材料成型技术基础PPT电子教案第二章 金属的塑性成形

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1、于美杰于美杰山大材料学院山大材料学院 第二章 金属的塑性成形v 第一节第一节 塑性变形理论塑性变形理论v 第二节第二节 锻造技术锻造技术v 第三节第三节 板料冲压技术板料冲压技术n塑性变形的微观机制塑性变形的微观机制n塑性变形对力学性能的影响塑性变形对力学性能的影响n影响金属可锻性的因素影响金属可锻性的因素n了解几种常用的锻造技术和板料冲压技术的工艺特点了解几种常用的锻造技术和板料冲压技术的工艺特点基本要求基本要求第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Theory ofPlastic Deformationv 塑性成形塑性成形n在外力作用下利用金属材料的塑性，使其成形并

2、获得在外力作用下利用金属材料的塑性，使其成形并获得一定力学性能的加工方法。一定力学性能的加工方法。n也称也称塑性加工塑性加工或或压力加工压力加工v 分类分类静压力静压力动压力动压力轧制轧制挤压挤压拉拔拉拔自由锻自由锻模锻模锻冲压冲压热成形、冷成形第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Theory ofPlastic Deformationv 塑性成形（压力加工）的特点塑性成形（压力加工）的特点n优点优点 结构致密，组织细化，力学性能提高；结构致密，组织细化，力学性能提高；少无切削加工，材料利用率高；少无切削加工，材料利用率高；生产效率高；生产效率高；n缺点缺点 一般工艺

3、表面质量差（氧化）；一般工艺表面质量差（氧化）；不能形成形状复杂件（相对铸造）；不能形成形状复杂件（相对铸造）；设备庞大、价格昂贵；设备庞大、价格昂贵；劳动条件差（强度高、噪音大）；劳动条件差（强度高、噪音大）；第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Theory ofPlastic Deformationv 1.1 塑性变形的微观机制塑性变形的微观机制n什么是塑性？在外力作用下发生永久变形而不破坏什么是塑性？在外力作用下发生永久变形而不破坏的能力。的能力。n金属内原子排列并不十分归整，金属内原子排列并不十分归整，n存在大量存在大量位错位错n塑性变形的实质塑性变形的实质

4、晶内：滑移晶内：滑移 晶间：滑动转动晶间：滑动转动n滑移：在外力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和滑移：在外力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生移动或切变。晶向相对于晶体的另一部分发生移动或切变。残余变形塑性变形位错运动引起滑移位错运动引起滑移第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Theory ofPlastic Deformationv n多晶体变形多晶体变形以晶内滑移为主，晶间转动为辅以晶内滑移为主，晶间转动为辅（原因：晶界有阻碍变形的作用，或者晶界强度高（原因：晶界有阻碍变形的作用，或者晶界强度高于晶内，晶界变形更难）于晶内，晶界变形更

5、难）晶粒越细、越多，晶界越多，对材料起到强化作用。晶粒越细、越多，晶界越多，对材料起到强化作用。晶粒间的晶粒间的滑动和滑动和转动转动第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Theory ofPlastic Deformationv细晶强化细晶强化n原因原因a)晶界面积越多，位错障碍越多，金属塑性变形的晶界面积越多，位错障碍越多，金属塑性变形的抗力越大，抗力越大，强度、硬度强度、硬度越高。越高。b)晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多，塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，变越多，塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，变形均匀，减

6、少了应力集中，使形均匀，减少了应力集中，使塑性指标塑性指标提高；提高；c)晶粒越细小，晶界面积越多，对裂纹扩展的阻碍晶粒越细小，晶界面积越多，对裂纹扩展的阻碍作用越大，金属在断裂前消耗的功越大，使作用越大，金属在断裂前消耗的功越大，使韧性韧性指标指标提高；提高；回顾：回顾：固溶强化固溶强化第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Theory ofPlastic Deformationv 1.2 塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响（1）对性能的影响）对性能的影响n形变强化现象形变强化现象：金属塑性变形时，随塑性变形量的增：金属塑性变形时，随塑性变形

7、量的增加，强度和硬度增加，而塑性和韧性下降的现象，也加，强度和硬度增加，而塑性和韧性下降的现象，也称称“加工硬化加工硬化”。强化金属的重要手段之一强化金属的重要手段之一n原因：原因：随变形量增加随变形量增加,位错密度增加，使变形抗力增加。位错密度增加，使变形抗力增加。n形变强化的结果：形变强化的结果：强硬度提高；强硬度提高；使进一步塑性变形困难。使进一步塑性变形困难。第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Theory ofPlastic Deformation（2）对组织的影响：）对组织的影响：n晶粒被拉长或压扁；晶粒被拉长或压扁；n晶粒破碎晶粒破碎产生碎晶。产生碎晶。

8、n当变形量很大时，当变形量很大时，晶界上的晶界上的杂质随晶粒杂质随晶粒一起沿变形方一起沿变形方向被拉长后呈流线状分布，这种向被拉长后呈流线状分布，这种流线分布形态的微观流线分布形态的微观结构称为结构称为纤维组织纤维组织；力学性能呈现各向异性力学性能呈现各向异性 平行纤维方向：抗拉强度高、剪切强度低平行纤维方向：抗拉强度高、剪切强度低 垂直纤维方向：剪切强度高、抗拉强度低垂直纤维方向：剪切强度高、抗拉强度低n纤维组织不易消除纤维组织不易消除,只能合理应用只能合理应用 拉应力拉应力纤维组织纤维组织 剪切应力剪切应力纤维组织纤维组织第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形The

9、ory ofPlastic Deformation（3）回复和再结晶）回复和再结晶n金属经变形后金属经变形后,组织处于不稳定状态组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生属将依次发生回复回复、再结晶再结晶和和晶粒长大晶粒长大。n回复回复：塑性变形时出现的碎晶和晶格畸变具有不稳定：塑性变形时出现的碎晶和晶格畸变具有不稳定性，加热后性，加热后原子热运动加剧，原子热运动加剧，晶格畸变消除晶格畸变消除

10、，内应力内应力明显减小明显减小的现象。的现象。T回回（0.250.3）T熔熔 n再结晶再结晶：对形变强化的金属加热到熔点的：对形变强化的金属加热到熔点的0.4倍时，开倍时，开始以某些碎晶或杂质为核心生成始以某些碎晶或杂质为核心生成新的等轴晶粒新的等轴晶粒，原来，原来已变形的晶粒消失，使金属的已变形的晶粒消失，使金属的强度、硬度降低，塑性强度、硬度降低，塑性和韧性增加和韧性增加，形变强化现象完全消除形变强化现象完全消除的现象。的现象。T再再=0.4T熔熔 加热温度加热温度 黄铜黄铜第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Theory ofPlastic Deformatio

11、nv n几点说明：几点说明：回复只能部分消除加工硬化；回复只能部分消除加工硬化；再结晶能消除全部加工硬化；再结晶能消除全部加工硬化；再结晶不是恒温过程，而是在一定温度范围内连再结晶不是恒温过程，而是在一定温度范围内连续进行的过程。续进行的过程。T再再再结晶温度再结晶温度是开始再结晶的最是开始再结晶的最低温度。低温度。第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Theory ofPlastic Deformation 再结晶再结晶也是晶核形成和长大的过程，不是相变过程，也是晶核形成和长大的过程，不是相变过程，再结晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同。再结晶前后晶粒的晶格类型和成分

12、完全相同。冷变形冷变形：在：在T再再温度以下的塑性变形，温度以下的塑性变形，存在形变强化存在形变强化,强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性；冷冲压、冷挤压、冷轧、冷拔冷冲压、冷挤压、冷轧、冷拔;尺寸精度高、表面质量好尺寸精度高、表面质量好;变形不宜过大，避免破裂；变形不宜过大，避免破裂；热变形热变形：在在T再再温度以上的塑性变形，形变强化随时温度以上的塑性变形，形变强化随时被再结晶消除。被再结晶消除。热锻、热轧、热挤压热锻、热轧、热挤压;变形程度大变形程度大,缺陷少，组织致密，力学性能高；缺陷少，组织致密，力学性能高；生产中，把消除加工硬化的热处理称为生产中，把消除加工硬化的热处理称为

13、再结晶退火再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶退火温度比T再再高高200300。第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形v 1.3 可锻性可锻性n金属产生塑性变形而不破坏的难易程度金属产生塑性变形而不破坏的难易程度n塑性好塑性好、变形抗力小变形抗力小，可锻性好，可锻性好n影响金属可锻性的因素影响金属可锻性的因素 化学成分化学成分：含合金元素少的可锻性好：含合金元素少的可锻性好,纯金属纯金属/低碳低碳 组织组织：单相组织（纯金属或固溶体）比多相好 钢中碳化物少好，呈弥散分布比网状分布好 塑性变形条件塑性变形条件：加热温度、变形速度、应力状态Theory ofPlastic D

14、eformation第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形n温度温度对可锻性的影响：对可锻性的影响：加热温度高，可锻性好；温度过高，会加热温度高，可锻性好；温度过高，会过热过热、过烧过烧 始锻温度始锻温度终锻温度，如碳素钢终锻温度，如碳素钢1150/1250800/850n变形速度变形速度对可锻性的影响：对可锻性的影响：a,速度速度，可锻性，可锻性 原因：热效应使塑性提高原因：热效应使塑性提高Theory ofPlastic Deformation再结晶消除加工硬化趁热打铁趁热打铁第一节 塑性变形理论第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形n 应力状态应力状态对可锻性

15、的影响：对可锻性的影响：压应力下变形，对塑性有利，阻止裂纹扩展，焊压应力下变形，对塑性有利，阻止裂纹扩展，焊合孔、缝等缺陷；合孔、缝等缺陷；拉应力下变形，对塑性不利，气孔、裂纹等缺陷拉应力下变形，对塑性不利，气孔、裂纹等缺陷处易引起应力集中，缺陷扩展，导致破裂。处易引起应力集中，缺陷扩展，导致破裂。挤压时金属的应力状态拉拔时金属的应力状态Theory ofPlastic Deformation第二节 锻造技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Forging Technologyv 2.1 金属塑性变形的流动规律金属塑性变形的流动规律n最小阻力定律最小阻力定律n体积不变定律体积不变定律n

16、临界切应力定律临界切应力定律金属镦粗变形图3-12锻造自由锻模锻胎模锻第二节 锻造技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Forging Technologyv 2.2 自由锻自由锻n利用冲击力或压力使金属在上、下两砧铁之间产生变利用冲击力或压力使金属在上、下两砧铁之间产生变形，从而获得得所需形状和尺寸的锻件的锻造方法。形，从而获得得所需形状和尺寸的锻件的锻造方法。n特点特点 坯料变形时，只有部分表面变形受到限制，其余坯料变形时，只有部分表面变形受到限制，其余表面可自由流动表面可自由流动;所用设备及工具简单，所用设备及工具简单，适应性强适应性强，锻件重量不受，锻件重量不受限制；限制；由人

17、工控制锻件的形状和尺寸，锻件的由人工控制锻件的形状和尺寸，锻件的尺寸精度尺寸精度低低，生产率低；，生产率低；适用于单件、小批生产。适用于单件、小批生产。是大型锻件的唯一锻造是大型锻件的唯一锻造方法。方法。第二节 锻造技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Forging Technologyn 自由锻分类自由锻分类 手工锻造手工锻造 机械锻造机械锻造 锻锤自由锻（锻锤自由锻（空气锤 冲击力 液压机自由锻液压机自由锻（水压机 静压力n自由锻的工序自由锻的工序 镦粗镦粗：饼块类，盘套类饼块类，盘套类 拔长拔长：适于轴类、杆类适于轴类、杆类 冲孔：空心件冲孔：空心件第二节 锻造技术第三章第三章

18、 金属的塑性成形金属的塑性成形Forging Technologyv自由锻工艺规程的制定自由锻工艺规程的制定（1）锻件的结构工艺性）锻件的结构工艺性n尽量避免锥体或斜面、曲面连接；n形状不易复杂；n不应带筋；n避免凸台；第二节 锻造技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Forging Technology（2）绘制锻件图）绘制锻件图n留机械加工余量，保证尺寸精度；留机械加工余量，保证尺寸精度；n锻件公差：锻件的实际尺寸与理论尺寸之间所允许的锻件公差：锻件的实际尺寸与理论尺寸之间所允许的偏差值。偏差值。n敷料（余块）：针对有凹槽、台阶的部位，简化锻件敷料（余块）：针对有凹槽、台阶的部位，

19、简化锻件第二节 锻造技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Forging Technology（3）选择锻造工序）选择锻造工序n基本工序：用来改变坯料的形状和尺寸的工序n辅助工序：为方便基本工序的操作而设置的工序n修整工序：用来减少锻件表面缺陷的工序第二节 锻造技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Forging Technologyv2.3 模锻模锻n迫使坯料在一定形状的锻模模膛内产生塑性流动成形迫使坯料在一定形状的锻模模膛内产生塑性流动成形的方法。的方法。n特点：特点：生产效率高；模具制造费用高；生产效率高；模具制造费用高；尺寸精度和表面质量比自由锻高尺寸精度和表面质量比自

20、由锻高；加工余量少，节省材料；加工余量少，节省材料；力学性能高力学性能高；锻件重量小，一般小于锻件重量小，一般小于150公斤公斤n分类分类 锤上模锻锤上模锻 压力机上模锻压力机上模锻锻模结构：下模固定不动，上模固定在锻锤上锻模结构：下模固定不动，上模固定在锻锤上模膛结构：制坯模膛、预锻模膛、终锻模膛模膛结构：制坯模膛、预锻模膛、终锻模膛第二节 锻造技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Forging Technologyv模锻工艺规程制定模锻工艺规程制定（1）选取分模面）选取分模面n最大截面，且尽量为平面；最大截面，且尽量为平面；n应使锻件上敷料最少应使锻件上敷料最少；n使模膛浅而宽使

21、模膛浅而宽，便于加工、利于金属流动；，便于加工、利于金属流动；（2）确定加工余量、公差）确定加工余量、公差n锻件尺寸大，余量（锻件尺寸大，余量（14mm）大、公差（）大、公差（0.33mm）大）大（3）锻模斜度、圆角、冲孔连皮）锻模斜度、圆角、冲孔连皮n内侧斜度内侧斜度外侧斜度外侧斜度23度度n圆角：利于流动充型；圆角：利于流动充型；避免应力集中；避免应力集中；Rr第二节 锻造技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Forging Technologyv2.4 胎模锻胎模锻n在在自由锻设备自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法。上使用胎模生产模锻件的工艺方法。胎胎模一般不固定在锻锤上模

22、一般不固定在锻锤上。n特点特点 操作简便，模具简单，不需昂贵的模锻设备操作简便，模具简单，不需昂贵的模锻设备 生产率高、锻件精度、允许的复杂程度介于自由生产率高、锻件精度、允许的复杂程度介于自由锻和模锻之间；锻和模锻之间；n胎模结构胎模结构 扣模扣模：用于非回转体锻件的成形或制坯：用于非回转体锻件的成形或制坯 筒模筒模：圆筒形锻模，主要用于：圆筒形锻模，主要用于齿轮齿轮、法兰盘等回、法兰盘等回 转体和盘类锻件转体和盘类锻件 合模合模：由上下模组成，主要用于生产形状较复杂：由上下模组成，主要用于生产形状较复杂 的非回转体锻件的非回转体锻件第三节 板料冲压技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性

23、成形Sheet Stamping Technologyv3.1 板料冲压特点板料冲压特点n利用冲模使板料产生变形或分离，从而获得具有一定利用冲模使板料产生变形或分离，从而获得具有一定形状和尺寸的锻件的工艺方法。室温形状和尺寸的锻件的工艺方法。室温（冷冲压）（冷冲压）n设备：设备：冲床、剪床冲床、剪床n常见冲压材料：低碳钢、有色金属、低碳低合金钢等常见冲压材料：低碳钢、有色金属、低碳低合金钢等塑性高塑性高的材料。的材料。n特点：特点：表面质量高、尺寸精度高；表面质量高、尺寸精度高；形变强化，可获得强度高的冲压件形变强化，可获得强度高的冲压件 操作简单、生产效率高操作简单、生产效率高 适于大批量生

24、产。适于大批量生产。第三节 板料冲压技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Sheet Stamping Technologyv3.2 板料冲压工序板料冲压工序 冲孔冲孔：被分离的部分为废料，周边是成品：被分离的部分为废料，周边是成品 落料落料：被分离的被分离的部分为部分为工件，工件，周边为废料周边为废料 冲裁变形过程冲裁变形过程：弹性变形：弹性变形塑性变形塑性变形断裂断裂分离变形切断落料冲孔弯曲拉深起伏翻边拉深旋压拉深橡胶成形第三节 板料冲压技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Sheet Stamping Technologyn板料的变形板料的变形（1）弯曲弯曲：坯料的一部分

25、相对于另一部分弯曲成一定坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序。角度的工序。外侧受拉，内侧受压外侧受拉，内侧受压 最小弯曲半径最小弯曲半径rmin=(0.251),为板料厚度为板料厚度 弯曲方向：弯曲方向：弯曲时尽可能使弯曲线与毛坯的纤维弯曲时尽可能使弯曲线与毛坯的纤维方向一致（即弯曲轴线与纤维方向垂直）方向一致（即弯曲轴线与纤维方向垂直）回弹回弹：由于材料的弹性所致由于材料的弹性所致，使被弯曲的角度变，使被弯曲的角度变大，措施：适当增加变形角度。回弹角：大，措施：适当增加变形角度。回弹角：010第三节 板料冲压技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Sheet Stamping

26、 Technology（2）拉深拉深：利用拉深模将板料冲压成一端开口的空心件利用拉深模将板料冲压成一端开口的空心件的工序。的工序。拉深件最危险部位是直璧与底部的过渡圆角处拉深件最危险部位是直璧与底部的过渡圆角处 凸凹模圆角半径：不可太锋利，否则易拉裂凸凹模圆角半径：不可太锋利，否则易拉裂 凸凹模间隙：过小，模具与拉深件间的摩擦力增大凸凹模间隙：过小，模具与拉深件间的摩擦力增大 拉深系数：拉深系数：m=拉深后直径拉深后直径/拉深前直径拉深前直径，0.50.8 润滑剂：减少模具磨损润滑剂：减少模具磨损n褶皱褶皱：压边圈：压边圈n拉穿拉穿：增加凸凹圆角、：增加凸凹圆角、增加拉深次数增加拉深次数第三节

27、 板料冲压技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Sheet Stamping Technology（3）起伏（滚压成形）：加强筋和花纹）起伏（滚压成形）：加强筋和花纹（4）橡胶成形（胀形）：适于较薄板材）橡胶成形（胀形）：适于较薄板材第三节 板料冲压技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Sheet Stamping Technology（5）翻边翻边：在带孔的平坯料上用扩孔的方法获得凸缘的工序。（6）旋压：旋压机，用于空心回转体。翻边系数：k=d/D第三节 板料冲压技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Sheet Stamping Technologyn冲压模具：简单模

28、、冲压模具：简单模、连续模连续模、复合模复合模v3.3 冲压件的结构工艺性冲压件的结构工艺性n冲裁件冲裁件：零件外形力求简单对称零件外形力求简单对称 凹凸部位不能过深、过窄凹凸部位不能过深、过窄 转角处应设圆角转角处应设圆角 充分利用材料充分利用材料不合理的结构不合理的结构第三节 板料冲压技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Sheet Stamping Technologyn变形件弯曲变形件弯曲：最小弯曲半径最小弯曲半径 弯曲带孔零件时，应注意孔的位置弯曲带孔零件时，应注意孔的位置 弯曲轴线垂直于纤维组织方向弯曲轴线垂直于纤维组织方向弯曲边高弯曲边高H2S为避免孔的变形，孔的边为避免孔的变形，孔的边缘距弯曲中心应有一定的缘距弯曲中心应有一定的距离距离,L1.52s第三节 板料冲压技术第三章第三章 金属的塑性成形金属的塑性成形Sheet Stamping Technologyn变形件拉深变形件拉深 形状应简单、对称，高度不易过大形状应简单、对称，高度不易过大 转弯处应有一定圆角转弯处应有一定圆角拉深件最小拉深件最小允许半径允许半径