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材料成型理論基礎(chǔ)1第1頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月塑性:金屬材料在外力的作用下發(fā)生永久變形而不破壞的能力;塑性成形:利用金屬的塑性,在外力作用下使金屬發(fā)生塑性變形,從而獲得所需形狀和性能的工件的一種加工方法,又稱塑性加工或壓力加工;應(yīng)用:金屬塑性加工在汽車、拖拉機(jī)、船舶、兵器、航空和家用電器等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。如:汽車的大梁和覆蓋件是沖壓成形的,曲軸、連桿和齒輪的毛坯是鍛造成形的。與其他加工方法相比,金屬塑性成形有如下優(yōu)點(diǎn):第一節(jié)概述一、金屬塑性成形的特點(diǎn)2第2頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月金屬塑性成形優(yōu)點(diǎn)生產(chǎn)效率高,適用于大批量生產(chǎn),使用模具生產(chǎn)改善了金屬的組織和結(jié)構(gòu),使組織致密,纖維組織分布合理;材料利用率高:少無切削加工尺寸精度高:精密鍛造、精密擠壓、精密沖裁零件幾乎可直接使用3第3頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月切削加工螺釘局部鐓粗加工螺釘4第4頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月二、塑性成形工藝的分類

體積成形

板料成形熱加工:再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性加工冷加工:回復(fù)和再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的加工介于兩者之間的則是溫?zé)岢尚?,如溫?cái)D壓、溫鍛等。5第5頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月體積成形1.鍛造在塑性成形過程中靠體積的轉(zhuǎn)移和重新分配來實(shí)現(xiàn)成形。自由鍛造開式模鍛閉式模鍛高徑比對(duì)鐓粗變形的影響6第6頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月2.軋制

金屬坯料在兩個(gè)回轉(zhuǎn)軋輥之間受壓產(chǎn)生連續(xù)變形而形成各種產(chǎn)品的成形工藝稱為軋制。生產(chǎn)板材、管材、型材7第7頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月3.拉拔

金屬坯料拉過拉拔模的??锥冃蔚某尚喂に嚪Q為拉拔。生產(chǎn)棒材、線材、管材8第8頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月4.擠壓

金屬坯料在擠壓模內(nèi)受壓被擠出??锥冃蔚某尚喂に嚪Q為擠壓。適用于塑性較差的材料的成形9第9頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月板料成形1.分離工序:稱為沖壓:落料、沖孔、彎曲、拉深等落料和沖孔2.成形工序:拉深和彎曲10第10頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月

由于飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和導(dǎo)彈等的結(jié)構(gòu)承載與功能特點(diǎn),鈑金結(jié)構(gòu)件在航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用,如飛機(jī)壁板、導(dǎo)彈殼體、導(dǎo)彈舵翼面及發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等。據(jù)統(tǒng)計(jì),塑性加工零件占整架飛機(jī)零件總重的40%,加工工時(shí)占全機(jī)重量的10%,其數(shù)量在戰(zhàn)斗機(jī)中超過1萬件,在轟炸機(jī)中超過4萬件,大型運(yùn)輸機(jī)和干線客機(jī)中則達(dá)6萬件之多。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)飛行器對(duì)可靠性、效費(fèi)比及服役性能等提出了更高的要求。一方面,鈑金結(jié)構(gòu)件的整體化和復(fù)雜化趨勢(shì)越來越明顯,新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn);另一方面,新材料的應(yīng)用也呈增加的趨勢(shì),如鈦合金、鋁合金及鋁鋰合金等。11第11頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月2006年,我國(guó)鍛壓件產(chǎn)量達(dá)340萬噸,已經(jīng)成為世界鍛壓業(yè)的大國(guó),但在主要指標(biāo)方面與世界先進(jìn)國(guó)家的差距還很明顯。在鍛件的類別方面,我國(guó)的模鍛件占65%,自由鍛件占35%;而世界上鍛壓業(yè)最先進(jìn)的國(guó)家日本的模鍛件占總量的82.6%,自由鍛件僅占5.5%;并且日本在模鍛件中冷鍛件占5.8%,鋁鍛件占1.9%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國(guó)的水平。在勞動(dòng)生產(chǎn)率方面,日本的全員勞動(dòng)生產(chǎn)率為175噸/人·年,我國(guó)最具代表性的汽車鍛造公司該指標(biāo)為50噸/人·年,而行業(yè)平均水平僅為17噸/人·年左右。模具的壽命方面,我國(guó)熱鍛模壽命一般在4000~6000件,國(guó)外則在10000~15000件的水平,是我國(guó)的2.5倍左右。12第12頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月2007年3月,我國(guó)宣布啟動(dòng)大飛機(jī)工程。據(jù)統(tǒng)計(jì),一個(gè)常規(guī)的飛機(jī)項(xiàng)目可直接帶動(dòng)600家企業(yè)的發(fā)展,間接帶動(dòng)2500余家企業(yè)發(fā)展。

2008年l0月.與大飛機(jī)工程配套的大型模鍛液壓機(jī)項(xiàng)目——蘇州昆侖先進(jìn)制造技術(shù)裝備有限公司正式落戶周市鎮(zhèn)。該公司將聯(lián)合清華大學(xué)等機(jī)構(gòu),整合各方資源.設(shè)計(jì)制造世界最大的l0萬t大型模鍛液壓機(jī)。這一項(xiàng)目標(biāo)志著昆山市裝備制造業(yè)發(fā)展掀開新的篇章。將改變世界航天航空業(yè)大型鍛件生產(chǎn)格局此項(xiàng)目將極大提升我國(guó)航空關(guān)鍵零部件的制造能力,使我國(guó)大型航空鍛件的生產(chǎn)水平得到質(zhì)的提升,并將改變世界航空大型鍛件生產(chǎn)格局。13第13頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月薄壁曲面零件的鍛造成形工藝附加圖1薄壁曲面零件鍛造成形模具三維造型(a)成形凹模(b)成形凸模附加圖2薄壁曲面零件鍛造成形產(chǎn)品(國(guó)防科工委基礎(chǔ)科研項(xiàng)目“武器零件毛坯精化技術(shù)”)每片零件與機(jī)械加工件相比,節(jié)約材料60%以上,并省掉了大量的機(jī)械加工工序。(1)下料→(2)噴丸→

(3)鍛造成形→

(4)潤(rùn)滑→(5)切邊→(6)整形。14第14頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月

航空、航天、能源工業(yè)采用的鍛件材料大多是高強(qiáng)度的合金鋼和各種特殊合金。在航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中大量用了鈦合金和高溫合金,在新型殲擊機(jī)上鈦合金用量增到40%。這些材料的大量應(yīng)用對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比,提高飛機(jī)的飛行速度和戰(zhàn)斗特性都起到了特別重要的作用。然而,鈦合金和高溫合金都是價(jià)格昂貴的金屬材料,又是屬難加工的類型。在發(fā)動(dòng)機(jī)中鍛件的金屬利用率只有10-20%,飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中甚至低于10%,造成大量金屬的浪費(fèi),使毛坯價(jià)格很高。這些特殊合金的機(jī)械加工性能也特別差,機(jī)加工費(fèi)用也特別高,使成品零件的價(jià)格極其昂貴。熱模/等溫精密鍛造技術(shù)15第15頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月TC17整體葉盤TA19機(jī)匣TC4支架附加圖3大型鍛件(投影面積大于0.3m2)熱模/等溫精密鍛造技術(shù)成形產(chǎn)品16第16頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月汽車覆蓋件的制作采用傳統(tǒng)沖壓成形需要大型沖壓設(shè)備生產(chǎn)線和成套模具,不僅投資巨大,而且模具制造周期長(zhǎng),不利于車型的更新?lián)Q代。由吉林大學(xué)教授李明哲博士創(chuàng)造的世界上第1臺(tái)商用板材無模多點(diǎn)成形壓力機(jī)10min可以“克隆”出人的臉,當(dāng)然成形汽車覆蓋件就更不在話下了。附加圖4為我國(guó)自行研制多點(diǎn)成形工業(yè)機(jī)。板料無模多點(diǎn)成形附加圖4我國(guó)自行研制多點(diǎn)成形工業(yè)機(jī)的人臉模擬成形17第17頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月SPF/DB技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的典型實(shí)例18第18頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)金屬在冷態(tài)下的塑性變形一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織

多數(shù)金屬材料是由兩種或兩種以上金屬組成的合金。通過合金化使得金屬的力學(xué)性能在很大程度上和很大范圍內(nèi)發(fā)生改變。塑性成形的金屬絕大部分是多晶體。多晶體由許多結(jié)晶方向和不同的晶粒組成,晶粒之間存在晶界。每個(gè)晶粒的大小、形態(tài)、結(jié)構(gòu)和成分不同、內(nèi)部的結(jié)晶學(xué)取向不同,相鄰晶粒彼此的位向不同,稱為亞晶結(jié)構(gòu)。晶界表現(xiàn)出許多與晶粒內(nèi)部不同的性質(zhì),如:室溫是晶界的強(qiáng)度和硬度高于晶內(nèi),而高溫時(shí)則相反;晶界中原子的擴(kuò)散速度比晶內(nèi)快得多;晶界的熔點(diǎn)低于晶內(nèi);晶界容易被腐蝕等。19第19頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月正由于晶界和晶內(nèi)有這些不同的性質(zhì),在研究晶體的塑性變形時(shí),要分別研究晶粒內(nèi)部的變形和晶界的變形。圖12-2多晶體示意圖20第20頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月二、金屬冷態(tài)下的塑性變形機(jī)理(一)晶內(nèi)變形晶內(nèi)變形的主要方式是滑移和孿生。其中,以滑移為主。晶體在外力作用下,晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生相對(duì)移動(dòng)或切變。這些晶面和晶向稱之為滑移面和滑移方向,如圖12-3所示。滑移的結(jié)果使大量的原子逐步發(fā)生遷移,從而產(chǎn)生宏觀的塑性變形。一般地,滑移總是沿著原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生,因?yàn)樵用芏茸畲蟮木?,原子之間的間距小,原子間的結(jié)合力強(qiáng);晶面之間的距離較大,晶面與晶面之間的結(jié)合力較弱,滑移阻力相對(duì)較小。圖12-3滑移面和滑移方向1.滑移21第21頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月如圖12-4所示。F為作用于晶體上的外力,A0為正截面面積,σ是該截面上的正應(yīng)力,滑移面的法線方向與外力的作用方向成夾角φ

。滑移面面積為A1,滑移方向與外力的作用成夾角

λ

。由于滑移面的面積與正截面的面積關(guān)系是A1=A0/cosφ

,則滑移面上的軸向應(yīng)力為σ1=σcosφ

,它在滑移方向的切應(yīng)力分量為τ=σcosφcosλ圖12-4滑移面上的切應(yīng)力分析22第22頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)拉應(yīng)力σ值一定時(shí),一個(gè)滑移系上的切應(yīng)力時(shí)受角度φ和λ決定的。令μ

=cosφcosλ,,稱為取向因子。可見,滑移系上的切應(yīng)力分量取決于取向因子μ,μ越大,作用的切應(yīng)力分量越大。只有在φ=λ=45°時(shí),切應(yīng)力達(dá)到其最大值

τ

max=σ

/2。這意味著滑移系處于最佳取向,其上的切應(yīng)力分量最有利于優(yōu)先達(dá)到臨界值而產(chǎn)生滑移。通常把μ

=0.5或接近0.5的取向稱為軟取向,而把

μ

=0或接近0的取向稱為硬取向。取向因子μ

=0,切應(yīng)力分量τ

=0,這時(shí)不可以滑移。圖12-4滑移面上的切應(yīng)力分析23第23頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月對(duì)多晶體而言,各晶粒的取向不同,只有處于軟取向的滑移面才能最先滑移,而處于硬取向的滑移面難以發(fā)生滑移。正是由于各晶粒取向不同,晶內(nèi)滑移不僅受到晶界的阻礙,而且還受到周圍難以滑移晶粒的阻礙。對(duì)于多晶體的晶內(nèi)變形,滑移面和滑移方向也存在著向一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì),以力求保持內(nèi)部的平衡。但由于受晶界和相鄰晶粒的影響,這種轉(zhuǎn)動(dòng)是復(fù)雜的。轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果是使原來任意取向的晶粒逐漸趨于一致。24第24頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月孿生變形需要達(dá)到一定的臨界切應(yīng)力值方可發(fā)生。在常溫下其值要比滑移的臨界切應(yīng)力大得多。所以,滑移是優(yōu)先發(fā)生的變形方式。只有在很低的溫度下,孿生的臨界切應(yīng)力比滑移的臨界切應(yīng)力低,這時(shí),孿生才有可能發(fā)生。在多晶體內(nèi),孿生變形是及其次要的一種補(bǔ)充變形方式。2.孿生25第25頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月(二)晶間變形晶間變形的主要方式是晶粒間發(fā)生相互滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

多晶體中各晶粒的位向不同,受外力作用時(shí),那些位向有利的晶粒中取向因子最大的滑移系上分切應(yīng)力首先達(dá)到臨界應(yīng)力而發(fā)生滑移。位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)到晶界。相鄰晶粒的位向不同,滑移系也不同,使得位錯(cuò)難以越過晶界而在晶界附近形成塞積,如圖12-5所示。那些在滑移面兩端形成的符號(hào)相反的位錯(cuò)塞積群會(huì)形成很強(qiáng)的應(yīng)力場(chǎng),它越過晶界作用到相鄰的晶粒上,這個(gè)附加應(yīng)力與外力的應(yīng)力一起,最終使某些取向因子較小的滑移系的位錯(cuò)源開動(dòng)起來參與滑移。越來越多的晶粒參與塑性變形,塑性變形越來越大。圖12-5多晶體的滑移26第26頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月在外力作用下,沿晶界處可能產(chǎn)生切應(yīng)力。當(dāng)此切應(yīng)力足以克服晶粒間相對(duì)滑動(dòng)的阻力時(shí),晶粒間開始發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。由于晶界具有一定的厚度,當(dāng)晶粒間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí),處于它們中間的晶界必然在相當(dāng)厚度區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生切變形。同時(shí)由于各晶粒所處的位向不同,產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的難易程度不同,這樣,在相鄰晶粒之間可能產(chǎn)生一對(duì)力偶,從而造成晶粒間的相互轉(zhuǎn)動(dòng),如圖12-6所示。圖12-6晶粒之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)27第27頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月多晶體金屬塑性變形的特點(diǎn)晶粒間變形的相互協(xié)調(diào)性變形的不均勻性滑移系因素滑移條件和晶界因素

晶界存在阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),因此,多晶體的晶粒越細(xì),單位體積內(nèi)的晶界越多,滑移在相鄰晶粒內(nèi)的傳播所消耗的能量越多,其外在表現(xiàn)為塑性變形的抗力大,金屬的強(qiáng)度高。另外,晶粒越細(xì)小,金屬的塑性越好。因?yàn)樵谝欢ǖ捏w積內(nèi),位向有利的晶粒越多,變形能比較均勻地分散在各個(gè)晶粒上。細(xì)晶粒金屬還不容易發(fā)生裂紋,發(fā)生裂紋后也不容易擴(kuò)展,因?yàn)閿嗔堰^程中要吸收更多的能量,即外力要做更大的功,所以細(xì)晶粒金屬的韌性也較高。細(xì)晶的優(yōu)點(diǎn)28第28頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月三、合金的塑性變形合金的相結(jié)構(gòu)固溶體化合物鋼中的F、銅鋅合金的α相鋼中的Fe3C,銅鋅合金中的β相常見的合金組織有單相固溶體合金、兩相或多相合金兩大類,它們的塑性變形特點(diǎn)不相同。29第29頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月單相固溶體合金的塑性變形與多晶體純金屬相似,也是滑移和孿生,變形時(shí)同樣受到相鄰晶粒的影響。但溶質(zhì)原子溶入后,這種異類原子必然對(duì)金屬的變形行為產(chǎn)生影響,使合金強(qiáng)度、硬度提高而塑性、韌性下降。這種現(xiàn)象叫做固溶強(qiáng)化,是由溶質(zhì)原子阻礙金屬中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起的。(一)單相固溶體合金的塑性變形(二)多相合金的塑性變形大多數(shù)合金材料,除基體相外,還有其他相存在,即兩相或多相合金。通過合金中的第二相,使合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化。一般工業(yè)合金中很多是由固溶體和金屬間化合物構(gòu)成的兩相合金。固溶體作為基體相,塑性較好,金屬間化合物一般以脆性相存在,硬而脆,難以變形。因此,合金的塑性變形很大程度上取決于第二相的數(shù)量、形狀、大小和分布的形態(tài)。但是從變形機(jī)理來說,仍然是滑移和孿生。30第30頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月兩相合金根據(jù)其第二相粒子的尺寸與分布分為兩類。如下圖12-8所示。圖12-8兩相合金的顯微組織a)聚合型b)彌散型31第31頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月彌散型兩相合金中,第二相質(zhì)點(diǎn)可以通過對(duì)過飽和固溶體的沉淀析出獲得,也可以用粉末冶金方法獲得。彌散強(qiáng)化的第二相粒子對(duì)位錯(cuò)阻礙作用可以通過圖12-9來說明。圖12-9位錯(cuò)繞過第二相粒子的過程彌散強(qiáng)化32第32頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月四、冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響1.晶粒形狀發(fā)生改變拉拔和軋制時(shí),晶粒都會(huì)沿著軸向即變形延伸方向拉長(zhǎng)。當(dāng)變形量很大時(shí),就形成纖維狀組織,圖12-10。當(dāng)金屬中含有夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí),他們會(huì)沿變形方向拉成細(xì)帶狀(塑性雜質(zhì))或碾成鏈狀(脆性雜質(zhì))。(一)對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響多晶體金屬經(jīng)冷塑性變形后,在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶和孿生帶,同時(shí)晶粒的外形發(fā)生變化,晶粒的位向也發(fā)生改變。圖12-10變形前后的晶粒形狀a)變形前b)變形后33第33頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月2.晶粒位向發(fā)生改變多晶體塑性變形后晶粒的位向發(fā)生改變,形成織構(gòu)。因?yàn)樵谧冃螘r(shí)晶粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),那些在變形前位向無序的晶粒,在經(jīng)過很大變形后,取向逐漸趨于一致,形成擇優(yōu)取向的組織,稱為變形織構(gòu)。當(dāng)然,這只是一種“趨向”性行為,隨著變形程度的增加,趨向于這種取向的晶粒就越多,金屬的織構(gòu)特征也就越明顯。由于織構(gòu)的形成,使金屬的性能表現(xiàn)出各向異性。一個(gè)典型的例子是,深拉延用的鋼板是經(jīng)軋制生產(chǎn)的,沿軋制方向表現(xiàn)出很強(qiáng)的織構(gòu)性,沿不同的方向表現(xiàn)出不同的伸長(zhǎng)率,用這種板材下料的圓形毛坯拉成筒形件后,口部不平齊,在與軋制方向成45°方向上形成明顯的“制耳”。34第34頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月圖12-11表示拉拔形成的絲織構(gòu)現(xiàn)象;圖12-12表示板材經(jīng)軋制后形成的板織構(gòu)現(xiàn)象。圖12-11拉拔形成的絲織構(gòu)a)拉拔前b)拉拔后圖12-12軋制形成的板織構(gòu)a)軋制前b)軋制后35第35頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月(二)對(duì)金屬性能的影響

塑性變形改變了金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu),因而改變了金屬的力學(xué)性能。隨著變形程度的增加,金屬的強(qiáng)度、硬度增加,而塑性和韌性相應(yīng)下降。圖12-13所示為冷拔45號(hào)鋼的力學(xué)性能指標(biāo)與變形程度的關(guān)系。從圖中可以看出,隨著變形程度的增加,金屬的強(qiáng)度和硬度增加,而塑性指標(biāo)下降。在常溫狀態(tài)下,金屬的流動(dòng)應(yīng)力隨變形程度的增加而上升。為了使變形繼續(xù)下去,就需要增加變形外力或變形功。這種現(xiàn)象稱為加工硬化。一方面,它能提高金屬的強(qiáng)度,人們用它來作為強(qiáng)化金屬的一種手段;另一方面,它又增加了變形的困難,提高了變形抗力,甚至降低了金屬的塑性。對(duì)于需多道次加工的金屬,需要在中間變形階段進(jìn)行退火來消除加工硬化。圖12-1345鋼的力學(xué)性能與變形程度的關(guān)系36第36頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月

加工硬化既是金屬塑性變形的特征,也是強(qiáng)化金屬的重要手段。通過軋制、擠壓等加工工藝,可以明顯提高工件的強(qiáng)度,還能改善金屬纖維的分布,有利于提高金屬的綜合機(jī)械性能。對(duì)于不能用熱處理工藝強(qiáng)化的金屬材料,可以通過冷變形強(qiáng)化來提高它的強(qiáng)度。例如,制造發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)的高錳奧氏體無磁鋼(40Mn18Cr3,40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN等),在加熱過程中無相變,無法通過淬火提高其強(qiáng)度,但可以采用冷變形強(qiáng)化的手段,如液壓脹形、芯軸擴(kuò)孔、爆炸變形強(qiáng)化等方法來提高其力學(xué)性能。作業(yè)37第37頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)金屬的熱塑性變形一、熱塑性變形時(shí)金屬的軟化過程二、熱塑性變形機(jī)理三、雙相合金熱塑性變形的特點(diǎn)四、熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響

在熱塑性變形過程中,回復(fù)、再結(jié)晶與加工硬化同時(shí)發(fā)生,加工硬化不斷被回復(fù)和再結(jié)晶所抵消,而使金屬處于高塑性、低變形抗力的軟化狀態(tài)。38第38頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月一、熱塑性變形時(shí)金屬的軟化過程1.靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶2.動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶3.亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶4.熱塑性變形后的軟化過程軟化過程與變形溫度、應(yīng)變速度、變形程度和金屬本身的性質(zhì)有關(guān)。主要有:39第39頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月1.靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大1)對(duì)性能的影響2)特點(diǎn)及應(yīng)用40第40頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月2)特點(diǎn)及應(yīng)用回復(fù)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大發(fā)生溫度較低溫度較高溫度更高溫度轉(zhuǎn)變機(jī)制原子活動(dòng)能量小,空位移動(dòng)使晶格扭曲恢復(fù)。位錯(cuò)短程移動(dòng),適當(dāng)集中形成規(guī)則排列原子擴(kuò)散能力大,新晶粒在嚴(yán)重畸變組織中形核和生長(zhǎng),直至畸變晶粒完全消失,但無晶格類型轉(zhuǎn)變新生晶粒中大晶粒吞并小晶粒,晶界位移組織變化金相顯微鏡下觀察組織無變化。宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力有較大下降形成新的等軸晶粒,有時(shí)還產(chǎn)生再結(jié)晶織構(gòu),位錯(cuò)密度大大下降晶粒明顯長(zhǎng)大性能變化強(qiáng)度、硬度略有下降,塑性略有上升,電阻率明顯下降強(qiáng)度、硬度明顯下降,加工硬化基本消除。塑性上升使性能惡化,塑性明顯下降應(yīng)用說明去應(yīng)力退火工藝,一般只有回復(fù)轉(zhuǎn)變?cè)俳Y(jié)晶退火可消除加工硬化效果,消除組織各向異性應(yīng)在工藝處理過程中防止產(chǎn)生41第41頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月2.動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)態(tài)回復(fù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在熱加工形變過程中伴隨的回復(fù)和再結(jié)晶過程,稱為動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶42第42頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月3)組織變化1)動(dòng)態(tài)回復(fù)使異號(hào)位錯(cuò)相互抵消,結(jié)果是位錯(cuò)密度下降,畸變能降低,但達(dá)不到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的能量水平。所以動(dòng)態(tài)回復(fù)是層錯(cuò)能高的金屬熱變形過程中唯一的軟化機(jī)制。發(fā)生在熱塑性變形過程中,對(duì)軟化金屬有重要的作用;通過位錯(cuò)的攀移、交滑移來實(shí)現(xiàn)的;纖維組織為沿變形方向拉長(zhǎng)的晶粒,其亞結(jié)構(gòu)保持等軸狀。動(dòng)態(tài)回復(fù)后金屬的位錯(cuò)密度高于相應(yīng)的冷變形后靜態(tài)回復(fù)的密度,而亞晶粒的尺寸要比冷變形后經(jīng)靜態(tài)回復(fù)的亞晶粒小。4)高溫形變熱處理當(dāng)金屬高溫變形時(shí),只發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù),其組織仍為亞晶狀組織,金屬中的位錯(cuò)密度還很高,利用此點(diǎn)對(duì)金屬進(jìn)行高溫變形熱處理,以獲得變形強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化的雙重效果,獲得比單獨(dú)進(jìn)行熱處理和單獨(dú)進(jìn)行變形強(qiáng)化更好的綜合力學(xué)性能。43第43頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月2)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶塑性變形過程中,層錯(cuò)能低的金屬在變形量很大時(shí)才可能發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;金屬越純,發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的能力越強(qiáng);溶質(zhì)原子固溶于金屬基體,彌散的第二相粒子,都會(huì)嚴(yán)重阻礙晶界的遷移,減緩或遏制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行;降低變形溫度、提高變形速度和變形程度,會(huì)使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的晶粒變細(xì)。44第44頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)用Q345C鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型圖45第45頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月3.亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在金屬熱塑性變形過程中,除了發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶外,還發(fā)生亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,——在熱變形的間歇或變形之后,利用金屬的高溫余熱進(jìn)行的再結(jié)晶;如圖為熱軋和熱擠壓時(shí)的動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程和靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶過程:46第46頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月A)高層錯(cuò)能金屬熱軋變形程度較小時(shí)(50%)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù),脫離變形區(qū)后發(fā)生靜態(tài)回復(fù);B)低層錯(cuò)能金屬熱軋變形程度較小時(shí)(50%)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和靜態(tài)回復(fù),同時(shí)發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶,使晶粒細(xì)化;47第47頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月C)高層錯(cuò)能金屬熱擠壓變形程度很大時(shí)(99%)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù),脫離變形區(qū)后發(fā)生靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶;D)低層錯(cuò)能金屬熱擠壓變形程度很大時(shí)(99%)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,離開變形區(qū)后發(fā)生亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;48第48頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月4.熱塑性變形后的軟化過程金屬在熱變形后仍然處于高溫狀態(tài),一般會(huì)發(fā)生如下三種軟化過程:1)靜態(tài)回復(fù)金屬熱變形時(shí),除發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶外,會(huì)形成亞晶組織,處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài),如變形程度不大,在變形停止后,會(huì)發(fā)生靜態(tài)回復(fù);2)靜態(tài)再結(jié)晶如變形程度較大,并且溫度仍處于再結(jié)晶溫度以上,會(huì)發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶;3)亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在熱變形過程中,已經(jīng)形成、但尚未長(zhǎng)大的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶核,以及雖已長(zhǎng)大但中途被遺留下來的再結(jié)晶晶粒,當(dāng)變形終止后而溫度又足夠高時(shí),這些晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大。進(jìn)行迅速,不需要形核時(shí)間。4)特點(diǎn)上述三種軟化過程均與熱變形時(shí)的變形溫度、變形速度、變形程度、材料成分和層錯(cuò)能高低有關(guān)??刂平饘僮冃魏蟮睦鋮s速度,就是抑制靜態(tài)軟化過程,可有目的的控制金屬的力學(xué)性能49第49頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月二、熱塑性變形機(jī)理1.晶內(nèi)滑移2.晶內(nèi)孿生3.晶界滑移4.擴(kuò)散蠕變金屬熱塑性變形機(jī)理主要有以下幾種:晶內(nèi)滑移是主要的方式;孿生多發(fā)生在高溫高速變形時(shí);晶界滑移和擴(kuò)散蠕變只發(fā)生在高溫變形時(shí)50第50頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月三、雙相合金熱塑性變形的特點(diǎn)1.彌散型雙相合金2.聚合型雙相合金第二相粒子不僅對(duì)基體相產(chǎn)生影響,還會(huì)影響再結(jié)晶。對(duì)形核的影響:粒子附近產(chǎn)生位錯(cuò)塞積,有利于形核;粒子直徑和間距較小而彌散分布時(shí)不利于形象對(duì)晶粒長(zhǎng)大的影響:粒子對(duì)晶界的釘扎作用,阻礙晶粒長(zhǎng)大。變形大的相,容易在相界和相內(nèi)形核,晶粒較??;變形小的相,晶核只在相界旁產(chǎn)生,晶粒較大;并且金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)不均勻,產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力,降低了合金的塑性。51第51頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月四、熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響金屬熱塑性變形對(duì)組織和性能的影響主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):改善晶粒組織鍛合內(nèi)部缺陷形成纖維狀組織改善碳化物和夾雜物分布改善偏析52第52頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月1.改善晶粒組織1)晶粒越細(xì)越均勻,金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性指標(biāo)越高;2)對(duì)于鑄態(tài)金屬,粗大的樹枝狀晶??赏ㄟ^塑性變形和再結(jié)晶變成等軸細(xì)晶組織,對(duì)于經(jīng)軋制、鍛造或擠壓的鋼坯和型材,在以后的熱加工中通過塑性變形和再結(jié)晶,其晶粒組織可以得到改善;3)晶粒大小取決于塑性變形時(shí)的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,以及隨后發(fā)生的靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等的軟化過程,這些與金屬的性質(zhì)、變形溫度、應(yīng)變速率、變形程度和變形后的冷卻速度有關(guān)。4)以固溶或彌散微粒出現(xiàn)的合金元素,都有利于提高再結(jié)晶形核率和降低晶界的遷移速度,因而能使再結(jié)晶晶粒細(xì)化。如:碳鋼中加入Nb可使晶粒細(xì)化。53第53頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月2.鍛合內(nèi)部缺陷鑄態(tài)金屬中的疏松、空隙和微裂紋等內(nèi)部缺陷被壓實(shí),從而提高了金屬的致密度。內(nèi)部缺陷的鍛合效果,與變形溫度、變形程度、應(yīng)力狀態(tài)及缺陷表面的純潔度等因素有關(guān)。54第54頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月3.形成纖維狀組織在熱塑性變形過程中,隨著變形程度的增加,鋼錠內(nèi)部粗大的樹枝狀晶逐漸沿主變形方向伸長(zhǎng),與此同時(shí),晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向也逐漸與主應(yīng)變方向一致。其中脆性夾雜物(如氧化物、氮化物等)被破碎呈鏈狀分布;而塑性夾雜物(如硫化物和多數(shù)硅酸鹽等)則被拉長(zhǎng)呈條帶狀、線狀或薄片狀。在熱變形過程中,由于再結(jié)晶的結(jié)果,被拉長(zhǎng)的晶粒變成細(xì)小的等軸晶,而流線卻很穩(wěn)定的保留直至室溫。纖維組織的形成使金屬的機(jī)械性能呈各向異性,沿流線方向比沿垂直于流線方向具有較高的機(jī)械性能,其中以塑性、韌性指標(biāo)最為顯著。纖維狀組織如圖12-20所示;對(duì)性能的影響如圖12-2155第55頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月纖維狀組織56第56頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月纖維組織對(duì)性能的影響57第57頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月4.改善碳化物和夾雜物分布

對(duì)于高速鋼、高鉻鋼、鋼碳工具鋼等,其內(nèi)部含有大量的碳化物。這些碳化物有的呈粗大的魚骨狀,有的呈網(wǎng)狀包圍在晶粒周圍。通過鍛造或軋制,可使這些碳化物被打碎、并均勻分布,從而改善了它們對(duì)金屬基體的消弱作用,并使由這類鋼鍛制的工件在以后的熱處理時(shí)硬度分布均勻,提高了工件的使用性能和壽命。58第58頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月5.改善偏析在熱變形中,通過枝晶破碎和擴(kuò)散,可使鑄態(tài)金屬的偏析略有改善,鑄件的力學(xué)性能得到提高。59第59頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)對(duì)塑性和變形抗力的影響一、塑性指標(biāo)和變形抗力二、影響塑性的因素三、影響變形抗力的因素60第60頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月一、塑性指標(biāo)和變形抗力

塑性指標(biāo)

變形抗力

變形抗力與塑性的差別61第61頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月1.塑性指標(biāo)斷面收縮率延伸率沖擊韌性最大壓縮率扭轉(zhuǎn)角(或扭轉(zhuǎn)數(shù))彎曲次數(shù)概念:金屬在破壞前產(chǎn)生的最大變形程度,即極限變形量。表示方法:62第62頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月塑性指標(biāo)的測(cè)量方法拉伸試驗(yàn)法壓縮試驗(yàn)法扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法塑性圖63第63頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月拉伸試驗(yàn)法式中:L0——拉伸試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度;

Lk——拉伸試樣破斷后標(biāo)距間的長(zhǎng)度;

A0——拉伸試樣原始斷面積;

Ak——拉伸試樣破斷處的斷面積斷面收縮率延伸率64第64頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月壓縮試驗(yàn)法

簡(jiǎn)單加載條件下,壓縮試驗(yàn)法測(cè)定的塑性指標(biāo)用下式確定:

式中:

c

——壓下率;

H0——試樣原始高度;

Hk——試樣壓縮后,在側(cè)表面出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)的高度65第65頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法

對(duì)于一定試樣,所得總轉(zhuǎn)數(shù)越高,塑性越好,可將扭轉(zhuǎn)數(shù)換作為剪切變形(γ

)。式中:R——試樣工作段的半徑;

L0——試樣工作段的長(zhǎng)度;

n——試樣破壞前的總轉(zhuǎn)數(shù)。

66第66頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月塑性圖概念:表示金屬塑性指標(biāo)與變形溫度及加載方式的關(guān)系曲線圖形,簡(jiǎn)稱塑性圖。擬定金屬塑性加工工藝規(guī)范,如選擇變形溫度、變形速度、變形程度等的重要依據(jù)溫度硬度δψσb67第67頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月2.變形抗力概念:金屬在發(fā)生塑性變形時(shí),產(chǎn)生的抵抗變形的力;一般用接觸面上平均單位面積變形力表示,以p表示。變形抗力的大小,決定于材料的真實(shí)應(yīng)力,同時(shí)取決于塑性加工時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)、接觸摩擦狀態(tài)和變形體的尺寸等因素。通常以單向拉伸或壓縮狀態(tài)下和一定的變形條件下的真實(shí)應(yīng)力(流動(dòng)應(yīng)力)表示。實(shí)際的變形抗力與真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力不同,與加工方法和加工條件密切相關(guān)。68第68頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月3.變形抗力與塑性的差別塑性反映金屬對(duì)變形的適應(yīng)能力,塑性好表示金屬可以承擔(dān)的塑性變形量大;變形抗力反映金屬抵抗變形的能力,即金屬變形的難易程度;鉛---------------塑性好,變形抗力小不銹鋼--------塑性好,但變形抗力高白口鑄鐵----塑性差,變形抗力高結(jié)論:塑性與變形抗力不是同一概念69第69頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月二、影響塑性的因素

化學(xué)成分和合金成分對(duì)塑性的影響組織狀態(tài)對(duì)塑性的影響

變形溫度對(duì)塑性的影響

應(yīng)變速率對(duì)塑性的影響

應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性的影響

總結(jié)70第70頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月1.化學(xué)成分和合金成分對(duì)塑性的影響C及合金元素Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等合金元素影響;N、H、O、S、P等有害元素的影響。71第71頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月C:對(duì)碳鋼性能影響最大,含量越高,塑性越差,變形抗力越大。P:有害雜質(zhì),在鋼中有很大的溶解度,易溶于鐵素體,使鋼的塑性降低,在低溫時(shí)更為嚴(yán)重,稱為冷脆性;S:有害雜質(zhì),主要與Fe形成FeS,并與Fe形成易熔共晶體Fe-FeS,熔點(diǎn)985℃左右。硫化物及其共晶體,通常分布在晶界上,在鋼的鍛造溫度范圍內(nèi)(800~1220℃)會(huì)發(fā)生變形開裂,即熱“熱脆”現(xiàn)象。加入元素Mn可降低S的有害作用;72第72頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月N:有害雜質(zhì),主要以Fe4N形式存在。N在α-Fe中的溶解度在高溫和低溫時(shí)相差很大,當(dāng)含N量高的鋼由高溫快冷至低溫時(shí),α-Fe被過飽和,隨后以Fe4N形式析出,使鋼的塑性、韌性大大下降,這種現(xiàn)象稱為“時(shí)效脆性”。如在300℃左右加工,會(huì)出現(xiàn)所謂的“藍(lán)脆”現(xiàn)象。H:有害雜質(zhì);鋼中溶解H,會(huì)使鋼的塑性、韌性下降,造成所謂“氫脆”;當(dāng)H含量較高時(shí),經(jīng)鍛造、軋制后快冷時(shí),從固溶體中析出的H原子來不及向鋼坯表面擴(kuò)散逸出,而聚集在顯微缺陷處,形成微裂微,即所謂“白點(diǎn)”73第73頁,課件共84頁,創(chuàng)作于2023年2月O:O在鋼中的溶解度很小,主要以Fe3O4、Al2O3和SiO2等夾雜物出現(xiàn),降低鋼的塑性;Fe3O4還與FeS形成易熔共晶體,分布于晶界處,造成鋼的熱脆性

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