缺点3.1锻造一、自由锻㈠自由锻的基本工艺过程设计图纸下料加热锻造冷却及热处理锻件清理3.1锻造㈠自由锻的基本工艺过程锻件图=零件图+加工余量、公差3.1锻造㈠自由锻的基本工艺过程锻件余量3.1锻造㈠自由锻的基本工艺过程锻前加热目的加热金属，可以提高塑性，降低变形抗力，减小设备吨位，以利于金属的变形和获得良好的锻后组织。3.1锻造一、自由锻㈡自由锻造的工序⑴基本工序盘类件:镦粗（拔长、镦粗）→冲孔轴类件:拔长（镦粗、拔长）→切肩→锻台阶筒类件:镦粗（拔长、镦粗）→冲孔→心轴上拔长环类件:镦粗（拔长、镦粗）→冲孔→心轴上扩孔弯曲类件:拔长（镦粗、拔长）→弯曲曲轴类件:拔长（镦粗、拔长）→错移→锻台阶→扭转3.1锻造一、自由锻㈡自由锻造的工序⑴基本工序指能够大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，是主要变形工序。如镦粗、拔长、冲孔、芯轴拔长、弯曲、错移、扭转、切割、芯轴扩孔等。减小坯料高度、增加横截面积。破碎合金工具钢中的块状第二相，并使其分布。3.1锻造叠料镦粗旋转镦粗3.1锻造一、自由锻㈡自由锻造的工序⑴基本工序指能够大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，是主要变形工序。如镦粗、拔长、冲孔、芯轴拔长、弯曲、错移、扭转、切割、芯轴扩孔等。长的镦粗，粗的拔长！就是这么任性！3.1锻造基本工序——拔长3.1锻造基本工序——冲孔3.1锻造错移是将毛坯的一部分与另一部分错开一定距离而保持轴心平行的锻造工序。制造曲轴时常采用这种方法。3.1锻造一、自由锻㈡自由锻造的工序⑵辅助工序指在坯料进入基本工序前预先变形的工序。如钢锭倒棱和缩颈倒棱、预压钳把、阶梯轴分段压痕等。⑶修整工序即后续工序。指用来精整锻件尺寸和形状使完全达到锻件图要求的工序。一般是在某一基本工序完成后进行。3.1锻造一、自由锻★避免锥体或斜面结构3.1锻造二、模锻把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造的方法称为模锻。3.1锻造二、模锻优点：1．生产率高；2．锻件形状较复杂，尺寸精度较高；粗糙度也比自由锻低；3．锻件的机械加工余量较小，材料利用率较高；4．可使流线分布更为完整合理，从而进一步提高零件的使用寿命；5．生产过程操作简便，劳动强度比自由锻小；6．锻件达到一定批量后，其成本降低。可从改变应力状态的角度，改善材料的塑性！3.1锻造二、模锻缺点：1．设备投资大；2．生产准备周期，尤其是锻模制造周期都比较长。3．模具成本高，且寿命较低；4．工艺灵活性不如自由锻。3.1锻造二、模锻下料加热锻压成型热处理抛丸处理质量检验3.1锻造二、模锻㈠模锻造生产的基本过程镦粗制坯预锻成型终锻成型毛坯冲孔自动上料3.1锻造二、模锻㈠模锻造生产的基本过程盘类锻件镦粗、预锻、终锻3.1锻造二、模锻㈡设计锻模及模膛制坯模膛：初步改变坯料的形状，合理分批坯料，使金属能较好的充满模膛。锻模：提高锻件品质、提高生产率、锻模和锻锤寿命镦粗制坯预锻成型终锻成型毛坯冲孔自动上料3.1锻造二、模锻模锻锤锤上模锻虽设备投资少锻件质量较好适应性强可实现多种变形工步锻制不同形状的锻件但是振动大