材料成形技术金属材料成形基本原理PPT课件.ppt

第一章金属材料成形基本原理,原材料（锭料、轧材）,凝固成形塑性成形焊接成形,毛坯,切削加工,零件,机器,装配,切削加工凝固成形塑性成形焊接成形,热处理,热处理切削加工,表面加工,材料加工概述,零件或材料的四种加工方法：1.成形加工：凝固成形、塑性成形、焊接成形、粉末压制、塑料成形；2.切除加工：车、铣、刨、钻、磨、电火花、电解、超声加工、激光加工等；3.表面成形加工：表面形变、淬火强化、化学强化、表面镀层、气相沉积镀膜；4.热处理加工：退火、正火、淬火、回火；材料基本加工要素及流程,本章主要内容,1.1铸造成形基本原理,1.2塑性成形基本原理,1.3焊接成形基本原理,第1节铸造成形基本原理,铸造：将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。铸造是生产机器零件毛坯的主要方法之一，其实质是液态金属逐步冷却凝固成形。,铸造的优点：1）可以铸出内腔、外形很复杂的毛坯；2）工艺灵活性大。几乎各种合金，各种尺寸、形状、重量和数量的铸件都能生产；3）成本较低。原材料来源广泛，价格低廉。,铸造的缺点：,铸造在机械制造业中应用十分广泛，在各种类型的机器设备中铸件占很大比重。如表2-1所示。,1.1.1金属的凝固,1.液态金属的结构与性质,2.液态金属的凝固液态金属由液态转变为固态的过程，包括形核和长大两个过程。得到的凝固组织（铸态晶粒形态、大小、分布、缺陷等）取决于成分、冷却速度、形核条件等。,3.铸件的凝固方式,在铸件凝固过程中，铸件断面上存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。其中凝固区对铸件质量有较大影响。铸件的凝固方式也可根据凝固区的宽窄来划分，如图2-1。,1）逐层凝固：纯金属或共晶成分的合金的凝固，如图2-1a；2）糊状凝固：结晶温度范围很宽的合金的凝固，如图2-1c；,3）中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间，大多数合金为此凝固方式，如图2-1b所示。,铸件质量与凝固方式有关，逐层凝固时，合金充型能力强（流动性好），便于防止缩孔、缩松。而糊状凝固时，充型能力差，易产生缩松。,4.影响铸件凝固方式的因素,1）合金的结晶温度范围:结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越倾向于逐层凝固。低碳钢，近共晶成分铸铁倾向于逐层凝固，高碳钢、远离共晶成分铸铁倾向于糊状凝固。,2）铸件的温度梯度：在合金的结晶温度范围已定时，若铸件的温度梯度由小变大，则凝固区由宽变窄，倾向于逐层凝固。如图2-2所示。,1.1.2金属与合金的铸造性能,铸造性能是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力；用充型能力、收缩性等来衡量。,决定合金流动性的主要因素有：,图2-5结晶特性对流动性的影响a)恒温下b)一定温度范围,3）杂质和含气量。固态夹杂物使粘度增加，流动性下降；如灰铁中的MnS；含气量越少，流动性越好。,3.铸型条件,1）铸型的蓄热能力越强，充型能力越差；2）铸型温度越高，充型能力越好；3）铸型中的气体阻碍充型；4）铸件结构，壁厚过小、壁厚变化剧烈、结构复杂、大平面都影响充型。,1.1.2.2合金的收缩,1、收缩。合金从液态冷却至常温的过程中，体积或尺寸缩小的现象。通常用体收缩率或线收缩率来表示：,体收缩率,线收缩率,合金的收缩过程可分为三个阶段：如图2-6所示。,1）液态收缩。指合金从浇注温度冷却到液相线温度过程中的收缩。,2）凝固收缩。指合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收缩。结晶温度范围越大，收缩率越大。液态和凝固收缩时金属液体积缩小，是形成缩孔和缩松的基本原因。,3）固态收缩。指合金从固相线温度冷却到室温时的收缩。用线收缩率表示。它对铸件形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。,2.影响收缩的因素,1）化学成分；2）浇注温度越高，过热度越大，收缩越大；3）铸件结构和铸型条件，铸件结构造成各部分冷却速度不同，产生内部应力阻碍收缩；铸型和型芯产生机械阻力。,收缩是造成缩孔、缩松、应力、变形和裂纹的基本原因;充型能力不好，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。,1.1.3铸造性能对铸件质量的影响,1.1.3.1缩孔和缩松,凝固结束后在铸件某些部位出现的孔洞。大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称缩松。缩孔缩松可使铸件力学性能大大降低，以致成为废品。,缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿。缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域，此区域也称热节。,（1）缩孔的形成金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件壁以逐层凝固方式凝固。形成过程如图2-7所示。,1.缩孔和缩松的形成,图2-7缩孔形成过程示意图,（2）缩松的形成其基本原因也是液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。但主要出现在糊状凝固的合金中，或断面较大的铸件壁中。形成过程如图2-8所示。一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近，也常分布在集中缩孔的下方。,图2-8缩松形成过程示意图,（3）缩孔缩松的形成规律,1）合金的液态收缩和凝固收缩越大（如铸钢、白口铁等），铸件越易形成缩孔。2）合金的浇注温度越高，液态收缩越大，越易形成缩孔。3）结晶温度范围宽的合金，倾向于糊状凝固，易形成缩松。纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成缩孔。,2.缩孔和缩松的防止,一定成分的合金，缩孔、缩松的数量可以相互转化，但其总容积基本一定，如图2-9所示。,图2-9铁碳合金成分与体积收缩率的关系,防止缩孔和缩松的基本原则是：采用合理的工艺条件，使缩松转化为缩孔，并使缩孔移至冒口中。,（1）按照顺序凝固原则进行凝固是指采用各种工艺措施，使铸件上从远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固，如图2-10所示，使缩孔转移到冒口中。,（2）合理确定内浇道位置及浇注工艺内浇道的引入位置应按照顺序凝固原则确定；浇注温度和浇注速度应根据铸件结构、浇注系统类型确定，慢浇有利于顺序凝固，有利于补缩，消除缩孔。,适用于收缩大或壁厚差别大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、高强度灰铸铁、可锻铸铁等。,图2-10顺序凝固原则示意图,（3）合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施冒口，在铸件厚壁处和热节部位设置冒口，是防止缩孔、缩松最有效的措施。冷铁，用铸铁、钢、铜等材料制成的激冷物。加大冷却速度，调节凝固顺序。补贴，在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔型厚度，使铸件壁厚变成朝冒口逐渐增厚的形状，即造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度，增大补缩距离。,1.1.3.2铸造应力,铸造应力:铸件的固态收缩受到阻碍而引起的内应力。可分为热应力和收缩应力；热阻碍：铸件各部分由于冷却速度不同，收缩量不同而引起的阻碍,由其引起的应力称热应力。机械阻碍：铸型、型芯对铸件收缩的阻碍,由其引起的应力称机械应力（收缩应力）。,1.热应力,第一阶段，两者都塑性变形，无热应力；第二阶段，一塑性，一弹性，仍无热应力；第三阶段，两者均弹性变形，冷却慢的受拉，快的受压。残留热应力和合金的弹性模量、线收缩系数、铸件各部分壁厚差别及温度差成正比。,图2-12热应力的形成,由热阻碍引起，落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种残留铸造应力，以框架铸件为例，说明残留热应力的形成过程，如图2-12所示，其热应力形成过程分三阶段。,2.收缩应力由机械阻碍产生，一般都是拉应力，在形成应力的原因消除时，应力也随之消除。但如果临时拉应力和残留热应力同时作用在某瞬间超过铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。如图2-13所示。,3.减小和消除铸造应力的措施1）合理设计铸件结构。尽量避免牵制收缩的结构，如壁厚均匀，壁之间连接均匀等。2）尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。3）采用同时凝固的工艺。如图2-14所示，各部分温差小，不易产生热应力。主要用于收缩较小的普通灰铸铁、结晶范围大，不易实现冒口补缩，对气密性要求不高的锡青铜铸件等。,图2-13收缩应力的形成,图2-14同时凝固原则,4）设法改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇冒口。5）对铸件进行时效处理。自然时效、人工时效（去应力退火）和共振时效。,1.1.3.3铸件的变形与裂纹,1.铸件的变形残留铸造应力超过铸件材料的屈服极限时产生的翘曲变形。如图2-15所示的框架铸件，图2-16的T形梁，当刚度不够时，将产生如图所示的变形。再如图2-17所示的车床床身的变形。,图2-17车床床身导轨面的变形,防止铸造应力的方法也是防止变形的根本方法；同时在工艺上还可以采用反变形法，提早落砂去应力退火消除机械应力。,2.铸件的裂纹：当铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。可分为热裂和冷裂。,1）热裂在凝固末期高温下形成的裂纹。裂纹表面被氧化而呈氧化色，裂纹沿晶粒边界产生和发展，外形曲折而不规则；裂纹短，缝隙宽。产生原因：凝固末期，合金绝大部分已成固体，但强度和塑性很低，当铸件受到机械阻碍产生很小的铸造应力就能引起热裂。分布在应力集中处或热节处。,防止热裂的措施：,2）冷裂是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。其表面光滑，具有金属光泽或呈微氧化色，裂纹穿过晶粒而发生，外形规则，常是圆滑曲线或直线。防止方法是尽量减少铸造应力。,思考题：,1.何谓合金的铸造性能？它可以用哪些性能来衡量？铸造性能不好，会引起哪些缺陷？,2.试分析图2-18所示铸件：1）哪些是自由收缩，哪些是受阻收缩？2）受阻收缩的铸件形成哪一类铸造应力？3）图示各点应力属于什么性质（拉应力、压应力）？,图2-18铸件,第2节塑性成形基本原理,1.2.1塑性成形的实质,具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，当内应力达到一定的条件，就会发生塑性变形；由于金属材料都是晶体，故要说明塑性变形的实质，必须从其晶体结构来说明。,1）滑移变形：晶体内的一部分相对另一部分，沿原子排列紧密的晶面作相对滑动。其变形过程如图3-2所示。晶体在晶面上的滑移，是通过位错的不断运动来实现的。如图3-3所示。当很多晶面同时滑移积累起来就形成滑移带，如图3-4所示，形成可见的变形。,a)未变形前b)弹性变形c)弹、塑性变形d)塑性变形后,图3-2单晶体的塑性变形,图3-3位错运动形成滑移的示意图,图3-4很多晶面滑移组成滑移带,2）双晶：亦叫孪晶。晶体在外力作用下，晶体内一部分原子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动。如图3-5所示。,2.多晶体的塑性变形,多晶体是由大量的大小、形状、晶格排列位向各不相同的晶粒所组成，故它的塑性变形很复杂，可分为晶内变形和晶间变形。晶粒内部的塑性变形称为晶内变形；晶粒之间相互移动或转动称为晶间变形。如图3-6所示。多晶体的晶内变形方式和单晶体一样，也是滑移和双晶，但各个晶粒所处的塑性变形条件不同，即晶粒内晶格排列的方向性决定了其变形的难易，与外力成45度的滑移面最易变形。因为其产生的切应力最大。如图3-7反映了晶粒位向与受力变形的关系。,图3-5晶体的双晶变形,图3-6多晶体塑性变形示意图,a)变形前b)变形后,图3-7多晶体晶粒位向与受力变形关系示意图,同时在多晶体的晶界处，由于相邻晶粒间的位向差别，产生晶格的畸变，并有杂质的存在，以及晶粒间犬牙交错状态，对多晶体的变形造成很大障碍。低温时，晶界强度高于晶粒内部强度，变形抗力大不易变形；高温时，晶界强度降低，晶粒易于相互移动。所以多晶体由于存在晶界和各晶粒的位向差别，其变形抗力要远高于同种金属的单晶体。,1.2.2冷变形强化与再结晶,金属塑性变形时，在不同的温度下，对金属组织和性能产生不同的影响。主要讨论加工硬化、回复和再结晶。,1.冷变形强化（加工硬化）指金属在低于再结晶温度以下进行塑性变形时，金属的强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象，如图3-8所示；变形程度越大，冷变形强化现象越严重。,图3-8常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响,冷变形强化的原因是：在塑性变形过程中，在滑移面上产生了许多晶格方向混乱的微小碎晶，滑移面附近的晶格也产生了畸变，增加了继续滑移的阻力，使继续变形困难。,对某些不能通过热处理来强化的金属，可用低温变形来提高金属强度指标，如用冷轧、冷拔和冷挤来提高低碳钢、纯铜、防锈铝等所制型材和锻压件的强度和硬度。但在塑性加工中，冷变形强化使塑性变形困难，故采用加热的方法使金属再结晶，而获得好的塑性。,回复温度较低，对于纯金属，可用下式计算：,式中-金属的绝对回复温度；-金属的绝对熔化温度；,回复作用不改变晶粒的形状及晶粒变形时所构成的方向性，也不能使晶粒内部的破坏现象及晶界间物质的破坏现象得到恢复，只是逐渐消除晶格的扭曲程度。故回复作用可以降低内应力，但力学性能变化不大，强度稍降低，塑性稍提高。如图3-9b所示。,图3-9金属的回复和再结晶示意图,a)塑性变形后的组织b）金属回复后的组织c）再结晶组,3.再结晶,指当温度升高到一定程度时，金属原子获得更高的热能，通过金属原子的扩散，使冷变形强化的结晶构造进行改变，成长出许多正常晶格的新晶粒，新晶粒代替原变形晶粒的过程即为再结晶。如图3-9c所示。,再结晶过程：先在变形金属中出现再结晶核心（小晶块，或破碎物），结晶核心周围的畸变晶格中的原子向再结晶核心聚集，从不稳定状态向稳定状态过渡，有秩序地排列起来，而形成新的具有正常晶格结构的晶粒，直至新晶粒完全形成，再结晶结束。如果继续升温或保温，再结晶晶粒还会聚合长大，即二次再结晶。再结晶使内应力全部消除，强度降低，塑性增加。如图3-10所示为变形后的金属在加热时组织和性能的变化。,图3-10变形后的金属在加热时组织和性能的变化,1内应力曲线2晶粒度曲线3强度曲线（变形抗力）4延伸率曲线,再结晶的最低温度称为再结晶温度，一般纯金属的再结晶温度为：,再结晶处理：利用金属再结晶过程消除低温变形后的冷变形强化，恢复金属的良好塑性，以利于后继的冷变形加工。,4.冷变形和热变形,冷变形：指金属在其再结晶温度以下进行塑性变形。如冷冲压、冷弯、冷挤、冷镦、冷轧和冷拔，能获得较高的硬度及表面质量。热变形：指金属在其再结晶温度以上进行塑性变形。如锻造、热挤和轧制等，能消除冷变形强化的痕迹，保持较低的塑性变形抗力和良好的塑性。,1.2.3锻造比和锻造流线（纤维组织）,1.锻造流线的形成在金属铸锭中含有的夹杂物多分布在晶界上，在金属塑性变形时，晶粒沿变形方向伸长，塑性夹杂物也随着变形一起被拉长，呈带状分布；脆性夹杂物被打碎呈碎粒状或链状分布；通过再结晶过程，晶粒细化，而夹杂物却依然呈条状和链状被保留下来，形成锻造流线。如图3-11所示。锻造流线使金属的力学性能呈现各向异性，平行于纤维方向塑性和韧性增加，垂直于纤维方向则下降。,2、锻造比它是锻造生产中代表金属变形量大小的一个参数，一般用锻造过程中的典型工序的变形程度来表示：如镦粗工序，锻造比为：,图3-11热轧对晶粒组织的影响,拔长锻造比：,3.锻造比对金属的组织和性能的影响一般情况下，增加锻造比，可使金属组织细密化，提高锻件的力学性能。但当锻造比过大，金属组织的紧密程度和晶粒细化程度已到极限，故力学性能不再升高，而增加各向异性。锻造比越大，锻造流线越明显，其力学性能的方向性越明显。如图3-12所示为碳素结构钢锭采用不同锻造比进行拔长后的力学性能变化曲线。当锻造比增加时，钢的强度在横向和纵向差别不大，而塑性和韧性纵向明显好于横向。锻造流线的稳定性很高，而且用热处理不能消除。故在设计和制造易受冲击载荷的零件时，必须考虑锻造流线的方向，使最大正应力与流线方向一致，切应力或冲击应,图3-12锻造比对力学性能的影响,力与流线方向垂直；使锻造流线的分布与零件的外形轮廓相符合，而不被切断。如图3-13所示的拖钩，如图3-14所示的齿轮。,1.2.4塑性成形基本规律,塑性成形规律：就是塑性成形时金属质点流动的规律，即在给定条件下，变形体内将出现什么样的位移速度场和位移场，以确定物体形状、尺寸的变化及应变场。从而为选择变形工步和设计成形模具奠定基础。,1.体积不变定律金属塑性变形前后体积不变，实际中略有缩小；可计算各工序尺寸。,2.最小阻力定律塑性变形时金属质点首先向阻力最小方向移动。一般金属某质点移动时阻力最小方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向，如图3-15，图3-16所示。,图3-13拖钩的纤维流线,图3-14不同成形工艺齿轮的流线分布,a)棒料经切削成形b)扁钢经切削成形c)棒料镦粗后切削成形d)热轧成形,图3-15不同截面的金属流动情况,a)圆形b)正方形c)长方形,图3-16金属镦粗变形,1.2.5金属的锻造性能,金属的锻造性能是用来衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度，是金属的工艺性能指标之一。常用金属的塑性和变形抗力两个因素来综合衡量。塑性越好，变形抗力越小，则锻造性能越好。影响金属锻造性能的因素有：金属的本质和金属的变形条件。,1.金属本质的影响1）金属的化学成分：化学成分不同，塑性不同，锻造性能不同。2）金属的组织状态：组织结构不同，锻造性能不同；单一固溶体组成的合金，塑性好，锻造性能好；铸态柱状组织和粗晶结构不如细小均匀的晶粒结构；金属内部有缺陷也不一样。,1）变形温度：温度升高，塑性上升，降低变形抗力，易于锻造；但温度过高也会产生相应的缺陷，如氧化，脱碳、过热和过烧等。故要严格控制锻造温度范围。锻造温度范围指始锻温度与终锻温度间的温度范围，以合金状态图为依据。对始锻温度，原则是在不出现过热和过烧的前提下，尽量提高始锻温度。碳钢的始锻温度为AE线下2000C。终锻温度即停止锻造的温度，对于锻件质量有很大影响，终锻温度太高，停锻后晶粒会重新长大，降低锻件力学性能；太低，再结晶困难，冷变形强化现象严重，变形抗力太大，甚至产生锻造裂纹，也易损坏设备和工具。碳钢在加热时奥氏体晶粒长大示意图如图3-17a所示，锻造温度见图3-17b。,2.金属的变形条件,图3-17a碳钢在加热时奥氏体的形成及晶粒长大示意图,图3-17b碳钢的锻造温度范围,2）变形速度：指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量。变形速度的影响较复杂：一方面变形速度增大，冷变形强化现象严重，变形抗力增大，锻造性能变坏；另一方面变形速度很大时产生的热能使金属温度升高，提高塑性，降低变形抗力，锻造性能变好。如图3-18所示。,3）变形时的应力状态：不同压力加工方法，金属内部的应力状态是不同的，如图3-19所示。在金属塑性变形时，压应力数目越多，其塑性变形越好，因为压应力使滑移面紧密结合，防止产生裂纹；拉应力则使塑性变形变差，因为它使缺陷扩大，使滑移面分离。但压应力时变形抗力增大。故必须综合考虑塑性和变形抗力。,图3-18变形速度对塑性及变形抗力的影响1变形抗力曲线2塑性变化曲线,图3-19不同变形方式时的应力状态,a)挤压b)拉拔c)自由锻,思考题：1.试述单晶体和多晶体塑性变形的实质。2.锻造流线的存在对金属力学性能有何影响？在零件设计中应注意哪些问题？3.试述金属的锻造性能及其影响因素。,第3节焊接成形基础,1.3.1熔焊的冶金过程,1.3.1.1焊接电弧,熔焊的焊接过程是利用热源先把工件局部加热到熔化状态，形成熔池，然后随着热源向前移动，熔池液体金属冷却结晶，形成焊缝。其焊接过程包括热过程、冶金过程和结晶过程。根据热源的不同可分为气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊等。以下以电弧焊为例来分析。,1.焊接电弧的产生焊接电弧是在焊条与工件之间产生的强烈、持久又稳定的气体放电现象。焊接引弧时，焊条和工件瞬间接,触形成短路，强大的电流产生强烈电阻热使接触点熔化甚至蒸发，当焊条提起时，在电场作用下，热的金属发射大量电子，电子碰撞气体使之电离，正、负离子和电子构成电弧。,2.焊接电弧的结构电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图4-1所示。1）阴极区：电子发射区，热量约占36%，平均温度2400K；2）阳极区：受电子轰击区域，热量约占43%，平均温度2600K；3）弧柱区：阴、阳两极间区域，几乎等于电弧长度，热量21%，弧柱中心温度可达60008000K。,图4-1电弧的结构示意图,1.3.1.2焊接的冶金过程,焊接的冶金过程如图4-2所示,母材、焊条受电弧高温作用熔化形成金属熔池，将进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化等物理、化学过程。金属与氧的作用对焊接质量影响最大，氧与多种金属发生氧化反应：,图4-2焊条电弧焊过程,能溶解在液态金属中的氧化物（如氧化亚铁），冷凝时因溶解度下降而析出，严重影响焊缝质量，如图4-3所示；而大部分氧化物（如硅、锰化合物）不溶于液态金属，可随渣浮出，净化熔池，提高焊缝质量。氢易溶入熔池，在焊缝中形成气孔，或聚集在焊缝缺陷处造成氢脆。其次空气中的氮气在高温时大量溶于液体金属，冷却结晶时，氮溶解度下降，如图4-4所示；析出的氮在焊缝中形成气孔，部分还以针状氮化物（Fe4N）形式析出；焊缝中含氮量提高，使焊缝的强度和硬度增加，塑性和韧性剧烈下降。,图4-3氧（氧化亚铁）对低碳钢力学性能的影响,图4-4氢、氮在铁中的溶解度与温度的关系,焊缝的冶金过程与一般冶金过程比较，具有以下特点：1）金属熔池体积小，熔池处于液态时间短，冶金反应不充分；2）熔池温度高，使金属元素强烈的烧损和蒸发，冷却速度快，易产生应力和变形，甚至开裂。,为保证焊缝质量，可从两方面采取措施：1）减少有害元素进入熔池，主要采用机械保护，如焊条药皮、埋弧焊焊剂和气体保护焊的保护气体（CO2，氩气等）。2）清除已进入熔池的有害元素，增加合金元素。如焊条药皮里加合金元素进行脱氧、去氢、去硫、渗合金等。,1.3.1.3焊接热循环,焊接热循环：在焊接加热和冷却过程中，焊接接头上某点的温度随时间变化的过程如图4-5所示。不同点，其热循环不同，即最高加热温度、加热速度和冷却速度均不同。对焊接质量起重要影响的参数有：最高加热温度、在过热温度11000C以上停留时间和冷却速度等。其特点是加热和冷却速度都很快。对易淬火钢，焊后发生空冷淬火，对其他材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。,图4-5焊接热循环曲线,以低碳钢为例，说明焊接过程造成金属组织和性能的变化。如图4-6所示。受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织或性能发生变化的区域，叫焊接热影响区。熔焊焊缝和母材的交界线叫熔合线。熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区。焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成。,图4-6低碳钢焊接接头的组织变化,1.3.1.4焊接接头组织与性能,1.焊缝区焊接热源向前移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶，结晶从熔池底部未熔化的半个晶粒开始，垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状树枝晶，如图4-7所示；结晶过程中将在最,图4-7焊缝的柱状树枝晶,后结晶部位产生成分偏析。同时焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。但由于熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，并含有一定合金元素，故可使焊缝金属的力学性能不低于母材。,2.熔合区化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织，使强度下降，塑性、韧性极差，易产生裂纹和脆性破坏，其性能是焊接接头中最差的。,3.热影响区热影响区各点的最高加热温度不同，其组织变化也不相同。如图4-6所示，热影响区可分为过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。,1）过热区：最高加热温度在11000C以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织。塑性和韧性明显下降，是热影响区中力学性能最差的部位。2）正火区：最高加热温度在Ac3至11000C的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，力学性能较好。3）部分相变区：最高加热温度在Ac1至Ac3的区域，只有部分组织发生相变，晶粒不均匀，性能较差。,图4-6低碳钢焊接接头的组织变化,低碳钢焊接接头的性能变化如图4-8所示，熔合区和过热区性能最差，热影响区越小越好，其影响因素有焊接方法、焊接规范、接头形式等。4.影响焊接接头性能的因素焊接接头的力学性能决定于它的化学成分和组织。具体有：,1）焊接材料、焊丝和焊剂都要影响焊缝的化学成分。2）焊接方法，一方面影响组织粗细，一方面影响有害杂质含量。,图4-8低碳钢焊接接头的性能分布,3）焊接工艺。焊接时，为保证焊接质量而选定的诸物理量（如焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等）的总称，叫焊接工艺参数。线能量:指熔焊时，焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量。显然焊接工艺参数，影响焊接接头输入能量的大小，影响焊接热循环，从而影响热影响区的大小和接头组织粗细。4）焊后热处理：如正火，能细化接头组织，改善性能。5）接头形式、工件厚度、施焊环境温度和预热等均会影响焊后冷却速度，从而影响接头的组织和性能。,1.3.2金属的焊接性能,1.金属焊接性的概念焊接性是金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。1工艺焊接性即在一定焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性；2使用焊接性即焊接接头对使用要求的适应性，包括焊接接头的力学及其他特殊性能。焊接性能随焊接方法、焊接材料和焊接工艺而变，不同条件下焊接性能有很大差别。如钛的手工电弧焊接性极差，但氩弧焊则好。,2.金属焊接性的间接评价方法碳当量法：在粗略估计碳钢和低合金结构钢的焊接性能时，把钢中的合金元素（包括碳）的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的相当含量，其总和叫碳当量。其计算公式如下：,碳当量越高，焊接性越差。一般当CE0.6%时，冷裂倾向严重，焊接性差，需采用较高的预热温度和其他严格的工艺措施。值得注意的是，钢材的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度的影响，故应根据具体情况进行抗裂试验及使用焊接性试验。,1.3.3焊接应力和变形,1.焊接应力与变形产生的原因焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。图4-9是低碳钢平板对接焊时产生应力和变形的示意图。平板焊接时，要产生热胀冷缩。加热时，如自由膨胀则如图4-9a中虚线所示，但由于受到阻碍，产生同样伸长，故高温处产生压应力，低温处产生拉应力，两者平衡。冷却后，由于冷却速度不同，高温处冷却慢，收缩大。同样最后在高温处产生拉应力，低温处产生压应力。,一般情况下，焊件塑性好，结构刚度小时，焊件收缩容易，焊件变形大，焊接应力小；反之焊接变形小，焊接应力大。焊接变形的基本形式如表4-1所示。,2.焊接应力与变形的危害焊接应力：1）增加结构工作时的应力，降低承载能力；2）引起焊接裂纹，甚至脆断；3）促使产生应力腐蚀裂纹；4）残余应力衰减会产生变形，引起形状、尺寸不稳定。,焊接变形：1）使工件形状尺寸不合要求；2）影响组装质量；3）矫正焊接变形很费工时，增加成本，降低接头塑性；4）使结构形状发生变化，并产生附加应力，降低承载能力。,3.焊接应力和变形的防止焊接应力的防止及消除措施：1）结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可能小；2）采取合理的焊接顺序，使焊缝较自由的收缩，如图4-10所示；,3）焊缝仍处在较高温度时，锤击或辗压焊缝使金属伸长，减少残余应力；4）采用小线能量焊接，多层焊，减少残余应力；5）焊前预热可减少工件温差，减少残余应力；6）焊后进行去应力退火，消除焊接残余应力。,焊接变形的防止和消除措施：1）结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可能小，与防止应力一样也是减少变形的有效措施；2）焊前组装时，采用反变形法，如图4-11，图4-12所示；3）刚性固定法，但会产生较大的残余应力，如图4-13所示；4）采用合理的焊接规范；5）选用合理的焊接顺序，如图4-10的对称焊，图4-14的分段退焊。6）采用机械或火焰矫正法来减少变形。如图4-15，图4-16所示。,思考题1.焊接接头包括哪几部分？低碳钢焊接接头各部分的性能如何？2.解释下列名词：焊接热循环、金属的焊接性、碳当量。3.焊接应力和变形有哪些危害，产生原因是什么？,返回文档,图4-