第3章 材料的塑性成形,思考题.ppt

第3章材料的塑性成形 思考题 1 金属为什么容易塑性变形 生产塑性变形的本质 2 金属常见的塑性成形方法有哪些 3 金属的冷变形和热变形是如何区分的 各有何特征 4 什么是金属的可煅性 其影响因素有哪些 5 影响金属冷成形的主要力学性能参量有哪些 6 轧制的方法有哪些 如何提高轧制件的质量 7 煅造的方法有哪些 试比较煅造和轧制对材料结构和性能的影响 8 板料成形的方法及工艺特点 9 挤压成形方法的分类及其工艺特点 10 试比较拉拨与挤压的异同 11 聚合物的塑性成形方法有哪些 各有何特点 12 陶瓷的塑性成形方法有哪些 与金属和聚合物比的特点 13 玻璃常用的成形方法有哪些 如何改善玻璃的可加工性能 1 金属为什么容易塑性变形 生产塑性变形的本质 定义 塑性成形是指在不破坏金属自身完整性的条件下 利用外力作用使金属产生塑性变形 从而获得具有一定形状 尺寸和力学性能的原材料 毛坯或零件的加工方法 也称为压力加工或塑性加工 金属材料为什么能产生塑性变形 塑性变形的实质是什么 单晶体产生塑性变形的原因是原子的滑移错位 多晶体 实际使用的金属大多是多晶体 的塑性变形中 除了各晶粒内部的变形 晶内变形 外 各晶粒之间也存着变形 称为晶间变形 多晶体的塑性变形是晶内变形和晶间变形的总和 而通常使金属晶体变形所需的切应力都比较小 所以金属易塑形变形 金属塑形变形的本质 金属在外力作用下要经历两个主要变形阶段 弹性变形阶段和塑形变形阶段 当外力不超过弹性极限时 金属只发生弹性变形 外力去除后变形消失 当外力继续加大 是金属的内部应力超过了该金属的屈服极限后 外力去除变形不消失 即为塑形变形 其实质是内部应力迫使晶粒内部和晶粒间产生滑移和转动 从而产生了塑形变形 2 金属常见的塑性成形方法有哪些 答 a 锻造 将固态金属加热到再结晶温度以上 在压力作用下产生塑形变形 把坯料的某一部分体积转移到另一部分 从而获得一定形状 尺寸和内部质量的锻件的工艺方法 包括自由锻造 模型锻造 胎膜锻造以及特殊锻造等 b 板料冲压 利用冲模使板料产生分离或变形的加工成形方法 c 轧制和挤压 使金属在一回转的孔隙或孔型中 依靠摩擦力的作用连续进入轧辊而产生塑形变形的压力加工方法称为轧制 将金属坯料放入挤压筒内 在压力作用下使坯料从模孔中挤出而变形的加工方法称为挤压 d 拉拔 将金属坯料拉拔通过具有一定形状的模孔而使其横截面积减小 长度增加的加工方法 塑性成形的常见工艺 3 金属的冷变形和热变形是如何区分的 各有何特征 1 冷变形塑性变形温度低于该金属的再结晶温度特征 晶粒沿变形最大的方向伸长 产生纤维组织 晶粒间产生碎晶 金属产生加工硬化现象 2 热变形塑性变形温度高于该金属的再结晶温度特征 经过再结晶组织均匀化 塑性好 消除内部缺陷 形成流线组织 结合材料科学基础知识解释该现象 4 什么是金属的可煅性 其影响因素有哪些 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 金属的可锻性是表示金属在热状态下经受压力加工时塑性变形的难易程度 可锻性的优劣常用金属的塑性和变形抗力两个指标来综合衡量 影响可锻性的因素 1 金属的成分 纯金属好于合金 低碳钢优于高碳钢 低碳低合金钢优于高碳高合金钢 有害杂质元素一般使可锻性变坏 2 金属的组织 单相组织好于多相组织 铸态下的柱状组织 粗晶粒组织 晶界上存在偏析 或有共晶组织都会使可锻性变差 3 加工条件1 变形温度 一般随变形温度的升高 可提高金属的可锻性 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 一方面随着变形速度的增加 回复与再结晶过程来不及进行 不能及时消除加工硬化现象 故使塑性降低 变形抗力增大 可锻性变坏 另一方面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 3 应力状态 拉应力成分数量愈多 要求材料塑性愈好 压应力成分数量愈多 可降低对材料塑性的要求 应力状态条件对可锻性的影响 a 试样 b 拉拔 c 挤压 降低变形抗力的途径 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 3 减少加工过程中的接触面积可显著减小总变形力 用小设备加工大零件 5 影响金属冷成形的主要力学性能参量有哪些 影响金属冷成形性的主要力学性能参量 1 屈服强度 s 低而均匀 2 应变硬化指数n 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 3 塑性应变比 深冲要求大于1 4 均匀变形量 u和断裂总应变量 f 弯曲 拉拔和冷轧等尽可能高 影响金属冷成形性力学性能参量的冶金因素 1 材料的种类和成分 面心立方金属优于体心立方金属 纯金属好优于合金 2 材料的组织结构 细化晶粒可提高材料的屈服强度 改善塑性 球状晶粒比片状晶粒具有更低的屈服强度和较高的塑性 3 材料的冶金质量 材料中夹杂物过多时 必然会导致塑性降低 使冷成形性能变坏 6 轧制的方法有哪些 如何提高轧制件的质量 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 冷轧 室温增加位错密度 改变制品形状 不改变晶粒平均尺寸 增加强度 减少延展性 产品尺寸精度高 表面光洁 变形抗力大 适于轧制塑性好 尺寸小的线材 薄板等热轧 再结晶温度以上经历再结晶 明显改变材料显微组织 变形抗力小 生产效率高 适合轧制较大断面尺寸 塑性较差或变形量较大的材料 二 锻造 Forging 锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件成型的工艺方法 它是最古老的金属加工方法之一 可以追溯到公元前4000年 锻造最初是通过石制工具锤打的方法来制造珠宝 钱币和各种器具 再发展成铁匠这一古老的职业 锻造生产的C5A运输机着陆齿轮构件 作用 解决零件的成形要求改善内部组织与性能流线组织 形成过程 锻件相对铸件和机加工零件 有更高的强度和韧性 a 流线与工件最大拉应力方向一致 b 流线与切应力 冲击方向垂直 c 沿工件外轮廓连续分布 7 锻造的方法有哪些 试比较锻造和轧制对材料结构和性能的影响 自由锻 Free 模锻 Die 胎模锻造 DieBlock 特种锻造 精密模锻 PrecisionDF 超塑性模锻 SuperplasticDF 通常 锻造材料其内部应力为压应力 而轧制材料有相当的拉应力 锻造的其轴向和径向力学性能差异较轧制差异小 锻造会使内部向流线组织转变 而热轧时的组织变化则与其受力方向有关 若想保持材料本身的晶粒尺寸与晶型 选择冷轧更适合 自由锻 定义 是指借助锻压设备上下砧块的压力使坯料成形的压力加工方法 在锻造过程中 金属沿垂直于作用力的方向上自由变形 包括手工锻 锤上自由锻 液压机上自由锻等基本工艺过程 视频 特点和应用1 锻件的质量范围宽 操作工具简单 2 生产效率低 劳动强度大 金属损耗大 3 锻件尺寸精度低 形状不太复杂 4 适于单件 小批量生产和锻造大型零件毛坯 模锻 DieForging 定义 把金属坯料放在锻模的模膛内 在模锻锤或压力机上利用冲击力或压力使坯料在模膛内产生变形 从而获得形状与模膛内轮廓相一致的锻件的加工方法 有锤上模锻 摄像 压力机上模锻 摄像 和平锻机上模锻 摄像 之分 动画 桥部 仓部 特点和应用 1 生产效率高 2 锻件尺寸精确 表面光洁 加工余量小 节约材料 3 成形依靠模膛控制 可锻造复杂形状的零件 4 适于中小型复杂锻件的大批量生产 胎模锻造 定义 在自由锻设备上利用自由锻的方法进行坯料变形 最后在未固定的锤头或砧座上的简单模具 胎模 内成形的压力加工方法 基本工艺过程 锻造时 胎模起成形工具的作用 使用时放在锤砧上 将坯料放在胎模模膛中 冲击力通过胎模传递给坯料使之变形 特点和应用1 生产效率较自由锻高 但比模锻低 2 锻件尺寸精度较自由锻高 但比模锻低 3 与模锻相比 设备简单 锻模易加工 4 适于中小批量锻造中小型零件 特种锻造 辊锻 摄像 精密模锻 超塑性模锻 8 板料成形的方法及工艺特点 板料冲压是利用压力设备和模具使板材产生分离或塑性变形 从而获得成形件或制品的成形方法 通常用于加工表面积与厚度之比很大的工件 与体积成形工艺 如锻造 不同 通常板料成形时材料的厚度不会减少 目的是避免缩颈和撕裂 金属板料的厚度一般都在6mm以下 且通常是在常温下进行 故板料成形又常称冷冲压 20mm以上常用热冲压 坯料要求具有较高的塑性 低碳钢 塑性较好的低合金钢 不锈钢 铜 铝 镁 钛及其合金等板材 工艺特点 可获得尺寸精确 表面光洁 形状复杂的冲压件 冲压件具有质量轻 强度高和刚性好的优点 冲压生产操作简单 生产率高 易于实现机械化和自动化 冲压模具结构复杂 精度高 制造费用相对较高 9 挤压成形方法的分类及其工艺特点 答 根据温度 冷挤压 室温 温挤压 室温 再结晶温度 热挤压 再结晶温度以上 根据金属的流动方向和凸模运动方向 正挤压 反挤压 复合挤压和径向挤压 还有静液挤压 凸模与坯料不直接接触 而是给液体施加压力 压力可达3000个大气压以上 再经液体传给坯料 使金属通过凹模而成型 正挤压 挤压模出口处的金属流动方向与凸模运动方向相同 反挤压 挤压模出口处的金属流动方式与凸模运动方向相反 复合挤压 挤压过程中 在挤压模的不同出口处 一部分金属流动方向与凸模运动方向相同 另一部分金属流动方向相反 径向挤压 挤压模出口处的金属流动方向与凸模运动方向成90 工艺特点 1 挤压时金属坯料在三向受压状态变形 因此可提高金属坯料的塑性变形能力 2 生产灵活性大 可挤各种形状复杂 深孔 薄壁 异型断面的零件 3 零件精度高 表面粗糙度低 一般尺寸精度为IT6 IT7 表面粗糙度为Ra3 2 0 4 从而可达到少屑 无屑加工的目的 4 挤压件内部的纤维组织提高了力学性能 挤压变形后零件内部的纤维组织是连续的 基本沿零件外形分布而不被切断 从而提高零件的力学性能 5 节约原材料 材料利用率可达70 生产率很高 可比其他锻造方法高几倍 6 制品在断面上和长度上组织性能不够均一 工具消耗较大 10 试比较拉拨与挤压的异同 挤压是将金属坯料放入挤压模具中 在压力作用下使坯料通过模孔成形的加工工艺 拉拔是指金属坯料在外加拉应力作用下通过具有一定形状的模孔而横截面积减小 长度增加的加工方法 相同点 均适用于管材成型加工 均为零件尺寸减小的过程 不同点 对金属坯料施加应力不同 11 聚合物的塑性成形方法有哪些 各有何特点 热固性聚合物 压模 浇注 注射等热塑性聚合物 挤压 真空成形 吹塑成形等 挤压特点 挤出成形的生产效率高 可自动化连续生产 一般使用热塑性聚合物作原料 挤压与注射的比较 注射 挤出的熔融聚合物被注入模具内硬化 挤压 挤出的熔融聚合物通过模嘴后在空气中硬化两者都是将聚合物的颗粒 或小球 提供到挤压机的低温一侧 必须保持这一侧的冷却 以避免颗粒熔化 桥接以及由于重力而引起的流动 真空成形 将热塑性聚合物板 片 材置于模具上 四周夹紧并加热 待坯料进入高弹态后 对模腔抽真空 使板材在大气压作用下紧贴模腔内壁 冷却后硬化成形 主要用来制造盘 罩 盖 壳体等敞口制品 压延成形特点 是将加热塑化的热塑性塑料通过一组以上两个相向旋转的辊筒间隙 而使其成为规定尺寸的连续片材的成形方法 压延也是橡胶加工中重要的基本过程之一 12 陶瓷的塑性成形方法有哪些 与金属和聚合物比的特点 答 挤制