材料工程基础-第3章金属压力加工.ppt

金属压力加工,铸造件展示,铸造件展示,在可以铸造的前提下，为什么要压力加工？,优点：组织细化致密、力学性能提高；体积不变的材料转移成形，材料利用率高;生产率高，易机械化、自动化等。可获得精度较高的零件或毛坯，可实现少无切削加工。,在可以铸造的前提下，为什么要压力加工？,缺点：不能加工脆性材料；难以加工形状特别复杂（特别是内腔）、体积特别大的制品；设备、模具投资费用大。,目录,3.0塑性变形基础3.1锻造3.2冲压3.3轧制和挤压,3.0塑性变形基础,一、弹性变形,3.0塑性变形基础,二、塑性变形,3.0塑性变形基础,二、塑性变形,3.0塑性变形基础,二、塑性变形,滑移的机理：把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。,3.0塑性变形基础,二、塑性变形,变形过程复杂晶粒位相的影响晶界的影响多晶体滑移的不均匀性晶粒大小的影响,多晶体的塑性变形,3.0塑性变形基础,二、塑性变形加工硬化,3.0塑性变形基础,二、塑性变形加工硬化,3.0塑性变形基础,二、塑性变形加工硬化,3.0塑性变形基础,二、塑性变形回复、再结晶软化,温度升高,能量？如何降低能量？,3.0塑性变形基础,回复、再结晶软化,回复再结晶晶粒长大,能量？如何降低能量？,3.0塑性变形基础,回复、再结晶软化,动态再结晶,3.0塑性变形基础,回复、再结晶软化,正常长大,异常长大,3.0塑性变形基础,二、塑性变形变形温度、速度,变形温度,温度越低，金属塑性越差，变形抗力越大，锻造性能越差，易开裂。常加热至奥氏体单相区进行锻造。,温度过高，引起表面氧化、脱碳、过热、过烧等缺陷。同时，应避免在部分金属的脆化温度区间锻造。,3.0塑性变形基础,二、塑性变形变形温度、速度,应变速率,低应变速率范围，变形时间过长，散失的变形热多，形变热效应越小，锻件温度下降，金属塑性降低。,高应变速率范围，变形时间短，散失热量少，热效应大，金属塑性增加，变形抗力减小。但当速率过快时，来不及发生再结晶，加工硬化会导致零件开裂。,3.0塑性变形基础,二、塑性变形冷变形VS热变形？冷、热以再结晶温度为分界。,3.1锻造,锻造生产的重要性,(一)国防工业：飞机上的锻压件重量占85；坦克上的锻压件重量占70；大炮、枪支上的大部分零件都是锻制而成的。(二)机床制造工业：主轴、传动轴、齿轮和切削刀具等都由锻件制成的。(三)电力工业：水轮机主轴、透平叶轮、轮子、护环等均由锻件制成。(四)交通运输工业：机床上的锻压件重量占60；汽车上的锻压件重量占80；轮船上的发动机曲轴和推力轴由锻制而成。(五)农业：拖拉机、收割机的主要零件也都是锻制成的，如拖拉机上就有560多种锻件。(六)日常生活用品：锤子、斧头、小刀、钢丝钳等亦均是锻制而成。,3.1锻造,3.1锻造,3.1锻造,铸造：熔体的流动性。,引言一：合金的可煅性？,金属的可锻性是指金属经受锻造成形优质零件的能力，通常用塑性与变形抗力来衡量。塑性越高，锻造性能越好，越有利于加工成形。,化学成分,纯金属,合金,低碳钢,高碳钢,碳钢,合金钢,低合金钢,高合金钢,碳和合金元素含量越高，塑性越差，锻造性能越差。,金属组织,单相固溶体,多相合金,第二相的性能、数量、形状、分布对多相合金的锻造性能有重要作用（Cm）。,细晶粒金属,粗晶粒金属,细晶粒组织比粗晶粒具有更好的塑性和锻造性能。,过高温度,合理温度,10000保证板形良好的条件：比例凸度相等，冷轧要求最严格,3.3轧制和挤压,一、轧制冷轧的特点,变形抗力大，厚度精度要求高、难度大轧制力大，轧机弹性变形大，要求机架刚度大轧辊弹性变形（压扁、弯曲）大，要求辊系刚度大轧辊热膨胀和磨损大采用润滑轧制减小摩擦对数学模型要求高,3.3轧制和挤压,一、轧制冷轧的特点,带张力轧制（张应力t：0.3S）张力作用：防止轧件跑偏改变轧件应力状态，降低轧制力控制板形,3.3轧制和挤压,一、轧制冷轧的特点,工序多，工艺复杂，综合性强主要工序：酸洗轧制脱脂退火平整剪切矫直镀层技术综合：冶金、机械、控制、计算机学科综合：力学（轧制力、张力、应力分析）化学（酸洗、脱脂、涂层）数学（模型、公式、算法）金属学（退火、织构、组织性能）物理学（摩擦、润滑、表面）其它：机械学、控制理论、人工智能,3.3轧制和挤压,一、轧制,酸洗目的：清除氧化铁皮，保证带钢表面质量酸洗方式：1960年前，硫酸酸洗，难回收1960年后，盐酸酸洗，可再生利用（深槽酸洗浅槽酸洗推式酸洗）1990年后，湍流酸洗湍流酸洗要点：无槽，带钢在窄缝中运行，酸液运动方向与带钢相反,形成湍流.效率高，酸洗时间短、质量好，省电，事故处理容易,3.3轧制和挤压,一、轧制,连续式冷连轧机组,开卷机,3.3轧制和挤压,一、轧制,CDCM-酸轧联合机组,3.3轧制和挤压,酸-轧-退火联合机组(FIPL)示意图,典型机组：新日铁广畑厂（1987），美国Inlandsteel操作数据：设备利用率95，成材率96.9%，年产量：108万吨能耗降低40%，断带事故：0.1卷/月,3.3轧制和挤压,表面质量缺陷,欠酸洗：钢材表面或多或少存在着没有洗掉的氧化铁皮（铁鳞）或污面，称为欠酸洗。,3.3轧制和挤压,表面质量缺陷,过酸洗：是因酸洗过度在钢材表面留下印迹的现象，过酸洗可能是普遍的，也可能是局部的。过酸洗的带钢延伸性大大降低，在轧制过程中，很容易断裂和破碎。,3.3轧制和挤压,表面质量缺陷,表面裂纹：指钢材表面的开裂，其类型很多，常见的是裂缝、发纹和横裂。,3.3轧制和挤压,表面质量缺陷,表面夹杂：是由连铸工艺中非金属夹杂物导致。开始存在于皮下，加工后暴露于外，也可由结晶器或清理表面缺陷诱发。主要是炼钢原因：（1）吹氩时间短，夹杂物未充分上浮；（2）连铸时，保护渣带入钢中；（3）中包液面低，钢渣卷入钢水中。,3.3轧制和挤压,表面质量缺陷,气泡：是指钢板表面无规律分布的、圆形的、大小不等的凸包。因铸坯存在较多的气泡等缺陷，虽经多道轧制没有焊合，残留在钢带上。,3.3轧制和挤压,一、轧制,3.3轧制和挤压,一、轧制,碾环轧制的特点,I、局部连续变形，变形区小，省力。,II、设备工装简单，费用低,III、适用形状复杂、冲压难以成形的零件。（薄壁收口容器、大型封头等）,3.3轧制和挤压,二、挤压,特点：I、三向压应力作用，塑性好。,II、纤维组织连续，力学性能好。,3.3轧制和挤压,二、挤压,对放在容器中（挤压筒）的材料一端施加压力，使其通过模孔成型的加工方法。,3.3轧制和挤压,二、挤压,管材,3.3轧制和挤压,二、挤压正挤压反向挤压,金属的流动方向与挤压杆（挤压轴）的运动方向相同。,金属的流动方向与挤压杆，的相对运动方向相反,3.3轧制和挤压,二、挤压正挤压反向挤压,反向挤压的特点：摩擦力相对较小。,正向挤压的特点：挤压过程中挤压筒与金属坯料间的摩擦力大(因为整个坯料都在挤压筒中运动)，消耗能量多，模具损耗。,3.3轧制和挤压,二、挤压正挤压反向挤压,反向挤压的特点：摩擦力相对较小。组织均匀,正向挤压的特点：摩擦力大，流动困难，组织不均匀,3.3轧制和挤压,现实生活中，塑料垃圾常常在河流弯道处堆积。利用这个现象，能否对挤压过程做点什么？,3.3轧制和挤压,二、挤压,存在两个难变形区：前死区和后死区。一般指前死区。位于挤压筒与模子端面交界处的金属，基本上不发生塑性变形，故称为死区。,影响死区大小的因素：a、模角模角平缓，死区小；b、摩擦系数f摩擦系数小，死区小；,影响死区大小的因素：,c、挤压比挤压比大，死区高度大，但总体积减小；d、挤压温度热挤压死区大，冷挤压死区小；,3.3轧制和挤压,二、挤压,影响死区大小的因素：,e、挤压速度v挤压速度快，死区小；,3.3轧制和挤压,二、挤压,3.3轧制和挤压,二、挤压,死区的作用：可阻碍锭坯表面的杂质、氧化物、偏析瘤、灰尘及表面缺陷进入变形区压缩锥而流入制品表面，提高制品表面质量。,3.3轧制和挤压,二、挤压正挤压反向挤压,反向挤压的特点：死区相对较小，表面质量差。,正向挤压的特点：死区大，可拦截大量杂物，表面质量好。,3.3轧制和挤压,二、挤压复合挤压：,概念：挤压筒中的金属在挤压杆作用下沿挤压杆运动方向及其反方向被同时挤出，这种挤压方法称为正反联合挤压法。技术特点：挤压时单位压力峰值明显下降，因而在冷挤压工艺尤其是在薄壁和形状复杂的零件生产中运用较多。,3.3轧制和挤压,二、挤压径向挤压：,侧向挤压的特点是：挤压模与锭坯轴线成90角，金属流动的形式将使制品纵向力学性能差异最小；变形程度较大，挤压比可达100，制品强度高；要求模具和工具具有高的强度及刚度。用于生产复合导线,3.3轧制和挤压,二、挤压,挤压制品的裂纹,3.3轧制和挤压,二、挤压,表面裂纹产生原因：裂纹的产生是由于制品表面层的附加拉应力超过了表面金属的强度所造成。其产生与以下因素有关：（1）锭坯加热温度过高；（2）锭坯沿长度方向温度不均，由低突然变高；（3）挤压速度过快。,3.3轧制和挤压,二、挤压,中心裂纹产生原因：,3.3轧制和挤压,二、挤压,3.3轧制和挤压,三、拉拔,挤压时金属应力状态,拉拔时金属应力状态,主应力中压应力的数目越多，金属的流动性越好。,3.3轧制和挤压,三、