金属塑性变形ppt课件

第第 九九 章章概概 述述一、压力加工的本质：金属资料在外力作用下，发生一、压力加工的本质：金属资料在外力作用下，发生塑性变形，获得所要求的外形、尺寸、机械性能的原塑性变形，获得所要求的外形、尺寸、机械性能的原资料毛坯或零件的加工方法。资料毛坯或零件的加工方法。u塑性加工的适用资料：塑性加工的适用资料：u 各类钢各类钢u 大多数非铁金属及其合金大多数非铁金属及其合金 金属变形过程：金属资料在外力作用下发生弹性变形金属资料在外力作用下发生弹性变形当外力超越一定值后产生塑性变形当外力超越一定值后产生塑性变形外力继续加大，发生断裂外力继续加大，发生断裂二、压力加工的主要消费方式：二、压力加工的主要消费方式：1.轧制；轧制；2.挤压；挤压；3.拉拔；拉拔；4.锻造；锻造；5.板料冲压板料冲压.扎制挤压拉拔静压力自由锻模锻冲压冲击力压力加工分类轧三、塑性成形特点：三、塑性成形特点：1.能改善金属的组织，力学性能高；能改善金属的组织，力学性能高；2.可提高资料利用率；可提高资料利用率；3.加工精度较高，消费率较高。加工精度较高，消费率较高。两不加工：两不加工：脆性资料脆性资料复杂外形复杂外形 轧制、挤压、拉拔轧制、挤压、拉拔 金属型材、板材、钢材、线材等；金属型材、板材、钢材、线材等；自在锻、模锻自在锻、模锻 接受重载的机械零件，如机器主轴、接受重载的机械零件，如机器主轴、重要齿轮、连杆、炮管、枪管等；重要齿轮、连杆、炮管、枪管等；板料冲压板料冲压 汽车制造、电器、仪表及日用品。汽车制造、电器、仪表及日用品。一、一、金属塑性变形金属塑性变形金属在外力作用下产生塑性变形的金属在外力作用下产生塑性变形的本质是晶体内部的原子产生滑移。本质是晶体内部的原子产生滑移。滑移：就是晶体的一部分相对滑移：就是晶体的一部分相对与另一部分沿一定晶面发生相对与另一部分沿一定晶面发生相对的位移；的位移；产生的变形称为滑移变形。产生的变形称为滑移变形。正应力正应力：仅使晶格产生弹性伸长，当：仅使晶格产生弹性伸长，当超越原子间结合力时，使将晶体拉断；超越原子间结合力时，使将晶体拉断；切应力切应力：使晶格产生弹性歪扭，在超：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。生相对滑动。1.单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形单晶体的塑性变形主要经过滑移进展。单晶体的塑性变形主要经过滑移进展。a未变形b弹性变形c弹塑性变形d塑性变形图：单晶体滑移变形表示图图：单晶体滑移变形表示图 滑移面整体刚性滑移u滑移变形具有以下特点：滑移变形具有以下特点：1切应力引起滑移；切应力引起滑移；2滑移面在密排面滑移方向滑移面在密排面滑移方向沿着密排面方向进展，滑移间沿着密排面方向进展，滑移间隔为原子间距的整数倍。隔为原子间距的整数倍。缘由：晶体内部的各种缺陷特别是位错的运动更缘由：晶体内部的各种缺陷特别是位错的运动更容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。当位错运动到晶体外表性的整体滑移所需的切应力。当位错运动到晶体外表时，晶体就产生了塑性变形。时，晶体就产生了塑性变形。实践晶体内部存在大量缺陷。滑移实践晶体内部存在大量缺陷。滑移经过位错在滑移面上的运动来实现。经过位错在滑移面上的运动来实现。u滑移的机理滑移的机理未变形 位错运动 塑性变形晶界：滑移过程中，位错的运动在晶界处遭到较大的阻力，难以发生变形；晶粒位向：晶粒位向不同，各晶粒的滑移系不能同时开动，遭到周围晶粒的妨碍。晶粒大小：晶粒越细，一样体积内晶粒越多，塑性变形就越困难。单晶体单晶体多晶体多晶体(1)晶粒取向的影响 (2)晶界的影响 (3)晶粒大小的影响 1 1变形特点：变形特点：2 2变形过程：变形过程：其塑性变形可以看成是由组成多其塑性变形可以看成是由组成多晶体的许多单个晶粒产生变形晶体的许多单个晶粒产生变形(称为晶内变形称为晶内变形)的综合效果。同的综合效果。同时，晶粒之间也有滑动和转动时，晶粒之间也有滑动和转动(称为晶间变形称为晶间变形)。每个晶粒内。每个晶粒内部都存在许多滑移面，因此整块部都存在许多滑移面，因此整块金属的变形量可以比较大。低温金属的变形量可以比较大。低温时，多晶体的晶间变形不可过大，时，多晶体的晶间变形不可过大，否那么将引起金属的破坏。否那么将引起金属的破坏。二、二、塑性变形对金属组织及性能的影响塑性变形对金属组织及性能的影响1.对组织构造的影响对组织构造的影响1引起晶粒变形，晶粒沿最大变形引起晶粒变形，晶粒沿最大变形方向伸长；方向伸长；2晶格与晶粒发生扭曲，产生晶格晶格与晶粒发生扭曲，产生晶格畸变与内应力；畸变与内应力；3呵斥晶粒破碎，产生碎晶。呵斥晶粒破碎，产生碎晶。u构成纤维组织构成纤维组织结果：使金属的性能产生各向异性。结果：使金属的性能产生各向异性。表现：表现：定义：金属在变形过程中，定义：金属在变形过程中，晶粒外形和沿晶界分布的晶粒外形和沿晶界分布的杂质在钢料中的定向分布杂质在钢料中的定向分布形状称为钢料锻造时的纤形状称为钢料锻造时的纤维组织流线。维组织流线。a纵向平行纤维方向，塑韧性、强度提高纵向平行纤维方向，塑韧性、强度提高 b横向垂直纤维方向，抗剪强度提高横向垂直纤维方向，抗剪强度提高 特点：纤维组织很稳定，热处置、再锻均不能消除，特点：纤维组织很稳定，热处置、再锻均不能消除，只能改动分布。只能改动分布。2.对性能的影响对性能的影响1产生加工硬化景象产生加工硬化景象结果：金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。结果：金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。缘由：塑性变形缘由：塑性变形位错挪位错挪动动位错大量增殖位错大量增殖相互相互作用作用运动阻力加大运动阻力加大变变形抗力形抗力强度强度、硬度、硬度、塑性、韧性、塑性、韧性举例：高强度钢丝是将含碳量为举例：高强度钢丝是将含碳量为1.0%1.0%的高碳钢处置成的高碳钢处置成细片状珠光体，然后冷拔变形细片状珠光体，然后冷拔变形90%90%以上，抗拉强度可高以上，抗拉强度可高达达3000MPa3000MPa。1 运用：主要是强化金属资料运用：主要是强化金属资料 1提高资料强度、耐磨性；提高资料强度、耐磨性；例：自行车链条片例：自行车链条片16Mn钢钢 原：原：厚厚=3.5mm b=520MPa 150HBS；五次冷轧后：五次冷轧后：厚厚=1.2mm65%b=1200MPa 275HBS 2构件运用平安系数如钢丝绳构件运用平安系数如钢丝绳 3有利于金属进展均匀的变形。有利于金属进展均匀的变形。2不利影响不利影响：资料塑韧性降低，对进一步塑性变形带来资料塑韧性降低，对进一步塑性变形带来困难。困难。图：冷变形金属在加热时组织图：冷变形金属在加热时组织和性能的变化表示图和性能的变化表示图 金属资料在冷变形金属资料在冷变形以后，组织处于不以后，组织处于不稳定的形状，但室稳定的形状，但室温下难以进展。温下难以进展。加热使原子分散才加热使原子分散才干添加，随温度的干添加，随温度的升高，冷变形后的升高，冷变形后的金属将依次发生回金属将依次发生回复、再结晶和晶粒复、再结晶和晶粒长大。长大。1 回复回复 T回回=(0.25-0.3)T熔熔定义：随着温度的上定义：随着温度的上升，原子热运动加剧，升，原子热运动加剧，晶格扭曲被消除，内晶格扭曲被消除，内应力明显下降的景象。应力明显下降的景象。作用：作用：a晶格扭曲消除晶格扭曲消除 b内应力明显下降内应力明显下降回复只能部分消除加回复只能部分消除加工硬化工硬化图：冷变形金属在加热时组织图：冷变形金属在加热时组织和性能的变化表示图和性能的变化表示图 2 再结晶再结晶定义：温度上升到定义：温度上升到金属熔化温度的金属熔化温度的0.4-0.5倍时，金属倍时，金属原子获得更多的热原子获得更多的热能，开场以某些碎能，开场以某些碎晶或杂质为中心，晶或杂质为中心，生长成新的晶粒，生长成新的晶粒，加工硬化完全被消加工硬化完全被消除，塑性上升。除，塑性上升。图：冷变形金属在加热时组织图：冷变形金属在加热时组织和性能的变化表示图和性能的变化表示图 冷变形金属刚刚终了再结晶冷变形金属刚刚终了再结晶时的晶粒是比较细小、均匀时的晶粒是比较细小、均匀的等轴晶粒，假设再结晶后的等轴晶粒，假设再结晶后不控制其加热温度或时间，不控制其加热温度或时间，继续升温或保温，晶粒之间继续升温或保温，晶粒之间便会相互吞并而长大。便会相互吞并而长大。3晶粒长大晶粒长大(a)塑性变形后的组织图：金属的回复和再结晶表示图图：金属的回复和再结晶表示图三、冷变形与热变形三、冷变形与热变形1、定义：金属在再结晶温度以上的变形称为热、定义：金属在再结晶温度以上的变形称为热变形，再结晶温度以下的变形称为冷变形。变形，再结晶温度以下的变形称为冷变形。例：钨熔点为例：钨熔点为3380在在800变形为冷加工，而变形为冷加工，而铅熔点为铅熔点为327 在室温变形就可称为热加工。在室温变形就可称为热加工。T=0.4T=0.43380+273=1461K T=800+273=1073KTT 再结晶熔加工加工再结晶对铅：（）铅的铅在室温变形时属于热变形（热加工）。加工硬化与回复、再结晶同时发生；加工硬化加工硬化与回复、再结晶同时发生；加工硬化随时被消除，使变形抗力下降，塑性升高。随时被消除，使变形抗力下降，塑性升高。2、热变形的特点：、热变形的特点：1)可消除铸锭中的气孔、可消除铸锭中的气孔、缩松等缺陷；缩松等缺陷；2)可使铸态晶粒细化，力可使铸态晶粒细化，力学性能提高；学性能提高；3)构成热变形纤维组织构成热变形纤维组织流线。流线。3、热变形后的组织与性能：、热变形后的组织与性能：热轧时组织变化热轧时组织变化 冷加工与热加工组织的变化热变形加工在变形的同时伴随着动态再结晶，变形停顿后在冷到室温过程中继续有再结晶发生。所以热变形加工根本没有加工硬化景象。4、锻造比、锻造比(Y锻锻)锻造时变形程度大小常以锻造比锻造时变形程度大小常以锻造比Y锻表示：锻表示：对拔长：对拔长：Y锻锻=F0原截面原截面/F拔长后截面拔长后截面对镦粗：对镦粗：Y锻锻=H0镦前高度镦前高度/H镦后高度镦后高度构造钢钢锭的锻造比普通为构造钢钢锭的锻造比普通为24；各类钢坯和轧材的锻造比普通为各类钢坯和轧材的锻造比普通为1.1 1.3。零件设计和制造中充分利用锻造流线：零件设计和制造中充分利用锻造流线：1零件最大拉应力方向应与锻造流线平行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流向的分布相符合零件外形轮廓应与锻造流向的分布相符合 而不被切断而不被切断。(a)齿根处的切应力平行于流线方向。力学性能最差，寿齿根处的切应力平行于流线方向。力学性能最差，寿命最短；命最短；(b)齿齿1的根部切应力与流线方向垂直，的根部切应力与流线方向垂直，力学性能好，齿力学性能好，齿2情况正好相反，力学性能差；情况正好相反，力学性能差；(c)流线呈径向放射状，各齿的切应力方向均与流线近似垂直，流线呈径向放射状，各齿的切应力方向均与流线近似垂直，强度与寿命较高；强度与寿命较高；(d)流线完好且与齿廓一致，未流线完好且与齿廓一致，未被切断，性能最好，寿命最长。被切断，性能最好，寿命最长。金属可锻性是衡量资料在经受压力加工时获得金属可锻性是衡量资料在经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。优质制品难易程度的工艺性能。1、衡量金属可锻性的目的、衡量金属可锻性的目的 两个两个 内因与外因内因与外因 1塑性：金属的塑性是指金属资料在外力作用下塑性：金属的塑性是指金属资料在外力作用下 产生永久变形而不破坏其完好性的才干；用断面收产生永久变形而不破坏其完好性的才干；用断面收缩率缩率、伸长率、伸长率表示；表示；2变形抗力变形抗力:变形过程中，金属抵抗外力作用才干变形过程中，金属抵抗外力作用才干的大小。的大小。u缘由：优良的塑性使产品获得准确的外形而不破裂；缘由：优良的塑性使产品获得准确的外形而不破裂；变形抗力越小，变形耗费的能量也越少，锻压越省力。变形抗力越小，变形耗费的能量也越少，锻压越省力。1 金属本质对可锻性的影响金属本质对可锻性的影响 两方面：两方面：纯金属和固溶体具有良好的可锻性，碳化物可锻性差；纯金属和固溶体具有良好的可锻性，碳化物可锻性差；细晶粒组织可锻性优于粗晶粒，但变形抗力大。细晶粒组织可锻性优于粗晶粒，但变形抗力大。1化学成分：化学成分：普通情况下，纯金属的可锻性优于合金；普通情况下，纯金属的可锻性优于合金；碳钢随含碳量添加，可锻性降低；碳钢随含碳量添加，可锻性降低；合金钢中合金元素含量越多，可锻性下降；合金钢中合金元素含量越多，可锻性下降；钢中钢中P、S含量超越一定值可锻性降低。含量超越一定值可锻性降低。2组织构造：组织构造：2、影响金属可锻性的要素：金属本质和加工条件、影响金属可锻性的要素：金属本质和加工条件1变形温度：变形温度：变形条件：变形温度、变形条件：变形温度、应变速率和应力形状应变速率和应力形状0.020.771.52.11 C%80091212501538液相线固相线温度/CAEPSKLL+AAA+FA+Fe C3F+P PFe C +PG3始锻温度终锻温度温度温度：塑性：塑性，可锻，可锻 性性；温度温度：产生：产生“过过热，可锻性热，可锻性；温度温度：接近熔化，出：接近熔化，出现现“过烧失去塑性，过烧失去塑性，b；温度温度：可锻性：可锻性，加加工硬化产生，开裂，塑性工硬化产生，开裂，塑性差。差。抗 力塑 性变 形 速 度a变 形 抗 力 曲 线塑 性 变 化 曲 线a变形速度变形速度a后，由后，由于塑性变形的热效应于塑性变形的热效应使资料温度升高，回使资料温度升高，回复和再结晶充分，可复和再结晶充分，可锻性提高。锻性提高。但难实现。但难实现。指金属资料在单位时间指金属资料在单位时间内的变形程度。内的变形程度。3应力形状的影响应力形状的影响1压应力个数越多、数压应力个数越多、数值越大，金属的塑性就值越大，金属的塑性就越好；越好；2同号应力形状下引起同号应力形状下引起的变形抗力大于异号应的变形抗力大于异号应力形状的变形抗力，如力形状的变形抗力，如拉拔时金属的变形抗力拉拔时金属的变形抗力远小于挤压和模锻远小于挤压和模锻。所以，塑性差的资料：尽量三方受压；所以，塑性差的资料：尽量三方受压；塑性好的资料：出现拉应力有利。塑性好的资料：出现拉应力有利。金属的塑性变形与可锻性金属的塑性变形与可锻性