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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(wèn)題必須借助于一些專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)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(guò)程中常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型,原材料中常見(jiàn)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(diǎn)、縮孔殘余等。 在塑性成形過(guò)程中，由于加熱不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷主要有：過(guò)熱、過(guò)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(guò)高或過(guò)低、硬度不均等。,3,5.1.2塑性成形件質(zhì)量分析的一般過(guò)程及分析方法,1.對(duì)塑性成形件進(jìn)行質(zhì)量分析的一般過(guò)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(wèn)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(wèn)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(yàn)研究分析 這是確定塑性成形件缺陷原因的主要試驗(yàn)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(diǎn)是廣泛采用各種先進(jìn)的試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)方法。要準(zhǔn)確地分析成形件質(zhì)量問(wèn)題，有賴(lài)于正確的試驗(yàn)方法和檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)要善于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析與判斷。破壞性試驗(yàn)是成形件質(zhì)量分析的主要方法，但是無(wú)損探傷這種非破壞性試驗(yàn)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(yàn)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(diǎn)、雜質(zhì)等，這些缺陷，特別是夾雜物或雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)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(shí)，在應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)中，有夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)等缺陷的晶界處，由于位錯(cuò)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(guò)程中普遍存在的組織變化。塑性 成形過(guò)程中，在一定的外界條件下，就會(huì)出現(xiàn)空洞 的形核、長(zhǎng)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(lèi)： 1）產(chǎn)生于三晶粒交界處的楔形空洞，或稱(chēng)V形空洞 (圖5—2)，這類(lèi)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(chēng)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(huì)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(guò)程中，變形體內(nèi)的空洞形核、長(zhǎng)大、聚集就會(huì)發(fā)展成裂紋。裂紋是塑性成形件中常見(jiàn)的缺陷之一。 在塑性成形中產(chǎn)生裂紋基本上有兩個(gè)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(guò)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(lái)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(guò)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(gè)數(shù)來(lái)衡量，也可用晶粒平均直徑大小(以毫米或微米為單位)來(lái)表示。晶粒度級(jí)別越高，說(shuō)明單位面積內(nèi)包含晶粒個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(qiáng)度(σs)、疲勞強(qiáng)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?yàn)榫ЯＴ郊x，不同取向的晶粒越多，變形能較均勻地分散到各個(gè)晶粒，即可提高變形的均勻性，同時(shí)，晶界總長(zhǎng)度越長(zhǎng)，位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)阻力越大，所以能提高強(qiáng)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(shí)的加熱溫度。 2）.變形程度,18,3）機(jī)械阻礙物 有些材料隨加熱溫度升高，晶粒分階段突然長(zhǎng)大，而不是隨溫度升高成直線關(guān)系長(zhǎng)大。這是由于金屬材料中存在機(jī)械阻礙物，對(duì)晶界有釘札作用，阻止晶界遷移的緣故。 機(jī)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(duì)晶粒度的影響，除以上三個(gè)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(shí)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(dòng)過(guò)程中已氧化過(guò)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(shí)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?chē)饘倭骶€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(lèi)型及形成原因 1．由兩股(或多股)金屬對(duì)流匯合而形成的折疊 這種類(lèi)型的折疊其形成原因有以下幾方面： 1)模鍛過(guò)程中由于某處金屬充填較慢，而在相鄰部分均已基本充滿(mǎn)時(shí)，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(shí)常易由兩股流動(dòng)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(duì)流匯合而成折疊 2.由一股金屬的急速大量流動(dòng)將鄰近部分的表層金屬帶著流動(dòng)，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(zhǎng)(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(shí)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(huì)繼續(xù)，這種現(xiàn)象稱(chēng)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(qiáng)度參數(shù)，它主要表現(xiàn)為明顯的非均勻伸長(zhǎng)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(shí)的塑性失穩(wěn) 當(dāng) 時(shí)，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(shí)，出現(xiàn)縮頸，由于縮 頸處的加工硬化不能補(bǔ)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(zhǎng)。因此， 處就是單向拉伸時(shí)的失穩(wěn)點(diǎn)(圖5—40)。,27,2.雙向等拉時(shí)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(shí)， dP=0.對(duì)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(duì)上式兩邊進(jìn)行微分,整理得： 則表明雙向等拉時(shí)，失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變?yōu)閱蜗蚶鞎r(shí) 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(duì)高度 越大，相對(duì)厚度 越小，即桿件越細(xì)、板料越薄時(shí)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,