第一篇：大型復合材料成型工裝熱
大型復合材料成型工裝熱-結構耦合變形分析
熱壓罐成型工藝是目前廣泛應用于先進復合材料結構、蜂窩夾層結構及復合材料膠接結構的主要成型方法。在成型過程中，復合材料制件是在高溫高壓下與工裝一起放進熱壓罐中固化成型，制件固化成型后幾乎不再做任何加工，外表尺寸應滿足裝配協(xié)調要求，不允許強迫裝配。然而，工裝在整個成型過程中因承受高溫熱載荷、自身重力及成型輔助件壓力的共同作用而發(fā)生變形，工裝的變形直接影響到制件固化變形而最終影響到復合材料制件的實際形狀和尺寸精度。
針對目前較為常用的熱壓罐成型工裝，國內外對熱壓罐成型工藝參數(shù)和工裝結構因素對工裝溫度場均勻性的影響進行了研究[1-3]，并研究了固化工裝變形對復合材料內部殘余應力的影響[4-6]。岳廣全等[7] 針對當前應用較多的框架式工裝在工藝過程中的變形進行了研究。
本文以柱支撐形式建立大型復合材料固化工裝模型，在保證支撐形式滿足工裝靜力剛度的前提下，研究其在熱壓罐成型過程中熱-結構耦合作用下的結構變形。
柱支撐形式固化工裝
對大型復合材料固化工裝，工裝模具的型面需要根據(jù)固化成型后的復合材料曲面進行調整，復合材料成型的多樣性勢必增加工裝制作的經(jīng)濟成本和制作周期。針對此問題，對以柱支撐為支撐形式的工裝，支撐部分與工裝模具的接觸面積小，工裝模具型面改變后，支撐柱的生產(chǎn)加工簡單易行；此外，工裝內部結構簡單，利于熱空氣的流通，可以提高工裝和熱空氣之間的傳熱效率。
為方便后續(xù)研究，對柱支撐形式的工裝，以結構相對簡單的平板型面工裝為例（見圖1），分析工裝在復合材料固化成型過程的變形情況。圖1中工裝的型面厚度為20mm，模型尺寸為15000mm×5000mm×1000mm，支撐柱截面設為正方形，尺寸為100mm×100mm。模具材料為殷鋼，密度ρ=7900kg/m3，彈性模量E=214GPa, 泊松比ν=0.3，線膨脹系數(shù)α=1.7×10-6/K。
對工裝進行靜力分析，可通過調節(jié)支撐柱數(shù)量來控制工裝型面變形量大小。為了比較靜力作用下的變形量和熱-結構耦合作用下的變形量，使用70 個支撐柱。對圖1中工裝進行靜力分析（見圖2），工裝總變形量為0~0.00635mm，垂直型面方向變形量為0~0.00627mm ；靜力作用下，70個支撐柱的工裝結構變形量微小，說明以支撐柱為支撐形式的工裝完全可以滿足靜力作用下的剛度要求。
成型工裝熱-結構耦合分析
由經(jīng)驗和工藝試驗可知工裝的變形均在毫米量級，工裝的尺寸在幾米至十幾米，工裝結構變形不會對熱壓罐內的氣體流動產(chǎn)生明顯影響。由于流體計算對網(wǎng)格要求較高，文中使用專業(yè)流體仿真軟件FLUENT進行工裝及熱壓罐內整個流場的網(wǎng)格劃分，如圖3所示。對工裝建立的有限元模型既可以適用于溫度場的計算，也可以用于工裝的結構變形計算。熱壓罐工藝規(guī)范簡化如圖4所示，溫度場計算所用相關材料參數(shù)如表1所示。
對復合材料固化工裝而言，工裝型面的變形將直接影響與其接觸的復合材料制件的成型質量，垂直型面方向的翹曲變形將直接影響到大尺寸復合材料成型的曲率精度，所以型面變形場的表征方法應該與型面的變形直接相關。為對成型工裝的型面變形量進行表征，所用支撐柱如圖5所示。
圖1所示工裝中，其型面存在眾多可用于表征型面變形量的位置，為方便解釋問題，以支撐柱坐標所對應的型面位置的變形量來表征型面變形。鑒于模型所用支撐柱數(shù)量較多且考慮到模型結構的對稱性，選取代表性的支撐柱坐標：U1V1、U7V1、U14V1、U1V3、U7V3、U14V3、U1V5、U7V5、U14V5、U3V1、U3V3 和U3V5，共12 個坐標位置。對流體仿真在整個熱歷程中計算得到的工裝溫度場，每隔100s存儲一個溫度場數(shù)據(jù)文件；將包含節(jié)點溫度值的有限元模型導入有限元分析軟件ANSYS，同時施加重力載荷，計算得到對應時刻熱-結構耦合作用下工裝的結構變形量。
計算結果分析
復合材料在熱壓罐中固化分為3個熱歷程：升溫、恒溫和降溫，此過程中工裝溫度場分布的不均勻性導致各部分熱應力分布不均勻，工裝在熱應力和自重載荷耦合作用下產(chǎn)生變形。熱歷程中工裝變形量最大值分布如圖6所示，從圖中可得出：
（1）整個熱歷程中，工裝總變形量最大值達4.662mm。
（2）工裝沿自身長度方向變形量最大值為4.596mm，與總變形量最大值較為接近。
（3）工裝沿自身寬度方向和高度方向的變形量最大值分別為0.805mm 和0.339mm，其變形量相對于工裝長度方向變形量較小。
熱應力不均勻導致的變形量最大值為靜力載荷導致工裝變形量的53~734 倍，這說明在復合材料固化成型過程中，熱應力載荷對工裝結構變形起著決定性作用。
圖6反映出工裝總變形量最大值隨時間的變化，不能得出熱應力不均勻導致的型面翹曲對型面的影響。對工裝型面翹曲的表征從沿工裝長度方向（圖5 中U 方向）和沿工裝寬度方向（圖5 中V 方向）這兩個方面來闡述：沿工裝長度方向的翹曲，采用V1 上的U1V1、U7V1、U14V1，V3上的U1V3、U7V3、U14V3 和V5上的U1V5、U7V5、U14V5 位置作為監(jiān)測點；沿工裝寬度方向的翹曲，采用U3上的U3V1、U3V3、U3V5，U7上的U7V1、U7V3、U7V5 和U14 上的U14V1、U14V3、U14V5 位置作為監(jiān)測點。由圖7得知：
（1）沿V3方向，其中間位置、迎風端及背風端位置由于均受到加熱而使Z向變形量在熱歷程升溫階段逐漸增大；進入恒溫階段后，中間位置處Z向變形量基本趨于平穩(wěn)，迎風端和背風端由于與環(huán)境熱空氣的溫差不一致導致升溫幅度不同，各自的Z向變形量不同；降溫階段，其變形量趨勢基本與升溫階段相反。
（2）沿V1和V5方向，迎風端位置Z 向變形量在熱歷程中先是低于后又高于中間位置和背風端位置的Z向變形量。
（3）迎風端位置相對于中間位置的Z向變形量先是低于后又高于背風端位置相對于中間位置的Z向變形量。這是因為迎風端雖然首先與環(huán)境空氣相接處，但工裝內部的支撐柱在空氣流經(jīng)工裝內部時對其形成擾流作用，使工裝內局部空氣流動速度明顯大于工裝外部，中間位置的支撐柱與空氣換熱速率增大。
（4）V3方向，內部支撐柱的擾流作用使背風端位置相對于中間位置的Z向變形量先急劇增大后趨于平穩(wěn)，然后迅速下降；V1和V5方向，其處于工裝外圍與工裝外部流動空氣直接接觸，背風端位置相對于中間位置的Z向變形量在整個熱歷程中變化較平緩。
另外，研究表明：
（1）沿工裝寬度方向，翹曲變形基本處于對稱狀態(tài)。
（2）在U7方向上，兩端位置相對中間位置的Z向變形量在升溫階段急劇增大，在恒溫階段達到最大值并緩慢下降，進入降溫階段后急劇減小。
（3）在U3和U14方向上，監(jiān)測位置處的Z向變形量曲線在熱歷程中基本保持一致；因為工裝寬度方向尺寸相對較小，在熱歷程不同階段，空氣流態(tài)在寬度方向上對溫度場差值影響較小。
（4）在U3和U14方向上，兩端位置相對中間位置的Z向變形量在升溫階段急劇增大，進入恒溫階段后迅速下降；在恒溫階段后期出現(xiàn)緩慢變化，進入降溫階段又迅速下降。
在復合材料的熱壓罐固化過程中，對柱支撐形式的固化工裝型面，溫度不均勻性導致的型面翹曲變形較為復雜。在工裝結構內部，支撐柱存在位置所對應型面的局部變形量大于沒有支撐柱存在的位置，這是因為支撐柱對空氣的擾流作用加快了支撐柱與周圍空氣之間的熱傳遞。圖8為3200s時工裝溫度場及Z向結構變形量分布云圖。
結束語
本文以柱支撐形式建立大型復合材料固化工裝模型，在保證工裝結構靜力剛度的前提下，計算得到工裝在熱壓罐固化工藝過程中的溫度場分布，然后把重力載荷，施加到帶有溫度值的有限元模型上進行工裝的熱-結構耦合分析。得到結論如下：
（1）成型工裝在熱-結構耦合作用下，相對于重力載荷熱應力載荷對工裝結構變形起決定性作用。（2）對工裝型面在垂直型面方向的變形量，有支撐柱存在的位置大于無支撐柱存在的位置。
第二篇：熱成型技術（定稿）
王輝：熱成型技術可以幫助汽車節(jié)能減排http://auto.QQ.com
2009年10月20日18:31
騰訊汽車
我要評論(0)主持人：下面進行今天最后一個主題演講。下面有請本特勒汽車工業(yè)亞太區(qū)車身技術總監(jiān)王輝博士。他演講的題目是汽車安全設計及車身輕量化——本特勒熱成型技術的應用。
王輝：我叫王輝，我來自德國本特勒集團。
不管現(xiàn)在的汽車動力是混合型的動力，還是電池的電動力，汽車車身輕量化的問題是一個主要的問題，汽車越輕，同樣的動力他跑得越快，在同樣的動力下他跑得遠。所以我們今天的題目主要是講一下怎么樣用現(xiàn)代的工業(yè)技術以及新材料把車身在滿足一些技術條件，比如說碰撞條件、干路條件下能滿足輕量化，在節(jié)能減排方面做一些貢獻。節(jié)能減排是一個大趨勢，本特勒作為全球最大的汽車零部件供應商之一，我們可以說本特勒也在行動以節(jié)能減排。
我今天題目主要有幾個部分，在技術報告之前，我用幾分鐘給大家介紹一下本特勒。另外，我再介紹一下關于二氧化碳的減排，這個題目今天我們前面的報告人都已經(jīng)介紹了，我再簡單介紹一下。另外，在車身上面材料的使用，為什么使用這個材料，這個材料有什么好處。我以前在國內做報告的題目就是這樣：對于不同的零件我們可以使用不同的材料，滿足他的技術要求，根據(jù)這個設計來滿足輕量化的要求。另外，我給大家介紹我們近一兩年在市場上推廣的三個技術。最后，我要介紹三個例子，通過這三個例子大家可以看出來，作為節(jié)能減排，我們車的輕量化怎么能夠在車的設計過程中考慮到成本的要求、輕量化的要求、技術的要求。
首先，本特勒。本特勒是一個家族企業(yè)，它已經(jīng)存在了130年的歷史。他以前是一個鐵匠出身的，在50年代的時候，他曾經(jīng)生產(chǎn)過五千輛最小車。60年代，本特勒集團分成三個分支，有鋼管、鋼材、汽車技術、貿(mào)易。我們今天主要講的是汽車貿(mào)易，在汽車貿(mào)易里面我們有三個產(chǎn)品部門，第一個是底盤部門，我是來自車身部門的。另外一套，我們還有發(fā)動機和排氣管道部門，另外，我們還有工程技術公司。本特勒全球在汽車行業(yè)總共在二十多家，有52個工廠16個研發(fā)中心，去年在汽車行業(yè)的銷售量是46億歐元，全球18000名員工。它的主要產(chǎn)品提前已經(jīng)提到了，主要是底盤，底盤部門有底盤零件和底盤模塊。我們還有車身件，車身件在車身里面，主要是A鑄、B鑄、前面保險杠這些系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在汽車輕量化里面可以做很多的文章，因為在車身里面，碰撞是一個主要的，現(xiàn)在國內汽車要打開國際的碰撞門，你必須考慮到你這個車的設計，怎么樣才能設計出一個車在國外歐洲碰撞的時候能夠達到它的五星、四星的要求。我們這里面主要的安全零部件就拆開了熱成型技術。我們主要發(fā)動機的鋼管和排氣管道，我們公司還有一個鋼管廠，它是高強度的鋼管它的抗強度能夠到1600兆發(fā)左右。
這是我們公司以后要創(chuàng)新發(fā)展的未來，現(xiàn)在主要有三個：去年我們在國內搞技術展覽的時候，我們已經(jīng)提到這三個模塊：這三個模塊一個是有效合理的利用資源。有效合理的利用資源主要是考慮加工，我們通過不同的創(chuàng)新、改革使我們的先進工藝技術應用到生產(chǎn)中去，使能源消耗降低。這樣我們有效的使用資源。另外，我們考慮到安全性。因為汽車的安全性是一個主要的課題，我們生產(chǎn)出來的車必須要安全。另外，就是環(huán)境保護，我們主要是考慮到怎樣使汽車輕量化以達到減排的效果。所以我們不但在汽車零部件里面使用熱成型技術，還有碳纖維材料，我們也可以提供這些產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)。
接下來簡單介紹我們公司的情況，我們公司在中國的業(yè)務也開展得很好，目前中國有四家工廠，兩家在上海，一家在長春，另外一家在福州，而且我們公司是第一家把熱成型技術引入中國的公司。前面介紹了我們公司。
下面講一下我們下一個課題，這個課題主要是二氧化碳的規(guī)則。這個規(guī)則主要是歐共體定的規(guī)則。02年65%的車二氧化碳的排放量必須不能超過130克，05年，55%的車必須達到這個要求，如果不能達到這個要求，有一個懲罰，就是懲罰我們汽車廠，如果汽車廠超過一克，罰款五歐元，如果超過四克，每一克要付費95歐元。從2019年以后，所有的車生產(chǎn)，如果超出了這個標準，每一克都要罰款95歐元。這對汽車輕量化起到了很大的作用。這里面我們做了一個市場調查，如果車身或者整車的總量減輕一公斤，它的油耗可以節(jié)省多少升每公里，但是二氧化碳的排放量減少0.06克。這個0.06克是一個很小的數(shù)字，我們可以忽略不計，但是如果你從北京開到上海，來回跑一趟，二氧化碳的排放量就是很大的數(shù)字。而且如果你超過一克，從2012年開始，如果減輕重量一公斤，我就可以節(jié)省成本5.7歐元。這5.7歐元人民幣就是57塊錢。我們通過這個可以看出來，汽車的輕量化是非常關鍵的。在滿足節(jié)能減排的大趨勢下，作為一個汽車工程技術人員，必須要考慮到汽車的輕量化。我們做過一個調查，車身重量占整個車的40%，如果我們把車身減輕，整個車的重量就能夠減輕?，F(xiàn)在一般的設計都是單一的車型，我可以用全鋼板車身結構，豪華車或者是奧迪車，全部是鋁合金材料。在將來我們要考慮的肯定是車身的多樣化，或者是材料的多樣化。你要用不同的材料到不同的零部件上面去。以滿足他的技術要求。這些材料比如說我們這里面說的有超高強度鋼，一般抗拉強度在800以上的我們叫它是超高強度鋼。比如說熱成型技術，它的抗拉程度可以到1500、1600。鋁合金、碳纖維復合材料，鎂合金，這些技術在我們公司里面都可以進行設計以及進行生產(chǎn)。而且我們有一些產(chǎn)品已經(jīng)在用這些方面的技術。
這是在德國汽車學會，由大眾汽車公司牽頭進行的研究。它是超級輕量化的車。這個車身的設計是有180公斤。這個車型是一個高爾夫(圖庫 論壇)的車型，這個高爾夫車型現(xiàn)在是180公斤，跟高爾夫
3、高爾夫4對比，它的材料減輕30%多。鋁合金占了53%，有96公斤左右。鋼板、鋼材66公斤，鎂合金11公斤，還有一些塑料件，這里面可能還有碳纖維復合材料。大家如果看一看的話，這里面的技術用了很多，比如說灰色的是熱成型零部件，這里面表示，前面中央通道及以及底盤，底部通道，都是用高強度鋼。為了滿足側面碰撞，A如和門底下的踏板，都是用熱成型技術。再看這個車，這個車在歐洲碰撞已經(jīng)拿到五個星，如果我們對它進行分析，看看哪些零部件我們可以改?？纯丛诖蟮牧悴考懿荒軠p輕它的重量。通過我們對前后保熱成型材料，對頂部、底部，我們整個可以做一下估算。在滿足這個技術要求情況下，碰撞要求、鋼度要求等等要求情況下，我們可以減輕重量66公斤，這個66公斤是什么概念？成本我們現(xiàn)在不要考慮。因為鋁合金和鎂合金的材料成本肯定是很高的。我們現(xiàn)在根據(jù)技術進一步的創(chuàng)新，我估計成本肯定會降下來。我們考慮到二氧化碳的排放。這個排放我們可以考慮它在生產(chǎn)中，比如說復合材料或者是鋁合金，它在生產(chǎn)中產(chǎn)生的二氧化碳提高了。但是，如果在使用期間它就降低了。而且在回收方面，因為復合材料等等的回收產(chǎn)生的二氧化碳也提高了。所以我們把整個考慮一下，如果一個車的使用壽命是20萬公里，我們可以計算一下，它的二氧化碳的排放量可以減排670公斤。這670公斤我們除20萬公里，等于是我們每公里減排4克二氧化碳。你一公斤，或者是一克，如果沒有達標，你必須罰款95歐元，4克相當于400歐元左右，通過我們的分析，我們認為有可能根據(jù)我們的技術，尤其是熱成型技術，我們能滿足節(jié)能減排的要求。前面談到了很多的熱成型技術，熱成型到底是什么樣的技術？熱成型其實是很簡單的一個技術。大家可以看出來，這個工藝過程很簡單，首先是開點、下料，進行爐子的加溫，這個溫度一般是在950度左右加溫。加溫以后，一次沖壓成形，然后再進行冷卻。這個技術和一般的沖壓技術的區(qū)別多了一個模子。模具里面有一套冷卻系統(tǒng)。它減輕重量，因為它強度提高了，所以重量可以減輕。而且可以減少它里面加強板的數(shù)量，比如說我們可以看出來，這里面的中央通道是大眾車的一個通道，我們可以通過熱成型技術可以用到中央通道里面去，加強板等一些零部件就可以省掉了。因為我們是一次成型，所以我們就需要一套模具。同時，它的成型的精度非常高。另外，它的碰撞的能力非常優(yōu)秀。
這是我們一般用在汽車材料上面的圖，我們也稱它為香蕉圖，因為它的形狀像香蕉。一般我們國內在車身的材料是在這個范圍之內，它的強度是200兆帕，它的強度是40%，因為它比較軟，比較容易成型。它的原始材料沒有加溫之前強度已經(jīng)很高了，延伸率15%。通過加熱，它的材料里面，晶體發(fā)生變化，然后變到這個程度情況下，我們進行沖壓成形，這個材料一加熱950度以后，鋼板肯定還是軟的，在這個情況下加熱成型。成型的同時進行冷卻。冷卻是軋果處理了，它的強度就提高了。熱成型技術和我們老祖宗以前造劍的技術是一樣的。王麻子菜刀很快，它的刀的成型也是經(jīng)過爐子里面燒，進行錘打，到爐子里面冷卻。這個工藝的好處是它的成型在25秒到30秒這么很短的時間內來完成。這個技術是很關鍵的。這個材料是1600兆帕，跟200兆帕相比，我們強了8倍。國內的這些廠家經(jīng)常提這個問題，你這個材料技術好，哪個零部件我是第一優(yōu)選，比如說要熱成型技術。這里面是我們在市場調查，上面這些圖形，所有這些零部件標志，在06年以前都可以采用熱車型技術進行生產(chǎn)的?，F(xiàn)在我們已經(jīng)拓寬了，比如說這個中央通道，在06年如果這個曲線進行對比，本特勒每年可以生產(chǎn)八百萬件，而且BERU是在汽車零部件里面首選的零部件。
熱成型我們公司是全球領先的，我們不光停留在以前的熱成型技術上面，我們這幾年在熱成型技術開發(fā)獲得了很大的成功。比如說我們最里面一個技術，這個技術我們通過分析計算，我們發(fā)現(xiàn)這些零部件BERU的厚度，到底不部不要那么厚，中間厚一點，根據(jù)不同的厚度，我們可以在材料開展的過程中進行汞壓，使得板的厚度根據(jù)我們的要求來調整軋汞的參數(shù)來滿足他不同的厚度。沖壓以后下料，下料以后進行熱成型，最后沖壓成形。這里面的好處，我哪個地方厚就可以進行熱成型加工，一套模具就可以滿足他的要求。這個技術我們已經(jīng)成功的用到了寶馬X5(圖庫 論壇)上面去。
另外一個，打補丁技術，在碰撞的時候，有機的部位會加強，加強需要加強板和加強金。我們在BERU的技術里面，兩個料同時進行下，下完了以后點焊連接起來，一起送到爐子里面加溫，一次成形，這個技術解決了：第一，省一套工序費用。第二，如果你單獨進行加工，最后技術組裝焊接的話，它的強度很高，焊接不在一起。這種技術它解決了撞碰帶來的困難。這里面大家要問了，你在加溫之前焊在一起了，再加熱以后再成型，這兩個點會不會脫落？我們可以解決這個問題。另外，局部進行加熱，尤其在側面碰撞，它里面的要求特別高，最高的要求你頂部材料強一點，底部弱一點，所以碰撞的時候，底部吸收能量多一點。我們這個技術現(xiàn)在已經(jīng)成功的運用到了奧迪Q5(圖庫 論壇)的技術上面去了，奧迪Q5去年在歐洲獲得車身展的最優(yōu)秀獎。一般碰撞的時候頂部變形小一點，底部變形大一點。如果我們以熱成型，不同材料局部加熱，底部變形很小，頂部變形很大，可以滿足碰撞的要求，使得底部能量吸收多一點，因為底部的空間比較大。在優(yōu)化的過程中我們發(fā)現(xiàn)，這里面有一個輕量化的對比。如果用冷成型，它的重量是8.7公斤，如果我們用這個技術，4.5公斤。整車的重量減輕4.3公斤。我們不斷的提高，還可以把重量減輕。
下面講三個例子。我們經(jīng)過分析、計算，完全可以做到把外面這個板熱成型，如果我們采用熱成型技術，連成的三件我們可以連件進行組成，重量可以減輕八公斤，性能可以提高，成本上面少了一個零件，總量減輕了，裝配成本減少了。所以我們這個零件在葡萄牙進行量產(chǎn)。另外，我們這里面做了一個例子，這個車已經(jīng)碰撞無形，但是由于車底很重，我們通過進行比較可以看出來，這里面有五層板連接起來的，大家看這個照片，這個照片是這個車子的切割照片，這個車子是帕薩車車子的切面，這里面就是用熱成型技術，我們可以在保證它的性能的情況下，減輕車底的重量7%，這個7%的數(shù)字很小，但是這個車420公斤，7%的概念相當于是30公斤左右。最后一個例子，我們把20年以前的車進行分析，看這個車能不能滿足現(xiàn)在的歐洲碰撞要求。大家可以看出來，如果20年前的車與我們在做碰撞，全面的碰和側面的碰，整個車壓縮得很大，我們對它進行分析，以前用的車身材料沒有用高強度鋼，用600兆帕的鋼也是占8%左右。我們進行優(yōu)化、分析，采用高強度鋼，我們可以發(fā)現(xiàn)，最里面優(yōu)化前和優(yōu)化后，我們可以減少它的變形將近800毫米，800毫米可以把里面的駕駛員的生命進行保護，碰撞以后他沒有進行壓縮。車內碰撞可以減少500毫米。
這就是我今天要做的報告，謝謝大家！
第三篇：熱成型知識點小結
金屬工藝學
金屬工藝學是一門研究有關制造金屬機件的工藝方法的綜合性技術學科.主要內容: 1 常用金屬材料性能 各種工藝方法本身的規(guī)律性及應用.金屬機件的加工工藝過程、結構工藝性.熱加工：金屬材料、鑄造、壓力加工、焊接目的.任務：使學生了解常用金屬材料的性質及其加工工藝的基礎知識，為學習其它相關課程及以后從事機械設計和制造方面的工作奠定必要的金屬工藝學的基礎.[以綜合為基礎，通過綜合形成能力]
第一篇 金屬材料
第一章 金屬材料的主要性能
兩大類： 使用性能：機械零件在正常工作情況下應具備的性能.包括：機械性能、物理、化學性能 工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、切削性能等.第一節(jié) 金屬材料的機械性能
指力學性能---受外力作用反映出來的性能.一 彈性和塑性：
1彈性：金屬材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當外力去掉后能恢復其原來形狀的性能.力和變形同時存在、同時消失.如彈簧：彈簧靠彈性工作.塑性：金屬材料受外力作用時產(chǎn)生永久變形而不至于引起破壞的性能.（金屬之間的連續(xù)性沒破壞）塑性大小以斷裂后的塑性變形大小來表示.塑性變形：在外力消失后留下的這部分不可恢復的變形.拉伸圖
金屬材料在拉伸過程中彈性變形、塑性變形直到斷裂的全部力學性能可用拉伸圖形象地表示出來.以低碳鋼為例
ζb
ζk
ζs
ζe
ε（Δl）
將金屬材料制成標準式樣.在材料試驗機上對試件軸向施加靜壓力P，為消除試件尺寸對材料性能的影響，分別以應力ζ（即單位面積上的拉力4P/πd2）和應變（單位長度上的伸長量Δl/l0）來代替P和Δl，得到應力——應變圖
1）彈性階段oe
ζe——彈性極限
2）屈服階段：過e點至水平段右端
ζs——塑性極限，s——屈服點
過s點水平段——說明載荷不增加，式樣仍繼續(xù)伸長。
（P一定，ζ=P/F一定，但真實應力P/F1↑ 因為變形，F(xiàn)1↓）
發(fā)生永久變形
3）強化階段：水平線右斷至b點 P↑ 變形↑
ζb——強度極限，材料能承受的最大載荷時的應力.4）局部變形階段bk 過b點，試樣某一局部范圍內橫向尺寸突然急劇縮小.“縮頸”（試樣橫截面變小，拉力↓）延伸率和斷面收縮率：——表示塑性大小的指針
1）延伸率： δ= l0——式樣原長，l1——拉深后長
2）斷面收縮率： F0——原截面，F(xiàn)1—拉斷后截面
* 1）δ、ψ越大，材料塑性越好
2）ε與δ區(qū)別：拉伸圖中 ε=ε彈+ε塑，δ=εmas塑
3）一般δ〉5%為塑性材料，δ〈5%為脆性材料。
條件屈服極限ζ0。2
有些材料在拉伸圖中沒有明顯的水平階段.通常規(guī)定產(chǎn)生0.2塑性變形的應力作為屈服極限,稱為條件屈服極限.二 剛度
金屬材料在受力時抵抗彈性變形的能力— 材料本質
彈性模量—在彈性范圍內,應力與應變的比值.其大小主要決定材料本身.相當于單位元元變形所需要的應力.ζ=Εε, Ε=ζ/ε=tgα
2幾何尺寸形狀受力
相同材料的E相同,但尺寸不同,則其剛度也不同.所以考慮材料剛度時要把E形狀尺寸同時考慮.還要考慮受力情況.三 強度
強度指金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力.按作用力性質的不同,可分為:
抗拉強度 ζ+ 抗壓強度ζ-抗彎強度ζw
抗剪強度ηb 抗扭強度ζn
常用來表示金屬材料強度的指標:
屈服強度:(Pa N/m2)Ps-產(chǎn)生屈服時最大外力, F0-原截面
抗拉強度(Pa N/m2)Pb-斷裂前最大應力.ζs ζb在設計機械和選擇評定材料時有重要意義.因金屬材料不能在超過ζs的條件下工作,否則會塑變.超過ζb工作,機件會斷裂.ζs--ζb之間塑性變形,壓力加工
四 硬度
金屬抵抗更硬的物體壓入其內的能力—
是材料性能的綜合物理量,表示金屬材料在一個小的體積范圍內的抵抗彈性變形塑性變形或斷裂的能力.1布式硬度 HB
用直徑D的淬火鋼球或硬質合金球,在一定壓力P下,將鋼球垂直地壓入金屬表面,并保持壓力到規(guī)定的時間后卸荷,測壓痕直徑d(用刻度放大鏡測)則
HB=P/F(N/mm2)單位一般不寫.F-壓痕面積.HBS—壓頭用淬火鋼球, HBW—壓頭用硬質合金球
l 因鋼球存在變形問題,不能測太硬的材料,適于HBS<450, 如鑄鐵,有色金屬,軟鋼等.而HＢＷ＜６５０．
l 特點：壓痕大，代表性全面 l 應用：不適宜薄件和成品件 ２ 洛式硬度ＨＲ
用金剛石圓錐在壓頭或鋼球，在規(guī)定的預載荷和總載荷下，壓入材料，卸載后，測其深度ｈ，由公式求出，可在硬度計上直接讀出，無單位．
不同壓頭應用范圍不同如下表：
HRB ｄ＝1.588淬火鋼球 980.7 退火鋼 灰鐵 有色金屬
HRC 1200金剛石圓錐 1471 淬火 回火件
HRA 588.4 硬質合金 碳化物
優(yōu)點:易操作,壓痕小,適于薄件,成品件
缺點:壓痕小,代表性不全面需多測幾點.*硬度與強度有一定換算關系,故應用廣泛.根據(jù)硬度可近似確定強度,如灰鐵: ζb=1HBS
3顯微硬度(Hm)
用于測定金屬組織中個別組成體,夾雜物等硬度.顯微放大測量 顯微硬度(查表)與HR有對應關系.如:磨削燒傷表面,看燒傷層硬度變化.五 沖擊韌性ak
材料抵抗沖擊載荷的能力
常用一次擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的沖擊韌性,標準試樣一次擊斷,用試樣缺口處單位截面積上的沖擊功來表示ak
ak=Ak/F(J/m2)Ak=G(H-h)G-重量 F-缺口截面
脆性材料一般不開口,因其沖擊值低,難以比較差別.ak↑,沖擊韌性愈好.Ak不直接用于設計計算:在生產(chǎn)中,工件很少因受一次大能量沖擊載荷而破壞,多是小沖擊載荷,多次沖擊引起破壞,而此時,主要取決于強度,故設計時, ak只做校核.ak對組織缺陷很敏感,能夠靈敏地反映出材料品質,宏觀缺陷,纖維組織方面變化.所以,沖擊試驗是生產(chǎn)上用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理工藝質量的有效方法。
（微裂紋——應力集中——沖擊——裂紋擴展）
六 疲勞強度：
問題提出：許多零件如曲軸、齒輪、連桿、彈簧等在交變載荷作用下，發(fā)生斷裂時的應力遠低于該材料的屈服強度，這種現(xiàn)象——疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計，80%機件失效是由于疲勞破壞。
疲勞強度——當金屬材料在無數(shù)次交變載荷作用下而不致于引起斷裂的最大應力。
疲勞曲線——交變應力與斷裂前的循環(huán)次數(shù)N之間的關系。
例如：純彎曲，有色金屬N》108
鋼材N>107 不疲勞破壞
疲勞破壞原因
材料有雜質,表面劃痕,能引起應力集中,導致微裂紋,裂紋擴展致使零件不能承受所加載荷突然破壞.3預防措施
改善結構形狀,避免應力集中,表面強化-噴丸處理,表面淬火等.第二節(jié) 金屬材料的物理,化學及工藝性能
一 物理性能
比重: 計算毛坯重量,選材,如航天件 :輕
熔點:鑄造 鍛造溫度(再結晶溫度)
熱膨脹性:鐵軌 模鍛的模具 量具
導熱性: 鑄造:金屬型 鍛造:加熱速度 導電性: 電器元件 銅 鋁
磁性:變壓器和電機中的硅鋼片 磨床: 工作臺
二 化學性能
金屬的化學性能,決定了不同金屬與金屬,金屬與非金屬之間形成化合物的性能,使有些合金機械性能高,有些合金抗腐蝕性好,有的金屬在高溫下組織性能穩(wěn)定.如耐酸,耐堿等
如化工機械,高溫工作零件等
三 工藝性能
金屬材料能適應加工工藝要求的能力.鑄造性,可鍛性,可焊性,切削加工形等
思考題;什么是應力,應變(線應變)? 頸縮現(xiàn)象發(fā)生在拉伸圖上哪一點? 如果沒發(fā)生頸縮,是否表明該試樣沒有塑性變形? ζ0.2 的意義?能在拉伸圖上畫出嗎? 將鐘表發(fā)條拉成一直線,這是彈性變形還是塑性變形?如何判定變形性質?
5為什么沖擊值不直接用于設計計算?
第二章 金屬和合金的晶體結構與結晶
第一節(jié) 金屬的晶體結構
一基本概念:
固體物質按原子排列的特征分為: 晶體: 原子排列有序,規(guī)則,固定熔點,各項異性.非晶體:原子排列無序,不規(guī)則,無固定熔點,各項同性
如: 金屬 ,合金,金剛石—晶體 玻璃,松香 瀝青—非晶體
晶格: 原子看成一個點,把這些點用線連成空間格子.結點: 晶格中每個點.晶胞: 晶格中最小單元,能代表整個晶格特征.晶面: 各個方位的原子平面
晶格常數(shù): 晶胞中各棱邊的長度(及夾角), 以A(1A=10-8cm)度量
金屬晶體結構的主要區(qū)別在于晶格類型,晶格常數(shù).二 常見晶格類型
體心立方晶格: Cr ,W, α-Fe, Mo , V等,特點:強度大,塑性較好,原子數(shù):1/8 X8 +1=2 20多種 面心立方晶格: Cu Ag Au Ni Al Pb γ-Fe塑性好
原子數(shù):4 20多種 密排六方晶格: Mg Zn Be β-Cr α-Ti Cd(鎘)
純鐵在室溫高壓(130x108N/M2)成ε-Fe
原子數(shù)=1/6 x12+1/2 x2+3=6 , 30多種
三 多晶結構
單晶體-晶體內部的晶格方位完全一致.多晶體—許多晶粒組成的晶體結構.各項同性.晶?！庑尾灰?guī)則而內部晶各方位一致的小晶體.晶界—晶粒之間的界面.第二節(jié) 金屬的結晶
一 金屬的結晶過程(初次結晶)1 結晶: 金屬從液體轉變成晶體狀態(tài)的過程.晶核形成: 自發(fā)晶核:液體金屬中一些原子自發(fā)聚集,規(guī)則排列.外來晶核:液態(tài)金屬中一些外來高熔點固態(tài)微質點.晶核長大:已晶核為中心,按一定幾何形狀不斷排列.*晶粒大小控制: 晶核數(shù)目: 多—細(晶核長得慢也細)
冷卻速度: 快—細(因冷卻速度受限,故多加外來質點)
晶粒粗細對機械性能有很大影響,若晶粒需細化,則從上述兩方面入手.結晶過程用冷卻曲線描述!冷卻曲線
溫度隨時間變化的曲線—熱分析法得到
1)
理論結晶溫度
實際結晶溫度
時間(s)
T(℃)
過冷: 液態(tài)金屬冷卻到理論結晶溫度以下才開始結晶的現(xiàn)象.2)過冷度:理論結晶溫度與實際結 晶溫度之差.(實際冷卻快,結晶在理論溫度下)二 金屬的同素異購轉變(二次結晶重結晶)同素異構性—一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質.同素異購轉變—金屬在固體時改變其晶格類型的過程.如:鐵 錫 錳 鈦 鈷
以鐵為例: δ-Fe(1394℃)γ-Fe(912℃)α-Fe
體心 面心 體心
因為鐵能同素異構轉變,才有對鋼鐵的各種熱處理.(晶格轉變時,體積會變化,以原子排列不同)
第三節(jié) 合金的晶體結構
一 合金概念
合金: 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質.組元:組成合金的基本物質.如化學元素(黃銅:二元)金屬化合物
相:在金屬或合金中,具有相同成分且結構相同的均勻組成部分.相與相之間有明顯的界面.如:純金屬—一個相,溫度升高到熔點,液固兩相.合金液態(tài)組元互不溶,幾個組元,幾個相.固體合金中的基本相結構為固溶體和金屬化合物，還可能出現(xiàn)由固溶體和金屬化合物組成的混合物。
二 合金結構
固溶體
溶質原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體。
根據(jù)溶質在溶劑晶格中所占的位置不同，分為： 1）置換固溶體
溶質原子替代溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格中的某些結點位置，所形成的固溶體。*溶質原子，溶劑原子直徑相差不大時，才能置換
如：Cu——Zn Zn溶解度有限。Cu——Ni溶解度無限
晶格畸變——固溶強化：畸變時塑性變形阻力增加，強，硬增加。這是提高合金機械性能的一個途徑。
2）間隙固溶體
溶質原子嵌入各結點之間的空隙，形成固溶體。溶質原子小，與溶劑原子比為〈 0.59。溶解度有限。也固溶強化。
金屬化合物
合金各組成元素之間相互作用而生成的一種新的具有金屬性質，可用分子式表示的物質。如Fe3C WC
特點：（1）較高熔點、較大脆性、較高硬度。
（2）在合金中作強化相，提高強度、硬度、耐磨性，而塑性、韌性下降，如WC、TiC?？赏ㄟ^調整合金中的金屬化合物的數(shù)量、形態(tài)、分布來改變合金的性能
機械混合物
固溶體+金屬化合物、固+固——綜合性能
§4 二元合金狀態(tài)圖的構成
合金系：由給定的組元可以配制成一系列成分含量不同的合金，這些合金組成一個合金系統(tǒng)——
為研究合金系的合金成分、溫度、結晶組織之間的變化規(guī)律、建立合金狀態(tài)圖來描述。
合金狀態(tài)圖——合金系結晶過程的簡明圖解。
實質：溫度——成分作標圖，是在平衡狀態(tài)下（加熱冷卻都極慢的條件下）得到的。
二、二元合金狀態(tài)圖的建立
以Pb（鉛）-Sb（銻）合金為例： 配置幾種Pb-Sb成分不同的合金。
做出每個合金的冷卻曲線
3將每個合金的臨界點標在溫度—成分坐標上，并將相通意義的點連接起來，即得到Pb-Sb合金的狀態(tài)圖。
A B
D C E
液相線：ACB 固相線：DCE 單相區(qū)：只有一個相。
兩相區(qū)：兩個相。ACD、BCE。c—共晶點
*作業(yè)：
第三章 鐵碳合金
§1 鐵碳合金的基本組織
液態(tài)：Fe、C 無限互溶。固態(tài)：固溶體 金屬化合物
t ℃
1538 δ-Fe+C ——鐵素體F
1394 γ-Fe+C——奧氏體A
912 α-Fe+C——鐵素體F
s
一鐵素體
碳溶于α-Fe形成的固溶體——鐵素體F 體心立方，顯微鏡下為均勻明亮的多邊形晶粒。性能：韌性很好（因含C少），強、硬不高。δ=45~50%，HBS=
ζb=250Mpa 含碳： 727℃，0.02%
二 奧氏體
碳溶于γ-Fe中形成的固溶體—“A”
面心立方,顯微鏡下多邊形晶粒,晶界較F平直.性能:塑性好,壓力加工所需要組織.含碳最高;1147℃,2.11% HBS=170~220
三滲碳體
金屬化合物 Fe3C 復雜晶格,含碳:6.69%.性能:硬高HB(sw)>800，脆,作強化相.在一定條件下會分解成鐵和石墨,這對鑄造很有意義.四 珠光體P
F+Fe3C—機械混合物,含碳0.77%
組織:兩種物質相間組成,性能:介于兩者之間.強度較高: 硬度HBS=250
五 萊氏體
>727℃ A+Fe3C—Ld 高溫萊氏體 <727℃ P+Fe3C—Ld’低溫萊氏體
性能: 與Fe3C相似 HBS>700 塑性極差.§2鐵碳合金狀態(tài)圖
是表明平衡狀態(tài)下含C不大于6.69%的鐵碳合金的成分,溫度與組織之間關系,是研究鋼鐵的成分,自治和性能之間關系的基礎,也是制定熱加工工藝的基礎.含C>6.69在工業(yè)上午實際意義,而含C6.69%時,Fe與C形成Fe3C,故可看成一個組元,即鐵碳合金狀態(tài)圖實際為Fe-Fe3C的狀態(tài)圖.一鐵碳合金狀態(tài)圖中點線面的意義
各特性點的含義
1)A: 純鐵熔點 含C: 0% 1538℃
2)C: 共晶點 4.3% 1148
3)D: Fe3C熔點 6.69 1600
4)E: C在A中最大溶解度 2.11 1148
5)F: Fe3C成分點 6.69 1148
6)G: α-Fe與γ-Fe轉變點 0% 912
7)K: Fe3C成分點 6.69 727
8)P: C在α-Fe中最大溶解度 0.02 727
9)S: 共析點 0.77 727
10)Q: C在α-Fe中溶解度 0.0008 室溫
主要線的意義
1)ACD:液相線,液體冷卻到此線開始結晶.2)AECF:固相線 此線下合金為固態(tài)
3)ECF:生鐵固相線,共晶線,液體—Ld
4)AE: 鋼的固相線,液態(tài)到此線—A
5)GS:”A3” A到此線開始析出F
6)ES:”Acm” A到此線開始析出Fe3CⅡ
7)PSK:”A1”共析線.A同時析出P(F+Fe3C)
主要區(qū)域
1)ACE: 兩相區(qū)L+A 2)DCF:兩相區(qū)L+Fe3C1 3)AESG: 單相區(qū)A 4)GPS: A+F 兩相區(qū) 二 鋼鐵分類 工業(yè)純鐵: 含C<0.0218% 組織:F 鋼:含碳: 0.0218~2.11
共析鋼 含C=0.77% P
亞共析鋼 含C<0.77% P+F
過共析鋼 含C>0.77% P+Fe3C11 鐵 含C:2.11%~6.69%
共晶生鐵 4.3% C Ld’
亞共晶生鐵 < 4.3% C P+Ld’+ Fe3C11
過共晶生鐵 > 4.3% C Ld’+ Fe3C1
三 典型合金結晶過程分析
1共析鋼
L—L+A—A--P
2亞共析鋼
L—A+L—A—A+F—F+P
3過共析鋼
L—L+A—A—A+ Fe3C11--Fe3C1+P 共晶鐵
L—Ld—Ld’亞共晶鐵
L—1點—L+A—A+Ld—P+Ld’過共晶鐵
L—1點—L+Fe3C1—2點—Ld+ Fe3C1—3點---Fe3C1+Ld’
四 鐵碳合金狀態(tài)圖的應用
鑄造
確定澆鑄溫度 選材: 共晶點附近鑄造性能好 鍛造 鍛造溫度區(qū)間 A
3焊接 焊接缺陷用熱處理改善.根據(jù)狀態(tài)圖制定熱處理工藝
§3鋼的分類和應用
按化學成分:碳鋼: <2.11%C 少量Si Mn S P等雜質
合金鋼:加入一種或幾種合金元素
一 碳鋼 含碳量對碳鋼性能的影響
<0.9%C C↑強,硬↑ 塑,韌↓ FeC 強化相
>0.9%C C↑ 硬↑, 強, 塑,韌↓ FeC分布晶界,脆性↑ 2 鋼中常見雜質對性能的影響
Si: 溶于F ,強化F, 強,硬↑ 塑,韌↓.含量<0.03~0.4% 有益作用不明顯
Mn: 1)溶于F,Fe3C.引起固溶強化.2)與FeS反應—MnS 比重輕,進入熔渣,如量少,有益作用不明顯.S: FeS—(FeS+Fe)共晶體,熔點985℃,分布晶界,引起脆性”熱脆”
P: 溶于F,是強度,硬度↑,但室溫塑性,韌性↓↓ “冷脆”
碳鋼的分類
1)按含碳量分
低碳鋼 <0.25%C 中碳鋼: 0.25~0.6%C, 高碳鋼>0.6%C
2)按質量分(含S,P多少分)
普通鋼 S<=0.055%,P<=0.045%
優(yōu)質鋼 S,P<=0.04%
高級優(yōu)質鋼 S<=0.03% P<=0.035%
3)按用途分 碳素結構鋼, 碳素工具鋼 >0.6%C 碳鋼的編號和用途
1)普通碳素結構鋼:
Q235 數(shù)字表示屈服強度 單位Mpa
2)優(yōu)質碳素結構鋼
正常含錳量的優(yōu)質碳素結構鋼: 0.25~0.8%Mn 較高含錳量 0.15~0.6%C 0.7~1.0%Mn , >0.6%C 0.9~1.2%Mn 08 10 15 20 25 強↓ 塑↑ 沖壓件 焊件 35 40 45 50 55 60 強↑硬↑ 彈簧,軸,齒輪 耐磨件
耐磨件
數(shù)字表示含C 萬分8之幾
3)碳素工具鋼
T7T8 T13 數(shù)字表示含C千分之幾
高級優(yōu)質鋼加 A 含Mn高,加Mn T8MnA
二 合金鋼
常加合金元素: Mn Si Cr Ni Mo W V Ti B(硼)稀土元素(Xt)等
合金結構鋼
“數(shù) +元素符號+數(shù)”表示
數(shù)—含碳萬分之幾, 符號—合金元素，符號后面數(shù)表示含合金%, <1.5%不標, =1.5% 標2
若為高級優(yōu)質鋼,后加A
如: 60Si2Mn 0.6%C, 2%Si <1.5%Mn
18Cr2Ni4WA 0.18%C, 2%Cr, 4%Ni, <1.5%W 高級優(yōu)質
應用: 工程結構件, 機械零件
主要包括:低合金鋼,合金滲碳鋼,合金調質鋼,合金彈簧鋼,滾動軸承鋼等合金工具鋼:
數(shù)+元素符號+數(shù)
與結構鋼同
數(shù)—一位數(shù), 含C千分之幾,含C>=1.0%不標
如: 9SiCr(板牙, 絲錐)
0.9%C <1.5%Si <1.5%Cr
CrWMn(長鉸刀,絲錐,拉刀, 精密絲杠)
*高速鋼 含C<1.0也不標 W18Cr4V 0.7~0.8%C,18%W,4%Cr,<1.5%V
應用:刃具,模具,量具等
特殊性能鋼
不銹鋼: 1Cr13 1Cr18Ni9Ti 等
耐熱鋼: 1Cr13 2Cr13 >400℃ 工作
耐磨鋼: 高錳鋼水韌處理,沖擊下工作,表面產(chǎn)生加工硬化.并有馬試體在滑移面形成,表面硬度達HB450~550,表面耐磨,心部為A.水韌處理: 鋼加熱到臨界點以上(1000~1100℃)保溫,碳化物全容于A,水冷,因冷速快,無法析出碳化物,成單一A組織.§5 常用非金屬材料
一 高分子材料
天然: 羊毛 橡膠
人工合成: 塑料 人工橡膠 粘結劑等 有機玻璃 尼龍 丙綸 氯綸---商品名 工程塑料: 環(huán)氧樹脂
聚甲醛: 塑料手表中零件
聚酰亞胺: 絕緣
二 陶瓷
耐磨 耐蝕 脆 刀片 砂輪
三 復合材料
磨削軟片: 聚酰亞胺+金剛石
§4 金屬零件選材的一般原則
產(chǎn)品的質量和生產(chǎn)成本如何,與材料選擇的是否恰當有直接關系,機械零件進行選材時,主要考慮零件的工作條件,材料的工藝性能和產(chǎn)品的成本.基本原則如下: 滿足零件工作條件:
受力狀態(tài)—機械性能,基本 ζ δ αk 等
工作溫度環(huán)境介質—使用環(huán)境 ,高溫—耐熱,抗腐蝕—不銹鋼 高硬度—工具鋼
材料的工藝性能
零件的生產(chǎn)方法不同,直接影響其質量和生產(chǎn)成本.如:灰口鐵,鑄造性能 切削加工性很好,可鍛性差.經(jīng)濟性
價值=功能/成本
如: 耐腐蝕容器: 1)普通碳素鋼:5000元 用一年
2)奧氏體不銹鋼: 40000元 用10年
3)鐵素體不銹鋼: 15000元 用6年
1):2):3)=1:1.25:2 第四章 鋼的熱處理 §1 概述
一 鋼的熱處理: 把鋼在固態(tài)下加熱到一定的溫度進行必要的保溫,并以適當?shù)乃俣壤鋮s到室溫,以改變鋼的內部組織,從而得到所需性能的工藝方法
* 只改變組織和性能,而不改變其形狀和大小.熱處理是改善材料性能的重要手段之一,能提高產(chǎn)品質量,延長機件壽命,節(jié)約金屬材料,所以,重要機件都要經(jīng)過熱處理.(提問:前面學過的改善金屬材料性能的手段—固溶強化)
熱處理工藝曲線: 各種熱處理都可以用溫度—時間的坐標圖形表示.溫度
保溫
臨界溫度
加熱 冷卻
時間
應用廣泛:機械制造業(yè)中70%零件需熱處理.汽車 拖拉機 制造業(yè)70~80%
量具 刃具 模具 滾動軸承等100%
二 目的 冶金 鍛 鑄 焊毛坯或成品,消除缺陷,改善工藝性能.為后續(xù)加工(如機加)做好組織,性能,準備.退火 正火 是鋼件的機械性能提高,達到鋼件的最終使用性能指標,以滿足機械零件或工具使用性能要求.淬火+回火 表面淬火 化學處理
l 依據(jù):狀態(tài)圖
§2 熱處理過程中的組織轉變
一 鋼在加熱時的組織轉變
臨界溫度:
狀態(tài)圖上 A1 : 共析線(P-A)
臨界溫度: A3 : A析出F(F-A)極緩慢冷卻
Acm : A 析出Fe3CⅡ()
實際加熱臨界溫度 Ac1
Ac3 A “過熱”
Accm
實際冷卻臨界溫度 Ar1 P
Ar3 A 析出F “過冷”
Arcm 析出Fe3CⅡ
2組織轉變
1)共析鋼: P(F+Fe3C)---A
(1)A晶核形成:F和Fe3C界面上先形成A晶核
(因界面原子排列不規(guī)則,缺陷多,能量低)
(2)A晶核長大:F晶格轉變,Fe3C不斷溶入A, A晶核不斷生成,長大.F轉變快, 先消失.(3)殘余滲碳體的溶解:隨保溫時間加長, 殘余Fe3C逐漸溶入A
(4)A成分均勻化: A轉變完成后,各處含C濃度不均勻,繼續(xù)保溫,C充分擴散,得到單一的均勻A
這個過程是A重結晶的過程.2)亞共析鋼: F+P—Ac1—F+A—Ac3---A
3)過共析鋼: P+ Fe3CⅡ--Ac1—A+ Fe3CⅡ--Accm---A(晶粒粗化)
二 鋼在冷卻時的組織轉變
(鋼在室溫時的機械性能不僅與加熱,保溫有關,與冷卻過程也有關)冷卻方式
1)連續(xù)冷卻: 時加熱到A的鋼,在溫度連續(xù)下降的過程中發(fā)生組織轉變.水冷 油冷 空冷(正火)爐冷(退火)
2)
Ar1
(2)
(1)
等溫冷卻: 使加熱到A的鋼,先以較快的速度冷卻到Ar1線下某一溫度,成為過冷A,保溫,使A在等溫下發(fā)生組織轉變,轉變完,再冷卻到室溫.等溫退火 等溫淬火 共析鋼冷卻時的等溫轉變
以共析鋼為例,進行一系列不同過冷度的等溫冷卻實驗,可以測出過冷奧氏體在恒溫下開始轉變和轉變終了的時間,畫到”溫度—時間”坐標系中,然后,把開始轉變的時間和轉變終了的時間分別連接起來,即得到共析鋼的奧氏體等溫轉變曲線.又叫C曲線.1)高溫產(chǎn)物: Ar1 ～650℃ P 層片較厚 500X 顯微鏡 HRC10-20 650～600℃ 細珠光體 索氏體S HRC25~35 層片較薄 800~1000X 600～550℃ 極細珠光體 屈氏體T HRC30~40 層片極薄
l a）以上三種均為F+ Fe3C 層片相間的珠光體，只是層片厚度不同。
l b）由于過冷度從小到大，原子活動能力由強到弱，致使析出的滲 碳體和鐵素體層片越來越來薄。
l c）珠光體層片越薄，塑變抗力越大，強，硬越大。
2）中溫產(chǎn)物
550~350℃ 上貝氏體 B上 電鏡下觀察，滲碳體不連續(xù)，短桿狀，分布于許多平行而密集的鐵素體條之間。
350 ~ 230℃ 下貝氏體 B下 比B上 有較高強、硬、韌、塑。片狀過飽和F和其內部沉淀的碳化物組織（因為過飽和F有析出Fe3C傾向，但過冷度太大，導致碳原子沒能擴散超出F片，只是在片內沿一定晶面聚集，沉淀出碳化物粒子）
3）低溫轉變產(chǎn)物：
230 ~-50℃ 馬氏體（M）+殘余A 馬氏體：過飽和的α固溶體“M”
（由于溫度低，原子活動能力低，晶格轉變完成，但是，C原子不能從面心中擴散出來，仍留在體心中，形成過飽和α固溶體）
∵ 晶格嚴重畸形，∴ M硬↑ HRC65 塑 韌 →0 共析鋼連續(xù)冷卻轉變
連續(xù)冷卻可能發(fā)生幾種轉變，很復雜。
共析鋼連續(xù)冷卻，只有珠光體轉變區(qū)和馬氏體轉變區(qū)。
珠光體轉變區(qū)：三條線構成：開始，終了，終止線
冷卻速度過“開始”“終了”線，組織為珠光體
冷卻速度過“開始”“終止”線，組織為珠光體和馬氏體 冷卻速度不過珠光體區(qū)，則為M §3 鋼的熱處理工藝
熱處理: 整體熱處理: 退火 正火 淬火 回火
表面熱處理: 表面淬火 化學熱處理—滲碳 滲氮
一 退火
將鋼件加熱到高于或低于鋼的臨界點,保溫一定時間,隨后在爐內或埋入導熱性較差的介質中緩慢冷卻,以獲得接近平衡的組織,這種工藝叫—
目的: 1)降低硬度—切削加工
2)細化晶粒,改善組織—提高機械性能
3)消除內應力—淬火準備
4)提高塑性,韌性—冷沖壓, 冷拉拔 完全退火:將鋼加熱到Ac3以上30~50℃,保溫一定時間后,緩慢冷卻以獲得接近平衡狀態(tài)組織(P+F)的熱處理工藝.目的:通過完全重結晶,使鍛,鑄,焊件降低硬度,便于切削加工,同時可消除內應力,使A充分轉變成正常的F和P.應用: 亞共析鋼
* 不能用于共析鋼,∵在Accm以上緩冷,會析出網(wǎng)狀滲碳體(Fe3CⅡ),脆性↑ 不完全退火:將共析鋼或過共析鋼加熱到Ac1以上20~30℃,適當保溫,緩慢冷卻的熱處理工藝--又叫球化退火.目的:使珠光體組織中的片狀滲碳體轉變?yōu)榱罨蚯驙?這種組織能將低硬度,改善切削加工性.并為以后淬火做準備.減小變形和開裂的傾向.應用:共析鋼,過共析鋼(球化退火)等溫退火：將鋼件加熱到Ac3A（亞共析鋼）或Ac1(共析鋼或過共析鋼)以上,保溫后較快地冷卻到稍低于Ar1的溫度,再等溫處理,A轉變成P后,出爐空冷.目的: 節(jié)省退火時間,得到更均勻的組織,性能.應用: 合金工具鋼,高合金鋼 去應力退火:將鋼加熱到Ac1以下某一溫度(約500~650℃)保溫后緩冷.(又叫低溫退火)
目的:消除內應力
應用:鑄,鍛,焊
*不發(fā)生相變,重結晶 例子:杯裂 再結晶退火:將鋼件加熱到再結晶溫度以上150~250℃,即650~750℃,保溫,空冷.目的: 發(fā)生再結晶,消除加工硬化.應用: 冷扎,冷拉,冷壓等
* 可能相變 擴散退火: 均勻化退火,高溫進行
目的:消除偏析,應用:鑄件
二 正火
鋼件加熱到Ac3(亞)或Accm(過共)以上30~50℃,保溫,空冷
* 正火作用與退火相似,區(qū)別是正火冷速快,得到非平衡的珠光體組織,細化晶粒,效果好,能得到片層間距較小的珠光體組織.與退火對比
含碳量
工藝 碳素結構鋼(HB)碳素工具鋼(HB)≤0.25 0.25~0.65% 0.65~0.85% 0.7~1.3% 退火 ≤150 150-220 220-229 187-217(球化)
正火 ≤156 156-228 230-280 229-341
實踐表明:工件硬度HB170-230時,對切削有利
正火目的:1 提高機械性能
改善切削加工性 為淬火作組織準備—大晶粒易開裂
對于過共析鋼,正火能減少二次滲碳體的析出,使其不形成連續(xù)的網(wǎng)狀結構,有利于縮短過共析鋼的球化退火過程,經(jīng)正火和球化退火的過共析鋼有較高的韌性,淬火就不易開裂,用于生產(chǎn)過共析鋼的工具的工藝路線:
鍛造—正火—球化退火—切削加工—淬火, 回火—磨
低碳鋼,正火代替退火,中C鋼: 正火代調質(但晶粒不均)
三 淬火
將鋼件加熱到Ac3(亞)或Ac1(過)以上30-50℃,經(jīng)過保溫,然后在冷卻介質中迅速冷卻,以獲得高硬度組織的一種熱處理工藝.目的:提高硬度,耐磨性
應用:工具,模具,量具,滾動軸承.組織:馬氏體.下貝氏體
淬火冷卻:決定質量,理想冷卻速度兩頭慢中間快.減少內應力.1 常用淬火法: 1)單液淬火(普通淬火):在一種淬火介質中連續(xù)冷卻至室溫.如碳鋼水冷 缺點: 水冷,易變形,開裂.油冷:易硬度不足,或不均
優(yōu)點: 易作,易自動化.2)雙液淬火:先在冷卻能力較強的介質中冷卻到300℃左右,再放入冷卻到冷卻能力較弱的介質中冷卻,獲得馬氏體.對于形狀的碳鋼件,先水冷,后空冷.優(yōu)點: 防低溫時M相變開裂.3)分級淬火:工件加熱后迅速投入溫度稍高于Ms點的冷卻介質中,(如言浴火堿浴槽中)停2-5分(待表面與心部的溫差減少后再取出)取出空冷.應用:小尺寸件(如刀具淬火)防變形,開裂
優(yōu)點: 工藝理想,操作容易
缺點: ∵在鹽浴中冷卻,速度不夠大 ∴只適合小件
4)等溫淬火:將加熱后的鋼件放入稍高于Ms溫度的鹽浴中保溫足夠時間, 使其發(fā)生下貝氏體轉變,隨后空冷.應用: 形狀復雜的小零件,硬度較高,韌性好,防變形,開裂.例子:螺絲刀(T7鋼制造)
用淬火+低溫回火 HRC55, 韌性不夠,扭10°時易斷
如用等溫淬火, HRC55~58 韌性好, 扭90°不斷
等溫淬火后如有殘余A,需回火, A-F.如沒有殘余A,不需回火
缺點:時間長鋼的淬透性與淬硬性
淬透性:鋼在淬火時具有獲得淬硬層深度的能力.淬硬性:在淬火后獲得的馬氏體達到的硬度,它的大小取決于淬火時溶解在奧氏體中的碳含量.四 回火
將淬火后的鋼加熱到Ac1以下某一溫度,保溫一定時間,后冷卻到室溫的熱處理工藝.目的:消除淬火后因冷卻快而產(chǎn)生的內應力,降低脆性,使其具有韌性,防止變形,開裂,調整機械性能.低溫回火:加熱溫度 150~250℃
組織: 回火馬氏體—過飽和度小的α-固溶體,片狀上分布細小ε-碳化物
目的: 消除內應力,硬度不降.HRC58~64
應用: 量具,刃具
低碳鋼: 高塑性,韌性,較高強度配合 2 中溫回火:加熱溫度 350~500℃
組織: 極細的球(粒)狀Fe3C和F機械混合物.(回火屈氏體)
目的:減少內應力,提高彈性,硬度略降.應用:(0.45~0.9%)彈簧,模具 高強度結構鋼 高溫回火:500~650℃
組織: 回火索氏體—較細的球(粒)狀Fe3C和F機械混合物.目的: 消除內應力,較高韌性,硬度更低.應用: 齒輪,曲軸,連桿等(受交變載荷)淬火+高溫回火---調質
五 表面淬火
表面層淬透到一定深度而中心部仍保持原狀態(tài).應用:既受摩擦,又受交變,沖擊載荷的件.目的:提高表面的硬度,有利的殘余應力.提高表面耐磨性,疲勞強度
加熱方法:1 火焰: 單間小批局部,質量不穩(wěn)
感應加熱: 質量不穩(wěn)
六 化學熱處理
工件放在某種化學介質中加熱,保溫,使化學元素滲入工件表面,改善工件表面性能.應用: 受交變載荷,強烈磨損,或在腐蝕,高溫等條件下工作的工件.滲C: 表面成高碳鋼,細針狀高碳馬氏體(0.85~1.05%),心部又有高韌性的受力較大的齒輪,軸類件
固體滲碳, 液體滲碳,氣體滲碳(常用:滲碳劑如甲醇+丙酮 900~930℃)
如: 低碳鋼,表層:P+Fe3CⅡ 內部:P+F
熱處理:淬火+低溫回火 得到回火M(細小片狀)+ Fe3CⅡ
表面含C: 0.85~1.05% 若表面含C低,得到低含C的回火M,硬度低
含C高,網(wǎng)狀或大量塊狀滲C體,脆性↑
滲N: 表面硬度,耐磨性,耐蝕性,疲勞強度↑
溫度: 500~570℃ 最后工序.為保證內部性能,氮化前調質
優(yōu)點: 氮化后不淬火,硬度高(>HV850),氮化層殘余壓應力,疲勞強度↑
氮化物抗腐蝕.溫度低,變形小.碳氮共滲: 硬度高,滲層較深,硬度變化平緩,具有良好的耐磨性,較小的表面脆性.第二篇 鑄 造 概述
一 什么是鑄造?
將液體金屬澆鑄到與零件形狀相適應的鑄造空腔中,待其冷卻凝固后,以獲得零件或毛坯的方法.二 特點
優(yōu)點:
1)可以生產(chǎn)形狀復雜的零件,尤其復雜內腔的毛坯(如暖氣)
2)適應性廣,工業(yè)常用的金屬材料均可鑄造.幾克~幾百噸.3)原材料來源廣泛.價格低廉.廢鋼,廢件,切屑
4)鑄件的形狀尺寸與零件非常接近,減少切削量,屬少無切削加工.∴ 應用廣泛: 農(nóng)業(yè)機械40~70% 機床:70~80%重量鑄件
缺點:
1)機械性能不如鍛件(組織粗大,缺陷多等)
2)砂性鑄造中,單件,小批,工人勞動強度大.3)鑄件質量不穩(wěn)定,工序多,影響因素復雜,易產(chǎn)生許多缺陷.鑄造的缺陷對鑄件質量有著重要的影響,因此,我們從鑄件的質量入手,結合鑄件主要缺陷的形成與防止,為選擇鑄造合金和鑄造方法打好基礎.第一章 鑄造工藝基礎
§1 液態(tài)合金的充型
充型: 液態(tài)合金填充鑄型的過程.充型能力: 液態(tài)合金充滿鑄型型腔,獲得形狀完整,輪廓清晰的鑄件的能力
充型能力不足:易產(chǎn)生: 澆不足: 不能得到完整的零件.冷隔:沒完整融合縫隙或凹坑, 機械性能下降.一 合金的流動性
液態(tài)金屬本身的流動性----合金流動性
流動性對鑄件質量影響
1)流動性好,易于澆出輪廓清晰,薄而復雜的鑄件.2)流動性好,有利于液態(tài)金屬中的非金屬夾雜物和氣體上浮,排除.3)流動性好,易于對液態(tài)金屬在凝固中產(chǎn)生的收縮進行補縮.測定流動性的方法:
以螺旋形試件的長度來測定: 如 灰口鐵:澆鑄溫度1300℃ 試件長1800mm.鑄鋼: 1600℃ 100mm 影響流動性的因素
主要是化學成分:
1)純金屬流動性好:一定溫度下結晶,凝固層表面平滑,對液流阻力小
2)共晶成分流動性好:恒溫凝固,固體層表面光滑,且熔點低,過熱度大.3)非共晶成分流動性差: 結晶在一定溫度范圍內進行,初生數(shù)枝狀晶阻礙液流
二 澆注條件 澆注溫度: t↑ 合金粘度下降,過熱度高.合金在鑄件中保持流動的時間長，∴ t↑ 提高充型能力.但過高,易產(chǎn)生縮孔,粘砂,氣孔等,故不宜過高 2 充型壓力: 液態(tài)合金在流動方向上所受的壓力↑ 充型能力↑
如 砂形鑄造---直澆道,靜壓力.壓力鑄造,離心鑄造等充型壓力高.三 鑄型條件 鑄型結構: 若不合理,如壁厚小, 直澆口低, 澆口小等 充↓
鑄型導熱能力: 導熱↑ 金屬降溫快,充↓ 如金屬型 鑄型溫度: t↑ 充↑ 如金屬型預熱 鑄型中氣體: 排氣能力↑ 充↑ 減少氣體來源,提高透氣性, 少量氣體在鑄型與金屬液之間形成一層氣膜,減少流動阻力,有利于充型.§2 鑄件的凝固和收縮
鑄件的凝固過程如果沒有合理的控制,鑄件易產(chǎn)生縮孔,縮松
一 鑄件的凝固
凝固方式:
鑄件凝固過程中,其斷面上一般分為三個區(qū): 1—固相區(qū) 2—凝固區(qū) 3—液相區(qū)
對凝固區(qū)影響較大的是凝固區(qū)的寬窄,依此劃分凝固方式.1)逐層凝固:
純金屬,共晶成分合金在凝固過程中沒有凝固區(qū),斷面液,固兩相由一條界限清楚分開,隨溫度下降,固相層不斷增加,液相層不斷減少,直達中心.2)糊狀凝固
合金結晶溫度范圍很寬,在凝固某段時間內,鑄件表面不存在固體層,凝固區(qū)貫穿整個斷面,先糊狀,后固化.故---
3)中間凝固
大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間.影響鑄件凝固方式的因素
1)合金的結晶溫度范圍
范圍小: 凝固區(qū)窄,愈傾向于逐層凝固
如: 砂型鑄造, 低碳鋼 逐層凝固, 高碳鋼 糊狀凝固
2)鑄件的溫度梯度
合金結晶溫度范圍一定時,凝固區(qū)寬度取決于鑄件內外層的溫度梯度.溫度梯度愈小,凝固區(qū)愈寬.(內外溫差大,冷卻快,凝固區(qū)窄)
二 合金的收縮
液態(tài)合金從澆注溫度至凝固冷卻到室溫的過程中,體積和尺寸減少的現(xiàn)象---.是鑄件許多缺陷(縮孔,縮松,裂紋,變形,殘余應力)產(chǎn)生的基本原因.收縮的幾個階段
1)液態(tài)收縮: 從金屬液澆入鑄型到開始凝固之前.液態(tài)收縮減少的體積與澆注溫度質開始凝固的溫度的溫差成正比.2)凝固收縮: 從凝固開始到凝固完畢.同一類合金,凝固溫度范圍大者,凝固體積收縮率大.如: 35鋼,體積收縮率3.0%, 45鋼 4.3%
3)固態(tài)收縮: 凝固以后到常溫.固態(tài)收縮影響鑄件尺寸,故用線收縮表示.影響收縮的因素
1)化學成分: 鑄鐵中促進石墨形成的元素增加,收縮減少.如: 灰口鐵 C, Si↑,收↓,S↑ 收↑.因石墨比容大,體積膨脹,抵銷部分凝固收縮.2)澆注溫度: 溫度↑ 液態(tài)收縮↑
3)鑄件結構與鑄型條件
鑄件在鑄型中收縮會受鑄型和型芯的阻礙.實際收縮小于自由收縮.∴ 鑄型要有好的退讓性.縮孔形成
在鑄件最后凝固的地方出現(xiàn)一些空洞,集中—縮孔.純金屬,共晶成分易產(chǎn)生縮孔
*產(chǎn)生縮孔的基本原因: 鑄件在凝固冷卻期間,金屬的液態(tài)及凝固受縮之和遠遠大于固態(tài)收縮.影響縮孔容積的因素(補充)
1)液態(tài)收縮,凝固收縮 ↑ 縮孔容積↑
2)凝固期間,固態(tài)收縮↑,縮孔容積↓
3)澆注速度↓ 縮孔容積↓
4)澆注速度↑ 液態(tài)收縮↑ 易產(chǎn)生縮孔 縮松的形成
由于鑄件最后凝固區(qū)域的收縮未能得到補足,或者,因合金呈糊狀凝固,被樹枝狀晶體分隔開的小液體區(qū)難以得到補縮所至.1)宏觀縮松
肉眼可見,往往出現(xiàn)在縮孔附近,或鑄件截面的中心.非共晶成分,結晶范圍愈寬,愈易形成縮松.2)微觀縮松
凝固過程中,晶粒之間形成微小孔洞---
凝固區(qū),先形成的枝晶把金屬液分割成許多微小孤立部分,冷凝時收縮,形成晶間微小孔洞.凝固區(qū)愈寬,愈易形成微觀縮松,對鑄件危害不大,故不列為缺陷,但對氣密性,機械性能等要求較高的鑄件,則必須設法減少.(先凝固的收縮比后凝固的小,因后凝固的有液,凝,固三個收縮,先凝固的有凝,固二個收縮區(qū)----這也是形成微觀縮松的基本原因.與縮孔形成基本原因類似)縮孔,縮松的防止辦法
基本原則: 制定合理工藝—補縮, 縮松轉化成縮孔.順序凝固: 冒口—補縮
同時凝固: 冷鐵—厚處.減小熱應力,但心部縮松,故用于收縮小的合金.l 安置冒口,實行順序凝固,可有效的防止縮孔,但冒口浪費金屬,浪費工時,是鑄件成本增加.而且,鑄件內應力加大,易于產(chǎn)生變形和裂紋.∴主要用于凝固收縮大,結晶間隔小的合金.l 非共晶成分合金,先結晶樹枝晶,阻礙金屬流動,冒口作用甚小.l 對于結晶溫度范圍甚寬的合金,由于傾向于糊狀凝固,結晶開始之后,發(fā)達的樹枝狀骨狀布滿整個截面,使冒口補縮道路受阻,因而難避免顯微縮松的產(chǎn)生.顯然,選用近共晶成分和結晶范圍較窄的合金生產(chǎn)鑄件是適宜的.§3 鑄造內應力,變形和裂紋
凝固之后的繼續(xù)冷卻過程中,其固態(tài)收縮若受到阻礙,鑄件內部就發(fā)生內應力,內應力是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的基本原因.(有時相變膨脹受阻,負收縮)
一 內應力形成 熱應力: 鑄件厚度不均,冷速不同,收縮不一致產(chǎn)生.塑性狀態(tài): 金屬在高于再結晶溫度以上的固態(tài)冷卻階段,受力變形,產(chǎn)生加工硬化,同時發(fā)生的再結晶降硬化抵消,內應力自行消失.(簡單說,處于屈服狀態(tài),受力—變形無應力)
彈性狀態(tài): 低于再結晶溫度,外力作用下,金屬發(fā)生彈性變形,變形后應力繼續(xù)存在.舉例: a)凝固開始,粗 細處都為塑性狀態(tài),無內應力
∵兩桿冷速不同,細桿快,收縮大,∵受粗桿限制, 不能自由收縮,相對被拉長,粗桿相對被壓縮,結果 兩桿等量收縮.b)細桿冷速大,先進如彈性階段,而粗桿仍為塑性階段,隨細桿收縮發(fā)生塑性收縮,無應力.c)細桿收縮先停止,粗桿繼續(xù)收縮,壓迫細桿,而細桿又阻止粗桿的收縮,至室溫, 粗桿受拉應力(+),(-)
由此可見,各部分的溫差越大,熱應力也越大,冷卻較慢的部分形成拉應力,冷卻較快的部分形成壓應力.預防方法: 1 壁厚均勻 2 同時凝固—薄處設澆口,厚處放冷鐵
優(yōu)點: 省冒口,省工,省料
缺點: 心部易出現(xiàn)縮孔或縮松,應用于灰鐵錫青銅,因灰鐵縮孔、縮松傾向小，錫青銅糊狀凝固，用順序凝固也難以有效地消除其顯微縮松。機械應力
合金的線收縮受到鑄型或型芯機械阻礙而形成的內應力。
機械應力是暫時的,落砂后,就自行消失.*機械應力與熱應力共同作用,可能使某些部位增加了裂紋傾向.預防方法: 提高鑄型和型芯的退讓性.相變應力
冷卻過程中,固態(tài)相變時,體積會發(fā)生變化.如A—P, A—P體積會增大,Fe3C—石墨,體積↑.若體積變化受阻.則產(chǎn)生內應力---
鐵碳合金三種應力在鑄件不同部位情況如下表:
鑄件部位
熱應力 相變應力 機械應力
共析轉變 石墨化 落砂前 落砂后
薄或外層-+ 0
前面講過預防應力方法,若產(chǎn)生應力,還可通過自然時效和人工時效的方法消除應力.二 變形與防止
鑄件通過自由變形來松弛內應力,自發(fā)過程.鑄件廠發(fā)生不同程度的變形.舉例:平板鑄件
∵平板中心散熱慢,受拉力.平板下部冷卻慢.∴ 發(fā)生如圖所示變形
防止方法: 1壁厚均勻,形狀對稱,同時凝固.2 反變形法(長件,易變形件)
殘余應力: 自然時效, 人工時效---低溫退火 550—650℃
三 鑄件的裂紋與防止
鑄件內應力超過強度極限時,鑄件便發(fā)生裂紋.熱裂紋: 高溫下形成裂紋
特征: 裂紋短,縫寬,形狀曲折.縫內呈氧化色,無金屬光澤,裂縫沿晶粒邊界通過,多發(fā)生在應力集中或凝固處.灰鐵,球鐵熱裂少,鑄鋼,鑄鋁,白口鐵大.原因: 1 凝固末期,合金呈完整骨架+液體,強,塑↓
含S—熱脆 3 退讓性不好
預防: 設計結構合理, 改善退讓性, 控制含S量 冷裂紋: 低溫下裂紋
特征: 裂紋細,連續(xù)直線狀或圓滑曲線,裂口表面干靜,具有金屬光澤,有時里輕微氧化色 原因: 復雜大工件受拉應力部位和應力集中處易發(fā)生;材料塑性差;P—冷脆 預防: 合理設計,減少內應力,控制P含量, 提高退讓性 §4 鑄件中的氣體
常見缺陷, 廢品1/3.氣體在鑄件中形成孔洞.一 氣孔對鑄件質量的影響
破壞金屬連續(xù)性
較少承載有效面積 氣孔附近易引起應力集中,機械性能↓ αk ζ-1 ↓
彌散孔,氣密性↓
二 分類(按氣體來源)侵入氣孔: 砂型材料表面聚集的氣體侵入金屬液體中而形成.氣體來源: 造型材料中水分, 粘結劑,各種附加物.特征: 多位于表面附近,尺寸較大,呈橢圓形或梨形孔的內表面被氧化.形成過程: 澆注---水汽(一部分由分型面,通氣孔排出,另一部分在表面聚集呈高壓中心點)—氣壓升高.溶入金屬---一部分從金屬液中逸出—澆口, 其余在鑄件內部,形成氣孔.預防: 降低型砂(型芯砂)的發(fā)起量,增加鑄型排氣能力.析出氣孔: 溶于金屬液中的氣體在冷凝過程中,因氣體溶解度下降而析出, 使鑄件形成氣孔.原因: 金屬熔化和澆注中與氣體接觸(H2 O2 NO CO等)
特征: 分布廣,氣孔尺寸甚小, 影響氣密性 反應氣孔: 金屬液與鑄型材料,型芯撐,冷鐵或溶渣之間,因化學反應生成的氣體而形成的氣孔.如: 冷鐵有銹 Fe3O4 + C –Fe + CO↑ ∴冷鐵附近生成氣孔
防止: 冷鐵 型芯撐表面不得有銹蝕,油污,要干燥.§5 鑄件質量控制 合理選定鑄造合金和鑄件結構.2合理制定鑄件技術要求(允許缺陷,具有規(guī)定)模型質量檢驗(模型合格—鑄件合格)鑄件質量檢驗(宏觀, 儀器)鑄件熱處理: 消除應力, 降低硬度,提高切削性,保證機械性能,退火,正火等
第二章 常用鑄造合金
§1 鑄鐵
鑄鐵通常占機器設備總重量的50%以上.(2.5~4.0%C)
一 分類 按C在鑄鐵中存在形式不同,可分三類:
1)白口鑄鐵: C微量溶于F外,全部以Fe3C形式存在, 斷面銀白,硬,脆,難機械加工,很少用于制造零件.僅用于不沖擊,耐磨件.如軋輥
主要用途: 煉鋼原料.也可處理成可鍛鑄鐵.2)灰口鑄鐵: C微量溶于鐵素體外,全部或大部以石墨形式存在,斷口灰色,應用最廣.3)麻口鑄鐵: 有石墨,萊氏體.屬于白口鐵和灰口鐵之間的過渡組織,斷口黑白相間,麻點.硬,脆,難加工 根據(jù)石墨形態(tài)的不同,灰口鐵又分為:
1)普通灰口鑄鐵: 石墨 片狀 2)可鍛鑄鐵: 團絮狀 3)球墨鑄鐵: 球狀 4)蠕墨鑄鐵: 蠕蟲狀 按化學成分: 普通鑄鐵
合金鑄鐵: Si>4% Mn> 2% 或一定量的Ti Mo Cr Cu等
二 灰口鑄鐵:
占鑄鐵產(chǎn)品的80% 以上
性能
顯微組織: 金屬基體(鐵素體,珠光體)+片狀石墨
相當于在鋼的基體上嵌入大量的石墨片
1)機械性能: ζb E↓ 塑,韌---0.脆性(crispy)材料
∵ 石墨, 軟 脆 強↓ 比重小
1)由于石墨的存在,減少了承載的有效面積.2)石墨片的邊緣形成缺口,應力集中,局部開裂,形成脆性斷裂,基本強度只利用30~50%
∴ 石墨越多,越粗大,分布越不均或呈方向性,則對基體的割裂越嚴重,機械性能越差.* 灰口鑄鐵的抗壓強度受石墨的影響較小,與鋼的抗壓強度近似.灰口鐵的機械性能還與金屬基體類別有關
(1)珠光體灰口鐵: 珠光體基體上分布細小,均勻的石墨.∵ 石墨對基體割裂較輕,故機械性能好.如齒輪
(2)珠光體—鐵素體灰口鐵: ∵珠光體與鐵素體混合基體上分布粗大石墨,∴ 強↓
適于一般機件,鑄造性,切削加工性,減振性,均由于前者.如齒輪箱(3)鐵素體灰口鐵
∵鐵素體基體分布多而粗大的石墨片
∴ 強 硬↓ 塑 ,韌性差(基體的作用遠趕不上石墨對基體的割裂作用)
2)工藝性能: 脆性材料 不能鍛壓;可焊性差(易裂紋,焊區(qū)白口,難加工)
鑄造性能好(缺陷少);切削性能好(因石墨,崩碎切屑)
3)減振性: ↑ ∵石墨有緩沖作用,阻止振動能量傳播,適于機床床身等
4)耐磨性: ↑∵1 石墨是潤滑劑,脫落在磨擦面上.灰口鐵摩擦面上形成大量顯微凹坑,能起儲存潤滑油的作用,是摩擦面上保持油膜連續(xù).∴ 適于 導軌 襯套 活塞環(huán)等
5)缺口敏感性: ↓ ∵石墨已在鐵素體基體上形成大量的缺口.所以,外來缺口(鍵槽,刀痕)對灰口鐵的疲勞強度影響甚微,提高了零件工作的可靠性
影響鑄鐵組織和性能的因素
* 鑄鐵中的碳 可能以化合狀態(tài)(Fe3C)或自由狀態(tài)(石墨)存在.灰鐵中, 一方面分析:
C化合=0.8%時,為珠光體灰鐵,石墨片細小,分布均勻,強 硬度高,可制造較重要的零件.C化合 < 0.8%時,珠光體+鐵素體灰口鐵 強度低,適于一般機件,其鑄造性能,切削加工性和減振性均優(yōu)于前者.C化合=0 時鐵素體灰口鐵 強 硬低 塑 韌 ↓ 很少用
另一方面分析:
鑄鐵的組織和性能與石墨化程度有關.* 影響石墨化的主要因素:
1)化學成分: C↑ 石墨化↑
Si↑石墨化↑(Si與Fe結合力比與C強,能增大鐵水和固態(tài)鑄鐵中碳原子的游離擴散能力)
∵(1)C ,Si過高,形成鐵素體灰鐵,強↓↓
過低,易形成硬脆的白口組織,并給熔化和鑄造增加困難.∴合理含量: 2.5~4.0%C,1.0~3.0%Si
∵(2)S ↑ 石墨化↓ FeS—熱脆 易形成白口
∴ 一般0.15% 以下.(3)Mn↑ 石墨化↓ 合理含量: 0.5~1.4%
少量:Mn+S—MnS, Mn+ FeS—Fe+MnS, MnS比重小,進入溶渣.Mn溶于F,提高基體強度.過多: 阻止石墨化.(4)P 促進石墨化,但不明顯,多—冷脆 ∴ 合理量 0.3% 以下
2)冷卻速度: 冷卻速度增加 阻礙石墨化 灰口—麻口—白口
灰口鐵的孕育處理
為了提高灰口鐵的強度,硬度,盡量使石墨片細化,對其進行孕育處理.即加入許多外來質點,增加石墨結晶核心,得到珠光體灰鐵,受冷卻速度影響小
孕育鑄鐵(又叫變質鑄鐵),適于較高強度,高耐磨性,氣密性鑄件
常用孕育劑:令Si 75%的硅鐵,加入量為鐵水的0.25~0.6%.沖入孕育劑.與Si對石墨化影響一致 灰口鑄鐵的生產(chǎn)特點
1)沖天爐熔煉: ∵Si Mn易氧化.∴ 配料時增加含量.為降低含S量,選優(yōu)質鐵料和焦炭,減少從焦炭中吸S.在熔煉高牌號鑄鐵時,加廢鋼以控制含C量.(如孕育鑄鐵,原鐵水含C,Si低,防止加入孕育劑后石墨粗)
2)鑄造性能優(yōu)良,便于鑄出薄而復雜的鑄件,(流動性好,收縮↓)
3)一般不需冒口,冷鐵,使工藝簡化.4)一般不用熱處理,或僅需時效.牌號和用途
牌號: HT+三位數(shù) HT—灰鐵, 數(shù)—抗拉強度參考值 Mpa(N/mm2)
* 選牌號時必須參考壁厚
類別 鑄件壁厚mm 抗拉強度Mpa 硬度HBS 類別 鑄件壁厚mm 抗拉強度Mpa 硬度HBS
HT100 2.5~10
10~20
20~30
30~50 130
110~167
93~140
87~131
82~122 HT150 2.5~10
10~20
20~30
30~50 175
130 120 136~205 119~179
110~167
105~157
此表中的鑄件壁厚為鑄件工作時主要負荷處的平均厚度.三 可鍛鑄鐵(又叫馬鐵)
白口鐵晶石墨化退火而成的一種鑄鐵
∵ 石墨呈團絮狀,故抗拉強度↑ 且塑,韌↑
牌號及應用: KTH(KTZ)+3位數(shù)+2位數(shù)
KTH—F基體 黑心 KTZ---P基體
3位數(shù)—抗拉強度, 2位數(shù)---延伸率 如KTH300—06, KTZ450—06
應用: 形狀復雜,承受沖擊載荷的薄壁小件(KTH),曲軸,連桿,齒輪等(KTZ)生產(chǎn)特點
生產(chǎn)過程: 白口鐵—石墨化退火(920~980℃,保溫10~20h)—團絮狀石墨
∴必須采用C,Si含量低的鐵水,防石墨化.通常2.4~2.8%C, 0.4~1.4%Si
熔點比灰鐵高,凝固溫度范圍大,流動性不好,液固兩相區(qū)寬,砂型耐火性要求高.周期長(40~70h),成本高.四 球墨鑄鐵
鐵水中加入球化劑,孕育劑 1 球鐵的組織和性能
組織: 鐵素體球鐵: 塑性,韌性↑ 鐵素體+珠光體球鐵: 兩者之間
珠光體球鐵: 強度,硬度↑
牌號: QT+三位數(shù) + 兩位數(shù) 數(shù)字含義與可鍛鑄鐵相同
性能: 強度 塑性韌性遠遠超過灰鐵,由于可鐵，鑄造性,減振性,切削性,耐磨性等良好
疲勞強度語中碳鋼接近
熱處理性能好(退火,正火,調質等,淬火(等溫淬火))
應用: 受力復雜,負荷較大的重要零件
∵鑄造工藝比鑄鋼簡單,成本低,性能好,代許多鑄鋼,可鍛鑄鐵件
生產(chǎn)特點
(1)鐵水: C↑(3.6~4.0%)接近共晶成分,可改善鑄造性能和球化結果
S↑(<=0.07%)S易與和球化劑合成硫化物,浪費球化劑
P↓(<=0.1%)提高塑性,韌性
鐵水出爐1400℃ 以防球化后溫度過低.(2)球化處理和孕育處理
球化劑(稀土鎂合金), 使石墨呈球狀析出
孕育劑:(硅鐵75%Si)促使石墨化,防白口.使石墨細化,分布均勻
先用2/3鐵水沖入球化劑,充分反應后,用1/3鐵水沖入孕育劑,進行孕育.處理后的鐵水要及時澆注,保證球化效果.(3)鑄造工藝: 比灰鐵易產(chǎn)生縮孔,縮松,夾渣等
a 熱節(jié)上安冒口,冷鐵—補縮
b 增加鑄型剛度,防止鑄件外形擴大—石墨膨脹
c S↓ 殘余鎂量↓ 降低型砂含水量—氣孔↓(侵入)Mg+H2O=MgO+H2↑ MgS + H2O = MgO+ H2S↑
D 澆注系統(tǒng)應使鐵水平穩(wěn)流入,并有良好的擋渣效果
(4)熱處理: 退火: 鐵素體基體,塑 韌↑QT420-10以上
正火: 珠光體基體 強度 硬↑ QT600-2以上.§2 鑄鋼
鋼鐵件也是一種重要的鑄造合金,產(chǎn)量僅次于灰鐵,約為可鐵和球鐵的和.一 鑄鋼的類別和性能
二類: 鑄造碳鋼 應用廣泛: ZG+兩位數(shù)(含C萬分之幾)
鑄造合金鋼
性能: 強 塑 韌 可焊性↑
應用: 適于制造形狀復雜的,強和韌性要求高的零件
鑄—焊大件 火車輪 鍛錘機架等
二 生產(chǎn)特點 熔煉: 電弧爐(多用),感應爐(合金鋼中小件),平爐等
電弧爐:利用電極與金屬爐料間電弧產(chǎn)生熱量熔煉金屬.優(yōu)點:鋼液質量高,熔煉速度快(一爐2~3h)溫度容易控制,適于各類鑄鋼件
原料:廢鋼 生鐵 鐵合金等 造渣材料 氧化劑 增碳劑等
感應爐: 利用感應圈中交流電的感應作用,使金屬爐料(鋼液)產(chǎn)生感應電流,產(chǎn)生熱量.優(yōu)點: 加熱速度快,熱量散失少.氧化輕.鑄造工藝:
∵ 鋼澆注溫度高,流動性差,易吸氣,氧化.體積收縮約為鑄鐵的三倍,易產(chǎn)生缺陷(氣孔縮松 變形 裂紋等)
∴ 型砂: 高耐火性 強 透氣 退讓性↑ 加冒口,冷鐵—消耗大量鋼水
熱處理
∵ 晶粒粗大.組織不均,內應力,強 塑↓
∴ 正火: 機械性能↑ 成本↓ 內應力↑
退火: 機械性能↓ 成本↑ 內應力↓ 形狀復雜,易裂紋的鑄件,或易硬化的鋼退火為宜.§3 有色金屬
一 銅及銅合金 純銅: 導電 導熱↑ 塑↑(面心)強 硬↓ 黃銅: Cu + Zn—普通黃銅 Cu + Zn + Pb,Al,Si等 特殊黃銅
可鑄可鍛 青銅: 除黃銅,白銅(銅鎳合金)以外的,銅與其它元素組成.錫青銅: Sn + Cn 耐磨 耐蝕 鋁青銅: 耐磨 耐蝕
鑄造工藝
1)熔煉: 易氧化 吸氣
①防氧化: 液面蓋上溶劑(碎玻璃,蘇打,鵬砂)
②脫氧:Cu+O2-Cu2O(氧化亞銅)塑↓加磷銅 脫氧 普通黃銅和鋁青銅因有Zn能脫氧
③除氣: 錫青銅: 吹N2, N2 上浮帶出H2.鋁青銅: 吹N2 黃銅: 沸騰法Zn(907℃)蒸汽帶出H2
④精煉除渣:鋁青銅液中有AL2O3,加堿性溶劑(蘇打,瑩石等)精練,造出比重小,熔點低的溶渣.熔煉用坩堝爐
2)鑄造: ①細砂鑄型—光潔 減少切削量,粘砂 ②澆注時勿斷流—防氧化
③澆注系統(tǒng)使液流平穩(wěn)流入—防飛濺 ④加冒口—補縮(錫青銅出外)
二 鋁及鋁合金 純鋁: 導電↑ 導熱↑ 塑↑ 抗蝕↑(Al2O3)L1 L2??L7 號大,越不純
鋁合金: 比重輕 熔點低 導電 導熱 耐蝕↑
鑄造鋁合金分四類:
① 鋁硅合金(硅鋁明): 機械性能↑ 耐蝕性,鑄造性↑ 適于形狀復雜或氣密性要求高的零件.如 內燃機氣缸
② 鋁銅合金: 強,耐熱↑ 比重大,鑄造性↓(熱裂紋↑疏松↑)
應用: 高強度,高溫件 如活塞 牌號: ZL201
③ 鋁鎂合金:強度↑ 耐蝕↑ 耐熱↓ 鑄造性↓
應用: 受沖擊載荷 耐蝕件,形狀簡單
④ 鋁鋅合金: 強較高 抗蝕↓ 熱裂紋↑
應用:汽車 拖拉機發(fā)動機零件,日用品.鑄造工藝
1)熔煉: 除氣(H2)除渣(Al2O3)
常用方法,用鐘罩壓入六氯乙烷(C2Cl6)
3C2Cl6 + 2Al---2AlCl3↑+3C2Cl4↑ AlCl3沸點183℃, C2Cl4 沸點121℃ 帶出H2
或3ZnCl2 + 2Al=3Zn + 2AlCl3↑ 防氧化: 加KCl NaCl 溶劑 2)鑄造:與銅合金相同 第三章 砂型鑄造
目前,鑄件生產(chǎn)的主要方法,砂型鑄件占鑄件總量的90%以上,可生產(chǎn)各種鑄鋼,灰鐵,球鐵,可鍛鑄鐵,有色金屬等.用于鑄造各種機械零件
砂型鑄造生產(chǎn)過程:
配砂→造型→烘干
制模 熔化 澆注→落砂→清理→檢驗
配砂→造芯→烘干
造型操作順序:
1安放鑄模 2套下箱,撒防粘材料 3蓋上面砂 4鏟填背砂 5用尖頭砂沖舂砂 6用平頭砂沖舂砂 7刮去多余型砂 8翻轉下型 9撒分型砂 10吹去鑄模上的分型砂 11撒防粘材料 12加面砂 13填上型 14扎通氣孔 15去上型 16 起模 17挖澆口 18合箱澆注.§1 型砂及型芯砂
一 型砂(芯)性能
1強度:型砂在外力作用下,不易破壞的性能,強度不足,會造成塌箱,砂眼等
2透氣性:型砂之間本身有空隙,具有透氣的能力.透氣性不好,易出現(xiàn)氣孔.3耐火性:型砂在高溫金屬液的作用下而不軟化,熔化.若耐火性不足,砂粒粘在鑄件表面上形成一層硬皮,造成切削加工困難,粘砂嚴重,鑄件報廢.4退讓性:型(芯)砂具有隨鑄件的冷卻收縮而被壓縮其體積的性能.若退讓性不足,鑄件收縮受阻,內應力加大,甚至產(chǎn)生裂紋、變形等.加鋸末、木屑,提高退讓性.二 型砂的分類、成分和應用 粘土砂:砂子,粘土,水,附加物(煤粉,木屑等).應用廣泛:
1)不受鑄件大小,重量,尺寸,批量影響.2)鑄鋼,鑄鐵,銅,鋁合金等均可鑄.3)手工,機器造型均可.4)粘土來源廣,價低.粘土砂分兩類: 濕型砂:中,小件.干型砂:質量要求高的件,大件.水玻璃砂:水玻璃(硅酸鈉的水溶液)為粘結劑
優(yōu)點:不需烘干,硬化速度快,生產(chǎn)周期短,強度高,易機械化.缺點:易粘砂,出砂性差,回用性差.3油砂:植物油為粘結劑(桐油,亞麻油),油在烘烤時生成強度很高的氧化膜.優(yōu)點:干強度高,不易吸濕返潮,退讓性,出砂性↑,不易粘砂,內腔光滑.缺點:價格高 樹脂砂:合成樹脂作粘結劑.優(yōu)點:生產(chǎn)率高,不需烘干,強度高,型芯尺寸精確,表面光滑,退讓性,出砂性好.§2 造型方法選擇
造型是砂型鑄造最基本的工序,造型方法選擇的是否合理,對鑄件質量和成本有著重要的影響.一 各種手工造型方法的特點和應用
優(yōu)點:操作靈活,適應性強,模型成本低,生產(chǎn)準備時間短.缺點:鑄件質量差,生產(chǎn)率低,勞動強度高.應用:單件,小批.1 按砂箱分:兩箱:基本方法,各種批量,大小件 三箱:手工,單件,小批,兩個分型面 地坑:小批,大,中件
脫箱:小件
劈箱:大件,如機床床身 按模型分: 整模:最大截面在一端,且為平面
分模:最大截面在中部
活塊:有突出部位,難起模,單件,小批
控砂:分型面為非平面,要求整模,單件,小批
刮板:回轉件,輪
假箱:成批,需控砂的件
假箱:造型前先做一個特制的假箱,來代替造型用的底板,然后做下型,由下型做上型.假箱:(1)先假箱(2)放模型(3)砂托(4)高至突點(5)下型(6)由下型做上型.二 機器造型及其工藝特點
優(yōu)點:生產(chǎn)率高,鑄件尺寸精確,光潔度高,加工余量少,勞動強度小,大批量生產(chǎn).缺點:廠房,設備等要求高,投資大,批量生產(chǎn)才經(jīng)濟,只適于兩箱(中箱無法緊實),不宜用活塊.§3 澆注位置與分型面的選擇
澆注位置---指金屬澆注時鑄件所處的空間位置
分型面---指砂箱間的接觸表面
一 澆注位置選擇原則: 鑄件澆注位置對鑄件質量,造型方法等有很大影響,應注意以下原則: 1鑄件重要的加工面應朝下: 1)若做不到,可放側面或傾斜
2)若有幾個加工面,則應把較大的放下面.如導軌面是關鍵面，不允許有缺陷,則要放下面,傘齒輪鑄件的大平面應朝下
原因:上表面出現(xiàn)缺陷,尤其易夾砂.面積大的薄壁部分放下面或側面
有利于金屬充填,防止?jié)膊蛔?易形成縮孔的鑄件,厚的部分放在鑄型上部或側面,便于安置冒口,以補縮.二 鑄型分型面的選擇原則
分型面選擇的合理可以簡化造型操作,提高勞動生產(chǎn)率.便于起模,故分型面應選擇在鑄件最大截面處
(手工造型時,局部阻礙起模的凸起可做活塊)應盡量減少分型面和活塊數(shù)量(中小件)
3應盡量使鑄件的重要加工面或大部分加工面和加工基準面位于同一砂型中
盡量采用平直分型面,以簡化操作及模型制造
盡量減少型芯和便于下芯,合型及檢驗位置 §4 工藝參數(shù)的選擇 一 機加余量和鑄孔 金屬種類: 灰口鑄鐵:表面平整,加工余量少.鑄 鋼:澆注強度高,表面不平,加工余量大.有色金屬:表面光潔.生產(chǎn)條件:大批量生產(chǎn):機器造型,加工余量少.小批量生產(chǎn):手工造型,加工余量大.3.尺寸位置: 尺寸大:變形大,加工余量大.鑄件頂面與底面,側面比,表面質量差,余量大.孔: 鑄鐵 d＜30mm,鑄鋼 d＜60mm,一般不鑄,因鑄出造型工藝復雜,質量不易保證,反而給機加帶來困難.二 拔模斜度:
為起模方便,把垂直壁做成斜的.與立壁高度,造型方法,模型材料等有關,一般15′--3°
機器造型比手工斜度小
木模比金屬模斜度大
立壁高斜度小
三 收縮率:
收縮量＝鑄件尺寸×鑄造收縮率
灰鐵: 0.7—1.0% 鑄鋼: 1.3—2.0% 錫青銅: 1.2—1.4%
因收縮是非自由的,所以受鑄件形狀,尺寸的影響.四 型芯固定(一般靠型芯頭)
型芯頭的形狀和尺寸對于型芯的裝配工藝性和穩(wěn)定性有很大影響.(1)垂直芯頭---上芯頭斜度大,高度小些,便于和箱,若垂直型芯粗,短,上芯頭可省略.下芯頭斜度小,高度大些,穩(wěn)定.對于只能做上芯頭的型芯,做成吊芯或蓋板型芯.(2)水平芯頭---芯頭較長,芯頭也有斜度,便于下芯合箱,懸壁型芯頭必須長而大,以支持型芯,防下垂,或被金屬液抬起.§5 冒口與冷鐵的應用
一 冒口應用：主要作用---補縮,同時能排氣,集渣.冒口設置原則:
(1)保證順序凝固,放在最后凝固部分---基本作用
(2)盡量放在鑄件最高處,有利補縮,熔渣易浮出.(3)冒口最好放在內澆口附近,使金屬液通過冒口再進入鑄型,提高補縮效果.(4)盡量避開易拉裂部位;不影響自由收縮.(5)盡量放在需加工部位,便于清理.冒口大小,依合金收縮性質及具體鑄件凝固條件查手冊.二 冷鐵應用: 分類:
非冷鐵:只和鑄件外表面接觸而起激冷作用,與型砂一起清出,不重復使用.內冷鐵:澆注后冷鐵被金屬液包圍與鑄件熔合在一起.有氣密性要求的部分
不能用.作用:
(1)減少冒口數(shù)量: 改善凝固順序,有利外縮.(2)可減少冒口尺寸: 加內冷鐵,加快鑄件冷卻.(3)消除局部熱節(jié)處的縮孔和縮松: 加外冷鐵.(4)防止鑄件產(chǎn)生裂紋: 同時凝固,如兩壁交接處放冷鐵,以消除熱節(jié).(5)提高鑄件硬度和耐磨性: 利用外冷鐵加快冷卻,細化組織,提高硬度.第四章 特種鑄造
§1 金屬型鑄造
將液態(tài)合金澆入金屬鑄型,得到鑄件.一 金屬型: 垂直式,水平式,復合式
垂直式: 易取件,沒澆注系統(tǒng)多用.材 料: 灰鐵,要求高 鑄鋼
內 腔: 金屬型芯,砂芯.有抽芯機構
二 鑄造工藝: 金屬型導熱快,沒有退讓性,透氣性.金屬型應保持一定的工作溫度.具有良好的充型條件和一定的激冷作用.1)噴刷涂料前預熱.保證涂料層致密,均勻.合金鑄鐵80—150℃;鑄鋼100—250℃.2)澆注前預熱
降冷卻速度,防白口.噴刷涂料
1)減緩冷卻速度,防白口 2)防高溫液體對鑄型直接沖刷
3)有一定蒸汽,排氣能力,防氣孔.鑄 鐵—石墨粉涂料,炭墨涂料;鋁合金—氧化鋅涂料,滑石粉 合理澆注溫度:
∵導熱快,t澆 比砂型高20~35℃ 4 適宜出型時間
收縮快—出型難 冷速大—白口 三特點
1多次澆注,節(jié)工時,型砂,提高生產(chǎn)率 2改善勞動條件
3鑄件光潔度高 4組織致密,機械性能高
5成本高,周期長,工藝要求嚴,易出現(xiàn)白口,多用于生產(chǎn)有色金屬
§2 壓力鑄造
高壓下(5~500MPa)快速(0.001~0.2)將液態(tài)或半液態(tài)合金壓入金屬鑄型中,并在壓力下結晶.專用設備:壓鑄機 專用壓型—壓型
一工藝過程 見書中P42
二特點 1精度,表面質量↑ 最小鑄孔直徑 0.7mm
2可壓除形狀復雜的薄壁件.(高壓 沖型↑)
3鑄件強,硬↑(壓力下結晶致密)生產(chǎn)率↑ 易自動化
5投資大,適于批量
6種類受限,不宜壓鑄高熔點合金
7壓速高,易形成氣孔
8不宜熱處理
應用:汽車 儀表行業(yè),廣泛應用.§3 熔模鑄造
溶膜鑄造是用易熔材料制成模型,然后在模型上涂掛耐火材料,經(jīng)硬化后,在將模型熔化排出型外,從而獲得無分型面的鑄型,鑄型焙燒后即澆注
一工藝過程
1蠟模制作
1)壓型:制蠟模的專用模具,鋼 銅 鋁 切削而成
2)蠟模的壓制:石蠟,峰蠟,硬脂酸,松香等,將熔化的蠟料壓入壓型中,冷凝后取出,修去毛刺,得到蠟模
3)蠟模組裝:若干蠟模焊在一個直澆棒上.2結殼:蠟模涂上涂料,硬化 干燥等
1)浸涂料(石英粉+粘結劑的糊狀物)表面光潔
2)撒砂(粗石英砂)的目的:增厚型殼
3)硬化(水玻璃+NH4CL—SIO2)化學硬化
3脫蠟 焙燒
1)脫蠟:熱水或水蒸氣
2)焙燒:加熱 800~1000℃提高型殼強度
填砂:澆注
1)填砂:型殼放入鐵箱中,周圍干砂充填
2)澆注:趁熱(600~700℃)進行澆注
5落砂 清理 冷卻后,破壞型殼,取出鑄件,去澆口,毛刺,退火或正火,以便得到所需機械性能.二特點和應用
1鑄造精度,光潔度高,且可澆注形狀復雜的件
2能鑄造各種合金(型殼是高級耐火材料)3單件,小批,大批量生產(chǎn)均可
4少 無切削加工(Ra3.2~1.6um)稍磨 5材料貴,工藝過程繁雜,生產(chǎn)周期長.應用: 使用高熔點合金精密鑄件的成批,大量生產(chǎn),形狀復雜,難以切削加工的小零件.如:汽輪機葉片,工藝品
§4離心鑄造
將液態(tài)金屬澆入高速旋轉(250~1500r/min)的鑄型中,使金屬液在離心力作用下充填鑄型并結晶.一基本方式
1立式:圓筒件 自動形成內腔,壁厚不均用高度小的件.2臥式:壁厚均勻,適于長筒,可雙金屬澆注.二特點應用
第三部分 金屬壓力加工
概述
一 什么是壓力加工
靠外力使金屬材料產(chǎn)生塑性變形而得到預定形狀與性能的制件（毛坯或零件）的加工方法。
外力—— 沖擊力：錘類 靜壓力：壓力機
各類鋼和大多數(shù)有色金屬及其合金都具有一定的塑性，因此，都能在熱態(tài)或冷態(tài)下進行壓力加工。
應用廣泛：運輸工具96%； 汽車拖拉機95%；
航天、航空90%； 農(nóng)用機械工業(yè)80%。
二 分類 軋制：金屬坯料在兩個回轉軋輥的縫隙中受壓變形以獲得各種產(chǎn)品的加工方法?？磕Σ亮Γ髁线B續(xù)通過軋輥間隙而受壓變形。
主要產(chǎn)品：型材、圓鋼、方鋼、角鋼、鐵軌等。擠壓：金屬坯料在擠壓模內受壓被擠出?？锥冃蔚募庸し椒ā?/p>
正擠：金屬流動方向與凹模運動方向相同。
反擠：金屬流動方向與凹模運動方向相反。拉拔：將金屬坯料拉過拉拔模的?？锥冃蔚募庸し椒?。
產(chǎn)品尺寸精度、表面光潔度較高，所以，常用于軋制件的再加工，提高產(chǎn)品質量。
坯料：低碳鋼、有色金屬及合金。
外力：拉力。自由鍛：金屬坯料在上、下抵鐵間受沖擊力或壓力而變形。
外力：壓力。模鍛：金屬坯料在具有一定形狀的模膛內受沖擊力或壓力而變形的加工方法。
沖壓：金屬板料在沖模之間受壓產(chǎn)生分離或成形。
1—5 立體變形（三維）； 6平面變形（二維）；
1—6 可沖擊力、可靜壓力。
三 特點：（與鑄造比）
優(yōu)點：（1）結構致密、組織改善、性能提高、強、硬、韌↑
（2）少無切削加工，材料利用率高。
（3）可以獲得合理的流線分布（金屬塑變是固體體積轉移過程）。
（4）生產(chǎn)效率高。（如：曲軸、螺釘）2 缺點：（1）一般工藝表面質量差（氧化）。（2）不能成型形狀復雜件（相對）（3）設備龐大、價格昂貴。
（4）勞動條件差（強度↑、噪音↑）
第一章 金屬塑性變形
§1 金屬塑性變形的實質
一 晶體： 晶體：物質中的原子按一定規(guī)律在三維空間周期重復排列。
單晶體：具有一個晶粒的晶體（由一個晶核生長而成的晶體）。
多晶體：大量晶粒組成的晶體。
二 變形：
彈性變形：（暫時的變形）ζ＜ζe 力未去除。
彈性塑性變形：（暫時變形）ζ＜ζs 力未去除。
純塑性變形：永久變形 外力去除。
變形機制：
單晶體塑性變形：滑移。
多晶體塑性變形：滑移+晶粒轉動。
三 滑移：
單晶體：
在切應力作用下，晶體的一部分與另一部分沿著一定的晶面產(chǎn)生相對滑動，叫滑移。這個晶面—滑移面。
※ 與滑移面垂直的應力不引起滑移，只會彈性變形，大到一定程度引起脆斷。
（上面所描述的滑移運動，相當于兩部分晶體彼此進行的剛體性運動，是由外力作用下發(fā)生的，而且所需力較大，但使測力卻小得多。近代塑性理論研究認為滑移變形是由于位錯的滑移運動引起的。）
理想晶體結構：鋅單晶理論計算：ζs=350kg/mm2
實測 ζs=0.1kg/mm2
晶體內部存在缺陷：
點缺陷：缺一個原子。
線缺陷：缺一行原子、—位錯。
面缺陷：
滑移逐步在滑移面上傳布，直至晶體表面。多晶體
塑性變形先在晶面方向有利于滑移的晶粒內開始，然后不利于滑移的晶粒向有利變形的方向轉動，協(xié)調變形，使滑移繼續(xù)進行。
§2 塑性變形后金屬的組織和性能
一、組織：、晶粒沿變形最大的方向伸暢。
2、晶格晶粒均發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內應力。
3、晶粒間產(chǎn)生碎晶。
二、性能：
強度，硬度↑。塑性，韌性↓
原因：（微觀）碎晶，晶格扭曲，增大滑移阻力。
三、加工硬化
塑變程度增大，金屬強度，硬度升高；塑性，韌性下降的現(xiàn)象。
1、有利：強化金屬，形變強化
有害：變形抗力↑，繼續(xù)壓力加工困難，對模具不利，設備噸位↑
加工硬化的結果使金屬的晶體構造處于不穩(wěn)定的應力狀態(tài)，具有自發(fā)恢復穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢（室溫不行）
2、消除方法：加熱 回復 再結晶
1）回復：金屬冷變形后，加熱到一定溫度，原子恢復正常排列，消除了晶格扭曲。加工櫻花部分消除，原子獲得能量。震動加劇，回復正常排列。
T回＝（0.25～0.3）T熔（室溫＋273）
T回、T熔分別位金屬回復、熔化的絕對溫度。
2）再結晶：溫度再增加，金屬原子獲得更多能量，則以碎晶和雜質位核結晶成新的晶粒。
實質：無畸變組織代替即便組織，完全消除加工硬化。
T再＝0.4T熔
T再—金屬絕對再潔凈溫度。
再結晶退火—加熱—再結晶—金屬再次獲得良好塑性
高溫下受力塑性變形—硬化于再結晶同時存在四、冷變形、熱變形
冷變形—T再以下發(fā)生的變形。
熱變形—T再以上發(fā)生的變形。
*
1、冷變形后具有加工硬化組織，能獲得較高的表面光潔度及硬度，但變形程度不宜過大，避免破裂。
2、熱變形可得到再結晶組織，變形程度大，無加工硬化，獲得良好的機械性的組織。
冷變形后的件若繼續(xù)加工，要再結晶退火。
∴金屬壓力加工主要采用熱變形來進行。
五、鍛造和纖維組織
1、鍛造
1鐓粗：橫截面積變大：Y鐓＝F/F0＝H0/H＞1
2撥長：橫截面積變小：Y鐓＝F0/F＞1
F0—變形前橫截面面積，F(xiàn)—變形后橫截面面積
Y＜2 組織細化，性能↑
Y＝2～5 方向性↑
Y＞5 組織緊密程度，晶粒細化，均達極限。性能方向性↑↑
出現(xiàn)性能方向性的組織已是纖維組織。
2、纖維組織：
金屬發(fā)生塑性變形時，金屬的晶粒形狀和沿晶 界分布的雜質形狀都發(fā)生變化，它們將沿著變形方向被拉長，呈纖維形狀。這種結構較纖維組織。
1）影響：使金屬材料的機械性能出現(xiàn)方向性
平行纖維方向：塑、韌性↑
垂直纖維方向：塑、韌性↓
2）利用：因流線穩(wěn)定性很高，不能用熱處理方法消除，只有經(jīng)過鍛壓使金屬變形，才能改變方向和形狀。因此，位提高零件機械性能，盡量做到：
a)使纖維方向于零件的輪廓相符合，而不被切斷。
b)使零件受ζmax拉應力與纖維方向一致。ηmax與纖維垂直。§3金屬的可銹性
可銹性：是衡量材料在經(jīng)受壓力加工時獲得量件難度程度的一個工藝性能。在力作用下穩(wěn)定改變自己形態(tài)或尺寸，而其各質點間聯(lián)系不破換的能力。
包括方面：1塑性↑：變形時金屬不易開裂。δ、ψ、αk↑
↓ 2變形抗力↓：省力，不易磨損模具，小設備，消耗能量小。
一、金屬本質的影響： 化學成分：1）純金屬可鍛性良好（合金晶格畸變）Fe＞F
2）含有形成碳化物的元素，則可鍛性↓。
如：W、Ti|。WC使硬質合金硬、脆。
2、金屬組織影響：1）固溶體（如A）比碳化物（Fe3C）好。
3）晶粒細、均勻、可鍛性↑。
3、晶體結構：面心立方＞體心立方＞密排六方。
二 加工條件： 變形溫度：t↑ 變形抗力↓ 塑性↑ T再以上，塑性↑↑
如：碳鋼在A3線上，組織為A、面心、塑性↑
※ t過高，易產(chǎn)生“過熱”、“過燒”、“脫碳”、“嚴重氧化”。
始鍛溫度：AE線下200℃左右。
終鍛溫度：800℃（T再以上）變形速度：單位時間內的變形程度。
V＜C：∵V固、V再來不及完全消除加工硬化。
V＞C： 熱效應，明顯提高變形溫度，但只在高速錘上才能有熱效應。高速錘：12—25m/s，普通錘：5—9m/s。3 應力狀態(tài)：
壓應力下變形，對塑性有利，阻止裂紋擴展，焊合（孔、縫）
拉應力下變形，對塑性不利，氣孔、裂紋等缺陷處易引起應力集中，缺陷擴展，導致破裂。
1—9 塑性逐漸下降
※ 三向不等壓應力會使大理石塑性變形，擠壓比拉拔時塑性好，三向壓應力不等，才能塑變，否則彈變。
壓應力會加大金屬內摩擦，使變形抗力增加，故本質塑性較高的變形時出現(xiàn)拉應力，可減少變形抗力，對本質塑性較差的，應盡量在壓應力下進行，以防止裂紋產(chǎn)生。
作業(yè)： 碳鋼在鍛造溫度范圍內變形時，是否會有加工硬化？ 鉛在20℃、鎢在1100℃時變形，各屬那種變形？為什么？（鎢的熔點3380℃）
纖維組織是怎樣形成的？它的存在有何利弊？
如何提高金屬的塑性？最常用的措施是什么？
“趁熱打鐵”的含意？ 三向壓應力相等,能否產(chǎn)生塑性變形？
第二章 自由鍛
自由鍛造: 利用沖擊力或壓力使金屬在上、下兩抵鐵之間產(chǎn)生變形，得到所需的形狀和尺寸的鍛件，金屬在受力變形時，在抵鐵間向各個方向自由流動，不受限，形狀、尺寸由鍛工控制。
一 特點：1 工具簡單、通用性強。（成型部分）
應用廣泛，幾克——幾百噸，機械性能高。3 鍛件尺寸精度差，材料利用率低。4 只能用于形狀簡單的鍛件。5 勞動強度大（尤其手工）。
二 分類：1 手工鍛：砧子，大、小錘，爐子等，小型件。
機器鍛：空氣缸、蒸汽—空氣缸，沖擊力
液壓機、噸位 靜壓力
§1 幾個主要工序
一 鐓粗：截面增加、高度減小的工序。
應用：1）小截面變成大截面，高度減小件。
2）沖孔前，平整端面。
3）提高機械性能（細化組織、破壞碳化物）（與拔長配合）
※ H/D=0.8—2 一般毛坯
H/D=2—3 雙鼓形
H/D＞3 失穩(wěn)
H/D＜0.8 變形小、變形力大。
二 拔長：毛坯橫截面減小，長度增加。
應用：1）減小截面，增加長度。
2）提高機械性能（與鐓粗反復進行）
※ 1 拔長時不斷翻轉。
送進量： 合適：L/h=0.5—1 L/h＞1 展寬過大，拔長效率↓ L/h＜0.5 折疊 與雙鼓形類似。三 沖孔： 透孔、不透孔（盲孔）
開式?jīng)_孔
閉式?jīng)_孔—反擠壓
※ 1 開式?jīng)_孔，先鐓平端面 沖通孔時：薄件—面沖通：H/D＜0.125 實心單面沖孔
厚件雙面沖： 一面沖2/3δ
反面沖通。
為拔沖頭方便，沖孔時灑煤粉。
四 彎曲： 毛坯彎成一定角度。
外側受拉
內側受壓 內側起皺
※ 彎曲角度不可太大，過大 外側拉裂
§2 自由鍛件的結構工藝性
原則：滿足使用性能要求，符合自由鍛工藝要求，節(jié)約金屬，保證質量，提高生產(chǎn)率。
一 盡量避免錐體或斜面（因必用專用工具，成型困難）
二 鍛件由幾個簡單幾何體構成時，交接處不應形成空間曲線。
三 鍛件不應設計出凸臺、筋板。
四 橢圓形、工字形等避免。
五 截面變化不宜太大。鍛造比太大
六 外表面復雜的鍛件不應設計
分別鍛造、焊接或機械聯(lián)接。
§3 自由鍛造工藝規(guī)程的制定
內容：由零件圖→繪制鍛件圖→計算坯料質量和尺寸→選擇鍛造工序→設備和噸位→加熱規(guī)范→規(guī)定技術要求→檢驗要求→編制勞動組織和工時。
一 繪制鍛造圖：根據(jù)零件圖繪制 敷料：為簡化鍛件形狀而增添的金屬（也叫余塊）。
加工余量：自由鍛件精度、尺寸、表面質量較差。
需切削加工，所以，留余量。鍛造公差：鍛件實際尺寸和名義尺寸之間所允許的最大偏差。
零件圖用雙點劃線，鍛件實線，零件尺寸加括號，公差查手冊。
二 計算坯料質量和尺寸 鍛件的坯料質量 G坯料=G鍛+G燒+G料頭
G燒損=G鍛×（2—3）%（首次）
G鍛×（1.5—2）%（二次以后）
G料頭=G鍛×（2—4）%（鋼材）
尺寸：與第一道工序的變形性質有關。
鐓粗： 毛坯1.25＜H/D＜2.5
拔長： 鋼錠坯料：y≥2.5—3
軋制鋼料：y=1.3—1.5
坯料截面積=鍛件最大部分截面×y
三 選擇鍛造工序：
包括基本工序、輔助工序及修整工序。
根據(jù)鍛件技術要求，坯料情況，生產(chǎn)批量等確定。一般：盤類：鐓粗、（或拔長、鐓粗）沖孔。
軸類：拔長（拔+鐓粗）、壓肩。
筒類：鐓粗（鐓+拔）、沖孔、在心軸上拔長。
環(huán)類：鐓粗（拔+鐓）、沖孔。
四 選擇鍛造設備
鐓粗：G=（0.002—0.003）kF（kg）
k為系數(shù)，與ζb有關，F(xiàn)為鍛件鐓粗后與工具接觸面水平投影.(mm2)
拔長: G=2.5F（kg）
F—坯料橫截面面積（cm2）
五 加熱
新書 P72 表3—4
六 鍛后冷卻及熱處理
空冷 坑冷 爐冷
退火 正火（+高溫回火）
工具鋼：正火或球化退火
中碳鋼、合金鋼：一般調質。（對于不進行最終熱處理）
作業(yè)： 在如圖兩種砧鐵上拔長時，效果有何不同？
第三章 模鍛
模鍛：金屬坯料在模具中成型，得到與模膛形狀相符的鍛件。
一 特點
優(yōu)點：1 操作技術要求不高，生產(chǎn)率高。
尺寸精確，加工余量小。
形狀較復雜。節(jié)省材料，減少切削量，降低成本（批量）。
缺點：1 受設備噸位限制，質量不能太大（150kg以下）鍛模成本高，不宜于小批、單件生產(chǎn)。
勞動強度較低。
二 設備：錘和壓力機
區(qū)別 自由鍛錘 模鍛錘
框架 不封閉 封閉
間隙 較大 較小
砧座 較輕10—20倍噸位 較重20—25倍噸位
模鍛件質量除由模具控制外，模鍛設備也是主要因素之一。
§1 錘上模鍛
一 工藝規(guī)程制定：
（1）根據(jù)鍛件類型及具體生產(chǎn)條件確定合理工藝方案。
（2）由零件圖及工藝方案→鍛件圖。
（3）確定工步，進行模膛設計和工步設計。
（4）計算毛坯質量、尺寸、確定設備噸位。
（5）設計鍛模
（6）確定切邊、沖孔工序并設計相應模具。
（7）加熱、冷卻、熱處理規(guī)范。
（8）確定校正、清理工藝及設備
確定工藝方案：
1）長軸類鍛件
拔長—滾壓—預鍛—終鍛 同一模具上設置
2）短軸類（盤類）件
鐓粗—終鍛 鐓粗—預鍛—終鍛
制定鍛件圖
1）選分模面：（關系到出模、成型、材料利用率等）
原則：a、保證鍛件能完整地從模膛中取出
b、使模膛淺而寬，便于加工、利于金屬流動
c、應使上、下模膛沿分模面的輪廓一致，便于檢查上、下模錯移d、上敷料最少
e、分模面盡量選平面
f、有流線要求時，依受載情況確定
2）確定余量、公差、敷料
機械加工余量：一般1—4mm，比自由鍛小的多。
公差： 一般±0.3—3mm
a、模膛公差
b、防止上、下模沒閉合，金屬沒充滿模膛
c、上、下模錯移
d、模膛磨損、變形等
敷料：為簡化形狀，d＜25—30mm，孔不鍛出
分模面應使鍛件
3）確定模鍛斜度
鍛件上平行于錘擊方向必有斜度，以利于取件，且鍛件冷卻收縮，鍛模回彈。
斜度大小與鍛件形狀尺寸、材料性質（摩擦系數(shù)）、鍛造方法（如平鍛有頂出裝置，斜度?。┑扔嘘P。
一般鋼件外模鍛斜度 α=5—15°
內斜度比外斜度大 2—3°，因為內壁冷縮，夾緊工件。
4）確定圓角半徑：鍛件兩平面交接處均要做成圓角。
a、金屬易于充滿模膛
b、模凹角處易應力集中、裂紋
c、凸尖角處有圓角磨損減輕，提高模具壽命
d、避免拉斷流線
e、沖孔連皮
d＞25 沖孔，連皮厚度與孔徑d有關，d=30—80mm時，s=4—8mm 確定模鍛工步
與確定的工藝方案一致
模膛—制坯模膛—拔長、滾壓、彎曲、切斷
模鍛模膛—預鍛模膛和終鍛模膛
1）制坯模膛
作用：（1）使坯料形狀和尺寸接近鍛件（為預鍛和終鍛做準備）
（2）清除坯料表面的金屬氧化皮
a、拔長模膛：減少某部分橫截面，以增加其長度，閉式、開式，一般設在鍛模邊緣，需翻轉。
b、滾壓模膛：減少某部分橫截面，以增加另一部分橫截面，使金屬按鍛件形狀分布。
開式：橫截面相差不大 —— 操作時不需翻轉
閉式：最大、最小橫截面相差大
c、彎曲模膛：需彎曲的桿類件，用彎曲模膛來彎曲坯料，轉90°放入模膛 成型。
d、切斷模膛：它是在上、下模的角組成的一對刀口，單件時用來切下鍛件或切下鉗口；多件時，用它分離單件。
除上述模膛外，還有鐓粗、壓扁等制坯模膛。
2）模鍛模膛
（1）預鍛模膛
1）使坯料變形到接近于鍛件的形狀、尺寸，使金屬易于充滿終鍛模膛。
2）減少對終鍛模膛的磨損，提高鍛模壽命。
Δ與終鍛模膛區(qū)別：斜度和圓角大，沒有飛邊槽。
Δ形狀簡單、小批量、可不用鍛模。
（2）終鍛模膛：使坯料變形成鍛件圖上要求的形狀、尺寸和精度。
※（a）因熱脹冷縮，終鍛模膛尺寸要比鍛件尺寸放大一個收縮量。
（b）模膛四周有飛邊槽—增加金屬從模膛中流出阻力，容納多余的金屬。
（c）對于有通孔件，留有沖孔連皮。
計算毛坯質量和尺寸，確定設備噸位
G坯=G鍛+G飛+G氧+G連皮
G飛=G鍛×（15—25）%
G氧=（G鍛+G飛）×（3—4）%
尺寸： 盤類件： 鐓粗為主 1.25＜H坯/D坯＜2.5 長軸類：以拔長為主 L坯=（1.05—1.30）V坯/F坯 =（1.34—1.66）V坯/D2坯
噸位：G= p(kN)p= k1k2ζsF/1000（kN）
k1——變形速度系數(shù)2.5—3.5 k2—變形系數(shù)與摩擦條件系數(shù)
F—包含飛邊在內的鍛件最大截面
鍛模設計 模塊尺寸、燕尾、起重孔等
切邊、沖孔模具設計 確定加熱、冷卻和熱處理規(guī)范
加熱：火焰加熱、電加熱 加熱速度依坯料尺寸、成分、組織、性能等制定。
冷卻：依具體坯料情況確定。
熱處理：改善組織、性能、消除內應力，退火、正火、調質、高溫回火等。
確定校正、清理
校正變形：終鍛模膛、校正模
清理：去毛刺、氧化皮、切邊、沖孔。
精壓：壓力機上，平面精壓、體積精壓、提高精度
精度可達：±0.1—0.25mm
粗糙度：Ra=1.6—0.8μm
二 模鍛零件結構工藝性
設計模鍛件時，應根據(jù)模鍛特點和工藝要求，使零件結構符合下列原則，以便于模鍛生產(chǎn)和降低成本。必須具有合理的分模面（鍛件易取出，敷料少，鍛模易做）。
模鍛斜度、圓角 非加工面尺寸精度要符合模鍛生產(chǎn)工藝，加工面留余量。
鍛件形狀盡量簡單對稱，各截面差不可太大。
盡量避免深孔、多孔。（簡化模具制造、提高壽命）
若形狀復雜，用鍛焊結構，減少敷料。
§2 胎模鍛
胎模鍛是在自由鍛設備上使用胎模生產(chǎn)模鍛件的工藝方法。
一 特點：1 與自由鍛對比
1）鍛件形狀、尺寸與鍛工技術無關，操作簡單η↑
2）精度高，敷料少，加工余量，節(jié)省金屬，減輕后續(xù)加工的工作量。
3）內部組織、纖維分布更合理。
與模鍛比
1）擴大自由鍛設備生產(chǎn)范圍，設備簡單
2）局部成型，小設備干大活
3）模局不固定，成本低，可一個以上分模面，件可復雜
4）鍛件質量比模鍛差（形狀、尺寸精度、余量）
整形模：
成型模：導柱、定位、切邊、沖孔。
§3 其它設備上的模鍛
作業(yè)： 改正模鍛件不合理處。下圖零件采用錘上模鍛制造，選最佳分模面。
圓角、拔模斜度、分模面、沖孔連皮。2 了解分模面選擇原則 第四章 板料沖壓
板料沖壓：利用沖模使板料產(chǎn)生分離或成型的加工方法。
一般冷態(tài)下成型，δ＞8—10mm時，熱態(tài)成型
應用：廣泛，航天、航空、汽車、儀表
特點：1 可沖壓出成型復雜的件，廢料少。產(chǎn)品具有足夠高的精度和較低的表面粗糙度，互換性好。
質量輕，材料消耗少，強、剛度高。
操作簡單，便于自動化，生產(chǎn)率高。
模具復雜，適于大批量生產(chǎn)。
原材料塑性高：低C鋼、鋁合金、銅合金、鎂合金、塑性高的合金鋼。
剪床—剪料 沖床—沖壓
§1 分離工序
分離工序是使坯料的一部分與另一部分相互分離的工序
一 落料及沖孔（沖裁）
坯料按封閉輪廓分離
落料—被分離的部分為成品，而周邊為廢料
沖孔—被分離的部分為廢料，而周邊是成品
沖裁變形過程：
1）彈性變形階段：沖頭接觸后，繼續(xù)向下運動，產(chǎn)生：彈性壓縮、拉伸、彎曲等。
2）塑性變形階段： ζ≥ζs 產(chǎn)生塑變→（冷態(tài)）加工硬化，ζ≥ζb 微裂紋
3）斷裂分離階段：沖頭繼續(xù)壓入，裂紋上、下擴展，重合。
斷面 光亮帶—上、下塑性變形，沖頭壓入形成 剪切帶—剪切分離（斷裂帶）
圓角帶—變形開始彎曲，拉伸所至。
凸凹模間隙：
間隙大小影響斷面質量、模具壽命、卸料力、推件力、沖裁力和沖裁件的尺寸精度。
間隙大：1）材料拉應力大，塑性變形階段結束早
2）亮帶小，剪裂帶、毛刺大
3）卸料力和推件力小
間隙小：1）壓應力大、拉應力小，抑制裂紋
2）凸模刃口裂紋比正常向外，毛刺增大
3）凸模與沖孔、凹模與落料之間摩擦增大
4）降低模具壽命
總之：沖裁件斷面質量要求較高時，選較小間隙
沖裁件斷面質量無嚴格要求時，選較大間隙
一般（5—10%）S 以利于提高沖模壽命 凸凹模刃口尺寸確定：
沖孔模：1）以沖孔件確定凸模尺寸，考慮磨損，凸模選孔的最大尺寸（公差允許內）
2）以凸模為基準，加上間隙，設計凹模
落料模：a）以落料件確定凹模刃口尺寸，考慮凹模磨損，凹模刃口尺寸取公差范圍最小值。
b）以凹模尺寸為基準，減去間隙，設計沖模
沖裁力的計算
選沖床噸位，檢驗模具強度的依據(jù)，平刃沖模的沖裁力：P=KLSη（N）
L—沖裁周邊長度mm； S—坯料厚度mm
η—抗剪強度Mpa ； K—系數(shù)，間隙不均，刃口鈍化等。
沖裁件的排樣：
排樣合理，提高材料利用率
無搭邊排樣：落料件形狀的一個邊作為另一個落料件邊緣，材料利用率高，尺寸不準，毛刺不在同一平面上。
有搭邊排樣：各落料件之間有一定尺寸的搭邊，毛刺小，在同一平面上，尺寸準，費材料。
二 修整：
利用修整模沿沖裁件外緣或內孔刮削一薄層金屬，以切掉普通沖裁時，在沖裁件斷面上存留的剪裂帶、毛刺，提高沖裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度。
外緣修整：修沖裁件外形
內緣修整：內孔
與切削加工相似，間隙小，可采用負間隙，凸模大于凹模，精度達 IT6—IT7 表面粗糙度為Ra0.8—1.6 ▽7—▽8
三 切斷：
用剪床或沖模把板料沿不封閉輪廓進行分離的工序 剪切：大板料剪成條料
沖模：生產(chǎn)簡單、精度要求不高的平板件
§2 變形工序
變形工序是使坯料的一部分相對于另一部分產(chǎn)生位移而不破裂的工序，拉深、彎曲、翻邊、成型等。
一 拉深 拉深過程： 1）D直徑平板放在凹模上。
2）凸模向下運動，板料被拉入凸、凹模的間隙中，形成空心零件。
受力分析： 底部：不變形、傳遞拉力，厚度基本不變。
環(huán)形部分：拉力，厚度略減小。
法蘭部分：切向受壓力，變厚。
底角部分：拉力、變厚。
拉深中的廢品：
1）拉裂 ζt＞ζb 無其底角部分
拉裂影響因素：
（1）凸凹模的圓角半徑：不可太鋒利，否則易拉裂，鋼件：r凹=10s r凸=（0.6—1）r凹
（2）凸凹模間隙：過小，模具與拉深件間的摩擦力增大，易拉裂工件，同時擦傷工件表面，降低模具壽命（磨損）。Z=（1.1—1.2）S
過大：起皺
（3）拉深系數(shù)： m=d/D 衡量拉深變形程度，m越小，變形越大，易拉穿，材料塑性好m可↓，一般：m≥0.5—0.8（易塑性來?。?/p>
若m過小，則采用多數(shù)拉深，mn＞mn－1＞mn－2?? 兩次拉深之間退火,消除加工硬化，m總= mn ×mn－1×mn－2??
（4）潤滑：加潤滑劑，減小摩擦，降低拉力，減小模具磨損。
2）起皺：
發(fā)蘭受切向壓力，起皺，起皺后坯料拉不進凹模，在凹模入口處，拉裂，若能拉入，產(chǎn)品側壁有痕跡。
影響因素： t/D 小，起皺，m小，起皺
防止方法：壓邊圈
毛坯尺寸及拉深力的確
按變形前后板料面積不變，計算毛坯尺寸，拉深力： Pmax=3（ζb ＋ζS）（D－d－r凹）S
Pmax——最大拉深力（N），ζb、ζS 抗拉、屈服強度，D——毛坯直徑mm，d——凹模直徑mm
r凹——凹模圓角半徑mm S——材料厚度mm 旋壓法生產(chǎn)拉深件
旋壓件上生產(chǎn)，不用沖模，變形小，能生產(chǎn)大型封頭。
二 彎曲：
坯料的一部分相對于另一部分彎曲成一定角度的工序 受力分析：外側受拉，內側受壓，ζt＞ζb，外側拉裂
板厚 S↑ r↓ 則ζt↑ 易裂 最小彎曲半徑rmin=（0.25—1）S 塑↑ rmin可小些 彎曲方向：彎曲時盡可能使彎曲線與毛坯的纖維方向一致 4 回彈：回彈現(xiàn)象 0——10°
防止方法：（1）彎曲的模具角度小一個回彈角
（2）彎曲時兩端加拉力，壓力→拉力
三 翻邊：在帶孔的平坯上用擴孔的方法獲得凸緣的工序，r凸=（4—9）t
k0=d0/d＜1（鍍錫鐵皮k0≥0.65——0.7 酸洗鋼 k0≥0.68——0.72）
若k0 過小，可先拉深-----沖孔-------翻邊
四 成形（脹形）
局部變形 制造加強筋 局部直徑擴大
§3 沖模的分類和構造
沖模結構合理與否對沖壓件質量、沖壓生產(chǎn)的效率及模具壽命等都有很大的影響。
一 簡單沖模： 一次沖程只完成一個工序
凸模被壓板固定在上模板上，上模板通過模柄與沖床滑塊連接，凹模被壓板固定在下模板上，下模板用螺釘固定在工作臺上，凹模上裝有導料板，導料板前有定位銷，導料板上裝有卸料板，防止凸模把料帶上去。導柱、導套：保證凸凹模對正，間隙均勻。
二 連續(xù)沖模：連模具不同部位，一次沖程能完成幾道工序，墊片------先沖孔、后落料。
三 復合模：在模具的同一部分上同時完成幾道工序
§4 沖壓件結構工藝性
設計沖壓件不僅要滿足零件的使用性能，還應有良好的工藝性能，以減少材料的消耗，延長模具壽命，提高生產(chǎn)率，降低成本及保證沖壓件質量。
一 沖壓件的形狀和尺寸 沖裁件：
1）落料件外形和沖孔件的孔形應力求簡單、對稱，排樣時廢料少、，盡可能采用圓形、矩形，避免長槽、長懸結構，總之：利于制造模具，提高模具壽命，節(jié)省材料。
2）沖孔時 d≥t 方孔L≥0.9t t——料厚，凸?！?/p>
孔距，孔與邊距≥t 保證凹模壽命，外緣凸出或凹進的尺寸≥1.5t，保證件不變形。
3）沖裁件：兩相鄰邊要用圓弧聯(lián)接，避免應力集中，彎曲件：
1）r ＞rmin 彎曲半徑左右對稱，若彎曲非對稱件，用坯料上孔定位。
2）短邊彎曲，彎曲高度 h＞2t，若過短，先彎長，后切短。
3）帶孔件彎曲 L＞（1.5—2）t
若孔與立壁近，先彎后沖 拉深件
1）外形對稱簡便，不宜太高，—便于制模具，成形容易。
2）拉深件不能同時保證內外尺寸，必須注明其一。（∵有間隙）
3）拉深件圓角半徑不能小于允許值。
4）對半敞開件，可先拉深——后切斷，工件組成對稱件。
5）帶凸緣件，凸緣大小要合適。過大，增加拉深次數(shù)；過小，壓邊圈失效，易起皺。
合適尺寸：d+12t≤d凸≤d+25t
對各類沖壓件的共同要求： 材料的選擇：普通材料——貴重材料，塑性↑ 薄件，加筋提高剛度。
外形對稱：受力均勻，模具易制造。3 復雜件：沖——焊，沖——鉚結合。二 沖壓件的厚度
強度，剛度允許，盡量用薄料，可采用加強筋（脹形），提高剛度，省材料。
三 沖壓件的精度和表面質量
不能超過最高可能的精度，表面質量不能高于原材料表面質量。
一般精度：薄件： IT10； 沖孔： IT9 ； 彎曲：IT9——IT10
拉深高度公差：IT8——IT10； 經(jīng)整形：IT6——IT7； 直徑公差：IT9——IT10
作業(yè)： 1 用θ50沖孔模具加工θ50薄料件能否保證精度？
2用θ250×1.5料拉深θ50筒件，能否一次拉出？
1（1）分清沖孔、薄料概念
（2）沖孔，薄料模具設計原則
（3）精度差（1）拉深系數(shù) m≥0.5——0.8
（2）m1＜m2＜m3?????
（3）附加：潤滑、退火
（4）d1=250×0.5=125 若d/125=50/d d＞75≈75
取d=25 75/125=0.6 50/75=0.67
m1=0.5 m2=0.6 m3=0.67
75 50 試述下圖沖壓件的生產(chǎn)過程（工序排列）
落料——沖孔——彎曲
第五章 壓力加工先進工藝簡介
先進工藝特點： 盡量使鍛壓件的形狀接近零件形狀，以便達到少、無切削加工的目的，節(jié)省材料，合理纖維組織，提高零件機械性能，2 具有更高的生產(chǎn)率。減少變形力，可以小設備干大件。廣泛用電加熱，少氧化加熱，提高表面質量，改善勞動條件。
§1 軋制
一 縱軋： 軋輥軸線與坯料軸線互相垂直的軋制方法。
輥鍛軋制：軋輥上裝上圓弧形模塊。輾環(huán)軋制：對稱擴孔，自動控制尺寸，可軋截面不同件，如火車輪箍
二 橫軋：軋輥線與坯料軸線平行
齒輪軋制：對輾
三 斜軋：軋輥線與坯料軸線成一定角度。如：軋鋼球，周期性截面變化桿件，冷軋絲杠。
四 楔橫軋：利用兩個外表面鑲有楔塊，并作同向旋轉的平行軋輥軸向送進的坯料進行軋制的方法，稱為楔橫軋。
主要靠兩楔塊壓縮坯料，使坯料徑向尺寸減小，長度增加。
楔塊分三部分組成：楔入部分、展寬部分、精整部分。
拔長？如何加入錐形軸？
特點：1）生產(chǎn)率高，每小時可生產(chǎn)千件。
2）品精度高，徑向公差0.2mm內，長度0.1——1內。
3）產(chǎn)品質量好，內部纖維連續(xù)，晶粒細化。
4）節(jié)省原材料。
5）設備投資少，模具壽命高，可達10——20萬件。6）無沖擊，噪音小，易自動化?！? 擠壓
擠壓是坯料在擠壓筒中受強大的壓力作用而變形的加工方法。
一 分類： 按金屬流動方向分：
正擠壓：金屬流動方向與凸模運動方向相同。
反擠壓：金屬流動方向與凸模運動方向相反。
復合擠壓：正反擠壓同時發(fā)生。
徑向擠壓：金屬流動方向與凸模運動方向成90 °。
按變形溫度：
熱擠壓：T＞T再 變形抗力小，表面粗糙。
冷擠壓：T＜T再 變形抗力大，表面光潔，組織硬化，強度高。
溫擠壓：介冷熱之間，低于T再 下某一溫度，氧化脫碳少（與熱比），變形抗力?。ㄅc冷比），中碳鋼、合金鋼均可擠。靜液擠壓：凸模與坯料之間充滿液體，凸模通過液體擠坯料，減少摩擦。
應用：低塑性材料，如 鉻、鎢等，麻花鉆。
二 特點：1 三向壓應力，塑↑ 零件精度高，粗糙度低，IT6——IT7 Ra3.2——0.8 形狀復雜件，深孔、薄壁、異形斷面件。
機械性能高，纖維合理。節(jié)省原材料，生產(chǎn)率高，材料利用可達70%，易自動化。
§3 拉拔
拉拔：將金屬坯料從拉模的模孔中拉出使坯料變形的加工方法。一般常溫，故“冷拉” 特點：1 拉拔產(chǎn)生加工硬化，強度↑ 硬度↑ 受工壓——拉應力，變形量大易裂，∴拉前去應力，拉后退火（多道拉拔）3 拉拔前清理表面，減少與模具摩擦，提高工件表面質量。產(chǎn)品精度高，廣泛應用各類型材、線材、精鉸加工。
§4 精密模鍛
在模鍛設備上鍛造出形狀復雜、鍛件精度高的模鍛工藝，精度達IT7，粗糙度Ra3.2——1.6 ▽5——▽6
特點：1 精確計算原始坯料的尺寸，嚴格按坯料質量下料。
精細清理表面，去氧化皮，脫碳層。
無氧化加熱，少氧化加熱，減少氧化皮。
鍛模精度高，導柱、導套、凹模開排氣孔。
鍛模潤滑，冷卻（熱脹冷縮）。
設備剛度大，精度高。（壓力機、高速鉆等）
保護冷卻，（坑、介質、無焰淬火）少氧化。
§5 高速錘鍛造
利用高壓氣體在極短時間內突然膨脹，推動錘頭對擊。
特點：1 打擊速度高（12——25m/s，普5——9 m/s），變形時間短，充填性好，有熱效應，一次形成復雜件。少、無氧化加熱，潤滑劑，頂出裝置，可鍛無斜度、小斜度、無飛邊件，Ra3.2—0.8。
流線合理，機械性能↑ 適合結構對稱件，模具磨損快，壽命↓，單模膛。5 對廠房無抗震性要求，設備體積小。§6 超塑性成形
超塑性：金屬材料在特定條件下可得到極大塑性。
動態(tài)超塑性：在材料相變溫度或同素異構轉變溫度附近經(jīng)過多次溫度循環(huán)或應力循環(huán)，獲得超塑性。（應用少）靜態(tài)超塑性：低形變速率：ε/=10-2——10-5 θ/s ε/=Σ/s
變形溫度：0.5——0.7Tm，細晶：0.5——5μm，拉伸無縮頸
應用：1板料沖壓，可拉深很深筒。
板料氣壓成形。擠壓、模鍛，如鈦合金。
特點：1 擴大了可鍛金屬種類。
充模性能好，精度高，余量小——0 機械性能均勻一致。（晶粒細）
變形抗力小，充分發(fā)揮中小型設備作用。
§7 擺動輾壓
利用一個繞中心軸擺動的圓錐形模具對坯料局部加壓的工藝方法。
若上模是錐體，可輾成一平面工件。若上模母線是曲線，可輾成表面形狀復雜件。
特點：1）省力，局部受力變形，小設備干大件。
2）可加工薄件，如1mm厚件。
3）產(chǎn)品質量高，省材料。
4）噪音小，震動小，易自動化。
§8 多向模鍛
將加熱的金屬坯料置于多分模面的組合鍛模中，在多向鍛壓機上一次行程作用下，獲得飛邊，無斜度或小斜度多向孔穴鍛件。
實質：擠壓為主，加閉式模鍛。
無飛邊，生產(chǎn)率高。
§9 液態(tài)模鍛
鍛鑄結合，液態(tài)金屬澆入下模，用上模加壓，使液態(tài)金屬充滿模膛，并在壓力下結晶凝固并產(chǎn)生塑性變形，以獲得組織致密，性能良好的鍛件。
特點：1 組織致密，性能好。
省去鑄件的澆口、冒口。
省力，能加工脆性材料。
應用：大批，性能好，中小型件。
四 焊接
概述
一 什么是焊接?
焊接實質是用加熱或同時加壓并用或不用填加材料使焊件達到原子或離子結合的一種加工方法.實際上被焊接的可以是非金屬,如塑料,用釬焊還可以把金屬與非金屬連接起來.二 焊接特點及應用
1特點
1)省工省料(與鉚接比)可省料12~20%.2)能化大為小,拚小為大.大型結構,復雜零件,用焊接組合結構,焊接可將鑄件,鍛件連接起來,簡化鑄鍛工藝和設備.3)可以制造雙金屬結構,節(jié)省貴重金屬.(聯(lián)想鑄造離心鑄造)
車刀, 鉆頭 硬質合金刀片+金剛石膜
4)生產(chǎn)率高 便于實現(xiàn)機械化,自動化.應用
橋梁 大容器 水壓機 飛機 汽車 輪船 電子組件?.三 焊接分類(按焊接過程特點)熔化焊: 局部加熱 將焊接接頭加熱熔化,并形成共同的熔池,冷卻結晶形成牢固接頭,將兩工件焊接成整體.壓力焊: 利用加壓力(或同時加熱)的方法,使兩工件結合面緊密接觸在一起,并產(chǎn)生一定的塑性變形或熔化,使他們的原子組成新的結晶,將兩工件焊接起來.包括: 電阻焊 摩擦焊 冷壓焊等 釬焊: 對工件和作為填充金屬的釬料進行適當?shù)募訜?工件金屬不熔化,但熔點低的釬料被熔化,后填在工件之間與固態(tài)的被焊接金屬互相擴散,釬料凝固后,將兩工件焊接在一起.如 銅焊 銀焊 錫焊
第一章 熔化焊
電弧焊 氣焊 激光焊等
§1 手工電弧焊(焊條電弧焊)
利用焊條與焊件之間產(chǎn)生的電弧熱,將工件和焊條熔化而進行焊接的手工操作.一 焊接過程及特點
焊接過程: 回憶實習
2特點: 優(yōu)點: 設備簡單.接頭形式、焊縫形狀、焊接位置、長度不受限制。缺點：有弧光，勞動條件下降，質量不穩(wěn)，生產(chǎn)率低。應用：單件小批，碳鋼，低合金鋼，不銹鋼，鑄鐵焊補。
適宜板厚３～２０ｍｍ。
二 焊接冶金過程特點
（焊條和局部被焊接金屬在電弧高溫作用下的再熔煉過程高于一般冶金溫度，可以看成是一個冶金過程）焊接電弧和熔池溫度高：造成金屬氧化燒損，電弧區(qū)氣體分解，增大氣體活撥性，氧化、氮化（Fe4N、Fe2N）易形成氣孔、夾渣等缺陷。降低焊縫的塑性、韌性。水分解成H，熔入熔池，形成“氫脆” 熔池體積?。豪渌倏?，各種化學反應不平衡, 使化學成分不均，氣體熔渣不易浮出。形成氣孔，夾渣。熔池金屬不斷更新：電弧移動，不斷有新的熔渣和金屬也進入熔池，使焊接冶金過程更復雜。
∴ 要得到一個合格的焊縫也不是一件容易的事。
# 采取措施： 保護焊區(qū)（藥皮，焊藥，保護氣體等）
添加合金元素，保護化學成分穩(wěn)定。（在手工電弧焊中這些保護措施主要靠電焊條實現(xiàn)）
三 焊條
1）焊芯：作用：電極、導電、填金屬、添加合金元素。
焊芯牌號：H08A（E）H—焊 08—平均0.08%C，A—優(yōu)質 E—高級優(yōu)質。H08Mn2Si 0.08%C 2%Mn <1%Si
2）藥皮：作用；穩(wěn)弧、保護焊區(qū)、添加合金元素。
分類: 9種類型1~6、8交、直流，7、9 直流
3）焊條分類
結構焊條J 不銹鋼焊條B 堆焊焊條D 鑄鐵焊條Z 低溫鋼焊條W 耐熱鋼R 鎳及鎳合金N 銅及銅合金T 鋁及鋁合金L 特殊用途鋼TS
4）牌號
符號+數(shù)1+數(shù)2 符號—焊條大類 數(shù)1—小類 數(shù)2—藥皮
如J422 結構鋼焊條，焊縫抗拉強度不低于420Mpa，2型藥皮，交直流
# 為什么有的焊條不能用直流焊機？
∵堿性焊條里含大量瑩石（CaF2）F是阻礙氣體電離的元素，降低了電荷空間的電離度，使導電能力差，電弧不穩(wěn)定。
用交流焊機時，電流的方向在不斷變化，此時若用堿性焊條電弧易熄滅
四 焊接接頭的組織與性能 焊接工件上溫度的變化與分布
1）距焊縫中心不同，受熱最高溫度不同。
2）各點到達最高溫度的時間不同。
3）各點均經(jīng)過冷--熱—冷，相當于受到一次不同規(guī)范的熱處理。因此，必然有相應的組織和性能的變化。接頭組織與性能的變化
以低碳鋼為例 P92 1）焊縫金屬
（1）熔化溫度在1500℃以上。（2）形成柱狀晶，約與池壁垂直（鑄造）∵藥皮滲合金，焊縫中硅，錳合金元素可能高于母材，且藥皮保護。
∴ 焊縫性能一般不低于母材（尤其強度）
2）溶合區(qū) 焊縫與母材交界區(qū)，∵局部熔化（半熔化區(qū)）
組織：鑄造組織+受熱長大的粗晶?！嗑Я４笮〔痪瘜W成分不均（尤其異種金屬）
性能；接頭中性能最差?！鄾Q定接頭性能
3）過熱區(qū)：溫度遠高于相變溫度，晶粒產(chǎn)生急劇長大。過熱組織。
性能：塑性韌性↓ 對于易淬硬鋼材，危害更大。接頭中性能較差
4）正火區(qū)：組織：發(fā)生重結晶，晶粒細化，正火組織
性能：機械能提高
5）部分相變區(qū)：組織：部分相變（F、P）晶粒不均（部分F和P重結晶成為較細晶粒，未轉變的F長大）
性能：稍差
3）~5）為熱影響區(qū)
l 總之，熔合區(qū)與熱影響區(qū)中的過熱區(qū)對焊接質量影響最大，應盡量減少它們的寬度。
l 熱影響區(qū)大小和組織變化程度決定于焊接方法、焊接規(guī)范、接頭形式、焊后冷卻等因素，在保證焊接質量的前提下，增加焊接速度，減少焊接電流，減少熱影響區(qū)尺寸。
l 措施：焊后熱處理，正火，退火---細化晶粒
§2 焊接應力與變形
一 產(chǎn)生應力與變形原因
根本原因：加熱不均, 各處熱脹量不同，又是整體，各部分互相限制
（與鑄造熱應力聯(lián)系講）內應力通過變形自發(fā)釋放趨勢，拉應力部分縮短，壓應力部分伸長。
二 焊接變形基本形式
1）收縮變形：縱 橫
2）角變形：V型坡口對接時，因焊縫截面上下不對稱，焊后收縮不均引起。
3）彎曲變形：如丁字梁，焊縫在一端
4）波浪變形；薄板焊縫收縮板材失穩(wěn)（聯(lián)系自由鍛高坯鐓粗、拉深起皺）
5）扭曲變形：如工字梁，焊接順序不當。
三 防止和減少焊接變形措施
合理結構設計
1）盡量減少焊縫，焊縫長度，截面厚的件兩面開坡口。
2）焊縫對稱
3）避免密集交叉
4）利用型材、沖壓件代替，減少焊縫。
工藝措施
1)加余量法： 在工件尺寸加大，通常0.1~0.2%
2)反變形法:焊前使焊件處于反變形位置,以抵消焊后變形.(聯(lián)系沖壓彎曲)
3)剛性固定法: 將工件固定夾緊, 或點焊在工作臺上, 焊后變形大大減少.這種方法適于塑性好的低碳鋼件.4)選擇合理的焊接順序: 對稱兩側都有焊縫,盡量使收縮能互相抵消.5)焊前預熱: 工件預熱150~350℃, 減少溫差,顯著減少焊接應力.四 焊接變形的矯正方法
基本原理: 新變形抵消焊接變形.機械矯正法: 用機械力矯正, 壓力機 手錘敲擊.火焰矯正法: 乙炔焰加熱焊件,使其產(chǎn)生反向等量變形.主要低碳鋼,部分低合金鋼.五 減少和消除焊接殘余應力的方法
焊前預熱,減少溫差 焊后退火(去應力退火)600~650℃ 保溫 80~90%殘余應力消除, 可整體,局部
§3 埋弧自動焊
埋弧—電弧埋在焊劑下,弧光不外露.自動焊---引燃電弧, 送焊絲,移動電弧,最后滅弧----機械
一 焊接過程
自動焊機頭將光焊絲自動送入,保證弧長.電弧在焊劑下燃燒,靠焊機移動(或工件動).焊劑從漏斗中不斷流出,撒在焊絲前工件上,焊劑熔化成熔渣,部分未熔可回收.焊絲---相當于焊芯.焊劑---相當于藥皮.常用焊劑見書上.二 特點 生產(chǎn)率高, 比手工高5~10倍(V↑ I↑ 不換焊絲)焊接質量高，且穩(wěn)定。[（1）冷卻速度慢，有利于氣體、雜質上浮。（2）焊區(qū)保護好。（3）規(guī)范控制好。]
節(jié)省金屬材料。[（1）沒焊條頭。（金屬飛濺少，≤25mm不開坡口。）4 勞動條件好。（看不到弧光，焊接煙霧少，機械操作。）三 工藝 下料，準備坡口，裝配要嚴格準確。焊前工件焊縫兩側50—60mm內的一切油污、鐵銹除去，以免產(chǎn)生氣孔。
一般適于長規(guī)則平焊、對接、搭接、丁字接頭，規(guī)則環(huán)焊縫。
應用：碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼，中、厚板平焊長直縫，大直徑 d≥250mm環(huán)縫。
§4 氣體保護焊
一 氬弧焊
用氬氣做保護氣體，電弧發(fā)生在電極和焊件之間，在電弧周圍通以氬氣。不熔化極氬弧焊
電極：鎢or鎢合金，（熔點：3380—3600℃）只導電產(chǎn)生電弧，必要時需另加焊絲。
（1）直流正接： ∵陰極3000℃，陽極4200℃＞鎢熔點，∴鎢→陰極，工件→陽極，以減少鎢損耗。
（2）交流或直流反接：焊鋁鎂及其合金，∵在焊件和熔池表面易形成熔點很高的氧化物薄膜，阻礙金屬熔合和電弧穩(wěn)定燃燒，∴采用“陽極破碎”—用較大氬正離子撞擊氧化膜，使之破碎以利于焊合，多用交流，I不能太大，鎢極氬弧焊口適用于δ≤6mm薄板。
熔化極氬弧焊
用焊絲做電極，并填焊縫，I可大，δ=3—25mm均可焊，多直流反接：電弧穩(wěn)定，自動、半自動焊接。
特點
1）焊區(qū)保護，焊接質量好。
2）電弧穩(wěn)、飛濺少（Ar導熱小，電弧熱損失少）
3）電弧在壓縮氣流下燃燒，熱量集中，熔池小，熱影響區(qū)小，焊接變形小。4）明弧可見，便于操作，可自動全位置焊接。5）適于焊各類合金鋼，易氧化的有色金屬。
6）焊前工件清理嚴格，設備價高，氬氣貴，成本高。
7）只在室內（防保護氣流破壞）
二 CO2焊
CO2做保護氣體，電極：焊絲
CO2→CO+O2 O2進入熔池，會使Fe、C、Mn、Si和其它合金元素氧化燒損，降低焊縫力學性能，∴用Si、Mn較高的焊絲，或合金鋼焊絲。
特點：1）成本低，是手工、埋40%
2）質量較好，（低H，Mn↑、S↓，抗裂，熱量集中，熱影響區(qū)?。?/p>
3）生產(chǎn)率高（自動送焊絲，I大，v↑，比手工提高1—4倍）
4）操作性好（明弧可見，適于各位置）
5）飛濺大，弧光強，焊縫不美觀，易產(chǎn)生氣孔。
應用：低C鋼，低合金鋼，δ=0.8—4mm，最厚30mm。
§5 其它熔化焊
等離子弧焊
利用一些裝置使自由電弧的弧柱受到壓縮，弧柱中的氣體就完全電離，產(chǎn)生溫度比自由電弧高得多的等離子電弧。
機械壓縮（噴嘴壓縮）：通入一定壓力和流量的氬氣或氮氣時，冷熱壓縮，氣流均勻包圍著電弧，使弧柱外圍受冷，帶電粒子向弧心移動。
電磁壓縮：帶電粒子在弧柱中的運動，會產(chǎn)生電磁力，使帶電粒子相互靠近。
特點：（1）熱力集中，12mm不開坡口，變形小。
（2）電流，電弧仍穩(wěn)定，可焊箔材、薄板。
（3）焊接質量好（電弧穩(wěn)定，Ar保護）真空電子束焊
在真空室，利用電子束將金屬加熱熔化。
特點：1）能量集中，可達200mm，厚件不開坡口，不變形。
2）真空中焊，不氧化，焊接質量好。
3）電子束大小可調，薄件也可焊。
應用：焊高熔點金屬（鎢、鉬、鉭、鈮、鈦）。
缺點：焊件大小受真空室限制。
激光焊
利用激光焊接
主要優(yōu)點：熱量集中，激光可反射、聚焦、改變方向，適于不同位置焊接。
多用焊薄板，細絲。
第二章 壓力焊與釬焊
§1 電阻焊
利用電流通過焊件接頭的接觸面及其鄰近區(qū)域所產(chǎn)生的電阻熱將焊件局部加熱到熔化或塑性狀態(tài)，并在壓力下形成焊接接頭的焊接方法。
一 點焊 電極：柱狀 工件：搭接 焊接過程：電極壓緊工件→通電加熱 → 斷電→保持原壓力（加大）→去壓。
分流：兩點之間距離小，分流大。特點：生產(chǎn)率高、易自動化、焊接變形小、設備復雜，焊前要嚴格清理工件表面。
應用：薄件、鋼筋 δ≤4mm。
二 縫焊 焊接過程：與點焊相似，只是用滾動盤狀電極代替柱狀電極，形成連續(xù)焊點。
特點: 由于焊點重迭50%以上，故密封性好，但分流嚴重，適于3mm以下薄板。
三 對焊
利用電阻熱使對接接頭在整個斷面上連接起來的一種電阻焊方法。
電阻對焊：
（1）焊接過程：對正、夾緊、予壓力→通電→塑性狀態(tài)→增大壓力、斷電。
（2）特點：易操作、接頭外形光滑、毛刺少、接觸面質量影響焊后質量。
應用：斷面簡單，（Lord＜20mm）強度要求不高的件。
閃光對焊：
（1）焊接過程：對正、通電→點接觸→面接觸熔化→加壓、斷電。
（2）特點：接頭質量好（飛濺、擠出雜質、夾渣少）、金屬損耗多、工件尺寸留較大余量，毛刺多。
應用：同種、異種金屬均可，形狀盡量相同，d=0.01mm F=20000m2 刀具、鋼軌、管子等。四 摩擦焊
利用工件接觸摩擦生熱，將工件端面加熱到塑性狀態(tài)，然后在壓力下完成焊接。焊接過程：加壓→旋轉其一，接觸的生熱→塑性狀態(tài)，停轉→加壓→塑性變形，完成焊接。特點：
（1）接頭質量好（接頭雜質、氧化皮擠出、不易產(chǎn)生氣孔、夾渣）。
（2）操作簡單、易自控、生產(chǎn)率高。
（3）設備簡單、耗電少（只有閃光焊1/10——1/15）
（4）焊接金屬廣泛，尤其性能差別大的異種金屬，如：碳鋼+鎳基合金、鋁+鋼
§2 釬焊
利用比母材熔點低的釬料熔入接頭間隙完成焊接。
硬釬焊：釬料熔點450℃以上，接頭強度高，銅等。
軟釬焊：釬料熔點450℃以下，接頭強度低，錫。
一 焊接過程：
清理工件，搭接 釬料放在裝配間隙處
加熱釬料，使之熔化，（毛細作用）使釬料進入間隙內，與金屬相互擴散，凝固形成釬焊接頭。
二 釬劑作用： 清除母材表面的氧化膜及其它雜質。
第四篇：復合雙金屬襯板在大型濕式磨機上的應用
復合雙金屬襯板在大型濕式磨機上的推廣應用
一.市場調查現(xiàn)狀：
金屬選礦用大型濕式自磨機、球磨機、棒磨機襯板，使用工況十分惡劣，不僅要承受嚴重的高能量沖擊磨料磨損，還伴隨著不同程度的電化學腐蝕、硫腐蝕、酸性或堿性腐蝕。高錳鋼襯板耐磨耐蝕性差，而且屈服強度低，容易在沖擊碾壓作用下過度變形，難以拆卸。中碳中合金鋼襯板（C-0.5-0.7%, Si<1.0%，Mn-0.4-0.8%，Cr-1.5-3.0%, Mo-0.5-1.0%，Cu-0.3-0.5%，Ni-0.2-1.0%）為馬氏體基體，耐蝕性一般，雖然硬度較高HRC40-55（干磨表現(xiàn)出較高的耐磨性，濕磨腐蝕磨損則較快），但最大弱點是沖擊韌性較低（ak=10J左右），極易脆性斷裂，安全性擔憂。
故此無論是高錳鋼還是中碳中合金鋼襯板，在大型濕式磨機中的使用壽命均不超過三個月（進口襯板例外）。當然，襯板的短期報廢實屬無奈，不僅拆裝更換頻繁、耗時耗力、嚴重影響生產(chǎn)，而且給企業(yè)造成巨大的采購支出和成本增加。
二.解決問題的辦法：
針對上述市場調查現(xiàn)狀，我公司與清華大學材料科學與工程系及鋼鐵研究院結構材料研究所長期合作研制成功了新型ZM-8A-4超級加工硬化耐磨鋼。此鋼種具有優(yōu)良的耐腐蝕、耐磨損、耐沖擊綜合性能，為國內首創(chuàng)，及時地解決了大型濕式磨機襯板使用壽命較短的難題。
三.新材料、新工藝耐蝕、耐磨、耐沖擊機理分析
高錳鋼為至今已使用一百余年的傳統(tǒng)耐磨材料，具有極高的沖擊韌性（ak>100J）；高鉻鑄鐵是世界上公認的優(yōu)良耐磨材料，但沖擊韌性極低（ak2-7J），稍一撞擊即斷。ZM-8A-4是在傳統(tǒng)高錳鋼和高鉻鑄鐵的基礎上加以改進提高，通過特殊熱處理而得到多元復相組織：奧氏體+馬氏體+共晶碳化物（M7C3），屬于亞穩(wěn)定奧氏體向馬氏體轉變組織（α+ε）。主要化學成分：C≥1.0%，Cr-18.0-26.0%, Mo≤4.0%,（這是保證高耐蝕性和形成高硬度的碳化物Cr7C3、Mo2C所必須的Cr、Mo含量）,Mn≥2.0%, Si≤0.5%,適量添加強碳化物硬質點形成并彌散分布元素和強耐蝕元素W、Ni、Nb、V、Ti、Zr、Cu、B、稀土等，采用自有專利技術——融熔復合雙金屬襯板鑄造工藝，使得其既具有高鉻鑄鐵的高耐磨性（ZM-8A-4熱處理硬度HRC55-65），又具有高錳鋼的高沖擊韌性（非工作面低合金鋼ak≥50J，工作面ZM-8A-4 ak≥7-20J,整體沖擊ak30-60J），不易斷裂，安全可靠。
ZM-8A-4的另一顯著特點是其加工硬化速率是高錳鋼的2-3倍，可由起始硬度HRC45-52(鑄態(tài))迅速提高到?jīng)_擊后的HRC56-62，即在工作過程中硬度不斷升高而耐磨性增強。四.結論：
ZM-8A-4復合雙金屬襯板在大型濕式磨機中可大幅延長使用壽命，相對于目前的2-3個月提高到6-8個月或一年以上，為高錳鋼或中碳中合金鋼的3-5倍，價格為中碳中合金鋼的1.5-2倍。值得有責任心之有識之士重視和推廣應用，必將為企業(yè)直接贏得可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。
江蘇首爾特種合金有限公司
高級工程師：楊繼坤
2011年10月
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