机械制造金属压力加工基础思维导图

U217001655

2022-11-21

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机械

制造

压力

机械制造金属压力加工基础的概述

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思维导图大纲

金属塑性变形工艺基础

金属塑性变形工艺

常见金属压力加工方法

锻造

自由锻

生产大型锻件的唯一方法

模锻

利用锻模使坯料变形而获得锻件的锻造方法。

板料冲压

金属板料在冲模间受外力作用而产生分离或变形的加工方法。

轧制

轧制主要用于钢材的生产，如板材，型材，管材等。

按轧辊轴线与轧制线间和轧辊转向的关系不同，可分为纵轧、斜轧和横轧。

挤压

挤压主要适用于有色金属的型材和管材的加工。

坯料在封闭模腔内受三向不均匀压应力作用下，从模具的孔口或缝隙挤出，使之横截面积减小，成为所需制品的加工方法。

拉拔

坯料在牵引力作用下通过模孔拉出，使之产生塑性变形而得到截面小、长度增加制品的工艺

金属压力加工的特点

优点

改善金属组织，提高金属的力学性能

适用范围广，生产效率高

材料利用率高

缺点

难以获得形状较复杂的零件

塑性变形理论及假设

最小阻力定律

塑性变形前后体积不变的假设

变形程度的计算

在压力加工过程中，常用锻造比(Y锻)来表示变形度。锻造比的计算公式与变形方式有关。

拔长时的锻造比为:Y拔＝F0/F （F0和F为拔长前后钢锭横断面积）

镦粗时的锻造比为:Y镦＝H0/H（H0和H为镦粗前后钢锭高度）根据锻造比即可得出坯料的尺寸。

实质

晶内变形：外力作用下，某一晶粒的塑性变形。

晶间变形：晶粒之间的相互位移或转动。

塑性变形

内应力超过金属屈服点后，外力停止作用后，金属变形并不完全消失。

滑移面

在切向应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定的晶面产生相对滑移，该面称为滑移面。

位错运动

由于位错的存在，部分原子处于不稳定状态。在比理论值低得多的切应力作用下，处于高能位的原子很容易从一个相对平衡的位置上移动到另一个位置上。

位错运动引起塑性变形

原子并不是整体的刚性运动而是以位错运动引起金属塑性变形。

滑移系

实验表明：滑移系越多，滑移越容易，塑性越好。BCC与FCC的滑移系数相同，但滑移方向对塑性变形的作用比滑移面大，所以FCC的塑性比BCC的塑性好。如γ-Fe的塑性比α-Fe好。

金属塑性变形对金属组织与性能的影响

1、将铸锭加热进行压力加工后，由于金属经过塑性变形及再结晶，从而改变了粗大的铸造组织，获得细化的再结晶组织。

2、同时还可以将铸锭中的气孔、缩松等压合在一起，使金属组织更加致密，其力学性能会有很大提高。

3、铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫纤维组织。

4、具有纤维组织的金属，各个方向上的力学性能不相同。顺纤维方向的力学性能比横纤维方向的好。

纤维组织的利用原则

使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断；

使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。

纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除，只能通过塑性加工使金属变形，才能改变其方向和形状。

冷变形及热变形

冷变形

变形温度低于回复温度时，金属在变形过程中只有加工硬化而无回复与再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化组织，这种变形称为冷变形。

T回=（0.25～0.3）T熔

冷变形强化（加工硬化）

在冷变形时，随着变形程度的增加，金属材料的所有强度指标（弹性极限、比例极限、屈服点和强度极限）和硬度都有所提高，但塑性和韧性有所下降。

产生原因：

滑移面上的碎晶块

附近晶格的强烈扭曲

回复：

冷变形后的金属加热至一定温度后，因原子的活动能力增强，使原子回复到平衡位置，晶粒残余应力大大减小。

回复温度：T回=(0.25～0.3)T熔

热变形

变形温度在再结晶温度以上时，变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。

T再=0.4T熔

再结晶：

当温度升高到该金属熔点的0.4倍时（ T再=0.4T熔），金属原子获得更多的热能，使塑性变形后金属被拉长了的晶粒重新生核、结晶，变为变形前晶格结构相同的新等轴晶粒。

金属的可锻性

可锻性

影响

材料的性质(内因)

化学成分的影响

纯金属的可锻性比合金的可锻性好。钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大。

例：纯铁、低碳钢和高合金钢，它们的可锻性是依次下降的。

金属组织的影响

纯金属及固溶体(如奥氏体)的可锻性好。而碳化物(如渗碳体)的可锻性差。

铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好

加工条件(外因)

变形温度

在一定的变形温度范围内，随着温度升高，原子动能升高，从而塑性提高，变形抗力减小，有效改善了可锻性。若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低，这种现象称为“过热”。若加热温度更高接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废，这一现象称为“过烧”。金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度。不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的温度称终锻温度。

变形速度

一方面由于变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大，可锻性变坏。

另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高(称为热效应现象)。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a点以后)，可锻性变好。

应力状态

挤压时为三向受压状态；拉拔时为两向受压一向受拉的状态。

压应力的数量愈多，则其塑性愈好，变形抗力增大；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差

拉应力

使金属原子间距离增大，尤其当金属的内部存在气孔、微裂纹等缺陷时，在拉应力作用下，缺陷处易产生应力集中，使裂纹扩展，甚至达到破坏报废的程度。

压应力

使金属内部原子间的距离减小，不易使缺陷扩展使金属内部摩擦阻力增大，变形抗力也随之增大应力力求创造最有利的变形条件，充分发挥金属的塑性，降低变形抗力，使功耗最少，变形进行得充分。

塑性

变形抗力