湖大材料工程基础课件第三章-材料的固态成形工艺

2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形1成形或者变形工艺包括由机械加工及塑性变形改变固体的形状。该工艺限于具有足够延展性的材料。金属适用聚合物适用陶瓷氧化物玻璃在玻璃转变温度以上容易成形复合材料一般不适用2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形2§1金属成形

金属不仅可在液态下直接铸造成形，也可冷凝为固态锭坯后，通过外力作用发生塑性变形加工成管、棒、板、带材、线材及各种形状的制品。通过铸造方法得到的金属坯件大多不能直接使用，还需要进一步的加工成形，如轧制、挤压、拉拔等。本节主要介绍有关金属材料塑性加工的基本理论，轧制、挤压、拉拔、锻造及板材成形等加工方法。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形3§1.1概述压力加工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，也称为塑性成形或塑性加工。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形4一、金属压力加工分类(1)冷变形过程（冷加工）

塑性变形温度低于该金属的再结晶温度（室温）特征：金属变形后产生加工硬化。(2)热变形过程（热加工）

塑性变形温度高于该金属的再结晶温度特征：金属变形后会再结晶，塑性好，消除内部缺陷，产生纤维组织。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形52026/2/22材料工程基础—材料的固态成形62026/2/22材料工程基础—材料的固态成形7二、金属压力加工的特点（1）材料利用率高：一般方法利用率为(60~70)%，先进的可达(85~90)%。（2）生产效率高：线材轧制速度高达100m/s，在12000kN压力机上每小时可生产出汽车、发动机曲轴90件。（3）产品质量高，性能好，缺陷少：可消除或降低材料内部的某些缺陷，改善材料组织和性能。（4）加工精度和成形极限有限：不能制造形状较复杂的零件，低塑性材料不能成形。（5）模具、设备费用高2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形8三、发展1、向更精细方向发展，齿轮精锻可达IT7级，铝件变薄，拉深表面粗糙度Ra达0.05μm，箔铝冲孔内直径达0.03mm，轧丝直径达0.016～0.023mm。

2、研究与开发塑性加工过程的计算机模拟技术与模具CAD/CAM技术，复合成形技术等。3、研究与开发柔性成形技术，增量成形技术，净成形技术，近净成形技术，复合成形技术等。

4、实现高速化、连续化、可控化加工。

5、研究与开发使环境净化，低噪音、小无震动、节省能源、资源或再利用的加工技术。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形9§1.2金属的塑性加工成形性金属的塑性加工成形性：

衡量金属在外力作用下发生塑性变形而不易产生裂纹的能力，它是金属重要的工艺性能之一；其优劣主要取决于金属材料的成分、组织、性能以及压力加工的方法和条件。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形10一、金属的热成形性能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。可锻性的优劣一般常用金属的塑性和变形抗力两个指标来综合衡量。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形11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、或有共晶莱氏体组织使可锻性变差(3)加工条件

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2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形12不同合金系8种典型金属的可锻性Ⅰ—纯金属及单相合金(铅合金、钼合金、镁合金)；Ⅱ—纯金属及单相合金(晶粒长大敏感者)(铍、镁合金、钨合含、

钛合金)；Ⅲ—具有不溶解组分的合金(高硫钢，含硒不锈钢)；Ⅳ—具有可溶组分的合金(含氧化物的钼合金，含可溶性碳化物和氮化物的不锈钢)；Ⅴ—加热时形成有塑性第2相的合金(高铬不锈钢)；Ⅵ—加热时形成低熔点第2相的合金(含硫的铁、含锌的镁合金)；Ⅶ—冷却时形成有塑性第2相的合金(碳钢和低合金钢、

-

钛合金和

钛合金)；Ⅷ—冷却时形成脆性第2相的合金(高温合金、沉淀硬化不锈钢)；Tm

—熔化温度。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形132)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。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形143)应力状态：压应力成分数量愈多，塑性愈好；拉应力成分数量愈多，塑性愈差。应力状态条件对可锻性的影响

(a)—试样；

(b)—拉拔；(c)—挤压2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形15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这样可显著减小总变形力，可用小设备加工大零件。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形16二、金属的冷成形性能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2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形17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：面心立方金属或合金好于体心立方金属或合金；纯金属中加入合金元素，一般均降低材料的冷成形性能。(2)材料的组织结构：细化晶粒不仅可提高材料的屈服强度，而且可改善塑性；球状P比片状P具有更低的屈服强度和较高的塑性；晶体结构主要影响塑性应变比

。(3)材料的冶金质量：例如钢中夹杂物过多时，必然会导致塑性降低，使冷成形性能变坏。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形18§1.3金属的塑性加工工艺

金属压力加工方法按加工目的可分为两大类：一类是轧制、挤压和拉拔，它主要用于生产建筑结构、切削加工和塑性加工用的等截面型材、管材和板材等，在一些情况下也可用于生产毛坯、半成品和成品零件。另一类是自由锻、模锻和冲压，它们主要用于生产各种毛坯、半成品或成品零件。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形19一、轧制

轧制最早在16世纪后期发展起来，目前大约有90%左右的钢和大部分有色金属要经过轧制。轧制的基本操作是平板轧制，即简单轧制，轧出来的是平板和薄板。平板轧制薄板平板大锅炉支撑反应容器坦克装甲波音747蒙皮饮料罐香烟铝箔300mm150mm100~125mm1.8mm0.1mm0.008mm<6mm>6mm2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形202026/2/22材料工程基础—材料的固态成形21

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。现代化的连续轧制生产线2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形22

轧制分类（按轧制温度分类）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、薄板材等。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。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形23

热轧件的组织变化热轧件的组织变化2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形24

主要工艺类型

根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同，轧制可分为纵轧、横轧、斜轧和楔横轧。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形25纵轧

两轧辊转向相反，坯料垂直于轧辊轴线方向移动。工字钢的轧制过程纵轧(1、2)2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形26几种常见的管材轧制工艺固定芯杆移动芯杆无芯杆芯杆＋凹轧辊几种常见的管材轧制工艺2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形27

横轧：两轧辊转向相同，坯料与轧辊转向相反，坯料轴线平行于轧辊轴线方向。横轧过程示意图驱动辊芯(从动)辊坯料导向辊2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形282026/2/22材料工程基础—材料的固态成形29

斜轧：轧辊轴线与坯料轴线方向互成一定的角度，坯料既转动，又沿自身轴线向前移动。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形30

在轧制过程中，金属棒料在轧辊间螺旋型槽里受到轧制，并被分离成单个的小球，轧辊每旋转一周即可轧制出一个钢球。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形31楔横轧：利用两个外表镶有凸块并作同向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法。楔横轧主要用于加工阶梯轴、锥形轴等各种对称的零件或毛坯。轧制螺纹2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形32连铸连轧：1857年德国贝士麦申请连铸连轧专利；20世纪50年代后用于钢材；1989年美国纽柯钢厂投产，目前该技术已经实用化；2010年50%热轧板卷连铸保温连轧特点：冷却速度快，组织致密，力学性能好，不用造型，不需要浇注系统；与连轧工艺配合，工艺简化、设备减少、生产线短，生产周期短；节约能源并提高成材率应用：生产钢材、铝材、铸铁管，如自来水管、煤气管、热轧钢板、线材2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形33二、锻造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、甚至8000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。铸造生产的C5A运输机着陆齿轮构件2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形34

作用

解决零件的成形要求改善内部组织与性能

流线组织

锻件相对铸件和机加工零件，有更高的强度和韧性。CastingMachiningForging2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形35

冲锻时，锻件可能留下贯穿组织的流线，这些晶界直接暴露在外，容易被环境腐蚀，产生粗糙表面，应力集中。445MN（50000t）水压机2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形36

锻造缺陷2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形37

工艺流程

锻前加热

氧化：缩短高温加热时间，减少空气过剩脱碳：碳与O2、CO2、H2O、H2反应，降低硬度和强度过烧：晶粒之间熔化或晶界氧化，不可挽救的缺陷过热：晶粒过分长大，锻后组织粗大坯料准备锻造加热后处理（冷却、热处理、清理）2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形38

锻造温度

始锻温度：保证钢无过烧现象，避免锻后晶粒粗大，考虑坯料组织、锻造方式和变形工艺等终锻温度：略高于再结晶温度；过高、晶粒粗大，过低、加工硬化、开裂锻后冷却冷却速度；空冷、坑冷、炉冷根据材料的化学成分、组织结构、锻件的断面尺寸等确定2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形39

分类自由锻（FreeForging）模锻（Dieforging）胎模锻造特种锻造：精密模锻、超塑性模锻2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形40

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锤上自由锻2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形41

主要工序基本工序：为了达到工件要求的尺寸和形状而必须进行的坯料塑性变形的工艺过程主要有镦粗、拔长、冲孔、扩孔、错移、扭转等。辅助工序：预变形钢锭倒棱、预锻钳柄和分段压痕等，其变形不受图纸的约束。修整工序：减少锻件表面缺陷精整锻件外形尺寸、修整锻件表面不平、歪扭、鼓形滚圆、弯曲校直等。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形42镦粗：坯料高度减小、横截面增大拔长：横截面减小而长度增加；长轴杆类零件冲孔：用冲头将坯料冲出透孔或不透孔扩孔

：减小空心坯料壁厚而增加其内、外径弯曲：将坯料弯成规定外形，错移：将坯料的一部分相对另一部分相互平移扭转：将坯料的一部分相对另一部分绕其同一轴线扭转一定角度镦粗拔长错移冲孔弯曲扭转扩孔多角弯曲2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形431、实心圆截面光轴

及阶梯轴2、实心圆截面光杆及阶梯杆拔长（镦粗及拔长）锻台阶切割拔长（镦粗及拔长）锻台阶切割冲孔2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形443、单拐及多拐曲轴4、空心光环及阶梯环拔长（镦粗及拔长）锻台阶错移切割扭转拔长（镦粗及拔长）扩孔冲孔2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形455、空心筒6、弯曲件拔长（镦粗及拔长）拔长拔长弯曲2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形46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。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形47

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。摄像摄像摄像2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形48

基本工艺过程1、普通模锻飞（毛）边槽的作用有两个：一是容纳多余金属；二是利用金属流过毛边槽时降温和硬化快、对金属流动阻力增加快的特点，迫使金属充满模膛。模具模具毛坯飞边2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形492、模锻＋切边2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形503、一模多锻制坯模膛切断模膛等预锻模膛模锻模膛终锻模膛镦粗模膛拔长模膛弯曲模膛2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形51

基本工序1、盘状锻件2、直轴类锻件镦粗终锻（预锻）拔长终锻滚压（预锻）2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形523、弯轴类锻件4、叉类锻件拔长终锻滚压（预锻）弯曲拔长终锻滚压预锻2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形535、枝芽类锻件拔长终锻滚压（预锻）成形2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形54汽车发动机连杆的模锻工序2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形55

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。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形56

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：常见的有扣模、套筒模及合模三大类。（a）扣模（b）套筒模（c）合模工艺过程2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形57特点和应用

1、生产效率较自由锻高，但比模锻低；

2、锻件尺寸精确较自由锻高，但比模锻低；

3、与模锻相比，设备简单，锻模易加工；

4、适于批量锻造中小型零件。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形58

特种锻造

辊锻（摄像）、精密锻造、超塑性锻造。

摄像2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形59三、板料冲压（Stamping）板料冲压(动画)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、钛及其合金等板材动画2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形60手动冲床双柱冲床数控冲床2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形61主要工序根据板料在加工过程中其整体性是否破坏，板料冲压可以分为分离工序和变形工序两大类。分离工序：1、剪切用剪刀或冲模切断板材2、落料用冲模沿封闭轮廓冲切板料，冲下来的部分为制件剪切剪刀冲模落料2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形623、冲孔用冲模沿封闭轮廓冲切板料，冲下来的部分为废料2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形634、切口

在坯料上沿不封闭轮廓冲出缺口，切口部分发生弯曲，如通风板。5、切边

将制件的边缘部分切掉6、剖切

把半成品切成两个或多个制件，常用于成双冲压。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形64冲裁（视频）利用模具使板料产生分离，包括落料、冲孔、切边、切口等作用：为成形工序准备坯料；直接生产出成品零件质量：由断面质量和尺寸精度控制断面组成：圆角带；光亮带；断裂（剪裂）带。冲裁件切断面动画2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形65控制冲裁模的间隙来增加光亮带高度间隙对冲裁断面的影响2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形66变形工序：1、弯曲

使用模具或其它工具，将坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定的角度或弧度的冲压过程。弯曲2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形67裂纹出现时所对应的临界弯曲半径称为薄板的最小弯曲半径。弹性后效（回弹现象）是指弯曲后的零件在去除外力后，其弯曲角度出现增大或减小的现象。

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减小弹性后效的措施：1、工艺设计时，使零件弯曲角度相差一个回弹角度；2、弯曲后进行必要的校正（如模具校正和热校正等）。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形69弯曲的主要工艺类型：

自由弯曲模弯双模卷绕单模卷绕四模弯曲2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形702、拉深

利用拉深模使平板坯料产生塑性变形，制成各种形状的开口空心零件的一种冲压工艺，也称拉延/深冲。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形71制耳：当用有织构的轧制板材来拉深成型零件时，将会因织构的各向异性造成板材各方向变形量不同，使拉深出来的工件边缘不齐，壁厚不均，这种现象称为“制耳”。处理措施：

1）严格控制轧制板材的压下量。

2）拉深前对轧制板材适当退火。

3）对有制耳的产品进行机加工。2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形72拉深起皱拉深裂开起皱的拉深件正常拉深、拉深起皱、拉深裂开三种现象对比正常拉深拉深起皱拉深裂开2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形73

圆形毛坯深冲成杯状物的工艺过程极限冲压比（LDR）：毛坯直径与不冲裂的最小杯的直径的比值；影响因素：板材制备过程中的轧制参数，晶粒取向与尺寸2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形74例题：汤罐是由深冲工艺制备的。罐的最终直径为50mm，高度为150mm。板的厚度为0.3mm。假定LDR=2.0，估算制备此容器所需要的毛坯直径与所需要的最低冲压次数。解：设D0为毛坯的直径，Df为汤罐的直径，h为汤罐的高度。假设薄板的厚度变化可以忽略。利用面积相等可得：2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形753、成形

利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序常用于形成刚性筋条或增大半成品内径（胀形）模压成形胀形2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形76液体胀形软胶模胀形2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形774、翻边将工件外缘或内孔翻起一定的高度

外缘翻边与拉深过程相似；

内孔翻边是使工件上预制孔的孔径扩大并同时弯出筒形边的冲压工艺。

外缘翻边内孔翻边2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形78扩口：把空心制件的口部扩大缩口：把空心制件的口部缩小扩口缩口2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形79§3.2聚合物的成形热固性聚合物：压铸、注射（成形＋固化）等热塑性聚合物：挤压、真空成形、吹塑成形等2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形80一、聚合物挤压(动画)聚合物挤压是一项古老的技术，可以回溯到19世纪60年代的天然橡胶成形。将聚合物原料在料筒中加热至流动状态，借助于螺杆的推进力将其挤压经过各种类型的口模，制得截面形状不同的型材，如管、棒、板、薄膜和各种异型材。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。动画2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形81

2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形822026/2/22材料工程基础—材料的固态成形83

二、真空成形（吸塑成形）

将热塑性聚合物板（片）材置于模具上，四周加紧并加热；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。抽真空前抽真空后2026/2/22材料工程基础—材料的固态成形84三、压延成形

压延成形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。主要生产