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1、1 第十二章金属塑性成形的物理基础 五 金属的超塑性 一 金属塑性成形简介 二 金属在冷态下的塑性变形 三 金属的热塑性变形 四 对塑性和变形抗力的影响因素 2 塑性 金属材料在外力的作用下发生永久变形而不破坏的能力 塑性成形 利用金属的塑性 在外力作用下使金属发生塑性变形 从而获得所需形状和性能的工件的一种加工方法 又称塑性加工或压力加工 应用 金属塑性加工在汽车 拖拉机 船舶 兵器 航空和家用电器等行业都有广泛的应用 如 汽车的大梁和覆盖件是冲压成形的 曲轴 连杆和齿轮的毛坯是锻造成形的 与其他加工方法相比 金属塑性成形有如下优点 第一节概述 一 金属塑性成形的特点 3 金属塑性成形优点
2、生产效率高 适用于大批量生产 使用模具生产改善了金属的组织和结构 使组织致密 纤维组织分布合理 材料利用率高 少无切削加工尺寸精度高 精密锻造 精密挤压 精密冲裁零件几乎可直接使用 4 5 二 塑性成形工艺的分类 体积成形板料成形 热加工 再结晶温度以上进行的塑性加工冷加工 回复和再结晶温度以下进行的加工介于两者之间的则是温热成形 如温挤压 温锻等 6 体积成形 1 锻造 在塑性成形过程中靠体积的转移和重新分配来实现成形 自由锻造开式模锻闭式模锻 高径比对镦粗变形的影响 7 2 轧制 金属坯料在两个回转轧辊之间受压产生连续变形而形成各种产品的成形工艺称为轧制 生产板材 管材 型材 8 3 拉拔
3、 金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的成形工艺称为拉拔 生产棒材 线材 管材 9 4 挤压 金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的成形工艺称为挤压 适用于塑性较差的材料的成形 10 板料成形 1 分离工序 称为冲压 落料 冲孔 弯曲 拉深等 落料和冲孔 2 成形工序 拉深和弯曲 11 由于飞机 发动机和导弹等的结构承载与功能特点 钣金结构件在航空航天领域获得了广泛的应用 如飞机壁板 导弹壳体 导弹舵翼面及发动机叶片等 据统计 塑性加工零件占整架飞机零件总重的40 加工工时占全机重量的10 其数量在战斗机中超过1万件 在轰炸机中超过4万件 大型运输机和干线客机中则达6万件之多 随着航空航天技术的发
4、展 先进飞行器对可靠性 效费比及服役性能等提出了更高的要求 一方面 钣金结构件的整体化和复杂化趋势越来越明显 新结构不断涌现 另一方面 新材料的应用也呈增加的趋势 如钛合金 铝合金及铝锂合金等 12 2006年 我国锻压件产量达340万吨 已经成为世界锻压业的大国 但在主要指标方面与世界先进国家的差距还很明显 在锻件的类别方面 我国的模锻件占65 自由锻件占35 而世界上锻压业最先进的国家日本的模锻件占总量的82 6 自由锻件仅占5 5 并且日本在模锻件中冷锻件占5 8 铝锻件占1 9 远远高于我国的水平 在劳动生产率方面 日本的全员劳动生产率为175吨 人 年 我国最具代表性的汽车锻造公司该
5、指标为50吨 人 年 而行业平均水平仅为17吨 人 年左右 模具的寿命方面 我国热锻模寿命一般在4000 6000件 国外则在10000 15000件的水平 是我国的2 5倍左右 13 2007年3月 我国宣布启动大飞机工程 据统计 一个常规的飞机项目可直接带动600家企业的发展 间接带动2500余家企业发展 2008年l0月 与大飞机工程配套的大型模锻液压机项目 苏州昆仑先进制造技术装备有限公司正式落户周市镇 该公司将联合清华大学等机构 整合各方资源 设计制造世界最大的l0万t大型模锻液压机 这一项目标志着昆山市装备制造业发展掀开新的篇章 将改变世界航天航空业大型锻件生产格局此项目将极大提升
6、我国航空关键零部件的制造能力 使我国大型航空锻件的生产水平得到质的提升 并将改变世界航空大型锻件生产格局 14 薄壁曲面零件的锻造成形工艺 附加图1薄壁曲面零件锻造成形模具三维造型 a 成形凹模 b 成形凸模 附加图2薄壁曲面零件锻造成形产品 国防科工委基础科研项目 武器零件毛坯精化技术 每片零件与机械加工件相比 节约材料60 以上 并省掉了大量的机械加工工序 1 下料 2 喷丸 3 锻造成形 4 润滑 5 切边 6 整形 15 航空 航天 能源工业采用的锻件材料大多是高强度的合金钢和各种特殊合金 在航空 航天发动机和燃气轮机中大量用了钛合金和高温合金 在新型歼击机上钛合金用量增到40 这些材
7、料的大量应用对提高发动机的推重比 提高飞机的飞行速度和战斗特性都起到了特别重要的作用 然而 钛合金和高温合金都是价格昂贵的金属材料 又是属难加工的类型 在发动机中锻件的金属利用率只有10 20 飞机结构件中甚至低于10 造成大量金属的浪费 使毛坯价格很高 这些特殊合金的机械加工性能也特别差 机加工费用也特别高 使成品零件的价格极其昂贵 热模 等温精密锻造技术 16 TC17整体叶盘 TA19机匣 TC4支架 附加图3大型锻件 投影面积大于0 3m2 热模 等温精密锻造技术成形产品 17 汽车覆盖件的制作采用传统冲压成形需要大型冲压设备生产线和成套模具 不仅投资巨大 而且模具制造周期长 不利于车
8、型的更新换代 由吉林大学教授李明哲博士创造的世界上第1台商用板材无模多点成形压力机10min可以 克隆 出人的脸 当然成形汽车覆盖件就更不在话下了 附加图4为我国自行研制多点成形工业机 板料无模多点成形 附加图4我国自行研制多点成形工业机的人脸模拟成形 18 SPF DB技术在航空航天领域应用的典型实例 19 第二节金属在冷态下的塑性变形 一 金属的晶体结构和组织 多数金属材料是由两种或两种以上金属组成的合金 通过合金化使得金属的力学性能在很大程度上和很大范围内发生改变 塑性成形的金属绝大部分是多晶体 多晶体由许多结晶方向和不同的晶粒组成 晶粒之间存在晶界 每个晶粒的大小 形态 结构和成分不同
9、 内部的结晶学取向不同 相邻晶粒彼此的位向不同 称为亚晶结构 晶界表现出许多与晶粒内部不同的性质 如 室温是晶界的强度和硬度高于晶内 而高温时则相反 晶界中原子的扩散速度比晶内快得多 晶界的熔点低于晶内 晶界容易被腐蚀等 20 正由于晶界和晶内有这些不同的性质 在研究晶体的塑性变形时 要分别研究晶粒内部的变形和晶界的变形 图12 2多晶体示意图 21 二 金属冷态下的塑性变形机理 一 晶内变形 晶内变形的主要方式是滑移和孪生 其中 以滑移为主 晶体在外力作用下 晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对移动或切变 这些晶面和晶向称之为滑移面和滑移方向 如图12 3所示 滑移的结果使大
10、量的原子逐步发生迁移 从而产生宏观的塑性变形 一般地 滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生 因为原子密度最大的晶面 原子之间的间距小 原子间的结合力强 晶面之间的距离较大 晶面与晶面之间的结合力较弱 滑移阻力相对较小 图12 3滑移面和滑移方向 1 滑移 22 如图12 4所示 F为作用于晶体上的外力 A0为正截面面积 是该截面上的正应力 滑移面的法线方向与外力的作用方向成夹角 滑移面面积为A1 滑移方向与外力的作用成夹角 由于滑移面的面积与正截面的面积关系是A1 A0 cos 则滑移面上的轴向应力为 1 cos 它在滑移方向的切应力分量为 cos cos 图12 4滑移面上的切应力分析
11、23 当拉应力 值一定时 一个滑移系上的切应力时受角度 和 决定的 令 cos cos 称为取向因子 可见 滑移系上的切应力分量取决于取向因子 越大 作用的切应力分量越大 只有在 45 时 切应力达到其最大值 max 2 这意味着滑移系处于最佳取向 其上的切应力分量最有利于优先达到临界值而产生滑移 通常把 0 5或接近0 5的取向称为软取向 而把 0或接近0的取向称为硬取向 取向因子 0 切应力分量 0 这时不可以滑移 图12 4滑移面上的切应力分析 24 对多晶体而言 各晶粒的取向不同 只有处于软取向的滑移面才能最先滑移 而处于硬取向的滑移面难以发生滑移 正是由于各晶粒取向不同 晶内滑移不仅
12、受到晶界的阻碍 而且还受到周围难以滑移晶粒的阻碍 对于多晶体的晶内变形 滑移面和滑移方向也存在着向一定方向转动的趋势 以力求保持内部的平衡 但由于受晶界和相邻晶粒的影响 这种转动是复杂的 转动的结果是使原来任意取向的晶粒逐渐趋于一致 25 孪生变形需要达到一定的临界切应力值方可发生 在常温下其值要比滑移的临界切应力大得多 所以 滑移是优先发生的变形方式 只有在很低的温度下 孪生的临界切应力比滑移的临界切应力低 这时 孪生才有可能发生 在多晶体内 孪生变形是及其次要的一种补充变形方式 2 孪生 26 二 晶间变形 晶间变形的主要方式是晶粒间发生相互滑动和转动 多晶体中各晶粒的位向不同 受外力作用
13、时 那些位向有利的晶粒中取向因子最大的滑移系上分切应力首先达到临界应力而发生滑移 位错沿滑移面运动到晶界 相邻晶粒的位向不同 滑移系也不同 使得位错难以越过晶界而在晶界附近形成塞积 如图12 5所示 那些在滑移面两端形成的符号相反的位错塞积群会形成很强的应力场 它越过晶界作用到相邻的晶粒上 这个附加应力与外力的应力一起 最终使某些取向因子较小的滑移系的位错源开动起来参与滑移 越来越多的晶粒参与塑性变形 塑性变形越来越大 图12 5多晶体的滑移 27 在外力作用下 沿晶界处可能产生切应力 当此切应力足以克服晶粒间相对滑动的阻力时 晶粒间开始发生相对滑动 由于晶界具有一定的厚度 当晶粒间产生相对滑
14、动时 处于它们中间的晶界必然在相当厚度区域内产生切变形 同时由于各晶粒所处的位向不同 产生相对滑动的难易程度不同 这样 在相邻晶粒之间可能产生一对力偶 从而造成晶粒间的相互转动 如图12 6所示 图12 6晶粒之间的相对转动和滑动 28 多晶体金属塑性变形的特点 晶粒间变形的相互协调性 变形的不均匀性 滑移系因素 滑移条件和晶界因素 晶界存在阻碍了位错的运动 因此 多晶体的晶粒越细 单位体积内的晶界越多 滑移在相邻晶粒内的传播所消耗的能量越多 其外在表现为塑性变形的抗力大 金属的强度高 另外 晶粒越细小 金属的塑性越好 因为在一定的体积内 位向有利的晶粒越多 变形能比较均匀地分散在各个晶粒上
15、细晶粒金属还不容易发生裂纹 发生裂纹后也不容易扩展 因为断裂过程中要吸收更多的能量 即外力要做更大的功 所以细晶粒金属的韧性也较高 细晶的优点 29 三 合金的塑性变形 合金的相结构 固溶体 化合物 钢中的F 铜锌合金的 相 钢中的Fe3C 铜锌合金中的 相 常见的合金组织有单相固溶体合金 两相或多相合金两大类 它们的塑性变形特点不相同 30 单相固溶体合金的塑性变形与多晶体纯金属相似 也是滑移和孪生 变形时同样受到相邻晶粒的影响 但溶质原子溶入后 这种异类原子必然对金属的变形行为产生影响 使合金强度 硬度提高而塑性 韧性下降 这种现象叫做固溶强化 是由溶质原子阻碍金属中的位错运动引起的 一
16、单相固溶体合金的塑性变形 二 多相合金的塑性变形 大多数合金材料 除基体相外 还有其他相存在 即两相或多相合金 通过合金中的第二相 使合金得到进一步强化 一般工业合金中很多是由固溶体和金属间化合物构成的两相合金 固溶体作为基体相 塑性较好 金属间化合物一般以脆性相存在 硬而脆 难以变形 因此 合金的塑性变形很大程度上取决于第二相的数量 形状 大小和分布的形态 但是从变形机理来说 仍然是滑移和孪生 31 两相合金根据其第二相粒子的尺寸与分布分为两类 如下图12 8所示 图12 8两相合金的显微组织a 聚合型b 弥散型 32 弥散型两相合金中 第二相质点可以通过对过饱和固溶体的沉淀析出获得 也可以用粉末冶金方法获得 弥散强化的第二相粒子对位错阻碍作用可以通过图12 9来说明 图12 9位错绕过第二相粒子的过程 弥散强化 33 四 冷塑性变形对金属组织和性能的影响 1 晶粒形状发生改变拉拔和轧制时 晶粒都会沿着轴向即变形延伸方向拉长 当变形量很大时 就形成纤维状组织 图12 10 当金属中含有夹杂物或第二相质点时 他们会沿变形方向拉成细带状 塑性杂质 或碾成链状 脆性杂质 一 对组织结构的影
