材料成型工艺基础(第三版) 第3章
材料成形技术基础第3章
材料成形技术基础
二、冷塑性变形特点
1．各晶粒变形的不同时性 由于组成多晶体的各个晶粒位向不同，塑性变 形不是在所有晶粒内同时发生，而是首先在那些位 向有利、滑移系上的剪应力分量已优先达到临界值 的晶粒内进行。
2．各晶粒变形的相互协调性 由于多晶体中的每一个晶粒都是处于其它晶粒 的包围之中，它们的变形不是孤立的和任意的，而 是需要相互协调配合，否则无法保持晶粒之间的连 续性。
又从每个晶粒的应变分布来看，细晶粒晶界的影 响区域相对较大，使得晶粒心部的应变和晶界处 的应变差异减少，由于细晶粒金属的变形不均匀 性较小，由此引起的应力集中必然也较小，内应 力分布较均匀，因而金属断裂前可承受的塑性变 形量较大。
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三、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 除了在晶粒内部出现滑移带和孪生带等组织特征外，
晶粒越大，距离越大，位错源开动的时间就越长， 位错数也越大。
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由此可见，粗晶粒金属的变形由一个晶粒 转移到另一个晶粒会容易一些，而细晶粒 则需要在更大的外力作用下才能使相邻晶 粒发生塑性变形。
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细晶粒的塑性比粗晶粒好
在一定体积内，细晶粒金属的晶粒数目比粗晶粒 金属的多，因而，塑性变形时，位向有利的晶粒 数较多，变形能够均匀分散到各个晶粒上。
2获取方法拉伸试验3意义材料的塑性行为应力应变关系和求解塑性成形问题不可缺少的基本试验资料材料成形技术基础材料成形技术基础拉伸试验绘制真实应力应变曲线根据三种变形程度的三种表示方法以真实应力s瞬时变形力除以该瞬时试样的横截面积为纵坐标以为横坐标将拉伸试验所得的结果进行整理计算即可绘制出真实应力应变曲线材料成形技术基础材料成形技术基础材料成形技术基础很多金属材料的真实应力应变曲线可以简化成幂强化模型即式中b与材料有关的常数
华科 材料成型原理 第三章 金属塑性变形的力学基础(二节)教案
第二节 应变分析物体受作用力→内部质点相对位置改变(产生了位移) →形状的变化→变形。
应变是表示变形大小的一个物理量。
物体变形时各质点在各方向上都会有应变，与应力分析一样，同样需引入“点应变状态”的概念。
点应变状态也是二阶对称张量，故与应力张量有许多相似的性质。
应变分析主要是几何学和运动学的问题，它与物体中的位移场或速度场有密切的联系，位移场一经确定，则变形体内的应变场也就确定。
研究应变问题往往从小变形 (数量级不超过3210~10--的弹—塑性变形) 着手，但金属塑性加工是大变形。
这里除了采用应变增量或应变速率外，还对有限应变作一定的分析。
一、位移和应变 (一)位移及其分量根据连续性基本假设，位移分量应是坐标的连续函数，而且一般都有连续的二阶偏导数，即或式(3—41)表示变形物体内的位移场。
设受力物体内任一点M ，其坐标为(x ．y ，z)，小变形后移至M 1，其位移分量为u i (x ，y ，z)。
与M 点无限接近的一点M ’点，其坐标为(x+dx ，y+dy ，z+dz)，小变形后移至'1M ，其位移分量为'i u (x+dx ，y+dy ，z+dz)。
将函数'i u 按泰勒级数展开，并略去二阶以上的高阶微量，并利用求和约定，则得式中 i i j ju u dx x δ∂=∂称为M ’点相对于M 点的位移增量。
i u δ可写成若无限接近两点的连线MM ’平行于某坐标轴，例如MM ’//x 轴，则式(3—43)中，dx ≠0，dy=dz=0，此时，式(3—43)变为式(3—42)说明，若已知变形物体内一点M 的位移分量，则与其邻近一点M ’的位移分量可以用M 点的位移分量及其增量来表示。
(二)应变及其分量1. 名义应变及其分量名义应变又称相对应变或工程应变，适用于小应变分析。
而棱边PA在x轴方向上的线应变为将单位长度上的偏移量或两棱边所夹直角的变化量称为相对切应变，也称工程切应变，即这样，变形单元体有三个线应变和三组切应变，即图3—25a 所示情况相当于单元体的线元PA 和PC 同时偏转xy r 和yx r (图3—25b)，然后整个单元体绕z 轴转动一个角度z w (图3—25c)。
材料成型基本原理-第三章PPT课件
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本章小结与习题讨论课
4 液态金属凝固时需要过冷，那么固态金属熔化时是否需要过热？ 为什么？
5 假设凝固时的临界晶核为立方体形状，求临界形核功。分析在同样过 冷度下均匀形核时，球形晶核和立方晶核哪一个更容易成？
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第三节 晶核的形成
2 非均匀形核 （3）临界形核功 计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系 σlw=σsw+σslcosθ 计算能量变化和临界形核功。 △Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4 a θ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核； b 180>θ>0时, △Gk非<△Gk, 杂质促进形核； cθ=180时，△Gk非＝△Gk， 杂质不起作用。
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第四节 晶核的长大
3 液体中温度梯度与晶体的长大形态 （2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低） 粗糙界面：树枝状。 光滑界面：树枝状－多面体—台阶状。
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第四节 晶核的长大
3 液体中温度梯度与晶体的长大形态 （2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）
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第六节 凝固理论的应用
4 急冷凝固技术 （1）非晶金属与合金 （2）微晶合金。 （3）准晶合金。
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本章小结与习题讨论课
1 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。 2 在液态金属中，凡是涌现出的小于临界晶核半径的晶胚都不能成核。
2020年《材料成型工艺基础(第三版)》部分课后习题答案
《材料成型工艺基础（第三版）》部分课后习题答案第一章⑵.合金流动性决定于那些因素？合金流动性不好对铸件品质有何影响？答：①合金的流动性是指合金本身在液态下的流动能力。
决定于合金的化学成分、结晶特性、粘度、凝固温度范围、浇注温度、浇注压力、金属型导热能力。
②合金流动性不好铸件易产生浇不到、冷隔等缺陷，也是引起铸件气孔、夹渣、縮孔缺陷的间接原因。
⑷.何谓合金的收縮？影响合金收縮的因素有哪些？答：①合金在浇注、凝固直至冷却至室温的过程中体积和尺寸縮减的现象，称为收縮。
②影响合金收縮的因素：化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件。
⑹.何谓同时凝固原则和定向凝固原则？试对下图所示铸件设计浇注系统和冒口及冷铁，使其实现定向凝固。
答：①同时凝固原则：将内浇道开在薄壁处，在远离浇道的厚壁处出放置冷铁，薄壁处因被高温金属液加热而凝固缓慢，厚壁出则因被冷铁激冷而凝固加快，从而达到同时凝固。
②定向凝固原则：在铸件可能出现縮孔的厚大部位安放冒口，使铸件远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。
第二章⑴.试从石墨的存在和影响分析灰铸铁的力学性能和其他性能特征。
答：石墨在灰铸铁中以片状形式存在，易引起应力集中。
石墨数量越多，形态愈粗大、分布愈不均匀，对金属基体的割裂就愈严重。
灰铸铁的抗拉强度低、塑性差，但有良好的吸震性、减摩性和低的缺口敏感性，且易于铸造和切削加工。
石墨化不充分易产生白口，铸铁硬、脆，难以切削加工；石墨化过分，则形成粗大的石墨，铸铁的力学性能降低。
⑵.影响铸铁中石墨化过程的主要因素是什么？相同化学成分的铸铁件的力学性能是否相同？答：①主要因素：化学成分和冷却速度。
②铸铁件的化学成分相同时铸铁的壁厚不同，其组织和性能也不同。
在厚壁处冷却速度较慢，铸件易获得铁素体基体和粗大的石墨片，力学性能较差；而在薄壁处，冷却速度较快，铸件易获得硬而脆的白口组织或麻口组织。
⑸.什么是孕育铸铁？它与普通灰铸铁有何区别？如何获得孕育铸铁？答：①经孕育处理后的灰铸铁称为孕育铸铁。
材料成型技术-第三章-固态材料塑性成型过程
• 回复 • 随着温度的升高，已产生加工硬化的金属其晶 格的扭曲程度减小，内应力降低，但金属组织 还没有显著变化的现象。 • T回=（0.25～0.3）T熔 • 回复的应用： • 经冷拉的钢丝卷成弹簧后的低温回火（加热到 250～300℃）,青铜丝弹簧加工后的回火处理 (加热到120～125℃)。
塑 性
B
变形速度
• （3）应力状态的影响
–金属材料在经受不同方法进行变形时，所产生的应力 大小和性质(指压应力或拉应力)是不同的。 –实践证明，金属塑性变形时，三个方向中压应力的数 目越多，则金属表现出的塑性越好；拉应力的数目多， 则金属的塑性就差。 – 压应力状态下塑性变形，金属内摩擦加剧，变形抗力 增大； – 金属材料塑性较低时，尽量在压应力状态下进行变形。
30号钢锻造状态与铸造状态力学性能比较
毛MPa
530 500
σs／MPa
310 280
δ／%
20 15
σk／(J· cm-2)
70 35
3．2 金属塑性成形过程的理论基础
• 一、金属塑性变形的能力
– 金属塑性变形的能力又称为金属的可锻性，它指金属 材料在塑性成形加工时获得优质毛坯或零件的难易程 度。 – 金属的可锻性好，表明该金属适合于塑性加工成形； 可锻性差，说明该金属不宜于选用塑性成形加工。 – 可锻性常用金属的塑性指标(延伸系数δ和断面减缩率 ψ)和变形抗力来综合衡量，塑性指标越高，变形抗力 越低，则可锻性越好。 – 金属可锻性的优劣受金属本身性质和变形加工条件的 综合影响。
• （2）加工余量 由于自由锻锻件的尺寸精度低、 表面品质较差，需再经切削加工才能成为零件， 所以，应在零件的加工表面上增加供切削加工 用的金属部分，称为加工余量。锻件加工余量 的大小与零件的形状、尺寸、加工精度、表面 粗糙度等因素有关。通常自由锻锻件的加工余 量为4~6mm。 • （3）锻件公差 锻件公差是锻件名义尺寸的允 许变动量。规定锻件的公差，有利于提高生产 率。自由锻锻件的公差一般为1~2mm。 • 自由锻锻件机加工余量和自由锻锻件公差的具 体值可查锻造手册。
吉林大学材料成型第3章金属压力加工
二、回复和再结晶
1．回复
T回复=（0.25～0.3）T熔点（K） 式中T回复为金属回复的绝对温度； T熔点为金属熔化的绝对温度。
绘制锻件图 计算坯料质量及尺寸 确定变形工序，选择锻造设备和工具 确定锻造温度范围和加热、冷却及热处理规范 提出锻件技术要求及验收要求 填写工艺卡等
§2-3 自由锻工艺规程的制定
1.绘制锻件图 绘制锻件图应考虑以下几个 因素：
敷料 为了简化零件形状、 便于锻造而增加的一部分金 属称为敷料(也称为余块)。
停止锻造的温度称为终锻温度，指 金属热变形允许的最低温度。终锻 温度过低，金属的加工硬化严重， 变形抗力急剧增加，加工难于进行。
2）变形速度
1、变形速度的增大，加工硬化 严重，可锻性变坏。
2、另一方面，在变形过程中， 产生热效应。热效应使金属温度 升高，塑性提高，变形抗力减小， 可锻性变好。
超过临界变形速度，热效应显著， 可锻性好。
2．压力加工条件
1）变形温度 随着温度的升高，钢的强度下降， 塑性上升，即钢的可锻性变好。因此，压力加 工都力争在高温下进行，即采用热变形。
锻造温度范围 开始锻造的温度称为始锻温度， 指金属在锻造前加热允许的最高温 度。始锻温度过高必将产生过热、 过烧、脱碳和严重氧化等缺陷。 过热 加热温度过高，导致奥氏 体晶粒急剧长大的现象。该缺陷可 以通过重新退火、正火热处理消除。 过烧 加热温度过高（过热之 后），导致晶界严重氧化，甚至局 部熔化的现象。 产生该缺陷后， 性能极脆，不能挽救，只能报废。
难易程度的工艺性能。 衡量指标：塑性和变形抗力。 塑性越高，变形抗力越小，则金属的可锻性越好。
金属材料成形基础第三篇
始锻温度： 过热、过烧 缺陷
第二节 金属塑性成形工艺方法
2-1 自由锻造
自由锻设备
锻锤
压力机
空气锤
蒸汽—空气锤
水压机
油压机
65~750Kg
630Kg~5T
落下部分总重量 = 活塞+锤头+锤杆
滑块运动到下始点时所产生的最大压力
锻锤吨位 =
压力机吨位 =
基本工序 — 完成锻件基本变形和成形的工序。
2)确定加工余量、公差和敷料
加工余量：1~4mm 公差：0.3~3mm 3）设计模锻斜度 外壁斜度：5~7 0 内壁斜度：7~12 0 4）设计模锻圆角 外圆角：r = 1.5~12mm 内圆角：R=（2~3）r 5）确定冲孔连皮
1）基本工序
圆盘类零件：镦粗 预锻 终锻
长杆类零件：制坯 预锻 终锻
上砥铁 下砥铁 坯料
1）零件大小不受限制；2）生产批量不受限制。
三、塑性成形（压力加工）的特点
1．力学性能高
1）组织致密； 2）晶粒细化； 3）压合铸造缺陷； 4）使纤维组织合理分布。
2．节约材料
1）力学性能高，承载能力提高； 2）减少零件制造中的金属消耗（与切削加工相比）。
3．生产率高
4．适用范围广
. 确定工时
03
单击此处添加小标题
. 锻造设备的选择
02
单击此处添加小标题
. 填写工艺卡
04
模型锻造 — 将金属坯料放在具有一定形状的模锻模膛 内受压、变形，获得锻件的方法。
特点：
1）生产率高；
2）锻件的尺寸精度和表面质量高；
3）材料利用率高；
4）可锻造形状较复杂的零件；
H
完全礅粗
材料成型概论 第三章 轧制成型2
轧机按轧辊装配形式分类
按轧辊的数目、放置、大小来区分轧机的基本型式 为：表3－2
3.4.1 轧钢生产系统
轧钢生产工艺过程： 由钢锭或钢坯轧成具有一定规格和性能的钢材的一 系列加工工序的组合。
❖ 在提高质量和产量的同时，力求降低成本是制定轧 钢生产工艺过程的总任务和总依据。
❖ 碳素钢和合金钢的基本典型生产工艺过程如下图所 示。
3.4.1 轧钢生产系统
轧钢生产工艺过程总包括六大工序： 热轧工艺系统—— 坯料准备→加热→轧制→冷却→精整→验收入库 冷轧工艺系统—— 坯料准备→酸洗→轧制→退火→精整→验收入库
材料也比较稀贵，产量不大而产品种类繁多。 ❖ 常属中型或小型的型钢生产系统或混合生产系统。
❖ 各种轧钢生产系统组成见下表。
3.4.1 轧钢生产系统
轧材生产系统的发展： ❖ 向大型化、连续化、自动化方向发展。 ❖ 工艺流程经历了“长流程”到“短流程”的发展过
程。 ❖ 目前“长流程”和“短流程”共存。 ❖ 长流程主要吃铁水，短流程主要吃废钢。
❖ 采用连铸板坯作为轧制板带钢的原料是今后发展的 必然趋势。
3.4.1 轧钢生产系统
型钢生产系统 热轧线材、热轧棒材、热轧H型钢、热轧型钢
❖ 型钢生产系统的规模往往不很大，就规模而言可分 为大型、中型和小型三种生产系统。
❖ 年产100万t以上的称大型生产系统；年产30～ 100万t称中型生产系统；年产30万t以下的称小型 生产系统。