机械制造基础第3版 宋昭祥第二篇第1章材料成型工艺理论基础

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1、第一章 材料成型工艺理论基础 教学内容 1. 铸造工艺基础 2. 锻造工艺基础 3. 焊接工艺基础,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,第一节 铸造工艺基础 一合金的铸造性能 合金的铸造性能是表示合金通过铸造成形获得优质铸件的能力，通常用充型能力和收缩性等来衡量。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(一) 合金的充型能力 l充型能力的概念 液态合金充满铸型型腔，并获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为合金的充型能力 。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,2影响充型能力的因素 合金的流动性 浇注条件 铸型的影响,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.

2、1-1 结晶特性对流动性的影响 a)在恒温下凝固 b)在一定的温度范围内凝固,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(二) 合金的收缩性 1收缩性的概念和收缩过程 铸件在凝固和冷却至室温过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩。收缩过程分三个阶段： 液态收缩 凝固收缩 固态收缩,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.1-2 铸造合金的收缩阶段 一液态收缩 一凝固收缩 一固态收缩,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,2影响收缩性的因素 合金成分常用铸造合金中，铸钢的收缩最大，灰铸铁最小。 浇注温度 合金的浇注温度越高，过热度越大，液态收缩量也越大，因而体收缩也越大。 铸型结构,第二篇第一章 材料

3、成型工艺理论基础,3缩孔、缩松的形成与控制 1） 缩孔、缩松的形成 合金的液态收缩、凝固收缩引起的体积收缩小，得不到外来液态金属（或合金液）的补充，是使铸件形成缩孔和缩松的根本原因。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.1-3 缩孔和缩松的形成 a)缩孔形成过程 b)缩松形成过程,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,2) 缩孔和缩松的控制 合理选择铸造合金 铸造生产中应尽量选择共晶成分附近的合金和结晶温度范围窄的合金。 控制铸件的凝固顺序 在工艺上常用定向凝固或同时凝固的原则控制缩孔和缩松的产生。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.1-4 定向凝固原则的运用 1-铸件 2-冒口

4、3-浇道,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.1-5 同时凝固原则的运用 1-铸件 2-浇道 3-冷铁,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,4铸造应力的形成与控制 1) 铸造应力的形成 铸件固态收缩时，冷却中收缩不均匀，收缩受到阻碍就会形成铸造应力。 2) 应力的控制 结构设计时，尽量使铸件壁厚均匀； 工艺上使铸件实现同时凝固，合理设置浇注系统，在冷却较慢的部位放置冷铁等。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,二、常用合金铸件的铸造工艺特点 (一) 普通灰铸铁件 普通灰铸铁件内部组织中的石墨呈粗片状，化学成分接近共晶，熔点低，凝固温度范围窄，流动性好，收缩小，可浇注各种复杂薄壁铸件及壁厚

5、不太均匀的铸件；不易产生缩孔和裂纹，一般可不用冒口和冷铁；对型砂要求不高，灰铸铁的熔炼简便、经济，故普通灰铸铁在铸件生产中应用最广。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(二) 孕育铸铁件 孕育铸铁件内部组织中的石墨呈细小片状，是铁液经孕育处理后，获得的亚共晶灰铸铁。 与普通灰铸铁相比，孕育铸铁对壁厚的敏感性小，铸件厚大截面上的性能比较均匀，用于制造强度、硬度、耐磨性要求高的，尤其是壁厚不均匀的大型铸件。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(三) 可锻铸铁件 可锻铸铁件内部组织的石墨呈团絮状，碳、硅含量较低，熔点较高，凝固温度范围宽，铸造性能比灰铸铁差。为避免产生浇不到、冷隔、缩孔、裂纹等铸

6、造缺陷，工艺上需要提高浇注温度，采用定向凝固，增设冒口和提高造型材料的耐火性和退让性等措施。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(四) 球墨铸铁件 球墨铸铁件内部组织中的石墨呈球状，是一种广泛应用的高强度铸铁。球墨铸铁铁液基本上是共晶成分，流动性好。按基体组织不同，球墨铸铁主要分为铁素体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁两大类。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(五) 铸钢 铸钢的浇注温度高、流动性差、钢液易氧化、吸气，同时收缩也大。 铸钢的铸造性能差，易产生浇不到、缩孔、缩松、裂纹、粘砂等铸造缺陷。工艺上要用截面尺寸较大的浇注系统，采用定向凝固，加冒口补缩。型砂选用耐火性高，透气性、退让性好的造

7、型材料，并用干型或快干型。铸钢件通常都要进行退火或正火处理，细化晶粒，消除残余内应力。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(六) 铸造铜合金 常用的铸造铜合金有铸造黄铜和铸造青铜，铜合金熔点低，可采用细硅砂造型，获得表面光洁的铸件。大多数铜合金的结晶温度范围窄、流动性好、缩松倾向小，可生产一些形状复杂的薄壁件。但收缩大，易产生集中缩孔，要放置冒口和冷铁。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(七) 铸造铝合金 铸造铝合金熔点低、流动性好，可用细砂造型，并可浇注薄壁复杂铸件，但铝合金在高温时极易氧化和吸气。在熔炼中可在合金液表面用熔剂(KCl和NaCl的混合物)形成覆盖层，使合金液与炉气隔离，

8、以减少铝液的氧化和吸气。熔炼后期还要加精炼剂进行去气精炼 (通氯气或加氯化锌)，使铝合金液净化。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,第二节 金属锻造工艺基础 一、金属的塑性变形 具有一定塑性的金属材料，受外力作用产生变形的过程是随着金属内部应力的增加而由弹性变形阶段进入弹性、塑性变形阶段。在弹性变形阶段，应变与应力存在线性关系，变形过程是可逆的，若应力消除，变形亦随之消失。但是，进入弹性、塑性变形后，即使应力消除，变形也不能完全消失，消失的仅是弹性变形部分，而另一部分变形被保留下来，这部分变形就是塑性变形。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(一) 金属塑性变形的实质 1单晶体的塑性变形

9、a表示晶格处于正常状态； b表示金属产生弹性变形； c表示金属不但产生了弹性变形，而且产生了塑性变形； d表示当切应力消失后，弹性变形随之消失，塑性变形则保留下来。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.1-6 单晶体滑移示意图 a)变形前 b)晶格歪扭 c)滑移 d)塑性变形后,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,2多晶体的变形 实际使用的金属是由许多晶格位向不同的晶粒组成的多晶体。 在多晶体的塑性变形中，除了各晶粒内部的滑移变形 (晶内变形)外，还存在着晶粒之间的转动和滑动 (晶间变形)。晶间变形一般很小，多晶体的变形主要是晶内滑移变形。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(二) 塑

10、性变形对金属组织和性能的影响 1加工硬化 金属变形后的强度、硬度增加，塑性、韧性下降，称为加工硬化。 特性： 1)晶粒沿最大变形方向伸长； 2)在晶粒间产生碎晶，使继续滑移的阻力增大，变形困难； 3)滑移面附近晶格歪扭，产生内应力。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,2回复和再结晶 金属加热到某一温度以上时，由于原子获得热能使热运动加剧，通过原子的少量扩散消除了晶格的歪扭和内应力，因此可部分消除加工硬化。这一过程称为回复，这一温度称为回复温度。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,3冷变形和热变形 在再结晶温度以下进行的变形称为冷变形。 在再结晶温度以上进行的变形称为热变形。,第二篇第一章

11、材料成型工艺理论基础,图2.1-7 金属在热轧过程中的组织变化,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,4纤维组织、锻造流线和锻造比 塑性变形时，金属的晶粒沿变形方向拉长（或压扁）。如果应变量很大，则晶粒沿变形方向被拉长（或压扁）成纤维状，这种晶粒组织称为纤维组织。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.1-8 铸锭热变形前后的组织 a)变形前原始组织 b)变形后的组织,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,合理地利用锻造流线所造成的力学性能的异向性，是设计零件和制定变形工艺必须考虑的问题。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.1-9 螺钉的锻造流线状况与使用性能的关系 a) 用钢料直接车

12、制的螺钉受横向切应力时使用性能良好，受纵向切应力时易损坏 b) 锻件毛坯加工的螺钉受纵、横向切应力时使用性能均好,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,二金属的锻造性能 金属的锻造性能是指金属材料经受锻压加工时获得优质制件的难易程度。 金属的锻造性取决于金属的本质和变形条件。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(一) 金属的本质 1化学成分 一般纯金属的锻造性比合金好。碳钢的锻造性随其含碳量的增加而降低，合金钢的锻造性低于相同含碳量的碳钢。 2内部组织 纯金属和固溶体的锻造性能一般较好。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(二) 变形条件 1变形温度 在一定的温度范围内(过热温度以下)，随着

13、温度的升高，金属原子的活动能力增强，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。同时，大多数钢在高温下为单一的固溶体 (奥氏体)组织，而且变形的同时再结晶也非常迅速，所有这些都有利于改善金属的锻造性能。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.1-10 挤压与拉拔时金属的应力状态,2应力状态,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.1-11 应变速率对金属锻造性能的影响,3应变速率,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,三、合金钢和有色合金的锻造工艺特点 (一) 合金钢的锻造工艺特点 合金钢与一般碳钢相比，锻造工艺特点如下： 1由于合金钢锭或轧制坯料的表面和内部缺陷较多，残余应力

14、严重，一般在锻造前应予退火，以消除内应力并使组织均匀化。 2合金钢的锻造温度范围较窄。 3合金钢的锻造性差。 4合金钢的内部偏析严重。 5合金钢在锻造过程中易产生较大的内应力，故常须进行工序间的退火。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(二) 铝合金、铜合金锻造工艺特点 铝合金和铜合金的锻造温度低、锻造温度范围窄，加热和锻造时温度控制比碳钢要严格，掌握比较困难，加之导热性好、散热快，更增加锻造时的难度。 某些塑性较差的合金 (如超硬铝)对变形速率很敏感，加工硬化倾向较大。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,第三节 焊接工艺基础 一电弧焊的冶金过程特点 1焊接电弧和熔池金属的温度远高于一般冶

15、炼温度，因此金属元素强烈蒸发，并使电弧区的气体分解成原子状态，使气体的活性大为增强，导致金属元素烧损或形成有害杂质。 2冷却速度快，熔池体积小，四周又是冷的金属，而且熔池处于液态的时间很短，一般在10s左右，各种化学反应难于充分进行，致使化学成分不均匀，气体和杂质来不及浮出，从而产生气孔和夹渣等缺陷。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,二焊接接头的组织和性能 电弧焊时，焊件局部经历加热和冷却的热过程。焊接热过程会引起焊接接头组织和性能的变化，直接影响焊接接头的质量。 (一) 焊接工件上温度的变化与分布 在电弧热作用下，焊接接头上某点的温度由低到高，达到最大值后又由高到低的变化过程称为焊接热循环。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.1-12 焊接热循环曲线,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,(二) 焊接接头的组成和性能 熔焊的焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区组成。 1焊缝的组织和性能 焊缝是由熔池金属结晶形成的焊件结合部分。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.1-13 焊缝的柱状晶体,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,2焊接热影响区的组织和性能 在焊接热循环的作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生组织或性能变化的区域，称为焊接热影响区。,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础,图2.1-14 低碳钢焊接热影响区,第二篇第一章 材料成型工艺理论基础