Transcript 第九章金属压力加工 - 《材料及热加工工艺》精品课程

材料及热加工工艺—第九章 金属压力加工
第 九 章
西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT
材料及热加工工艺—第九章 金属压力加工
概
述
一、压力加工的实质：金属材料在外力作用下，发生
塑性变形，获得所要求的形状、尺寸、机械性能的原
材料毛坯或零件的加工方法。
塑性加工的适用材料：
各类钢
大多数非铁金属及其合金
金属变形过程：
金属材料在外力作用下发生弹性变形
当外力超过一定值后产生塑性变形
我国自行研制的万吨级水压机
外力继续加大，发生断裂
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材料及热加工工艺—第九章 金属压力加工
二、压力加工的主要生产方式：
1.轧制；2. 挤压； 3. 拉拔；4.锻造； 5. 板料冲压.
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材料及热加工工艺—第九章 金属压力加工
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三、塑性成形特点：
两不加工：
1.能改善金属的组织，力学性能高；
脆性材料
2.可提高材料利用率；
复杂形状
3.加工精度较高，生产率较高。
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材料及热加工工艺—第九章 金属压力加工
应用：
轧制、挤压、拉拔 —— 金属型材、板材、钢材、线材等；
自由锻、模锻 —— 承受重载的机械零件，如机器主轴、
重要齿轮、连杆、炮管、枪管等；
板料冲压 —— 汽车制造、电器、仪表及日用品。
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第一节 金属塑性变形
一、 金属塑性变形
金属在外力作用下产生塑
性变形的实质是晶体内部
的原子产生滑移。
1. 单晶体金属的塑性变形
单晶体的塑性变形主要通过滑移进行。
滑移面
整体刚性
滑移
（a）未变形（b）弹性变形（c）弹塑性变形（d）塑性变形
图：单晶体滑移变形示意图
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(1)、滑移——塑性变形的主要方式
滑移：就是晶体的一部分相对与另一部分沿一定晶
面发生相对的位移； 产生的变形称为滑移变形。
滑移变形具有以下特点：
1）切应力引起滑移；
2）滑移面在密
排面滑移方向
沿着密排面方
向进行，滑移
距离为原子间
距的整数倍。
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(2)、滑移的机理
实际晶体内部存在大量缺陷。滑移
通过位错在滑移面上的运动来实现。
原因：晶体内部的各种缺陷（特别是位错）的运动更
容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚
性的整体滑移所需的切应力。当位错运动到晶体表面
时，晶体就产生了塑性变形。
未变形
位错运动
塑性变形
图：晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图
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2. 多晶体金属的塑性变形
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二、 塑性变形对金属组织及性能的影响
1. 对组织结构的影响
1）引起晶粒变形，晶粒沿最大变形方向伸长；
2）晶格与晶粒发生扭曲，产生晶格畸变与内应力；
3）造成晶粒破碎，产生碎晶。
图：变形前后晶粒形状变化示意图
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形成纤维组织
定义：金属在变形过程中，
晶粒形状和沿晶界分布的
杂质在钢料中的定向分布
状态称为钢料锻造时的纤
维组织（流线）。
结果：使金属的性能产生各向异性。
表现：
a纵向（平行纤维方向），塑韧性、强度提高
b横向（垂直纤维方向），抗剪强度提高
特点：纤维组织很稳定，热处理、再锻均不能消除，
只能改变分布。
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钢锭热变形后的组织变化
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产生加工硬化原因：
2. 对性能的影响
1）产生加工硬化现象
结果：金属的强度、硬度提
高，塑性、韧性下降。
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(1) 位错密度随变形量增
加而增加，从而使变形
抗力增大。
(2) 随变形量增加，亚结
构细化，亚晶界对位错
运动有阻碍作用。
(3) 随变形量增加，空位
密度增加。
(4) 几何硬化。由于塑性
变形时晶粒方位的转动，
使各晶粒由有利位向转
到不利位向，因而变形
抗力增大。
图：常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响
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加工硬化的应用及不利影响：
1） 应用：主要是强化金属材料
（1）提高材料强度、耐磨性；
例：自行车链条片16Mn钢（Q345）
原：δ厚=3.5mm σb=520MPa 150HBS；
五次冷轧后：
δ厚=1.2mm（65%）σb=1200MPa 275HBS
（2）↑构件使用安全系数（如钢丝绳）
（3）有利于金属进行均匀的变形。
2）不利影响 ：
材料塑韧性降低，对进一步塑性变形带来困难。
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3、回复与再结晶
金属材料在冷变形
以后，组织处于不
稳定的状态，但室
温下难以进行。
加热使原子扩散
能力增加，随温度
的升高，冷变形后
的金属将依次发生
回复、再结晶和晶
粒长大。
图：冷变形金属在加热时组织
和性能的变化示意图
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1） 回复
T回=(0.25-0.3)T熔
定义：随着温度的上
升，原子热运动加剧，
晶格扭曲被消除，内
应力明显下降的现象。
作用：
a）晶格扭曲消除
b）内应力明显下降
回复只能部分消除加
工硬化
图：冷变形金属在加热时组织
和性能的变化示意图
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2） 再结晶
定义：温度上升到
金属熔化温度的
0.4-0.5倍时，金属
原子获得更多的热
能，开始以某些碎
晶或杂质为核心，
生长成新的晶粒，
加工硬化完全被消
除，塑性上升。
图：冷变形金属在加热时组织
和性能的变化示意图
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3）晶粒长大
冷变形金属刚刚结束再
结晶时的晶粒是比较细
小、均匀的等轴晶粒，
如果再结晶后不控制其
加热温度或时间，继续
升温或保温，晶粒之间
便会相互吞并而长大。
(a)塑性变形后的组织 (b) 金属回复后的组织 (c) 再结晶组织
图：金属的回复和再结晶示意图
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三、冷变形与热变形
1）、定义：金属在再结晶温度以上的变形称为热
变形，再结晶温度以下的变形称为冷变形。
例：钨（熔点为3380℃）在800℃变形为冷加工，而
铅（熔点为327℃ ）在室温变形就可称为热加工。
对 钨 ： T再 结 晶 =0.4T熔 =0.4 （3380+273 ）=1461K
T加 工 =800+273=1073K
钨 的 T加 工 <T再 结 晶  钨 在 800 度 变 形 时 属 于 冷 变 形 （ 冷 加 工 ） 。
对 铅 ： T再 结 晶 = 0.4T熔 = 0.4 （ 327+ 273 ）= 240K
T 加 工 = 20+ 273= 293K
铅 的 T 加 工 > T再 结 晶  铅 在 室 温 变 形 时 属 于 热 变 形 （ 热 加 工 ） 。
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2）、热变形的特点：
加工硬化与回复、再结晶同时发生；加工硬化
随时被消除，使变形抗力下降，塑性升高。
3）、热变形后的组织与性能：
1)可消除铸锭中的气孔、
缩松等缺陷；
2)可使铸态晶粒细化，力
学性能提高；
3)形成热变形纤维组织
热轧时组织变化
（流线）。
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4）、锻造比(Y锻 )
锻造时变形程度大小常以锻造比Y锻表示：
对拔长：Y锻= F0（原截面）/F（拔长后截面）
对镦粗：Y锻= H0（镦前高度）/H（镦后高度）
结构钢钢锭的锻造比一般为2～4；
各类钢坯和轧材的锻造比一般为1.1 ～ 1.3。
零件设计和制造中充分利用锻造流线：
1）零件最大拉应力方向应与锻造流线平行;
2）零件最大剪切应力方向应与锻造流线垂直;
3）零件外形轮廓应与锻造流向的分布相符合
而不被切断 。
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(a) 齿根处的切应力平行于流线方向。力学性能最差，寿
命最短；
(b) 齿1的根部切应力与流线方向垂直，
力学性能好，齿2情况正好相反，力学性能差；
(c)
流线呈径向放射状，各齿的切应力方向均与流线近似垂直，
强度与寿命较高；
(d) 流线完整且与齿廓一致，未
被切断，性能最好，寿命最长。
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三、金属的可锻性（塑性成形性）
——金属可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得
优质制品难易程度的工艺性能。
1、衡量金属可锻性的指标 两个 内因与外因
1）塑性：金属的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；用断面收
缩率ψ、伸长率δ表示；
2）变形抗力:变形过程中，金属抵抗外力作用能力
的大小。
原因：优良的塑性使产品获得准确的外形而不破裂；
变形抗力越小，变形消耗的能量也越少，锻压越省力。
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2、影响金属可锻性的因素：金属本质和加工条件
1） 金属本质对可锻性的影响 两方面：
（1）化学成分：
一般情况下，纯金属的可锻性优于合金；
碳钢随含碳量增加，可锻性降低；
合金钢中合金元素含量越多，可锻性下降；
钢中P、S含量超过一定值可锻性降低。
（2）组织结构：
纯金属和固溶体具有良好的可锻性，碳化物可锻性差；
细晶粒组织可锻性优于粗晶粒，但变形抗力大。
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2） 加工条件的影响（变形条件）
变形条件：变形温度、
应变速率和应力状态
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（1）变形温度：
温度↑：塑性↑，可锻
性↑； 温度↑↑：产生“过
热”，可锻性↓；
温度↑↑↑：接近熔化，出
现“过烧”失去塑性，
σb↓； 温度↓↓：可锻性↓，
∵加工硬化产生，开裂，
塑性差。
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碳钢的锻造温度范围
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（2）变形速度(双重影响)
抗力
塑性
变形抗力曲线
塑性变化曲线
a
变形速度
图：变形速度对塑性及变形抗力
的影响示意图
指金属材料在单位时间
内的变形程度。
a）变形速度<a时，随
V增大，回复和再结
晶来不及消除加工硬
化，可锻性下降；
b）变形速度>a后，由
于塑性变形的热效应
使材料温度升高 ，回
复和再结晶充分 ，可
锻性提高。
但难实现。
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（3）应力状态的影响
1）压应力个数越多、数
值越大，金属的塑性就
越好；
2）同号应力状态下引起
的变形抗力大于异号应
力状态的变形抗力，如
拉拔时金属的变形抗力
远小于挤压和模锻 。
图：挤压时金属应力状态
图：拉拔时金属应力状态
所以，塑性差的材料：尽量三方受压；
塑性好的材料：出现拉应力有利。
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金属的塑性变形与可锻性
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