材料成型期末复习内容_图文

1、材料成形技术基础考试题型考试题型分成4部分:一、判定题二、选择题三、填空题四、综合题(包括问答题和计算题等举例如下:一、判断题1.缩孔和缩松都是铸件的缺陷,在生产中消除缩孔要比消除缩松容易。2.铸件铸造后产生弯曲变形,其原因是铸件的壁厚不均匀,铸件在整个收缩过程中,铸件各部分冷却速度不一致,收缩不一致,形成较大的热应力所至。3.影响铸件凝固方式的主要因素是合金的化学成分和铸件的冷却速度。4.铸造应力包括热应力和机械应力,铸造应力使铸件厚壁或心部受拉应力,薄壁或表层受压应力。铸件壁厚差越大,铸造应力也越大。5.熔化焊、压力焊、钎焊过程中,一般均需对接头进行加热,并且均需对被焊接头提供有效地保护,

2、以防空气的有害作用。二、选择题1.压力加工的操作工序中,工序名称比较多,属于自由锻工序的是(,属于板料冲压工序的是(。A.镦粗、拔长、冲孔、弯曲;B. 拉深、弯曲、冲孔、翻边;C.镦粗、拔长、冲孔、轧制;D.拔长、镦粗、挤压、翻边。2.焊接过程中,热量传递分成三种方式,母材和焊条以(热传导为主。A.传导;B.对流;C.辐射。3.如图4所示应力框铸件,在室温下,各杆 的应力状态为(。若用钢锯沿A-A线将30杆锯断,此时断口间隙将(。A、30杆受压、10受拉;B、30杆受拉、10杆受压。C、增大;D、减小;E、缩短;F、不变;G、消失;H、伸长;三、填空题1.影响合金充型能力的主要因素有(和(、(

3、。2.顺序凝固通过安放冒口和冷铁来实现。冒口的作用是(,冷铁的作用是(。3.焊接方法按其特点可分为(类。4.手工电弧时,焊条钢芯起到的作用是(和(。四、综合题1.计算图中1、2、3、4、5的新增表面能? 第一章:材料成形技术基础是材料加工工程、材料学和材料物理与化学相关的一门科学,又有个性特色的综合学科。它包括铸造、焊接和塑性变形及表面工程等书的综合体。一.机器制造的一般过程(齿轮为例一按材料成形类型分四种加工方法: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

4、、表面镀层、气相沉积镀膜;4.热处理加工:退、正、淬、回火;什么是凝固成形、塑性成形、焊接成形? 知道什么是材料基本加工要素及流程三个基本要素:材料、能量、信息三大流程:1.材料流程每一种类型的材料流程中,用来产生形状和性能变化的的过程,叫基本过程。材料加工过程一般包含三个阶段:第一阶段:材料形状、尺寸或性能的变化,指加热、熔化和下料等;第二阶段:生产所需形状和尺寸的过程;第三阶段:最后过程,如装配等完成上述过程通常需要,机械过程、热过程和化学过程。2.能量流程包括机械过程的能量流程(通过介质向材料或工件提供能量和热过程的能量流程(通常由电能、化学能或机械能转化而得。包括传递介质与加工材料之间

5、的相对运动;作用在加工材料上的压力差;直接产生加工材料中的质量力。包括电能转化为热能;化学能通过燃烧产生热能;以机械能为基础的热源(摩擦焊3.信息流程形状信息:通过刀具或模具将加工的信息和形状施加到材料上;性能信息:加工过程后最终的结果,如材料性能变化。1. 凝固成形的基本问题和发展概况基本问题:充填、凝固两个基本过程是液态金属质量不变过程,在重力作用下的充填铸形和冷却凝固两个基本过程。充填是一种机械过程,而凝固是热过程。热量传递的方式有传导、对流和辐射三种方法。结果是从微观上看,组织结构的变化,宏观上看,从液态到固态的变化。凝固时要考虑的问题:凝固组织的形成和控制;(晶粒大小、方向和形态;控

6、制组织的方法有:孕育、半固态、定向固态、快速凝固等。铸造缺陷的防止和控制;(缩孔、缩松铸件尺寸精度与表面粗糙度控制等;2. 塑性成形的基本问题基本问题:材料的塑性是塑性成形的前提条件;塑性成形需要能量;加工材料受外力作用发生塑性流动时、位移和应力变化;形状信息的准确输入等;3焊接成形的基本问题基本问题:焊接成形时利用各种形式的能量使被连接的表面产生原子(分子间的结合而成为一体的成形工艺。包含热过程、物理化学冶金过程、应力变形过程。三大类焊接方法:熔焊(表面熔化、固相焊(被焊表面不熔化、钎焊(被焊表面之间填加低熔点材料。能量的输入;清除表面污染;组织性能不均匀;残余应力及残余变形;焊缺陷及检测;

7、焊接结构的制造问题等;4.表面成形基本问题:不改变基体组织结构和成分、不降低基体的各种性能,通过表面涂层和表面改性技术或两种复合设计零件表面。表面涂层:材料表明与基体材料不同,涂层与基体的结合、涂层的材料及结构等;表面改性:材料表明与基体材料有一定联系,针对材料的服役条件及损伤机理并结合基体材料,设计合理的表面。组织结构;针对希望的表面组织及结构,研究活动这一表面材料的方法; 第二章材料凝固理论第一节材料凝固概述凝固是材料成形过程中的组织的一种化学物理现象;它涉及到多学科的知识,并处于当代材料的研究的前沿,各种复合材料、激光熔覆等材料;金属的熔化、浇注和凝固贯穿于加工、铸造和焊接过程中。凝固常

8、发生的5种变化时什么,有什么特点?什么是凝固潜热?液态与固态结构相似,液态金属由许多近程有序的“原子集团”组成,有大的能量起伏,激烈热运动和空穴,原子集团处于变化状态;固体则相反:称“远程有序”,不确定因素减少。研究晶体结构可能。体积缩小,凝固时产生缩孔、缩松等,凝固应力也引起变形和裂纹。自发过程的两个判据:判据一:Helmholtz(亥姆霍兹自由能最低原理,判据二:Gibbs (吉布斯自由能判据:熵是表示一个体系的紊乱程度,熵值越大,体系越紊乱。当材料发生液-固转变时,熵值将减小,说明固体比液体的结构更“整齐”。焓(H :体系等压过程中热量的变化-熵(S:热量和温度的比值,反映体系紊乱程度界

9、面的润湿性 =0:完全润湿;<90º:润湿>90º不润湿;=180º:完全不润湿第三节形核凝固过程分成两大类:,1、非晶态:没有固定温度,凝固后形成的固体;2、晶体:有固定的凝固温度,凝固后形成的固体,其凝固过程经历形核和长大等过程。介稳定指的是系统远离平衡状态,但却能通过与外界进行物质和能量的交换而维持相对稳定的系统形核是晶体凝固的起始阶段,即固相核心的形成与晶核生长至液相耗尽为止。1.自发形核(均匀形核:新相晶核是在母相中均匀地生成的,即晶核由液相中的一些原子团直接形成,不受杂质粒子或外表面的影响;2.非自发形核(非均匀(异质形核:新相优先在母相中

10、存在的异质处形核,即依附于液相中的杂质或外来表面形核。形核剂应具备的条件:计算1、2、3、4、5的界面自由能? 222451a a a G i =-=:位置2222242a a a G i =-=:位置033322=-=a a G i :位置2222424a a a G i -=-=:位置222455a a a G i -=-=:位置 与动力学过冷度的关系不同生长方式生长速率三、生长速度旋转晶界孪晶沟槽螺型位错晶体中的缺陷二维晶核台阶侧向生长-光滑界面连续生长-粗糙界面:晶体的生长方式旋转晶界孪晶沟槽螺型位错晶体中的缺陷二维晶核台阶侧向生长-光滑界面连续生长-粗糙界面旋转晶界孪晶沟槽螺型位错晶

11、体中的缺陷二维晶核台阶侧向生长-光滑界面连续生长-粗糙界面旋转晶界孪晶沟槽螺型位错晶体中的缺陷二维晶核台阶长-光滑界面长-粗糙界面 掌握金属凝固时的溶质分配规律,是控制凝固偏析的基础, 单相合金:只析出一种固相多相合金:析出多种固相合金的凝固是在两相共的温度区间内完成的,随温度下降,固相成分沿固相变化,液相成分沿液相变化,因此凝固过程必须有传质过程发生,由于各组元中不同的化学位不同,固液界面两侧都将不断发生再分配现象。六、宏观偏析宏观偏析通常指整个铸锭或铸件在大于晶粒尺度的大范围内产生的成分不均匀的现象1、正常偏析:对于<1的合金,先凝固区域的溶质含量低于后凝固区域,与正常溶质再分配规律

12、一致。2、逆偏析:对于>1的合金,外层的一定范围内溶质含量分布由外向内逐渐降低3、密度偏析:由于重力作用产生的化学成分不均匀的现象。k 0k 0k金属或合金在铸型中凝固时,可以分为液相区、固液两相区和固相区。 金属或合金凝固分区示意图2、收缩控制:铸件在冷却过程中体积缩小的现象叫收缩。收缩可分成三个阶段:液态收缩、凝固收缩、固态收缩。液态收缩:从浇注温度降低到凝固开始的温度时,发生的体积收缩;凝固收缩:合金再凝固阶段的体积收缩;固态收缩:固态合金因温度降低发生的体积收缩。液态收缩、凝固收缩是引起缩孔、缩松的主要原因,而固态收缩是产生铸造应力、变形和裂纹的主要原因。第八节凝固成形的应用一、

13、铸造生产过程中的凝固控制1、充型能力控制充型能力:液态金属充满型腔,获得形完整、轮廓清晰铸件的能力。影响因素:金属金属性质方面、铸型性质方面、浇铸条件方面和铸件结构方面。铸件凝固后,由于合金的收缩,在最后凝固部位会出现孔洞。体积大而集中的孔洞称为缩孔;细小而分散的空洞称为缩松。铸件的缩松:缩松是铸件以糊状凝固方式凝固时,最后凝固的区域没能得到液态合金的补充造成的分散、细小的显微缩孔根据分布形态,缩松分为宏观缩松和微观缩松两类宏观缩松:指用肉眼或放大镜可以看到的细小孔洞,通常出现在缩孔的下方微缩缩松:是指分布在枝晶间的微小孔洞,在显微镜下才能看到。缩孔、缩松的存在都会使铸件受力的有效截面积减小,

14、使铸件强度降低。在生产中应尽量防止或减少缩孔、缩松。可以利用冒口、冷铁和补贴等工艺措施,并结合运用顺序凝固或同时凝固的工艺原则来实现。铸件在冷却过程中体积缩小的现象叫收缩。收缩可分成三个阶段:液态收缩、凝固收缩、固态收缩。液态收缩:从浇注温度降低到凝固开始的温度时,发生的体积收缩;凝固收缩:合金再凝固阶段的体积收缩;固态收缩:固态合金因温度降低发生的体积收缩。液态收缩、凝固收缩是引起缩孔、缩松的主要原因,而固态收缩是产生铸造应力、变形和裂纹的主要原因。按应力形成原因分类:热应力铸件在冷却过程中,由于各部分冷却速度不一致,造成收缩量不一致,彼此制约的结果,所形成的应力;相变应力铸件冷却过程中发生

15、固态相变的时间不一致,体积和长度变化的时间也不一致,彼此制约,形成的应力;机械应力铸件冷却收缩过程中,线收缩受到机械阻碍而产生的应力。 框形铸件热应力形成过程第一阶段(01:在高于弹塑性转变阶段,两杆均处于塑性状态,瞬时的应力均可通过塑性变形释放;第二阶段(12:冷却较快的杆II已进入弹性状态,而粗杆I仍处于塑性状态,所以杆II收缩大于杆I,细杆II受拉伸,粗杆I受压缩,形成临时内应力;第三阶段(23:粗杆I温度较高,还会有较大的收缩,细杆II温度较低,收缩较小,所以粗杆I的收缩会受到杆II的强烈阻碍,杆II受压缩,杆I受拉伸,直到室温,形成残余应力。由于等轴晶性能均匀稳定,没有方向性,故其是

16、生产中优先选择的宏观组织形态。工艺上常采取的工艺措施有以下4条:(1适当降低浇注温度;(2合理运用铸型的激冷作用;(3孕育处理;(4动态晶粒细化。工程陶瓷中的玻璃相为什么大多以非晶态的形式出现?硅酸盐熔体不容易形成晶体,而多以非晶态形式出现。由于熔体中存在各种聚合硅氧四面体,进一步连接成更大型的结构,因硅氧结合键能大,打开结合键需很高的能量,使硅酸盐熔体的结构重建比金属熔体困难,即形核需越过的势垒高(比金属形成晶体需要一定的条件,即需要创造非均匀形核的条件。另一个原因是:硅酸盐熔体有巨大的溶解能力,几乎把所有外来的形核质点都溶解在本体中,故非自发形核非常困难,因此硅酸盐熔体易形成非晶态。焊接熔

17、池特征:体积小,冷却速度快(30cm3,100g,4-100/s过热温度高(熔池1770±100 ,熔滴2300±200 动态下凝固(形成焊缝对流强烈( 焊接熔池凝固及焊缝的形成焊接过程中改善凝固组织,防止粗晶产生的主要措施:1变质处理2振动结晶3优化焊接工艺参数第三章材料成形热过程一焊接热过程的基本特点焊接分类:根据热源的性质、形成接头的状态及是否采用加压来划分。1、熔化焊熔化焊是将焊件接头加热至熔化状态,不加压力完成焊接的方法。它包括气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊、堆焊和铝热焊等。2、压焊压焊是通过对焊件施加压力(加热或不加热来完成焊接的方法。它包括

18、爆炸焊、冷压焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、高频焊和电阻焊等。3、钎焊钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料,在加热温度高于钎料低于母材熔点的情况下,利用液态钎料润湿母材,填充接头间隙,并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。它包括硬钎焊、软钎焊等。焊接热过程对工件的质量的影响:影响焊接的物理化学冶金反应影响焊接接头的固体相变影响焊接接头的残余应力和变形影响焊接接头的质量、凝固成形过程和基本特点加热熔化和冷却凝固两个过程。即将金属材料加热熔化到液态,然后浇注到相应的铸形空腔中,冷却、凝固成毛坯或零件。铸铁加工方法:冲天炉或三节炉加热熔化。铸钢或非铁合金:电弧炉或感应电炉加热熔化。三、塑性成形热过程的

19、基本特点1.钢在加热时热扩散性能的变化,热扩散是指金属材料在加热过程中温度在金属内部的传播能力。材料的热扩散性好,即表明加热时温度在金属内部传播的速度快,因而在材料断面上的温差就小,由此产生的温度应力就小;同时,由于加热时,温度均匀化的速度快,因而可以采用快速加热的方法提高生产率。三、塑性成形热过程的基本特点2、塑性成形热过程的氧化和脱碳1.氧化:钢材在高温下,其表层金属与炉气中的氧化性气体发生氧化性能反应,钢材表层被氧化二产生氧化皮的过程。氧化危害大(钢材烧损、锻件表面质量和模具寿命降低、炉底腐蚀损坏等三、塑性成形热过程的基本特点2、塑性成形热过程的氧 化和脱碳1.氧化铁皮形成过程:影响氧化

20、的因素:1、炉气性质:燃烧时空气的供给量,多氧化;少氧化少2、加热温度:温度低于570-600,几乎不氧化,900-950,急剧氧化;3、加热时间:时间越长,氧化越严重;4、钢的化学成分:钢种碳增加,形成CO,消弱氧化扩散过程;Cr、Ni、Al、Mo等合金元素形成致密的氧化薄膜,阻止氧化。防止氧化的措施:1、控制炉气性质:减少空气过剩;2、快速加热:缩短高温停留时间;3、介质保护加热:钢表面与氧化气隔离。影响脱碳的因素:1、炉气性质2、加热温度3、加热时间4、钢的化学成分防止脱碳的措施:1、控制炉气性质:减少空气过剩;2、快速加热:缩短高温停留时间;3、介质保护加热:钢表面与氧化气隔离。电弧热

21、消耗分三部分:1、被金属吸收,加热熔化母材;2、焊接材料吸收,加热熔化焊接材料;3、被母材以热传导形式形成热影响区。温度场:加热或冷却过程中某一瞬时的温度分布。可通过实测或数值模拟得到。 一、焊接温度场定义:所谓焊接温度场是指在焊接集中热源的作用下,被焊工件上(包括内部各点在某一瞬时的温度分布。四、影响焊接热循环的的因素1、焊件尺寸形状的影响2、接头形式的影响3、焊接长度的影响4、焊接热输入的影响5、预热温度的影响6、焊接时冷却条件的影响对于热塑性加工(热锻、热轧、热挤压等成形之前加热是必须的过程。加热过程的变化过程:1、组织结构的变化:2、力学性能变化:3、物理性能变化:4、化学性能变化:固

22、体金属材料的加热过程,主要是热源通过对流和辐射的形式对金属加热,在金属内部主要通过热传导的形式传递热量,使金属材料的温度逐步均匀化。五、焊接化学冶金过程(一焊接化学冶金的特点1、焊接时金属的保护2、焊接化学冶金反应区(二气体与金属的作用1、氮对金属的作用2、氢对金属的作用3、氧对金属的作用(三熔渣与金属的相互作用1、焊接熔渣的作用2、焊接金属的氧化脱氧3、焊缝金属的脱硫、脱磷(一焊接化学冶金的特点1、焊接时金属的保护埋弧焊、气体保护焊、真空电子束焊焊条药皮和焊丝药芯一般含造渣剂和造气剂等,这些物质熔化后,形成熔渣,覆盖在熔滴和熔池表面隔开空气。熔渣凝固后,焊缝上形成渣壳,防止处于高温的焊缝与空

23、气接触。造气剂受热分解,析出气体,并且受热膨胀,形成气流吹向熔池,将焊区与空气隔开。(二气体与金属的作用很多气体,其中氮、氢、氧影响大1、氮对金属的作用氮在高温时2200,在液体铁中溶解度最大,2750 为零,凝固时,降25%氮对焊接质量的影响:在碳钢焊缝中氮是有害的杂质,是促使焊缝产生气孔的主要原因之一。氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素。氮是促进焊缝金属时效脆化的元素。使强度上升,塑性和韧性下降。控制焊缝含氮量的主要措施:a、控制氮的主要措施是加强保护,防止空气与金属作用;b、选用合适的参数:采用短弧焊(即减小电弧电压、增大焊接电流、采用直流反接均可降低焊缝含氮量;

24、c、增加有效元素:在药皮中加入造气剂(如碳酸盐、有机物等,形成气渣联合保护,可使焊缝含氮量下降到0.02%以下;增加焊丝或药皮中的含碳量,可降低焊缝中的含氮量。(二气体与金属的作用2、氢对金属的作用氢主要来源于焊条药皮、焊剂中的水分、药皮中的有机物,焊件和焊丝表面上的污物(铁锈、油污和空气中的水分等。1、氢在金属中的溶解2、氢对焊接质量的影响氢使焊缝金属的塑性性严重下降,促使在焊接接头中产生气孔和延时裂纹,并且还会在拉伸试样的断面上形成白点,归纳如下:a 氢脆;b 白点;c 形成气孔;d 产生冷裂纹。3 、控制氢的措施:a限制焊接材料的含氢量;b清除焊丝和焊件表面的杂质;c 冶金处理;d控制焊

25、接参数;e焊后脱氢处理。(二气体与金属的作用3、氧对金属的作用氧对焊接质量的影响:氧在焊缝中无论以何种形式存在,对焊缝的性能都有很大影响。随着含氧量的增加,焊缝强度、塑性、韧性都有明显下降,尤其是低温冲击韧度急剧下降。此外,它还一起热脆、冷脆和时效硬化。另外,氧烧损钢中的有益元素使焊缝性能变化。熔滴中含氧和碳多时,它们相互作用生成CO受热膨胀,使熔滴爆炸,造成飞溅,影响焊接过程的稳定性。减少焊缝含氧量的措施:1纯化焊接材料,在焊接某些要求比较高的合金钢、合金和活性金属时,应尽量用不含氧或氧少的焊接材料。2控制焊接工艺参数,为了减少焊缝含氧量,应采用短弧焊。3脱氧:用控制焊接工艺参数的方法减少焊

26、缝含氧量是受限制的,所以必须用冶金的方法进行脱氧,比如硅锰联合脱氧。(三熔渣与金属的相互作用2、焊接金属的氧化脱氧(焊接时脱氧方式有哪些答:氧对焊接质量的影响:氧在焊缝中无论以何种形式存在,对焊缝的性能都有很大影响。随着含氧量的增加,焊缝强度、塑性、韧性都有明显下降,尤其是低温冲击韧度急剧下降。此外,它还一起热脆、冷脆和时效硬化。另外,氧烧损钢中的有益元素使焊缝性能变化。熔滴中含氧和碳多时,它们相互作用生成CO受热膨胀,使熔滴爆炸,造成飞溅,影响焊接过程的稳定性。减少焊缝含氧量的措施:1纯化焊接材料,在焊接某些要求比较高的合金钢、合金和活性金属时,应尽量用不含氧或氧少的焊接材料。2控制焊接工艺

27、参数,为了减少焊缝含氧量,应采用短弧焊。3脱氧:用控制焊接工艺参数的方法减少焊缝含氧量是受限制的,所以必须用冶金的方法进行脱氧,比如硅锰联合脱氧。(三熔渣与金属的相互作用3、焊缝金属的脱硫、脱磷(问题10,为什么要对焊缝金属进行脱硫、脱磷处理?具体方法硫和磷是焊缝中的有害物质,会引起钢的热脆(硫和冷脆(磷,降低冲击韧性。焊缝中的硫(母材、焊丝和药皮脱硫:常用Mn、碱性氧化物MnO、CaO:FeS+Mn=MnS+FeFeS+MnO=MnS+FeOFeS+CaO=CaS+FeO 酸性渣比碱性渣脱硫能力差;磷在液态金属中以Fe2P和P2O5形式存在,脱磷:将磷先氧化成P2O5,第二步与碱性氧化物Ca

28、O或CaF反应生成复合物进入熔渣。目前多采用限制母材、焊丝和药皮中的硫和磷含量。电弧热消耗分三部分:1、被金属吸收,加热熔化母材;2、焊接材料吸收,加热熔化焊接材料;3、被母材以热传导形式形成热影响区锻造前的加热:加热方法:1、火焰加热2、电加热:包括1、感应电加热;2、接触电加热;3、电阻炉加热;4、盐浴炉加热;什么事温度场:加热或冷却过程中某一瞬时的温度分布。可通过实测或数值模拟得到。第四章塑性成形:(也称塑性加工或压力加工是利用金属的塑性,在外力作用下,使金属发生塑性变形,从而获得所需形状和性能的工件的一种加工方法。塑性成形按受力和变形分类(2类:体积成形:锻造、轧制、挤压和拉拔等;板料

29、成形:冲裁、弯曲、拉伸和成形;塑性成形按加工温度分类(2类:热成形:冷成形:冷塑性变形机理:包括晶粒内部变形(晶内变形和晶界变形(晶间变形两种机理。(一晶内变形:晶内变形的主要方式是滑移(为主和孪生(次要;滑移所需临界切应力小于孪生所需临界切应力,故多晶体塑性变形的主要方式是滑移变形。对于密排六方金属,孪生变形起着重要作用。滑移:在力的作用下,晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面和晶向(滑移方向相对于晶体的另一部分发生相对移动。产生宏观塑性变形。孪生:在切应力作用下,晶体的一部分沿一定的晶面(孪生面和晶向(孪生方向发生均匀切变。产生宏观塑性变形。 图晶体滑移时的应力分析一金属冷态下的塑性变形晶体滑

30、移时的应力分析如图所示,横截面积为A 的单晶试棒,在拉力F作用下产生变形。现于单晶体中任取一个法线为N 的滑移面,如图所示的滑移方向,滑移方向与法线的夹角为,滑移面法线与拉伸轴的夹为,力在滑移方向上的分力为F =F·cos ,继而可求出滑移方向上的分切应力式中cos ·cos 称取向因子,记作:=cos ·cos 。=90º,即当=45º时,max =l/2,滑移处于最有利的取向,也称软取向。而当=00、900时,=0 ,称为硬取向。孪生: 孪生是指在切应力作用下,晶体的一部分沿着一定的晶面(孪生面和一定的晶向(孪生方向 发生的均匀切变。孪生是

31、塑性变形的另一种重要形式,它常作为滑移不易进行时的补充。这样的切变并未使晶体的点阵类型发生变化,但它却使均匀切变区中的晶体取向发生变更,变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向。变形与未变形两部分晶体合称为孪晶;均匀切变区与未切变区的分界面(即两者的镜面对称面称为孪晶界;发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面(即(111面;孪生面的移动方向(即 方向称为孪生方向。孪生的特点:(1孪生变形也是在切应力作用下发生的,并通常出现于滑移受阻而引起的应力集中区,因此,孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多。(2孪生是一种均匀切变,即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定的距离,且每一

32、层原子相对于孪生面的切变量跟它与孪生面的距离成正比。(3孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。二晶间变形:晶间变形主要是晶粒之间相互滑动和转动。(晶界间的切应力大到可以克服晶粒之间的滑动阻力时,发生滑动;晶粒所处位向不同,相邻晶粒间有相互作用,产生力偶,使晶粒转动。塑性变形主要是晶内变形,晶间变形时次要的。2、热塑性变形机理(1晶内滑移:高温时原子间距加大,热振动和扩散速度增加,位错滑移、攀移、交滑移及节点脱锚比低温容易;滑移系增多,滑移灵便性提高,各晶粒之间变形更加协调;晶界对位错运动阻碍作用减弱。因此,其主要机理仍然是晶内滑移。晶内滑移:晶内孪生:晶界滑移:扩散蠕变:变形机理主要有:点的

33、应力状态不同于物理量的标量和矢量,它需要用过该点的三个互相垂直截面上的三个应力矢量才能完整地确定。这样的物理量又称为二阶张量。因此点的应力状态是二阶张量。 应力分量符号带有两个下角标,第一个下角标表示该应力分量作用面的法线方向,第二个下角标表示它的作用方向。两个下角标相同的是正应力分量,例如xx 即表示x 面上平行于x 轴的正应力分量,简写为x ;两个下角标不同的是剪应力分量,例如xy 即表示x 面上平行于y 轴的剪应力分量。问题:最大剪应力面上是否存在正应力?若存在其值为何?这个正应力会为零吗? 主平面上只有法向应力即主应力,而无剪应力;而主剪应力平面上既有剪应力又有正应力。主剪应力平面上的

34、正应力为:孪生的特点:(1孪生变形也是在切应力作用下发生的,并通常出现于滑移受阻而引起的应力集中区,因此,孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多。(2孪生是一种均匀切变,即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定的距离,且每一层原子相对于孪生面的切变量跟它与孪生面的距离成正比。(3孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。二晶间变形:晶间变形主要是晶粒之间相互滑动和转动。(晶界间的切应力大到可以克服晶粒之间的滑动阻力时,发生滑动;晶粒所处位向不同,相邻晶粒间有相互作用,产生力偶,使晶粒转动。塑性变形主要是晶内变形,晶间变形时次要的。冷塑性变形的特点:1、各晶粒变形的

35、不同时性;2、各晶粒变形的相互协调性;3、晶粒与晶粒之间和晶核内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性。热塑性变形对金属组织和性能的影响1对组织的影响(1改善晶粒组织,细化晶粒对于铸态金属,粗大的树枝状晶经塑性变形及再结晶而变成等轴(细晶粒组织;对于经轧制、锻造或挤压的钢坯或型材,在以后的热加工中通过塑性变形与再结晶,其晶粒组织一般也可得到改善。(2锻合内部缺陷铸态金属中疏松、空隙和微裂纹等缺陷被压实,提高金属致密度。锻合经历两个阶段:缺陷区发生塑性变形,使空隙两壁闭合;在压应力作用下,加上高温,使金属焊合成一体。没有足够大的变形,不能实现空隙闭合,很难达到宏观缺陷焊合。足够大三向压应力,能实现微

36、观缺陷锻合。3形成纤维组织在热变形过程中,随变形程度增加,钢锭内粗大树枝晶沿主变形方向伸长,与此同时,晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也逐渐与主变形方向一致,形成流线。由于再结晶的结果,被拉长的晶粒变成细小的等轴晶,而流线却很稳定地保留下来直至室温。4破碎改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布高速钢、高铬钢、高碳工具钢等,其内部含有大量的碳化物。通过锻造或轧制,可使这些碳化物被打碎、并均匀分布,从而改善了它们对金属基体的削弱作用。热塑性变形对性能的影响细化晶粒、锻合内部缺陷、破碎并改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布可提高材料的强度、硬度、塑性和韧性。纤维组织形成,使金属力学性能呈各向异性,沿流线方向

37、比垂直流线方向具有较高的力学性能,其中尤以塑性、韧性指标最为显著。 (1拉应力会促使晶间变形,加速晶界破坏,压应力阻止或减少晶间变形;三向等压作用的增强,晶间变形愈加困难。(2三向等压作用有利于塑性变形过程中形成的各种损伤的愈合;而拉应力则相反,会促使损伤的发展。(3三向等压作用能抑制材料中原先存在的各种缺陷的发展,部分或全部地消除其危害。(4三向等压作用可抵消不均匀变形所引起的附加拉应力,从而有利于防止裂纹的产生。应力状态对材料塑性的影响原因:(1拉应力会促使晶间变形,加速晶界破坏,压应力阻止或减少晶间变形;三向等压作用的增强,晶间变形愈加困难。(2三向等压作用有利于塑性变形过程中形成的各种

38、损伤的愈合;而拉应力则相反,会促使损伤的发展。(3三向等压作用能抑制材料中原先存在的各种缺陷的发展,部分或全部地消除其危害。(4三向等压作用可抵消不均匀变形所引起的附加拉应力,从而有利于防止裂纹的产生。第五章凝固成形通常称之为铸造,即将金属材料熔化成液态后浇注入与拟成形的零件形状及尺寸相适应的模型空腔中,带液态金属冷却凝固后,获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或毛坯的成形方法。铸造的主要特点:优点:投资小、生产周期短、技术过程灵活性大、能制造形状复杂的零件。缺点:铸件内部组织疏松、晶粒粗大,易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷;铸件外部易产生粘砂、夹砂、砂眼等。由此,与同样材料的锻件相比,铸件的力

39、学性能低,特别是冲击韧性。又由于铸造工序多,难以精确控制,使铸件品质不够稳定。凝固成形方法:根据铸形材料分:一次型:指铸型使用一次即毁坏的铸型(如砂型、陶瓷型永久型:指反复使用多次的铸型(如金属型根据金属液填充铸形分:重力铸造、低压铸造、压力铸造;根据特殊铸形分:连续铸造、离心铸造、实型铸造等;根据砂型铸形分:粘土砂、树脂砂、水玻璃砂等根据制造方法分:手工造型和机械化造型凝固成形的工艺性能是指凝固成形的制备过程,包括流动性、收缩性和铸造应力等。流动性定义:液态合金充满型腔,形成轮廓清晰,形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力。流动性好坏特点:决定是否能充满型腔,是否有利于气体和非金属夹杂物上浮和对

40、铸件进行补缩,是否能形成符合要求的优质铸件。不同的合金具有不同的流动性。要求在进行铸件设计和铸造工艺制定时,必须考虑合金流动性。那么,我们怎样衡量合金的流动性呢?影响液态金属流动性的主要因素1、液态金属的化学成分及结晶特点2、合金结晶潜热和晶粒形状合金结晶过程中放出的潜热越多,凝固中保持的时间越长,流动性能好;但结晶温度宽的合金,流动性越差,结晶潜热影响小。3、合金的物理性质合金密度、比热容大,热导率小流动性好(热量多,且热损失小;张力大,流动性差;粘度大流动性差;粘度与化学成分、温度和杂志有关。4、其它因素:铸形的储热系数、铸形温度、液态金属的浇注温度、浇注系统、型腔结构。 影响液态金属流动

41、性的主要因素?4点2、铸件的收缩性收缩:是在凝固和冷却过程中,体积和尺寸减小的现象。收缩的三个基本阶段:金属由浇注温度冷却到室温经历了液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个相互关联的收缩阶段,如下图所示。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。固态收缩对铸件的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。液态收缩:液态金属从浇注温度冷却到开始凝固温度时合金还处于液态。凝固收缩:有结晶范围的合金,温度由液态转化为固态时的收缩处于凝固阶段。固态收缩:合金凝固完成后,从固相线温度冷却到室温时的收缩。铸件在铸型中收缩时受到如下几种阻力:(1铸型表面的摩擦阻力(2热阻力(3机械

42、阻力铸件凝固后,由于合金的收缩,在最后凝固部位会出现孔洞。体积大而集中的孔洞称为缩孔;细小而分散的空洞称为缩松。缩孔和缩松对铸件将产生危害。1、利用冒口:将缩孔移至冒孔;而分散的缩松则狠难消除。3、合金的凝固温度,合金的凝固方式影响缩孔和缩松;4、冷却能力弱,固液界面梯度小,合金趋向于糊状凝固,易形成分散的缩松;5、铸形导热强,界面温度梯度大,倾向逐层凝固,易形成集中缩孔。影响收缩的因素1.化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸刚的收缩最大,灰铸铁最小。2. 浇注温度合金浇注温度越高,过热度越大,液体收缩越大。3. 铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时,因其形状、尺寸的不同

43、,各部分的冷却速度不同,导致收缩不一致,且互相阻碍,又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力,故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大,铸件的实际收缩率就越小。防止和减小铸造应力的措施合理设计铸件结构铸件的形状愈复杂,各部分壁厚相差愈大,冷却时温度愈不均匀,铸造应力愈大。因此,在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀。尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。采用同时凝固的工艺所谓同时凝固是指采取一些工艺措施,使铸件各部分温差很小,几乎同时进行凝固。因各部分温差小,不易产生热应力和热裂,铸件变形小。铸件因壁厚不均匀,或铸件中存在着较大的温差,在同一时间内铸件各部分收缩不同,先冷却的部位

44、阻碍了后冷却部位的收缩,在其内部产生了内应力。 +表示拉应力-表示压应力铸造应力: 致常用铸造方法:砂型铸造金属铸造压力铸造低压铸造离心铸造熔模铸造二、砂型铸造一种最基本的铸造方法,其工艺过程有制造模型和芯合、混砂、造型和造芯、烘干合箱、熔化几个步骤。1、工艺设计:确定铸造工艺方案:首要考虑:浇注位置的选择、铸型分型面的的选择还应注意:机械加工余量、拔模斜度、铸件收缩率、冒口位置及尺寸等等绘制铸造工艺图:(例如图2.浇注位置的选择原则1铸件的重要加工面应朝下因为铸件的上表面易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷,组织不如下表面致密。若难以朝下,则应尽力使其位于侧面。若重要加工面有数个,则将较大的平面朝下

45、。如车床,由于车床床身导轨面是关键表面,将导轨面朝下。2铸件的大平面应朝下型腔的上表面除了易产生气孔、夹渣等缺陷外,大平面还常产生夹砂缺陷,故对平板、圆盘类铸件,大平面应朝下。3为防止铸件薄壁部分产生浇不足或冷隔缺陷,应将面积较大的薄壁部分置于铸型下部,或使其处于垂直或倾斜位置。4对于容易产生缩孔的铸件,应使厚的部分放在分型面的上部或侧面厚处直接安放冒口,实现自下而上的顺序凝固。3.铸造分型面的选择原则在保证铸件质量的前提下,尽量简化工艺,节省人力物力。(1应便于起模,使造型工艺简化。如尽量使分型面平直、数量少,避免不必要的活块和型芯等。(2应尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱,以保证铸件精度,

46、虽分型面为曲面(挖砂或成型底板,但大部分轮廓位于一箱之中,尺寸精度较好。(3为便于造型、下芯、合箱和检验铸件壁厚,应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。但下箱型腔也不宜过深,尽量避免使用吊芯和大的吊砂。4. 造型和制芯准备型砂和芯砂由原砂、粘结剂、水及其它附加物混制分为:粘土砂、水玻璃砂、树脂砂5. 湿型粘土沙主要性能透气性、湿态强度、流动性、可塑性与韧性、发气量和有效煤粉含量。三金属型铸造将金属液浇注到金属铸型中,待其冷却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于金属型能反复使用很多次,又叫永久型铸造。怎样控制金属型铸件的生产工艺:1. 喷刷涂料:减缓冷凝速度,防止液体金属的冲刷,有排气和储气来防止金属表

47、面气孔产生。2.使金属型保持一定的工作温度:减缓铸形对金属的激冷作用,防止产生白口铁。另外合适的温度也能提供金属型寿命。3.控制合适的出型时间:尽快取出,收缩产生应力;4.防止铸铁件产生白口:导热率高、冷却速度快,易产生白口。(白口铸铁中的碳全部以渗透碳体(Fe3C形式存在,因断口呈亮白色。故称白口铸铁,由于有大量硬而脆的Fe3C,白口铸铁硬度高、脆性大四、压力铸造压力铸造是在专用设备压铸机上进行的一种铸造。即在高速(0.01-0.2s、高压(30-70MPa下将熔融的金属液压入金属铸型,使它在压力下凝固,获得铸件的方法。压铸是在压铸机上完成的,由压射机构和合型机构组成 铸造工艺流程:蜡模铸造

48、工艺流程:焙烧脱模蜡模制造结壳浇注 熔模铸造过程:制造蜡模(压型、压制蜡模、蜡模组装结壳(浸挂涂料、洒砂和硬化脱蜡和造型焙烧和浇注七、离心铸造离心铸造是将金属液浇入高速旋转(2501500r/min的铸型中,并在离心力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型可以是金属型,也可以是砂型。既适合制造中空铸件,如管、缸体等。也能用来生产成形铸件。定向凝固技术种类:1、发热剂法:原始方法,重复性差。见书2、功率降低法:3、高速凝固法:(形成柱状晶、形成致密的柱状晶、凝固效率高4、液态金属冷却法:(用液态金属代替水5、区域熔化液态金属冷却法:(在冷却条件下,采用局部加热凝固成形易形成诸多缺陷,因此要求采用先进

49、凝固成形方法本书介绍两种:定向凝固成形和半固态凝固成形一、定向凝固成形在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度,使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。采用定向凝固技术可获得生长方向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶体。定向凝固由于消除了横向晶界,从而提高了材料抗高温蠕变和疲劳的能力。定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。基本问题:凝固组织的形成和控制(热流控制是定向凝固的重要环节;铸造缺陷的防止和控制;铸件尺寸精度与表面粗糙度控制等;二、半固态凝固成形1、概念:就是在金属凝固过程中进行剧烈搅拌,或控制固-液态温度区间,得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定

50、固液混合浆料,这种半固态金属浆料具有好的流动性,通过普通加工方法可制成成品,采用这种非液态和非固体浆料加工成形的方法,称半固态凝固成形技术第三节凝固成形件的结构设计一.铸件工艺对铸件结构的要求1.铸件外形应便于取出;(1避免外部侧凹(见书175,5-41;(2分型面尽量平直(见书176,5-42;(3改进凸台、筋条结构(见书176,5-43.2.铸件内腔结构应使型芯数量少,并有利于型芯的固定、排气(见书176,5-44-5-46;3.铸件应有结构斜度(见书178,5-47二.凝固成形中的计算机数值模拟1.金属充型过程的数值模拟2.凝固过程数值模拟3.应力场数值模拟4.微观组织模拟第六章几种塑性

51、成形零部件冲裁包括弹性变形、塑性变形、断裂分离三个阶段。冲裁加工时,板料的主要变形区是以凸模与凹模刃口连线为中心的纺锤形区域。变形区的大小与材料特性、模具间隙和约束条件等因素有关。在纺锤形中央部分,变形以剪切为主;纺锤形外围及刃口附近,以镦粗、挤压和拉伸为主。(5冲裁件断面特征冲裁件断面由即圆角带a 、光亮带b 、断裂带c 与毛刺区d 四部分组成。圆角带是刃口附近板料弯曲和伸长变形的结果,是变形区对这部分坯料作用而产生的。光亮带是在侧压力作用下板料相对滑移的结果。由于裂纹的产生一般在刃口侧面,故在普通冲裁加工中总有毛刺产生b 落料件a 冲孔件a 冲孔件b 落料件。二弯曲二弯曲 1弯曲变形特点(

52、1弯曲变形过程图显示了V 形件弯曲变形过程。包括弹性弯曲,弹-塑性弯曲、塑性弯曲和校正弯曲四个阶段。(3变形区应力应力、应变状态与板料相对宽度有关。b/t 3时,称为窄板,弯曲时,宽度方向上材料可自由变形,沿宽度方向的应力近似为零,变形区处于平面应力和立体应变状态;b/t >3时,板料称为宽板,弯曲时,宽度方向变形阻力较大,弯曲后板宽基本不变。故沿宽度方向应变近似为零,变形区处于平面应变和立体应力状态。3t /b 3t /b >冲压主要设计内容和步骤如下:(1根据冲压工艺设计选定模具种类,确定模具结构形式。 (2计算确定模具压力中心。 (3计算确定模具闭合高度。(4关键零件强度计算及弹簧、橡皮等弹性零件的计算和选用。(5选择冲压设备。(6绘制模具总图,列出零件明细表,绘制模具零件图,提出各项技术要求。一锻造在加压设备及工(模具作用下,通过金属体积转移和分配获得机器零件或毛坯的塑性成形方法称为锻造。锻造多在热态下进行,故也称为热锻。1、锻造成形方法分类及工艺流程(1锻造成形方法分类按所用工具,分为自由锻和模锻。自由锻:使用自由锻设备及通用工具,如砧子、型砧、胎模等,使坯料变形获得所需几何形状及内部质量锻件的锻造方法称为自由锻。其基本工序有镦粗、拔长、冲孔和