第2章塑性加工工程材料ppt课件

1 第二章塑性加工工程材料 塑性加工对金属材料性能的影响塑性变形对金属材料的要求金属材料的加工性能提高金属塑性的途径 2 第一节塑性加工对金属材料性能的影响 金属材料由于受到塑性变形 包括冷 热 中温加工 而产生晶格滑移甚至发生再结晶过程 必将引起材质的变化进而影响材料的机械性能 塑性加工可按再结晶温度进行区分 再结晶温度以上的加工称为热加工 再结晶温度以下的加工称为中温加工 自然温度下的加工为冷加工 3 一 金属材料塑性加工时引起的材质变化 1 热加工引起的材质变化从机理看 热加工将产生无加工应变的新晶粒 它逐渐长大 最后遍及整体 这样 加工应变能几乎得到全部释放 从金属组织看 在加工过程中被拉长了的晶粒在恢复过程中基本上不发生变化 再结晶后变成等轴晶粒 加工率越高 晶粒越细小 从受力方面看 加工时材料的变形能较大 所受机械力较小 材料可获得较大的变形 4 铸锭的凝固组织一般较粗糙 晶体的树枝状结构很发达 成分或金属夹杂物的偏析严重 较大铸锭的表面还存在气孔 中心部位还存在空隙 经热加工后可以使金属组织趋于均匀化 主要呈以下特点 空隙压合效果好由于晶格受压 密度加大 可将晶格之间的空隙排出即压合 这在整体加工 如锻造 时尤为明显 因为此时材料表面所受压缩力较均匀 不容易出现 空隙偏析 现象 偏析的均匀化由于热加工温度在再结晶温度以上 金属经再结晶及较长时间的冷却 对偏析的均匀化效果良好 可以达到扩散退火热处理的效果 形成纤维组织由于金属晶格的树枝状结构被破坏和再结晶 金属基体及非金属杂物向加工方向延伸而形成纤维组织 5 对于热加工 沿材料的流动方向即纤维方向有最好的性质 因此 以热加工状态使用的产品 使纤维贯穿整个产品而且在以后的机加工中也不要切断纤维就显得非常重要 如曲轴锻造的RR法 可比其他方法使疲劳强度提高30 40 当然 当需要各向差异较小时 就应将不同的加工方法结合起来 6 热加工时改善材质的常用方法 添加合金元素 从而控制纤维的形成 其缺点是成本增加 控制加工速度 终加工温度和冷却速度 在热加工后急冷以阻止晶粒加大 调整坯料温度 将其控制在再结晶温度的下限使晶粒细化 达到提强度 改韧性 即提高材质的目的 7 2中温加工引起的材质变化从机理看 再结晶温度以下加工 N C原子会在大量位错上沉淀 即造成基体中N C原子的交互作用和晶格位错 从而使材料强度特别是弹性极限提高 伸长率降低 从金属组织看 大量位错将借助于热运动而慢慢地重新排布 在减少位错的同时 将出现能量更低的排列状态 即恢复过程 会导致所谓的蓝脆区 一般认为在此温度下加工的产品不能使用 所以中温加工的情况不多 但实际上在此温度下加工的产品虽然韧性有所下降 但强度可以提高 因此中温加工在一定情况下是可以采用的 8 中温加工的应用主要有以下两种 以提高强度为目的的加工单位时间内的材料应变速度 应变力都很大时 可以获得高强度的材料 以降低应变应力为目的的加工中温挤压 冲压 拉线等是在所谓的亚热加工条件下进行的 其目的不是提高材质而是降低加工时所需的应变应力 9 3 冷加工引起的材质变化冷加工引起材料硬化 其机理为 从晶格的形状看 由于晶格内存在位错 当晶格发生即滑移变形时 位错增加并相互牵制从而对运动造成阻碍 即加工硬化 从晶粒的尺度看 晶粒将沿加工方向伸长 晶粒取向改变 不断形成加工的织状结构 阻止变形的进一步发展 即形成加工硬化 钢的组织由铁素体和渗碳体构成 铁素体软可产生很大的变形 而渗碳体则硬而脆 因而有渗碳体或夹杂物存在时 就会成为变形的阻碍 在这些组织附近还会积蓄过多的变形能 也会造成过硬化或断裂 10 二 塑性变形对金属组织结构的影响1 形成纤维组织塑性变形后 金属晶粒发生变形 沿形变方向被拉长或压扁 当变形量很大时 晶粒变成细条状 拉伸时 金属中的夹杂物也被拉长 形成纤维组织 变形前后晶粒形状变化示意图 11 2 形成亚结构金属经大的塑性变形时 由于位错密度的增大和发生交互作用 大量位错堆积在局部地区 并相互缠结 形成不均匀的分布 使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块 而在晶粒内产生亚晶粒 金属经变形后的亚结构 12 3 产生形变织构金属塑性变形到很大程度 70 以上 时 由于晶粒发生转动 使各晶粒的位向趋近于一致 形成特殊的择优取向 这种有序化的结构叫做形变织构 包括丝织构各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向低碳钢经高度冷拔后 平行于拔丝方向 板织构各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向 低碳钢的板织构为 001 13 三 塑性变形对金属性能的影响1 加工硬化 也叫形变强化金属发生塑性变形 随变形度的增大 金属的强度和硬度显著提高 塑性和韧性明显下降 产生原因 金属发生塑性变形时 位错密度增加 位错间的交互作用增强 相互缠结 造成位错运动阻力的增大 引起塑性变形抗力提高 由于晶粒破碎细化 使强度提高 在生产中可通过冷轧 冷拔提高钢板或钢丝的强度 14 2 各向异性由于纤维组织和形变织构的形成 使金属的性能产生各向异性 如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的 用有织构的板材冲制筒形零件时 由于在不同方向上塑性差别很大 零件边缘出现 制耳 因形变织构造成深冲制品的制耳示意图 15 3 可影响金属的物理 化学性能 如使电阻增大 耐腐蚀性降低 4 残余内应力金属在发生塑性变形时 内部变形不均匀 位错 空位等晶体缺陷增多 金属内部会产生残余内应力 当外力去除后 金属内部会残留下来应力 残余内应力会使金属的耐腐蚀性能降低 严重时可导致零件变形或开裂 齿轮等零件 如表面通过喷丸处理 可产生较大的残余压应力 则可提高疲劳强度 16 第二节塑性变形对金属材料的要求 为了减少不均匀变形 获得优质制件 延长模具寿命 变形金属应具有以下性能 1 较低的变形抗力变形抗力 越小 加工时所需的单位压力也越小 可降低设备吨位 提高模具寿命 冷变形和温变形时 变形抗力随变形程度增加而加大 因此 应考虑变形程度的影响 2 较好的塑性 越高 材料的变形能力就越好 越能承受较大的变形 而不易产生裂纹 对于 较低的材料 为了不超出极限变形程度 就可能要增加加工次数 17 3 均匀的金相组织晶粒大小和状态对冷温变形能力影响较大 材料不同 不同 即是相同的材料 热处理状态不同 也不同 晶粒度大小应适中 晶粒过小 晶粒过大 材料脆化 加工时易产生裂纹 冷挤压时推荐用20 60 m 晶粒数在250 2300个 mm2范围内 4 良好的表面质量原材料表面的斑痕 裂缝 缩孔 划伤 气泡等缺陷 都会影响制件的质量 18 第三节金属材料的加工性能 一 钢工业用钢是钢和铸铁的总称 指所有的铁碳合金除铁 碳之外 钢中还含有其它元素 如常存元素有锰 硅 硫 磷 偶存元素冶炼时以共生矿混入或废钢带入的元素 如铜 钛 钒 稀土元素等 隐存元素指原子半径较小的非金属元素 如氧 氢等 合金元素是指为改变成分特别添加的元素 如铬 镍 钨 钼 钒等 按化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类 19 一 碳素钢 概念 含碳量大于0 0218 而小于2 11 的铁碳合金 特点 具有较好的机械性能和工艺性能产量大 价格较低淬透性较低 回火抗力较差 屈强比低 在机械工程上应用十分广泛 分类 按含碳量多少可分为1 低碳钢 C 0 25 2 中碳钢 C 0 25 0 60 3 高碳钢 C 0 6 随含碳量的增加 其强度提高 塑性降低一般低中碳钢可以冷变形 20 二 合金钢 概念 在碳钢的基础上 添加某些合金元素 用以保证一定的加工工艺以及所要求的组织与性能 特点 1 有较好的力学性能 2 由于含有合金元素 其工艺性比碳钢差 3 价格也较昂贵 在碳钢能够满足要求时 一般不使用合金钢 分类 合金钢按合金元素的含量可分为 1 低合金钢 合金元素总量10 21 二 有色金属及合金是指铁基合金以外的其它合金 有色金属种类很多 并且具有钢铁材料所没有的特殊性能 有色金属的产量和用量较小 但是它们已经成为现代工业的重要金属材料 在塑性加工工程中应用较多的是铝 铜 钛 锌及其合金等 22 一 铝及其合金1 纯铝纯铝是一种银白色的轻金属 熔点为660 具有面心立方晶格 没有同素异构转变 密度约2 72g cm3 纯铝在低温下 甚至在超低温下都具有良好的塑性和韧性 在0 253 之间塑性和冲击韧性不降低 纯铝是一种理想的冷变形材料 变形抗力低 塑性好 几乎不产生加工硬化 因此需用变形程度大 模具寿命长 23 按纯度分为高纯铝和工业纯铝 纯铝的牌号用 铝 字汉语拼音字首 L 和其后面的编号表示 高纯铝的牌号有LG1 LG2 LG3 LG4和LG5 数字越大 纯度越高 其含铝量在99 85 99 99 之间 工业纯铝的牌号有L1 L2 L3 L4 L4 1 L5 L5 1 和L6 数字表示纯度 数字越大 纯度越低 24 2 铝合金根据铝合金的成分 组织和工艺特点 可以将其分为铸造铝合金与变形铝合金两大类 1 铸造铝合金将熔融的合金直接浇铸成形状复杂的甚至是薄壁的成型件 所以要求合金具有良好的铸造流动性 2 变形铝合金包括防锈铝合金 硬铝合金 锻铝合金及超硬铝合金 前3种可冷变形 后1种可热变形将铝合金铸锭通过压力加工 轧制 挤压 模锻等 制成半成品或模锻件 所以要求有良好的塑性变形能力 25 二 铜及铜合金1 纯铜 包括紫铜和无氧铜 特征 纯铜是玫瑰红色金属 表面形成氧化铜膜后 外观呈紫红色 故常称为紫铜 分类 工业纯铜含有锡 铋 氧 硫 磷等杂质 根据纯度 可分为四种 T1 T2 T3 T4 99 95 99 90 99 70 99 50 无氧铜含氧量不大于0 003 牌号有TU1 TU2 主要用来制作电真空器件及高导电性铜线 能抵抗氢的作用 不发生氢脆现象 纯铜的强度低 不宜直接用作结构材料 紫铜和无氧铜为面心立方晶型 有12个滑移系 具有良好的冷变形性能 26 2 黄铜概念 铜锌合金或以锌为主要合金元素的铜合金分类 普通黄铜铜锌二元合金 锌加入到铜中 对铜的力学性能影响很大 当含锌量 39 时 锌溶于铜中形成面心立方晶型的置换固溶体 很软 塑性很高 当含锌量 39 时 便出现脆性的体心立方晶型的 相 急剧下降 b仍然增高 含锌量约为45 时 b达到极大值 因此 含锌量不超过39 的黄铜如H62 H68 H70 H80等均具有良好的冷变形性能 特殊黄铜除锌外 还含有其它元素 为三元合金 强度提高 塑性较差 如HPb59 1 在常温下铅以游离态分布于晶界上 大大降低了塑性 冷变形性能很差 但可以热变形 27 3 青铜分类 按化学成分分 锡青铜 铝青铜 铍青铜和硅青铜等 按性能分 压力加工青铜 以青铜加工产品供应 铸造青铜编号规则 Q 主加元素 主加元素含量 其它元素含量 如QSn4 3表示成分为4 Sn 3 Zn 其余为铜的锡青铜 铸造青铜的编号前加 Z 28 3 青铜含合金元素较少的青铜冷加工性能较好如锡磷青铜QSn6 5 0 15 锡与铜构成单相固溶体 磷去氧 可消除硬而脆的化合物SnO2的有害作用 所以塑性较好 易冷加工 又如铝青铜 含铝量 9 时 为单相固溶体 塑性较高 9 时 出现两相共析体 塑性显著下降 29 4 白铜是以Ni为主要合金元素的合金 Ni和Cu在固态下能完全互溶 所以各类铜镍合金均为 单相固溶体 具有很好的冷热加工性能 不能进行热处理强化 只能用固溶强化和加工硬化来提高强度 30 三 钛及钛合金钛不但资源丰富 而且它具有比重小 比强度高 耐热性高及优异的抗腐蚀性能 此外 钛还具有很高的塑性及耐蚀性并便于冷热加工 从而使钛在现代工业中占有极其重要的地位 因此在航空 化工 导弹 航天及舰艇等方面 钛及其合金得到广泛的应用 但由于钛在高温时异常活泼 因此 钛及其合金的熔炼 浇铸 焊接和热处理等都要在真空或惰性气体中进行 加工条件严格 成本较高 使它的应用受到限制 31 1 纯钛银白色金属 熔点为1680 相对密度为4 54 比铝大但比钢轻43 钛有很好的强度 约为铝的6倍 所以钛的比强度 强度 相对密度 在结构材料中是很高的 热膨胀系数较小 在高温工作条件下或热加工过程中产生的热应力小 导热性差 只有铁的1 5 摩擦系数大 0 2 故切削 磨削加工困难 弹性模量较低 屈强比较高 使得钛和钛合金冷变形成型时的回弹性大 不易成型和校直 32 钛有两种同素异晶结构 在882 5 以下的稳定结构为密排六方晶格 用 Ti表示 在882 5 以上的稳定结构为体心立方晶格 用 Ti表示 工业纯钛按杂质含量不同可分为三个等级 即TA1 TA2 TA3 编号越大则杂质越多 工业纯钛可制作在350 以下工作的强度要求不高的零件 纯钛可以进行冷挤压 但压力较高 33 2 钛合金合金元素溶入 Ti中形成 固溶体 溶入 Ti中形成 固溶体 根据使用状态的组织 钛合金可分为三类 钛合金 钛合金 钛合金 牌号分别以TA TB TC加上编号表示 34 1 钛合金 钛合金的组织全部为 固溶体 因而具有很好的强度 韧性及塑性 在冷态也能加工成某种半成品 如板材 棒材等 它在高温下组织稳定 抗氧化能力较强 热强性较好 在高温 500 600 时的强度性能为三类合金中较高者 但它的室温强度一般低于 和 钛合金 钛合金是单相合金 不能进行热处理强化 代表性的合金有TA5 TA6 TA7 35 2 钛合金全部是 相的钛合金 在工业上很少应用 因为这类合金比重较大 耐热性差及抗氧化性能低 当温度高于700 时 合金很容易受大气中的杂质气体污染 生产工艺复杂 因而限制了它的使用 但由于全 钛合金是体心立方结构 具有良好的塑性 为了利用这一特点 发展了一种介稳定的 相钛合金 此合金在淬火状态为全 组织 便于进行加工成型 随后的时效处理又能获得很高的强度 36 3 钛合金兼有 和 钛合金两者的优点 耐热性和塑性都比较好 并且可进行热处理强化 这类合金的生产工艺也比较简单 因此 合金的应用比较广泛 其中以TC4 Ti 6Al 4V 合金应用最广 最多 37 四 锌及锌合金锌是一种篮白色金属 密度为7 14克 立方厘米 熔点为419 5 在室温下 性较脆 100 150 时 变软 超过200 后 又变脆 锌合金 主要合金元素有铝 铜 镁等 锌合金熔点低 流动性好 易于进行塑性加工和焊接 并且耐大气腐蚀 按制造工艺分为铸造锌合金和变形锌合金 塑性加工中主要用变形锌合金 变形锌合金有锌铝合金和锌铜合金 锌铝合金含铝4 15 其强度较高 易成型 可代替部分黄铜或硬铝制造精密锻件 锌铜合金含铜0 7 1 5 铜可增加合金强度和冲击韧性 并降低塑性 锌铜合金适于制作日用五金制品或代替部分黄铜使用 38 五 镁合金镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料 它具有密度小 比强度和比模量高 阻尼性 导热性 切削加工性 铸造性能好 电磁屏蔽能力强 尺寸稳定 资源丰富 容易回收等一系列优点 因此 在汽车工业 通信电子业和航空航天业等领域正得到日益广泛的应用 近年来镁合金产量在全球的年增长率高达20 显示出极大的应用前景 39 1 变形镁合金按化学成分可分为三类 1 镁 锰系合金 代表合金有MB1 可进行各种压力加工而制成管 棒 板 型材和锻件 主要用作航空 航天器的结构材料 2 镁 锌 锆系合金 属高强镁合金 主要代表有MB15等 由于塑性较差 不易焊接 主要生产挤压制品和锻件 镁及镁合金不适应室温变形 必须加热到230 370 时才能成形 2 铸造镁合金与变形镁合金相比 在应用方面占统治地位 主要分为无锆镁合金和含锆镁合金两类 40 第四节提高金属塑性的途径 从生产工艺角度出发总是希望变形金属具有高的塑性 随着科学技术的发展 有越来越多的低塑性 高强度材料需要进行塑性成型 以适应生产的需要 从使用方面考虑塑性是材料力学性能中的一项重要指标 测定某一材料合不合格 对其塑性有严格的标准规定 人们往往只认识到材料力学性能中强度这一项 而对塑性没有足够的重视 然而在生产实际中 从各种机械零件到巨大的船舶 桥梁 容器等在使用过程中都有不少因塑性不够而发生脆断的例子 因此研究如何提高金属塑性的问题无疑具有重要意义 41 第四节提高金属塑性的途径 影响金属塑性高低的主要因素有两方面 内因 即金属本身的成分 组织等 外因 即变形时的外部条件 如变形温度 变形速度等 42 一 化学成分和组织对金属塑性的影响金属的化学成分和组织对塑性的影响非常明显 但也很复杂 现以钢 碳钢和合金钢 为主要对象 分析其化学成分和组织对金属塑性的影响 1 化学成份对金属塑性的影响1 碳钢中碳和杂质元素对金属塑性的影响碳钢中碳对其性能的影响最大 碳能固溶于铁 形成铁素体和奥氏体固溶体 它们都具有良好的塑性 当碳的含量超过铁的溶碳能力时 多余的碳便与铁形成化合物Fe3C 称为渗碳体 渗碳体具有很高的硬度 而塑性几乎为零 对基体的塑性变形起阻碍作用 而使碳钢的塑性降低 随着碳含量的增加 渗碳体的数量亦增加 塑性的降低就更甚 在727 时溶碳量最大 可达0 0218 43 碳钢中杂质元素磷是有害杂质 磷能溶于铁素体中 其固溶强化能力很强 磷溶入铁素体后 使钢的强度 硬度显著提高 塑性 韧性显著降低 尤其在低温时更为严重 这种现象称为冷脆性 故对冷变形钢应严格控制磷的含量 碳钢中杂质元素硫是有害杂质 它在钢中几乎不溶解 而与铁形成FeS FeS与铁形成易熔共晶体 其熔点为985 分布于晶界 当钢在800 200 范围内进行塑性加工时 由于晶界处的硫化铁共晶体塑性低或发生熔化 而导致锻件开裂 这种现象称为热脆性 44 2 合金元素对钢塑性的影响合金元素加入钢中 不仅改变钢的使用性能 而且改变钢的塑性成形性能 合金元素溶入固溶体中 将使原子的晶体点阵发生不同程度的畸变 从而使钢的抗力提高 塑性降低 合金元素与钢中的碳形成硬而脆的碳化物 使钢的强度提高 塑性降低 合金元素改变钢中相的组成 造成组织的多相性 从而使钢的塑性下降 45 2 合金元素对钢塑性的影响合金元素与钢中的氧 硫形成氧化物或硫化物夹杂 造成钢的热脆性 给热成形带来困难 合金元素一般都使钢的再结晶温度提高 再结晶速度降低 因而使钢的硬化倾向增加 塑性降低 若钢中含有低熔点元素 如铅 锡 砷等 时 这些元素几乎都不溶于基体金属 而以纯金属形式存在于晶界 造成钢的热脆性 使塑性降低 46 2 组织对金属塑性的影响1 单相组织与多相组织对金属塑性的影响单相组织 纯金属或固熔体 比多相组织塑性好 多相组织由于各相性能不同 使得变形不均匀 同时基体相往往被另一相机械地分割 故塑性降低 第二相的性质 形状 大小 数量和分布状况起着重要作用 若两相变形性能接近 则金属的塑性为两相的平均值 当两相性能差别很大时 如果一相的塑性很好 而另一相硬而脆 则变形主要在塑性好的相内进行 另一相对变形起阻碍作用 47 硬而脆的相的形状 大小和分布状况不同 对金属塑性影响的程度亦不同 如果硬而脆的第二相呈连续或不连续的网状分布在塑性相的晶界上 则塑性相的晶粒被脆性相包围分割 其变形能力难以发挥 变形时在晶界处易产生严重的应力集中 会很快地导致裂纹的产生 使金属的塑性大大降低 脆性相的数量越多 网的连续性越严重 金属的塑性也越差 如果硬而脆的第二相呈片状或层状分布于晶粒内部 则对塑性变形的危害性较小 一般使塑性有一定程度的降低 如果硬而脆的第二相呈颗粒状或弥散质点 均匀分布于晶粒内部 则对金属的塑性影响不大 48 2 晶粒细化程度对金属塑性的影响细晶粒组织有利于提高金属的塑性 在一定体积内 细晶粒金属的晶粒数目必然比粗晶粒金属的多 塑性变形时向上能够滑移的晶粒也较多 故变形能较均匀地分散到各个晶粒 从每个晶粒的应变分布来看 细晶粒组织的变形能遍及整个晶粒 故晶粒中部的应变和外部的应变差异较小 晶粒中变形的分布较均匀 总之 细晶粒金属的变形不均匀性和此引起的应力集中均较小 故开裂的机会也少 断裂前可承受的塑性变形量增加 金属塑性显著提高 49 总体上讲 金属材料本身的化学成分和组织对金属塑性的影响很大 杂质元素的存在大大降低了金属的塑性 合金元素的加入使得金属材料的强度升高 塑性降低 金属材料内部组织的均匀化 使得塑性大幅度提高 所有这些对金属塑性的影响 在制定生产工艺的过程中都必须考虑进去 50 二 变形温度 变形速度对金属塑性的影响 1 变形温度对金属塑性的影响总的趋势是 随着温度的升高 塑性增加 原因 1 温度升高时 金属发生回复与再结晶 回复使变形金属得到一定程度的软化 再结晶则完全消除了加工硬化效应 使金属的塑性显著提高 2 温度升高时 金属的临界剪应力降低 滑移系增加 温度越高 原子的动能越大 原子间的结合力就越弱 也即临界剪应力越低 3 对于不同的滑移系 随着温度的升高 临界剪应力降低的速度不同 因此在高温时 可能出现新的滑移系 新的滑移系参与到滑移中 金属的塑性亦增加 51 4 温度升高时 金属的组织结构发生了变化 变形金属可能由多相组织转变为单相组织 也可能由对塑性不利的晶格转变为有利的晶格 明显地改变了金属的塑性 5 温度升高时 晶界滑动 或切变 作用加强 随着温度的升高 晶界的切变抗力显著降低 使得晶界滑动易于进行 又由于扩散作用的加强 及时消除了晶界滑动所引起的裂纹 因此晶界滑动量可以很大 晶界滑动成为一种重要的变形机制 另外 晶界滑动的结果 能够松弛相邻两晶粒间由于不