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第二章第二章 金属的塑性成形金属的塑性成形基本要求：了解金属塑性成形工艺基础和常用塑性基本要求：了解金属塑性成形工艺基础和常用塑性 成形工艺。成形工艺。重点难点：模膛锻造成形工艺和薄板冲压成形工重点难点：模膛锻造成形工艺和薄板冲压成形工 艺，包括各种成形模具结构、基本工序艺，包括各种成形模具结构、基本工序 和典型零件的工艺制订。和典型零件的工艺制订。2.1 2.1 金属塑性成形的工艺基础金属塑性成形的工艺基础 一、概述一、概述定义：定义：利用锻压设备并借助加工模具对坯料施加外力利用锻压设备并借助加工模具对坯料施加外力使其产生塑性变形，从而改变坯料的尺寸和形状，并使其产生塑性变形，从而改变坯料的尺寸和形状，并改善其内部组织和力学性能，获得所需毛坯或零件的改善其内部组织和力学性能，获得所需毛坯或零件的成形加工方法成形加工方法。常见的塑性成形方法有：锻造、冲压、常见的塑性成形方法有：锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔等。挤压、轧制、拉拔等。优点：优点：（1 1）组织与性能优于铸件和切削加工件。）组织与性能优于铸件和切削加工件。（2 2）材料利用率和经济效益高。）材料利用率和经济效益高。（3 3）效率高、成本低。）效率高、成本低。二、金属塑性变形理论基础二、金属塑性变形理论基础1 1、变形种类变形种类弹性变形：材料在外力作用下会产生变形；当外力消弹性变形：材料在外力作用下会产生变形；当外力消失后，所产生的应力和变形也消失的变形，称为弹性变失后，所产生的应力和变形也消失的变形，称为弹性变形。形。塑性变形：当外载荷在材料内部所产生的内应力超过塑性变形：当外载荷在材料内部所产生的内应力超过了材料的屈服强度以后，即使去掉外载荷，变形也不能了材料的屈服强度以后，即使去掉外载荷，变形也不能完全消失的变形称为完全消失的变形称为塑性变形塑性变形。注意：塑性变形发生时一定伴随有弹性变形的存在。当注意：塑性变形发生时一定伴随有弹性变形的存在。当外力去除后，弹性变形必将消失，即发生外力去除后，弹性变形必将消失，即发生“弹复弹复”现象。现象。弹复对某些压力加工件（如弯曲件）的加工质量有很大弹复对某些压力加工件（如弯曲件）的加工质量有很大影响，必须采取适当的工艺措施以保证产品质量。影响，必须采取适当的工艺措施以保证产品质量。 2 2、金属塑性变形的实质、金属塑性变形的实质1) 1)单晶体塑性变形单晶体塑性变形 在金属塑性变形过程中，金属的晶粒内部产生了滑移和孪在金属塑性变形过程中，金属的晶粒内部产生了滑移和孪生，晶粒间也产生了滑移并转动。生，晶粒间也产生了滑移并转动。 单晶体受正应力拉伸单晶体受正应力拉伸 单晶体的刚性滑移单晶体的刚性滑移 孪生变形孪生变形 位错运动位错运动 2) 2) 多晶体塑变多晶体塑变 多晶体是由许多晶格位向不同的晶粒所组成的，其塑性多晶体是由许多晶格位向不同的晶粒所组成的，其塑性变形可视为各个单晶体塑性变形的综合效应。变形可视为各个单晶体塑性变形的综合效应。三、塑性变形对金属组织和性能的影响三、塑性变形对金属组织和性能的影响1 1、冷塑性变形对金属组织与性能的影响、冷塑性变形对金属组织与性能的影响冷变形：冷变形：金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。1 1）冷塑性变形对金属组织的影响）冷塑性变形对金属组织的影响 金属在外力作用下进行塑性变形时，金属内部的晶粒也金属在外力作用下进行塑性变形时，金属内部的晶粒也由原来的等轴晶粒变为沿加工方向拉长的晶粒，当变形度由原来的等轴晶粒变为沿加工方向拉长的晶粒，当变形度增加时，晶粒被显著拉长成纤维状，这种组织称为冷加工增加时，晶粒被显著拉长成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。平行于纤维组织方向上强度、塑性和韧性就相纤维组织。平行于纤维组织方向上强度、塑性和韧性就相应提高，而垂直于纤维方向上塑性和韧性则降低。应提高，而垂直于纤维方向上塑性和韧性则降低。(1)(1)加工硬化：加工硬化：金属材料经冷塑性变形后，随变形度的增金属材料经冷塑性变形后，随变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性和韧性下降的现象。加，其强度、硬度提高，塑性和韧性下降的现象。 加工硬化对金属组织性能的影响：加工硬化对金属组织性能的影响：压力加工中，加工硬化增大了材料继续变形的阻力。压力加工中，加工硬化增大了材料继续变形的阻力。通过加工硬化可以提高金属强度、硬度和耐磨性。通过加工硬化可以提高金属强度、硬度和耐磨性。加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发地回复到稳加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发地回复到稳定状态的倾向。定状态的倾向。 2 2）冷塑性变形对金属性能的影响）冷塑性变形对金属性能的影响 (2)(2)晶粒择优取向，形成变形织构晶粒择优取向，形成变形织构 ，使金属具有各向异性。，使金属具有各向异性。 随着变形程度的增加，各晶粒的晶格位向会沿变形方向发随着变形程度的增加，各晶粒的晶格位向会沿变形方向发生转动，当变形量很大时，金属中每个晶粒位向大体趋于一生转动，当变形量很大时，金属中每个晶粒位向大体趋于一致，此种现象称为致，此种现象称为择优取向择优取向，所形成的结构称为，所形成的结构称为变形织构变形织构。织构现象使金属呈现各向异性，这对金属材料的加工和使用织构现象使金属呈现各向异性，这对金属材料的加工和使用性能带来不利影响。例如织构板材冷冲筒形制品时，由于不性能带来不利影响。例如织构板材冷冲筒形制品时，由于不同方向上的性能差异，变形不一致，冲出的产品壁厚不均匀，同方向上的性能差异，变形不一致，冲出的产品壁厚不均匀，边缘不整齐，形成所谓制耳。边缘不整齐，形成所谓制耳。 残余内应力：残余内应力：是指去除外力后，残留在是指去除外力后，残留在金属内部的应力，它主要是由于金属在外金属内部的应力，它主要是由于金属在外力作用下变形不均匀而造成的，内应力是力作用下变形不均匀而造成的，内应力是一种弹性应力，在整个工件中，它处于一一种弹性应力，在整个工件中，它处于一种暂时平衡状态，在压应力附近必有一拉种暂时平衡状态，在压应力附近必有一拉应力与之相平衡。应力与之相平衡。 2 2、冷变形后金属再加热时组织与性能变化、冷变形后金属再加热时组织与性能变化 1) 1)回复回复 随着温度的升高，已产生加工随着温度的升高，已产生加工硬化的金属其晶格的扭曲程度减硬化的金属其晶格的扭曲程度减小，内应力降低，但金属组织还小，内应力降低，但金属组织还没有显著变化的现象。没有显著变化的现象。2)2)再结晶再结晶 随着温度的进一步升高，已发随着温度的进一步升高，已发生回复的金属开始以某些碎晶或生回复的金属开始以某些碎晶或杂质为核心形成新的晶粒，从而杂质为核心形成新的晶粒，从而消除了加工硬化的现象。消除了加工硬化的现象。 T T再再=0.4T=0.4T熔熔1 1）热变形）热变形：指金属在再结晶温度以上进行的塑性变形。：指金属在再结晶温度以上进行的塑性变形。金属在热变形过程中，同时存在加工硬化和再结晶两个金属在热变形过程中，同时存在加工硬化和再结晶两个过程，但其加工硬化随时被再结晶所消除，因而在此过过程，但其加工硬化随时被再结晶所消除，因而在此过程中表现不出加工硬化现象。程中表现不出加工硬化现象。 3 3、热变形和温热变形、热变形和温热变形 特点：特点：（1 1）金属的致密度提高，铸件进行热变形加）金属的致密度提高，铸件进行热变形加工后，铸件中的气孔、缩松等被压合在一起，使金属工后，铸件中的气孔、缩松等被压合在一起，使金属的致密度提高。的致密度提高。（2 2）组织细化、力学性能提高。）组织细化、力学性能提高。 热变形能使坯料粗热变形能使坯料粗大的铸态组织碎化，然后转化为细化的再结晶组织，大的铸态组织碎化，然后转化为细化的再结晶组织，从而提高力学性能。从而提高力学性能。（3 3）出现锻造流线，金属性能呈现异向性。）出现锻造流线，金属性能呈现异向性。 热变形时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸热变形时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布，塑性杂质随金属变形沿主长方向呈碎粒状或链状分布，塑性杂质随金属变形沿主要伸长方向呈带状分布再结晶过程中，晶粒形状发生要伸长方向呈带状分布再结晶过程中，晶粒形状发生改变，而夹杂物却仍然保留原来的分布形态，使金属热改变，而夹杂物却仍然保留原来的分布形态，使金属热变形后的细小均匀再结晶组织内留有明显的夹杂物痕迹，变形后的细小均匀再结晶组织内留有明显的夹杂物痕迹，称为称为锻造流线锻造流线或锻造流纹，它使金属呈现异向性。锻造或锻造流纹，它使金属呈现异向性。锻造流线的明显程度与金属的变形程度有关，变形程度越大，流线的明显程度与金属的变形程度有关，变形程度越大，锻造流线越明显。变形程度常用锻造比锻造流线越明显。变形程度常用锻造比Y Y表示：表示：拔长时的锻造比为拔长时的锻造比为 Y Y拔拔FoFo/F /F 镦粗时的锻造比为镦粗时的锻造比为 Y Y镦镦Ho/H Ho/H 式中式中FoFo/F/F分别为坯料变形前后的横截面积；分别为坯料变形前后的横截面积； Ho/HHo/H分别为坯料变形前后的高度。分别为坯料变形前后的高度。 生产实践表明，当生产实践表明，当Y Y锻锻2 2时，铸态组织中的疏松、气孔被时，铸态组织中的疏松、气孔被压合，组织得到细化，工件纵向和横向的力学性能均有显著压合，组织得到细化，工件纵向和横向的力学性能均有显著提高。当提高。当 Y Y锻锻2 25 5时，工件锻造流线明显，呈各向异性，时，工件锻造流线明显，呈各向异性，纵向力学性能略有提高，但横向的力学性能开始下降。当纵向力学性能略有提高，但横向的力学性能开始下降。当Y Y锻锻 55时，工件纵向力学性能不再提高，而横向力学性能急时，工件纵向力学性能不再提高，而横向力学性能急剧下降。因此，以钢锭为坯料进行锻造时，应按零件的力学剧下降。因此，以钢锭为坯料进行锻造时，应按零件的力学性能要求选择合适的锻造比。如拉杆等主要在流线纵向受力性能要求选择合适的锻造比。如拉杆等主要在流线纵向受力的零件，锻比选的零件，锻比选2.52.55 5；而吊钩、曲轴等主要在流线横向受；而吊钩、曲轴等主要在流线横向受力的零件，锻比选取力的零件，锻比选取2 22.52.5。若用钢材为坯料进行锻造，因。若用钢材为坯料进行锻造，因钢材在轧制过程中已经产生了锻造流线，锻造时主要考虑流钢材在轧制过程中已经产生了锻造流线，锻造时主要考虑流线与零件轮廓的符合程度，故锻比取线与零件轮廓的符合程度，故锻比取1.31.31.51.5即可。即可。 a)螺钉头 b)曲轴 c)吊钩锻造流线的合理分布2)2)温热变形温热变形 介于冷变形和热变形之间的塑性介于冷变形和热变形之间的塑性变形。变形。 温热变形中既有加工硬化，又有回复或再温热变形中既有加工硬化，又有回复或再结晶现象；用温热变形得到的工件，其强度结晶现象；用温热变形得到的工件，其强度和尺寸精度比热变形高，而变形抗力比冷变和尺寸精度比热变形高，而变形抗力比冷变形低。如温热挤压、半热锻等。形低。如温热挤压、半热锻等。 四、金属的锻造性能四、金属的锻造性能1 1、锻造性能的概念、锻造性能的概念 锻造性能是指金属材料锻压成形的难易程度，亦称锻造性能是指金属材料锻压成形的难易程度，亦称可锻性。金属的锻造性能常用可锻性。金属的锻造性能常用塑性塑性和和变形抗力变形抗力来综合来综合衡量。通常认为材料的塑性大、变形抗力小，则其锻衡量。通常认为材料的塑性大、变形抗力小，则其锻造性能好；反之则为差。造性能好；反之则为差。2 2、影响锻造性能的因素、影响锻造性能的因素影响锻造性能的因素有金属的本质和工艺条件。影响锻造性能的因素有金属的本质和工艺条件。金属的本质金属的本质 (1)(1)化学成分：不同化学成分的金属锻造性能不同。纯化学成分：不同化学成分的金属锻造性能不同。纯金属的锻造性能比合金要好；合金元素的种类、含量越金属的锻造性能比合金要好；合金元素的种类、含量越多，锻造性能越差。如纯铁、低碳钢的锻造性能很好，多，锻造性能越差。如纯铁、低碳钢的锻造性能很好