金屬塑性成形原理第五章塑性成形件質(zhì)量的定性分析ppt課件

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第五章 塑性成形件質(zhì)量的定性分析,1,5.1 概述,塑性成形件的外形質(zhì)量比較直觀，而內(nèi)部質(zhì)量(組織、性能、微裂紋、空洞等)問題必須借助于一些專門的試驗方法才能分析清楚。 塑性成形件的質(zhì)量除與塑性成形工藝和熱處理工藝規(guī)范有關(guān)外，還與原材料的質(zhì)量有密切關(guān)系。因此，要確保塑性成形件的質(zhì)量，首先要確保原材料的質(zhì)量。,2,5.1.1原材料及塑性成形過程中常見的缺陷類型,原材料中常見的缺陷有：毛細(xì)裂紋、結(jié)疤、折疊、非金屬夾雜、碳化物偏析、異全局夾雜物、白點、縮孔殘余等。 在塑性成形過程中，由于加熱不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷主要有：過熱、過燒、加熱裂紋、銅脆脫碳、增碳等；由于成形工藝不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷主要有：大晶粒、晶粒不均勻、裂紋(十字裂紋、表面龜裂、飛邊裂紋、分模面裂紋、孔邊龜裂等)、鍛造折疊、穿流、帶狀組織等；由于鍛后冷卻不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷主要有：冷卻裂紋、網(wǎng)狀碳化物等。 由于鍛后熱處理工藝不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷主要有：硬度過高或過低、硬度不均等。,3,5.1.2塑性成形件質(zhì)量分析的一般過程及分析方法,1.對塑性成形件進(jìn)行質(zhì)量分析的一般過程是： (1)調(diào)查原始情況 調(diào)查原始情況應(yīng)包括原材料、塑性成形工藝及熱處理工藝情況。 (2)弄清質(zhì)量問題 在這一階段中，主要是查明塑性成形件缺陷部位、缺陷處的宏觀特征，并初步確定是原材料質(zhì)量問題引起的缺陷還是塑性成形工藝或熱處理工藝本身造成的缺陷。 (3)試驗研究分析 這是確定塑性成形件缺陷原因的主要試驗階段 (4)提出解決措施,4,2.塑性成形件質(zhì)量分析的方法 塑性成形件質(zhì)量分析方法的特點是廣泛采用各種先進(jìn)的試驗技術(shù)與試驗方法。要準(zhǔn)確地分析成形件質(zhì)量問題，有賴于正確的試驗方法和檢測技術(shù)，同時要善于對試驗結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析與判斷。破壞性試驗是成形件質(zhì)量分析的主要方法，但是無損探傷這種非破壞性試驗技術(shù)已日益顯示出它的優(yōu)越性，并將在塑性成形件質(zhì)量檢驗與分析中占據(jù)應(yīng)有的地位。,5,5.2塑性成形件中的空洞和裂紋,5.2.1塑性成形件中的空洞 在金屬材料中，一般都存在各種各樣的缺陷，如疏松、縮孔殘余、偏析、第二相和夾雜物質(zhì)點、雜質(zhì)等，這些缺陷，特別是夾雜物或雜質(zhì)質(zhì)點一般都處于晶界處。帶有這些缺陷的材料，在塑性成形中，當(dāng)施加的外載荷達(dá)到一定程度時，在應(yīng)力應(yīng)變場中，有夾雜物或第二相質(zhì)點等缺陷的晶界處，由于位錯塞積或缺陷本身的分裂而形成微觀空洞(圖5—1a)。,6,空洞是塑性成形過程中普遍存在的組織變化。塑性 成形過程中，在一定的外界條件下，就會出現(xiàn)空洞 的形核、長大，繼而發(fā)生空洞的聚合或連接，形成 裂紋。,7,按空洞的形狀，空洞大致可分為兩類： 1）產(chǎn)生于三晶粒交界處的楔形空洞，或稱V形空洞 (圖5—2)，這類空洞是由應(yīng)力集中產(chǎn)生的； 2）沿晶界，特別是相界產(chǎn)生的圓形空洞或稱o形空洞，它們的形狀多半接近圓或橢圓。出現(xiàn)o形空洞的晶界或相界多半與拉應(yīng)力垂直。在帶坎的晶界上也會出現(xiàn)0形空洞(圖5—3)。,8,5.2.2塑性成形件中的裂紋 在塑性成形過程中，變形體內(nèi)的空洞形核、長大、聚集就會發(fā)展成裂紋。裂紋是塑性成形件中常見的缺陷之一。 在塑性成形中產(chǎn)生裂紋基本上有兩個方面，一是由于原材料中的缺陷，如各種冶金缺陷、夾雜物等；二是屬于塑性成形本身的原因，如加熱不當(dāng)、變形不當(dāng)或冷卻不當(dāng)?shù)取?9,塑性成形過程中的裂紋有很多形成情況： 1）由外力直接引起的裂紋,10,2）由附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力引起的裂紋,11,3）由溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力）及組織應(yīng)力引起的裂紋,12,防止產(chǎn)生裂紋的原則措施從下列因素來考慮： 1)增加靜水壓力。 2)選擇和控制合適的變形溫度和變形速度。 3)采用中間退火，以便消除變形過程中產(chǎn)生的硬化、 變形不均勻、殘余應(yīng)力等。 4)提高原材料的質(zhì)量。,13,5.3塑性成形件中的晶粒度,5.3.1晶粒度的概念 晶粒度是表示金屬材料晶粒大小的程度，它是由單位面積內(nèi)所包含晶粒個數(shù)來衡量，也可用晶粒平均直徑大小(以毫米或微米為單位)來表示。晶粒度級別越高，說明單位面積內(nèi)包含晶粒個數(shù)越多，亦即晶粒越細(xì)。,14,鋼的晶粒度有兩種概念，即鋼的奧氏體本質(zhì)晶粒度和鋼的奧氏體實際晶粒度。鋼的奧氏體本質(zhì)晶粒度是將鋼加熱到930℃，保溫適當(dāng)時間(一般3—8h)，冷卻后在室溫下放大100倍觀察到的晶粒大小。鋼的奧氏體實際晶粒度是指鋼加熱到某一溫度下獲得的奧氏體晶粒大小。,15,5.3.2晶粒大小對力學(xué)性能的影響 一般情況下，晶粒細(xì)化可以提高金屬材料的屈服強度(σs)、疲勞強度(σ-1)、塑性(δ、ψ)和沖擊韌度(αk)降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。因為晶粒越紉，不同取向的晶粒越多，變形能較均勻地分散到各個晶粒，即可提高變形的均勻性，同時，晶界總長度越長，位錯移動時阻力越大，所以能提高強度、塑性和韌性。,16,17,5.3.3 影響晶粒大小的主要因素 1）．加熱溫度 加熱溫度包括塑性變形前的加熱溫度和因溶處理時的加熱溫度。 2）.變形程度,18,3）機械阻礙物 有些材料隨加熱溫度升高，晶粒分階段突然長大，而不是隨溫度升高成直線關(guān)系長大。這是由于金屬材料中存在機械阻礙物，對晶界有釘札作用，阻止晶界遷移的緣故。 機械阻礙物在鋼中可以是氧化物(如AI2O3等)、氮化物(如AIN、TiN等)、碳化物(如VC、TiC等)；在鋁合金中可以是Mn、Ti、Fe等元素及其化合物。 對晶粒度的影響，除以上三個基本因素外，還有變形速度、原始晶粒度和化學(xué)成分等。,19,5.3.4 細(xì)化晶粒的主要途徑 使塑性成形件獲得細(xì)晶粒的主要途徑有： (1)在原材料冶煉時加入一些合金元素(如鉭、鈮、鋯、鉬、鎢、釩、鈦等)及最終采用鋁、鈦等作脫氧劑 （2）采用適當(dāng)?shù)淖冃纬潭群妥冃螠囟?（3）采用鍛后正火（或退火）等相變重結(jié)晶的方法,20,5.4塑性成形件中的折疊,折疊是在金屬變形流動過程中已氧化過的表面金屬匯合在一起而形成的。 在零件上，折疊是一種內(nèi)患。它不僅減小了零件的承載面積，而且工作時此處產(chǎn)生應(yīng)力集中，常常成為疲勞源。因此，技術(shù)條件中規(guī)定鍛件上一般不允許有折疊。,21,5.4.1 折疊特征 鍛件中的折疊一般具有下列特征： 1).折疊與其周圍金屬流線方向一致 如圖5—22所示。2).折疊尾端一般呈小圓角或枝叉形(雞爪形) 如圖5—23、圖5—24所示 3）.折疊兩側(cè)有較重的脫碳、氧化現(xiàn)象。,22,5.4.2 折疊的類型及形成原因 1．由兩股(或多股)金屬對流匯合而形成的折疊 這種類型的折疊其形成原因有以下幾方面： 1)模鍛過程中由于某處金屬充填較慢，而在相鄰部分均已基本充滿時，此處仍缺少大量金屬，形成空腔，于是相鄰部分的金屬便往此處匯流而形成折疊 2)彎軸和帶枝叉的鍛件，模鍛時常易由兩股流動金屬匯合形成折疊 如圖5—25、圖5—26所示。,23,3)由于變形不均習(xí)，兩股(或多股)金屬對流匯合而成折疊 2.由一股金屬的急速大量流動將鄰近部分的表層金屬帶著流動，兩者匯合形成的折疊,24,3.由于變形金屬發(fā)生彎曲、回流而形成的折疊 分為兩種情況：(1)細(xì)長(或扁薄)鍛件，先被壓彎然后發(fā)展成的折疊 (2)由于金屬回流形成彎曲，繼續(xù)模鍛時發(fā)展成的折疊 4.部分金屬局部變形，被壓入另一部分金屬內(nèi)而形成的折疊 如下圖,25,5.5塑性加工中的失穩(wěn),在塑性加工中，當(dāng)材料所受載荷達(dá)到某一臨界值后，即使載荷下降，塑性變形還會繼續(xù)，這種現(xiàn)象稱為塑性失穩(wěn) 失穩(wěn)有壓縮失穩(wěn)和拉伸失穩(wěn)。壓縮失穩(wěn)的主要影響因素是剛度參數(shù)，它在塑性成形中主要表現(xiàn)為坯料的彎曲和起皺，在彈性或塑性變形范圍內(nèi)都可能產(chǎn)生。而拉伸失穩(wěn)的主要影響因素是強度參數(shù)，它主要表現(xiàn)為明顯的非均勻伸長變形，在坯料上產(chǎn)生局部變薄或變細(xì)現(xiàn)象，其進(jìn)一步發(fā)展是坯料的拉斷或破裂，只產(chǎn)生在塑性變形范圍內(nèi)。,26,5.5.1 拉伸失穩(wěn) 1.單向拉伸時的塑性失穩(wěn) 當(dāng) 時，而且標(biāo)距內(nèi)的試樣 橫截面積相等，變形將是均勻的。 當(dāng) 時，出現(xiàn)縮頸，由于縮 頸處的加工硬化不能補償其橫截 面積的減小，使變形集中在縮頸處，而其他截面的變形幾乎不再增長。因此， 處就是單向拉伸時的失穩(wěn)點(圖5—40)。,27,2.雙向等拉時的塑性失穩(wěn),薄板雙向等拉的情況如圖示。 圖中P1=P2，垂直于板面方向 的載荷P3=0，發(fā)生塑性失穩(wěn)時， dP=0.對于所討論的情況，有 P1=σ1A1 式中A1——P1作用面的面積； σ1——A1面上的正應(yīng)力。 對上式兩邊進(jìn)行微分,整理得： 則表明雙向等拉時，失穩(wěn)時的應(yīng)變?yōu)閱蜗蚶鞎r 的兩倍。,28,5.5.2 壓縮失穩(wěn) 1.壓桿（板條）失穩(wěn) 臨界力 材料的抗壓縮失穩(wěn)的能力除與材料的剛度性能參數(shù)E0、F有關(guān)外，還與受載的壓桿(或板條)的幾何參數(shù)( )有著更密切的關(guān)系。當(dāng)相對高度 越大，相對厚度 越小，即桿件越細(xì)、板料越薄時越發(fā)生失穩(wěn)，桿件的壓縮失穩(wěn)往往表現(xiàn)為失穩(wěn)彎曲，而板料的壓縮失穩(wěn)往往表現(xiàn)為失穩(wěn)起皺。,29,2.板料失穩(wěn)起皺 引起壓應(yīng)力的外力如圖5—44所示，大致可分為壓縮力、剪切力、不均勻拉伸力及板平面內(nèi)彎曲力四種。,30,失穩(wěn)起皺有一下幾種 (1)壓縮力引起的失穩(wěn)起皺 (2)剪應(yīng)力引起的失穩(wěn)起皺 (3)不均勻拉伸力引起的失 穩(wěn)起皺,31,