1——材料基础.ppt

板带轧制和冲压 蒋显全 参考书目 高等学校教材金属塑性加工学 庞玉华主编西北工业大学出版社2005年03月第1版 金属塑性加工学 轧制理论与工艺冶金工业出版社王廷溥 材料成形学 机械工业出版社李新城 金属工艺学 上 下册高等教育出版社邓文 材料成型工艺基础 华中理工大学出版社沈其文 机械制造学 机械工业出版社王贵成 工程材料与热加工工艺 西北工业大学出版社裴崇斌 机械加工工艺 西北工业大学出版社裴崇斌 机械加工工艺基础 清华大学出版社金问楷 教学目的 对材料的各种成型方法有一定的认识 了解板带轧制和冲压的成型方法和加工工艺知识 并对其原理有一定的认识 为学习其它相关工艺及从事加工制造方面的工作奠定必要的理论基础 第1 1节 材料的主要性能第1 2节 金属的塑性第1 3节 金属塑性成形基础 第一章材料基础 工程材料发展过程 人类社会历史 石器时代 铜器时代和铁器时代 石斧 青铜鼎 沧州铁狮子 神舟五号飞船 材料的发展历史 第1 1节材料的主要性能 工艺性能 加工成形的性能 1 1 1金属材料的力学性能1 1 2金属材料的物理 化学性能1 1 3金属材料的工艺性能 1 1 1材料的力学性能 材料在外力作用下表现出来的特性 如弹性 塑性 强度 硬度和韧性等 表征和判定金属力学性能所用的指标和依据称为金属力学性能的判据 外力作用下材料的变形与失效 作用在机件上的外力 载荷 F F MPa 外力 内力 应力 静载荷 动载荷 F S 拉伸实验 k b b 极限载荷点 F e e 弹性极限点 s S 屈服点 K 断裂点 拉伸曲线 F F L 缩颈 o 1 两种基本变形弹性变形材料受外力作用时产生变形 当外力去除后恢复其原来形状 这种随外力消失而消失的变形 称为弹性变形 塑性变形材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形 称为塑性变形 2 变形的三个阶段 3 常见的几种失效形式 弹性 图1 1拉伸曲线及拉伸试样 即物体在外力作用下改变其形状和尺寸 当外力卸除后物体又回复到原始形状和尺寸的特性 弹性的判据可通过拉伸试验来测定 图1 2典型拉伸曲线 L F b k s e b s e 弹性极限 即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力 拉伸曲线e点对应的应力 e为弹性极限 e Fe S0式中 e 弹性极 MPa Fe 试样产生完全弹性变形时的最大外 N S0 试样原始横截面积 mm2 o 即材料抵抗弹性变形的能力 刚度的大小以弹性模量来衡量 弹性模量在拉伸曲线上表现为oe段的斜率 即 E 式中E 弹性模量 MPa 应力 MPa 应变 刚度 E 在弹性阶段 所以 强度 材料在外力作用下 抵抗永久变形和断裂的能力 1 屈服强度 S 指材料在外力作用下 产生屈服现象时的应力 s Fs S0 MPa 式中 s 屈服点 MPa Fs 试样开始产生屈服现象时的 N S0 试样原始横截面积 mm2 它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力 屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据 当材料单位面积上所受的应力 e s时 材料将产生明显的塑性变形 条件屈服强度 0 2 F0 2 S0 MPa 2 抗拉强度 即试样拉断前承受的最大标称拉应力 拉伸曲线上b点对应的应力为抗拉强度 b Fb S0式中 b 抗拉强度 MPa Fb 试样断裂前所能承受的最大拉力 N S0 试样原始横截面积 mm2 k b F e s 100 0 2 b 抗拉强度 是脆性材料选材的依据 塑性 常用的塑性判据是伸长率 和断面收缩率 伸长率 材料在外力作用下 产生永久变形而不引起破坏的能力 断面收缩率 F F L 良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件 硬度 即材料抵抗局部变形的能力硬度是材料抵抗塑性变形 压痕的能力 是衡量金属软硬的判据 也是表征力学性能的一项综合指标 是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力 布氏硬度试验用一定直径的球体 钢球或硬质合金球 以相应的实验力压入试样表面 经规定时间后卸除实验力 用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验 布氏硬度的符号有两种 压头为钢球时用HBS表示 压头为硬质合金球时用HBW表示 布氏硬度试验测定的值较为准确 但不能测量薄片材料和成品 主要用于较软的材料及半成品的硬度测量 1 布氏硬度 布氏硬度 HB F 布氏硬度适用HB 450 洛氏硬度 即在初始试验力及总试验力先后作用下 将压头压入试样表面 经规定保持时间后卸除试验力 用测量的残余压痕深度增量计算硬度的一种压痕硬度试验 洛氏硬度 HRC 洛氏硬度一般用于HB 450 F 1200 1 10 低碳钢 b 3 6HB高碳钢 b 3 4HB调质合金钢 b 3 25HB 冲击韧性 AK G H1 H2 J ak AK S J m2 材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力 在冲击载荷下工作的零件 很少是受大能量一次冲击而破坏的 往往是受小能量多次重复冲击而破坏的 小记 几个基本概念 弹性 elasticity 卸载后变形可以恢复的特性 可逆性塑性 plasticity 物体产生永久变形的能力 不可逆性屈服 yielding 开始产生塑性变形的临界状态断裂 fracture 宏观裂纹产生 扩展到变形体破断的过程 弹性 塑性变形的力学特征 可逆性 弹性变形 可逆 塑性变形 不可逆 关系 弹性变形 线性 塑性变形 非线性与加载路径的关系 弹性 无关 塑性 有关对组织和性能的影响 弹性变形 无影响 塑性变形 影响大 加工硬化 晶粒细化 位错密度增加 形成织构等 变形机理 弹性变形 原子间距的变化 塑性变形 位错运动为主弹塑性共存 整体变形中包含弹性变形和塑性变形 塑性变形的发生必先经历弹性变形 在材料加工过程中 工件的塑性变形与工模具的弹性变形共存 1 1 2金属材料的物理 化学性能 金属材料的物理 化学性能包括密度 熔点 导电性 导热性 磁性 热膨胀性 耐热性和耐蚀性等 机械零件的用途不同 对材料的物理 化学性能要求也不同 1 1 3金属材料的工艺性能 即金属材料对加工工艺的适应性 按加工方法不同 可分为铸造性能 塑性成形性 焊接性等 金属的各种工艺性能将在以后的有关章节中作详细介绍 第1 2节金属的塑性 1 2 1金属的塑性1 2 2金属多晶体塑性变形的主要机制1 2 3影响金属塑性的因素1 2 4金属的超塑性 1 2 1金属的塑性 什么是塑性 塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力 塑性与柔软性的区别是什么 塑性反映材料产生永久变形的能力 柔软性反映材料抵抗变形的能力 塑性与柔软性的对立统一 铅 塑性好 变形抗力小不锈钢 塑性好 但变形抗力高白口铸铁 塑性差 变形抗力高结论 塑性与柔软性不是同一概念 为什么要研究金属的塑性 探索塑性变化规律寻求改善塑性途径选择合理加工方法确定最佳工艺制度提高产品质量 塑性指标 金属在破坏前产生的最大变形程度 即极限变形量 表示方法 断面收缩率延伸率冲击韧性最大压缩率扭转角 或扭转数 弯曲次数 塑性指标的测量方法 拉伸试验法压缩试验法扭转试验法轧制模拟试验法 即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比 L1 L0 L0 100 式中 伸长率 L1 试样拉断后标距 mm L0 试样原始标距 mm 1 伸长率 拉伸试验法 2 断面收缩率 即试样拉断后 缩颈处横截面积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比 S0 S1 S0 100 式中 断面收缩率 S1 试样的原始截面积 mm2 S0 试样拉断后缩颈处的最小横截面 mm2 压缩试验法 简单加载条件下 压缩试验法测定的塑性指标用下式确定 式中 压下率 H0 试样原始高度 Hh 试样压缩后 在侧表面出现第一条裂纹时的高度 扭转试验法 对于一定试样 所得总转数越高 塑性越好 可将扭转数换作为剪切变形 式中 R 试样工作段的半径 L0 试样工作段的长度 n 试样破坏前的总转数 轧制模拟试验法 在平辊间轧制楔形试件 用偏心轧辊轧制矩形试样 找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压下量作为轧制过程的塑性指标 塑性状态图及其应用 概念 表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形 简称塑性图 应用 合理选择加工方法制定冷热变形工艺 塑性状态图应用实例 确定MB5合金加工工艺规程的原则和方法 MB5属变形镁合金 主要成分为 Al5 5 7 0 Mn0 15 0 5 Zn0 5 1 5 确定MB5镁合金热加工工艺步骤 根据产品确定加工方式 慢速 快速等 根据相图确定合金的相组成根据塑性图确定热变形温度范围 根据相图确定合金的相组成 温度 图2 1Mg Al二元系状态图 从二元相图上获取的信息 T 530 合金为液相T 270 合金为 两相组织270 T 530 合金为单一的 相 铝含量对镁合金力学性能的影响 b 公斤 毫米2 HB公斤 毫米2 图2 2镁合金中铝含量对合金机械性能的影响 根据塑性图确定热变形温度范围 试验温度 图2 3MB5合金的塑性图 k 冲击韧性 M 慢力作用下的最大压缩率 C 冲击力作用下的最大压缩率 断面收缩率 0 弯曲角度 从塑性图上获取的信息 慢速加工 温度为350 400 时 值和 M都有最大值 不论轧制或挤压 都可在此温度范围内以较慢的速度加工 锻锤下加工 在350 左右有突变 变形温度应选择在400 450 工件形状比较复杂 变形时易发生应力集中 应根据 K曲线来判定 从图中可知 在相变点270 附近突然降低 因此 锻造或冲压时的工作温度应在250 以下进行为佳 1 2 2金属多晶体塑性变形的主要机制 1 2 2 1多晶体变形的特点1 2 2 2多晶体的塑性变形机构1 2 2 3合金的塑性变形1 2 2 4变形机构图 1 2 2 1多晶体变形的特点 1 变形不均匀 图2 4多晶体塑性变形的竹节现象 a 变形前 b 变形后 图2 5多晶体塑性变形的不均匀性 2 晶界的作用及晶粒大小的影响 在2mm内的延伸率 晶粒5 晶粒4 晶粒3 晶粒2 晶粒1 位置 mm 图2 6多晶铝的几个晶粒各处的应变量 垂直虚线是晶界 线上的数字为总变形量 1 2 2 2多晶体的塑性变形机构 1 晶粒的转动与移动 图2 7晶粒的转动 2 溶解 沉积机构 该机构的实质是一相晶体的原子迅速而飞跃式的转移到另一相的晶体中去 保证两相有较大的相互溶解度外 还必须具备下列条件 1 随着温度的变化或原有相晶体表面大小及曲率的变化 伴随有最大的溶解度改变 2 变形时 应具备足够高的温度条件 3 非晶机构 非晶机构是指在一定的变形温度和速度条件下 多晶体中的原子非同步的连续的在应力场和热激活的作用下 发生定向迁移的过程 1 2 2 3合金的塑性变形 单相固溶体合金的变形多相合金的变形 1 2 2 4变形机构图 图2 8变形机制图 a 纯银和 b 锗给出不同变形机制起控制作用的应力 温度区间 两种材料的晶粒尺寸都是32 m 以10 8 s的应变速率来确定弹性边界 理论剪切应力 位错蠕变 扩散蠕变 Nabarro 蠕变 理论剪切应力 扩散流变 弹性区 位错蠕变 1 2 3影响金属塑性的因素 1 2 3 1影响塑性的内部因素1 2 3 2影响金属塑性的外部因素1 2 3 3提高金属塑性的主要途径 1 2 3 1影响塑性的内部因素 1 化学成分 1 杂质 2 合金元素对塑性的影响2 组织结构 1 2 3 2影响金属塑性的外部因素 1 变形温度 塑性指标 温度 K 图2 9温度对塑性影响的典型曲线 温度 图2 10碳钢的塑性随温度变化图 塑性 纯铝 无氧铜 图2 11几种铝合金及铜合金的塑性图 2 变形速度 表1 1铝合金冷挤压时因热效应所增加的温度 3 变形程度 图2 13脆性材料的各向压缩曲线 a 大理石 b 红砂石 轴向压力 侧向压力 4 应力状态 静水压力对提高金属塑性的良好影响 图2 14脆性材料的各向压缩曲线 a 大理石 b 红砂石 轴向压力 侧向压力 5 变形状态 图2 15主变形图对金属中缺陷形状的影响 a 未变形的情况 b 经两向压缩 向延伸变形后的情况 c 经 向压缩两向延伸后的情况 6 尺寸因素 图2 16变形物体体积对力学性能的影响1 塑性 2 变形抗力 3 临界体积点 力学性能 1 2 体积 1 2 3 3提高金属塑性的主要途径 提高塑性的主要途径有以下几个方面 1 控制化学成分 改善组织结构 提高材料的成分和组织的均匀性 2 采用合适的变形温度 速度制度 3 选用三向压应力较强的变形过程 减小变形的不均匀性 尽量造成均匀的变形状态 4 避免加热和加工时周围介质的不良影响 第1 3节金属塑性成形基础 1 3 1金属成型主要方法1 3 2金属塑性成形主要方法1 3 3金属塑性变形的机理1 3 4金属的加工硬化 回复和再结晶1 3 5金属的冷成型 热成型及温成形1 3 6材料的塑性成形性 1 3 1金属成型主要方法 1 3 2金属塑性成形主要方法 指利用外力使金属材料产生塑性变形 使其改变形状 尺寸和改善性能 从而获得各种产品的加工方法 主要应用 1 生产各种金属型材 板材 线材等 2 生产承受较大负荷的零件 如曲轴 连杆 各种工具等 几种主要塑性加工方法 轧制 挤压 拉拔 自由锻 模锻 冲压 塑性成型的应用 金属在应力超过屈服强度时 就要发生塑性变形 滑移和孪晶是金属在常温下的两种主要塑性变形方式 各种压力加工方法 都是通过对金属材料施加外力 使之产生塑性变形来实现的 1 3 3金属塑性变形机理 1 单晶体的塑性变形 1 滑移 晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对滑动 单晶体的塑性变形形式主要有滑移和孪晶两种 实际金属的滑移是靠位错的移动来实现的位错 晶体中一列或若干列原子发生错排而造成的晶格扭曲现象 位错具有易动性 滑移的位错理论 晶体内的滑移是借助滑移面上的位错运动来实现的 2 孪晶 晶体在切应力作用下沿着一定的晶面 孪晶面 和晶向 孪晶向 在一个区域内发生连续顺序的切变 变形的结果是这部分的晶体取向改变了 但是已变形的晶体部分和未变形的晶体部分保持镜面对称关系 这个对称镜面就叫做孪晶面 晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对转动 2 多晶体的塑性变形 晶粒内部发生滑移和孪晶 同时晶粒之间发生滑移和转动 晶间变形 1 3 4塑性变形后金属的组织和性能 1 冷变形及其影响1 组织变化的特征 晶粒沿变形最大方向伸长 晶格与晶粒均发生畸变 晶粒间产生碎晶 2 性能变化的特征 加工硬化 回复 再结晶 加工硬化 即金属在低于再结晶温度加工时 由于塑性应变而产生的强度 硬度增加 塑性 韧性下降的现象 优 强化金属 纯金属及某些不能通过热处理强化的合金可通过冷拔 冷轧 冷挤压等变形工艺来提高其强度和硬度 劣 在冷轧薄钢板 冷拉细钢丝及多道拉伸过程中 会由于加工硬化造成后道加工困难 甚至开裂 故应在工序间穿插热处理工艺来消除加工硬化 回复 即将冷成形后的金属加热至一定温度后 使原子恢复到平衡位置 晶内残余应力大大减小的现象 T回 0 25 0 3 T熔K生产中常利用回复消除加工硬化后工件的残余内应力 再结晶 即塑性变形后金属被拉长的晶粒重新生核 结晶 变为等轴晶粒的现象 T再 0 35 0 4 T熔K生产中 再结晶也有广泛的应用 例如 在冷轧 冷挤 冷拉 冷冲的过程中穿插再结晶退火 消除加工硬化 恢复金属材料的良好塑性 以利于后续的冷变形加工 冷变形态 回复 再结晶 晶粒长大 T再 冷变形 热变形 1 3 5金属的冷成型 热成型及温成形 1 冷成形 即坯料在回复温度以下进行的塑性成形过程 变形过程中会出现加工硬化 T变 T回 包括冷冲 冷挤 冷镦 冷轧 冷拔等优缺点 1 成形后的金属表面光洁 尺寸精确 具有较高强度和硬度 2 有加工硬化 变形量不宜过大 2 热成形 即金属在再结晶温度以上进行的塑性成形过程 T变 T再包括锻造 热挤压 热轧等优缺点 1 产品力学性能高 2 无加工硬化现象 3 产品尺寸精度有所下降 2 热变形及其影响 1 不产生加工硬化2 使组织得到改善 提高了力学性能 细化晶粒 压合了铸造缺陷 组织致密 3 形成纤维组织 3 纤维组织 1 在平行于纤维组织的方向上 材料的抗拉强度提高 2 在垂直于纤维组织的方向上 材料的抗剪强度提高 3 温成形 即金属在高于回复温度以上和低于再结晶温度范围内进行的塑性成形过程 T回 T变 T再包括温挤压 温拉拔 温锻等 特点 变形中有加工硬化和回复现象 无再结晶现象 例 已知铅的熔点为327 钨的熔点为3380 问 铅在20 钨在1000 时变形各属哪种变形 解 T铅再 0 4T