棒材工艺教程--轧制原理

,一 金属的塑性加工,第二节 轧制原理,二 轧制过程基本概念,一 金属的塑性加工,金属的塑性：是指金属在外力作用下，稳定地发生永久变形而又不破坏其完整性的能力。塑性好的金属，变形量既使很大也不破坏；而塑性差的金属，变形量即使很小也可能产生裂纹。,金属的塑性和柔软性是两个完全不同的概念，金属的柔和硬是指金属对变形的抵抗能力，金属柔说明该金属材料对变形抵抗能力小，也就是说只需较小的变形力就可以使金属产生塑性变形。金属硬说明该金属抵抗变形的能力大，就说需要用较大的变形力才能使金属产生塑性变形。,一 金属的塑性加工,金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得具有一定形状、尺寸和机械性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。,金属在承受塑性加工时，产生塑性变形，这对金属的组织结构和性能会产生重要的影响,一 金属的塑性加工,塑性变形中的力,力和应力,金属压力加工过程，通过工具轧辊或模具把外力传到金属上，在外力作用下，金属运动受到阻碍时，金属内部则产生与外力平衡地内力，同时引起金属变形。故金属发生的变形是受外力和内力作用的结果。,一 金属的塑性加工,外力,金属在变形时所受的外力可分为三种；即作用力、约束反力、摩擦力。,A 作用力是由压力加工设备的动作而产生的如锻锤的机械动作，轧辊的转动等。作用力的大小由金属变形时所需能量的大小所决定。,B 约束反力：在变形过程中，工具或模具阻止被加工物体的整体运动和质点流动而作用于该物体上的力称为约束反力。,C 摩擦力：摩擦力在金属压力加工中一般来讲总是存在的。因为在加工工具与金属的接触面上总是有一定程度的粗糙不平，当变形金属的质点与接触面相对运动时，接触面上必然产生一个与金属质点运动方向相反的阻力T，这个阻力叫摩擦力。,一 金属的塑性加工,内力和应力,物体在外力或其它物理或物理化学的作用下，使原子间距发生变化，就产生内力。,压力加工中金属的内力是由以下两方面原因引起；,由于平衡外部的机械作用所产生的内力在金属内部产生与外力平衡的力,由于物理或物理化学过程所产生的相互平衡的内力，一般是由于变形不均匀，温度不均匀及相变等原因引起的。,提示：内力的大小用应力来表示。正应力是指单位面积上所受的法向内力。由于大多数情况下内力的分布是不均匀的，因此常用平均正应力来表示内力的大小。,一 金属的塑性加工,变形抗力,在压力加工中，金属抵抗变形的能力，叫变形抗力。,变形抗力大说明金属抵抗变形的能力大，也就是所金属比较硬，需要较大的外力才能使金属变形。,一 金属的塑性加工,影响变形抗力的各种因素,A、金属的化学成分及组织结构：纯金属与合金的变形抗力是不同的，一般纯金属的变形抗力都较小。钢中含碳量增加，变形抗力也增加。另一方面，化学成分相同的金属，由于组织结构不同，其变形抗力也不相同，一般细晶粒有较大的变形抗力，粗晶粒金属的变形抗力较小。,B、变形温度：一般来说金属的变形抗力随变形温度的升高而降低。,C、变形速度：金属在热变形时，因变形速度的增加，金属的再结晶软化过程来不及完成，加工硬化现象来不及消除，因此使变形抗力增加。,D、变形程度：金属在热轧时，所有钢中的变形抗力都随着轧制温度的降低，压下量的增加而增加，随变形程度的增加而增加。,一 金属的塑性加工,塑性变形的基本定律,A、体积不变定律,在塑性变形过程中，根据实测和研究，铸造状态的金属开始加工时，由于内部存在疏松、缩孔、气泡和裂纹等缺陷。因此锻轧初期将使金属的密度增加体积缩小，当在轧制后的再结晶退火过程中，密度将重新恢复到原来的状态，为此得出。金属在压力加工时，金属变形前后的体积保持不变，这一规律称为体积不变定律。,B、最小阻力定律,最小阻力定律：金属塑性变形时，任何局部的质点都按照所需功最小的路程来移动，当路程相同时，则质点将沿着阻力最小的方向移动，这一规律称为最小阻力定律。,C、弹塑性共存定律,弹塑性共存定律指的是金属在塑性变形过程中，一定有弹性变形存在，但并不是说在金属发生弹性变形时，一定没有塑性变形产生。,一 金属的塑性加工,影响塑性的各种因素,影响塑性的内因,A、化学成分,纯金属和它的固溶体具有良好的塑性，化合物塑性较差，钢中化学成分和杂质的增加，会降低金属的塑性。,B、组织结构,金属的组织结构取决于金属的化学成分，组成合金的主要元素的晶格；杂质的性质、数量及其分布；晶粒形状的大小。另外同一化学成分的金属或合金，由于组织不同，其塑性也不同，一般细晶粒的钢具有较好的塑性。化合物杂质呈球状分布时徐行较好，呈片状、网状分布在晶界上时，使金属塑性下降。,一 金属的塑性加工,影响塑性的各种因素,影响塑性的外因,A 变形温度,一般的说，在较高温度下金属和合金的塑性是较好的。,B 变形速度,变形速度是指单位时间内变形程度的变化率。金属在变形过程中，加工硬化发生的速度，超过软化进行的速度，塑性明显下降，如果软化过程比产生硬化过程快或者当变形速度增加时，由于热效应使金属温度升高，金属由脆性区转变为塑性区的温度时，塑性有所提高。,C 应力状态,金属在变形时受拉应力成分越少，压应力成分越多，则金属塑性越好。,一 金属的塑性加工,金属的塑性变形,单晶体的塑性变形的基本方式有两种：滑移和孪生。,滑移:滑移是晶体在切应力的作用下,晶体的一局部沿一定的晶面滑移面上的一定方向滑移方向相对于另一局部发生滑动。,一 金属的塑性加工,金属的塑性变形,滑移特点：,A 滑移只能在切应力作用下才会发生；,B 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。位借运动造成滑移；,C 由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量,因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距的整数倍。,D 滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面密排面和其上密度最大的晶向密排方向进行,这是由于密排面之间、密排方向之间的间距最大，结合力最弱。金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。,一 金属的塑性加工,孪 生,在切应力作用下晶体的一局部相对于另一局部沿一定晶面孪生面和晶向孪生方向发生切变的变形过程称孪生。发生切变、位向改变的这一局部晶体称为孪晶。孪晶与未变形局部晶体原子分布形成对称。孪生所需的临界切应力比滑移的大得多。孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。体心立方晶格金属如铁在室温或受冲击时才发生孪生。而滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、镉等,则比较容易发生孪生。,一 金属的塑性加工,多晶体的塑性变形,A 多晶体中,由于晶界上原子排列不很规则,阻碍位错的运动,使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。,B 多晶体中每个晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向称晶粒处于软位向,另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大称晶粒处于硬位向。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其它晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和开展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高。由于细晶粒金属的强度较高，塑性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。,一 金属的塑性加工,塑性变形对金属组织结构的影响,A 金属发生塑性变形后,晶粒发生变形,沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒变成细条状拉伸时,金属中的夹杂物也被拉长,形成纤维组织。,一 金属的塑性加工,塑性变形对金属组织结构的影响,B 亚结构形成 金属经大的塑性变形时,由于位错的密度增大和发生交互作用,大量位错堆积在局部地区,并相互缠结,形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,而在晶粒内产生亚晶粒。,一 金属的塑性加工,塑性变形对金属组织结构的影响,形变织构产生 金属塑性变形到很大程度70%以上时,由于晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋近于一致,形成特殊的择优取向,这种有序化的结构叫做形变织构。,一 金属的塑性加工,塑性变形对金属性能的影响,A 金属发生塑性变形,随变形度的增大,金属的强度和硬度显著提高,塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化,也叫形变强化。,产生加工硬化的原因是：金属发生塑性变形时,位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,造成位错运动阻力的增大,引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化,使强度得以提高。在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。,一 金属的塑性加工,塑性变形对金属性能的影响,B,由于纤维组织和形变织构的形成,使金属的性能产生各向异性。如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的。用有织构的板材冲制筒形零件时,即由于在不同方向上塑性差异很大,零件的边缘出现“制耳。,一 金属的塑性加工,塑性变形对金属性能的影响,C 塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大,耐腐蚀性降低。,D 由于金属在发生塑性变形时,金属内部变形不均匀,位错、空位等晶体缺陷增多，金属内部会产生剩余内应力。即外力去除后，金属内部会残留下来应力。剩余内应力会使金属的耐腐蚀性能降低，严重时可导致零件变形或开裂。,一 金属的塑性加工,塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化,金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化。如果对变形后的金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。,一 金属的塑性加工,塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化,金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化。如果对变形后的金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。,一 金属的塑性加工,回 复,变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。由于加热温度不高,原子扩散能力不很大,只是晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态，变形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材料的强度和硬度只略有降低，塑性有增高，但剩余应力则大大降低。工业上常利用回复过程对变形金属进行 去应力退火、以降低剩余内应力，保存加工硬化效果。,一 金属的塑性加工,再 结 晶,A、再结晶过程及其对金属组织、性能的影响,变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长或压扁、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。,B、再结晶温度,变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围，并非某一恒定温度。一般所说的再结晶温度指的是最低再结晶温度T再,通常用经大变形量70%以上的冷塑性变形的金属,经一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。,一 金属的塑性加工,最低再结晶温度与以下因素有关：,A 预先变形度：金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度。预先变形度越大,金属的晶体缺陷就越多,组织越不稳定,最低再结晶温度也就越低。当预先变形度到达一定大小后,金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值。,B 金属的熔点：熔点越高,最低再结晶温度也就越高。,C 杂质和合金元素：由于杂质和合金元素特别是高熔点元素,阻碍原子扩散和晶界迁移,可显著提高最低再结晶温度。,D 加热速度和保温时间：再结晶是一个扩散过程,需要一定时间才能完成。提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生,而保温时间越长,再结晶温度越低。,一 金属的塑性加工,再结晶后晶粒的晶粒度 晶粒大小影响金属的强度、塑性和韧性,因此生产上非常重视控制再结晶后的晶粒度。,A 加热温度加热温度越高,原子扩散能力越强,则晶界越易迁移,晶粒长大也越快。,