锻件的特点

第3章锻造锻造是一种借助工具或模具在冲击或压力作用下，对金属坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状及性能，用以制造机械零件或零件毛坯的成形加工方法，锻造又称作锻压。

锻造具有细化晶粒、致密组织，并可具有连贯的锻造流线，从而可以改善金属的力学性能。

此外，锻造还具有生产率高，节省材料的优点。

因此锻造在金属热加工中占有重要的地位。

本章主要介绍自由锻、模锻及冲压等热加工的基础知识和成形方法。

3.1概述3.1.1锻压生产的特点锻压加工与其它加工方法比较，具有较高的生产效率；可消除零件或毛坯的内部缺陷；锻件的形状、尺寸稳定性好，并具有较高的综合力学性能；锻件的最大优势是韧性好、纤维组织合理、锻件间性能变化小；锻件的内部质量与其加工历史有关，且不会被任何一种金属加工工艺超过。

图3.1.1示意地表示出了铸造、锻造、机械加工三种金属加工方法所得到的零件低倍宏观流线。

图3.1.1三种金属加工方法所得零件低倍宏观流线但是锻压生产也存在以下缺点：不能直接锻制成形状较复杂的零件；锻件的尺寸精度不够高；锻压生产所需的重型的机器设备和复杂的工模具，对于厂房基础要求较高，初次投资费用高。

3.1.2锻压生产的适用范围锻压生产根据使用工具和生产工艺的不同而分为自由锻、模锻和特种锻造。

锻造工艺在锻件生产中起着重大作用。

工艺流程不同，得到的锻件质量有很大的差别，使用的设备类型、吨位也相去甚远。

锻件的应用范围很广，几乎所有运动的重大受力构件都是由锻压成形的。

锻压在机器制造业中有着不可替代的作用，一个国家的锻造水平，可反映出这个国家机器制造业的水平。

随着科学技术的发展，工业化程度的日益提高，需求锻件的数量逐年增长。

据预测，飞机上采用的锻压（包括板料成形）零件将占85%，汽车将占60～70%，农机、拖拉机将占70%。

3.1.3锻压生产的发展趋势锻压生产虽然生产效率高，锻件综合性能高，节约原材料；但其生产周期较长，成本较高，处于不利的竞争地位。

锻压生产要跟上当代科学技术的发展，需要不断改进技术、采用新工艺和新技术，进一步提高锻件的性能指标；同时缩短生产周期、降低成本。

当代科学技术的发展对锻压生产本身的完善和发展有着重大影响，这主要表现在以下几个方面：首先，材料科学的发展对锻压技术有着最直接的影响。

新材料的出现必然对锻压技术提出了新的要求，如高温合金、金属间化合物、陶瓷材料等难变形材料的成形问题。

锻压技术也只有在不断解决材料带来的问题的情况下才能得以发展。

其次，新兴科学技术的出现，当前主要是计算机技术在锻压技术各个领域的应用。

如锻模计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术，锻造过程的计算机有元数值模拟技术等。

这些新技术的应用，缩短了锻件的生产周期，提高锻模设计和生产水平。

第三，机械零件性能的更高要求。

推动锻压技术发展的最大动力是来自交通工具制造业----汽车制造业和飞机制造业。

锻件的尺寸、质量越来越大，形状越来越复杂、精密，一些重要受力件的工作环境更苛刻，受力状态更复杂。

除了更换强度更高的材料外，研究和开发新的锻压技术是必然的出路。

3.2锻压工艺基础3.2.1金属的塑性变形塑性是金属的重要特性。

利用金属的塑性可把加工各种制品。

不仅轧制、锻造、挤压、冲压、拉拨等成形加工工艺都是金属发生大量塑性变形的过程，而且在车、铣、刨、钻等各种切削加工工艺中，也都发生金属的塑性变形。

塑性变形不仅可以使金属获得一定的形状和尺寸，而且还会引起金属内部组织与结构变化，使铸态金属的组织与性能得到一定的改善。

因此，研究金属的塑性变形过程及其机理，了解变形后金属的组织结构与性能的变化规律，以及加热的影响，对改进金属材料加工工艺，提高产品质量和合理使用金属材料等方面都有具有重要意义。

1. 塑性变形的实质各种金属压力加工方法都是通过金属的塑性变形实现的。

金属受外力后，首先产生弹性变形，当外力超过一定限度后，才产生塑性变形。

弹性变形的实质是在外力的作用下，金属内部的原子偏离了原来的平衡位置，使金属产生变形，这会造成原子位能的提高，而处于高位能的原子具有返回原来位能最低的平衡位置的倾向。

因而，当外力取消后，原子返回原来的位置，变形也就消失了。

塑性变形的实质是在外力的作用下金属内部的原子沿一定的晶面和晶向产生了滑移的结果。

在一般情况下，实际金属都是多晶体。

多晶体的变形是与其中各个晶粒的变形行为有关的。

为了便于研究，有必要先通过单晶体的塑性变形来掌握金属塑性变形的基本规律。

(1)单晶体的塑性变形实验表明，晶体只有在切应力作用下才会发生塑性变形。

单晶体的塑性变形过程如图3.2.1所示。

图3.2.1a为晶体未受外力的原始状态；当晶体受到外力作用时，晶格将产生弹性畸变，如图3.2.1b所示，此为弹性变形阶段；若外力继续增加，超过一定限度后，晶格的畸变程度超过了弹性变形阶段，则晶体的一部分将会相对另一部分发生滑移，如图3.2.1c所示；晶体发生滑移后，去除外力，晶体的变形将不能全部恢复因而产生了塑性变形，如图3.2.1d所示。

图3.2.1单晶体的变形过程a)未变形 b)弹性变形C)弹塑性变形 d)塑性变形(2)多晶体的塑性变形实际使用的金属材料都不相同的许多晶粒所组成，故每个晶粒在塑性变形时，将受到周围位向不同的晶粒及晶界的影响与约束，即每个晶粒不是处于独立的自由变形状态。

晶粒变形时既要克服晶界的阻碍，又需要其周围晶粒同时发生相适应的变形来协调配合，以保持晶粒间的结合和晶体的连续性，否则将导致晶体破裂。

大量实验结果表明，多晶体的塑性变形正是由于存在着晶界和各晶粒的位向差别，其变形抗力要比同种金属的单晶体高得多。

3.2.2变形后金属的组织和性能1. 加工硬化、回复和再结晶金属材料经塑性变形后，其组织和性能发生了一系列重大变化。

组织上的变化表现为：晶粒沿金属流动方向伸长，晶格畸变，位错密度增加，产生内应力，产生碎晶。

性能上的变化表现为：随着变形程度的增加，强度及硬度显著提高，而塑性和韧性则很快下降。

变形度愈大，性能的变化也愈大。

这种由于塑性变形的变形度增加，使金属的强度、硬度提高，而塑性下降的现象称为加工硬化或冷作硬化。

加工硬化现象在工程技术中具有重要的实用意义。

首先可利用加工硬化来强化金属，提高金属强度、硬度和耐磨性。

特别是对那些不能用热处理强化的材料，如纯金属、某些铜合金、铬镍不锈钢和高锰钢等，加工硬化更是唯一有效的强化方法。

冶金厂出厂的“硬”或“半硬”等供应状态的某些金属材料，就是经过冷轧或冷拉等方法，生产加工的硬化产品。

加工硬化还可以在一定程度上提高构件在使用过程中的安全性。

因为构件在使用过程中，往往不可避免地会在某些部位（如孔、键槽、螺纹以及截面积过渡处）出现应力集中和过载荷现象。

在这种情况下，由于金属能加工硬化，局部过载部位在产生少量塑性变形后，提高了屈服强度并与所承受的应力达到了平衡，变形就不会继续发展，从而在一定程度上提高了构件的安全性。

加工硬化也有其不利的一面。

由于它使金属塑性降低，给进一步冷塑性变形带来困难，并使压力加工时能量消耗增大。

为了使金属材料能继续变形，必须进行中间热处理来消除加工硬化现象。

这就增加了生产成本，降低了生产率。

为了消除加工硬化效应，恢复材料的塑性，以便继续进行变形加工，或为了消除变形过程中产生的内应力，就要对工件进行退火处理。

经塑性变形后的工件，在退火加热温度不太高时，冷变形金属的显微组织无明显的变化，只能使内应力明显降低和消除，金属的力学性能没有显著变化，即强度、硬度下降很少，塑性提高不多，这一过程称为回复。

当加热温度较高，塑性变形后金属被拉长的晶粒重新形核、结晶，变为等轴晶粒，称为再结晶。

再结晶后的金属，强度、硬度显著下降，塑性和韧性显著提高，内应力完全消除。

开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。

纯金属的再结晶温度与熔点的大致关系是Ｔ再≈0.4Ｔ熔（Ｋ）。

再结晶完成后，若加热温度继续升高或加热时间延长，金属的晶粒便开始不断长大。

再结晶后的金属的力学性能与再结晶晶粒度关系很大，晶粒越细小，金属的综合力学性能越好。

3.2.2金属加工硬化及回复和再结晶与性能的关系金属的加工硬化及回复、再结晶过程中的力学性能变化如图3.2.2所示。

2. 塑性变形的分类和对金属组织和性能的影响根据变形时的温度，金属的塑性变形分为冷变形和热变形。

金属在其再结晶温度以下进行塑性变形称为冷变形。

冷变形加工后金属内部形成纤维组织，变形后金属具有明显的加工硬化现象，所以冷变形的变形量不宜过大，避免工件撕裂或降低模具寿命。

冷变形加工具有精度高、表面质量好、力学性能好的特点，广泛应用于板料冲压、冷挤压、冷镦及冷轧等常温变形加工。

金属在其再结晶温度以上进行变形加工称为热变形。

加工过程中产生的加工硬化随时被再结晶软化和消除，使金属塑性显著提高，变形抗力明显减小。

因此，可以利用较小的能量获得较大的变形量。

适合于尺寸较大、形状复杂的工件的变形加工。

热变形加工产品表面易形成氧化皮，尺寸和表面质量较低。

自由锻、热模锻、热轧等都属于热变形的范畴。

金属热变形时组织和性能的变化主要表现在以下几个方面：1）变形加工时，金属中的脆性杂质被破碎，并沿金属流动方向呈粒状或链状分布；塑性杂质则沿变形方向呈带状分布，这种杂质的定向分布称为流线。

通过热变形可以改变和控制流线的方向和分布，加工时因尽可能使流线与零件的轮廓相符合而不被切断。

图3.2.3是锻造曲轴和轧材切削加工曲轴的流线分布，明显看出经切削加工的曲轴流线易沿轴肩部位发生断裂，流线分布不合理。

2）热变形加工可以使铸坯中的组织缺陷得到明显改善，如铸坯中粗大的柱状晶经热变形加工后能变成较细的等轴晶粒；气孔、缩松被压实，使金属组织的致密度增加；某些合金钢中的大块碳化物被打碎并均匀分布；可以消除金属材料的偏析，使成分均匀化。

图3.2.3曲轴的流线分布示意图a）切削 b）锻造3.2.3金属的锻造性能金属的锻造性能是衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度，是金属的工艺性能指标之一。

金属的锻造性能的优劣，常用金属的塑性和变形抗力两个指标来衡量。

金属塑性好，变形抗力低，则锻造性能好，反之则差。

影响金属材料塑性和变形抗力的主要因素有两个方面。

1.金属的本质(1)金属的化学成分不同化学成分的金属，其塑性不同，锻造性能也不同。

一般纯金属的锻造性能较好。

金属组成合金后，强度提高，塑性下降，锻造性能变差。

例如碳钢随着碳含量的增加，塑性下降，锻造性能变差。

合金钢中合金元素的含量增多，锻造性能也变坏。

(2)金属的组织状态金属的组织结构不同，其锻造性能有很大差别。

由单一固溶体组成的合金，具有良好的塑性，其锻造性能也较好。

若含有多种合金而组成不同性能的组织结构，则塑性降低，锻造性能较差。

另外，一般来说，面心立方和体心立方结构的金属比密排六方结构的金属塑性好。