材料加工工艺.doc

.第一章：液态金属成形一、铸件凝固方式：逐层凝固：凝固过程中，外层固体与内层液体间有一条清楚的分界线，不存在液、固相共存区。纯金属和共晶型合金的凝固。糊状凝固：凝固过程中，不存在固体层，整个凝固区均液、固并存。发生在结晶温度范围很宽的合金中。中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间的凝固方式。大多数金属以中间凝固方式凝固。合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，则越倾向于逐层凝固；过冷度越大，凝固区变宽，倾向于糊状凝固。二、充型能力：液体金属充满型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的能力。充型能力的影响因素：合金液体的流动性；铸型条件；浇注条件； 铸件结构。三、流动性的概念与意义指熔融合金自身的流动能力。流动性好，充型能力强，易于获得尺寸准确、外形完整和轮廓清晰的铸件。 流动性不好，充型能力差，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。 流动性影响因素：合金的种类及结晶特点、合金结晶潜热和晶粒形状、合金的物理性质对流动性的影响合金种类，合金种类不同，流动性不同。灰铸铁最好，铸钢最差。共晶合金的流动性：恒温下从表向内逐层凝固，凝固层内表面较光滑，对未凝液体的流动阻力小，流动性好。固溶体合金的流动性：在一定温度范围内结晶，铸件截面上存在一定宽度的液固共存糊状区，固液界面粗糙，液体流动阻力大，流动性差。铁碳合金的流动性：钢结晶温度区间大，流动性差。铸铁愈接近共晶成分，结晶温度区间愈小，流动性愈好。铸铁流动性纯铁的流动性比较好亚共晶成分的铸铁，成分愈接近共晶，流动性就愈好，在共晶成分处流动性最好合金元素：凡能形成低熔点化合物、降低合金液体粘度和表面张力的元素，均能提高合金流动性，如P元素；凡能形成高熔点夹杂物的元素，都会降低合金流动性。如S、Mn等。总的来说，流动性好的合金在多数情况下其充型能力都较强；流动性差的合金其充型能力较差，但也可以通过改善其它条件来提高充型能力（如提高熔炼质量、浇注温度和浇注速度，改善铸型条件及铸件结构等），以获得健全铸件。四、缩孔和缩松（重点）铸件在冷却和凝固过程中，合金液态和凝固收缩产生的体收缩若得不到补足，在铸件最后凝固部位会形成孔洞。缩孔大而集中的孔洞；形状不规则，表面粗糙，可以看到发达的树枝晶末梢，可以明显地与气孔区别开来。缩松小而分散的孔洞；缩孔和缩松会减小铸件有效承载面积，引起应力集中，力学性能、气密性下降。缩孔的形成金属液逐层凝固，在铸件上中部最后凝固部位形成倒锥形缩孔。多发生在逐层凝固方式的合金中。凝固时，首先形成外壳，铸件外形尺寸固定，收缩使合金体积变小，在铸件最后凝固的部位产生大而集中的孔洞。以下条件易形成缩孔：共晶合金或结晶温度范围窄的合金;浇注温度高，液态收缩和凝固收缩大;铸件温差大而顺序凝固的厚壁部位.缩松的产生：金属液糊状凝固，在铸件轴心部和缩孔下方形成细小分散缩孔。最后凝固区域液态收缩和凝固收缩得不到补充。结晶温度范围宽的固溶体合金缩松倾向大。影响缩孔、缩松大小的因素及防止措施：铸造合金的液态收缩愈大，则缩孔形成的倾向愈大；合金的结晶温度范围愈宽，凝固收缩愈大，则缩松形成的倾向愈大。凡能促使合金减小液态和凝固期间收缩的工艺措施都能有利于减小缩孔和缩松的形成。如调整化学成分，降低浇注温度和减慢浇注速度，增加铸型的激冷能力，增加在凝固过程中的补缩能力，对于灰口铸铁可促进凝固期间的石墨化等。缩孔、缩松防止措施铸件的凝固方式：要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过控制铸件的凝固方式（采用设置冒口和冷铁配合）使之符合于：“定向凝固原则”、“同时凝固原则”“均衡凝固原则”（1）顺序凝固（定向凝固）：冒口补缩；控制铸件的凝固顺序，使铸件的冒口处最后凝固。冒口：铸型中设置的储存金属液的空腔。它最后凝固，储存的金属液不断补充其它部位的收缩。同时凝固:使铸件各部位冷却速度相近，将收缩分解到铸件的各个部位。（2）同时凝固原则：是采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差很小使各部分同时凝固。如在热节处安放冷铁，以加快此部位的冷却速度.（3）均衡凝固：铸铁（灰铸铁和球墨铸铁）液态冷却时要产生体积收缩，凝固时析出石墨又产生体积膨胀。均衡凝固是利用膨胀和收缩动态叠加的自补缩和浇冒口系统的外部补缩，采取工艺措施，使单位时间的收缩与膨胀、收缩与补缩按比例进行的一种凝固工艺原则。其它防止缩松措施：选用近共晶成分或结晶温度范围窄的合金; 加大铸件冷速，使液-固两相区截面变窄;加大结晶压力，破碎枝晶，减少金属液的流动阻力.五、 铸造应力铸件在凝固以后的冷却过程中，由于温度下降而产生收缩，有些合金还会发生固态相变而引起膨胀或收缩，这些都使铸件的体积和长度发生变化，若这些变化受到阻碍（热阻碍、外力阻碍等），便会在铸件中产生应力，称为铸造应力。铸造应力的种类铸造应力按其产生的原因可分为三种：热应力、相变应力、收缩应力临时应力：产生应力的原因消除以后，应力即告消失.剩余（残余）应力：产生应力的原因消除以后，应力依然存在于铸件中。在铸件冷却过程中，两种应力可能同时起作用，冷却至常温并落砂以后，只有剩余应力对铸件质量有影响减小和消除铸造应力的方法（了解）：1）减小铸造应力的方法：采取各种措施减小铸件冷却过程中各部分的温差，以及改善铸型和型芯的退让性。具体方法如下：a. 工艺上采取冒口、冷铁配合使用，加快厚大部分的冷却，尽量让铸件形成同时凝固；在满足使用要求的前提下，减小铸件的壁厚差，分散或减小热节；提高铸型温度，以减小各部分的温差，此法广泛用于金属型和熔模铸造b.控制合适的型、芯紧实度，加入退让性比较好的材料（如木屑等）铸件提早打箱或松砂，以减小收缩时的阻力等措施。c.在满足铸件使用性能的前提下，选择弹性模量E和收缩系数小的铸造合金.2） 消除铸造应力的方法：a.人工时效 b.自然时效c.振动时效 六、铸件中的其他缺陷（了解）：偏析、气孔、夹杂物(含夹砂、粘砂)、白口、浇不足、冷隔、砂眼、渣眼七、铸造工艺设计1.零件结构的工艺性：(1)从避免铸件缺陷考虑：应使铸件结构与合金铸造性能相适应，尽量避免金属集聚和产生内应力，以防止铸造缺陷的产生。铸件的最小壁厚：指合金液能充满型腔的最小厚度，小于最小壁厚易产生浇不足、冷隔等缺陷。铸件最小壁厚与合金种类、铸件尺寸等因素有关。铸件壁厚不易过厚：过大的壁厚会引起铸件晶粒粗大，强度下降，产生缩孔、缩松等缺陷铸件壁厚尽量均匀：壁厚不均易产生缩孔和缩松，内应力和变形、开裂等缺陷。铸件壁厚利于补缩和定向凝固：铸件结构便于在厚壁部位安放冒口补缩。壁转弯处为圆角，不同壁厚逐步过渡，壁的连接尽量减少交叉锐角，轮辐避免收缩受阻，避免过大水平面，对称和加强肋结构八、浇注位置选择原则（重点）重要面朝下：铸件上部易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷，且晶粒较粗大。宽大面朝下：大平面朝上还易产生夹砂等缺陷。薄壁部朝下：利于充型，以防产生冷隔、浇不到等缺陷厚大部朝上：利于在铸件厚壁处安置冒口补缩，自下而上定向凝固。型芯少而稳定：尽量减少型芯数量，且便于安放、固定和排气 。尽量避免吊芯、悬臂芯.型芯安放稳定。九、分型面的选择（重点）概念：指上、下、左、右砂型间的接触面，应能在保证铸件质量的前提下，尽量简化工艺。分型面选择原则：分型面置于最大界面: 便于起模。分型面尽量平直: 平直分型面可采用简便的分模造型，而弯曲分型面需采用挖砂或假箱造型。分型面尽量减少: 一个分型面，只需采用两箱造型。避免不必要活块型芯:尽量置于同一砂型: 加工面与基准面于同一砂箱易保证铸件精度，分在两个砂箱，易产生错型。尽量位于下型: 型腔及主要型芯位于下型，便于造型、下芯、合箱和检验铸件壁厚。九、冒口作用: 铸型中设置的储存金属液的空腔，在铸件形成是补给金属，有防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用冷铁作用：加快金属液的冷却；调节冷却凝固方向；实现顺序凝固或同时凝固。十、金属型铸造概念：是将液体金属在重力作用下浇入金属铸型，以获得铸件的方法金属型铸造特点：铸件精度高，表面粗糙度低，加工余量小。铸件晶粒细,力学性能好。一型多铸。金属型成本高，不宜单件小批生产，不宜大型、复杂形状、薄壁及高熔点铸件。十一、压力铸造概念：简称压铸，是将熔融金属在高压、高速条件下充型，并在压力下凝固成形获得铸件，需要压铸机和金属型。压铸特点：铸件精度高，表面质量好，无需机加工，互换性好。可压铸薄壁、复杂形状、具小孔和螺纹的铸件。可压铸镶嵌件。组织细，力学性能好。生产率高。设备投资大，压铸型成本高，不宜单件小批生产，且压铸件尺寸受限。不宜用于钢、铸铁等高熔点金属。压铸件易产生皮下气孔，不能进行热处理或高温使用，且易产生缩孔、缩松。十二、离心铸造概念：熔融金属浇入旋转铸型中，在离心力作用下充型凝固，获得铸件。离心铸特点：铸出中空铸件无需型芯，且可省去浇注系统和冒口，节约金属。铸件组织致密，无缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷，力学性能好。金属液充型效果好，适于铸造流动性差或壁薄铸件。便于铸造双层金属铸件。铸件内表面粗糙，质量差，且易产生比重偏析缺陷。(图)铸件孔径不易控制。十三、铸铁分类：(根据C存在形式）白口铸铁：断口呈银白色。C主要以Fe3C形式存在。性能硬、脆，在实际中应用较少；灰口铸铁：断口呈暗灰色，C大部分或全部以石墨形式存在。工业中应用最多。又分为普通灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁等。麻口铸铁：断口有黑白相间的麻点，既有Fe3C又有石墨。性能硬、脆，实际中应用较少。铸铁组织与性能（1） 普通灰铸铁：组织、基体+片状石墨。基体：铁素体；珠光体；铁素体+珠光体。性能：强度性能差：石墨类似于孔洞和裂纹；尖端成为裂纹源。减摩性能好。减震性能好。缺口敏感性小。铸造和切削性能好。(2)球墨铸铁：组织：基体+球状石墨。基体：铁素体；珠光体；铁素体+珠光体。球墨铸铁性能：强度性能大大高于HT：石墨对基体的割裂作用小。同时具有一定的塑性和韧性。保持了普通灰铸铁的优良性能。(3)蠕墨铸铁：组织：基体+蠕虫状石墨。石墨粗而短，形似蠕虫。性能：蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰口铸铁，其力学性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。(4)可锻铸铁：组织：基体+团絮状石墨。黑心可锻铸铁基体为铁素体；珠光体可锻铸铁基体为珠光体。性能：团絮状石墨对基体的破坏作用减轻，强度和韧性明显提高。注：可锻铸铁不可锻。十四、铸钢的铸造（了解）分类：铸造碳钢：含碳量0.6%的铁碳合金；常用的铸造碳钢含碳量为0.25-0.45%。牌号表示:ZG+屈服点最低值+抗拉强度最低值。铸造合金钢：碳钢中加入Mn、Si、Cr、Mo、V等合金元素。低合金铸钢：合金元素总量5%；高合金铸钢：合金元素总量10%。第二章、金属塑性变形一、锻压 （Metal forging and stamping）1.体积成形 (Bulk Metal Forming):锻造 (Forging)：自由锻造、模锻挤压(Extrusion)拉拔(Drawing)2. 板料成形 (Sheet Metal Forming)：冲裁(blanking)、弯曲(Bending)、拉深(Deep drawing)、翻边(flanging)、胀形(Bulging二、金属塑性变形的实质金属显微组织晶体原子典型晶格结构: 体心立方（Body-Centered Cube bcc），面心立方（Face-Centered Cube fcc），密排六方（Close-Package Hexagonal Hex）金属变形： 晶粒内部变形 + 晶界变形内变形：晶滑移（slipping）和孪晶(twin crystal)金属塑性变形的影响因素(1)化学成分的影响：钢的碳含量，塑性成形性，钢的合金元素含量，塑性成形性碳 少量有利 过量有害（Fe3C）；磷 有害， “冷脆”；硫 有害， “热脆”；氮 有害，“时效脆性”；氢 “氢脆” “白点”；氧 与其它杂质结合 有害(2)金属组织 ：单相固溶体的塑性成形性优于多相组织；常温下，均匀细小等轴晶的塑性成形性优于粗大树枝晶；钢中存在网状二次渗碳体，塑性成形性(3)变形温度的影响：变形温度高，原子振动增强，结合力减弱，塑性提高,变形抗力减少；金属高温下发生再结晶，加工硬化消除。高温下，金属的变形抗力仅为常温的1/4-1/5。温度，塑性，变形抗力，塑性成形性能。在加热过程的某些温度区间，过剩相析出和相变的原因，会产生脆性。碳钢：蓝脆: 200-350 渗碳体析出；热脆: 800-950 Pearlite Austenite；高温脆区: 1300 过热、过烧（4）变形速度的影响：单位时间内的变形程度越大，金属塑性下降，抗力提高。但超过一定的临界点后，变形热来不及散发，会产生“热效应”，使金属塑性提高，抗力减小。变形速度，硬化速度，塑性成形性；变形速度，热效应，塑性成形性一般生产条件下采用较低变形速度。（5）应力状态的影响：拉应力状态易产生应力集中，促使裂纹产生和扩展，造成破坏。故拉应力越多，材料塑性越差，压应力数目越多，塑性越好。压应力数目，塑性，变形抗力，拉应力数目，塑性，变形抗力三、如何提高金属塑性变形：提高材料的成分和组织的均匀性，合理选择成形温度和成形速度，选择三向受压较强的变形方式，减少变形的不均匀性四、几个定律（名词解释）最小阻力定律：塑性变形过程中，金属各质点有向多个方向流动的可能时，将向阻力最小的方向流动。卸载弹性恢复规律：金属变形包括塑性和弹性二部分，外力卸除之后，塑性变形部分保留，而弹性变形部分会因为弹性恢复而消除。如弯曲时回弹。 加工硬化规律：金属冷变形时，随变形程度的增加，强度和硬度提高，塑性和韧性下降。冷作硬化，冷变形强化。体积不变规律:变形前后，金属体积保持不变。（致密材料）体积不变规则：在金属塑性成形中，三个相互垂直方向的均匀变形量不能同时都是伸长，或同时都是压缩。三个相互垂直的方形满足下列关系：一个方向压缩，另外两个方向都伸长，如镦粗。两个方向压缩，第三个方向伸长，如挤压或拔长。一个方向长度不变，其余两个方向一为伸长、变形另一个为压缩，如平面变形。六、锻造工艺概述目的：成形和改性（机械性能、内部组织）分类：（按成形温度分类）热锻：在再结晶温度以上进行的塑性变形；减少金属的变形抗力；改变钢锭的铸态结构；提高钢的塑性。温锻：在室温以上完全再结晶温度以下进行的塑性变形。减少锻压力、精度较高。冷锻：在室温时进行塑性变形。没有温度波动和氧化作用，锻件精度高而表面光洁；提高锻件的强度和硬度；限于比较小的机器零件和低碳钢及有色金属材料加热中的缺陷：氧化、脱碳、过热、过烧、裂纹锻造温度的确定：始锻温度:从加热炉取出放到锻压设备上开始锻压，这时坯料的温度。终锻温度:为要保证热锻后锻压件内部为再结晶组织 ，热锻的最低温度。确定锻造温度范围的原则：使金属在锻造温度范围内具有良好的塑性和较低的变形抗力；锻造出的锻件机械性能及微观组织良好；锻造温度范围尽可能宽，这样加热的次数比较少，可以提高生产效率。七、镦粗主要质量问题：侧表面易产生纵向或呈45方向的裂纹。锭料镦粗后在上下两端保留铸态组织。鼓肚：由于摩擦力和温度分布的影响。双鼓：高度较大时，出现两个鼓肚八、 模锻分类：根据模具的终锻型槽结构不同，模锻可分为开式模锻和闭式模锻。九、冲压工序分类分离工序板料一部分与另一部分分离。如落料与冲孔（沿封闭轮廓线分离）、切断（按不封闭轮廓线分离）等。变形工序坯料产生塑性变形而不破裂。如弯曲、拉深、翻边等。十、 精密冲裁：又称无间隙冲裁，采用齿圈压板，三向压应力，塑性剪切无裂纹分离，断面与板面垂直，光亮，精度高。十一、弯曲回弹：当弯曲变形结束、卸载后,由于弹性恢复，使工件弯曲半径和角度与模具形状不同。因弹性恢复，弯曲件角度和弯曲半径较凸模增大，回弹影响弯曲件精度。模具的弯曲角应减小一个回弹量（随板材屈服强度和弯曲角度而增大）。十二、挤压概念：金属坯料受三向压应力作用，产生塑性变形，从模具孔口挤出或充满型腔成形, 获得制品。三向压应力能充分提高金属塑性，可加工难锻金属。十三、金属塑性成形设备 锻锤、液压机（Hydraulic Press）、机械压力机第三章、金属连接成形一、金属连接方法:借助于螺栓或铆钉的机械连接法；粘接法；焊接法：焊接指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合而连接成一体的加工方法。金属焊接的本质：固态金属之所以能够保持固定的形状，是因为其内部原子之间距离（晶格）非常小，原子之间形成了牢固的结合力。除非施加足够的外力破坏这些原子间结合，否则一块金属固体是不会变形或分离成两块的。要把两个分离的金属构件连接在一起，从物理本质上来看，就是要使这两个构件连接表面的原子彼此接近到金属晶格距离（即0.3-0.5nm）按焊接的物理化学过程可分为三类：熔化焊、压力焊、钎焊二、焊接电弧电弧带电离子的产生：电弧的区域组成：阳极区+阴极区+弧柱、长度：电弧长度主要为弧柱区，阴极区、阳极区都很小；热量：阴极区36%，阳极区43%，弧柱区21%；温度：阴极区2400K，阳极区2600K，弧柱中心区60008000K三、 焊接电弧最小电压原理：在给定电流和周围条件的一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的半径（或温度），应使电弧电场强度具有最小的数值。就是说电弧具有保持最小能量消耗的特性。这已为理论推导及许多实际现象所证明。最小电压原理也决定着电弧其它区域（阴极区、阳极区）的E、温度及导电端面的自行调节作用，以达到在一定条件下向外界散失热量最小。四、弧长变长电压升高五、电弧焊高温焊接区暴露在空气中会有什么结果，应采取什么措施空气中的氧气氮气会进入和熔化金属反应影响焊接质量。措施：焊接同时产生保护性气体，使高温焊接区与空气隔绝，焊条药皮中加脱氧剂等六、焊接接头的组织与性能焊接接头：焊缝和热影响区统称焊接接头。焊缝区：铸态柱状晶，成分优于母材，性能不低于母材。熔合区：很窄，仅0.10.4mm宽，组织极不均（部分铸态，部分过热），力学性能最差（塑性差、强度低、脆性大），属接头薄弱部位。过热区：13mm宽，晶粒粗大，塑性、韧度差，也属性能最差部位。正火区：1.24mm宽，晶粒均匀细小，塑性、韧度较高，是热影响区中力学性能最好的区域。部分正火区：即不完全重结晶区，晶粒大小不均，力学性能较正火区差。再结晶区：只在焊前经过冷塑性变形（如冷轧、冷冲压等）的母材中出现，塑性提高七、焊接应力与变形产生原因：因焊接过程中焊件的不均匀受热和冷却产生预防和减小焊接应力和变形的工艺措施：思路：减小温差，自由收缩减小应力，抵消、抑制变形减小变形措施：(1)焊前预热(400)、(2)合理焊接顺序、(3)加热减应区、(4)反变形法、(5)刚性固定法消除焊接应力的方法：锤击焊缝，释放应力；消除应力退火；机械拉伸焊件（焊缝），用焊缝区的微量塑性拉伸，降低残余应力。矫正焊接变形的措施：矫正变形原理产生新变形抵消原变形。机械矫正用加压或锤击产生塑性变形。火焰矫正局部加热后冷却产生新的收缩变形八、焊条焊条的组成及作用九、埋弧焊原理电弧在焊剂层下燃烧而实现焊接。埋弧自动焊。焊剂：相当于药皮，颗粒状；埋弧：电弧埋在焊剂层下；自动：焊接过程自动进行。十、气体保护焊的分类：氩弧焊、CO2气体保护焊十一、压焊压力焊：焊接时，对焊接区施加一定的压力。施加的压力：使接头处局部产生塑性变形，原子通过扩散而结合。压力起主要作用。加热：提高塑性，降低变形抗力，增加原子的活动能力和扩散速度。还可能使工件局部熔化。电阻焊：利用电流通过焊件接触处产生电阻热，将该处加热到塑性或局部熔化状态，同时通过电极施加压力进行焊接摩擦焊：利用焊件接触面相互摩擦产生热量加热，同时加压实现塑性焊接十二、钎焊：采用比母材熔点低的钎料，将焊件和钎料一起加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，焊件不熔化，仅熔点低的钎料熔化，靠毛细作用填充间隙，液态钎料润湿母材、填充接头、与母材相互扩散，实现连接。十三、焊接性评定方法碳当量法-间接方法。根据合金元素对材料淬硬性的影响程度，预测焊接时可能产生裂纹和硬化的可能性。碳当量：碳及合金元素均折算成碳的相当含量，总和之后为碳当量。碳当量越高，焊接性越