08年9月材料工程基础塑性加工-3.ppt
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1、5.3-1,5.3 金属塑性加工物理基础,5.3.1金属冷态下的塑性变形 5.3.1.1冷态下塑性变形机理 塑性成形所用的金属材料绝大部分是多晶体,多晶体是由许多结晶方向不同的晶粒组成。每个晶粒可看成是一个单晶体。晶粒之间存在厚度相当小的晶界。 多晶体的在冷态下的塑性变形机制包括:晶体一部分相对另一部分的滑移、孪生(晶内变形)、晶粒之间相互滑动和转动(晶间变形)。具体内容在材料科学基础之范性形变中讲解。,5.3-2,5.3 金属塑性加工物理基础,5.3.1.2 冷塑性变形的特点 由于组成多晶体的各个晶粒位向不同,塑性变形不是在所有的晶粒内同时发生,而是首先在那些位向有利、滑移系上的切应力分量已
2、优先达到临界值的晶粒内进行。 要求每个晶粒进行多系滑移,即除了在取向有利的滑移系中进行滑移外,还要求其他取向并非很有利的滑移系也参与滑移。 多晶体变形的另一特点是变形的不均匀性。,5.3-3,5.3 金属塑性加工物理基础,5.3.1.3 冷塑性变形对金属组织和性能的影响 1、组织的变化 1) 晶粒形状的变化 金属经冷加工变形后,其晶粒形状发生变化,变化趋势大体与金属宏观变形一致。 2) 晶粒内产生亚结构 3) 晶粒位向改变(变形织构) 多晶体中原为任意取向的各个晶粒,会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。这种由于塑性变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织,称为“变形织构”。,5.3-4,5.3 金属塑
3、性加工物理基础,2、性能的变化 其中变化最显著的是金属的力学性能,即随着变形程度的增加,金属的强度、硬度增加,而塑性韧性降低,这种现象称为加工硬化。 对于不能用热处理方法强化的材料,借助冷塑性变形来提高其力学性能就显得更为重要。 加工硬化对金属塑性成形也有不利的一面。它使金属的塑性下降,变形抗力升高,继续变形越来越困难,特别是对于高硬化速率金属的多道次成形更是如此。,5.3-5,5.3 金属塑性加工物理基础,5.3.2 金属热态下的塑性变形 在热塑性变形过程中,回复、再结晶与加工硬化同时发生,加工硬化不断被回复或再结晶所抵消,而使金属处于高塑性、低变形抗力的软化状态。 5.3.2.1 热塑性变
4、形时的软化过程 按其性质可分为以下几种:动态回复,动态再结晶,静态回复,静态再结晶,亚静态再结晶等。动态回复和动态再结晶是在热塑性变形过程发生的;而静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶则是在热变形的间歇或热变形后,利用金属的高温余热进行的。 具体细节在材料科学基础之回复与再结晶中讲解。,5.3-6,5.3 金属塑性加工物理基础,5.3.2.2 热塑性变形机理 金属热塑性变形机理主要有:晶内滑移,晶内孪生,晶界滑移和扩散蠕变等。 1、晶内滑移和晶内孪生 在通常条件下(一般晶粒大于10m以上时),热变形的只要机理仍然是晶内滑移。滑移系数目少的密排六方金属中晶内孪生是可能的塑性变形机制之一。 2、晶界
5、滑移 热塑性变形时,由于晶界强度低于晶内,使得晶界滑移易于进行;又由于扩散作用的增强,及时消除了晶界滑动所引起的破坏。,5.3-7,5.3 金属塑性加工物理基础,3、扩散性蠕变 扩散性蠕变是在应力场作用下,由空位的定向移动所引起的。,扩散性蠕变,5.3-8,5.3.2.3 热塑性变形的金属组织和性能的影响 1、改善晶粒组织 热塑性变形可以改善晶粒组织。通常应用动态再结晶图进行论述。,GH4037镍基高温合金的 动态再结晶图,5.3-9,2、锻合内部缺陷 如微裂纹、疏松等。 3、破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布 4、形成纤维组织,钢锭锻造过程中纤维组织形成示意,5.4-1,5.4 金属
6、的塑性加工成形性 5.4.1 金属的热成形性能 5.4.1.1 金属的可锻性 金属在热状态下的成形性能通常用金属的可锻性 (Forgeability)来衡量,它是表示材料在热状态下经受压力加工时塑性变形的难易程度。若材料在热态下很易进行塑性变形,则说明其可锻性好。相反,则可锻性差,因而就不宜用压力加工方法来成形。因此,可锻性是金属热加工的一种重要工艺性能。 可锻性的优劣一般常用金属的塑性和变形抗力两个指标来衡量。金属的塑性愈高,变形抗力愈低,则其可锻性愈好,反之则差。这是因为塑性高、变形抗力低,即使在变形量很大的情情况下也不易产生裂纹,且变形时消耗的能量也小。,5.4.1.2 影响可锻性的因素
7、 可锻性是金属在热态下进行塑性加工的基础,它主要取决于金属的成分、组织和加工条件。 1、金属的成分 不同成分的金属材料的可锻性是不一样的。一般来说,纯金属的可锻性比合金好,低碳钢的可锻性优于高碳钢,低碳低合金钢的可锻性优于高碳高合金钢。原因:纯金属的塑性比合金好,变形抗力低。在钢中,随碳和合金元素含量的增加,不仅固溶强化作用增大,而且还会形成熔点高、硬而脆的合金碳化物,特别是在高碳高合金钢中往往易出现硬而脆的共晶莱氏体,使钢的强度和塑性显著降低,脆性增大,所以高碳高合金钢的可锻性较差。有害杂质元素的存在也会严重影响材料的可锻性,例如钢中含有较高的硫或氢,工业纯铜中含有较高的铅或铋,都会使材料的
8、可锻性显著变坏。,5.4-3,2、金属的组织 金属的组织不同,其可锻性有很大的差别。通常单相组织的可锻性比多相组织的可锻性好,这是因为单相组织均匀、塑性高。多相组织易造成组织的不均匀性,且各相的塑性有很大差别,会引起变形的不均匀性,因而可锻性差。 例如在高速钢和高碳高铬钢等高合金工具钢中,由于有大量的硬而脆的合金碳化物存在,且常易在晶界上形成连续或不连续的网状组织,使钢变脆,故其可锻性比一般的碳钢、低合金钢要差得多。此外,铸态下的柱状组织、粗晶粒组织、晶界上存在偏析、或有共晶莱氏体组织存在,均使塑性变差,易产生不均匀变形,故其可锻性也差。,5.4-4,3、加工条件 1) 变形温度 一般来说,随
9、变形温度的升高,可提高金属的可锻性。这是因为温度高,原子的热振动增大,使滑移变形的阻力减小,因此使塑性增大、变形抗力减小,从而提高金属的可锻性。但是,对于不同的合金随温度的升高其可锻性有很大的差异,如下图所示。,5.4-5,不同合金系列8种典型金属的可锻性 纯金属及单相(铅、钼、镁)合金; 纯金属及单相合金(晶粒长大敏感者; 具有不溶组分的合金; 具有可溶组分的合金; 加热时形成有塑性第二相的合金; 加热时形成低熔点第二相的合金; 冷却时形成有塑性第二相的合金; 冷却时形成脆性第二相的合金; Tm熔化温度。,5.4-6,可见,对于晶粒长大很敏感的合金(类型),其可锻性随温度升高因晶粒急剧长大反
10、而降低,尤其是当晶界形成脆性相时,晶粒尺寸的增大对可锻性的不利影响更为明显。对于具有不溶性化合物的合金(类型),不管变形温度如何都呈现出脆性,可锻性很差。而对于具有可溶性化合物的合金(类型),随温度升高化合物可不断溶入基体,因此可改善其可锻性。此外,从图中还可看到,类型到类型合金的可锻性随变形温度的变化规律,这均说明了不同特性的第二相随变形温度的升高对合金的可锻性具有不同的影响。 最后还应指出,对于所有的合金,当温度接近熔点时,会引起过烧,使可锻性急剧降低。,2) 变形速度 变形速度对金属可锻性的影响具有双重性,一方面由于随着变形速度的增加,回复与再结晶过程来不及进行,因而不能及时消除加工硬化
11、现象,故使塑性降低,变形抗力增大,可锻性变坏。另一方面,由于随着变形速度的增高,产生热效应,使金属的塑性升高,变形抗力降低,又有利于改善可锻性。这种变化关系如下图示出。可见,a点左侧其可锻性随变形速度的增大而变差,在a点的右侧则相反。必须指出,变形时的热效应,除高速锤锻造和高能成形外,在一般压力加工成形过程中,由于变形速度低故不太显著。,变形速度与塑性及抗力的关系 1变形抗力变化的曲线 2塑性变化的曲线,3) 应力状态 用不同的压力加工方法成形金属时,所产生的应力状态和变形抗力是不同的。对相同试件进行拉拔与挤压的对比试验结果表明,拉拔时变形区内呈现两向压缩和一向拉伸应力状态,拉拔力P拉为10.
12、5kN。而挤压时,则变为三向压应力状态,挤压力P压为335kN,如图所示。,应力状态条件对可锻性的影响 (a)一试样;(b)一拉拔;(c)一挤压,5.4-9,由此可见,采用拉拔方法成形省力,但对材料的塑性要求较高些;而用挤压方法成形费力,但可降低对材料的塑性要求。所以对低塑性材料进行压力加工时,应尽可能创造压应力状态的变形条件。理论和实践都证明,在应力状态图中,压应力成分的数量愈多,则其塑性愈好;拉应力成分的数量愈多,则其塑性愈差。这是因为在金属内部难免会存在程度不同的微小气孔或裂纹等缺陷,在拉应力的作用下,易在缺陷处产生应力集中而破裂,从而损害金属的塑性。而压应力则会增加金属的内摩擦,使变形
13、难以产生,从而增大金属的变形抗力。,5.4-10,5.4.1.3 降低变形抗力的途径 在热压力加工过程中,为了创造最有利的变形条件,充分地进行变形,而所消耗的能量又最少,必须充分发挥金属的塑性,降低变形抗力,其主要途径有: (1)降低材料自身的变形抗力 最有效的措施是适当提高热变形时的温度。 (2)改善变形时的受力状态 主要是采用合理的变形方案,设计合理的模膛,减少变形时的摩擦阻力。例如圆筒形零件可采用挤压方法成形。 (3)减少加工过程中的接触面积 这样可显著减小总变形力,可用小设备加工大零件。例如近年来用的摆动辗压新工艺就是利用这一原则。,5.4-11,5.4.2 金属的冷成形性能 5.4.
14、2.1 影响金属冷成形性的主要力学性能参量 前已述,金属与合金在冷态下可通过冲压、拉拔、弯曲、轧制、挤压和镦锻等各种成形工艺来生产零件和半成品。金属通过冷成形不仅可获得一定形状尺寸的产品,而且可改善其组织和性能。 通常影响金属冷成形性的主要力学性能参量如下: 1、屈服强度s 为了使冷变形易于进行,而且能均匀地发生变形,一般要求材料有低而均匀的屈服强度。,5.4-12,2、应变硬化指数n 在拉伸试验中,对钢的加工硬化行为可用下式表达=kn 式中为真实流变应力;为真应变; k为常数; n为应变硬化指数,其大小表示材料发生颈缩前依靠加工硬化使材料发生均匀变形能力的大小。 可以证明,n在数值上与均匀变
15、形量u是相等的。因此,n值大,均匀变形量大,这意味着因硬化而使应变均匀分配的能力大,材料在变形过程中不易发生颈缩,这对于深冲压的拉延成形是一个极为重要的性能指标。所以为了保证最佳的拉延成形性,要求材料有大的n值。,5.4-13,3、塑性应变比 塑性应变比是材料塑性应变方向性的度量,它可用下式表示=w/t 式中 w为宽度真应变; t为厚度真应变。 大,表明材料的宽度真应变大,而厚度真应变小,所以它是决定材料深冲性能的关键参量。为了保证材料有良好的深冲性能以及使一般的冷成形工艺得以顺利进行,要求材料的塑性应变比要大于1。 4、 u均匀变形量和断裂总应变量f 通常要求u均匀变形量和断裂总应变量f 尽
16、可能的高,这无论是对于弯曲、拉拔和冷轧等成形工艺的顺利进行都是有好处的。,5.4-14,5.4.2.2 影响金属冷成形性力学性能参量的冶金因素 影响金属冷成形性的力学性能参量的冶金因素主要是材料的种类和成分、组织结构以及冶金质量。 1、材料的种类和成分 不同的金属或合金对上述力学性能参量有不同的影响。通常面心立方金属或合金比体心方金属或合金具有低的屈服强度、更好的塑性和较大的n值,故其冷成形性能比体心立方金属或合金好。 在纯金属中加入了合金元素后将形成固溶体,并可能出现第二相,形成多相合金,由于固溶强化和第二相的强化作用将会引起合金屈服强度的升高、塑性和应变硬化指数的降低。因此,一般均降低材料
17、的冷成形性能。,5.4-15,例如冷压力加工用钢,随钢中碳、锰、硅和磷等含量的增高,其冷成形性能将变坏。为此,对冷压力加工用钢,在满足强度要求的前提下,应尽可能降低碳、硅含量,严格控制有害元素磷的含量。例如冷冲压薄板钢通常都采用低碳沸腾钢08F和10F。 2、材料的组织结构 通常细化晶粒不仅可提高材料的屈服强度,而且可改善塑性。在钢中随铁素体的细化,虽然塑性可得到改善,但屈服强度提高,应变硬化指数减小。因此,对冷压力加工用钢而言,为改善其冷成形性能,铁素体晶粒不宜太细。此外,采用适当的合金化与热处理可获得较好的组织状态,来改变材料的力学性能,从而改善其冷成形性能。,5.4-16,例如:相同含碳
18、量的钢经球化退火后,可获得球状珠光体的组织,它比片状珠光体具有更低的屈服强度和较高的塑性,因而低碳钢和低碳合金钢的冷挤压成形加工及高碳滚动轴承钢的冷镦成形加工都要求具有球状珠光体的原始组织。 晶体结构主要影响塑性应变比,研究表明,当111晶面平行于轧制平面时,值就大。在钢中加入少量的钛和铌,可形成特殊的铁素体织构,使它的111晶面和晶向平行于轧制板面,从而可增大。另外,用铝稳定的钢也可提高值(最高可达1.41.8,而通常沸腾钢的值约为1.01.2)。 3、材料的冶金质量 冶金质量主要影响材料的塑性指标,例如钢中夹杂物过多时,必然会导致塑性降低,使冷成形性能变坏。,5.5-1,5.5 轧制、挤压
19、、拉拔,5.5.1 轧制 5.5.1.1 概述 轧制是金属坯料在旋转轧辊的间隙中靠摩擦力的作用连续进入轧辊而产生塑性变形的一种压力加工方法,大约有90左右的钢和大部分有色金属都要经过轧制。 轧制的主要形式有纵轧、横轧和斜轧三种,其示意图示于下图。,轧制的主要形式 (a)纵轧;(b)横轧;(c)斜轧 1一轧辊;2一坯料;3一芯捧,5.5-2,可见,纵轧时坯料在转向相反的两个轧辊作用下产生变形,并沿着垂直于轧辊轴线方向移动。横轧是坯料在转向相同的两个轧辊作用下转动并产生变形,且坯料与轧辊轴线互相平行。斜轧是坯料轴线与轧辊轴线相交成一定角度的轧制方法,在变形过程中坯料既转动,又沿自身的轴线向前移动。
20、 纵轧主要用于各种型材、板材和管材等成形加工,但在某些情况下也可用于零件的成形加工。横轧和斜轧主要用于零件成形加工,而斜轧还可用于无缝管材的成形加工。 轧制所用的坯料主要是钢锭或铜、铝等有色金属及其合金铸锭。轧材的类型取决于轧辊的种类和形状。,5.5-3,轧 辊 (a)平轧辊;(b)带槽轧辊;(c)孔型; (d)4辊机座上的轧辊分布;(e)12辊机座上的轧辊分布,下图示出了常见轧辊的种类和形状,其中平轧辊用于板材和带材的轧制,带槽轧辊用于各种型材的轧制。在多辊机座中(d),(e),只有两个为工作辊,其余均为支承辊,有了支承辊,便可使用小直径的工作辊,因而可提高延伸比,降低变形力。,5.5-4,
21、轧机按用途可分为初轧机和成品轧机两大类。初轧机的作用是将金属铸锭轧制成各种形状和规格的半成品,为型材、板材和管材等的轧制提供坯料。成品轧机有型材轧机、板材轧机、管材轧机和特种轧材轧机。在轧制生产中,型材轧机的规格都是用轧辊辊身的直径来表示的,如350型材轧机。板材轧机的规格用轧辊辊身的长度来表示,如3600轧机。管材轧机的规格用轧制管材的外径来表示。 轧材生产的一般工艺过程是首先将铸锭经加热后在初轧机上热轧成各种形状和规格的坯料,然后将初轧坯料再经加热后在不同的成品轧机上热轧成各种型材、板材和无缝管材等。对于薄板材(厚度在1.5mm以下)和冷弯型材,则通常分别用热轧卷材和热轧板带材作坯料,经酸
22、洗后进行冷轧并经退火,得到冷轧薄板和冷轧型材。,5.5-5,现在,轧制板坯正在被日益广泛使用的连铸板坯所代替,连铸板坯大多是在连续热轧机上轧制的。焊管所用坯料为带材或板材,经热轧或冷轧成管坯后将缝隙焊接而成。此外,热轧管经冷轧或拉拔后可生出壁厚更小、表面质量更好、尺寸精度更高的管材。,5.5-6,5. 5.1.2 轧制产品的质量控制 1、热轧 热轧具有塑性好、变形抗力低、生产规模大、效率高、成本低等优点,故许多型材、板材和管材都是通过热轧成材的。典型热轧材的一般生产工艺流程如下: 1) 热轧型材 型材坯料准备加热轧制切断冷却矫直清理检查捆扎 2) 热轧薄板 板坯准备加热粗轧精轧冷却卷取松卷剪切
23、热轧薄板 3) 热轧无缝管 实心管坯准备加热斜轧穿孔机穿孔自动轧管机轧制成毛管滚轧轧制均整纵轧定径机轧制成要求管径精整,5.5-7,为控制热轧产品的质量,在生产过程中应采取如下有关工艺措施: 1) 轧前应对坯料表面结疤、裂纹、夹渣、折叠、飞刺等各种缺陷进行仔细的清理,这是保证轧材表面质量的关键,否则氧化皮被压人表面会产生缺陷,而原有缺陷在轧制中会进一步扩大,引起更多的缺陷,甚至会影响轧材的塑性和成形性,降低轧材的表面质量和合格率。 有些坯料(例如合金钢坯)在清理前往往还要进行退火处理,以降低硬度,便于进行表面清理,同时还可消除内应力、均匀成分、去除有害气体,以提高轧材塑性,防止轧制开裂,提高成
24、品率。,5.5-8,2) 根据坯料的种类、成分和尺寸确定合适的加热温度、加热速度和保温时间,以降低坯料在加热过程中的氧化脱碳倾向,避免引起过热、过烧,降低内应力,从而使轧材表面不易产生麻点、氧化皮或发裂等表面缺陷,防止轧材力学性能的降低和轧制开裂的产生。 3) 正确控制轧制温度、轧制速度和变形程度是保证轧制产品质量的一个中心环节。因为它不仅可保证产品的精确成形,而且可改善其组织性能。轧制温度主要包括开轧和终轧温度的确定,终轧温度控制轧材的组织性能,而开轧温度的确定必须以保证终轧温度为依据。例如碳钢的开轧温度一般比加热温度低些,而终轧温度视成分而异。轧制亚共析钢,终轧温度一般应高于Ar3线约50
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