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1、压力加工理论基础,钢 铁 工 业 发 展,金属压力加工概论,压力加工是使金属材料在外力作用下产生塑性变形，（永久变形）以获得所需形状、尺寸及机械性能的毛坯或零件的一种热加工工艺；只适合塑性好的金属材料如中、低碳钢；大多数有色金属及其合金。,压力加工分类,锻压 锻造 模锻 自由锻 手工自由锻（打铁） 机器自由锻（锤类、 压力机） 冲压挤压拉拔轧制。,金属在塑性变形中的特点,坯料体积不变，只是坯料形状和尺寸的重新分配的结果（变形工艺）；与切削加工比较，压力加工的生产效率高，且能节约大量金属；机械性能高；由于坯料在固态下成形，受成形工具的限制，故产品的截面形状不能太复杂。,1.金属成型方法（1）质量
2、减少的方法： 车、刨、铣、磨、钻、剪切、气割、电切、蚀刻等；（2）质量增加的方法： 铸造、电解沉积、焊接与铆接、烧结与胶结等；（3）质量保持不变的方法： 金属压力加工（轧制、锻造、冲压、拉拔、挤压）。,3.金属压力加工的方法,金属压力加工： 金属在受到外力作用并不破坏自身完整性的条件下，稳定改变其几何形状与尺寸，从而获得所需要的几何形状与尺寸的加工方法。 金属压力加工的分类： 靠压力作用使金属产生塑性变形：锻造、轧制、挤压； 靠拉力作用使金属产生塑性变型：拉拔、冲压等。,（1）轧制,轧制的定义： 金属在两个旋转的轧辊之间受到压缩而进行塑性变形的过程。金属可通过轧制获得一定形状、尺寸和性能。 轧
3、制的方式： a.纵轧 b.斜轧 c.横轧,a.纵轧：轧件纵轴线与轧辊轴线垂直，两个工作轧辊的 旋 转方向相反（型线材、板带材等）；,纵轧,b.斜轧：轧件的纵轴线与轧辊轴线成一定的倾斜角，两个 轧辊的旋转方向相同（无缝管生产）；,斜轧,c.横轧：轧件纵轴线与轧辊轴线平行，两个工作轧辊的旋 转方向相同（圆形断面的各种轴类等回转体）。,（2）挤压,金属在挤压缸中受推力的作用使之从模孔中挤出的过程。挤压可分为正挤压和反挤压。,正挤压,反挤压,挤压,（3）锻造http:/ 锻,1锤头；2砧座；3锻件；4上模；5下模,（4）冲压,金属板料在压力机冲头的作用下冲入凹模中的过程。（各种杯形件和壳体等）,1冲头
4、；2模子；3压圈；4 产品,（5）拉拔,金属受前端的拉力作用使之从模孔中拉出的过程。（型材、线材和管材）,金属塑性变形的力学基础,外力(load)与内力(internal force) 外力P：变形体所受外力可分为两类：一类是体积力，如重力、磁力和惯性力等。另一类是作用在变形体表面上的表面力，它包括工模具对变形体的作用力和约束反力等。分析塑性成形过程时，体积力一般可以不考虑，若不加特殊说明，外力即指表面力。,P1,T,（1）作用力：设备可移动部分对工件所作用的力，P（2）约束反力：正压力和摩擦力内力与应力,内力Q：在外力作用下，为保持变形体的连续性，其内部各质点之间必然会产生相互作用的力，叫做
5、内力。,低温,高温,应力（stress）应力S单位面积的内力，称为应力。内力和应力均为矢量 应力的单位：1Pa=1N/m2 =1.0197kgf/mm2 1MPa=106 N/m2应力是某点A的坐标的函数，即受力体内不同点的应力不同。,（1）主应力定义：切应力为零的面为主平面，主平面上作用的应力为主应力。定义：存在着唯一的三个相互垂直的方向，与此三个方向相垂直的微分面上的剪应力为零，只存在着正应力。此正应力称为主应力，一般用1、2、3表示，而相应的三个相互垂直的方向称为主方向，与主方向一致的坐标轴叫做主轴。,主应变图与变形程度表示,主变形图是定性判断塑性变形类型的图示方法。主变形图只可能有三种
6、形式,主应力、主应变图示： 主应力9种； 主应变3种 但只有23种可能的应力应变组合（塑性变形力学图），为什么？,已知成品横断面积为500mm 2 ，总延伸系数为28.8，求所用的原料方坯边长为多少？,用12012012000mm的坯料轧制6.5mm线材，平均延伸系数为1.28，求总延伸系数是多少？共轧制多少道次？ 轧前坯料尺寸为90mm90mm150mm，轧后横断面尺寸为70mm97mm，计算该道次的绝对压下量、相对压下量、绝对宽展量和延伸系数各是多少？,10、塑性变形基本规律,1. 体积不变定律 Volume Constance 金属塑性变形前后的体积相等，即体积为常数，也称为不可压缩定律
7、。V0=Vn=常数 HBL=hbl例题：P139,10.2.2. 最小阻力定律 Least Resistance,在变形过程中，如果金属质点有可能向各个不同方向移动，则每一质点将沿着阻力最小方向移动 。质点流动阻力最小方向是通过该质点指向金属变形部分周边的法线方向。,物体内性质均匀，工具与金属摩擦系数一致，质点移动时克服摩擦力所作的功和质点离自由表面距离成正比。离自由边界越近，阻力小，必然沿最短法线运动,图3-15 不同截面的金属流动情况,a)圆形 b)正方形 c)长方形,H,h,hx,Vh，高度方向的移位体积，dVh=Fxdx,Fx=V/hx,变形速度,锻件如锅饼，铸件似面包,h,hx,=d
8、/dt=dx/hx/dt=vz/hx,.,H,10.3.2 变形速度,A 锻压,=vz/hx，压力加工中用平均变形速度表示=2Vz/（H+h）或者=In（H/h）/（H-h）/Vz,.,_,_,_,_,B 轧制变形速度,轧件运动速度轧辊线速度的水平分量，与变形体瞬时厚度hx有关,v,a/2,=vz/hx，Vz=2Vsina/2Va,.,C 拉拔时的变形速度用长度方向变形速度表示,=/t=Inl/L/(l-L)/V，V为平均拉伸速度,.,10.3.0.3,例题讲解D=430mm,V=100r/min,H*B=90mm*90mm,H*b=70mm*97mm，求变形速度,下面单位表示应力单位的是(
9、)。 AN/m BN/m3 CN/mm2 通常轧制时金属所处的应力状态是( )。 A三向拉应力状态 B三向压应力状态 C一向拉两向压的应力状态 挤压过程属三向压应力状态，其变形图示为( )。 A一向缩短、二向伸长 B二向缩短、一向伸长 C一向缩短、一向伸长 轧制变形区内金属的纵向、横向流动将遵守( )定律。A体积不变定律 B最小阻力定律 C剪应力定律 D秒流量一致,金属压力加工中的摩擦，是指工具与( )的外摩擦。 A金属接触面 B金属上表面 C金属下表面 金属压力加工中最主要的手段是( )。 A锻造法 B轧制法 C冲压法 平面应力状态共有( )种可能图示。 A2 B3 C4 当一种金属进行塑性
10、变形时，受到外力为1000N，受力的面积为200mm2，此时金属产生内力，其应力应为( )。 A5Pa B50Pa C5MPa 在轧制时，轧制速度( )，摩擦系数越小。 A越小 B越大 C变缓,滑移的特征 沿一定的晶面和晶向进行滑移系= 1 个滑移面+面上 1 个滑移方向 滑移的距离是滑移方向原子间距的整数倍 在切应力的作用下 伴随晶体的转动 产生加工硬化,LEVIS,图4-1 晶体滑移时的应力分析,多晶体的塑性变形晶界的影响 晶粒位向的影响 晶粒尺寸对力学性能的影响 多晶体的塑性变形过程,金属的塑性变形,加工过程中的硬化和软化, 金属在常温下经塑性变形后，内部组织将发生变化。 晶粒沿最大变形
11、的方向伸长； 晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力； 晶粒产生碎晶。 加工硬化(见图34) 现象：强度、硬度 上升， 而塑性、韧 性下降。 原因：滑移面附近的 晶粒碎晶块， 晶格扭曲畸变， 增大滑移阻力， 使滑移难以 进行。,纤维组织的形成 形成变形织构产生加工硬化,金属冷塑性变形对组织和性能的影响,影响加工硬化的因素,金属本身的性质变形程度的大小变形速度的高低：受热效应的影响加工硬化当变形程度达到一定程度时反而下降实际意义：获得均匀一致的冷变形产品 金属材料强化的手段,加工软化： 回复与再结晶 回复： 冷作硬化是一种不稳定的现象，具有自发恢复到稳定 状态的倾向。室温下不易实现。当提高温度时，原子
12、获得热能，热运动加剧，当加热温度T回(用K氏温标) T回=（0.250.3）T熔 使原子回复到正常排列，消除了晶格扭曲，使加工硬 化得到部分消除。,恢复与再结晶效果,回复部分力学性能被恢复，但晶粒的形状与方向没有改变；晶内及晶间破坏现象没有消除再结晶消除了加工硬化引起的一切后果，拉长的晶粒变成等轴的晶粒；消除了纤维组织与方向性，恢复晶内及晶间破环，消除残余应力。,冷变形:T0.3TR 变形温度低于再结晶温度时，金属在变形过程中只有加工硬化而无回复与再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化组织，这种变形称为冷变形。热变形:(0.90.95)TR 变形温度在再结晶温度以上时，变形产生的加工硬化被随即
13、发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。,冷变形及热变形,热变形影响：1、改善铸造金属组织，增加密度，改善力学性能，降低化学成分的不均匀及偏析。2、改变热变形金属本身的性质：再结晶后晶粒变得更细小。不完全冷变形：0.3 TR T0.4TR只有加工硬化及回复无再结晶不完全热变形（0.50.7） TR加工硬化、回复、再结晶都有,影响金属塑性的因素,化学成分： 纯金属及固溶体(如奥氏体)的塑性好。碳化物(如渗碳体)的可锻性差。钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大。例如纯铁、低碳钢和高合金钢，它们的可锻性是依次下降的。,组织结构： 铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的塑性好，生产上用热变形将其摧毁。借助再结晶使其均匀多相合金的塑性取决于强化相的性质、析出的形状、和分散度。,变形温度的影响,在一定的变形温度范围内，随着温度升高，原子动能升高，从而塑性提高，变形抗力减小，有效改善了压力加工性。 若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低，这种现象称为“过热”。若加热温度更高接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废，这一现象称为“过烧”。 选择塑性高的加工温度范围进行加工，见图3-13。,
