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1、2.1 金属塑性成形理论基础,1,2,2.1 金属塑性成形理论基础,概念金属在外力作用下塑性变形，获得具有一定形状、尺寸、精度和力学性能的毛坯、零件或原材料的加工方法金属压力加工。,3,2.1 金属塑性成形理论基础,塑性成形分类,锻压 （Metal forging and stamping）,轧制（Rolling）,1.体积成形 (Bulk Metal Forming):1.1 锻造 (Forging)1.1.1自由锻造1.1.2模锻1.2 挤压(Extrusion)1.3 拉拔(Drawing),板材轧制型材轧制管材轧制横轧纵轧,2. 板料成形 (Sheet Metal Forming)2.
2、1 冲裁(blanking)2.2 弯曲(Bending)2.3 拉深(Deep drawing)2.4 翻边(flanging)2.5 胀形(Bulging)辊锻，楔横轧， 辗环，辊弯,4,2.1 金属塑性成形理论基础,塑性成形类型,5,2.1 金属塑性成形理论基础,体积成形体积成形主要是指那些利用锻压设备和工、模具，对金属坯料（块料）进行体积重新分配的塑性变形，得到所需形状、尺寸及性能的制件。主要包括锻造（Forging）和挤压（Extrusion）两大类。前者在成形过程中，变形区的形状随变形的进行而发生改变，属于非稳定塑性变形；后者在变形的大部分阶段变形区的形状不随变形的进行而改变，属于
3、稳定塑性变形。,6,2.1 金属塑性成形理论基础,板料成形板料成形又称为冲压，这种成形方法通常都是在常温下进行，所以也称为冷冲压。按照金属的变形性质又可以分为分离工序和成形工序。分离工序主要是利用冲模在压力机外力的作用下，使板料分离出一定的形状和尺寸工件的冲压工序。它包括落料、冲孔、切断、切边、剖切等工序。成形工序是利用冲模在压力机外力的作用下，使板料产生塑性变形而得到相应工件的冲压工序。主要包括弯曲、拉深、翻边、胀形、扩口、缩口、旋压等。,7,2.1 金属塑性成形理论基础,塑性成形优点组织致密、细化晶粒、力学性能提高。材料利用率高。生产率高，易机械化、自动化。制品精度较高。,8,2.1 金属
4、塑性成形理论基础,塑性成形缺点不能加工脆性材料。难以加工形状特别复杂（特别是内腔）、体积特别大的制品。设备、模具投资费用高。,9,2.1.1 金属塑性变形的实质,2.1 金属塑性成形理论基础,塑性变形：在外力作用下，金属材料产生的不可逆永久变形。弹性变形：外力卸除后，自动消失的可逆变形。,10,2.1 金属塑性成形理论基础,塑性：在外力作用下，金属材料产生不可逆永久变形而不发生破坏的能力。衡量金属变形难易程度的指标。塑性越好，变形抗力越小，成形越容易。用伸长率、断面收缩率表示： = （L1-L0）/ L0 100% =（ S0-S1）/S0100%,11,2.1 金属塑性成形理论基础,金属显微
5、组织晶体原子,典型晶格结构: 体心立方（Body-Centered Cube bcc）面心立方（Face-Centered Cube fcc）密排六方（Close-Package Hexagonal Hcp）,金属变形： 晶粒内部变形 + 晶界变形,12,2.1 金属塑性成形理论基础,金属结构,原子结构,晶体结构,显微结构,13,2.1 金属塑性成形理论基础,典型金属晶体结构,体心立方,（Body Centered Cube）(- Fe、Cr、W、V、Mo),面心立方（Face Centered Cube）(Al、Cu、-Fe、Ni),密排六方（Close-package Hexagonal）
6、(Mg、Zn、Cd、-Ti),14,2.1 金属塑性成形理论基础,滑移,滑移带 500倍,晶内变形：滑移（slipping）和孪晶(twin crystal),15,2.1 金属塑性成形理论基础,滑移,16,2.1 金属塑性成形理论基础,孪晶,孪晶后,孪晶面,孪晶前,工业纯铁 孪晶 100倍,17,2.1 金属塑性成形理论基础,多晶体变形晶粒取向软取向，硬取向晶界细化晶粒同时提高强韧性1）晶界对位错产生阻力2）位错在更多的晶粒中运动，不易产生应力集中,18,2.1 金属塑性成形理论基础,1、冷塑性变形：变形温度低于再结晶温度 （1）生产方法：冷冲压、冷挤压、冷轧、冷拔等 （2）特点 a）位错密
7、度上升显著加工硬化 b）尺寸精度高、表面质量好,金属塑性变形的分类,19,2.1 金属塑性成形理论基础,2、热塑性变形：变形温度高于再结晶温度 （1）生产方式：热锻、热轧、热挤压 （2）热变形后的组织特征 a）加工硬化和再结晶同时发生 b）冶金缺陷得到改善或消除 c）最终得到细小的等轴晶 d）组织致密，力学性能显著提高,20,2.1 金属塑性成形理论基础,另一种分类根据加工硬化和硬化解除过程谁占优势： （1）热变形（T再0.7T熔） （2）不完全热变形（T再0.50.7T熔） （3）不完全冷变形（温变形）（T再=0.30.5T熔） （4）冷变形（T再0.3T熔）,21,2.1 金属塑性成形理论
8、基础,2.1.2 金属冷变形强化和再结晶,金属的冷变形强化 金属经过塑性变形后，强度和硬度上升，而塑性和韧性下降的现象。 原因： a）晶格扭曲 b）晶粒破碎 消除办法：回复或再结晶退火。也可以作为一种强化金属的工艺，如喷丸等。,22,2.1 金属塑性成形理论基础,回复 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称为回复。 回复的结果： a）晶格扭曲消除 b）内应力明显下降 T回=（0.25-0.3）T熔 回复只能部分消除加工硬化,23,2.1 金属塑性成形理论基础,再结晶 温度上升到一定温度时，开始以某些碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒，加工硬化完全消除，这个过程称为再
9、结晶。 （1）再结晶的结果 a）原子热振动加剧 b）以某些质点为核心重结晶 c）加工硬化全部消除 （2）再结晶温度 金属经大量塑性变形后开始再结晶的最低温度。 T再=0.4T熔 再结晶不是相变过程！,24,2.1 金属塑性成形理论基础,金属的回复和再结晶示意图,25,2.1 金属塑性成形理论基础,影响再结晶后晶粒大小的因素： a）变形程度 变形程度很小时不发生再结晶。 变形程度在2-8%时，晶粒特别粗大临界变形程度。 当变形程度大于临界变形程度，随变形程度增加，晶粒显著细化。 b）再结晶后状态 金属在高温下停留，或延长保温时间，晶粒长大，力学性能变差。,26,2.1 金属塑性成形理论基础,变形
10、后的金属在加热时组织和性能的变化,1内应力曲线2晶粒度曲线3强度曲线（变形抗力）4延伸率曲线,27,2.1 金属塑性成形理论基础,热变形后金属的组织和性能,1）不产生加工硬化,2）使组织得到改善，提高了力学性能, 细化晶粒；, 压合了铸造缺陷；,3）形成纤维组织, 组织致密。,28,2.1 金属塑性成形理论基础,纤维组织,铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫纤维组织。,性能特点：具有各向异性 a）纵向（平行纤维方向），韧、塑性增加 b）横向（垂直于纤维方向），韧、塑性降低但抗剪切能力显著增强,29
11、,2.1 金属塑性成形理论基础,纤维组织合理分布 （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纤维的分布相符合而不被切断。 对不希望各向异性的工件，交替镦粗和拔长。,金属经冷、热塑性变形后形成的纤维组织的异同？,30,2.1 金属塑性成形理论基础,2.1.3 金属冷、热塑性变形对组织结构和性能的影响,加工硬化改善铸态组织（破碎枝晶，焊合内部孔隙，在主伸长变形方向形成金属纤维组织）影响固态相变，且因其不均匀性对组织和性能影响具有双重性,31,2.1 金属塑性成形理论基础,变形后的组织和性能形成纤维组织：晶粒被压扁、拉长，晶界模糊
12、不清。晶粒破碎，细化。产生冷变形强化，或加工硬化。形成变形织构：晶粒择优取向，形成变形织构，使金属各向异性。 残余内应力：由于变形不均匀，局部区域变形量的大小不同，造成受拉或受压。,32,2.1 金属塑性成形理论基础,冷、热变形加工的区别,33,2.1 金属塑性成形理论基础,锻造比塑性变形度。常用锻造前后金属坯料的横截面积值或长度（高度）比值来表示。拔长锻造比，镦粗锻造比塑性加工时合理选择锻造比轧材或锻坯时，选择较小的锻造比（1.5）碳钢，拔长3，镦粗2.5；合金结构钢，34铸造缺陷多碳化物粗大，应选择较大的锻造比,34,2.1 金属塑性成形理论基础,金属的锻造性能，衡量材料在受压力加工时获得
13、合格制品难易程度的工艺性能。金属塑性变形的影响因素1、金属的本质化学成分的影响组织结构的影响2、加工条件变形温度的影响变形速度的影响变形方式的影响,35,2.1 金属塑性成形理论基础,(1)化学成分的影响钢的碳含量，塑性成形性钢的合金元素含量，塑性成形性碳 少量有利 过量有害（Fe3C）磷 有害， “冷脆”硫 有害， “热脆”氮 有害，“时效脆性”氢 “氢脆” “白点”氧 与其它杂质结合 有害,36,2.1 金属塑性成形理论基础,(2)金属组织 单相固溶体的塑性成形性优于多相组织，如奥氏体。钢中存在网状二次渗碳体，塑性成形性常温下，均匀细小等轴晶的塑性成形性优于粗大树枝晶,37,2.1 金属塑
14、性成形理论基础,(3)变形温度的影响（锻造温度范围）变形温度高，原子振动增强，结合力减弱，塑性提高,变形抗力减少；金属高温下发生再结晶，加工硬化消除。高温下，金属的变形抗力仅为常温的1/4-1/5。温度，塑性，变形抗力，塑性成形性能在加热过程的某些温度区间，过剩相析出和相变的原因，会产生脆性。碳钢蓝脆: 200-350 渗碳体析出热脆: 800-950 Pearlite Austenite高温脆区: 1300 过热、过烧,38,2.1 金属塑性成形理论基础,(4)变形速度的影响单位时间内的变形程度越大，金属塑性下降，抗力提高；但超过一定的临界点后，变形热来不及散发，会产生“热效应”，使金属塑性提高，抗力减小。变形速度，硬化速度，塑性成形性变形速度，热效应，塑性成形性一般生产条件下采用较低变形速度。,39,2.1 金属塑性成形理论基础,（5）应力状态的影响拉应力状态易产生应力集中，促使裂纹产生和扩展，造成破坏。故拉应力越多，材料塑性越差，压应力数目越多，塑性越好。压应力数目，塑性，变形抗力拉应力数目，塑性，变形抗力,40,2.1 金属塑性成形理论基础,（6）表面状态的影响润滑条件坯料表面质量表面缺陷易成为“裂纹源”。表面质量好，有利于提高塑性。,
