锻造工技术Word格式.docx
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另一个是变形的外部条件,即工艺过程,如变形温度、变形速率、变形力学状态等。
同一材料,由于变形条件不同,可能表现出不同的塑性,例如,受单向拉伸的大理石是脆性物体,但在较强的三向压力下压缩时,却能产生明显的塑性变形而不被破坏。
⑶研究金属或合金塑性的意义
选择合适的变形方法,确定最好的变形温度、速度来获得最大变形量,以便低塑性难变形的金属与合金能顺利实现成形过程。
2.金属的塑性指标
常用的试验方法有拉伸试验、压缩试验和扭转试验
指标有:
延伸率、收缩率、压缩程度、扭转角度和扭转圈数
二、变形抗力
变形抗力是指在一定的加载条件下和一定的变形温度、速度条件下,引起塑性变形的单位变形力的大小,或者说金属抵抗塑性变形的能力。
金属的变形抗力是指该材料在变形瞬间的屈服强度,金属内部的应力达到该值时,便开始产生塑性变形。
三、影响金属塑性变形和变形抗力的因素
1.金属自然性质对塑性和变形抗力的影响
⑴金属化学成份对塑性和变形抗力的影响
①碳钢中碳和杂质元素的影响
a.碳碳对碳钢性能的影响最大。
随着碳含量的增加,渗碳体的数量亦增多,塑性的降低也越大。
左图为退火状态下,碳含量对碳钢的塑性的降低和强度的影响曲线。
b.磷磷是钢中的有害杂质,它使钢的强度、硬度提高,而塑性、韧性降低,在冷变形是影响更为严重,故称为冷脆性。
c.硫硫是钢中的杂质元素,它使钢在热变形时开裂,这种现象称为热脆性。
d.氢氢是钢中的有害元素,表现在两个方面:
一是使的塑性、韧性下降,造成氢脆;
二是当氢含量较高的钢锭锻造后以较快速度冷却时,从固体中析出的氢原子来不及向钢坯表面扩散逸出,而聚集在钢内的显微缺陷处形成氢分子,产生局部高压。
如果此时钢中还存在组织应力或温度应力,则在它们的共同作用下可能产生微裂纹,即所谓的“白点”。
白点显著降低了钢的塑性和韧性,会导致工件在淬火时开裂和使用过程中突然断裂。
e.氧氧主要是以氧化物的形式存在于钢中,分布在晶界处。
它能降低钢的疲劳强度的塑性。
②合金元素的影响合金元素加入钢中,使钢的塑性降低,变形抗力提高,其主要原因如下。
a.几乎所有的合金元素都能使铁原子的晶格发生不同程度的畸变,而造成变形抗力的提高和塑性的降低。
b.有些合金元素在钢中形成硬而脆的碳化物,而使金属塑性降低。
c.合金元素改变钢中相的组成,造成组织的多相性,从而使钢的塑性降低,变形抗力提高。
d.合金元素一般都使钢的再结晶温度提高、再结晶速度降低,使钢的硬化倾向增加,塑性降低。
⑵组织状态对塑性和变形抗力的影响
①晶粒度晶粒度愈细小,愈有利于提高塑性,同时也增强了变形抗
力。
②金相组织单相组织(纯金属或单相固溶体)比多相组织塑性好,变形抗力也低。
③铸造组织铸造组织有较粗大的柱状晶和偏析、气泡、夹杂、裂纹等缺陷,降低金属的塑性,不利于金属的塑性成形。
④金属的晶格结构属于面心立方晶格结构的金属塑性良好,而体心立方晶格结构的金属塑性就差。
密排六方晶格结构的金属塑性最差。
2.变形温度-速度条件对塑性和变形抗力的影响
⑴变形温度的影响
随着温度的升高,有利于回复与再结晶,可在变形过程中实现软化以消除加工硬化,降低变形抗力,使在塑性变形过程中造成的破坏和缺陷修复可能性增加;
同时,随着温度的升高,可能由多相组织转变为单相组织,导致塑性提高和变形抗力的降低。
塑性随温度升高而提高只在一定条件下才是正确的,因为变形温度的影响是和材料的组织结构有密切关系的。
当相态和晶粒边界状态随着温度变化而发生了变化,在塑性曲线上可能出现凹陷(见上图)。
在区域Ⅰ中一般的金属塑性极低,到-200℃时塑性几乎完全丧失,低温脆性的出现,是与晶粒边界的某些组织组成物温度降低而脆化有关。
塑性降低的区域Ⅱ,位于200~400℃的范围内,此区域为蓝脆区。
塑性降低的区域Ⅲ,位于800~950℃,此区域的出现与相变有关,由于在相变区有铁素体和奥氏体共存,产生了变形的不均匀性,出现附加拉应力,使塑性降低。
此温度区间为热脆区。
塑性降低的区域Ⅳ,接近于金属的熔化温度,此时晶粒迅速长大,发生过热和过烧现象。
下面谈谈塑性增高的区域。
区域1位于100~200℃的范围,在此区域内,塑性增加是由于冷变形时原子动能增加的缘故(热振动)。
区域2位于700~800℃的范围,由400℃到700~800℃,有回复和再结晶发生,这两个过程对塑性都有好的影响。
区域3位于950~1250℃的范围,在此区域中没有相变,钢的组织是均匀一致的奥氏体。
⑵变形速率的影响
当应变速率不大时,随着应变速率的提高塑性降低,变形抗力增大;
而在应变速率较大时,随着应变速率的提高塑性增加(受温度效应影响)。
3.受力状态对塑性和变形抗力的影响
在锻造成形的应力状态中,压应力个数愈多,数值愈大,金属塑性愈高,变形抗力也愈大。
反之,拉应力个数愈多,数值愈大,金属塑性愈低。
在塑性加工中,人们通过改变蛮力状态来提高金属的塑性,以保证生产顺利进行,并促进工艺的发展。
例如,在平砧上拔长合金钢时,容易在毛坯心部产生裂纹(见左上图),改用V形砧后,由于工具侧面压力的作用,减小了毛坯心部的拉应力,从而避免裂纹的产生(见左图)。
4.其它因素对金属塑性和变形抗力的影响
⑴不连续变形的影响一次连续变形条件下可能产生的最大变形程度。
在不连续变形(或多次分散变形)的情况下,金属的塑性亦能得到提高,特别是低塑性的钢与合金热变形时更为明显。
不连续热变形条件下使金属塑性提高的原因主要是:
①在分散变形中每次所给予的变形量都较小,远低于金属的断裂的塑性极限,所以在金属内产生的应力也较小,不足以引起金属的断裂。
②在各次变形的间歇时间内能更充分地进行软化过程,使金属的塑性在一定程度上得到恢复。
⑵尺寸(体积)因素的影响
变形体的尺寸(体积)会影响金属的塑性。
尺寸越大,其化学成份和组织越不均匀,且内部缺陷也越多,因而导致塑性越低;
但当变形体的尺寸(体积)达到某一临界时,塑性将不再随体积的增大面降低。
对于钢锭来说,这种塑性的降低就更为显著。
⑶坯料表面状况的影响
坯料表面越光滑,镦粗时的极限变形就越大;
反之,坯料表面粗糙或有裂纹、夹杂等缺陷时,变形过程中应力集中,塑性低导致锻件开裂。
⑷工具、模膛表面状况的影响
金属与工具或模膛之间在锻造过程中发生相对滑动,产生摩擦力,引起不均匀变形,从而产生附加应力和残余应力。
四、提高金属塑性和降低变形抗力的基本途径
⑴提高材料成份和组织的均匀性
合金铸锭的化学成份和组织通常是很不均匀的,若在变形前进行高温扩散退火,能起到均匀化的作用,从而提高塑性。
对于高合金钢锭,根据成份的不同,可在1050~1150℃甚至更高一些的温度范围内长时间保温度,同样能起到良好的效果。
⑵合理选择变形温度和应变速率
合金钢的始锻温度通常比相同碳量的碳钢低,而终锻温度则更高,其始、终锻的锻造温度范围一般仅100~200℃。
若加热温度选择过高,则易使晶界处的低熔点物质熔化,而晶粒有过分长大的危陷;
而若变形温度选择过低,则回复再结晶不能充分进行,加工硬化严重。
这一切都会造成金属塑性的降低,导致锻造时开裂。
对于具有速度敏感性的材料,还要注意合理选择应变速率。
⑶选择三向压缩性较强的变形方式
挤压变形时的塑性一般高于开式模锻。
而开式模锻又比自由锻更有利于塑性的发挥。
在锻造低塑性材料时,可采用一些能增强三向应力状态的措施,以防止锻件开裂。
如对低塑性难变形的高合金钢,镦粗时外面加下个低碳钢套,即所谓包套镦粗(见左图),使镦粗时坯料侧表面处于受压状态,防止切向受拉而产生裂纹。
另外,采用凹形砧(V形砧、弧形砧)或摔子拔长轴类锻件,不仅提高了拔长速度,而且锻件的侧表面压力增加,塑性有所提高,而且防止表面和心部产生裂纹。
⑷减小变形的不均匀性
不均匀变形会引起附加应力,促使裂纹的产生。
合理的操作规范,良好的润滑,合适的工、模具形状等都能减少变形的不均匀性。
例如,选择合适的锻造比,可以避免毛坯心部锻不透引起内部裂纹的产生;
镦粗时采用铆镦、叠镦(见上图)或在接触表面施加良好的润滑等,都有利于减小毛坯的鼓形和防止表面纵向裂纹的产生。
第二节塑性变形和变形力
一、塑性变形的表示方法
在外力作用下所引起固体的形状和尺寸的改变统称为变形。
1.塑性变形
金属在变形时将外力作用去除后,不能恢复到原来的形状和尺寸,保留下为的永久变形,称为塑性变形。
2.变形程度
在锻造生产中,变形程度(变形的大小)常用变形量来表示。
⑴绝对变形量变形前的尺寸与变形后尺寸差值的绝对值表示绝对变
形量。
该变形量有压下量、展宽量和伸长量,分别按下式计算:
压下量△h=HO-H1展宽量△b=BO-B1伸长量△l=LO-L1
⑵相对变形量用绝对变形量的大小与原始尺寸的比值来表示相对变
对变形量,相对变形量用ε来表示,分别按下式计算。
相对压缩εh=△h/H0×
100%
相对展宽εb=△h/B0×
相对伸长εl=△h/L0×
在实际生产中,还可能用其它方式来表示变形程度,例如在拔长生产中,多采用断面收缩率、拔长比来表示。
二、应变速率
锻造时工件变形速度用应变速率表示比较确切。
应变速率就是变形程度对时间的变化率,或者说是应变对时间的变化率。
按下式计算:
ρ=ε/t
式中,ρ表示应变速率,s-1
ε用相对变形表示变形量
t变形过程中所经过的时间,s
一般用最大主变形方向的变形速率来表示各种变形过程的应变速率。
在锻造时用高度方向应变速率来表示。
三、塑性变形过程中的力学分析
作用在变形物体上的外力有表面力和体积力(或称质量力)两种。
表面力是作用在变形物体表面上的力,有时也叫接触力。
它可以是集中力,但在通常情况下是分布力。
锻造成形通常就是由这种力所引起的。
体积力是作用于变形物体上每个质点的力,如重力、惯性力等。
在锻造过程中,体积力相对表面力的作用是很小的,所以忽略不计。
因此,在锻造生产中通常讲的外力,就是指表面力。
1.外力
⑴通常把设备的可动工具部分对金属坯料所作用的力叫做作用力或主动力。
例如水压机锻造时,上砧对坯料作用的压力P及拉丝钳对工件所作用的拉力P(见左图)。
作用力的大小由物体变形时所需的能量多少来决定,即取决于变形时所需要的变形功。
⑵约束反力
变形力在主动力作用下,其运动受到工具及另外组成部分阻碍而反作用于变形物体上的力,它与主动力相互约束,以保证金属的变形。
除此之外,金属变形时,质点的流动又会受工具表面上摩擦力的制约。
这些力都称为约束反力。
因此,锻造时变形体与工具在接触表面上的约束力有正压力和摩擦力。
①正压力
沿工具和变形接触面的法线方向,阻碍金属流动的力,它的方向和接触面垂直,并指向变形体,如上图中N的方向。
②摩擦力
沿工具与变形接触面的切线方向,阻碍金属流动的力,它的方向和接触面平行,并与金属质点流动或变形趋势相反,如上图
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