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1、机械工程材料及其成型技术目 录第第六六章章 锻压成型基本技术锻压成型基本技术第一节 塑性成形基本原理第二节 锻造成型技术第三节 冲压成型技术第四节 其他塑性成形技术第一节 塑性成形基本原理1.金属单晶体的塑性变形 晶体在剪切应力的作用下,其中一部分沿着一定晶面上的晶向相对于另一部分发生滑动(图6-2),这种现象称为滑移。 研究证明,由于晶体中存在着位错,滑移实质上是位错在滑移面上运动的结果(图6-3)。在剪切应力的作用下,晶体中形成一个正刃位错,这个多出的半原子面会由左向右逐步移动;当这个位错移到晶体的右边缘时,移出晶体的上半部分就相对于下半部分移动了一个原子的间距,形成一个原子间距的滑移量。
2、 位错在晶体中移动时所需的剪切应力很小,这是因为当位错中心前进一个原子间距时,一齐移动的只是位错中心少数的原子,而且其位移量都不大,形成逐步滑移。这就比一齐移动所需要的临界剪切应力要小得多,这种现象称为“位错的易动性”。 如果晶体内存在少量的位错,滑移容易进行,因此金属晶体的强度也就比较低。但是,当位错数目超过一定范围时,随着位错密度的增加,由于位错之间以及位错与其他缺陷之间存在着相互牵制的作用,使位错的运动受阻,结果金属的强度和硬度又逐渐增加。金属材料的冷加工硬化现象就是在冷加工过程中,金属内部位错密度的增大而引起的金属材料硬化。一、金属的塑性变形第一节 塑性成形基本原理1.金属单晶体的塑性
3、变形一、金属的塑性变形图6-2单晶体的变形过程图6-3通过位错移动造成滑移的示意图第一节 塑性成形基本原理2.实际金属的塑性变形 大多数金属材料是由多晶体组成的,多晶体塑性变形是各个晶粒塑性变形的综合结果。由于多晶体中各晶粒的位向不同,故多晶体塑性滑移时的变形抗力要比单图晶体高。如图6-4所示的多晶体在外力的作用下,处于软位向(滑移面和滑移方向与外力成45)的a、b晶粒优先产生滑移变形;而相邻的晶粒c则处于硬位向,不能产生滑移变形,只能以弹性变形相平衡。 在多晶体塑性变形过程中,晶粒中的位错移动难以穿过晶界传至相邻的晶粒,致使位错在晶界处聚集。随着变形度的加大,晶界处聚集的位错数目在不断增多,
4、应力集中也逐渐增加。当应力集中达到一定程度后,相邻晶粒中的位错源开始移动,变形就是这样从一批晶粒扩展到另一批晶粒的。由此可知,晶粒越细对金属塑性变形的影响就越显著。一、金属的塑性变形第一节 塑性成形基本原理2.实际金属的塑性变形一、金属的塑性变形图6-4多晶体变形过程示意图第一节 塑性成形基本原理1.冷塑性变形对金属组织结构的影响(1)晶粒变形 随着冷塑性变形量的增加,金属内部各个晶粒和金属中的夹杂物将沿着变形的方向被拉长或压扁成纤维状(图6-5),这种组织被称为“纤维组织”。形成纤维组织后,金属的性能会出现明显的各向异性,其纵向(沿纤维的方向)的强度和塑性远大于其横向(垂直纤维的方向)的强度
5、和塑性。(2)形变织构 在多晶体金属材料中,晶粒的排列是无规则的。当金属按一定的方向变形量很大时(变形量大于70%以上),多晶体中原来任意位向的各晶粒的取向会大致趋于一致,这种有序化结构叫做“形变织构”,又称为“择优取向”。金属中出现形变织构后具有明显的各向异性,如用有织构的板材去冲制杯形零件时,由于板材各个方向变形能力的不同,深冲后零件的边缘不齐,会产生“制耳”现象(图6-6)。二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响第一节 塑性成形基本原理1.冷塑性变形对金属组织结构的影响二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响图6-5变形前后晶粒形状变化示意图a)变形前b)变形后图6-6因形变织构造成的“制耳”
6、a)无织构b)有织构第一节 塑性成形基本原理2.冷塑性变形对金属性能的影响(1)加工硬化 金属在冷塑性变形过程中,其组织和性能都会发生变化,其中最重要的是加工硬化,也称为冷作硬化或形变强化。它是金属在塑性变形过程中, 随着位错密度的增加,位错间的交互作用增强,位错滑移发生困难,使金属塑性变形的抗力增大,其强度和硬度显著升高,塑性和韧性下降的现象(图6-7)。 金属的加工硬化现象在许多情况下是有利的,它是用以提高金属强度、硬度和耐磨性的重要方法之一。但加工硬化也有不利的一面,如使材料在冷轧时的动力消耗增大,也给金属继续变形造成困难。因此,在金属的冷变形加工过程中,必须进行中间热处理来消除加工硬化
7、现象。二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响第一节 塑性成形基本原理2.冷塑性变形对金属性能的影响(1)加工硬化二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响图6-7低碳钢冷轧后力学性能的变化第一节 塑性成形基本原理2.冷塑性变形对金属性能的影响(2)残留应力 在金属冷塑性变形过程中,大约有10%的能量转化为内应力而残留在金属中,使其内能增加。这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为残留内应力。内应力的大小与形变条件有关,如变形量大、变形不均匀、变形时温度低、变形速率大等都能使内应力增加。 内应力对金属材料的性能会产生不良影响,如引起金属自行变形,使金属产生晶间腐蚀等,所以冷塑性变形后的金属应进行去应
8、力退火处理,以消除或降低金属内的残留内应力。 有时内应力也是有益的,如对齿轮进行表面淬火和喷丸处理,会在其表面产生一层极薄的塑性变形层。在变形层中产生的残留压应力可以大大提高材料的疲劳极限,提高齿轮的使用寿命。二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响第一节 塑性成形基本原理3.回复与再结晶 金属冷塑性变形使金属晶体中缺陷密度增加,内能升高,这种处于不稳定状态的组织有自发恢复到变形前的组织状态的倾向。如果对冷塑性变形后的金属进行加热,随着加热温度的升高,其组织会相继发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化。在此过程中,冷变形金属的组织和性能变化如图6-8所示。二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响图6
9、-8冷变形金属加热时的变化第一节 塑性成形基本原理3.回复与再结晶(1)回复 当冷变形金属的加热温度较低时,金属的晶粒大小和形状不会发生明显的变化,金属加工硬化后的强度、硬度和塑性等力学性能也基本保持不变,但残留内应力将随着加热温度的升高而下降,这一过程称为回复。纯金属的回复温度T回与其熔点T熔之间存在如下关系:T回=(0.250.3)T熔式中,T回和T熔均以热力学温度表示。(2)再结晶 继续提高加热温度,使原子具有较大的扩散能力,塑性变形时被破碎、拉长的晶粒可全部转变成均匀而细小的等轴晶粒,这个过程称为“再结晶”。此时,金属中的位错密度降低,冷变形造成的加工硬化消失,金属的性能恢复到金属变形
10、前的性能。由于再结晶生成的新晶粒的晶格类型与金属变形前的晶格类型完全一样,因此再结晶过程不应属于相变过程。变形金属开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。纯金属的最低再结晶温度T再与其熔点T熔之间存在如下关系:T再=(0.350.40)T熔式中,T再和T熔均以热力学温度表示。二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响第一节 塑性成形基本原理3.回复与再结晶(1)回复 当冷变形金属的加热温度较低时,金属的晶粒大小和形状不会发生明显的变化,金属加工硬化后的强度、硬度和塑性等力学性能也基本保持不变,但残留内应力将随着加热温度的升高而下降,这一过程称为回复。纯金属的回复温度T回与其熔点T熔之间存在如下关
11、系:T回=(0.250.3)T熔式中,T回和T熔均以热力学温度表示。(2)再结晶 继续提高加热温度,使原子具有较大的扩散能力,塑性变形时被破碎、拉长的晶粒可全部转变成均匀而细小的等轴晶粒,这个过程称为“再结晶”。此时,金属中的位错密度降低,冷变形造成的加工硬化消失,金属的性能恢复到金属变形前的性能。由于再结晶生成的新晶粒的晶格类型与金属变形前的晶格类型完全一样,因此再结晶过程不应属于相变过程。变形金属开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。纯金属的最低再结晶温度T再与其熔点T熔之间存在如下关系:T再=(0.350.40)T熔式中,T再和T熔均以热力学温度表示。二、冷塑性变形对金属组织和性能
12、的影响第一节 塑性成形基本原理3.回复与再结晶(3)晶粒长大 冷变形金属在再结晶刚结束时晶粒比较细,随着加热温度的升高或保温时间的延长,晶粒会继续长大。晶粒长大的实质是晶界迁移的过程,形成大晶粒“吞并”小晶粒的现象。 再结晶后的晶粒大小与金属冷塑性变形程度的关系见图6-9。当变形度很小时,由于金属晶格畸变很小,不足以引起再结晶,因而晶粒仍保持原来的形状。但是当变形度在2%10%范围内时,由于金属内部仅有部分晶粒变形,变形量小且极不均匀,因此再结晶时生成的晶核少,晶粒容易吞并 长大,最后得到异常粗大的晶粒。使晶粒发生异常长大的变形度称为临界变形度,生产中应尽量避免在这一变形范围内进行加工。 当变
13、形度超过临界变形度后,随着变形程度的增加,晶格畸变愈加严重,再结晶晶核数目越来越多,因此再结晶后的晶粒细且均匀。 晶粒粗化将使金属材料组织性能恶化,所以冷变形金属的再结晶退火温度应严格控制在再结晶温度范围内,而且保温时间不宜过长,以获得细而均匀的晶粒。二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响第一节 塑性成形基本原理3.回复与再结晶二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响图6-9再结晶后晶粒度和预变形的关系第一节 塑性成形基本原理1.改善铸态的组织和性能 冶炼后的钢铁要浇注成铸锭,然后再经过热锻或热轧加工成各种型材供用户使用。在铸造过程中,由于铸锭的表面和中心的结晶条件不同,在铸锭的截面上有三个不同特征
14、的结晶区:表层细晶粒区、柱状晶区及中心等轴晶区(图6-10)。此外,铸锭内还存在一些铸造缺陷,如缩孔与缩松、成分偏析、气孔、夹杂、裂纹等。通过热加工可以把大部分的缩松、气孔和微裂纹在加工过程中焊合,提高金属的致密度。对于铸锭内部的晶内偏析、粗大柱状晶或大块碳化物,可以在压力的作用下使晶粒破碎,消除成分偏析、粗大柱状晶及大块碳化物的不利影响,使金属的力学性能得到提高。表6-1是碳质量分数为0.3%的碳钢分别在铸造状态和锻造状态时的力学性能比较。三、热塑性变形对金属组织和性能的影响图6-10金属铸锭组织示意图第一节 塑性成形基本原理1.改善铸态的组织和性能三、热塑性变形对金属组织和性能的影响表6-
15、1wC=0.3%碳钢锻态和铸态时力学性能的比较第一节 塑性成形基本原理2.细化晶粒 在热加工过程中,变形的晶粒内部不断发生回复再结晶,已经发生再结晶的区域又不断发生变形。周而复之使晶核数目不断增加,晶粒得到细化。3.形成纤维组织 钢锭中的粗大枝晶和钢锭中的各种夹杂物在高温下都具有一定塑性。在热加工过程中,这些夹杂物沿着金属的变形流动方向伸长,形成纤维组织,称其为“锻造流线”。锻造流线使金属的性能产生明显的各向异性,通常是沿流线方向的强度、塑性和韧性较高,但抗剪强度较低;而垂直于流线方向上情况则正好相反, 如表6-2所示。因此在热加工时,可以将零件承受的最大拉应力的方向尽量与流线平行,而承受冲击
16、力或外加剪切应力的方向则应与流线垂直。图6-11就是锻造曲轴与切削加工的曲轴流线分布图。由于锻造曲轴的流线分布合理,因而其力学性能要比切削加工曲轴的力学性能好得多。三、热塑性变形对金属组织和性能的影响第一节 塑性成形基本原理3.形成纤维组织三、热塑性变形对金属组织和性能的影响图6-11曲轴的流线分布a)锻造曲轴b)切削加工曲轴表6-245钢的力学性能与热加工方向的关系第一节 塑性成形基本原理1.金属的本身性质(1)化学成分的影响 一般情况下,纯金属的塑性变形能力好于合金,金属中的合金元素含量越少,则塑性越好。如纯铁的塑性就比碳质量分数高的碳素钢好;碳素钢的塑性又比碳质量分数相同的合金钢好;合金钢中加入的合金元素种类越多,含量越高,其塑性变形能力越差。另外,钢中硫、磷等杂质含量多时也会使钢的塑性变形性能变差。(2)金属组织的影响 金属内部组织结构对其塑性变形能力的影响很大,如纯金属与固溶体组成的单相组织比多相组织的塑性好,变形抗力低;均匀细小的晶粒结构比铸态柱状组织和粗晶粒结构的塑性变形性能好。四、金属塑性变形的能力第一节 塑性成形基本原理2.金属的变形条件(1)变形温度的影响 金属通过
