1、教学内容教学内容 3.13.1 塑性成形理论基础塑性成形理论基础3.2 3.2 金属的加热与锻件的冷却金属的加热与锻件的冷却3.3 3.3 塑性成形方法塑性成形方法 3.4 3.4 塑性成形工艺设计塑性成形工艺设计 3.5 3.5 塑性加工方法的结构工艺性塑性加工方法的结构工艺性3.6 3.6 常用塑性成形方法的选择常用塑性成形方法的选择3.7 3.7 塑性成形新发展塑性成形新发展 塑性成形塑性成形：是指：是指固态金属固态金属在在外力作用外力作用下产生不可下产生不可恢复的永久变形恢复的永久变形塑性变形塑性变形，获得所需形状、尺寸，获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法。各类钢和有色
2、及力学性能的毛坯或零件的加工方法。各类钢和有色金属大都具有一定的塑性，均可在冷态或热态下进行金属大都具有一定的塑性，均可在冷态或热态下进行塑性成形加工。塑性成形加工。第第3 3章章 塑性成形塑性成形 概述概述 锻造工艺锻造工艺锻造过程锻造过程第第3 3章章 塑性成形塑性成形 概述概述 常见的塑性加工方法：常见的塑性加工方法：a)自由锻自由锻 b)模锻模锻 c)挤压挤压1.锤头锤头 2.坯料坯料 3.下抵铁下抵铁 1.上模上模 2.坯料坯料 3.下模下模 1.挤压筒挤压筒 2.冲头冲头3.坯料坯料 4.挤压凹模挤压凹模PPP1231231234第第3 3章章 塑性成形塑性成形 概述概述 d)拉拔
3、拉拔 e)轧制轧制 f)板料冲压板料冲压1.拉拔模拉拔模 2.坯料坯料 1.轧辊轧辊 2.坯料坯料 1.凸模凸模 2.板料板料3.凹模凹模 4.冲下部分冲下部分12121234塑性成形的优点：塑性成形的优点：1）改善金属的组织，提高金属的力学性能毛坯。）改善金属的组织，提高金属的力学性能毛坯。2）节约金属材料和切削加工工时，提高金属材料）节约金属材料和切削加工工时，提高金属材料的利用率和经济效益的利用率和经济效益。3）具有较高的劳动生产率）具有较高的劳动生产率。4）适应性广）适应性广。第第3 3章章 塑性成形塑性成形 概述概述 塑性成形的缺点：塑性成形的缺点：1）锻件的结构工艺性要求较高；对形
4、状复杂特别是）锻件的结构工艺性要求较高；对形状复杂特别是内腔复杂的零件或毛坯难以甚至不能锻压成形；内腔复杂的零件或毛坯难以甚至不能锻压成形；2）通常锻压件）通常锻压件(主要指锻造毛坯主要指锻造毛坯)的尺寸精度不高，的尺寸精度不高，还需配合切削加工等方法来满足精度要求；还需配合切削加工等方法来满足精度要求；3）塑性加工方法需要重型的机器设备和较复杂的模）塑性加工方法需要重型的机器设备和较复杂的模具，模具的设计制造周期长，初期投资费用高等。具，模具的设计制造周期长，初期投资费用高等。第第3 3章章 塑性成形塑性成形 概述概述 第第1节节 塑性成形理论基础塑性成形理论基础3.1.1 塑性成形的实质塑
5、性成形的实质3.1.2 冷变形强化与再结晶冷变形强化与再结晶3.1.3 锻造比与锻造流线锻造比与锻造流线3.1.4 塑性成形基本规律塑性成形基本规律3.1.5 金属的金属的锻造性能锻造性能3.1.1 塑性成形的实质塑性成形的实质 具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，当坯料具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，当坯料内的应力达到一定的条件，便发生塑性变形，内的应力达到一定的条件，便发生塑性变形，这是这是能够制造塑性成形件的根据。能够制造塑性成形件的根据。所有金属都是晶体结构。所有金属都是晶体结构。1.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 单晶体是指原子排列方式完全一致的晶体。单晶体是指原子排列方式完全
6、一致的晶体。单晶体的塑性变形主要方式有两种，一为单晶体的塑性变形主要方式有两种，一为滑移变滑移变形形，二为，二为双晶变形双晶变形(亦叫孪晶亦叫孪晶)。滑移滑移是是主要主要变形方式。变形方式。3.1.1 塑性成形的实质塑性成形的实质1）滑移：）滑移：滑移是晶体内的一部分相对另一部分沿原滑移是晶体内的一部分相对另一部分沿原子排列紧密的晶面作相对活动。子排列紧密的晶面作相对活动。a)未变形前未变形前 b)弹性变形弹性变形 c)弹、塑性变形弹、塑性变形 d)塑性变形后塑性变形后单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 常见的三种金属晶格中，体心立方晶格和面心立方常见的三种金属晶格中，体心立方晶格和面心立方晶格
7、对称性好，滑移系多，晶体可在多方向上发生滑移。晶格对称性好，滑移系多，晶体可在多方向上发生滑移。晶体发生滑移后，其外表形状发生变化，体积保持晶体发生滑移后，其外表形状发生变化，体积保持不变，相对滑移后晶体的两部分仍保持晶格位向的一致不变，相对滑移后晶体的两部分仍保持晶格位向的一致性。性。2）双晶：）双晶：双晶亦叫孪晶。双晶是晶体在外力作用下晶格的一部双晶亦叫孪晶。双晶是晶体在外力作用下晶格的一部分相对另一部分发生转动。分相对另一部分发生转动。未变形部分和变形部分的交界面称为双晶面。在双晶未变形部分和变形部分的交界面称为双晶面。在双晶面两侧形成镜面对称，如图面两侧形成镜面对称，如图3-3所示。所
8、示。3.1.1 塑性成形的实质塑性成形的实质 双晶一般发生在晶体内滑移系少的金属中，具有六方双晶一般发生在晶体内滑移系少的金属中，具有六方晶格的金属产生双晶变形的倾向较大。晶格的金属产生双晶变形的倾向较大。增加变形速度会促使双晶的发生。在冲击力的作用下增加变形速度会促使双晶的发生。在冲击力的作用下容易产生双晶。容易产生双晶。a)变形前变形前 b)变形后变形后 图图3-3 晶体的双晶晶体的双晶双晶面3.1.1 塑性成形的实质塑性成形的实质2.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形可分为多晶体的塑性变形可分为晶内晶内变形与变形与晶间晶间变形。变形。晶粒内部的塑性变形称为晶内晶粒内部的塑
9、性变形称为晶内变形。晶粒之间相互移动或转动称变形。晶粒之间相互移动或转动称为晶间变形。为晶间变形。多晶体内的单个晶粒，其塑性变多晶体内的单个晶粒，其塑性变形的方式和单晶体是一样的，即主形的方式和单晶体是一样的，即主要变形方式为滑移和双晶。多晶体要变形方式为滑移和双晶。多晶体的塑性变形如图的塑性变形如图3-4所示。所示。3.1.1 塑性成形的实质塑性成形的实质 多晶体多晶体:是由大量的大小、形状、晶格排列位向各是由大量的大小、形状、晶格排列位向各不相同的晶粒所组成。不相同的晶粒所组成。P图图3-4 多晶体塑性变形多晶体塑性变形 a)变形前变形前 b)变形后变形后 多晶体的晶粒各个位向不同，因此在
10、外力作用下多晶体的晶粒各个位向不同，因此在外力作用下各个晶粒所处的塑性变形条件不同。各个晶粒所处的塑性变形条件不同。3.1.1 塑性成形的实质塑性成形的实质 图图 3-5 多晶体晶粒位向与多晶体晶粒位向与 受力变形关系受力变形关系 与外力作用方向成与外力作用方向成 45角的滑移角的滑移平面，产生切应力最大，易于达到平面，产生切应力最大，易于达到塑性变形所需要的临界值，产生变塑性变形所需要的临界值，产生变形。而其邻近的晶粒，沿滑移平面形。而其邻近的晶粒，沿滑移平面上的切应力尚未达到临界值，处于上的切应力尚未达到临界值，处于非塑性变形状态，只能通过晶粒转非塑性变形状态，只能通过晶粒转动或者双晶变形
11、以后，才能够进一动或者双晶变形以后，才能够进一步产生滑移变形。如图步产生滑移变形。如图3-5所示，所示，、晶粒易产生滑移，晶粒易产生滑移，、晶粒不晶粒不易产生滑移。易产生滑移。在低温时，晶界的强度一般比晶粒内部强度高，变在低温时，晶界的强度一般比晶粒内部强度高，变形抗力大，不易变形。形抗力大，不易变形。在高温时，晶界强度降低，晶粒间易于相互移动。在高温时，晶界强度降低，晶粒间易于相互移动。晶界相对于晶粒的体积所占比例大，其强度高，变形抗晶界相对于晶粒的体积所占比例大，其强度高，变形抗力大，不易塑性变形。力大，不易塑性变形。多晶体的塑性变形正是由于存在着晶界和各晶粒的多晶体的塑性变形正是由于存在
12、着晶界和各晶粒的位向差别位向差别，其变形抗力要比同种金属的单晶体高得多。，其变形抗力要比同种金属的单晶体高得多。同时，由于晶粒越细，在一定体积的晶体内晶粒数目就同时，由于晶粒越细，在一定体积的晶体内晶粒数目就越多，变形就可以分散到更多的晶粒内进行，使各晶粒越多，变形就可以分散到更多的晶粒内进行，使各晶粒的变形比较均匀，不致产生太大的应力集中，所以的变形比较均匀，不致产生太大的应力集中，所以细晶细晶粒粒金属的金属的塑性塑性和和韧性韧性均较好。均较好。3.1.1 塑性成形的实质塑性成形的实质1.冷变形强化冷变形强化(加工硬化加工硬化)金属在塑性变形中随变形程度增大，金属的强度、硬度升金属在塑性变形
13、中随变形程度增大，金属的强度、硬度升高，而塑性和韧性下降。高，而塑性和韧性下降。原因是由于滑移面上的碎晶块和附近品格的强烈扭曲，增原因是由于滑移面上的碎晶块和附近品格的强烈扭曲，增大了滑移阻力，使继续滑移难以进行。大了滑移阻力，使继续滑移难以进行。这种随变形程度增加，强度、硬度升高而塑性、韧性下降这种随变形程度增加，强度、硬度升高而塑性、韧性下降的现象称为的现象称为冷变形强化冷变形强化(或加工硬化或加工硬化)。3.1.2 冷变形强化与再结晶冷变形强化与再结晶 冷变形强化是一种不稳定现象，具有自发地回复到稳定状态的冷变形强化是一种不稳定现象，具有自发地回复到稳定状态的倾向，但在室温下这种回复不易
14、实现。当将金属加热至其熔化温度倾向，但在室温下这种回复不易实现。当将金属加热至其熔化温度的的0.20.3倍时，晶粒内扭曲的品格将恢复正常，内应力减少，冷变倍时，晶粒内扭曲的品格将恢复正常，内应力减少，冷变形强化部分消除，这一过程称为形强化部分消除，这一过程称为回复回复。回复温度回复温度为为 T回回=(0.20.3)T熔熔式中式中 T回回 金属的回复温度，单位为金属的回复温度，单位为K；T熔熔 金属的熔点，单位为金属的熔点，单位为K。当温度继续升高至其熔化温度的当温度继续升高至其熔化温度的 0.4 倍时，金属倍时，金属原子获得更多的热能，开始以某些碎品或杂质为核心原子获得更多的热能，开始以某些碎
15、品或杂质为核心结晶成新的晶粒，从而消除全部冷变形强化现象。这结晶成新的晶粒，从而消除全部冷变形强化现象。这一过程称为再结晶。一过程称为再结晶。3.1.2 冷变形强化与再结晶冷变形强化与再结晶 2.再结晶再结晶 利用金属的冷变形强化可提高金属强度，这是工业生产中利用金属的冷变形强化可提高金属强度，这是工业生产中强化金属材料常用的一种手段。但是，在塑性加工生产中，冷强化金属材料常用的一种手段。但是，在塑性加工生产中，冷变形强化给金属继续进行塑性变形带来困难，应加以消除。变形强化给金属继续进行塑性变形带来困难，应加以消除。在实际生产中，常采用加热的方法使金属发生再结晶，从在实际生产中，常采用加热的方
16、法使金属发生再结晶，从而再次获得良好的塑性，这种工艺操作叫而再次获得良好的塑性，这种工艺操作叫再结晶退火再结晶退火。金属的塑性变形一般分为金属的塑性变形一般分为冷变形冷变形和和热变形热变形两种。两种。在在再结晶温度以下再结晶温度以下的变形叫冷变形。变形过程中无再结晶的变形叫冷变形。变形过程中无再结晶现象，变形后的金属只具有冷变形强化现象。所以在变形过程现象，变形后的金属只具有冷变形强化现象。所以在变形过程中变形程度不宜过太，以避免产生破裂。中变形程度不宜过太，以避免产生破裂。冷变形能使金属获得较高的硬度，产品表面质量好，尺寸冷变形能使金属获得较高的硬度，产品表面质量好，尺寸精度高，一般不需再切
17、削加工。生产中常用冷变形来提高产品精度高，一般不需再切削加工。生产中常用冷变形来提高产品的表面质量和性能。冷冲压、冷挤压、冷锻等都属于冷变形。的表面质量和性能。冷冲压、冷挤压、冷锻等都属于冷变形。3.1.2 冷变形强化与再结晶冷变形强化与再结晶 再结晶温度再结晶温度为为T再再=0.4T熔熔式中式中 T再再金属的再结晶温度，单位为金属的再结晶温度，单位为K。在再结晶温度以上的变形叫在再结晶温度以上的变形叫热变形热变形。其再结晶速度大于变形强化速度则变形产生的强化会随时其再结晶速度大于变形强化速度则变形产生的强化会随时因再结晶软化而消除，变形后金属具有再结晶组织，从而消除因再结晶软化而消除，变形后
18、金属具有再结晶组织，从而消除冷变形强化痕迹。冷变形强化痕迹。在热变形过程中金属始终保持低的塑性变形抗力和良好的在热变形过程中金属始终保持低的塑性变形抗力和良好的塑性，可以加工尺寸较大或形状较复杂的工件，塑性加工生产塑性，可以加工尺寸较大或形状较复杂的工件，塑性加工生产多采用热变形来进行。多采用热变形来进行。但热变形过程中金属表面易形成氧化皮，产品表面质量和但热变形过程中金属表面易形成氧化皮，产品表面质量和尺寸精度较低。自由锻、热模锻、热轧、热挤压等都属于热变尺寸精度较低。自由锻、热模锻、热轧、热挤压等都属于热变形。形。3.1.2 冷变形强化与再结晶冷变形强化与再结晶 铸锭冷凝后，杂质分布在晶界
19、上，无明显的方向，铸锭冷凝后，杂质分布在晶界上，无明显的方向，在热变形过程中，粗大的晶粒破碎，沿着金属流动的在热变形过程中，粗大的晶粒破碎，沿着金属流动的方向拉长，如图方向拉长，如图3-7所示。所示。3.1.3 锻造比与锻造流线锻造比与锻造流线 1.缩孔缩孔 2.缩松缩松 3.上础块上础块 4.再结晶的等抽晶再结晶的等抽晶 5.下础块下础块 6.等轴晶等轴晶 图图 3-7 热轧对晶粒组织的影响热轧对晶粒组织的影响 铸锭中的脆性杂质顺着金属主要伸长方向呈碎铸锭中的脆性杂质顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状断续分布；而塑性杂质随着金属变形，粒状或链状断续分布；而塑性杂质随着金属变形，沿主要伸长方向
20、呈带状连续分布，这样热锻后的金沿主要伸长方向呈带状连续分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性，通常称为属组织就具有一定的方向性，通常称为锻造流线锻造流线，又叫纤维流线，如图又叫纤维流线，如图3-8所示。所示。a)模锻钩模锻钩 b)切削加工钩切削加工钩 图图 3-8 拖钩的纤维流线拖钩的纤维流线3.1.3 锻造比与锻造流线锻造比与锻造流线 锻造流线使金属的力学性能表现为锻造流线使金属的力学性能表现为各向异性各向异性，锻，锻件在纵向件在纵向(平行于纤维方向平行于纤维方向)上的塑性和韧性增加，而上的塑性和韧性增加，而在横向在横向(垂直于纤维方向垂直于纤维方向)上则下降。上则下降。3.1.3 锻
21、造比与锻造流线锻造比与锻造流线 杂质分布的流线化程度与锻造比有关，流线化程杂质分布的流线化程度与锻造比有关，流线化程度越高，这种差别越明显。度越高，这种差别越明显。锻造比：锻造比：在锻造中生产中常用锻造比表示变形的程度，通在锻造中生产中常用锻造比表示变形的程度，通常用变形前后的常用变形前后的截面比截面比、长度比长度比或或高度比高度比来表示锻造来表示锻造比。比。3.1.3 锻造比与锻造流线锻造比与锻造流线 拔长锻造比为拔长锻造比为：镦粗锻造比为镦粗锻造比为：0110拔长ALyAL0101镦粗HAyAH式中式中 A0、L0、H0 变形前坯料的横截面积、长度和变形前坯料的横截面积、长度和高度；高度；
22、A1、L1、H1 变形后坯料的横截面积、长度和高度。变形后坯料的横截面积、长度和高度。锻造比对金属的组织和性能有很大影响。锻造比对金属的组织和性能有很大影响。一般情况一般情况下，增加锻造比，可细密金属组织，提下，增加锻造比，可细密金属组织，提高锻件的力学性能。高锻件的力学性能。但是，当锻造比但是，当锻造比过大过大，金属组织的紧密程度和晶，金属组织的紧密程度和晶粒细化程度都已达到了极限状况，锻件的力学性能不粒细化程度都已达到了极限状况，锻件的力学性能不再升高，而是增加各向异性。再升高，而是增加各向异性。锻造比锻造比增加增加时，钢的强度在横向和纵向上差别不时，钢的强度在横向和纵向上差别不大，而塑性
23、和韧性则差别很大；纵向的塑、韧性明显大，而塑性和韧性则差别很大；纵向的塑、韧性明显优于横向。优于横向。3.1.3 锻造比与锻造流线锻造比与锻造流线 2 2）凝固收缩）凝固收缩 指合金在液相线和固相线之间凝固阶段的指合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收缩。结晶温度范围越大，收缩率越大。收缩。结晶温度范围越大，收缩率越大。液态和凝固收液态和凝固收缩时金属液体积缩小，是形成缩孔和缩松的基本原因。缩时金属液体积缩小，是形成缩孔和缩松的基本原因。锻造流线的稳定性很高，形成后不能用热处理方法消除，只锻造流线的稳定性很高，形成后不能用热处理方法消除，只有经过塑性加工使金属变形才能改变其方向和形状。有经过塑性
24、加工使金属变形才能改变其方向和形状。在设计零件和制定变形工艺时必须考虑力学性能的异向性，在设计零件和制定变形工艺时必须考虑力学性能的异向性，尽量使零件所受的尽量使零件所受的最大正应力与流线方向一致最大正应力与流线方向一致，使，使最大切应力或最大切应力或冲击力与流线方向垂直冲击力与流线方向垂直。3.1.3 锻造比与锻造流线锻造比与锻造流线 在在锻压锻压生产中，还应注意使锻造流线尽可能生产中，还应注意使锻造流线尽可能沿着零件的外形沿着零件的外形轮廓分布轮廓分布，并在切削加工过程中保持锻造流线，并在切削加工过程中保持锻造流线不被切断不被切断，使材料，使材料的力学性能得到最充分的发挥。的力学性能得到最
25、充分的发挥。如图如图3-8a)为模锻钩，流线分布合理，使用寿命长，且材料为模锻钩，流线分布合理，使用寿命长，且材料消耗少，而图消耗少，而图3-8b)是用板材直接切削加工出的拖钩，拖钩内侧流是用板材直接切削加工出的拖钩，拖钩内侧流线组织被切断，使用时容易沿切断处断裂。线组织被切断，使用时容易沿切断处断裂。图图3-9a)是用棒料直接切削成形的齿轮，齿根处的切应力平行于流是用棒料直接切削成形的齿轮，齿根处的切应力平行于流线方向，强度最差，寿命最短；线方向，强度最差，寿命最短；3.1.3 锻造比与锻造流线锻造比与锻造流线 a)棒料切削成形棒料切削成形 b)扁钢经切削成形扁钢经切削成形 c)棒料镦粗后切
26、削成形棒料镦粗后切削成形 d)热轧成形热轧成形 1、2 轮齿轮齿 图图3-9 不同成形工艺齿轮的流线分布不同成形工艺齿轮的流线分布1212 图图3-9b)是扁钢经切削加工的齿轮，齿是扁钢经切削加工的齿轮，齿1的根部切应力与流线方向的根部切应力与流线方向垂直，强度高，齿垂直，强度高，齿2情况正好相反，性能差，寿命短；情况正好相反，性能差，寿命短；3.1.3 锻造比与锻造流线锻造比与锻造流线 图图3-9c)是棒料镦粗后再经切削加工而成，流线呈径向放射状，各是棒料镦粗后再经切削加工而成，流线呈径向放射状，各齿的切应力方向均与流线近似垂直，强度与寿命较高齿的切应力方向均与流线近似垂直，强度与寿命较高图
27、图3-9d)是热轧成形齿轮，流线完整且与齿廓一致，未被切断，强是热轧成形齿轮，流线完整且与齿廓一致，未被切断，强度最高，寿命最长。度最高，寿命最长。成形规律：成形规律：就是塑性成形时金属质点流动的规律。就是塑性成形时金属质点流动的规律。它应该阐明：在给定的条件下，变形体内将出现什么样的它应该阐明：在给定的条件下，变形体内将出现什么样的位移速度位移速度(位移增量位移增量)场和位移场。场和位移场。3.1.4 塑性成形基本规律塑性成形基本规律 掌握了流动规律也就可以合理地选择工步和设计成形模具，掌握了流动规律也就可以合理地选择工步和设计成形模具，以及分析成形工件的质量问题。以及分析成形工件的质量问题
28、。根据位移场就可以立即求得物体形状、尺寸的变化，并可根据位移场就可以立即求得物体形状、尺寸的变化，并可方便地求得应变场。方便地求得应变场。1.体积不变定律体积不变定律 金属塑性变形后的体积等于变形前的体积，称为体积不变金属塑性变形后的体积等于变形前的体积，称为体积不变定律。应用体积不变定律可算出各定律。应用体积不变定律可算出各工序尺寸工序尺寸。3.1.4 塑性成形基本规律塑性成形基本规律 塑性变形时金属各质点首先向塑性变形时金属各质点首先向阻力最小阻力最小方向移动，方向移动，称为最小阻力定律。称为最小阻力定律。一般金属的某一质点移动时阻力最小的方向是通一般金属的某一质点移动时阻力最小的方向是通
29、过该质点向金属变形部分的周边所作的过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向法线方向，因，因为质点沿此方向移动的距离最短，所需的变形功最小。为质点沿此方向移动的距离最短，所需的变形功最小。2.最小阻力定律最小阻力定律 3.1.4 塑性成形基本规律塑性成形基本规律 塑性变形时金属各质点首先向塑性变形时金属各质点首先向阻力最小阻力最小方向移动，方向移动，称为最小阻力定律。称为最小阻力定律。一般金属的某一质点移动时阻力最小的方向是通一般金属的某一质点移动时阻力最小的方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向法线方向，因，因为质点沿此方向移动的距离最短，所需的
30、变形功最小。为质点沿此方向移动的距离最短，所需的变形功最小。2.最小阻力定律最小阻力定律 金属的锻造性能是衡量材料经受塑性成形加工时成金属的锻造性能是衡量材料经受塑性成形加工时成形的难易程度。形的难易程度。金属锻造性能的好坏，常用金属锻造性能的好坏，常用塑性塑性和和变形抗力变形抗力两个指两个指标来衡量。标来衡量。塑性越高，变形抗力越低，则认为该金属的锻造性塑性越高，变形抗力越低，则认为该金属的锻造性能好。能好。金属的锻造性能取决于金属的锻造性能取决于金属的本质金属的本质和和变形条件变形条件。3.1.5 金属的锻造性能金属的锻造性能 纯金属的锻造性能比合金的锻造性能好。纯金属的锻造性能比合金的锻
31、造性能好。碳钢随含碳量增加，锻造性能变差。碳钢随含碳量增加，锻造性能变差。钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，锻造性钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，锻造性能越差。能越差。钢中硫、磷含量多也会使锻造性能变差。钢中硫、磷含量多也会使锻造性能变差。3.1.5 金属的锻造性能金属的锻造性能 例如纯铁、低碳钢和高合金钢，它们的锻造性能是例如纯铁、低碳钢和高合金钢，它们的锻造性能是依次下降的。依次下降的。1.金属本质的影晌金属本质的影晌 1)化学成分化学成分 不同化学成分的金属其锻造性能不同。不同化学成分的金属其锻造性能不同。纯金属和固溶体纯金属和固溶体(如奥氏体如奥氏体)具有良好的锻造性能；具有
32、良好的锻造性能；金属化合物金属化合物(如渗碳体如渗碳体)使锻造性能变坏；使锻造性能变坏；铸态柱状组织和粗晶结构不如细小而又均匀的晶粒铸态柱状组织和粗晶结构不如细小而又均匀的晶粒结构的锻造性能好。结构的锻造性能好。3.1.5 金属的锻造性能金属的锻造性能2)金属组织金属组织2.变形条件的影响变形条件的影响 1)变形温度变形温度 通常情况下，随着变形温度的升高，金属内原子动通常情况下，随着变形温度的升高，金属内原子动能增加，原子间的结合力减弱，表现为材料的塑性提高能增加，原子间的结合力减弱，表现为材料的塑性提高而变形抗力减小。而变形抗力减小。适当提高变形温度对改善金属的锻造性能有利。适当提高变形温
33、度对改善金属的锻造性能有利。但温度过高，会使金属产生氧化、脱碳、过热等缺但温度过高，会使金属产生氧化、脱碳、过热等缺陷，甚至使锻件产生过烧而报废，所以应该严格控制锻陷，甚至使锻件产生过烧而报废，所以应该严格控制锻造温度范围。造温度范围。3.1.5 金属的锻造性能金属的锻造性能 锻造温度范围锻造温度范围是指始锻温度与终锻温度间的温是指始锻温度与终锻温度间的温度范围。它的确定以合金状态图为依据。度范围。它的确定以合金状态图为依据。终锻温度过低，金属的冷变形强化严重，变形抗力急终锻温度过低，金属的冷变形强化严重，变形抗力急剧增加，难于加工，强行锻造，将导致锻件破裂报废。剧增加，难于加工，强行锻造，将
34、导致锻件破裂报废。而始锻温度过高，会造成过热、过烧等缺陷。而始锻温度过高，会造成过热、过烧等缺陷。2)变形速度变形速度 随着变形速度的提高，随着变形速度的提高，金属的回复和再结晶过程金属的回复和再结晶过程来不及消除加工硬化的影来不及消除加工硬化的影响，使金属的塑性下降，响，使金属的塑性下降，变形抗力提高。变形抗力提高。但当变形速度超过某但当变形速度超过某个个临界值临界值，由于塑性变形，由于塑性变形的热效应，使金属内的温的热效应，使金属内的温度升高，从而又改善了锻度升高，从而又改善了锻造性能。造性能。3.1.5 金属的锻造性能金属的锻造性能 b a c 变形速度变形速度 图图3-13 变形速度对
35、塑性及变形抗力的影响变形速度对塑性及变形抗力的影响变形抗力曲线变形抗力曲线塑性变化曲线塑性变化曲线变变形形抗抗力、力、塑塑性性 3)应力状态应力状态 不同的压力加工方法，不同的压力加工方法，在金属内部产生的应力状态在金属内部产生的应力状态也不同。甚至在同一种变形也不同。甚至在同一种变形方式下，金属内部不同部位方式下，金属内部不同部位的应力状态也可能不一样，的应力状态也可能不一样，如图如图3-143-14所示。所示。3.1.5 金属的锻造性能金属的锻造性能a)挤压挤压 b)拉拔拉拔 c)自由锻自由锻 图图3-14 不同变形方式时的应力状态不同变形方式时的应力状态 挤压时，坯料内部的应力状态为三向
36、受压应力；挤压时，坯料内部的应力状态为三向受压应力；拉拔时，沿坯料的径向为压应力，轴向为拉应力；拉拔时，沿坯料的径向为压应力，轴向为拉应力；平砧镦粗时，在坯料中心附近存在三向压应力，而在侧面层，平砧镦粗时，在坯料中心附近存在三向压应力，而在侧面层，水平方向的切应力转变为拉应力。水平方向的切应力转变为拉应力。拉应力使不同晶面间的原子趋向分离，从而可能导致坯料拉应力使不同晶面间的原子趋向分离，从而可能导致坯料的破裂。的破裂。压应力有利于压合金属内部在塑性变形中产生的微小裂纹，压应力有利于压合金属内部在塑性变形中产生的微小裂纹，增加金属的塑性。增加金属的塑性。实践证明，压应力的数目越多，塑性越好；拉
37、应力的数目越实践证明，压应力的数目越多，塑性越好；拉应力的数目越多，塑性越差。多，塑性越差。压应力状态也会增加金属变形时的内部摩擦，使变形抗力增压应力状态也会增加金属变形时的内部摩擦，使变形抗力增大。需要相应增加设备吨位，以增加加工能力。大。需要相应增加设备吨位，以增加加工能力。选择选择压力加工方法和制订锻造工艺的压力加工方法和制订锻造工艺的原则原则 在充分发挥金属塑性、满足成形要求的前提下，尽量减少变在充分发挥金属塑性、满足成形要求的前提下，尽量减少变形抗力，降低设备吨位，减少能耗，使锻件生产达到优质低耗的形抗力，降低设备吨位，减少能耗，使锻件生产达到优质低耗的要求。要求。3.1.5 金属的
38、锻造性能金属的锻造性能 拉应力使不同晶面间的原子趋向分离，从而可能导致坯料拉应力使不同晶面间的原子趋向分离，从而可能导致坯料的破裂。的破裂。压应力有利于压合金属内部在塑性变形中产生的微小裂纹，压应力有利于压合金属内部在塑性变形中产生的微小裂纹，增加金属的塑性。增加金属的塑性。实践证明，压应力的数目越多，塑性越好；拉应力的数目越实践证明，压应力的数目越多，塑性越好；拉应力的数目越多，塑性越差。多，塑性越差。压应力状态也会增加金属变形时的内部摩擦，使变形抗力增压应力状态也会增加金属变形时的内部摩擦，使变形抗力增大。需要相应增加设备吨位，以增加加工能力。大。需要相应增加设备吨位，以增加加工能力。选择
39、选择压力加工方法和制订锻造工艺的压力加工方法和制订锻造工艺的原则原则 在充分发挥金属塑性、满足成形要求的前提下，尽量减少变在充分发挥金属塑性、满足成形要求的前提下，尽量减少变形抗力，降低设备吨位，减少能耗，使锻件生产达到优质低耗的形抗力，降低设备吨位，减少能耗，使锻件生产达到优质低耗的要求。要求。3.1.5 金属的锻造性能金属的锻造性能3.2.1 金属的加热金属的加热 金属坯料锻造前，为了提高其塑性，降低变形抗金属坯料锻造前，为了提高其塑性，降低变形抗力，使金属在较小的外力作用下产生较大的变形，必力，使金属在较小的外力作用下产生较大的变形，必须对金属坯料加热。须对金属坯料加热。第第2节节 金属
40、的加热与锻件的冷却金属的加热与锻件的冷却 1.锻造温度范围锻造温度范围 金属的温度高、塑性好、变形抗力小，容易变形，反金属的温度高、塑性好、变形抗力小，容易变形，反之亦然。因此，金属锻造时，要有一定的温度范围，即锻之亦然。因此，金属锻造时，要有一定的温度范围，即锻造温度范围。造温度范围。允许加热到的最高温度成为允许加热到的最高温度成为始锻温度始锻温度。始锻温度过高，会使坯料产生过热、过烧、氧化、始锻温度过高，会使坯料产生过热、过烧、氧化、脱碳等缺陷，造成废品。脱碳等缺陷，造成废品。锻造过程中，坯料温度不断下降，塑性也随之下降，锻造过程中，坯料温度不断下降，塑性也随之下降，变形抗力增大，当降到一
41、定温度时，不仅变形困难，而变形抗力增大，当降到一定温度时，不仅变形困难，而且容易开裂，必须停止锻造，重新加热后再锻，停止再且容易开裂，必须停止锻造，重新加热后再锻，停止再锻的温度称为锻的温度称为终锻温度终锻温度。3.2.1 金属的加热金属的加热 金属的锻造温度范围越大越好，可以减少加热次数，金属的锻造温度范围越大越好，可以减少加热次数，提高生产率，降低成本。锻造温度范围取决于坯料的种类提高生产率，降低成本。锻造温度范围取决于坯料的种类和化学成分和化学成分。2.加热设备加热设备 按所用热源不同，锻造加热炉可分为按所用热源不同，锻造加热炉可分为火焰加热炉火焰加热炉和和电电热加热炉热加热炉。一般中、
42、小型工厂中，常用反射炉和电阻炉加。一般中、小型工厂中，常用反射炉和电阻炉加热金属坯料。热金属坯料。1）反射炉）反射炉 反射炉是采用反射炉是采用固体燃料固体燃料（如煤）燃烧产生火焰来加（如煤）燃烧产生火焰来加热坯料的，称为热坯料的，称为火焰炉火焰炉。3.2.1 金属的加热金属的加热 特点：特点：炉膛面积大，温度均匀，一般可达炉膛面积大，温度均匀，一般可达1350左左右，故加热质量好，生产率高，适用于中、小批量生产。右，故加热质量好，生产率高，适用于中、小批量生产。2）电阻炉电阻炉 电阻炉的核心元件是电阻炉的核心元件是电阻发热体电阻发热体，电阻加热是利用电，电阻加热是利用电流通过电热元件时产生的电
43、阻热间接加热坯料的炉子，通流通过电热元件时产生的电阻热间接加热坯料的炉子，通常制成常制成箱形箱形。一般分为一般分为中温中温电炉和电炉和高温高温电炉两种。电炉两种。（1）中温电炉）中温电炉 中温电炉的电热元件为中温电炉的电热元件为电阻丝电阻丝，其最高使用温度为，其最高使用温度为950，用于加热，用于加热非铁金属及其合金非铁金属及其合金的的小型小型锻件。锻件。3.2.1 金属的加热金属的加热 （2）高温电炉）高温电炉 高温电炉的电热元件为高温电炉的电热元件为硅碳棒硅碳棒，其最高使用温度为，其最高使用温度为1350，用于加热，用于加热高温合金高温合金及及高合金钢高合金钢的小型锻件。的小型锻件。特点特
44、点：电阻炉结构电阻炉结构简单简单，炉温及炉内气氛容，炉温及炉内气氛容易控易控制，制，氧化氧化程度较程度较小小，但是，但是电能消耗大电能消耗大，成本较高。，成本较高。冷却对锻件质量也有重要影响。为使锻件各部分的冷却收缩比冷却对锻件质量也有重要影响。为使锻件各部分的冷却收缩比较均匀，防止表面硬化、变形和裂纹。较均匀，防止表面硬化、变形和裂纹。锻件不宜冷却太快，其冷却方式有三种。锻件不宜冷却太快，其冷却方式有三种。3.2.2 锻件的冷却方法锻件的冷却方法 1）空冷）空冷 锻件锻后置于无风的空气中，放在干燥的地面上冷却。适用于锻件锻后置于无风的空气中，放在干燥的地面上冷却。适用于中、小型低、中碳钢及合
45、金钢制成的锻件。中、小型低、中碳钢及合金钢制成的锻件。2）坑冷）坑冷 锻件锻后置于充填有石棉灰、砂子或炉灰等绝缘材料的坑中冷锻件锻后置于充填有石棉灰、砂子或炉灰等绝缘材料的坑中冷却。适用于合金工具钢制成的锻件。碳素工具钢锻件应先空冷至却。适用于合金工具钢制成的锻件。碳素工具钢锻件应先空冷至650700后再坑冷。后再坑冷。3）炉冷）炉冷 锻件锻后放入锻件锻后放入500700的加热炉中，随炉温缓慢冷却，适用于的加热炉中，随炉温缓慢冷却，适用于高合金钢及厚截面的大型锻件。高合金钢及厚截面的大型锻件。3.3.1锻造锻造第第3节节 塑性成形方法塑性成形方法 1.自由锻自由锻 将金属坯料放在铁砧上，用冲击
46、力或压力使其自由变形获得所将金属坯料放在铁砧上，用冲击力或压力使其自由变形获得所需形状的成形方法，称为自由锻造。需形状的成形方法，称为自由锻造。自由锻时坯料的变形不受模具的限制，锻件的形状和尺寸主要自由锻时坯料的变形不受模具的限制，锻件的形状和尺寸主要靠锻工的技术来保证，所用设备和工具有很大的通用性。靠锻工的技术来保证，所用设备和工具有很大的通用性。1）自由锻设备）自由锻设备 常用的自由锻设备有常用的自由锻设备有锻锤锻锤和和压力机压力机两大类。两大类。通常几十公斤的小锻件采用空气锤，两吨以下的中小型件采用通常几十公斤的小锻件采用空气锤，两吨以下的中小型件采用蒸汽一空气锤，大钢锭和大锻件则在水压
47、机上锻造。蒸汽一空气锤，大钢锭和大锻件则在水压机上锻造。3.3.13.3.1锻造锻造 (1)空气锤空气锤 空气锤是生产空气锤是生产中、小型锻件中、小型锻件的通用锻造设备，在生产中应用的通用锻造设备，在生产中应用最广。最广。它是利用电动机直接驱动的锻锤，其结构小，打击速度快，它是利用电动机直接驱动的锻锤，其结构小，打击速度快，有利于小件一次打火成形。有利于小件一次打火成形。空气锤的空气锤的吨位吨位是以落下部分即工作活塞、锤杆、上砧块的重是以落下部分即工作活塞、锤杆、上砧块的重量来表示的，最小为量来表示的，最小为65kg，最大可达，最大可达1000kg，空气锤产生的打击力，空气锤产生的打击力约为落
48、下重量的约为落下重量的1000倍左右，可以锻造的质量范围为倍左右，可以锻造的质量范围为2.584kg的锻的锻件。件。(2)蒸汽一空气锤蒸汽一空气锤 大都以大都以600900kpa的蒸汽或压缩空气为动力。的蒸汽或压缩空气为动力。(3)水压机水压机 水压机是用水泵产生的高压水为动力进行工作的。水压机是用水泵产生的高压水为动力进行工作的。优点优点:工作行程大、变形速度低、工件变形均匀等，并且工作工作行程大、变形速度低、工件变形均匀等，并且工作中无振动，可制成大吨位设备，适合以钢锭为坯料的大件加工。中无振动，可制成大吨位设备，适合以钢锭为坯料的大件加工。缺点缺点:结构较大，供水和操作系统等附属设备较复
49、杂。结构较大，供水和操作系统等附属设备较复杂。2）自由锻工序）自由锻工序 根据作用与变形要求不同，自由锻的工序分为根据作用与变形要求不同，自由锻的工序分为基本工序基本工序、辅助辅助工序工序和和精整工序精整工序三类。三类。(1)基本工序基本工序 是改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形是改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序，包括的工序，包括镦粗镦粗、拔长拔长、冲孔冲孔、弯曲弯曲、切割切割、扭转扭转、错移错移等，其等，其中最常用的是中最常用的是镦粗镦粗、拔长拔长和和冲孔冲孔。3.3.13.3.1锻造锻造(2)辅助工序辅助工序 是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序，是为基本工序操作方便而
50、进行的预先变形工序，如压钳口、倒棱、切肩等。如压钳口、倒棱、切肩等。(3)精整工序精整工序 是修整锻件的最后尺寸和形状，消除表面的不平是修整锻件的最后尺寸和形状，消除表面的不平和歪扭，使锻件达到一样要求的工序，如修整鼓形、平整端面、和歪扭，使锻件达到一样要求的工序，如修整鼓形、平整端面、校直弯曲等。校直弯曲等。与自由锻相比，模锻的与自由锻相比，模锻的优点优点是：生产率提高，锻件的尺寸精度是：生产率提高，锻件的尺寸精度高，表面粗糙度低，材料的利用率提高高，表面粗糙度低，材料的利用率提高50%，能锻制形状比较复杂，能锻制形状比较复杂的锻件，操作简单，易于实现机械化等。但锻模制造周期长，成本的锻件，
