第一章 材料成形理论基础.docx
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第一章材料成形理论基础
第一章材料成形理论基础
第一节液态成形原理
1.金属的凝固
1.液态金属的结构与性质
▪稍高于熔点~200C
▪原子团近程有序,远程游离
▪具有粘度和张力
图示典型相图
2.铸件的凝固组织
▪基本过程:
形核晶体长大
▪宏观组织:
晶粒形态、大小、取向、分布
▪微观形态:
亚结构形态、微观缺陷
▪铸件组织(性能)的影响因素:
▪原始组份、组织、性能——遗传效应
▪过冷度⊿T
▪形核速度——孕育剂
过冷度对晶态的影响
3.铸件的凝固模式和控制凝固的工艺原则
▪凝固模式
•逐层凝固——几乎无两相区
•糊状凝固——两相区贯穿整个断面
•中间凝固——两相区介于结晶区和液相区之间
图示三种凝固方式:
▪工艺原则
▪顺序凝固原则:
端部与浇口之间有一定温度梯度
▪同时凝固原则:
各部分温度梯度很小,几乎同时结晶
▪复合凝固原则:
上述原则有机结合,确保充型完好、及时补缩
二.金属与合金的铸造性能
1.流动性
内在因素:
固液两相区范围、粘度、导热系数等
外在因素:
铸型条件、浇注条件、铸件结构
2.收缩性
三个阶段:
液态收缩、凝固收缩、固态收缩
影响因素:
成分、温度、组织转变*
3.抗裂性
铁碳合金流动性和相图的关系
三.铸造性能对铸件质量的影响
几种主要铸造缺陷
1.缩孔和缩松
缩孔:
大而集中;缩松:
小而分散。
形成特点:
缩孔:
在液态收缩、凝固收缩阶段形成,在逐层凝固为主的模式下形成,大热节处多见,是缩管的主因。
缩松:
在液态收缩凝固收缩阶段形成,在糊状凝固为主的模式下形成,常出现在热节处。
▪成因
▪
组分
▪结晶温度范围、凝固模式
▪工艺设计
▪措施
▪控制凝固方向和顺序:
合理的浇口位置、高温慢浇、采用冒口和冷铁
2.铸件的热裂
▪成因:
凝固方式、机械阻碍
▪措施:
结构设计、铸型选用
3.铸造应力
▪铸造应力的成因
▪热应力
▪机械阻碍应力
3.铸造应力
▪铸造应力的防止措施
▪较小的弹性模量和线胀系数
▪适当的砂型密实度
▪合理的冒口和冷铁
▪壁厚均匀
▪去应力退火
4.铸件的变形和冷裂
5.气孔和非金属夹杂物(金属夹杂物、夹渣、砂眼、氧化膜等)
铸件的夹杂
第二节塑性成形原理
一、塑性成形的本质
1.晶内塑性变形:
滑移变形和孪生变形
2.晶界变形:
晶界转动、滑动和晶界迁移
3.多晶体金属塑性变形:
多种变形共存、变形强化、不均匀变形
二、冷变形强化与再结晶
1.冷变形强化
▪晶内微观结构变化
▪纤维组织
▪形变织构
2.回复与再结晶
▪回复:
Trcv>0.25~0.3Tm
▪再结晶:
Trct=(0.4~0.5)Tm
▪晶粒长大
▪动态回复和动态再结晶
三、锻造比与锻造流线
1.锻造比:
Y=1.5~12
拔长:
Y=F0/F1=L1/L0
镦粗:
Y=F/F0=H0/H
是关系到工件质量的重要参数
2.锻造流线
内部宏观组织结构随金属形变而产生的流线分布
状态
四、塑性成形基本规律
1.体积不变定律
2.临界切应力定律
3.最小阻力定律
4.弹性-塑性定律
五、金属的锻造性能——塑性与变形抗力指标
1.内在因素:
化学成分、组织结构
2.外在条件:
应力状态、应变状态、变形温度
第三节冶金连接成形原理
一、焊接熔池的化学冶金
讨论材料受热区的化学变化问题:
•化学现象
•保护措施
1.熔焊过程中杂质的溶入及其作用
1)有哪些有害元素?
O2、N2、H2、S、P
2)造成的主要缺陷形式
•气孔:
CO、H2、N2
•烧损:
原来的有效元素含量降低,材料的s、b、ak值下降
•析出有害化合物:
使晶界强度削弱,造成冷脆或热脆
3)机理:
O2
Fe+OFeO
Si+2OSiO2
2Cr+3OCr2O3
C+OCO
Mn+OMnO
N2
•室温时从过饱和固溶体中逸出形成气孔
•形成Fe4N(脆硬相)夹杂,针状分布于晶界或晶内
H2
•室温下由过饱和固溶体中析出,以气泡形式存在
•各种水分(焊药,油污,物件表面水分等)造成
•大量气孔导致材料机械性能下降,氢脆,冷裂
S、P
•经冶金反应进入熔池
•硫化物夹杂:
MnS、FeS沿晶界析出,与Fe、FeO形成988ºC低熔点共晶,造成热裂。
•磷化物呈脆性,易呈条状分布对低温ak十分敏感。
2.对焊区的保护及处理
1)气体保护
▪药剂保护:
造气剂、脱氧剂
▪气体保护:
Ar、He、CO2
2)对熔池的冶金清理
脱氧:
Mn+FeOFe+MnO
Si+2FeO2Fe+SiO2
脱硫:
Mn+FeSFe+MnS
MnO+FeSFeO+MnS
CaO+FeSFeO+CaS
MgO+FeSFeO+MgS
3)工艺操作
•表面清理包括:
除污除锈。
•烘干:
预热去氢。
•坡口形状
•焊接方式
•焊接参数控制:
、电流大小、速度、压力、角度
•气体保护形式。
二、焊区的构成及其组织性能
1.焊缝区
•铸造组织
•联生结晶
•存在偏析
2.热影响区:
过热区、正火区、部分相变区、再结晶区
3.熔合区(半熔区)
•未熔粗大晶粒与新结晶铸造组织共存
•力学性能差
三、焊接应力和变形
1.焊接应力和变形造成的危害
1)约束和应力的关系分析
2)焊接残余应力
▪造成裂纹
▪影响强度和精度
▪应力重组加速应力腐蚀
3)焊接变形
▪由焊接应力造成
▪影响精度使装配困难
▪影响美观
▪降低承载能力
2.减少和消除焊接应力的措施
▪合理选择焊接顺序和方向
▪锤击法
▪预热法
▪加热法
▪热处理法
3.控制和矫正焊接变形的措施
•反变形法
•刚性约束法
•选择合理的方法和参数
•选择合理的装配焊接顺序
四、金属的焊接性
1.金属焊接性的概念
•结合性能
•使用性能
2.金属焊接性能的评定方法
•碳当量法:
•冷裂敏感系数法:
•思考题:
•1.铸造时,确定熔融液体温度的原则是什么?
•2.金属有哪几种凝固方式?
各有何特点?
•3.结晶有哪两个基本过程?
•4.什么是金属的铸造性能?
它具体指金属哪些方面的能力?
•5.影响充型能力的因素有哪些?
•6.合金的收缩有哪些类型?
各有何特点?
•7.缩孔是怎样形成的?
防止产生缩孔的措施有哪些?
•8.铸件的热裂是如何形成的?
•9.什么是铸造应力?
对铸件质量有何影响?
•10.铸件变形是如何造成的?
有哪些措施可用来防止或减少铸件变形?
•11.金属塑性变形的实质是什么?
•12.什么是加工硬化?
加工硬化的机理是什么?
加工硬化对产品加工过程和质量有何影响?
•13.金属冷加工有何特点?
•14.什么是回复和再结晶?
回复和再结晶在金属塑性加工过程中有何作用?
•15.什么是动态回复和动态再结晶?
•16.为什么说锻造比对金属塑性加工质量有较大的影响?
•17.塑性成形的基本定律有哪些?
•18.金属的锻造性能是指什么?
锻造性能受哪些因素影响?
•19.金属在加热中要注意产生哪些缺陷?
•20.可以通过哪些措施来提高金属的塑性?
•21.不利于焊接质量的主要有害元素是哪些?
可以从哪两个方面入手采取措施?
•22.焊接接头的组织及性能特点是怎样的?
何为一次结晶和二次结晶?
•23.焊接应力是如何形成的?
工艺方面有哪些措施可以减少焊接应力?
•24.试述焊接变形的种类和相应的防止措施。
•25.为什么说碳当量是评价焊接性能的重要指标?
为保证正常焊接质量,碳当量的一般范围为多少?
•26.焊接性能包括哪两方面的内容?
它们的意义何在?
•
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