武漢理工大學(xué),金屬工藝學(xué)第9章 金屬壓力加工基礎(chǔ)

1、 第三篇第三篇 金屬壓力加工金屬壓力加工 本篇主要內(nèi)容本篇主要內(nèi)容 9 金屬壓力加工基礎(chǔ)金屬壓力加工基礎(chǔ)1 10 常用的鍛造方法常用的鍛造方法 2 11 板料沖壓板料沖壓3 12 特種壓力加工方法簡(jiǎn)介特種壓力加工方法簡(jiǎn)介 4 本篇重點(diǎn)本篇重點(diǎn) 1 1、了解金屬塑性成型的理了解金屬塑性成型的理 論基礎(chǔ)；論基礎(chǔ)； 2 2、掌握掌握金屬的塑性成型方金屬的塑性成型方 法及工藝；法及工藝； 3 3、掌握掌握薄板沖壓成形工藝，包薄板沖壓成形工藝，包 括各種成形模具結(jié)構(gòu)、基本工括各種成形模具結(jié)構(gòu)、基本工 序和典形零件的工藝制定。序和典形零件的工藝制定。 概概 述述 金屬壓力加工金屬壓力加工是指固態(tài)金屬固態(tài)金

2、屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形塑性變形，獲 得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的原材料、毛坯或零件的生產(chǎn)方 法，又稱金屬塑性加工金屬塑性加工。 金屬壓力加工的基本方法金屬壓力加工的基本方法 鍛造鍛造 軋制軋制 擠壓擠壓 板料沖壓板料沖壓 第九章第九章 金屬壓力加工基礎(chǔ)金屬壓力加工基礎(chǔ) 9.1 金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)1 9.2 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 2 9.3 金屬的可鍛性金屬的可鍛性3 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 3 3、金屬可鍛性及其影響因素。、金屬可鍛性及其影響因素。 本章重點(diǎn)本章重點(diǎn) 1 1、金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)；金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)； 2 2、纖

3、維組織的形成及利用；、纖維組織的形成及利用； 9.1 9.1 金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)金屬塑性變形的實(shí)質(zhì) 一、一、 金屬的變形金屬的變形 金屬材料的塑性通常用伸長(zhǎng)率（）和斷面收縮率（）來表示。 良好的塑性是金屬材料進(jìn)行壓力加工的前提條件。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行壓力加工的前提條件。 金屬在外 力作用下 內(nèi)部產(chǎn)生 應(yīng)力應(yīng)力 使原子離開原 來的平衡位置 改變了原 子間距離 變形+原子 位能的提高 當(dāng)外力撤 消后 金屬完全恢復(fù)原 狀（彈性變形彈性變形） 當(dāng)應(yīng)力超過金 屬的屈服點(diǎn) 當(dāng)外力撤 消后 不能完全恢復(fù)， 產(chǎn)生部分永久變 形（塑性變形塑性變形） 二、二、 金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)金屬塑性變形的實(shí)質(zhì) 金屬塑性

4、變形的實(shí)質(zhì)是晶體內(nèi)部產(chǎn)生滑移晶體內(nèi)部產(chǎn)生滑移的結(jié)果。 1 1、單晶體塑性變形單晶體塑性變形 (a)(a)未變形未變形 （b b）彈性變形）彈性變形 （c c）彈塑性變形）彈塑性變形 （d d）塑性變形）塑性變形 單晶體滑移變形示意圖單晶體滑移變形示意圖 以上滑移運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于滑移面上、下兩部分晶體彼此以剛性整剛性整 體體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 近代物理學(xué)證明，實(shí)際晶體內(nèi)部存在大量缺陷，其中以位錯(cuò)位錯(cuò) 對(duì)金屬塑性變形的影響最為明顯。 （a a）未變形）未變形 （b b）位錯(cuò)變形）位錯(cuò)變形 （c c）塑性變形）塑性變形 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起塑性變形示意圖位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起塑性變形示意圖 2.2.多晶體塑性變形多晶體塑性變形

5、多晶體塑性變形示意圖多晶體塑性變形示意圖 通常使用的金屬材料大多數(shù)是多晶體多晶體，其塑性變形可以看 成是由組成多晶體的許多單個(gè)晶粒產(chǎn)生變形（晶內(nèi)變形晶內(nèi)變形）的綜 合效果。 同時(shí)，晶粒之間也有滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)（晶間變形晶間變形）。 金屬內(nèi)部有應(yīng)力就會(huì)發(fā)生彈性變形，當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度金屬內(nèi)部有應(yīng)力就會(huì)發(fā)生彈性變形，當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度 后使金屬產(chǎn)生塑性變形。后使金屬產(chǎn)生塑性變形。 一般來說，同一成分的金屬，晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度、硬度越高，一般來說，同一成分的金屬，晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度、硬度越高， 而且塑性和韌性也越好而且塑性和韌性也越好。（為什么？）（為什么？） 金屬晶粒越細(xì)，晶界強(qiáng)化區(qū)越多，金屬的強(qiáng)度越高

6、，同時(shí)晶粒越 細(xì)，晶粒間變形的不均勻性減小，變形的分散度越大，所以塑性也越好， 故晶粒細(xì)，金屬綜合機(jī)械性能好。 三、三、 金屬塑性變形的理論及假設(shè)金屬塑性變形的理論及假設(shè) 1 1、最小阻力定律、最小阻力定律 在塑性變形過程中，如果金屬質(zhì)點(diǎn)有向幾個(gè)方向移動(dòng)的可能 時(shí)，則金屬各質(zhì)點(diǎn)將向阻力最小阻力最小的方向移動(dòng)。 利用最小阻力定律可以推斷，任何形狀的物體只要有足夠的 塑性，都可以在平錘頭下鐓粗使坯料逐漸接近于圓形。這是因?yàn)?在鐓粗時(shí)，金屬流動(dòng)距離越短，摩擦阻力也越小。 2 2、塑性變形前后體積不變的假設(shè)、塑性變形前后體積不變的假設(shè)變形前物體的體變形前物體的體 積等于變形后的體積。積等于變形后的體積

7、。 9.29.2塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 9.2.1 9.2.1 金屬的加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶金屬的加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶 金屬在常溫常溫下經(jīng)過塑性變形后，內(nèi)部組織將發(fā)生變化： 晶粒間產(chǎn)生碎晶。 晶格與晶粒均發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力； 晶粒沿最大變形的方向伸長(zhǎng)； 金屬的力學(xué)性能隨其內(nèi)部組織的改變而發(fā)生明顯變化。 常溫下塑性變形對(duì)低碳鋼力學(xué)性能的影響常溫下塑性變形對(duì)低碳鋼力學(xué)性能的影響 由于滑移面上的 碎晶塊和附近晶 格的強(qiáng)烈扭曲， 增大了滑移阻力， 使繼續(xù)滑移難以 進(jìn)行。 在冷變形冷變形時(shí)，隨變形程度增大，金屬材料的強(qiáng)度和硬度上升 而塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱為冷變

8、形強(qiáng)化，又稱加工硬化加工硬化。 加工硬化是一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，具有自發(fā)地回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的 傾向。 當(dāng)提高溫度時(shí)，原子因獲得熱能，熱運(yùn)動(dòng)加劇，使原子排列 回復(fù)到正常狀態(tài)，從而消除了晶格扭曲，致使加工硬化得到部分部分 消除 ，這種現(xiàn)象稱為回復(fù)回復(fù)。 回復(fù)不改變晶粒形狀，這一溫度稱為回復(fù)溫度，即 T T回 回 (0.25(0.250.3)0.3) T T熔 熔 （a a）塑性變形后的組織）塑性變形后的組織 （b b）金屬回復(fù)后的組織）金屬回復(fù)后的組織 （c c）再結(jié)晶組織）再結(jié)晶組織 金屬的回復(fù)和再結(jié)晶示意圖金屬的回復(fù)和再結(jié)晶示意圖 當(dāng)溫度繼續(xù)升高到該金屬熔點(diǎn)（絕對(duì)溫度）的0.4倍時(shí)，金屬 原子獲得更多

9、的熱能，開始以某些碎晶或雜質(zhì)碎晶或雜質(zhì)為核心，按變形前 的晶格結(jié)構(gòu)結(jié)晶成新的晶粒，這一過程稱為再結(jié)晶再結(jié)晶。 再結(jié)晶可以完全完全消除塑性變形所引起的冷變形強(qiáng)化，并使晶 粒細(xì)化，改善力學(xué)性能。 再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度T T再 再 0.40.4 T T熔 熔 利用金屬的加工硬化可提高金屬的強(qiáng)度和硬度，這是工業(yè)生產(chǎn)中強(qiáng) 化金屬材料的一種重要手段，尤其是一些不能通過熱處理方法強(qiáng)化的金屬 ，可以通過冷軋，冷擠壓，冷拔和冷沖壓冷軋，冷擠壓，冷拔和冷沖壓方法，在變形的同時(shí)提高其強(qiáng) 度和硬度。 冷軋帶鋼冷軋帶鋼 冷軋（拔）精密無縫鋼管冷軋（拔）精密無縫鋼管 冷沖壓模具冷沖壓模具 但在壓力加工生產(chǎn)中，加工硬化給金

10、屬繼續(xù)進(jìn)行塑性變形帶來 因難，應(yīng)加以消除。在實(shí)際生產(chǎn)中，常采用加熱的方法使金屬發(fā)生 再結(jié)晶，從而再次獲得良好塑性。這種工藝操作稱為再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火。 鋼絲反復(fù)變形強(qiáng)度和塑性的變化鋼絲反復(fù)變形強(qiáng)度和塑性的變化 加工硬化與再結(jié)晶加工硬化與再結(jié)晶 9.2.2 9.2.2 冷變形與熱變形冷變形與熱變形 由于金屬在不同溫度下變形對(duì)其組織和性能的影響不同，因此 金屬的塑性變形分為冷變形冷變形和熱變形熱變形兩種。 一、冷變形一、冷變形 在再結(jié)晶溫度以下的變形叫冷變形冷變形。 工業(yè)生產(chǎn)中的板料沖壓、冷軋、冷拔、 冷擠壓都屬于冷變形。 在再結(jié)晶溫度以上的變形叫熱變形熱變形。 變形過程中無再結(jié)晶現(xiàn)象，變形后的

11、金 屬具有加工硬化現(xiàn)象，所以冷變形的變形程 度一般不宜過大，以避免產(chǎn)生破裂。 二、熱變形二、熱變形 熱變形時(shí)加工硬化和再結(jié)晶現(xiàn)象會(huì)同時(shí) 出現(xiàn)，不過加工硬化過程隨時(shí)被再結(jié)晶過程 消除。所以變形后具有再結(jié)晶組織，無加工 硬化現(xiàn)象。 9.2.3 9.2.3 纖維組織變化纖維組織變化 金屬壓力加工生產(chǎn)采用的最初坯料是鑄錠。 變形前原始組織變形前原始組織 將鑄錠加熱進(jìn)行壓力加工后，由于金屬經(jīng)過塑性變形及再結(jié) 晶，從而改變了粗大的鑄造組織，獲得細(xì)化的再結(jié)晶組織。 鑄錠在壓力加工中產(chǎn)生塑性變形時(shí)，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界 分布的雜質(zhì)形狀都發(fā)生了變形，它們都將沿著變形方向變形方向被拉長(zhǎng)，呈纖維 形狀。這種結(jié)

12、構(gòu)叫纖維組織纖維組織。 變形后纖維組織變形后纖維組織 纖維組織使金屬在性能上具有了方向性具有了方向性 。纖維組織越明顯，金屬 在縱向(平行纖維方向)上塑性和韌性提高，而在橫向(垂直纖維方向) 上塑性和韌性降低。 纖維組織的明顯程度與金屬的變形程度有關(guān)。 變形程度越大，纖維組織越明顯。壓力加工過程中，常用鍛造 比(y)來表示變形程度。 拔長(zhǎng)時(shí)的鍛造比拔長(zhǎng)時(shí)的鍛造比為為 y拔 拔=A0/A 鐓粗時(shí)的鍛造比為鐓粗時(shí)的鍛造比為 y鐓 鐓=H0/H 纖維組織的穩(wěn)定性很高，不能用熱 處理方法加以消除，只有經(jīng)過鍛壓使金 屬變形，才能變其方向和形狀。 （a a）切削加工制造的螺釘）切削加工制造的螺釘 （b b

13、）局部鐓粗制造的螺釘）局部鐓粗制造的螺釘 使纖維分布與零件的輪廓相符合而不使纖維分布與零件的輪廓相符合而不 被切斷；被切斷； 使零件所受的最大拉應(yīng)力與纖維方使零件所受的最大拉應(yīng)力與纖維方 向一致，最大切應(yīng)力與纖維方向垂直。向一致，最大切應(yīng)力與纖維方向垂直。 纖維組織的利用原則：纖維組織的利用原則： 9.3 9.3 金屬的可鍛性金屬的可鍛性 金屬的可鍛性可鍛性是指材料在鍛造過程中經(jīng)受塑性變形而不開裂 的能力。 可鍛性常用金屬的塑性塑性和變形抗力變形抗力來綜合衡量。塑性越好， 變形抗力越小，則金屬的可鍛性好。反之則差。 金屬的可鍛性取決于金屬的本質(zhì)金屬的本質(zhì)（內(nèi)因）和加工條件加工條件（外因）。 9

14、.3.1 9.3.1 金屬的本質(zhì)金屬的本質(zhì) （內(nèi)因）（內(nèi)因） 1、化學(xué)成分的影響 純金屬的可鍛性比合金的可鍛性好。 鋼中合金元素含量越多，合金成分越復(fù)雜，其塑性越差，變形抗力越大。 例如純鐵、低碳鋼和高合金鋼，它們的可鍛性是依次下降的。例如純鐵、低碳鋼和高合金鋼，它們的可鍛性是依次下降的。 2、金屬組織的影響 純金屬及單一固溶體組成的合金（如奧氏體）的可鍛性好；碳化 物（如滲碳體）的可鍛性差。 鑄態(tài)柱狀組織和粗晶粒結(jié)構(gòu)不如晶粒細(xì)小而又均勻組織的可鍛性好。 9.3.2 9.3.2 加工條件（外因）加工條件（外因） 一、變形溫度的影響一、變形溫度的影響 在一定的變形溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，原子動(dòng)

15、能升高，從而 塑性提高，變形抗力減小，有效改善了可鍛性。 若加熱溫度過高，晶粒急劇長(zhǎng)大， 金屬力學(xué)性能降低，這種現(xiàn)象稱為 “過熱過熱”。若加熱溫度更高接近熔點(diǎn)， 晶界氧化破壞了晶粒間的結(jié)合，使金 屬失去塑性，坯料報(bào)廢，這一現(xiàn)象稱 為“過燒過燒”。 鍛造溫度范圍系指始鍛溫度始鍛溫度（開 始鍛造的溫度）和終鍛溫度終鍛溫度（停止鍛 造的溫度）間的溫度區(qū)間。 二、變形速度的影響二、變形速度的影響 變形速度即單位時(shí)間的變形程度 ，它對(duì)可鍛性的影響是矛盾的。 一方面由于變形速度的增大，回復(fù)和再結(jié)晶不能及時(shí)克服加工 硬化現(xiàn)象，金屬則表現(xiàn)出塑性下降、變形抗力增大，可鍛性變壞。 另一方面，金屬在變形過程中，消耗

16、于塑性變形的能量有一部分 轉(zhuǎn)化為熱能，使金屬溫度升高(稱為熱效應(yīng)現(xiàn)象)。變形速度越大，熱 效應(yīng)現(xiàn)象越明顯，使金屬的塑性提高、變形抗力下降，可鍛性變好。 三、應(yīng)力狀態(tài)的影響三、應(yīng)力狀態(tài)的影響 金屬在經(jīng)受不同方法變形時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)力性質(zhì)（壓應(yīng)力或拉 應(yīng)力）和大小是不同的。 擠壓時(shí)金屬應(yīng)力狀態(tài)擠壓時(shí)金屬應(yīng)力狀態(tài) 拉拔時(shí)金屬應(yīng)力狀態(tài)拉拔時(shí)金屬應(yīng)力狀態(tài) 三向受壓三向受壓 兩向受壓兩向受壓 一向受拉一向受拉 實(shí)踐證明：實(shí)踐證明：三個(gè)方向的應(yīng)力中，壓應(yīng)力的數(shù)目越多，則金屬的塑 性越好；拉應(yīng)力的數(shù)目越多，則金屬的塑性越差。 但壓應(yīng)力使金屬內(nèi)部摩擦阻力增大，變形抗力亦隨之增大，所以拉 拔加工比擠壓加工省力。 因此，在選擇加工方法時(shí)