第1章沖壓成形原理

1、第一章 沖壓成形原理主講：閆潔主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：n1.金屬塑性變形的基本概念 n2.塑性變形對(duì)金屬組織和性能影響n3.影響金屬塑性和變形抗力的主要因素 n利用外力使金屬產(chǎn)生塑性變形，來獲得具有一定形狀、利用外力使金屬產(chǎn)生塑性變形，來獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的原材料、毛坯或零件的生產(chǎn)方法稱為尺寸和力學(xué)性能的原材料、毛坯或零件的生產(chǎn)方法稱為金屬壓力加工金屬壓力加工。n 壓力加工的種類：壓力加工的種類：軋制、拉拔、擠壓、鍛造、板料沖壓軋制、拉拔、擠壓、鍛造、板料沖壓鍛壓生產(chǎn)方式示意圖鍛壓生產(chǎn)方式示意圖本質(zhì)：本質(zhì)： 利用固態(tài)金屬的塑性，使其受力，改變形狀、尺寸并利用固態(tài)金屬的塑性，使其受力，

2、改變形狀、尺寸并改善組織，性能，獲得所需形狀、尺寸和可靠性能的毛坯改善組織，性能，獲得所需形狀、尺寸和可靠性能的毛坯或零件?；蛄慵l件：條件：）塑性材料。低碳鋼、鋁、銅合金最好；）塑性材料。低碳鋼、鋁、銅合金最好； ）受力塑性變形、滿足屈服條件：）受力塑性變形、滿足屈服條件：s s（材料屈服強(qiáng)度）。材料屈服強(qiáng)度）。1.金屬塑性變形的金屬塑性變形的基本概念基本概念 彈性變形彈性變形 在外力作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力迫使原子離開原在外力作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力迫使原子離開原來的平衡位置，改變了原子間的距離，使金屬發(fā)生變形。并來的平衡位置，改變了原子間的距離，使金屬發(fā)生變形。并引起原子位

3、能的增高，但原子有返回低位能的傾向。當(dāng)外力引起原子位能的增高，但原子有返回低位能的傾向。當(dāng)外力停止作用后，應(yīng)力消失，變形也隨之消失。停止作用后，應(yīng)力消失，變形也隨之消失。塑性變形塑性變形 內(nèi)應(yīng)力超過金屬的屈服點(diǎn)后，外力停止作用后，金屬的變內(nèi)應(yīng)力超過金屬的屈服點(diǎn)后，外力停止作用后，金屬的變形并不完全消失。形并不完全消失?；泼妫涸谇邢驊?yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部滑移面：在切向應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分，沿著一定的晶面產(chǎn)生相對(duì)滑移，該面稱為滑移面。分，沿著一定的晶面產(chǎn)生相對(duì)滑移，該面稱為滑移面。位錯(cuò)：沿滑移面舊原子對(duì)破壞，新原子對(duì)形成。位錯(cuò)：沿滑移面舊原子對(duì)破壞，新原子對(duì)形成。

4、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起塑性變形。近代物理學(xué)證明，晶體不是在滑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起塑性變形。近代物理學(xué)證明，晶體不是在滑移面上，原子并不是整體的剛性運(yùn)動(dòng)而是以位錯(cuò)引起金屬移面上，原子并不是整體的剛性運(yùn)動(dòng)而是以位錯(cuò)引起金屬塑性變形。塑性變形。多晶體的塑性變形（晶內(nèi)和晶間變形）多晶體的塑性變形（晶內(nèi)和晶間變形） 晶內(nèi)變形：外力作用下，某一晶粒的塑性變形。晶內(nèi)變形：外力作用下，某一晶粒的塑性變形。 晶間變形：晶粒之間的相互位移或轉(zhuǎn)動(dòng)。晶間變形：晶粒之間的相互位移或轉(zhuǎn)動(dòng)。 在外力作用下，有的晶粒處于利于塑性變形位置，則在外力作用下，有的晶粒處于利于塑性變形位置，則首先塑性變形。有的處于不利于塑性變形的位置，則暫時(shí)首先塑性

5、變形。有的處于不利于塑性變形的位置，則暫時(shí)不變形。晶粒間會(huì)移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，這種利與不利位置在變化，不變形。晶粒間會(huì)移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，這種利與不利位置在變化， 塑性變形不斷進(jìn)行。塑性變形不斷進(jìn)行。2.塑性變形對(duì)金屬組織和性能影響塑性變形對(duì)金屬組織和性能影響金屬在常溫下經(jīng)塑性變形后，內(nèi)部組織將發(fā)生變化。金屬在常溫下經(jīng)塑性變形后，內(nèi)部組織將發(fā)生變化。 晶粒沿最大變形的方向伸長(zhǎng)；晶粒沿最大變形的方向伸長(zhǎng)； 晶格與晶粒發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；晶格與晶粒發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力； 晶粒產(chǎn)生碎晶。晶粒產(chǎn)生碎晶。 加工硬化加工硬化 現(xiàn)象：強(qiáng)度、硬度上升，而塑性、韌性下降?，F(xiàn)象：強(qiáng)度、硬度上升，而塑性、韌性下降。 原因：滑移面

6、附近的晶粒碎晶塊，晶格扭曲畸變，增大原因：滑移面附近的晶粒碎晶塊，晶格扭曲畸變，增大滑移阻力，使滑移難以進(jìn)行?；谱枇?，使滑移難以進(jìn)行。 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶 回復(fù)：回復(fù)： 加工硬化是一種不穩(wěn)定的現(xiàn)象，具有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)加工硬化是一種不穩(wěn)定的現(xiàn)象，具有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。室溫下不易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)提高溫度時(shí)，原子定狀態(tài)的傾向。室溫下不易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)提高溫度時(shí)，原子 獲得熱能，熱運(yùn)動(dòng)加劇，當(dāng)加熱溫度獲得熱能，熱運(yùn)動(dòng)加劇，當(dāng)加熱溫度T T回回( (用用K K氏溫標(biāo)氏溫標(biāo)) ) T T回回= =（0.250.30.250.3）T T熔熔 使原子回復(fù)到正常排列，消除了晶格扭曲，使加工使原子回復(fù)到正常排列，

7、消除了晶格扭曲，使加工硬化得到部分消除。硬化得到部分消除。 再結(jié)晶：再結(jié)晶： 當(dāng)加熱溫度當(dāng)加熱溫度T T再再： T T再再=0.4T=0.4T熔熔 原子獲得更多熱能，開始的某些碎晶或雜質(zhì)為核心構(gòu)成新原子獲得更多熱能，開始的某些碎晶或雜質(zhì)為核心構(gòu)成新晶粒，因?yàn)槭峭ㄟ^形核和晶核長(zhǎng)大方式進(jìn)行的，故稱再結(jié)晶粒，因?yàn)槭峭ㄟ^形核和晶核長(zhǎng)大方式進(jìn)行的，故稱再結(jié)晶。晶。 再結(jié)晶后清除了全部加工硬化。再結(jié)晶后清除了全部加工硬化。 再結(jié)晶后晶格類型不變，只改變晶粒外形。再結(jié)晶后晶格類型不變，只改變晶粒外形。加工硬化的利用、消除加工硬化的利用、消除 利用：冷加工后使材料強(qiáng)度利用：冷加工后使材料強(qiáng)度硬度硬度。 如冷拉

8、鋼，不能熱處理強(qiáng)化的金屬材料。如冷拉鋼，不能熱處理強(qiáng)化的金屬材料。 消除：再結(jié)晶退火消除：再結(jié)晶退火 650750650750冷變形冷變形 變形溫度低于回復(fù)溫度時(shí)，金變形溫度低于回復(fù)溫度時(shí)，金屬在變形過程中只有屬在變形過程中只有加工硬化加工硬化而無(wú)而無(wú)回復(fù)與再結(jié)晶現(xiàn)象，變形后的金屬回復(fù)與再結(jié)晶現(xiàn)象，變形后的金屬只具有加工硬化組織，這種變形稱只具有加工硬化組織，這種變形稱為為冷變形冷變形。n熱變形熱變形 變形溫度在再結(jié)晶溫度以上時(shí)，變形溫度在再結(jié)晶溫度以上時(shí)，變形產(chǎn)生的加工硬化被隨即發(fā)生的變形產(chǎn)生的加工硬化被隨即發(fā)生的再結(jié)晶所抵消，變形后金屬具有再再結(jié)晶所抵消，變形后金屬具有再結(jié)晶的等軸晶粒組織

9、，而無(wú)任何加結(jié)晶的等軸晶粒組織，而無(wú)任何加工硬化痕跡，這種變形稱為工硬化痕跡，這種變形稱為熱變形熱變形。熱變形性能變化：熱變形性能變化： 去除殘余內(nèi)應(yīng)力；去除殘余內(nèi)應(yīng)力； 消除加工硬化（冷變形硬化）；消除加工硬化（冷變形硬化）； 恢復(fù)良好塑性；恢復(fù)良好塑性； 為進(jìn)一步冷加工變形創(chuàng)造條件；為進(jìn)一步冷加工變形創(chuàng)造條件；熱變形組織變化：熱變形組織變化： 形成鍛造流線，形成鍛造流線， 即纖維組織，即纖維組織， 凸顯性能各向異性。凸顯性能各向異性。以模鍛為例：以模鍛為例：其特點(diǎn)：其特點(diǎn)： 鍛件精度高，鍛造曲線合理，力學(xué)性能好；鍛件精度高，鍛造曲線合理，力學(xué)性能好； 生產(chǎn)效率高；金屬消耗少。生產(chǎn)效率高；金

10、屬消耗少。3.影響金屬塑性的主要因素n金屬的塑性不是固定不變的，它受金屬的內(nèi)在因素（晶格類型、化學(xué)成分、組織狀態(tài)等）和外部條件（變形溫度、應(yīng)變速率、變形的力學(xué)狀態(tài)等）的影響。n因此通過創(chuàng)造合適的內(nèi)、外部條件，就有可能改善金屬的塑性行為。 3.1化學(xué)成分及組織的影響n（1）化學(xué)成分的影響 n工業(yè)用的金屬除基本元素之外大都含有一定的雜質(zhì)，有時(shí)為了改善金屬的使用性能也往往人為地加入一些合金元素。它們對(duì)金屬的塑性均有影響。金屬的塑性隨其純度的提高而增加。n例如純度為99.96的鋁，伸長(zhǎng)率為45。而純度為98的鋁，其伸長(zhǎng)率則只有30左右。n純金屬的塑性與其晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，面心立方的金屬（ Ag 、 Al

11、、 Au 、 Ni 、 Cu 、 Pb 、 g-Fe 等）、體心立方的金屬（ Cr 、 V 、 Nb 、 Ta 、 Mo 、 W 、 a-Fe 、 b-Ti 等）滑移系較多，因此比密排六方的金屬（ Zn 、 Mg 、 Cd 、 a-Be 、 a-Ti 、 a-Co 等）塑性好。但金屬塑性的好壞，還與滑移方向的數(shù)目有關(guān)，所以面心立方結(jié)構(gòu)的金屬塑性較體心立方的為好。3.1化學(xué)成分及組織的影響（內(nèi)因）（2）組織結(jié)構(gòu)的影響 n 一般情況下，單相組織（純金屬或固溶體）比多相組織的塑性好，固溶體（如奧氏體）比化合物（如滲碳體）的塑性好。n而多相組織的塑性又與各相的特性、晶粒的大小、形狀、分布等有關(guān)。（如晶

12、粒細(xì)小而又均勻的組織的比鑄態(tài)柱狀組織和粗晶粒結(jié)構(gòu)塑形好）n若兩相變形性能相近，則塑性為其平均值相差懸殊時(shí)，則變形主要在塑性好的一相中進(jìn)行,另一相起 阻礙作用，這時(shí)的塑性與第二相 的分布有關(guān)，第二相若呈不連續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界上,則塑性很差；若第二相呈片、層狀分布在晶粒內(nèi)則塑性稍有下降；若呈顆粒狀彌散分布，則不影響塑性。 3.2加工條件度對(duì)塑性的影響（外因） （1）變形溫度的影響 就大多數(shù)金屬和合金而言，總的趨勢(shì)是：隨著溫度的升高，塑性增加。但在升溫過程中的某些溫度區(qū)間，塑性會(huì)降低，出現(xiàn)脆性區(qū)。 溫度升高，塑性增加的原因有：發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶；臨界切應(yīng)力降低，滑移 系增加 ；金屬的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，

13、可能由多相組織轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘟M織，也可能由對(duì)塑性不利的晶格轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)塑性有利的晶格；熱塑性的發(fā)生；晶界滑動(dòng)作用的加強(qiáng)等。 （1）變形溫度的影響 在一定的變形溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，原子動(dòng)能升在一定的變形溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，原子動(dòng)能升高，從而塑性提高，變形抗力減小。高，從而塑性提高，變形抗力減小。 若加熱溫度過高，晶粒急劇長(zhǎng)大，金屬力學(xué)性能降低，若加熱溫度過高，晶粒急劇長(zhǎng)大，金屬力學(xué)性能降低，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“過熱過熱”。若加熱溫度更高接近熔點(diǎn)，晶若加熱溫度更高接近熔點(diǎn)，晶界氧化破壞了晶粒間的結(jié)合，使金屬失去塑性，坯料報(bào)界氧化破壞了晶粒間的結(jié)合，使金屬失去塑性，坯料報(bào)廢，這一現(xiàn)象稱為廢

14、，這一現(xiàn)象稱為“過燒過燒”。 金屬鍛造加熱時(shí)允許的最高溫度稱為金屬鍛造加熱時(shí)允許的最高溫度稱為始鍛溫度始鍛溫度。 不能再鍛，否則引起加工硬化甚至開裂，不能再鍛，否則引起加工硬化甚至開裂， 此時(shí)停止鍛造的溫度稱此時(shí)停止鍛造的溫度稱終鍛溫度終鍛溫度3.2加工條件度對(duì)塑性的影響（外因）（2）變形速度的影響 一方面由于變形速度的增大，回復(fù)和再一方面由于變形速度的增大，回復(fù)和再結(jié)晶不能及時(shí)克服加工硬化現(xiàn)象，金屬結(jié)晶不能及時(shí)克服加工硬化現(xiàn)象，金屬則表現(xiàn)出塑性下降、變形抗力增大。則表現(xiàn)出塑性下降、變形抗力增大。 另一方面，金屬在變形過程中，消耗另一方面，金屬在變形過程中，消耗于塑性變形的能量有一部分轉(zhuǎn)化為熱

15、能，于塑性變形的能量有一部分轉(zhuǎn)化為熱能，使金屬溫度升高使金屬溫度升高(稱為稱為熱效應(yīng)現(xiàn)象熱效應(yīng)現(xiàn)象)。變形速度越大，熱效應(yīng)現(xiàn)象越明顯，使金屬的變形速度越大，熱效應(yīng)現(xiàn)象越明顯，使金屬的塑性提高、變形抗力下降塑性提高、變形抗力下降( (圖中圖中a a點(diǎn)以后點(diǎn)以后) )。3.2加工條件度對(duì)塑性的影響（外因）（3 3）應(yīng)力狀態(tài)的影響）應(yīng)力狀態(tài)的影響 擠壓時(shí)為三向受壓狀態(tài)。擠壓時(shí)為三向受壓狀態(tài)。 拉拔時(shí)為兩向受壓一向受拉的狀態(tài)。拉拔時(shí)為兩向受壓一向受拉的狀態(tài)。 壓應(yīng)力的數(shù)量愈多，則其塑性愈好，變形抗力增大；壓應(yīng)力的數(shù)量愈多，則其塑性愈好，變形抗力增大； 拉應(yīng)力的數(shù)量愈多，則其塑性愈差。拉應(yīng)力的數(shù)量愈多，則其塑性愈差。思思 考考 題題 說明金屬壓力加工的條件和種類。說明金屬壓力加工的條件和種類。 何謂金屬冷變形和熱變形？何謂金屬冷變形和熱變形？ 同種金屬材料分別經(jīng)過冷、熱變形，其組織同種金屬材料分別經(jīng)過冷、熱變形，其組織和