《工程材料及成形技术基础》课件 第7-13章 有色金属与硬质合金 -零件材料与毛坯的选择

工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求第7章有色金属与粉末冶金材料本章主要介绍Al、Cu及其合金的分类、牌号及用途,对硬质合金也作简要介绍。第7章有色金属与粉末冶金材料钢铁材料有色金属材料材料Material金属材料有机材料无机非金属材料第7章有色金属与粉末冶金材料非铁金属材料定义指除黑色金属(钢、铁)以外的所有金属，也称其为有色金属。分类重金属(密度＞3.5)：Cu、Ni等。轻金属(密度＜3.5)：Al、Mg等。贵重金属：Au、Ag、Pt等。稀有金属：W、Ti、Ra、Nb等。半金属：Si、Te、B等。非铁金属材料镁Mg12燃烧时不能被水熄灭，只能用沙子扑灭铝Al13坚硬且轻的金属，常用于制作可乐罐钛Ti22几乎不引起过敏反应，常用于人体植入物第7章有色金属与粉末冶金材料非铁金属材料6铜Cu29一种红色的金属，是非常好的导体锌Zn30钢管表面镀的锌可保护钢铁不被腐蚀第7章有色金属与粉末冶金材料第一节铝第一节铝一、纯铝-Al物理性质银白色，密度2.7g/cm3，熔点660℃；导电、导热性好，抗氧化性好；不耐酸、碱、盐腐蚀；fcc结构；无同素异晶转变。力学与加工性能强度低（80-100MPa）；硬度低（20HBS）；塑性好，适合各种冷热塑性加工。纯铝不能热处理强化，只能靠冷变形强化。铝制品铝颗粒牌号高纯铝（99.93-99.99%）：L01、L02、L03、L04（编号越大，纯度越高），主要用于科学研究及制作电容器等。工业纯铝（98.0-99.0%）：L1、L2、L3、L4、L5（编号越大，纯度越低），用来配置铝合金和制作电线、电缆，以及生活器皿。工业高纯铝（99.85-99.9%）：L0、L00等，用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料。第一节铝二、铝合金的分类合金元素：Si、Cu、Mg、Zn、Mn等。按化学成分和生产特点可分：1.变形铝合金可热处理强化铝合金不可热处理强化铝合金2.铸造铝合金二元铝合金的一般相图第一节铝三、铝合金的热处理1.退火：消除应力和偏析，提高塑性。2.固溶、时效处理：类似于钢铁材料的淬火回火工艺，是部分有色合金强化的重要手段。时效:在固溶处理后的合金随时间延续而发生进一步强化的现象。种类自然时效人工时效第一节铝3.回归处理：目的在于使经过固溶时效强化后的金属变软，便于加工。※一般情况下，人工时效后的铝合金没有回归现象。四、变形铝合金1防锈铝合金2硬铝合金3超硬铝合金4锻铝合金不可热化处理强化可热化处理强化第一节铝牌号3A11改型：0-原始纯铝

A-原始合金铝合金组别标识同一系列的不同合金1011:表示最低铝含量为99.11%的工业纯铝。第一节铝组别牌号系列纯铝1xxx以铜为主要合金元素2xxx以锰为主要合金元素3xxx以硅为主要合金元素4xxx以镁为主要合金元素5xxx以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相6xxx以锌为主要合金元素7xxx以其他合金为主要合金元素8xxx变形铝合金的牌号系列（GB/T16474-1996）1、防锈铝合金（LF）成分：主要是Al-Mn系和Al-Mg系；性能：良好塑性加工和焊接性能；强化手段：不能热处理强化，只能冷变形强化；用途：受力小、耐蚀的制品与结构件；牌号举例：5A05（LF5）。第一节铝升降晾衣架Al-Mg合金Al-Cu合金2、硬铝合金（LY）成分：Al-Cu-Mg系；性能：强化相θ相(CuAl2)和S相(CuMgAl2)；耐蚀性差；分类（按强度和用途）：铆钉硬铝中强硬铝高强硬铝耐热硬铝；强化手段：固溶时效强化；牌号：2A12（LY12）在航空工业中应用广泛。第一节铝硬铝合金外壳飞机螺旋桨叶片3、超硬铝合金（LC）成分：Al-Zn-Mg-Cu系；性能：较好热塑性和焊接性能，耐热和耐蚀性能差，是目前强度最高的铝合金；强化手段：固溶处理后人工时效；牌号：7A04（LC4）重量轻、受力较大的结构件。第一节铝超硬铝合金轮圈型材飞机起落架超硬铝合金球棒4、锻铝合金（LD）成分：Al-Mg-Si-Cu系（普通），Al-Cu-Mg-Ni-Fe系（耐热）；性能：良好热塑性和可锻性；强化手段：固溶处理后人工时效；牌号：2A50（LD5）形状复杂和承受中等载荷的锻件及模锻件。第一节铝刹车把手油箱盖定义：用来制造铸件的铝合金。成分：Al-Si（1）系、Al-Cu（2）系、Al-Mg（3）系、Al-Zn（4）系四类。代号“ZL”加三位数字；牌号表示法：ZAl+合金元素符号和合金质量分数(%)牌号举例：ZAlSi7Mg(代号ZL101)ZAlCu4(代号ZL203)ZAlMg5Si1(代号ZL303)ZAlZn10Si7(代号ZL401)五、铸造铝合金第一节铝1、Al-Si铸造合金-硅铝明性能：铸造性能最好，中等强度，良好耐蚀性；用途：应用广泛，如发动机气缸、仪表外壳；+Mg+Cu后，耐热性和耐磨性良好，可制造内燃机活塞。第一节铝星型发动机涡扇发动机仪器壳体2、其它铸造铝合金Al-Cu：最高强度和耐热性；铸造性能差，耐蚀性差；Al-Mg：强度高，耐蚀性好，相对密度小，韧性好；铸造性能和耐热性差；Al-Zn：便宜，铸造性能良好，自淬火效应，强度高；密度大，耐蚀性差，热裂倾向大。第一节铝汽缸头（Al-Cu）鼓风机用密封件（Al-Mg）大型空压机活塞（Al-Zn）第二节铜一、纯铜-Cu物理性质纯Cu又称紫铜，密度8.96g/cm3，熔点1083℃；导电、导热性好，化学稳定性好；抗大气和水腐蚀性强；抗磁性金属；fcc结构；无同素异晶转变。第二节铜Cu2(OH)2CO3纯铜力学和加工性能塑性好；强度低（230-250MPa）；硬度低（40-50HBS）；不能热处理强化，只能冷变形强化。第二节铜铜像散热器十二生肖铜首工业纯铜的代号：T1、T2、T3三个，纯度依次降低。用途：导线、电缆、传热体、防磁器械等。二、铜合金-黄铜通常按化学成分以及表现出的色泽：黄铜Cu-Zn普通黄铜特殊黄铜青铜锡青铜铍青铜铜合金白铜Cu-Ni铝青铜第二节铜纯铜黄铜青铜白铜1、普通黄铜（Cu-Zn）机械性能：当ωZn<33%时，形成单相α固溶体，Zn↑，强度↑，塑性↑，适用于冷加工变形。当ωZn=33%~45%时，形成(α+CuZn)双相组织。强度↑，塑性↓，适用于热压力加工。当ωZn

＞45%时，组织为脆性相CuZn，强度塑性↓↓↓第二节铜锌含量对黄铜的组织和力学性能的影响牌号：加工普通黄铜：“H”+数字，数字为平均铜的质量分数。例：H62黄铜ωCu=62%例：ZCu

Zn38铸造黄铜ωZn=38%铸造普通黄铜：“Z”+铜、合金元素符号及该元素含量百分比组成。H65黄铜丝第二节铜Cu-ZnCu-Zn钢芯镀铜2、特殊黄铜定义：普通黄铜+其它元素。如锡黄铜、锰黄铜、硅黄铜和铅黄铜等。加工特殊黄铜牌号：“H”+主加元素+Cu及合金元素的质量分数(%)。如HPb59-1表示ωCu=59%、ωPb=1%、余量为Zn的铅黄铜。例：

HPb59-1主加元素为铅的黄铜ωCu=59%ωPb=1%第二节铜铸造特殊黄铜：“Z”+铜、合金元素符号及该元素含量百分比组成。（如：ZCuZn40Mn3Fe1）性能：由于合金元素加入，强度提高。其他性能也优于普通黄铜。黄铜棒黄铜铸件法兰阀子弹壳第二节铜加工青铜牌号：Q+主加元素的化学符号及其质量分数+辅加元素及质量分数(%)。三、铜合金-青铜Zn含量为3%Sn含量4%青铜余量为Cu如：QSn4-3铸造青铜牌号：“Z”+铜、合金元素符号及该元素含量百分比组成。（如：ZCuAl10Fe3）第二节铜1、锡青铜工业用锡青铜：Sn(wt.%)3%-14%；性能：耐蚀（优于铜和黄铜）、耐磨和弹性好；应用：轴承、轴套、弹性元件、以及耐蚀、抗磁零件。2、铝青铜工业用铝青铜：Al(wt.%)5%-12%性能：高强度、抗蚀性和耐磨性，并能热处理强化。ωAl=5%~7%，适宜冷变形加工；ωAl≈10%，适宜铸造。应用：仪器中的耐蚀零件和弹性元件(ZCuAl10Fe3)。第二节铜3、铍青铜工业用铍青铜：Be(wt.%)1.7%-2.5%；性能：强度大、疲劳抗力高、弹性好、耐磨耐蚀、导电导热、无磁性、冲击无火花等很多优点。可进行冷、热加工和铸造成形；应用：成本较高，用于制造精密仪器或仪表的弹性元件等(QBe2)。引线框架第二节铜Cu-Ni性质：银白色，有金属光泽，故名白铜。Ni(wt.%)≈25%；性能：耐蚀性优异，且易于塑型、加工和焊接；工业用途：造船、石油、化工、建筑、电力、精密仪表、医疗器械、乐器等耐蚀结构件；非工业用途：装饰工艺品。四、铜合金-白铜第二节铜第三节滑动轴承合金工件体轴轴瓦轴承合金：用来制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金。滚动轴承第三节滑动轴承合金性能要求：高的抗压强度和疲劳强度，高耐磨和较小摩擦系数；足够塑性与韧性；良好耐蚀性和热导性；制造简单、价格低廉。组织特点1软基体上均匀分布着硬质点：润滑油空间轴硬质点软基体轴瓦第三节滑动轴承合金组织特点2硬基体上均匀分布着软质点：润滑油空间轴硬质点硬基体轴瓦①锡基轴承合金（软基体硬质点）②铅基轴承合金（软基体硬质点）③铜基轴承合金（硬基体软质点）④高锡铝基轴承合金（硬基体软质点）常用轴承合金巴氏合金锡基轴承合金（锡基巴氏合金）牌号：Z+基体元素符号+主加元素符号及含量、辅加元素符号及含量。ZChSnSb11–6其它元素的含量为6%主加元素Sb含量为11%基本元素锡轴承铸造第三节滑动轴承合金巴氏合金轴瓦内燃机轴瓦第三节滑动轴承合金第四节硬质合金定义：以一种或几种高熔点碳化物粉末为硬质相，加入起粘结作用的金属粉末，经混合加压成形，再经烧结而成的一种粉末冶金产品。第四节硬质合金常用硬质合金：钨钴类硬质合金；钨钴钛类硬质合金；钨钛钽（铌）类硬质合金。性能特点：高硬度(69-81HRC)，高热硬性(900-1000℃)，高耐磨性；高的弹性模量、高的抗压强度，但抗弯强度较低；良好的耐蚀性和抗氧化性，导热性差；脆性大，加工性能差。1、WCo类硬质合金成分：WC+Co牌号：“YG”+Co的质量分数（%）例：YG6WCo类硬质合金ωCo=6%，余量为碳化钨第四节硬质合金2、WCoTi类硬质合金成分：WC+TiC+Co牌号：“YT”+TiC的质量分数（%）YT15WCoTi类硬质合金ωTiC=15%，余量为碳化钨和钴例：3、WTiTa(Nb)类硬质合金（通用、万能硬质合金）成分：WC+TiC+TaC(NbC)+Co牌号：“YW”+顺序号YW1WTiTa(Nb)类硬质合金顺序号为1例：工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求第八章非金属材料本章的重点是掌握高聚物的基本概念、性能特点及分类，常用陶瓷材料的性能；复合材料的定义与分类，各类复合材料的特性与优势，以及它们的应用前景。主要内容高聚物陶瓷材料概念分类结构第八章非金属材料黏土石英长石新型陶瓷碳（氮、硼）化物复合材料分类特性应用新型材料绿色塑料超高温陶瓷气凝胶第一节高聚物高分子：即分子量极高的材料（＞1万）聚合物：由多个单元体聚合反应连接而成的链状分子。有许多与低分子化合物截然不同的性质和性能，可以压延成膜，可模压成各种形状的构件。相关概念按性能和用途塑料纤维橡胶涂层和添加剂第一节高聚物分类相关概念按性能和用途塑料：可塑成一定形状，产品最后能保持形状不变的材料纤维：长度比直径大很多倍并且有一定柔韧性的纤细物质橡胶：线性柔性高分子聚合物塑料：可塑成一定形状，产品最后能保持形状不变的材料根据受热行为热塑性塑料热固性塑料可反复加热如聚苯乙烯，聚乙烯不可反复加热如酚醛树脂第一节高聚物分类支化交联交联后永远固化热固性不可反复加热支化改变分子之间的规整度，降低结晶度长支化严重影响熔融流动，加工性能不好热塑性线形可加热熔融加工热塑性结构第一节高聚物玻璃态橡胶态相同温度下，不同高聚物的力学性能不一样相同聚合物，不同温度下力学性能不一样玻璃态第一节高聚物第二节陶瓷材料

定义：陶瓷材料是指用天然或合成化合物，经过成型和高温烧结制成的一类无机非金属材料。优点：硬度高、耐磨性好、高温强度高、化学稳定性好等。主要成分：SiO2

和Al2O31、黏土

黏土原料第二节陶瓷材料主要成分：SiO2，含有少量的氧化物杂质（如MgO、Fe2O3、Al2O3、CaO、TiO等）。石英在陶瓷生产中的作用：改变泥料的可塑性；陶瓷烧结时，石英的体积膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响；合适的石英颗粒粒度能大大提高瓷器坯体的强度、白度以及透光度；在釉料中，增加石英含量，可提升釉的熔融温度与黏度，降低热膨胀系数，也能提高釉的力学强度、硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性。2、石英

石英块体第二节陶瓷材料生产日用陶瓷的三大原料之一，是陶瓷生产中的主要溶剂性原料，其用量很大，一般用作胚料、釉料、色料熔剂等的基本成分。3、长石

长石块体第二节陶瓷材料氧化铝（Al2O3）4、新型陶瓷原料

氧化铝粉末及棒材产品氧化镁（MgO）

氧化镁粉末及坩埚第二节陶瓷材料氧化铍（BeO）

氧化铍粉末及片材氧化锆（MgO2）

氧化锆粉末及牙齿产品第二节陶瓷材料碳化硅（SiC）5、碳化物

碳化硅粉体及喷嘴碳化硼（BC）

碳化硼粉体及装甲片材第二节陶瓷材料氮化硅（Si3N4）6、氮化物

氮化硅粉体及隔热罩氮化铝（AlN）

氮化铝粉体及片材第二节陶瓷材料二硼化钛（TiB2）7、硼化物

二硼化钛粉体及靶材产品二硼化锆（ZrB2）二硼化锆粉体及加热元件按基体种类聚合物基复合材料陶瓷基复合材料金属基复合材料分类第三节复合材料定义：由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。碳基复合材料按增强体的存在形态颗粒增强复合材料连续纤维增强复合材料非连续纤维增强复合材料层状复合材料纳米材料增强复合材料第三节复合材料特性质量轻，比强度、比模量高；耐疲劳性能好；良好的耐腐蚀性；冲击性能好；抗噪声、振动特征比金属好；可设计性强；可整合性强；复合效应好。第三节复合材料应用欧美等国家在航空航天领域复合材料发展历程复合材料在A380上的应用第三节复合材料应用a）歼-20战斗机；b）运20运输机a）法国“Rafale”号战斗机；b）美国B-2隐形轰炸机复合材料赛车车体（莲花车队）荷兰全复合材料超级巴士第四节新型材料1、绿色塑料环境友好型生物基可生物降解高分子材料。生物基可降解塑料有：聚乳酸(PLA)、聚羟基烷酸酯类聚合物、聚乙醇酸、全淀粉基等。①热塑性淀粉(TPS)：在各种植物来源的天然淀粉中加入适量可降解的小分子添加剂，经过物理或化学方式改性，使淀粉分子结构变成无序排列的柔顺分子链，从而使淀粉具备热塑性。优点：来源广、塑性强、可降解。②聚乳酸（PLA）：合成原料来源于玉米等生物可再生的植物资源，使用后又可在自然环境中降解为无毒无害的二氧化碳和水，不会对环境造成污染。第四节新型材料2、超高温陶瓷定义：超高温陶瓷材料（UHTCs）指高温环境（2000℃以上）和反应气氛中（如原子氧环境）能够保持化学稳定的一种特殊材料。组成：通常包括硼化物、碳化物、氧化物在内的一些高熔点过渡金属化合物应用：航天火箭的发动机、太空往返飞行器、大气层内高超声速飞行器的鼻锥、金属高温熔炼和连铸用的电极、坩埚和相关部件，发热元件等。航天火箭高超声速飞行器第四节新型材料3、气凝胶

气凝胶是一种具有纳米多孔结构的新型材料，因轻若薄雾蓝色泛蓝，又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”。分类：二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶等。特点：气凝胶因纳米多孔网络结构，孔隙率高达80~99.8%，密度为3kg/m3，目前最轻的气凝胶仅有0.16mg/cm3，略低于空气密度。气凝胶微观结构和原子排列耶鲁大学气凝胶透明隔热墙体谢谢观看ThankYouForWatching工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：主要内容：1）铸造成型基本原理铸造的基本过程铸造性能与缺陷防止2）铸造成型工艺及应用砂型与特种铸造铸造方法的选择3）铸件结构设计简述

学习要求：了解铸造生产的常用方法及应用；理解金属的铸造性能，铸件的结构工艺性等；重点掌握铸造生产的特点、缺陷的防止措施及应用。导言铸造是历史最悠久的金属材料成型方法，在金属加工工艺中占有突出的地位。中国古代铸造技术历史：最早的青铜器来自新时期时代的铜刀；商代司母戊鼎是世界现存最大的青铜器；来源：浑铸法整体铸造；特点：分范制范后组合成铸型，发展有大型熔炉熔化青铜；工艺：二次铸造，鼎身铸好后再安模、翻范，浇注鼎耳。青铜铸造中国古代铸造技术历史：包含了商周以来青铜器铸造经验的总结；来源：铸造；特点：从战国开始，铜镜合金中普遍含有铅，使得合金溶液在铸范中流动性良好、在凝冷时不会收缩，铸造出来的镜背花纹特别整齐清晰；工艺：多采用“开放式”和“合铸式”两种方法。青铜镜在现代工业中的重要地位1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右。3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。一、铸造的基本过程液态金属充型铸件凝固收缩何为铸造？熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。

合金的流动性定义：熔融金属的流动能力，是熔融金属本身的性质。合金的流动性是以螺旋形流动试样的长度来衡量。试样越长流动性越好。螺旋形标准试样影响合金的流动性的因素①化学成分：化学成分的影响最为显著，不同种类的合金具有不同的流动性。②合金结晶特征：同类合金中，成分不同的合金因具有不同的结晶特点，流动性也不同。合金流动性与成分的关系合金结晶特征影响合金的结晶特征在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要是固液两相并存的凝固区的宽窄。逐层凝固纯金属和共晶成分的合金在凝固中因为不存在固液两相并存的凝固区，所以固体与液体分界面清晰可见，一直向铸件中心移动。糊状凝固铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽，且铸件截面上的温度梯度较小，则不存在固相层，固液两相共存的凝固区贯穿整个区域。影响合金的结晶特征在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要是固液两相并存的凝固区的宽窄。中间凝固

大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。合金的充型能力定义：指液体金属或合金充满铸型、获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。影响合金的充型能力的因素①合金的流动性：流动性越好，其充型能力越强。②铸型条件（影响大）：蓄热系数、温度以及铸型中的气体等均影响流动性，从而影响充型能力。③浇注温度（影响大）：提高浇注温度可以降低液态金属的黏度，使液态金属冷却速度变慢，因而提高充型能力。T浇注↑t凝固↑流动性↑δ粘度↓充填路径↑充型能力↑三、合金的收缩定义：合金从液态冷却至室温的过程中，体积或尺寸缩小的现象称为收缩。分为三类：液态收缩、凝固收缩和固态收缩。铸件温度降低浇注温度室温凝固终止温度开始凝固温度液态收缩凝固收缩固态收缩体积收缩线收缩注意：在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。3.3～4.20.13.614003.50灰口铸铁5.4～6.34.22.414003.00白口铸铁7.863.01.616100.35碳钢固态收缩（％）凝固收缩（％）液态收缩（％）浇注温度（℃）碳含量（％）

合金种类

表2-1典型合金的收缩率εV

合金的收缩给铸模的设计和铸件的精密成形等带来较大困难，是多数铸造缺陷产生的根源。缩孔的形成：纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金，浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔。

缩孔的形成过程示意图缩孔与缩松的形成缩孔与缩松的形成缩松的形成：

铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。

缩松的形成过程示意图缩孔与缩松的形成基本原则：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。冒口：在铸件厚壁处和热节部位设置的多余的铸件部分，切除后便得到致密的铸件。缩孔与缩松的防止①顺序凝固法：采用各种措施，使铸件从冒口到远离冒口之间的温度梯度逐渐递减，使远离冒口的部分先凝固，然后向冒口的方向顺序地凝固，使缩孔转移到冒口中。缩孔与缩松的防止注意：对于形成糊状凝固的合金一般不采用此工艺方法。思考②合理确定内浇道位置及浇注工艺：内浇道的引入位置,应按照顺序凝固的原则确定。缩孔与缩松的防止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。③冒口和冷铁联合补缩：冒口与冷铁起使用，可实现顺序凝固。缩孔与缩松的防止冷铁，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。铸造应力及铸件的变形和裂纹内应力热应力机械应力变形裂纹铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力。铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。残余内应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。当热应力大到一定程度会导致出现裂纹。相变应力铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变，新旧两相的比容差越大，相变应力就越大。铸件变形的防止消除热应力铸件的结构：铸件各部分能自由收缩

工艺方面：采用同时凝固原则时效处理：人工时效；自然时效铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀铸件变形的防止采用反变形法防止铸件的变形在模样上预先做出相当于铸件变形量的反变形量，以抵消铸件的变形。铸件裂纹的防止

热裂是在铸件凝固末期的高温下形成的裂纹。（凝固收缩大、铸型的退让性不好。是铸钢和铸铝常见的缺陷。）

冷裂是铸件凝固后，冷却到较低温度下形成的裂纹。（脆性材料）铸件裂纹的防止防止热裂的方法①选择结晶温度范围窄的合金生产铸件。因为结晶温度范围愈宽的合金，其液、固两相区的绝对收缩量愈大，产生热裂的倾向也愈大。如灰铸铁和球铁。②减少铸造合金中的有害杂质，如减少铁-碳合金中的磷、硫含量，可提高铸造合金的高温强度。③改善铸型和型芯的退让性。退让性愈好，机械应力愈小，形成热裂的可能性愈小。④减小浇、冒口对铸件收缩的阻碍，内浇口的设置应符合同时凝固原则。防止冷裂的方法①防止冷裂的方法是尽量减小铸造应力。②控制铸造合金中的含磷量，避免生成冷脆的铁磷共晶物Fe3P。课堂练习二1.防止铸件产生裂纹的基本方法之一是（C

）A.提高铸件金属的硫、磷含量B.提高浇注温度C.使铸件壁厚均匀D.提高型砂质量2.合金在凝固过程中的收缩可分为三个阶段，依次为

、

和

。

(*)液态收缩、凝固收缩、固态收缩3.为减少和消除铸件产生的应力，在结构上应使壁厚

，在工艺上应采取

原则，铸件成形后可采用

热处理来消除应力。

(*)均匀、同时凝固、去应力退火四、常用合金的铸造性能

铸铁：

①灰铸铁可以浇注出形状复杂的优质铸件：共晶型合金，具有良好的流动性；结晶时伴有石墨化，线收缩较小。②球墨铸铁的处理工艺上都比灰铸铁的要求高：过共晶型合金，其流动性比灰铸铁差，收缩也较大；球化处理和孕育处理需要浇注温度比灰铸铁高。③可锻铸铁的处理工艺相对复杂：是白口铸铁件经过退火使渗碳体分解为团絮状石墨，比灰铸铁具有更好的强度和塑性。铁液流动性差，收缩大，容易产生缩孔、缩松和裂纹等缺陷；浇注温度高，砂型应有较好的退让性，以降低铸造应力。四、常用合金的铸造性能

铸钢：常用铸造合金中，铸钢流动性最差，收缩率最大，并随着碳质量分数的增加而增加；更容易产生缩孔、缩松和裂纹等缺陷；采用顺序凝固法，并可用较多的冒口和冷铁，以严格掌握铁液温度。铸造铝合金：常用的铸造铝合金中，Al-Si合金具有优良的铸造工艺性能，收缩率小；Al-Cu合金和Al-Mg合金因其远离共晶成分，所以铸造性能较差。铸造铜合金：多数铸造铜合金收缩性较大，需要设置冒口和冷铁，采用顺序凝固法。一、砂型铸造是应用最广泛的铸造方法，其主要工序为：制造模样芯盒、制备造型材料、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂清理与检验等。常用的手工造型方法：两箱造型铸型装配图三箱造型工艺过程挖砂造型工艺过程假箱造型工艺过程刮板造型工艺过程平板的地坑造型实例机械造型方法：常用的手工造型方法：缺点：

1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。

2）铸件质量不够稳定。铸件的主要缺陷及产生原因二、特种铸造为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。金属型铸造

定义：金属型铸造是指利用金属材料制成铸型，在重力作用下将熔融金属浇注到铸型中制造铸件的一种铸造方法，也称永久型铸造。

特点和应用：

1、可重复使用，生产效率高，但成本高；

2、铸件精度高，表面粗糙度较低；

3、金属散热好，晶粒细化，机械性能好；

4、不透气且无退让，铸件浇不足或开裂。

5、适于生产大批量有色金属铸件。

特点和应用：

1、铸件精度高，表面光洁；

2、可铸造形状复杂零件；

3、工艺过程复杂，生产周期长，成本高；

4、适于铸造小尺寸的各类合金铸件，特别是少切削或无切削精密铸件。熔模铸造

定义：是指利用易熔材料制成模型，并在模型表面粘结一定厚度的耐火材料，然后将、模型熔化而使金属液充满型腔的一种铸造方法。

特点和应用：

1、浇注时间短，易于机械化作业；

2、铸型散热快，晶粒细化；

3、铸件尺寸精度高，表面光洁；

4、凝固速度快，排气困难，易形成疏松和缩孔；

5、模具成本高，铸件尺寸受限；

6、适于有色金属薄壁复杂铸件的大批量生产。压力铸造

定义：是指将液态或半液态合金浇入压铸机的压室中，使之在高压和高速下充填型腔，并在高压下成形结晶而获得铸件的一种铸造方法。

特点和应用：

1、充型易于控制，气孔、夹渣较少；

2、铸型散热快，组织致密，机械性能好；

3、无需冒口设置，金属利用率高；

4、铸件尺寸精度高，表面光洁；

5、适于生产质量要求高的铝镁等有色金属铸件。低压铸造

定义：是指液态金属在气体压力作用下从坩埚中自下而上地充填型腔并凝固的一种铸造方法。

特点和应用：

1、离心力改善补缩条件，缺陷减少；2、改善金属的流动性，提高了充型能力；

3、简化了中空圆柱形铸件的生产过程；

4、成分偏析严重，尺寸难以控制；

5、特别适于横截面呈圆柱的铸件生产。离心铸造

定义：是指将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下充填型腔并凝固成形的铸造方法。三、铸造方法的选择各种铸造方法精度比较工艺名称尺寸精度表面粗糙度砂型铸造IT14-1650~12.5熔模铸造IT11-1412.5~1.6金属型铸造IT12-1612.5~6.3压力铸造IT11-136.3~1.6低压铸造IT12-1612.5~3.2正确选择铸造方法的原则根据生产批量大小和工厂设备、技术的实际水平以及其它有关条件，结合各种铸造方技的基本技术恃点，在保证零件技术要求的前提下，选择技术简便、品质稳定和成本低廉的铸造方法。（1）零件的使用性能零件所受的载荷情况及所处的工作环境（例如：温度、压力、气态或液态介质的性质等）对铸件尺寸精度和表面粗糙度的要求。（2）零件的铸造技术性能零件所采用的合金材料的铸造性能、零件结构形状的复杂程度、质量、轮廓尺寸、壁厚差、不加工壁的最小厚度和孔径等。（3）经济的合理性各种铸造方法生产费用的比较，以及成品零件生产总费用的综合比较。在合理选择铸造方法时，后一种比较是主要的。一、总体要求要保证使用性能的要求；要满足铸件在制造过程中工艺性的要求，即考虑铸造生产工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求；应尽量使生产工艺中的制模、造型、制芯、装配、合型和清理等各个环节简化，节约工时，防止废品产生；符合合金铸造性能的要求，以避免出现如缩孔、缩松、变形、裂纹、浇不足、冷隔、气孔和偏析等缺陷。使铸件的具体结构与这些要求相适应，以达到工艺简单、经济、快速地生产出合格铸件的目的。铸件的结构包括：铸件外形、内腔、壁厚、壁与壁的连接及加强肋、凸台、法兰等。二、铸件外形设计名称不合理结构合理结构设计理由铸件外形的设计尽量避免曲面分型，以避免挖砂造型111名称不合理结构合理结构设计理由铸件外形的设计对凸台、肋条及法兰设计时，应便于起模，避免不必要的型芯和尽量少用活块名称不合理结构合理结构设计理由铸件外形的设计尽量使铸件有最少的分型面应设计结构斜度名称不合理结构合理结构设计理由铸件外形的设计应避免水平放置较大的平面细长件或大而薄的平板件要防止弯曲避免铸件收缩受阻三、合金铸造性能要求名称不合理结构合理结构设计理由铸件内腔的设计应尽量不用或少用型芯型芯必须安装方便、稳固可靠，排气通畅必须考虑清砂便利名称不合理结构合理结构设计理由铸件壁的设计铸件壁厚应尽可能均匀铸件壁应有圆角过渡避免交叉和锐角连接谢谢观看ThankYouForWatching工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求第十章压力加工成形掌握金属塑性变形的实质及其对金属组织和性能的影响、可锻性和变形规律；了解各种压力加工方法、压力加工产品、及其特点；理解自由锻的设备、基本工序、结构工艺要求及工艺规程的制订；了解冲压成形过程中出现的缺陷及原因、以及冲压设备的结构。主要内容压力加工理论基础冲压成形冷变形（加工硬化）热变形压力加工优缺点金属的可锻性第十章压力加工成形冲压成形的基本工序冲压模具与冲压设备锻造成形锻造的基本概念自由锻造的基本工序模型锻造的基本工序第十章压力加工成形压力加工成形的应用冲压车间冲压模具冲压件的应用金属材料进行压力加工的前提？金属材料须具有塑性变形的特性。以板材为例。压力加工的主要目的利用塑性变形加工硬化来提高零件的刚度和强度，从而获得的零件表面光洁，精度较好，尺寸稳定，互换性好。第十章压力加工成形什么是压力加工？利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，称为金属压力加工，又称金属塑性加工。材料、模具和压机是压力加工的三个必备要素。第一节压力加工概述压力加工三要素？单晶体的塑性变形方式：

滑移——滑移系（多晶）第一节压力加工概述压力加工理论基础一、金属塑性变形的实质金属在外力作用下，其内部必将产生应力。塑性变形的实质就是晶体内部产生滑移的结果。a)未变形d)塑性变形单晶体滑移变形示意图b)弹性变形ττc)弹塑性变形ττ位错引起滑移变形示意图d)塑性变形b、c)位错运动a)未变形ττ金属受外力晶内-滑移晶间-滑动、转动→宏观塑性变形◆弹复现象：

金属内部有了应力就会发生弹性变形。应力增大到一定程度后使金属产生塑性变形。当外力去除后，弹性变形将恢复。

◆实际金属：第一节压力加工概述二、塑性变形对金属组织和性能的影响金属在常温-塑性变形后，内部组织和性能将发生变化：

1、组织变化：

①

晶粒沿最大变形的方向伸长；

②

晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力；

③

晶粒间产生碎晶。2、性能变化（冷变形强化）随变形程度的增加，强度、硬度增加，而塑性、韧性下降的现象——加工硬化第一节压力加工概述常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响冷变形强化（加工硬化）原因：碎晶块和附近晶格扭曲阻碍滑移；好处：提高金属的强度与硬度；害处：在压力加工生产中，加工硬化给金属继续进行塑性变形带来困难，应加以消除。定义：将冷成形后的金属加热至一定温度后，使原子回复到平衡位置，晶内残余应力大大减小的现象；特点：使晶格畸变减轻或消除，但晶粒的大小和形状并无改变。消除了晶格扭曲及大部分内应力。回复处理：低温退火或去应力退火。T回=(0.25~0.3)T熔（K）回复第一节压力加工概述定义：当温度达到0.4T熔时，金属原子开始以某些碎晶或杂质为核心，按变形前的晶格结构结晶成新的晶粒，从而消除了全部冷变形强化现象。再结晶温度：T再=0.4T熔再结晶2）热变形(热加工)T加工

>T再时，变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的相同晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。即冷变形强化和再结晶过程同时存在。◆热变形结果：无加工硬化——加工硬化和再结晶同时进行。所以，经热变形的金属虽然没有加工硬化，但是其机械性能仍明显提高。可把粗大、不均匀结构→细化。第一节压力加工概述金属的可锻性碳钢的锻造温度范围定义：衡量金属材料通过塑性加工获得优质零件难易程度的工艺性能。衡量指标：金属的塑性(δ)和变形抗力(σy)。塑性↑，变形抗力↓，可锻性↑。第一节压力加工概述影响因素：

1.金属的本质（内在因素）

a.化学成分：C%↑，塑性↓，可锻性↓。纯金属>合金；碳化物形成元素使塑性加工性下降。b.金属组织：晶体结构：fcc＞bcc＞hcp组织状态：铸态柱状组织↓，晶粒粗大↓，碳化物↓，纯金属及固溶体↑。第一节压力加工概述2.加工条件（外部因素）a.变形温度提高金属变形时的温度，是改善金属可锻性的有效措施。变形温度T↑，材料塑性δ↑，变形抗力σy↓，可锻性↑。始锻温度：固相线以下200℃左右。终锻温度：A1线以上，800～750℃之间。b.变形速度定义：单位时间的变形程度。它对可锻性的影响是矛盾的。a点左：变形速度↑，δ↓，σy↑，可锻性↓。a点右：变形速度↑，热效应现象越明显，δ↑，σy↓，可锻性↑。注意：温度过高将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷，甚至使锻件报废。热效应现象除在高速锤等设备的锻造较明显外，一般压力加工，不易出现。第一节压力加工概述c.应力状态金属经受不同方法变形时，所产生的应力性质（压应力或拉应力）和大小是不同的。三个方向应力中受压应力数目越多，δ↑

，可锻性↑;拉应力的数目越多，δ↓，可锻性↓。

体积不变定律（变形后体积=变形前体积）

最小阻力定律（金属变形时首先向阻力最小方向流动）金属变形规律金属加工应力状态不同截面金属的流动情况轧制、挤压、拉拔（受压力作用，主要生产各种型材：管、棒、型、线；板、带、条、箔）；自由锻造、模锻、板料冲压等（受冲击力作用，主要生产毛坯或零件）。第一节压力加工概述压力加工的分类上砧铁

下砧铁

坯料

轧制自由锻拉拔复合挤压模锻板料冲压压力加工的优点第一节压力加工概述（1）力学性能高：结构致密，组织改善，性能提高，强度、硬度、韧度俱高；（2）节省金属：少、无切削加工，材料利用率高。由于提高了金属的力学性能，在同样受力和工作条件下，可以缩小零件的截面尺寸，减轻重量，延长使用寿命；（3）生产效率高：多数压力加工方法，特别是轧制、挤压，金属连续变形，且变形速度很高，所以生产率高；（4）可以获得合理的流线分布（金属塑性变形是固体体积转移过程）。第一节压力加工概述压力加工的缺点（1）一般工艺表面质量差（氧化）；（2）压力加工与铸造方法相比也有不足之处，由于在固态下成形，无法获得截面形状，故不能成型形状复杂件；（3）设备庞大、价格昂贵；（4）劳动条件差（强度大、噪音大）。第二节锻造成形锻造成形是对处于再结晶温度以上的金属施加外力，使其产生塑性变形，从而获得所要求的形状、尺寸和组织性能的加工方法。一、锻造成形的定义碳钢的锻造温度范围第二节锻造成形锻造成形方法分为自由锻造和模型锻造两大类。二、锻造成形的方法自由锻造的定义自由锻造又称为自由锻，是利用冲击力或压力使金属在上下两个砧铁或锤头与砧铁之间产生变形，从而获得所需形状、尺寸和力学性能的锻件的成形过程。自由锻造的设备空气锤工作时，电动机通过曲柄连杆带动压缩缸内活塞运动，产生的压缩空气经控制阀送入工作缸的下腔或上腔，驱使上砧铁或锤头上下运动进行打击。空气锤第二节锻造成形自由锻造的工序自由锻工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序。基本工序是使坯料产生一定程度的塑性变形，逐渐形成锻件所需形状和尺寸的工艺过程，如镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、扭转和错移等。辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预变形加工，如压肩、倒棱等。精整工序则是用以改善锻件表面质量而进行的加工，如整形、清除表面氧化皮等。镦粗：a）整体镦粗；b）局部镦粗拔长冲孔：a）双面冲孔；b）单面冲孔第二节锻造成形模型锻造的定义模型锻造又称为模锻，是利用压力或冲击力使金属毛坯在一定形状的锻模模膛内受压变形而获得锻件的锻造方法。模锻可分为锤上模锻、胎模锻和压力机上模锻。锤上模锻是指在蒸汽空气锤、高速锤等模锻设备上进行的模锻，其锻模由上、下模两部分组成。模锻时将加热好的坯料放在下模膛中，上模随同锤头一起上下往复运动锤击坯料，使其发生塑性变形并充满模膛，最终获得所需的锻件。锤上模锻工作示意图第二节锻造成形胎模锻是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法。一般采用自由锻方法使坯料初步成形，然后将坯料放在胎模模腔中终锻成形。胎膜结构：（a）扣模；（b）无上扣扣模；（c）套模；（d）无上模胎模锻虽然不及锤上模锻生产率高，精度也比较低，但它灵活，适应性强，不需昂贵的模锻设备，所用模具也较简单，成本低。胎模锻广泛用于中小批量的锻件生产。第三节冲压成形冲压成形是利用冲模使板料产生分离或变形以获得零件的加工方法，故也称为板料成形技术。一、冲压成形的定义冲压成形的工序冲压成形的基本工序有分离工序和变形工序两大类。什么是分离工序？分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序，如落料、冲孔、切断和修整等。（a）落料；（b）冲孔第三节冲压成形什么是变形工序？变形工序是使板料的一部分相对于另一部分在不开裂的情况下而产生位移的工序称为变形工序，如弯曲、拉深、翻边和成形（胀形）等。二、冲压设备与冲压模具冲压设备常用的冲压设备有剪床和冲床。其中冲床是冲压加工的基本设备。冲压模具冲压模具简称冲模，冲模的结构对冲压件的表面质量、尺寸精度、生产效率及模具的寿命等都有很大的影响。根据工序组合程度分类，冲模一般分为简单模、级进模和复合模三种。拉深第四节其它塑性成形技术在外加拉力的作用下，迫使金属坯料通过拉拔模的模孔使其变形的塑性加工方法称为拉拔成形。一、拉拔成形技术拉拔示意图：（a）线材拉拔；（b）不加芯轴管材拉拔；（c）加芯轴管材拉拔拉拔应力状态拉拔产品截面形貌图用于生产线材等；适用于加工低碳钢、有色金属及合金。

第四节其它塑性成形技术二、挤压成形技术挤压成形示意图挤压成形是使挤压筒中的坯料在强大的压力作用下从模具的出口或缝隙挤出，从而获得所需尺寸、形状零件的加工方法。挤压成形主要应用于金属型材和管材的生产。根据挤压时金属的流动方向和凸模运动方向的不同，挤压成形分为以正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压。挤压应力状态典型挤压件第四节其它塑性成形技术金属坯料在旋转轧辊的作用下产生连续塑性变形，从而获得所需截面形状的塑性加工方法称为轧制。常用的轧制方法有辊锻轧制、斜轧、横轧、辗环等。三、轧制成形技术辊锻轧制示意图辊锻轧制辊锻轧制是由轧制工艺应用到锻造生产中的一种新方法。当坯料通过一对相对旋转的扇形轧辊时，坯料受压而产生塑性变形，从而获得所需的锻件。第四节其它塑性成形技术用螺旋斜轧法生产钢球毛坯斜轧斜轧亦称螺旋斜轧，它是采用两个带有螺旋形槽的轧辊，互相交叉成一定角度并做相对旋转运动，使坯料在轧辊间既能绕自身轴线转动，又能向前推进，同时受压发生塑性变形而获得所需产品。第四节其它塑性成形技术辗环轧制示意图横轧轧辊轴线与轧件轴线平行，并且轧辊与轧件做相对转动的轧制方法称为横轧。横轧轧件内部的锻造流线与零件的轮廓一致，所以轧件的力学性能较高。环形毛坯在主动辊与从动辊之间受压变形，通过改变两辊间的距离，使坯料的厚度逐渐变小，直径逐渐增大，同时坯料的断面形状也发生变化。在扩孔过程中，工件、从动辊与主动辊旋转方向相反，导向辊、控制辊与主动辊转动方向相同。第四节其它塑性成形技术旋压成形过程示意图旋压成形将板料定在一旋转的芯模上，并使其随芯模旋转，用旋压滚轮对旋转的板料外侧局部施加压力，使板料在压力作用下发生连续的塑性变形，最后获得与芯模形状一样的成品。旋压成形是一种加工金属空心回转体的工艺方法。将板料定在一旋转的芯模上，并使其随芯模旋转，用旋压滚轮对旋转的板料外侧局部施加压力，使板料在压力作用下发生连续的塑性变形，最后获得与芯模形状一样的成品。谢谢观看ThankYouForWatching工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求了解焊接方法的分类、工艺特点及常用焊接方法的工艺过程；掌握电弧焊和激光焊的冶金过程及接头组织对接头力学性能的影响；掌握焊接应力的产生原因以及预防措施；了解焊接过程中可能出现的缺陷以及相应的检测方法；了解胶接工艺的原理、特点、工艺过程及适用范围。第11章焊接与胶接连接主要内容焊接方法与过程焊接变形与缺陷焊接方法的分类焊接的冶金过程焊接接头组织性能第11章焊接与胶接连接焊接变形产生的原因与预防措施焊接缺陷的种类与检测方法胶接原理与工艺胶接的原理胶接的工艺第11章焊接与胶接连接使材料连接在一起的方法有哪些？第11章焊接与胶接连接螺栓连接、键连接等。焊接、铆接等。材料的连接方式：可拆卸的连接方法不可拆卸的连接方法第11章焊接与胶接连接焊接在设备制造和基建设施中的应用天上飞的水上游的地上跑的压力容器工程机械建筑桥梁第一节焊接工程理论基础一、焊接方法的分类及其特点通过加压、加热或两者并用；用或不用填充材料；使金属间达到原子结合。达到原子之间的结合（金属晶格距离：0.3～0.5nm）。由于表面状态的影响，不通过加热或加压，工件之间是难以自然达到原子之间的结合的。实质使工件的材质达到原子间的结合，有两种方法：①加热结合处达到塑性或熔焊状态、降低变形阻力、增加原子的振动能②加压破坏接触表面氧化膜、增加有效面积第一节焊接工程理论基础一、焊接方法的分类及其特点焊接时所需压力与温度的关系影响焊接的主要因素有压力和温度。第一节焊接工程理论基础金属的焊接，按其冶金工艺过程的特点分为：熔焊、压焊和钎焊三大类。什么是熔焊？什么是压焊？什么是钎焊？加热压焊填充钎料加压熔焊钎焊融化区域-+第一节焊接工程理论基础熔焊压焊钎焊属液相焊接，母材接头被加热到熔化温度以上，一般不加压。属固相焊接，焊接过程必须施加压力，加热只起着辅助作用。属固-液相焊接，在接头之间加入熔点远低于母材的合金填充材料（钎料），局部加热使这些钎料熔化，而母材不熔化，借助于液态合金与固态接头的物理化学作用而实现焊接。第一节焊接工程理论基础第一节焊接工程理论基础二、电弧焊与激光焊焊条电弧焊的冶金过程1）电弧焊的冶金过程电弧焊时，焊接区各种物质在高温下相互作用，产生一系列变化的过程称为电弧焊冶金过程。第一节焊接工程理论基础2）电弧焊的特点电弧焊焊接钢材的过程包括熔化、氧化、还原、造渣、精练和合金化等一系列物理化学的冶金过程。焊接电弧和熔池金属的温度远超金属熔点（可达2000℃左右），金属蒸发、氧化和吸气现象严重。

熔池体积小、冷却速度快、液态金属停留时间短，各种化学反应未能充分地进行，不利于焊缝金属化学成分的均匀，并容易产生气孔和夹渣等缺陷。熔滴和熔池较难获得充分的保护。电弧的高温作用会导致有益的合金元素严重烧损。当熔池迅速冷却时，溶入金属的氢来不及逸出则会在焊缝中产生气孔。此外，一部分氧化物和氮化物残留在焊缝中会形成夹杂物。第一节焊接工程理论基础3）激光焊的冶金过程及特点激光照射到材料表面时，在不同激光功率密度作用下，材料将产生不同的物理现象，如表面温度升高、熔化、汽化、形成小孔及产生等离子体等。当功率密度较小（<104W/cm2）时，金属吸收激光的能量主要用于零件的表面热处理。功率密度的增大（104~106W/cm2）时，焊件表层会发生熔化，这个过程主要用于金属熔敷、合金化、表面重熔以及熔入型焊接。功率密度>106W/cm2时，焊件表面不仅会熔化，而且会发生蒸发，这个过程主要用于熔入型焊接。功率密度>107W/cm2时，焊件表面会发生剧烈蒸发，形成较高电离度的等离子体，会严重降低激光入射到金属内部的能量密度。第一节焊接工程理论基础三、焊接接头的组织和性能熔化焊接是一个局部进行、短时高温冶炼和凝固的过程。这种冶金和凝固过程是连续的，与此同时，周围未熔化的母材金属会受到短暂热处理作用。焊接过程会引起焊接接头组织和性能的变化，直接影响着焊接接头的质量。熔焊的焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区组成。焊接时接头截面上不同位置点的温度历程第一节焊接工程理论基础焊缝组织（柱状晶）1）焊缝焊缝是由熔池金属结晶形成的焊件结合部位。焊缝金属的结晶是从熔池底壁开始的。结晶时各个方向冷却速度不同，因而形成的晶粒是指向熔池中心的柱状晶。冷却速度很快，已凝固的焊缝金属中的化学成分来不及扩散，易造成合金元素分布不均匀。焊缝金属的力学性能一般不低于基体金属。第一节焊接工程理论基础低碳钢热影响区组织2）热影响区焊缝两侧母材组织和性能发生变化的区域称为焊接热影响区。热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。第一节焊接工程理论基础3）熔合区熔焊焊缝与母材的交界区称为熔合区。焊接过程中仅部分金属被熔化，熔化的金属将凝固成铸态组织，而未熔合的金属因加热温度过高而成为过热粗晶组织。熔合区的性能通常是整个焊接接头中最差的，其塑性、韧性极差，成为裂纹和局部脆性破坏的源点。在低碳钢焊接接头中，尽管熔合区很窄（仅0.1~1mm），但仍在很大程度上决定着接头的性能。在保证形成接头的前提下，减少熔合区、过热区。第一节焊接工程理论基础四、焊接应力与变形对接焊缝、圆筒环形焊缝的焊接应力分布焊接过程中焊件经历局部不均匀加热，是产生焊接应力和变形的根本原因。（金属材料热胀冷缩）1）焊接应力第一节焊接工程理论基础焊接应力应对措施：在结构设计时应选用塑性好的材料，避免使焊缝密集交叉，避免使焊缝截面过大和焊缝过长。确定正确的焊接次序。焊前对焊件预热。采用小能量焊接方法或捶击焊缝。焊后去应力退火。将焊件加热至500~650℃左右，保温后缓慢冷却至室温。水压实验或振动法消除焊接应力。第一节焊接工程理论基础2）焊接变形当焊接材料因刚性不足，承受不了焊接应力时就会产生变形，通过变形来削弱应力。如果焊接应力超过焊接材料的强度极限，焊接件不仅发生变形，而且还会产生裂纹。第一节焊接工程理论基础焊接变形应对措施：在结构设计中采用对称结构、大刚度结构或焊缝对称分布结构采用反变形措施或刚性夹持方法，但它不适用于焊接淬硬性较大的钢结构件和铸铁件。正确选择焊接参数和焊接次序。这样可使温度分布更为均匀，开始焊接时产生的微量变形可被后来焊接部位的变形所抵消，从而获得无变形的焊件。对于焊后变形小但已超过允许值的焊件，可采用机械矫正法或火焰加热矫正法加以消除。第一节焊接工程理论基础3）焊接裂纹在焊接接头中由焊接所引起的各种裂纹，统称为焊接裂纹。焊接裂纹在焊缝和热影响区中都有可能产生，是焊接过程中产生的最为危险的一种缺陷。焊接结构产生的破坏事故大部分都是由焊接裂纹所引起。焊接裂纹往往是内裂纹，存在重大的安全隐患。对重要焊件，焊后应进行焊接接头的内部探伤检查。第二节常用焊接方法一、熔焊利用热源局部加热的方法，将两工件接合处加热到熔化状态，形成共同的熔池，凝固冷却后，使分离的工件牢固结合起来的焊接称为熔焊。熔焊适合于各种金属材料、任何厚度焊件的焊接，且焊接强度高，因而获得广泛应用。熔化焊包括电弧焊、电渣焊、气体保护焊和高能束焊等。第二节常用焊接方法利用电弧作为焊接热源，用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法称为手工电弧焊，它是目前应用较为广泛的焊接方法之一。1）手工电弧焊药皮燃烧时产生大量CO2气流围绕于电弧周围，熔渣和气流可防止空气中的氧、氮侵入，起保护熔池的作用。随着焊条的移动，焊条前的金属不断熔化，焊条移动后的金属则冷却凝固成焊缝。第二节常用焊接方法埋弧焊是电弧在颗粒状焊剂层下燃烧的自动电弧焊接方法。2）埋弧焊药电弧在焊剂层下的焊丝和焊件之间产生，电弧热使焊件接头、焊丝和部分焊剂熔化，形成一个较大的熔池。第二节常用焊接方法焊接过程中，熔渣能对熔池和焊缝金属进行机械保护。随焊接的进行，电弧向前移动，焊丝不断送进，熔化后的金属逐渐冷却凝固形成焊缝。未熔化的焊剂经回收处理后，可重新使用。埋弧焊具有焊接品质高而且稳定、节省金属材料、劳动条件好和生产率高等特点，适用于批量生产。埋弧焊纵截面示意图第二节常用焊接方法气体保护焊是利用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。用作保护介质的有氩气和二氧化碳。3）气体保护焊——氩弧焊熔化极氩弧焊非熔化极氩弧焊氩弧焊是使用氩气为保护气体的电弧焊。氩弧焊主要用于焊接易氧化的非铁金属（如铝、镁、铜、钛及其合金）和稀有金属，以及高强度合金钢、不锈钢、耐热钢等。第二节常用焊接方法4）气体保护焊——二氧化碳气体保护焊CO2气体保护焊用二氧化碳气体作为保护气体的电弧焊称为二氧化碳气体保护焊。它以连续送进的焊丝作为电极，以自动或半自动方式进行焊接。CO2气体从环行喷嘴中喷出，保护焊丝末端和电极及熔池，使之与空气隔绝，起到保护作用。主要用于焊接低碳钢和低合金结构钢构件，不适于焊接易氧化的非铁金属及其合金。第二节常用焊接方法5）电渣焊电渣焊电渣焊是利用电流通过液态熔渣时所产生的电阻热作为热源的一种熔焊的方法。第二节常用焊接方法6）高能束焊接——电子束焊电子束焊高能束焊接包括等离子弧焊接、电子束焊接、激光束焊接以及它们的组合等。电子束焊是利用加速和聚焦的电子束，轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接。电子枪的阳极被通电加热至高温，发射出大量电子。发射电子在强电场的阴极和阳极之间受高压作用而加速，再经过聚焦形成高能量密度的电子束射向焊件。第二节常用焊接方法7）高能束焊接——激光束焊激光束焊激光束焊是以聚集的激光束作为热源的特种熔焊方法。常用的激光材料为红宝石、玻璃和二氧化碳。激光束的能量密度很大（105W/cm2）第二节常用焊接方法二、压焊1）电阻焊电阻焊又称接触焊，它是利用电流通过焊接接头的接触面时产生的电阻热，将焊件局部加热到熔化或塑性状态，在压力下，形成焊接接头的压焊方法。

第二节常用焊接方法在压力作用下从内部加热完成焊接，整个冶金过程比较简单。焊接时无需焊剂和气体保护，也不需要金属填充物，焊接成本低。热量集中，加热时间短，热影响区小。操作简单，便于实现自动化，生产效率高，无噪无尘，劳动条件好。焊接电阻和焊接电流均影响电阻热的改变，导致焊接接头品质不稳。缺乏可靠的无损检测方法对焊接质量进行检查。电阻焊设备复杂，价格昂贵，维修困难，耗电量大。电阻焊的优点电阻焊的缺点第二节常用焊接方法电阻焊的分类是利用柱状铜合金电极，在两块搭接焊件接触面之间形成焊点的焊接方法。点焊过程可分为彼此相连的三个阶段：预压、通电加热和顶锻。点焊与点焊相似，只是用转动的圆盘状电极取代点焊时所用的柱状电极。焊点的相互重叠约50%以上，具有气密性和液密性。缝焊把焊件装配成对接的接头，使其端面紧密接触。利用电阻热加热至塑性状态，然后迅速施加顶锻。对焊第二节常用焊接方法先对两接触面施加预压力，然后通电先通电，然后靠近施压第二节常用焊接方法2）摩擦焊摩擦焊是利用工件接触面摩擦产生的热量为热源，将工件端面加热到塑性状态，然后在压力下使金属连接在一起的焊接方法。两根圆棒的摩擦焊焊接第二节常用焊接方法3）钎焊钎焊是利用熔点比焊件金属低的钎料作填充金属，将母材与钎料加热到高于钎料熔点且低于母材熔点的温度，利用液态钎料浸润母材、填充间隙并与母材相互扩散作用实现焊接的一种方法。钎焊过程第二节常用焊接方法3）钎焊使用熔点高于450℃的钎料进行的钎焊焊接头强度较高（大于200MPa）。常用于焊接受力较大或工作温度较高的焊接，如车刀上硬质合金刀片与刀杆的焊接。硬钎焊使用熔点低于450℃的钎料进行的钎焊软钎剂主要有松香、氧化锌溶液等。软钎焊接头强度低，用于无强度要求的焊件，如各种仪表中线路的焊接。软钎焊第三节焊接结构设计焊接结构设计，要考虑其使用性能，结构工艺性能。焊接材料的选择焊接结构设计接头工艺设计焊接方法的选择第三节焊接结构设计1）焊接材料的选择在满足工作性能要求的前提下，首要考虑选用焊接性较好的材料。低碳钢和碳当量WCE<0.4%的低合金钢具有良好的焊接性碳的质量分数WC>0.4%的碳钢和碳当量WCE>0.4%的合金钢焊接性较差充分考虑其焊接对象的焊接性差异，按焊接性较差者采取相应工艺措施。多选用工字钢、角钢、钢管和槽钢等标准型材。对形状较复杂的部分，可以采用冲压件、铸件或锻件焊接。第三节焊接结构设计1）焊接材料的选择四块钢板焊成两根钢槽焊成两钢板弯曲后焊成容器上的铸钢件法兰合理选材以减少焊缝第三节焊接结构设计2）焊接方法的选择综合考虑焊件厚度、材料的焊接性、产品质量要求、各焊接方法的适用范围、现有设备条件和生产批量。板厚度10~30mm，可用埋弧自动焊、焊条电弧焊或CO2气体保护焊。薄板，则可选用缝焊或点焊。较短的焊缝可选用焊条电弧焊，而长直或大直径环形焊缝，则适用于埋弧自动焊。焊接不锈钢、铝及铝合金等重要工件，要使用氩弧焊来保证焊接质量。第三节焊接结构设计3）焊接接头工艺设计焊缝布置设计。考虑易于操作，并有利于提高结构强度，减小焊接应力和变形。接头形式设计。要考虑强度要求、结构形状、工件厚度、焊接方法、焊后变形量、焊条消耗量以及加工坡口的难易程度等。第三节焊接结构设计3）焊接接头工艺设计典型问题举例焊条电弧焊要注意焊条操作空间第三节焊接结构设计典型问题举例防止焊缝过分集中或者交叉第三节焊接结构设计典型问题举例尽可能减少焊缝的数量（适当选用冲压件与型钢）第三节焊接结构设计典型问题举例避开最大应力或应力集中处第三节焊接结构设计典型问题举例去除焊缝端锐角处第三节焊接结构设计常用焊接接头的形式常用对接接头I型坡口Y型坡口双Y型坡口带钝边U型坡口第三节焊接结构设计常用焊接接头的形式常用角接接头带钝边单边V型坡口带钝边双边V型坡口Y型坡口I型坡口第三节焊接结构设计常用焊接接头的形式常用T型接头带钝边双边V型坡口I型坡口第三节焊接结构设计常用焊接接头的形式常用搭接接头第三节焊接结构设计接头过渡形式不同厚度金属材料对接的过渡第三节焊接结构设计接头过渡形式第四节焊接质量检验焊接缺陷焊接质量检验焊接检验破坏性检验非破坏性检验（即无损检测）尺寸与外观不符合要求表面裂纹焊接裂纹未焊透未熔合气孔咬边焊瘤凹坑夹渣烧穿塌陷危害最大的是：裂纹、未焊透和夹渣第四节焊接质量检验1）焊接缺陷是危害减少了焊缝的承载截面积，削弱了焊缝强度；由于缺陷形成的缺口尖端会发生应力集中和脆化现象，容易产生裂纹并扩展。密封容器上的焊接缺陷可能会穿透筒壁，发生泄漏，影响致密性。第四节焊接质量检验未焊透重点缺陷焊接裂纹第四节焊接质量检验2）焊接检验方法破坏性检验。（从焊件或试件上截取试样或整体破坏的检验方法）包括检验力学性能、化学成分和金相组织等。非破坏性检验。（即无损检测，是焊接检验的重点）包括：外观检验、无损检测、焊后成品强度检验和致密性检验等。第五节胶接连接胶接是利用胶粘剂使两个零件在结合面处产生足够连接强度的工艺。连接工艺简便，既适合于同种材料，也适合于异种材料。在航空、通讯电子、设备制造等领域得到广泛应用。是工程技术上不可缺少的一种连接方法。原理胶接连接接头设计工艺第五节胶接连接1）胶接的原理通过胶接物表面与胶粘剂发生机械结合、物理吸附和化学键合等作用，而牢固的连接在一起。机械锚固结合胶接原理化学反应分子扩散物理吸附第五节胶接连接2）胶粘剂成分一般以水作溶剂，其成分简单，使用范围窄。如动物骨胶、植物淀粉等。天然胶粘剂胶粘剂合成胶粘剂合成胶粘剂应用范围广。主要成分包括粘料、固化剂、增韧剂、稀释剂及附加物等。第五节胶接连接3）胶接工艺过程涂上胶粘剂表面清洗/表面改性合成胶粘剂调胶与配胶（顺序加料配制）粘料稀释剂增韧剂填料固化剂添加剂第五节胶接连接4）胶接接头的设计设计原则：1、可能使胶接接头胶接层受压、受拉伸和剪切作用；2.采取有效措施，使接头不要受剥离和劈裂作用；3.合理设计较大的胶接接头面积，提高接头承载能力；4.对于承受较大作用力的胶接接头，需进一步提高胶接接头的承载能力，可采用“胶接+焊接”、“胶接+铆接”和“胶接+螺栓”等复合联结的接头形式；5.胶接接头的结构形式还应