第一篇：大型复合材料成型工装热
大型复合材料成型工装热-结构耦合变形分析
热压罐成型工艺是目前广泛应用于先进复合材料结构、蜂窝夹层结构及复合材料胶接结构的主要成型方法。在成型过程中，复合材料制件是在高温高压下与工装一起放进热压罐中固化成型，制件固化成型后几乎不再做任何加工，外表尺寸应满足装配协调要求，不允许强迫装配。然而，工装在整个成型过程中因承受高温热载荷、自身重力及成型辅助件压力的共同作用而发生变形，工装的变形直接影响到制件固化变形而最终影响到复合材料制件的实际形状和尺寸精度。
针对目前较为常用的热压罐成型工装，国内外对热压罐成型工艺参数和工装结构因素对工装温度场均匀性的影响进行了研究[1-3]，并研究了固化工装变形对复合材料内部残余应力的影响[4-6]。岳广全等[7] 针对当前应用较多的框架式工装在工艺过程中的变形进行了研究。
本文以柱支撑形式建立大型复合材料固化工装模型，在保证支撑形式满足工装静力刚度的前提下，研究其在热压罐成型过程中热-结构耦合作用下的结构变形。
柱支撑形式固化工装
对大型复合材料固化工装，工装模具的型面需要根据固化成型后的复合材料曲面进行调整，复合材料成型的多样性势必增加工装制作的经济成本和制作周期。针对此问题，对以柱支撑为支撑形式的工装，支撑部分与工装模具的接触面积小，工装模具型面改变后，支撑柱的生产加工简单易行；此外，工装内部结构简单，利于热空气的流通，可以提高工装和热空气之间的传热效率。
为方便后续研究，对柱支撑形式的工装，以结构相对简单的平板型面工装为例（见图1），分析工装在复合材料固化成型过程的变形情况。图1中工装的型面厚度为20mm，模型尺寸为15000mm×5000mm×1000mm，支撑柱截面设为正方形，尺寸为100mm×100mm。模具材料为殷钢，密度ρ=7900kg/m3，弹性模量E=214GPa, 泊松比ν=0.3，线膨胀系数α=1.7×10-6/K。
对工装进行静力分析，可通过调节支撑柱数量来控制工装型面变形量大小。为了比较静力作用下的变形量和热-结构耦合作用下的变形量，使用70 个支撑柱。对图1中工装进行静力分析（见图2），工装总变形量为0~0.00635mm，垂直型面方向变形量为0~0.00627mm ；静力作用下，70个支撑柱的工装结构变形量微小，说明以支撑柱为支撑形式的工装完全可以满足静力作用下的刚度要求。
成型工装热-结构耦合分析
由经验和工艺试验可知工装的变形均在毫米量级，工装的尺寸在几米至十几米，工装结构变形不会对热压罐内的气体流动产生明显影响。由于流体计算对网格要求较高，文中使用专业流体仿真软件FLUENT进行工装及热压罐内整个流场的网格划分，如图3所示。对工装建立的有限元模型既可以适用于温度场的计算，也可以用于工装的结构变形计算。热压罐工艺规范简化如图4所示，温度场计算所用相关材料参数如表1所示。
对复合材料固化工装而言，工装型面的变形将直接影响与其接触的复合材料制件的成型质量，垂直型面方向的翘曲变形将直接影响到大尺寸复合材料成型的曲率精度，所以型面变形场的表征方法应该与型面的变形直接相关。为对成型工装的型面变形量进行表征，所用支撑柱如图5所示。
图1所示工装中，其型面存在众多可用于表征型面变形量的位置，为方便解释问题，以支撑柱坐标所对应的型面位置的变形量来表征型面变形。鉴于模型所用支撑柱数量较多且考虑到模型结构的对称性，选取代表性的支撑柱坐标：U1V1、U7V1、U14V1、U1V3、U7V3、U14V3、U1V5、U7V5、U14V5、U3V1、U3V3 和U3V5，共12 个坐标位置。对流体仿真在整个热历程中计算得到的工装温度场，每隔100s存储一个温度场数据文件；将包含节点温度值的有限元模型导入有限元分析软件ANSYS，同时施加重力载荷，计算得到对应时刻热-结构耦合作用下工装的结构变形量。
计算结果分析
复合材料在热压罐中固化分为3个热历程：升温、恒温和降温，此过程中工装温度场分布的不均匀性导致各部分热应力分布不均匀，工装在热应力和自重载荷耦合作用下产生变形。热历程中工装变形量最大值分布如图6所示，从图中可得出：
（1）整个热历程中，工装总变形量最大值达4.662mm。
（2）工装沿自身长度方向变形量最大值为4.596mm，与总变形量最大值较为接近。
（3）工装沿自身宽度方向和高度方向的变形量最大值分别为0.805mm 和0.339mm，其变形量相对于工装长度方向变形量较小。
热应力不均匀导致的变形量最大值为静力载荷导致工装变形量的53~734 倍，这说明在复合材料固化成型过程中，热应力载荷对工装结构变形起着决定性作用。
图6反映出工装总变形量最大值随时间的变化，不能得出热应力不均匀导致的型面翘曲对型面的影响。对工装型面翘曲的表征从沿工装长度方向（图5 中U 方向）和沿工装宽度方向（图5 中V 方向）这两个方面来阐述：沿工装长度方向的翘曲，采用V1 上的U1V1、U7V1、U14V1，V3上的U1V3、U7V3、U14V3 和V5上的U1V5、U7V5、U14V5 位置作为监测点；沿工装宽度方向的翘曲，采用U3上的U3V1、U3V3、U3V5，U7上的U7V1、U7V3、U7V5 和U14 上的U14V1、U14V3、U14V5 位置作为监测点。由图7得知：
（1）沿V3方向，其中间位置、迎风端及背风端位置由于均受到加热而使Z向变形量在热历程升温阶段逐渐增大；进入恒温阶段后，中间位置处Z向变形量基本趋于平稳，迎风端和背风端由于与环境热空气的温差不一致导致升温幅度不同，各自的Z向变形量不同；降温阶段，其变形量趋势基本与升温阶段相反。
（2）沿V1和V5方向，迎风端位置Z 向变形量在热历程中先是低于后又高于中间位置和背风端位置的Z向变形量。
（3）迎风端位置相对于中间位置的Z向变形量先是低于后又高于背风端位置相对于中间位置的Z向变形量。这是因为迎风端虽然首先与环境空气相接处，但工装内部的支撑柱在空气流经工装内部时对其形成扰流作用，使工装内局部空气流动速度明显大于工装外部，中间位置的支撑柱与空气换热速率增大。
（4）V3方向，内部支撑柱的扰流作用使背风端位置相对于中间位置的Z向变形量先急剧增大后趋于平稳，然后迅速下降；V1和V5方向，其处于工装外围与工装外部流动空气直接接触，背风端位置相对于中间位置的Z向变形量在整个热历程中变化较平缓。
另外，研究表明：
（1）沿工装宽度方向，翘曲变形基本处于对称状态。
（2）在U7方向上，两端位置相对中间位置的Z向变形量在升温阶段急剧增大，在恒温阶段达到最大值并缓慢下降，进入降温阶段后急剧减小。
（3）在U3和U14方向上，监测位置处的Z向变形量曲线在热历程中基本保持一致；因为工装宽度方向尺寸相对较小，在热历程不同阶段，空气流态在宽度方向上对温度场差值影响较小。
（4）在U3和U14方向上，两端位置相对中间位置的Z向变形量在升温阶段急剧增大，进入恒温阶段后迅速下降；在恒温阶段后期出现缓慢变化，进入降温阶段又迅速下降。
在复合材料的热压罐固化过程中，对柱支撑形式的固化工装型面，温度不均匀性导致的型面翘曲变形较为复杂。在工装结构内部，支撑柱存在位置所对应型面的局部变形量大于没有支撑柱存在的位置，这是因为支撑柱对空气的扰流作用加快了支撑柱与周围空气之间的热传递。图8为3200s时工装温度场及Z向结构变形量分布云图。
结束语
本文以柱支撑形式建立大型复合材料固化工装模型，在保证工装结构静力刚度的前提下，计算得到工装在热压罐固化工艺过程中的温度场分布，然后把重力载荷，施加到带有温度值的有限元模型上进行工装的热-结构耦合分析。得到结论如下：
（1）成型工装在热-结构耦合作用下，相对于重力载荷热应力载荷对工装结构变形起决定性作用。（2）对工装型面在垂直型面方向的变形量，有支撑柱存在的位置大于无支撑柱存在的位置。
第二篇：热成型技术（定稿）
王辉：热成型技术可以帮助汽车节能减排http://auto.QQ.com
2009年10月20日18:31
腾讯汽车
我要评论(0)主持人：下面进行今天最后一个主题演讲。下面有请本特勒汽车工业亚太区车身技术总监王辉博士。他演讲的题目是汽车安全设计及车身轻量化——本特勒热成型技术的应用。
王辉：我叫王辉，我来自德国本特勒集团。
不管现在的汽车动力是混合型的动力，还是电池的电动力，汽车车身轻量化的问题是一个主要的问题，汽车越轻，同样的动力他跑得越快，在同样的动力下他跑得远。所以我们今天的题目主要是讲一下怎么样用现代的工业技术以及新材料把车身在满足一些技术条件，比如说碰撞条件、干路条件下能满足轻量化，在节能减排方面做一些贡献。节能减排是一个大趋势，本特勒作为全球最大的汽车零部件供应商之一，我们可以说本特勒也在行动以节能减排。
我今天题目主要有几个部分，在技术报告之前，我用几分钟给大家介绍一下本特勒。另外，我再介绍一下关于二氧化碳的减排，这个题目今天我们前面的报告人都已经介绍了，我再简单介绍一下。另外，在车身上面材料的使用，为什么使用这个材料，这个材料有什么好处。我以前在国内做报告的题目就是这样：对于不同的零件我们可以使用不同的材料，满足他的技术要求，根据这个设计来满足轻量化的要求。另外，我给大家介绍我们近一两年在市场上推广的三个技术。最后，我要介绍三个例子，通过这三个例子大家可以看出来，作为节能减排，我们车的轻量化怎么能够在车的设计过程中考虑到成本的要求、轻量化的要求、技术的要求。
首先，本特勒。本特勒是一个家族企业，它已经存在了130年的历史。他以前是一个铁匠出身的，在50年代的时候，他曾经生产过五千辆最小车。60年代，本特勒集团分成三个分支，有钢管、钢材、汽车技术、贸易。我们今天主要讲的是汽车贸易，在汽车贸易里面我们有三个产品部门，第一个是底盘部门，我是来自车身部门的。另外一套，我们还有发动机和排气管道部门，另外，我们还有工程技术公司。本特勒全球在汽车行业总共在二十多家，有52个工厂16个研发中心，去年在汽车行业的销售量是46亿欧元，全球18000名员工。它的主要产品提前已经提到了，主要是底盘，底盘部门有底盘零件和底盘模块。我们还有车身件，车身件在车身里面，主要是A铸、B铸、前面保险杠这些系统。这些系统在汽车轻量化里面可以做很多的文章，因为在车身里面，碰撞是一个主要的，现在国内汽车要打开国际的碰撞门，你必须考虑到你这个车的设计，怎么样才能设计出一个车在国外欧洲碰撞的时候能够达到它的五星、四星的要求。我们这里面主要的安全零部件就拆开了热成型技术。我们主要发动机的钢管和排气管道，我们公司还有一个钢管厂，它是高强度的钢管它的抗强度能够到1600兆发左右。
这是我们公司以后要创新发展的未来，现在主要有三个：去年我们在国内搞技术展览的时候，我们已经提到这三个模块：这三个模块一个是有效合理的利用资源。有效合理的利用资源主要是考虑加工，我们通过不同的创新、改革使我们的先进工艺技术应用到生产中去，使能源消耗降低。这样我们有效的使用资源。另外，我们考虑到安全性。因为汽车的安全性是一个主要的课题，我们生产出来的车必须要安全。另外，就是环境保护，我们主要是考虑到怎样使汽车轻量化以达到减排的效果。所以我们不但在汽车零部件里面使用热成型技术，还有碳纤维材料，我们也可以提供这些产品的设计和生产。
接下来简单介绍我们公司的情况，我们公司在中国的业务也开展得很好，目前中国有四家工厂，两家在上海，一家在长春，另外一家在福州，而且我们公司是第一家把热成型技术引入中国的公司。前面介绍了我们公司。
下面讲一下我们下一个课题，这个课题主要是二氧化碳的规则。这个规则主要是欧共体定的规则。02年65%的车二氧化碳的排放量必须不能超过130克，05年，55%的车必须达到这个要求，如果不能达到这个要求，有一个惩罚，就是惩罚我们汽车厂，如果汽车厂超过一克，罚款五欧元，如果超过四克，每一克要付费95欧元。从2019年以后，所有的车生产，如果超出了这个标准，每一克都要罚款95欧元。这对汽车轻量化起到了很大的作用。这里面我们做了一个市场调查，如果车身或者整车的总量减轻一公斤，它的油耗可以节省多少升每公里，但是二氧化碳的排放量减少0.06克。这个0.06克是一个很小的数字，我们可以忽略不计，但是如果你从北京开到上海，来回跑一趟，二氧化碳的排放量就是很大的数字。而且如果你超过一克，从2012年开始，如果减轻重量一公斤，我就可以节省成本5.7欧元。这5.7欧元人民币就是57块钱。我们通过这个可以看出来，汽车的轻量化是非常关键的。在满足节能减排的大趋势下，作为一个汽车工程技术人员，必须要考虑到汽车的轻量化。我们做过一个调查，车身重量占整个车的40%，如果我们把车身减轻，整个车的重量就能够减轻。现在一般的设计都是单一的车型，我可以用全钢板车身结构，豪华车或者是奥迪车，全部是铝合金材料。在将来我们要考虑的肯定是车身的多样化，或者是材料的多样化。你要用不同的材料到不同的零部件上面去。以满足他的技术要求。这些材料比如说我们这里面说的有超高强度钢，一般抗拉强度在800以上的我们叫它是超高强度钢。比如说热成型技术，它的抗拉程度可以到1500、1600。铝合金、碳纤维复合材料，镁合金，这些技术在我们公司里面都可以进行设计以及进行生产。而且我们有一些产品已经在用这些方面的技术。
这是在德国汽车学会，由大众汽车公司牵头进行的研究。它是超级轻量化的车。这个车身的设计是有180公斤。这个车型是一个高尔夫(图库 论坛)的车型，这个高尔夫车型现在是180公斤，跟高尔夫
3、高尔夫4对比，它的材料减轻30%多。铝合金占了53%，有96公斤左右。钢板、钢材66公斤，镁合金11公斤，还有一些塑料件，这里面可能还有碳纤维复合材料。大家如果看一看的话，这里面的技术用了很多，比如说灰色的是热成型零部件，这里面表示，前面中央通道及以及底盘，底部通道，都是用高强度钢。为了满足侧面碰撞，A如和门底下的踏板，都是用热成型技术。再看这个车，这个车在欧洲碰撞已经拿到五个星，如果我们对它进行分析，看看哪些零部件我们可以改。看看在大的零部件能不能减轻它的重量。通过我们对前后保热成型材料，对顶部、底部，我们整个可以做一下估算。在满足这个技术要求情况下，碰撞要求、钢度要求等等要求情况下，我们可以减轻重量66公斤，这个66公斤是什么概念？成本我们现在不要考虑。因为铝合金和镁合金的材料成本肯定是很高的。我们现在根据技术进一步的创新，我估计成本肯定会降下来。我们考虑到二氧化碳的排放。这个排放我们可以考虑它在生产中，比如说复合材料或者是铝合金，它在生产中产生的二氧化碳提高了。但是，如果在使用期间它就降低了。而且在回收方面，因为复合材料等等的回收产生的二氧化碳也提高了。所以我们把整个考虑一下，如果一个车的使用寿命是20万公里，我们可以计算一下，它的二氧化碳的排放量可以减排670公斤。这670公斤我们除20万公里，等于是我们每公里减排4克二氧化碳。你一公斤，或者是一克，如果没有达标，你必须罚款95欧元，4克相当于400欧元左右，通过我们的分析，我们认为有可能根据我们的技术，尤其是热成型技术，我们能满足节能减排的要求。前面谈到了很多的热成型技术，热成型到底是什么样的技术？热成型其实是很简单的一个技术。大家可以看出来，这个工艺过程很简单，首先是开点、下料，进行炉子的加温，这个温度一般是在950度左右加温。加温以后，一次冲压成形，然后再进行冷却。这个技术和一般的冲压技术的区别多了一个模子。模具里面有一套冷却系统。它减轻重量，因为它强度提高了，所以重量可以减轻。而且可以减少它里面加强板的数量，比如说我们可以看出来，这里面的中央通道是大众车的一个通道，我们可以通过热成型技术可以用到中央通道里面去，加强板等一些零部件就可以省掉了。因为我们是一次成型，所以我们就需要一套模具。同时，它的成型的精度非常高。另外，它的碰撞的能力非常优秀。
这是我们一般用在汽车材料上面的图，我们也称它为香蕉图，因为它的形状像香蕉。一般我们国内在车身的材料是在这个范围之内，它的强度是200兆帕，它的强度是40%，因为它比较软，比较容易成型。它的原始材料没有加温之前强度已经很高了，延伸率15%。通过加热，它的材料里面，晶体发生变化，然后变到这个程度情况下，我们进行冲压成形，这个材料一加热950度以后，钢板肯定还是软的，在这个情况下加热成型。成型的同时进行冷却。冷却是轧果处理了，它的强度就提高了。热成型技术和我们老祖宗以前造剑的技术是一样的。王麻子菜刀很快，它的刀的成型也是经过炉子里面烧，进行锤打，到炉子里面冷却。这个工艺的好处是它的成型在25秒到30秒这么很短的时间内来完成。这个技术是很关键的。这个材料是1600兆帕，跟200兆帕相比，我们强了8倍。国内的这些厂家经常提这个问题，你这个材料技术好，哪个零部件我是第一优选，比如说要热成型技术。这里面是我们在市场调查，上面这些图形，所有这些零部件标志，在06年以前都可以采用热车型技术进行生产的。现在我们已经拓宽了，比如说这个中央通道，在06年如果这个曲线进行对比，本特勒每年可以生产八百万件，而且BERU是在汽车零部件里面首选的零部件。
热成型我们公司是全球领先的，我们不光停留在以前的热成型技术上面，我们这几年在热成型技术开发获得了很大的成功。比如说我们最里面一个技术，这个技术我们通过分析计算，我们发现这些零部件BERU的厚度，到底不部不要那么厚，中间厚一点，根据不同的厚度，我们可以在材料开展的过程中进行汞压，使得板的厚度根据我们的要求来调整轧汞的参数来满足他不同的厚度。冲压以后下料，下料以后进行热成型，最后冲压成形。这里面的好处，我哪个地方厚就可以进行热成型加工，一套模具就可以满足他的要求。这个技术我们已经成功的用到了宝马X5(图库 论坛)上面去。
另外一个，打补丁技术，在碰撞的时候，有机的部位会加强，加强需要加强板和加强金。我们在BERU的技术里面，两个料同时进行下，下完了以后点焊连接起来，一起送到炉子里面加温，一次成形，这个技术解决了：第一，省一套工序费用。第二，如果你单独进行加工，最后技术组装焊接的话，它的强度很高，焊接不在一起。这种技术它解决了撞碰带来的困难。这里面大家要问了，你在加温之前焊在一起了，再加热以后再成型，这两个点会不会脱落？我们可以解决这个问题。另外，局部进行加热，尤其在侧面碰撞，它里面的要求特别高，最高的要求你顶部材料强一点，底部弱一点，所以碰撞的时候，底部吸收能量多一点。我们这个技术现在已经成功的运用到了奥迪Q5(图库 论坛)的技术上面去了，奥迪Q5去年在欧洲获得车身展的最优秀奖。一般碰撞的时候顶部变形小一点，底部变形大一点。如果我们以热成型，不同材料局部加热，底部变形很小，顶部变形很大，可以满足碰撞的要求，使得底部能量吸收多一点，因为底部的空间比较大。在优化的过程中我们发现，这里面有一个轻量化的对比。如果用冷成型，它的重量是8.7公斤，如果我们用这个技术，4.5公斤。整车的重量减轻4.3公斤。我们不断的提高，还可以把重量减轻。
下面讲三个例子。我们经过分析、计算，完全可以做到把外面这个板热成型，如果我们采用热成型技术，连成的三件我们可以连件进行组成，重量可以减轻八公斤，性能可以提高，成本上面少了一个零件，总量减轻了，装配成本减少了。所以我们这个零件在葡萄牙进行量产。另外，我们这里面做了一个例子，这个车已经碰撞无形，但是由于车底很重，我们通过进行比较可以看出来，这里面有五层板连接起来的，大家看这个照片，这个照片是这个车子的切割照片，这个车子是帕萨车车子的切面，这里面就是用热成型技术，我们可以在保证它的性能的情况下，减轻车底的重量7%，这个7%的数字很小，但是这个车420公斤，7%的概念相当于是30公斤左右。最后一个例子，我们把20年以前的车进行分析，看这个车能不能满足现在的欧洲碰撞要求。大家可以看出来，如果20年前的车与我们在做碰撞，全面的碰和侧面的碰，整个车压缩得很大，我们对它进行分析，以前用的车身材料没有用高强度钢，用600兆帕的钢也是占8%左右。我们进行优化、分析，采用高强度钢，我们可以发现，最里面优化前和优化后，我们可以减少它的变形将近800毫米，800毫米可以把里面的驾驶员的生命进行保护，碰撞以后他没有进行压缩。车内碰撞可以减少500毫米。
这就是我今天要做的报告，谢谢大家！
第三篇：热成型知识点小结
金属工艺学
金属工艺学是一门研究有关制造金属机件的工艺方法的综合性技术学科.主要内容: 1 常用金属材料性能 各种工艺方法本身的规律性及应用.金属机件的加工工艺过程、结构工艺性.热加工：金属材料、铸造、压力加工、焊接目的.任务：使学生了解常用金属材料的性质及其加工工艺的基础知识，为学习其它相关课程及以后从事机械设计和制造方面的工作奠定必要的金属工艺学的基础.[以综合为基础，通过综合形成能力]
第一篇 金属材料
第一章 金属材料的主要性能
两大类： 使用性能：机械零件在正常工作情况下应具备的性能.包括：机械性能、物理、化学性能 工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等.第一节 金属材料的机械性能
指力学性能---受外力作用反映出来的性能.一 弹性和塑性：
1弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能.力和变形同时存在、同时消失.如弹簧：弹簧靠弹性工作.塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能.（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示.塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形.拉伸图
金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来.以低碳钢为例
ζb
ζk
ζs
ζe
ε（Δl）
将金属材料制成标准式样.在材料试验机上对试件轴向施加静压力P，为消除试件尺寸对材料性能的影响，分别以应力ζ（即单位面积上的拉力4P/πd2）和应变（单位长度上的伸长量Δl/l0）来代替P和Δl，得到应力——应变图
1）弹性阶段oe
ζe——弹性极限
2）屈服阶段：过e点至水平段右端
ζs——塑性极限，s——屈服点
过s点水平段——说明载荷不增加，式样仍继续伸长。
（P一定，ζ=P/F一定，但真实应力P/F1↑ 因为变形，F1↓）
发生永久变形
3）强化阶段：水平线右断至b点 P↑ 变形↑
ζb——强度极限，材料能承受的最大载荷时的应力.4）局部变形阶段bk 过b点，试样某一局部范围内横向尺寸突然急剧缩小.“缩颈”（试样横截面变小，拉力↓）延伸率和断面收缩率：——表示塑性大小的指针
1）延伸率： δ= l0——式样原长，l1——拉深后长
2）断面收缩率： F0——原截面，F1—拉断后截面
* 1）δ、ψ越大，材料塑性越好
2）ε与δ区别：拉伸图中 ε=ε弹+ε塑，δ=εmas塑
3）一般δ〉5%为塑性材料，δ〈5%为脆性材料。
条件屈服极限ζ0。2
有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段.通常规定产生0.2塑性变形的应力作为屈服极限,称为条件屈服极限.二 刚度
金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力— 材料本质
弹性模量—在弹性范围内,应力与应变的比值.其大小主要决定材料本身.相当于单位元元变形所需要的应力.ζ=Εε, Ε=ζ/ε=tgα
2几何尺寸形状受力
相同材料的E相同,但尺寸不同,则其刚度也不同.所以考虑材料刚度时要把E形状尺寸同时考虑.还要考虑受力情况.三 强度
强度指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力.按作用力性质的不同,可分为:
抗拉强度 ζ+ 抗压强度ζ-抗弯强度ζw
抗剪强度ηb 抗扭强度ζn
常用来表示金属材料强度的指标:
屈服强度:(Pa N/m2)Ps-产生屈服时最大外力, F0-原截面
抗拉强度(Pa N/m2)Pb-断裂前最大应力.ζs ζb在设计机械和选择评定材料时有重要意义.因金属材料不能在超过ζs的条件下工作,否则会塑变.超过ζb工作,机件会断裂.ζs--ζb之间塑性变形,压力加工
四 硬度
金属抵抗更硬的物体压入其内的能力—
是材料性能的综合物理量,表示金属材料在一个小的体积范围内的抵抗弹性变形塑性变形或断裂的能力.1布式硬度 HB
用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d(用刻度放大镜测)则
HB=P/F(N/mm2)单位一般不写.F-压痕面积.HBS—压头用淬火钢球, HBW—压头用硬质合金球
l 因钢球存在变形问题,不能测太硬的材料,适于HBS<450, 如铸铁,有色金属,软钢等.而HＢＷ＜６５０．
l 特点：压痕大，代表性全面 l 应用：不适宜薄件和成品件 ２ 洛式硬度ＨＲ
用金刚石圆锥在压头或钢球，在规定的预载荷和总载荷下，压入材料，卸载后，测其深度ｈ，由公式求出，可在硬度计上直接读出，无单位．
不同压头应用范围不同如下表：
HRB ｄ＝1.588淬火钢球 980.7 退火钢 灰铁 有色金属
HRC 1200金刚石圆锥 1471 淬火 回火件
HRA 588.4 硬质合金 碳化物
优点:易操作,压痕小,适于薄件,成品件
缺点:压痕小,代表性不全面需多测几点.*硬度与强度有一定换算关系,故应用广泛.根据硬度可近似确定强度,如灰铁: ζb=1HBS
3显微硬度(Hm)
用于测定金属组织中个别组成体,夹杂物等硬度.显微放大测量 显微硬度(查表)与HR有对应关系.如:磨削烧伤表面,看烧伤层硬度变化.五 冲击韧性ak
材料抵抗冲击载荷的能力
常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性,标准试样一次击断,用试样缺口处单位截面积上的冲击功来表示ak
ak=Ak/F(J/m2)Ak=G(H-h)G-重量 F-缺口截面
脆性材料一般不开口,因其冲击值低,难以比较差别.ak↑,冲击韧性愈好.Ak不直接用于设计计算:在生产中,工件很少因受一次大能量冲击载荷而破坏,多是小冲击载荷,多次冲击引起破坏,而此时,主要取决于强度,故设计时, ak只做校核.ak对组织缺陷很敏感,能够灵敏地反映出材料品质,宏观缺陷,纤维组织方面变化.所以,冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。
（微裂纹——应力集中——冲击——裂纹扩展）
六 疲劳强度：
问题提出：许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等在交变载荷作用下，发生断裂时的应力远低于该材料的屈服强度，这种现象——疲劳破坏。据统计，80%机件失效是由于疲劳破坏。
疲劳强度——当金属材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力。
疲劳曲线——交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系。
例如：纯弯曲，有色金属N》108
钢材N>107 不疲劳破坏
疲劳破坏原因
材料有杂质,表面划痕,能引起应力集中,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏.3预防措施
改善结构形状,避免应力集中,表面强化-喷丸处理,表面淬火等.第二节 金属材料的物理,化学及工艺性能
一 物理性能
比重: 计算毛坯重量,选材,如航天件 :轻
熔点:铸造 锻造温度(再结晶温度)
热膨胀性:铁轨 模锻的模具 量具
导热性: 铸造:金属型 锻造:加热速度 导电性: 电器元件 铜 铝
磁性:变压器和电机中的硅钢片 磨床: 工作台
二 化学性能
金属的化学性能,决定了不同金属与金属,金属与非金属之间形成化合物的性能,使有些合金机械性能高,有些合金抗腐蚀性好,有的金属在高温下组织性能稳定.如耐酸,耐碱等
如化工机械,高温工作零件等
三 工艺性能
金属材料能适应加工工艺要求的能力.铸造性,可锻性,可焊性,切削加工形等
思考题;什么是应力,应变(线应变)? 颈缩现象发生在拉伸图上哪一点? 如果没发生颈缩,是否表明该试样没有塑性变形? ζ0.2 的意义?能在拉伸图上画出吗? 将钟表发条拉成一直线,这是弹性变形还是塑性变形?如何判定变形性质?
5为什么冲击值不直接用于设计计算?
第二章 金属和合金的晶体结构与结晶
第一节 金属的晶体结构
一基本概念:
固体物质按原子排列的特征分为: 晶体: 原子排列有序,规则,固定熔点,各项异性.非晶体:原子排列无序,不规则,无固定熔点,各项同性
如: 金属 ,合金,金刚石—晶体 玻璃,松香 沥青—非晶体
晶格: 原子看成一个点,把这些点用线连成空间格子.结点: 晶格中每个点.晶胞: 晶格中最小单元,能代表整个晶格特征.晶面: 各个方位的原子平面
晶格常数: 晶胞中各棱边的长度(及夹角), 以A(1A=10-8cm)度量
金属晶体结构的主要区别在于晶格类型,晶格常数.二 常见晶格类型
体心立方晶格: Cr ,W, α-Fe, Mo , V等,特点:强度大,塑性较好,原子数:1/8 X8 +1=2 20多种 面心立方晶格: Cu Ag Au Ni Al Pb γ-Fe塑性好
原子数:4 20多种 密排六方晶格: Mg Zn Be β-Cr α-Ti Cd(镉)
纯铁在室温高压(130x108N/M2)成ε-Fe
原子数=1/6 x12+1/2 x2+3=6 , 30多种
三 多晶结构
单晶体-晶体内部的晶格方位完全一致.多晶体—许多晶粒组成的晶体结构.各项同性.晶粒—外形不规则而内部晶各方位一致的小晶体.晶界—晶粒之间的界面.第二节 金属的结晶
一 金属的结晶过程(初次结晶)1 结晶: 金属从液体转变成晶体状态的过程.晶核形成: 自发晶核:液体金属中一些原子自发聚集,规则排列.外来晶核:液态金属中一些外来高熔点固态微质点.晶核长大:已晶核为中心,按一定几何形状不断排列.*晶粒大小控制: 晶核数目: 多—细(晶核长得慢也细)
冷却速度: 快—细(因冷却速度受限,故多加外来质点)
晶粒粗细对机械性能有很大影响,若晶粒需细化,则从上述两方面入手.结晶过程用冷却曲线描述!冷却曲线
温度随时间变化的曲线—热分析法得到
1)
理论结晶温度
实际结晶温度
时间(s)
T(℃)
过冷: 液态金属冷却到理论结晶温度以下才开始结晶的现象.2)过冷度:理论结晶温度与实际结 晶温度之差.(实际冷却快,结晶在理论温度下)二 金属的同素异购转变(二次结晶重结晶)同素异构性—一种金属能以几种晶格类型存在的性质.同素异购转变—金属在固体时改变其晶格类型的过程.如:铁 锡 锰 钛 钴
以铁为例: δ-Fe(1394℃)γ-Fe(912℃)α-Fe
体心 面心 体心
因为铁能同素异构转变,才有对钢铁的各种热处理.(晶格转变时,体积会变化,以原子排列不同)
第三节 合金的晶体结构
一 合金概念
合金: 由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质.组元:组成合金的基本物质.如化学元素(黄铜:二元)金属化合物
相:在金属或合金中,具有相同成分且结构相同的均匀组成部分.相与相之间有明显的界面.如:纯金属—一个相,温度升高到熔点,液固两相.合金液态组元互不溶,几个组元,几个相.固体合金中的基本相结构为固溶体和金属化合物，还可能出现由固溶体和金属化合物组成的混合物。
二 合金结构
固溶体
溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。
根据溶质在溶剂晶格中所占的位置不同，分为： 1）置换固溶体
溶质原子替代溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，所形成的固溶体。*溶质原子，溶剂原子直径相差不大时，才能置换
如：Cu——Zn Zn溶解度有限。Cu——Ni溶解度无限
晶格畸变——固溶强化：畸变时塑性变形阻力增加，强，硬增加。这是提高合金机械性能的一个途径。
2）间隙固溶体
溶质原子嵌入各结点之间的空隙，形成固溶体。溶质原子小，与溶剂原子比为〈 0.59。溶解度有限。也固溶强化。
金属化合物
合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有金属性质，可用分子式表示的物质。如Fe3C WC
特点：（1）较高熔点、较大脆性、较高硬度。
（2）在合金中作强化相，提高强度、硬度、耐磨性，而塑性、韧性下降，如WC、TiC。可通过调整合金中的金属化合物的数量、形态、分布来改变合金的性能
机械混合物
固溶体+金属化合物、固+固——综合性能
§4 二元合金状态图的构成
合金系：由给定的组元可以配制成一系列成分含量不同的合金，这些合金组成一个合金系统——
为研究合金系的合金成分、温度、结晶组织之间的变化规律、建立合金状态图来描述。
合金状态图——合金系结晶过程的简明图解。
实质：温度——成分作标图，是在平衡状态下（加热冷却都极慢的条件下）得到的。
二、二元合金状态图的建立
以Pb（铅）-Sb（锑）合金为例： 配置几种Pb-Sb成分不同的合金。
做出每个合金的冷却曲线
3将每个合金的临界点标在温度—成分坐标上，并将相通意义的点连接起来，即得到Pb-Sb合金的状态图。
A B
D C E
液相线：ACB 固相线：DCE 单相区：只有一个相。
两相区：两个相。ACD、BCE。c—共晶点
*作业：
第三章 铁碳合金
§1 铁碳合金的基本组织
液态：Fe、C 无限互溶。固态：固溶体 金属化合物
t ℃
1538 δ-Fe+C ——铁素体F
1394 γ-Fe+C——奥氏体A
912 α-Fe+C——铁素体F
s
一铁素体
碳溶于α-Fe形成的固溶体——铁素体F 体心立方，显微镜下为均匀明亮的多边形晶粒。性能：韧性很好（因含C少），强、硬不高。δ=45~50%，HBS=
ζb=250Mpa 含碳： 727℃，0.02%
二 奥氏体
碳溶于γ-Fe中形成的固溶体—“A”
面心立方,显微镜下多边形晶粒,晶界较F平直.性能:塑性好,压力加工所需要组织.含碳最高;1147℃,2.11% HBS=170~220
三渗碳体
金属化合物 Fe3C 复杂晶格,含碳:6.69%.性能:硬高HB(sw)>800，脆,作强化相.在一定条件下会分解成铁和石墨,这对铸造很有意义.四 珠光体P
F+Fe3C—机械混合物,含碳0.77%
组织:两种物质相间组成,性能:介于两者之间.强度较高: 硬度HBS=250
五 莱氏体
>727℃ A+Fe3C—Ld 高温莱氏体 <727℃ P+Fe3C—Ld’低温莱氏体
性能: 与Fe3C相似 HBS>700 塑性极差.§2铁碳合金状态图
是表明平衡状态下含C不大于6.69%的铁碳合金的成分,温度与组织之间关系,是研究钢铁的成分,自治和性能之间关系的基础,也是制定热加工工艺的基础.含C>6.69在工业上午实际意义,而含C6.69%时,Fe与C形成Fe3C,故可看成一个组元,即铁碳合金状态图实际为Fe-Fe3C的状态图.一铁碳合金状态图中点线面的意义
各特性点的含义
1)A: 纯铁熔点 含C: 0% 1538℃
2)C: 共晶点 4.3% 1148
3)D: Fe3C熔点 6.69 1600
4)E: C在A中最大溶解度 2.11 1148
5)F: Fe3C成分点 6.69 1148
6)G: α-Fe与γ-Fe转变点 0% 912
7)K: Fe3C成分点 6.69 727
8)P: C在α-Fe中最大溶解度 0.02 727
9)S: 共析点 0.77 727
10)Q: C在α-Fe中溶解度 0.0008 室温
主要线的意义
1)ACD:液相线,液体冷却到此线开始结晶.2)AECF:固相线 此线下合金为固态
3)ECF:生铁固相线,共晶线,液体—Ld
4)AE: 钢的固相线,液态到此线—A
5)GS:”A3” A到此线开始析出F
6)ES:”Acm” A到此线开始析出Fe3CⅡ
7)PSK:”A1”共析线.A同时析出P(F+Fe3C)
主要区域
1)ACE: 两相区L+A 2)DCF:两相区L+Fe3C1 3)AESG: 单相区A 4)GPS: A+F 两相区 二 钢铁分类 工业纯铁: 含C<0.0218% 组织:F 钢:含碳: 0.0218~2.11
共析钢 含C=0.77% P
亚共析钢 含C<0.77% P+F
过共析钢 含C>0.77% P+Fe3C11 铁 含C:2.11%~6.69%
共晶生铁 4.3% C Ld’
亚共晶生铁 < 4.3% C P+Ld’+ Fe3C11
过共晶生铁 > 4.3% C Ld’+ Fe3C1
三 典型合金结晶过程分析
1共析钢
L—L+A—A--P
2亚共析钢
L—A+L—A—A+F—F+P
3过共析钢
L—L+A—A—A+ Fe3C11--Fe3C1+P 共晶铁
L—Ld—Ld’亚共晶铁
L—1点—L+A—A+Ld—P+Ld’过共晶铁
L—1点—L+Fe3C1—2点—Ld+ Fe3C1—3点---Fe3C1+Ld’
四 铁碳合金状态图的应用
铸造
确定浇铸温度 选材: 共晶点附近铸造性能好 锻造 锻造温度区间 A
3焊接 焊接缺陷用热处理改善.根据状态图制定热处理工艺
§3钢的分类和应用
按化学成分:碳钢: <2.11%C 少量Si Mn S P等杂质
合金钢:加入一种或几种合金元素
一 碳钢 含碳量对碳钢性能的影响
<0.9%C C↑强,硬↑ 塑,韧↓ FeC 强化相
>0.9%C C↑ 硬↑, 强, 塑,韧↓ FeC分布晶界,脆性↑ 2 钢中常见杂质对性能的影响
Si: 溶于F ,强化F, 强,硬↑ 塑,韧↓.含量<0.03~0.4% 有益作用不明显
Mn: 1)溶于F,Fe3C.引起固溶强化.2)与FeS反应—MnS 比重轻,进入熔渣,如量少,有益作用不明显.S: FeS—(FeS+Fe)共晶体,熔点985℃,分布晶界,引起脆性”热脆”
P: 溶于F,是强度,硬度↑,但室温塑性,韧性↓↓ “冷脆”
碳钢的分类
1)按含碳量分
低碳钢 <0.25%C 中碳钢: 0.25~0.6%C, 高碳钢>0.6%C
2)按质量分(含S,P多少分)
普通钢 S<=0.055%,P<=0.045%
优质钢 S,P<=0.04%
高级优质钢 S<=0.03% P<=0.035%
3)按用途分 碳素结构钢, 碳素工具钢 >0.6%C 碳钢的编号和用途
1)普通碳素结构钢:
Q235 数字表示屈服强度 单位Mpa
2)优质碳素结构钢
正常含锰量的优质碳素结构钢: 0.25~0.8%Mn 较高含锰量 0.15~0.6%C 0.7~1.0%Mn , >0.6%C 0.9~1.2%Mn 08 10 15 20 25 强↓ 塑↑ 冲压件 焊件 35 40 45 50 55 60 强↑硬↑ 弹簧,轴,齿轮 耐磨件
耐磨件
数字表示含C 万分8之几
3)碳素工具钢
T7T8 T13 数字表示含C千分之几
高级优质钢加 A 含Mn高,加Mn T8MnA
二 合金钢
常加合金元素: Mn Si Cr Ni Mo W V Ti B(硼)稀土元素(Xt)等
合金结构钢
“数 +元素符号+数”表示
数—含碳万分之几, 符号—合金元素，符号后面数表示含合金%, <1.5%不标, =1.5% 标2
若为高级优质钢,后加A
如: 60Si2Mn 0.6%C, 2%Si <1.5%Mn
18Cr2Ni4WA 0.18%C, 2%Cr, 4%Ni, <1.5%W 高级优质
应用: 工程结构件, 机械零件
主要包括:低合金钢,合金渗碳钢,合金调质钢,合金弹簧钢,滚动轴承钢等合金工具钢:
数+元素符号+数
与结构钢同
数—一位数, 含C千分之几,含C>=1.0%不标
如: 9SiCr(板牙, 丝锥)
0.9%C <1.5%Si <1.5%Cr
CrWMn(长铰刀,丝锥,拉刀, 精密丝杠)
*高速钢 含C<1.0也不标 W18Cr4V 0.7~0.8%C,18%W,4%Cr,<1.5%V
应用:刃具,模具,量具等
特殊性能钢
不锈钢: 1Cr13 1Cr18Ni9Ti 等
耐热钢: 1Cr13 2Cr13 >400℃ 工作
耐磨钢: 高锰钢水韧处理,冲击下工作,表面产生加工硬化.并有马试体在滑移面形成,表面硬度达HB450~550,表面耐磨,心部为A.水韧处理: 钢加热到临界点以上(1000~1100℃)保温,碳化物全容于A,水冷,因冷速快,无法析出碳化物,成单一A组织.§5 常用非金属材料
一 高分子材料
天然: 羊毛 橡胶
人工合成: 塑料 人工橡胶 粘结剂等 有机玻璃 尼龙 丙纶 氯纶---商品名 工程塑料: 环氧树脂
聚甲醛: 塑料手表中零件
聚酰亚胺: 绝缘
二 陶瓷
耐磨 耐蚀 脆 刀片 砂轮
三 复合材料
磨削软片: 聚酰亚胺+金刚石
§4 金属零件选材的一般原则
产品的质量和生产成本如何,与材料选择的是否恰当有直接关系,机械零件进行选材时,主要考虑零件的工作条件,材料的工艺性能和产品的成本.基本原则如下: 满足零件工作条件:
受力状态—机械性能,基本 ζ δ αk 等
工作温度环境介质—使用环境 ,高温—耐热,抗腐蚀—不锈钢 高硬度—工具钢
材料的工艺性能
零件的生产方法不同,直接影响其质量和生产成本.如:灰口铁,铸造性能 切削加工性很好,可锻性差.经济性
价值=功能/成本
如: 耐腐蚀容器: 1)普通碳素钢:5000元 用一年
2)奥氏体不锈钢: 40000元 用10年
3)铁素体不锈钢: 15000元 用6年
1):2):3)=1:1.25:2 第四章 钢的热处理 §1 概述
一 钢的热处理: 把钢在固态下加热到一定的温度进行必要的保温,并以适当的速度冷却到室温,以改变钢的内部组织,从而得到所需性能的工艺方法
* 只改变组织和性能,而不改变其形状和大小.热处理是改善材料性能的重要手段之一,能提高产品质量,延长机件寿命,节约金属材料,所以,重要机件都要经过热处理.(提问:前面学过的改善金属材料性能的手段—固溶强化)
热处理工艺曲线: 各种热处理都可以用温度—时间的坐标图形表示.温度
保温
临界温度
加热 冷却
时间
应用广泛:机械制造业中70%零件需热处理.汽车 拖拉机 制造业70~80%
量具 刃具 模具 滚动轴承等100%
二 目的 冶金 锻 铸 焊毛坯或成品,消除缺陷,改善工艺性能.为后续加工(如机加)做好组织,性能,准备.退火 正火 是钢件的机械性能提高,达到钢件的最终使用性能指标,以满足机械零件或工具使用性能要求.淬火+回火 表面淬火 化学处理
l 依据:状态图
§2 热处理过程中的组织转变
一 钢在加热时的组织转变
临界温度:
状态图上 A1 : 共析线(P-A)
临界温度: A3 : A析出F(F-A)极缓慢冷却
Acm : A 析出Fe3CⅡ()
实际加热临界温度 Ac1
Ac3 A “过热”
Accm
实际冷却临界温度 Ar1 P
Ar3 A 析出F “过冷”
Arcm 析出Fe3CⅡ
2组织转变
1)共析钢: P(F+Fe3C)---A
(1)A晶核形成:F和Fe3C界面上先形成A晶核
(因界面原子排列不规则,缺陷多,能量低)
(2)A晶核长大:F晶格转变,Fe3C不断溶入A, A晶核不断生成,长大.F转变快, 先消失.(3)残余渗碳体的溶解:随保温时间加长, 残余Fe3C逐渐溶入A
(4)A成分均匀化: A转变完成后,各处含C浓度不均匀,继续保温,C充分扩散,得到单一的均匀A
这个过程是A重结晶的过程.2)亚共析钢: F+P—Ac1—F+A—Ac3---A
3)过共析钢: P+ Fe3CⅡ--Ac1—A+ Fe3CⅡ--Accm---A(晶粒粗化)
二 钢在冷却时的组织转变
(钢在室温时的机械性能不仅与加热,保温有关,与冷却过程也有关)冷却方式
1)连续冷却: 时加热到A的钢,在温度连续下降的过程中发生组织转变.水冷 油冷 空冷(正火)炉冷(退火)
2)
Ar1
(2)
(1)
等温冷却: 使加热到A的钢,先以较快的速度冷却到Ar1线下某一温度,成为过冷A,保温,使A在等温下发生组织转变,转变完,再冷却到室温.等温退火 等温淬火 共析钢冷却时的等温转变
以共析钢为例,进行一系列不同过冷度的等温冷却实验,可以测出过冷奥氏体在恒温下开始转变和转变终了的时间,画到”温度—时间”坐标系中,然后,把开始转变的时间和转变终了的时间分别连接起来,即得到共析钢的奥氏体等温转变曲线.又叫C曲线.1)高温产物: Ar1 ～650℃ P 层片较厚 500X 显微镜 HRC10-20 650～600℃ 细珠光体 索氏体S HRC25~35 层片较薄 800~1000X 600～550℃ 极细珠光体 屈氏体T HRC30~40 层片极薄
l a）以上三种均为F+ Fe3C 层片相间的珠光体，只是层片厚度不同。
l b）由于过冷度从小到大，原子活动能力由强到弱，致使析出的渗 碳体和铁素体层片越来越来薄。
l c）珠光体层片越薄，塑变抗力越大，强，硬越大。
2）中温产物
550~350℃ 上贝氏体 B上 电镜下观察，渗碳体不连续，短杆状，分布于许多平行而密集的铁素体条之间。
350 ~ 230℃ 下贝氏体 B下 比B上 有较高强、硬、韧、塑。片状过饱和F和其内部沉淀的碳化物组织（因为过饱和F有析出Fe3C倾向，但过冷度太大，导致碳原子没能扩散超出F片，只是在片内沿一定晶面聚集，沉淀出碳化物粒子）
3）低温转变产物：
230 ~-50℃ 马氏体（M）+残余A 马氏体：过饱和的α固溶体“M”
（由于温度低，原子活动能力低，晶格转变完成，但是，C原子不能从面心中扩散出来，仍留在体心中，形成过饱和α固溶体）
∵ 晶格严重畸形，∴ M硬↑ HRC65 塑 韧 →0 共析钢连续冷却转变
连续冷却可能发生几种转变，很复杂。
共析钢连续冷却，只有珠光体转变区和马氏体转变区。
珠光体转变区：三条线构成：开始，终了，终止线
冷却速度过“开始”“终了”线，组织为珠光体
冷却速度过“开始”“终止”线，组织为珠光体和马氏体 冷却速度不过珠光体区，则为M §3 钢的热处理工艺
热处理: 整体热处理: 退火 正火 淬火 回火
表面热处理: 表面淬火 化学热处理—渗碳 渗氮
一 退火
将钢件加热到高于或低于钢的临界点,保温一定时间,随后在炉内或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却,以获得接近平衡的组织,这种工艺叫—
目的: 1)降低硬度—切削加工
2)细化晶粒,改善组织—提高机械性能
3)消除内应力—淬火准备
4)提高塑性,韧性—冷冲压, 冷拉拔 完全退火:将钢加热到Ac3以上30~50℃,保温一定时间后,缓慢冷却以获得接近平衡状态组织(P+F)的热处理工艺.目的:通过完全重结晶,使锻,铸,焊件降低硬度,便于切削加工,同时可消除内应力,使A充分转变成正常的F和P.应用: 亚共析钢
* 不能用于共析钢,∵在Accm以上缓冷,会析出网状渗碳体(Fe3CⅡ),脆性↑ 不完全退火:将共析钢或过共析钢加热到Ac1以上20~30℃,适当保温,缓慢冷却的热处理工艺--又叫球化退火.目的:使珠光体组织中的片状渗碳体转变为粒状或球状,这种组织能将低硬度,改善切削加工性.并为以后淬火做准备.减小变形和开裂的倾向.应用:共析钢,过共析钢(球化退火)等温退火：将钢件加热到Ac3A（亚共析钢）或Ac1(共析钢或过共析钢)以上,保温后较快地冷却到稍低于Ar1的温度,再等温处理,A转变成P后,出炉空冷.目的: 节省退火时间,得到更均匀的组织,性能.应用: 合金工具钢,高合金钢 去应力退火:将钢加热到Ac1以下某一温度(约500~650℃)保温后缓冷.(又叫低温退火)
目的:消除内应力
应用:铸,锻,焊
*不发生相变,重结晶 例子:杯裂 再结晶退火:将钢件加热到再结晶温度以上150~250℃,即650~750℃,保温,空冷.目的: 发生再结晶,消除加工硬化.应用: 冷扎,冷拉,冷压等
* 可能相变 扩散退火: 均匀化退火,高温进行
目的:消除偏析,应用:铸件
二 正火
钢件加热到Ac3(亚)或Accm(过共)以上30~50℃,保温,空冷
* 正火作用与退火相似,区别是正火冷速快,得到非平衡的珠光体组织,细化晶粒,效果好,能得到片层间距较小的珠光体组织.与退火对比
含碳量
工艺 碳素结构钢(HB)碳素工具钢(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
实践表明:工件硬度HB170-230时,对切削有利
正火目的:1 提高机械性能
改善切削加工性 为淬火作组织准备—大晶粒易开裂
对于过共析钢,正火能减少二次渗碳体的析出,使其不形成连续的网状结构,有利于缩短过共析钢的球化退火过程,经正火和球化退火的过共析钢有较高的韧性,淬火就不易开裂,用于生产过共析钢的工具的工艺路线:
锻造—正火—球化退火—切削加工—淬火, 回火—磨
低碳钢,正火代替退火,中C钢: 正火代调质(但晶粒不均)
三 淬火
将钢件加热到Ac3(亚)或Ac1(过)以上30-50℃,经过保温,然后在冷却介质中迅速冷却,以获得高硬度组织的一种热处理工艺.目的:提高硬度,耐磨性
应用:工具,模具,量具,滚动轴承.组织:马氏体.下贝氏体
淬火冷却:决定质量,理想冷却速度两头慢中间快.减少内应力.1 常用淬火法: 1)单液淬火(普通淬火):在一种淬火介质中连续冷却至室温.如碳钢水冷 缺点: 水冷,易变形,开裂.油冷:易硬度不足,或不均
优点: 易作,易自动化.2)双液淬火:先在冷却能力较强的介质中冷却到300℃左右,再放入冷却到冷却能力较弱的介质中冷却,获得马氏体.对于形状的碳钢件,先水冷,后空冷.优点: 防低温时M相变开裂.3)分级淬火:工件加热后迅速投入温度稍高于Ms点的冷却介质中,(如言浴火碱浴槽中)停2-5分(待表面与心部的温差减少后再取出)取出空冷.应用:小尺寸件(如刀具淬火)防变形,开裂
优点: 工艺理想,操作容易
缺点: ∵在盐浴中冷却,速度不够大 ∴只适合小件
4)等温淬火:将加热后的钢件放入稍高于Ms温度的盐浴中保温足够时间, 使其发生下贝氏体转变,随后空冷.应用: 形状复杂的小零件,硬度较高,韧性好,防变形,开裂.例子:螺丝刀(T7钢制造)
用淬火+低温回火 HRC55, 韧性不够,扭10°时易断
如用等温淬火, HRC55~58 韧性好, 扭90°不断
等温淬火后如有残余A,需回火, A-F.如没有残余A,不需回火
缺点:时间长钢的淬透性与淬硬性
淬透性:钢在淬火时具有获得淬硬层深度的能力.淬硬性:在淬火后获得的马氏体达到的硬度,它的大小取决于淬火时溶解在奥氏体中的碳含量.四 回火
将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度,保温一定时间,后冷却到室温的热处理工艺.目的:消除淬火后因冷却快而产生的内应力,降低脆性,使其具有韧性,防止变形,开裂,调整机械性能.低温回火:加热温度 150~250℃
组织: 回火马氏体—过饱和度小的α-固溶体,片状上分布细小ε-碳化物
目的: 消除内应力,硬度不降.HRC58~64
应用: 量具,刃具
低碳钢: 高塑性,韧性,较高强度配合 2 中温回火:加热温度 350~500℃
组织: 极细的球(粒)状Fe3C和F机械混合物.(回火屈氏体)
目的:减少内应力,提高弹性,硬度略降.应用:(0.45~0.9%)弹簧,模具 高强度结构钢 高温回火:500~650℃
组织: 回火索氏体—较细的球(粒)状Fe3C和F机械混合物.目的: 消除内应力,较高韧性,硬度更低.应用: 齿轮,曲轴,连杆等(受交变载荷)淬火+高温回火---调质
五 表面淬火
表面层淬透到一定深度而中心部仍保持原状态.应用:既受摩擦,又受交变,冲击载荷的件.目的:提高表面的硬度,有利的残余应力.提高表面耐磨性,疲劳强度
加热方法:1 火焰: 单间小批局部,质量不稳
感应加热: 质量不稳
六 化学热处理
工件放在某种化学介质中加热,保温,使化学元素渗入工件表面,改善工件表面性能.应用: 受交变载荷,强烈磨损,或在腐蚀,高温等条件下工作的工件.渗C: 表面成高碳钢,细针状高碳马氏体(0.85~1.05%),心部又有高韧性的受力较大的齿轮,轴类件
固体渗碳, 液体渗碳,气体渗碳(常用:渗碳剂如甲醇+丙酮 900~930℃)
如: 低碳钢,表层:P+Fe3CⅡ 内部:P+F
热处理:淬火+低温回火 得到回火M(细小片状)+ 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,网状或大量块状渗C体,脆性↑
渗N: 表面硬度,耐磨性,耐蚀性,疲劳强度↑
温度: 500~570℃ 最后工序.为保证内部性能,氮化前调质
优点: 氮化后不淬火,硬度高(>HV850),氮化层残余压应力,疲劳强度↑
氮化物抗腐蚀.温度低,变形小.碳氮共渗: 硬度高,渗层较深,硬度变化平缓,具有良好的耐磨性,较小的表面脆性.第二篇 铸 造 概述
一 什么是铸造?
将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中,待其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的方法.二 特点
优点:
1)可以生产形状复杂的零件,尤其复杂内腔的毛坯(如暖气)
2)适应性广,工业常用的金属材料均可铸造.几克~几百吨.3)原材料来源广泛.价格低廉.废钢,废件,切屑
4)铸件的形状尺寸与零件非常接近,减少切削量,属少无切削加工.∴ 应用广泛: 农业机械40~70% 机床:70~80%重量铸件
缺点:
1)机械性能不如锻件(组织粗大,缺陷多等)
2)砂性铸造中,单件,小批,工人劳动强度大.3)铸件质量不稳定,工序多,影响因素复杂,易产生许多缺陷.铸造的缺陷对铸件质量有着重要的影响,因此,我们从铸件的质量入手,结合铸件主要缺陷的形成与防止,为选择铸造合金和铸造方法打好基础.第一章 铸造工艺基础
§1 液态合金的充型
充型: 液态合金填充铸型的过程.充型能力: 液态合金充满铸型型腔,获得形状完整,轮廓清晰的铸件的能力
充型能力不足:易产生: 浇不足: 不能得到完整的零件.冷隔:没完整融合缝隙或凹坑, 机械性能下降.一 合金的流动性
液态金属本身的流动性----合金流动性
流动性对铸件质量影响
1)流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件.2)流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮,排除.3)流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩.测定流动性的方法:
以螺旋形试件的长度来测定: 如 灰口铁:浇铸温度1300℃ 试件长1800mm.铸钢: 1600℃ 100mm 影响流动性的因素
主要是化学成分:
1)纯金属流动性好:一定温度下结晶,凝固层表面平滑,对液流阻力小
2)共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点低,过热度大.3)非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范围内进行,初生数枝状晶阻碍液流
二 浇注条件 浇注温度: t↑ 合金粘度下降,过热度高.合金在铸件中保持流动的时间长，∴ t↑ 提高充型能力.但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不宜过高 2 充型压力: 液态合金在流动方向上所受的压力↑ 充型能力↑
如 砂形铸造---直浇道,静压力.压力铸造,离心铸造等充型压力高.三 铸型条件 铸型结构: 若不合理,如壁厚小, 直浇口低, 浇口小等 充↓
铸型导热能力: 导热↑ 金属降温快,充↓ 如金属型 铸型温度: t↑ 充↑ 如金属型预热 铸型中气体: 排气能力↑ 充↑ 减少气体来源,提高透气性, 少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力,有利于充型.§2 铸件的凝固和收缩
铸件的凝固过程如果没有合理的控制,铸件易产生缩孔,缩松
一 铸件的凝固
凝固方式:
铸件凝固过程中,其断面上一般分为三个区: 1—固相区 2—凝固区 3—液相区
对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄,依此划分凝固方式.1)逐层凝固:
纯金属,共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区,断面液,固两相由一条界限清楚分开,随温度下降,固相层不断增加,液相层不断减少,直达中心.2)糊状凝固
合金结晶温度范围很宽,在凝固某段时间内,铸件表面不存在固体层,凝固区贯穿整个断面,先糊状,后固化.故---
3)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.影响铸件凝固方式的因素
1)合金的结晶温度范围
范围小: 凝固区窄,愈倾向于逐层凝固
如: 砂型铸造, 低碳钢 逐层凝固, 高碳钢 糊状凝固
2)铸件的温度梯度
合金结晶温度范围一定时,凝固区宽度取决于铸件内外层的温度梯度.温度梯度愈小,凝固区愈宽.(内外温差大,冷却快,凝固区窄)
二 合金的收缩
液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体积和尺寸减少的现象---.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因.收缩的几个阶段
1)液态收缩: 从金属液浇入铸型到开始凝固之前.液态收缩减少的体积与浇注温度质开始凝固的温度的温差成正比.2)凝固收缩: 从凝固开始到凝固完毕.同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如: 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3%
3)固态收缩: 凝固以后到常温.固态收缩影响铸件尺寸,故用线收缩表示.影响收缩的因素
1)化学成分: 铸铁中促进石墨形成的元素增加,收缩减少.如: 灰口铁 C, Si↑,收↓,S↑ 收↑.因石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩.2)浇注温度: 温度↑ 液态收缩↑
3)铸件结构与铸型条件
铸件在铸型中收缩会受铸型和型芯的阻碍.实际收缩小于自由收缩.∴ 铸型要有好的退让性.缩孔形成
在铸件最后凝固的地方出现一些空洞,集中—缩孔.纯金属,共晶成分易产生缩孔
*产生缩孔的基本原因: 铸件在凝固冷却期间,金属的液态及凝固受缩之和远远大于固态收缩.影响缩孔容积的因素(补充)
1)液态收缩,凝固收缩 ↑ 缩孔容积↑
2)凝固期间,固态收缩↑,缩孔容积↓
3)浇注速度↓ 缩孔容积↓
4)浇注速度↑ 液态收缩↑ 易产生缩孔 缩松的形成
由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足,或者,因合金呈糊状凝固,被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所至.1)宏观缩松
肉眼可见,往往出现在缩孔附近,或铸件截面的中心.非共晶成分,结晶范围愈宽,愈易形成缩松.2)微观缩松
凝固过程中,晶粒之间形成微小孔洞---
凝固区,先形成的枝晶把金属液分割成许多微小孤立部分,冷凝时收缩,形成晶间微小孔洞.凝固区愈宽,愈易形成微观缩松,对铸件危害不大,故不列为缺陷,但对气密性,机械性能等要求较高的铸件,则必须设法减少.(先凝固的收缩比后凝固的小,因后凝固的有液,凝,固三个收缩,先凝固的有凝,固二个收缩区----这也是形成微观缩松的基本原因.与缩孔形成基本原因类似)缩孔,缩松的防止办法
基本原则: 制定合理工艺—补缩, 缩松转化成缩孔.顺序凝固: 冒口—补缩
同时凝固: 冷铁—厚处.减小热应力,但心部缩松,故用于收缩小的合金.l 安置冒口,实行顺序凝固,可有效的防止缩孔,但冒口浪费金属,浪费工时,是铸件成本增加.而且,铸件内应力加大,易于产生变形和裂纹.∴主要用于凝固收缩大,结晶间隔小的合金.l 非共晶成分合金,先结晶树枝晶,阻碍金属流动,冒口作用甚小.l 对于结晶温度范围甚宽的合金,由于倾向于糊状凝固,结晶开始之后,发达的树枝状骨状布满整个截面,使冒口补缩道路受阻,因而难避免显微缩松的产生.显然,选用近共晶成分和结晶范围较窄的合金生产铸件是适宜的.§3 铸造内应力,变形和裂纹
凝固之后的继续冷却过程中,其固态收缩若受到阻碍,铸件内部就发生内应力,内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因.(有时相变膨胀受阻,负收缩)
一 内应力形成 热应力: 铸件厚度不均,冷速不同,收缩不一致产生.塑性状态: 金属在高于再结晶温度以上的固态冷却阶段,受力变形,产生加工硬化,同时发生的再结晶降硬化抵消,内应力自行消失.(简单说,处于屈服状态,受力—变形无应力)
弹性状态: 低于再结晶温度,外力作用下,金属发生弹性变形,变形后应力继续存在.举例: a)凝固开始,粗 细处都为塑性状态,无内应力
∵两杆冷速不同,细杆快,收缩大,∵受粗杆限制, 不能自由收缩,相对被拉长,粗杆相对被压缩,结果 两杆等量收缩.b)细杆冷速大,先进如弹性阶段,而粗杆仍为塑性阶段,随细杆收缩发生塑性收缩,无应力.c)细杆收缩先停止,粗杆继续收缩,压迫细杆,而细杆又阻止粗杆的收缩,至室温, 粗杆受拉应力(+),(-)
由此可见,各部分的温差越大,热应力也越大,冷却较慢的部分形成拉应力,冷却较快的部分形成压应力.预防方法: 1 壁厚均匀 2 同时凝固—薄处设浇口,厚处放冷铁
优点: 省冒口,省工,省料
缺点: 心部易出现缩孔或缩松,应用于灰铁锡青铜,因灰铁缩孔、缩松倾向小，锡青铜糊状凝固，用顺序凝固也难以有效地消除其显微缩松。机械应力
合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应力。
机械应力是暂时的,落砂后,就自行消失.*机械应力与热应力共同作用,可能使某些部位增加了裂纹倾向.预防方法: 提高铸型和型芯的退让性.相变应力
冷却过程中,固态相变时,体积会发生变化.如A—P, A—P体积会增大,Fe3C—石墨,体积↑.若体积变化受阻.则产生内应力---
铁碳合金三种应力在铸件不同部位情况如下表:
铸件部位
热应力 相变应力 机械应力
共析转变 石墨化 落砂前 落砂后
薄或外层-+ 0
前面讲过预防应力方法,若产生应力,还可通过自然时效和人工时效的方法消除应力.二 变形与防止
铸件通过自由变形来松弛内应力,自发过程.铸件厂发生不同程度的变形.举例:平板铸件
∵平板中心散热慢,受拉力.平板下部冷却慢.∴ 发生如图所示变形
防止方法: 1壁厚均匀,形状对称,同时凝固.2 反变形法(长件,易变形件)
残余应力: 自然时效, 人工时效---低温退火 550—650℃
三 铸件的裂纹与防止
铸件内应力超过强度极限时,铸件便发生裂纹.热裂纹: 高温下形成裂纹
特征: 裂纹短,缝宽,形状曲折.缝内呈氧化色,无金属光泽,裂缝沿晶粒边界通过,多发生在应力集中或凝固处.灰铁,球铁热裂少,铸钢,铸铝,白口铁大.原因: 1 凝固末期,合金呈完整骨架+液体,强,塑↓
含S—热脆 3 退让性不好
预防: 设计结构合理, 改善退让性, 控制含S量 冷裂纹: 低温下裂纹
特征: 裂纹细,连续直线状或圆滑曲线,裂口表面干静,具有金属光泽,有时里轻微氧化色 原因: 复杂大工件受拉应力部位和应力集中处易发生;材料塑性差;P—冷脆 预防: 合理设计,减少内应力,控制P含量, 提高退让性 §4 铸件中的气体
常见缺陷, 废品1/3.气体在铸件中形成孔洞.一 气孔对铸件质量的影响
破坏金属连续性
较少承载有效面积 气孔附近易引起应力集中,机械性能↓ αk ζ-1 ↓
弥散孔,气密性↓
二 分类(按气体来源)侵入气孔: 砂型材料表面聚集的气体侵入金属液体中而形成.气体来源: 造型材料中水分, 粘结剂,各种附加物.特征: 多位于表面附近,尺寸较大,呈椭圆形或梨形孔的内表面被氧化.形成过程: 浇注---水汽(一部分由分型面,通气孔排出,另一部分在表面聚集呈高压中心点)—气压升高.溶入金属---一部分从金属液中逸出—浇口, 其余在铸件内部,形成气孔.预防: 降低型砂(型芯砂)的发起量,增加铸型排气能力.析出气孔: 溶于金属液中的气体在冷凝过程中,因气体溶解度下降而析出, 使铸件形成气孔.原因: 金属熔化和浇注中与气体接触(H2 O2 NO CO等)
特征: 分布广,气孔尺寸甚小, 影响气密性 反应气孔: 金属液与铸型材料,型芯撑,冷铁或溶渣之间,因化学反应生成的气体而形成的气孔.如: 冷铁有锈 Fe3O4 + C –Fe + CO↑ ∴冷铁附近生成气孔
防止: 冷铁 型芯撑表面不得有锈蚀,油污,要干燥.§5 铸件质量控制 合理选定铸造合金和铸件结构.2合理制定铸件技术要求(允许缺陷,具有规定)模型质量检验(模型合格—铸件合格)铸件质量检验(宏观, 仪器)铸件热处理: 消除应力, 降低硬度,提高切削性,保证机械性能,退火,正火等
第二章 常用铸造合金
§1 铸铁
铸铁通常占机器设备总重量的50%以上.(2.5~4.0%C)
一 分类 按C在铸铁中存在形式不同,可分三类:
1)白口铸铁: C微量溶于F外,全部以Fe3C形式存在, 断面银白,硬,脆,难机械加工,很少用于制造零件.仅用于不冲击,耐磨件.如轧辊
主要用途: 炼钢原料.也可处理成可锻铸铁.2)灰口铸铁: C微量溶于铁素体外,全部或大部以石墨形式存在,断口灰色,应用最广.3)麻口铸铁: 有石墨,莱氏体.属于白口铁和灰口铁之间的过渡组织,断口黑白相间,麻点.硬,脆,难加工 根据石墨形态的不同,灰口铁又分为:
1)普通灰口铸铁: 石墨 片状 2)可锻铸铁: 团絮状 3)球墨铸铁: 球状 4)蠕墨铸铁: 蠕虫状 按化学成分: 普通铸铁
合金铸铁: Si>4% Mn> 2% 或一定量的Ti Mo Cr Cu等
二 灰口铸铁:
占铸铁产品的80% 以上
性能
显微组织: 金属基体(铁素体,珠光体)+片状石墨
相当于在钢的基体上嵌入大量的石墨片
1)机械性能: ζb E↓ 塑,韧---0.脆性(crispy)材料
∵ 石墨, 软 脆 强↓ 比重小
1)由于石墨的存在,减少了承载的有效面积.2)石墨片的边缘形成缺口,应力集中,局部开裂,形成脆性断裂,基本强度只利用30~50%
∴ 石墨越多,越粗大,分布越不均或呈方向性,则对基体的割裂越严重,机械性能越差.* 灰口铸铁的抗压强度受石墨的影响较小,与钢的抗压强度近似.灰口铁的机械性能还与金属基体类别有关
(1)珠光体灰口铁: 珠光体基体上分布细小,均匀的石墨.∵ 石墨对基体割裂较轻,故机械性能好.如齿轮
(2)珠光体—铁素体灰口铁: ∵珠光体与铁素体混合基体上分布粗大石墨,∴ 强↓
适于一般机件,铸造性,切削加工性,减振性,均由于前者.如齿轮箱(3)铁素体灰口铁
∵铁素体基体分布多而粗大的石墨片
∴ 强 硬↓ 塑 ,韧性差(基体的作用远赶不上石墨对基体的割裂作用)
2)工艺性能: 脆性材料 不能锻压;可焊性差(易裂纹,焊区白口,难加工)
铸造性能好(缺陷少);切削性能好(因石墨,崩碎切屑)
3)减振性: ↑ ∵石墨有缓冲作用,阻止振动能量传播,适于机床床身等
4)耐磨性: ↑∵1 石墨是润滑剂,脱落在磨擦面上.灰口铁摩擦面上形成大量显微凹坑,能起储存润滑油的作用,是摩擦面上保持油膜连续.∴ 适于 导轨 衬套 活塞环等
5)缺口敏感性: ↓ ∵石墨已在铁素体基体上形成大量的缺口.所以,外来缺口(键槽,刀痕)对灰口铁的疲劳强度影响甚微,提高了零件工作的可靠性
影响铸铁组织和性能的因素
* 铸铁中的碳 可能以化合状态(Fe3C)或自由状态(石墨)存在.灰铁中, 一方面分析:
C化合=0.8%时,为珠光体灰铁,石墨片细小,分布均匀,强 硬度高,可制造较重要的零件.C化合 < 0.8%时,珠光体+铁素体灰口铁 强度低,适于一般机件,其铸造性能,切削加工性和减振性均优于前者.C化合=0 时铁素体灰口铁 强 硬低 塑 韧 ↓ 很少用
另一方面分析:
铸铁的组织和性能与石墨化程度有关.* 影响石墨化的主要因素:
1)化学成分: C↑ 石墨化↑
Si↑石墨化↑(Si与Fe结合力比与C强,能增大铁水和固态铸铁中碳原子的游离扩散能力)
∵(1)C ,Si过高,形成铁素体灰铁,强↓↓
过低,易形成硬脆的白口组织,并给熔化和铸造增加困难.∴合理含量: 2.5~4.0%C,1.0~3.0%Si
∵(2)S ↑ 石墨化↓ FeS—热脆 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,进入溶渣.Mn溶于F,提高基体强度.过多: 阻止石墨化.(4)P 促进石墨化,但不明显,多—冷脆 ∴ 合理量 0.3% 以下
2)冷却速度: 冷却速度增加 阻碍石墨化 灰口—麻口—白口
灰口铁的孕育处理
为了提高灰口铁的强度,硬度,尽量使石墨片细化,对其进行孕育处理.即加入许多外来质点,增加石墨结晶核心,得到珠光体灰铁,受冷却速度影响小
孕育铸铁(又叫变质铸铁),适于较高强度,高耐磨性,气密性铸件
常用孕育剂:令Si 75%的硅铁,加入量为铁水的0.25~0.6%.冲入孕育剂.与Si对石墨化影响一致 灰口铸铁的生产特点
1)冲天炉熔炼: ∵Si Mn易氧化.∴ 配料时增加含量.为降低含S量,选优质铁料和焦炭,减少从焦炭中吸S.在熔炼高牌号铸铁时,加废钢以控制含C量.(如孕育铸铁,原铁水含C,Si低,防止加入孕育剂后石墨粗)
2)铸造性能优良,便于铸出薄而复杂的铸件,(流动性好,收缩↓)
3)一般不需冒口,冷铁,使工艺简化.4)一般不用热处理,或仅需时效.牌号和用途
牌号: HT+三位数 HT—灰铁, 数—抗拉强度参考值 Mpa(N/mm2)
* 选牌号时必须参考壁厚
类别 铸件壁厚mm 抗拉强度Mpa 硬度HBS 类别 铸件壁厚mm 抗拉强度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
此表中的铸件壁厚为铸件工作时主要负荷处的平均厚度.三 可锻铸铁(又叫马铁)
白口铁晶石墨化退火而成的一种铸铁
∵ 石墨呈团絮状,故抗拉强度↑ 且塑,韧↑
牌号及应用: KTH(KTZ)+3位数+2位数
KTH—F基体 黑心 KTZ---P基体
3位数—抗拉强度, 2位数---延伸率 如KTH300—06, KTZ450—06
应用: 形状复杂,承受冲击载荷的薄壁小件(KTH),曲轴,连杆,齿轮等(KTZ)生产特点
生产过程: 白口铁—石墨化退火(920~980℃,保温10~20h)—团絮状石墨
∴必须采用C,Si含量低的铁水,防石墨化.通常2.4~2.8%C, 0.4~1.4%Si
熔点比灰铁高,凝固温度范围大,流动性不好,液固两相区宽,砂型耐火性要求高.周期长(40~70h),成本高.四 球墨铸铁
铁水中加入球化剂,孕育剂 1 球铁的组织和性能
组织: 铁素体球铁: 塑性,韧性↑ 铁素体+珠光体球铁: 两者之间
珠光体球铁: 强度,硬度↑
牌号: QT+三位数 + 两位数 数字含义与可锻铸铁相同
性能: 强度 塑性韧性远远超过灰铁,由于可铁，铸造性,减振性,切削性,耐磨性等良好
疲劳强度语中碳钢接近
热处理性能好(退火,正火,调质等,淬火(等温淬火))
应用: 受力复杂,负荷较大的重要零件
∵铸造工艺比铸钢简单,成本低,性能好,代许多铸钢,可锻铸铁件
生产特点
(1)铁水: C↑(3.6~4.0%)接近共晶成分,可改善铸造性能和球化结果
S↑(<=0.07%)S易与和球化剂合成硫化物,浪费球化剂
P↓(<=0.1%)提高塑性,韧性
铁水出炉1400℃ 以防球化后温度过低.(2)球化处理和孕育处理
球化剂(稀土镁合金), 使石墨呈球状析出
孕育剂:(硅铁75%Si)促使石墨化,防白口.使石墨细化,分布均匀
先用2/3铁水冲入球化剂,充分反应后,用1/3铁水冲入孕育剂,进行孕育.处理后的铁水要及时浇注,保证球化效果.(3)铸造工艺: 比灰铁易产生缩孔,缩松,夹渣等
a 热节上安冒口,冷铁—补缩
b 增加铸型刚度,防止铸件外形扩大—石墨膨胀
c S↓ 残余镁量↓ 降低型砂含水量—气孔↓(侵入)Mg+H2O=MgO+H2↑ MgS + H2O = MgO+ H2S↑
D 浇注系统应使铁水平稳流入,并有良好的挡渣效果
(4)热处理: 退火: 铁素体基体,塑 韧↑QT420-10以上
正火: 珠光体基体 强度 硬↑ QT600-2以上.§2 铸钢
钢铁件也是一种重要的铸造合金,产量仅次于灰铁,约为可铁和球铁的和.一 铸钢的类别和性能
二类: 铸造碳钢 应用广泛: ZG+两位数(含C万分之几)
铸造合金钢
性能: 强 塑 韧 可焊性↑
应用: 适于制造形状复杂的,强和韧性要求高的零件
铸—焊大件 火车轮 锻锤机架等
二 生产特点 熔炼: 电弧炉(多用),感应炉(合金钢中小件),平炉等
电弧炉:利用电极与金属炉料间电弧产生热量熔炼金属.优点:钢液质量高,熔炼速度快(一炉2~3h)温度容易控制,适于各类铸钢件
原料:废钢 生铁 铁合金等 造渣材料 氧化剂 增碳剂等
感应炉: 利用感应圈中交流电的感应作用,使金属炉料(钢液)产生感应电流,产生热量.优点: 加热速度快,热量散失少.氧化轻.铸造工艺:
∵ 钢浇注温度高,流动性差,易吸气,氧化.体积收缩约为铸铁的三倍,易产生缺陷(气孔缩松 变形 裂纹等)
∴ 型砂: 高耐火性 强 透气 退让性↑ 加冒口,冷铁—消耗大量钢水
热处理
∵ 晶粒粗大.组织不均,内应力,强 塑↓
∴ 正火: 机械性能↑ 成本↓ 内应力↑
退火: 机械性能↓ 成本↑ 内应力↓ 形状复杂,易裂纹的铸件,或易硬化的钢退火为宜.§3 有色金属
一 铜及铜合金 纯铜: 导电 导热↑ 塑↑(面心)强 硬↓ 黄铜: Cu + Zn—普通黄铜 Cu + Zn + Pb,Al,Si等 特殊黄铜
可铸可锻 青铜: 除黄铜,白铜(铜镍合金)以外的,铜与其它元素组成.锡青铜: Sn + Cn 耐磨 耐蚀 铝青铜: 耐磨 耐蚀
铸造工艺
1)熔炼: 易氧化 吸气
①防氧化: 液面盖上溶剂(碎玻璃,苏打,鹏砂)
②脱氧:Cu+O2-Cu2O(氧化亚铜)塑↓加磷铜 脱氧 普通黄铜和铝青铜因有Zn能脱氧
③除气: 锡青铜: 吹N2, N2 上浮带出H2.铝青铜: 吹N2 黄铜: 沸腾法Zn(907℃)蒸汽带出H2
④精炼除渣:铝青铜液中有AL2O3,加碱性溶剂(苏打,莹石等)精练,造出比重小,熔点低的溶渣.熔炼用坩埚炉
2)铸造: ①细砂铸型—光洁 减少切削量,粘砂 ②浇注时勿断流—防氧化
③浇注系统使液流平稳流入—防飞溅 ④加冒口—补缩(锡青铜出外)
二 铝及铝合金 纯铝: 导电↑ 导热↑ 塑↑ 抗蚀↑(Al2O3)L1 L2„„L7 号大,越不纯
铝合金: 比重轻 熔点低 导电 导热 耐蚀↑
铸造铝合金分四类:
① 铝硅合金(硅铝明): 机械性能↑ 耐蚀性,铸造性↑ 适于形状复杂或气密性要求高的零件.如 内燃机气缸
② 铝铜合金: 强,耐热↑ 比重大,铸造性↓(热裂纹↑疏松↑)
应用: 高强度,高温件 如活塞 牌号: ZL201
③ 铝镁合金:强度↑ 耐蚀↑ 耐热↓ 铸造性↓
应用: 受冲击载荷 耐蚀件,形状简单
④ 铝锌合金: 强较高 抗蚀↓ 热裂纹↑
应用:汽车 拖拉机发动机零件,日用品.铸造工艺
1)熔炼: 除气(H2)除渣(Al2O3)
常用方法,用钟罩压入六氯乙烷(C2Cl6)
3C2Cl6 + 2Al---2AlCl3↑+3C2Cl4↑ AlCl3沸点183℃, C2Cl4 沸点121℃ 带出H2
或3ZnCl2 + 2Al=3Zn + 2AlCl3↑ 防氧化: 加KCl NaCl 溶剂 2)铸造:与铜合金相同 第三章 砂型铸造
目前,铸件生产的主要方法,砂型铸件占铸件总量的90%以上,可生产各种铸钢,灰铁,球铁,可锻铸铁,有色金属等.用于铸造各种机械零件
砂型铸造生产过程:
配砂→造型→烘干
制模 熔化 浇注→落砂→清理→检验
配砂→造芯→烘干
造型操作顺序:
1安放铸模 2套下箱,撒防粘材料 3盖上面砂 4铲填背砂 5用尖头砂冲舂砂 6用平头砂冲舂砂 7刮去多余型砂 8翻转下型 9撒分型砂 10吹去铸模上的分型砂 11撒防粘材料 12加面砂 13填上型 14扎通气孔 15去上型 16 起模 17挖浇口 18合箱浇注.§1 型砂及型芯砂
一 型砂(芯)性能
1强度:型砂在外力作用下,不易破坏的性能,强度不足,会造成塌箱,砂眼等
2透气性:型砂之间本身有空隙,具有透气的能力.透气性不好,易出现气孔.3耐火性:型砂在高温金属液的作用下而不软化,熔化.若耐火性不足,砂粒粘在铸件表面上形成一层硬皮,造成切削加工困难,粘砂严重,铸件报废.4退让性:型(芯)砂具有随铸件的冷却收缩而被压缩其体积的性能.若退让性不足,铸件收缩受阻,内应力加大,甚至产生裂纹、变形等.加锯末、木屑,提高退让性.二 型砂的分类、成分和应用 粘土砂:砂子,粘土,水,附加物(煤粉,木屑等).应用广泛:
1)不受铸件大小,重量,尺寸,批量影响.2)铸钢,铸铁,铜,铝合金等均可铸.3)手工,机器造型均可.4)粘土来源广,价低.粘土砂分两类: 湿型砂:中,小件.干型砂:质量要求高的件,大件.水玻璃砂:水玻璃(硅酸钠的水溶液)为粘结剂
优点:不需烘干,硬化速度快,生产周期短,强度高,易机械化.缺点:易粘砂,出砂性差,回用性差.3油砂:植物油为粘结剂(桐油,亚麻油),油在烘烤时生成强度很高的氧化膜.优点:干强度高,不易吸湿返潮,退让性,出砂性↑,不易粘砂,内腔光滑.缺点:价格高 树脂砂:合成树脂作粘结剂.优点:生产率高,不需烘干,强度高,型芯尺寸精确,表面光滑,退让性,出砂性好.§2 造型方法选择
造型是砂型铸造最基本的工序,造型方法选择的是否合理,对铸件质量和成本有着重要的影响.一 各种手工造型方法的特点和应用
优点:操作灵活,适应性强,模型成本低,生产准备时间短.缺点:铸件质量差,生产率低,劳动强度高.应用:单件,小批.1 按砂箱分:两箱:基本方法,各种批量,大小件 三箱:手工,单件,小批,两个分型面 地坑:小批,大,中件
脱箱:小件
劈箱:大件,如机床床身 按模型分: 整模:最大截面在一端,且为平面
分模:最大截面在中部
活块:有突出部位,难起模,单件,小批
控砂:分型面为非平面,要求整模,单件,小批
刮板:回转件,轮
假箱:成批,需控砂的件
假箱:造型前先做一个特制的假箱,来代替造型用的底板,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)高至突点(5)下型(6)由下型做上型.二 机器造型及其工艺特点
优点:生产率高,铸件尺寸精确,光洁度高,加工余量少,劳动强度小,大批量生产.缺点:厂房,设备等要求高,投资大,批量生产才经济,只适于两箱(中箱无法紧实),不宜用活块.§3 浇注位置与分型面的选择
浇注位置---指金属浇注时铸件所处的空间位置
分型面---指砂箱间的接触表面
一 浇注位置选择原则: 铸件浇注位置对铸件质量,造型方法等有很大影响,应注意以下原则: 1铸件重要的加工面应朝下: 1)若做不到,可放侧面或倾斜
2)若有几个加工面,则应把较大的放下面.如导轨面是关键面，不允许有缺陷,则要放下面,伞齿轮铸件的大平面应朝下
原因:上表面出现缺陷,尤其易夹砂.面积大的薄壁部分放下面或侧面
有利于金属充填,防止浇不足 易形成缩孔的铸件,厚的部分放在铸型上部或侧面,便于安置冒口,以补缩.二 铸型分型面的选择原则
分型面选择的合理可以简化造型操作,提高劳动生产率.便于起模,故分型面应选择在铸件最大截面处
(手工造型时,局部阻碍起模的凸起可做活块)应尽量减少分型面和活块数量(中小件)
3应尽量使铸件的重要加工面或大部分加工面和加工基准面位于同一砂型中
尽量采用平直分型面,以简化操作及模型制造
尽量减少型芯和便于下芯,合型及检验位置 §4 工艺参数的选择 一 机加余量和铸孔 金属种类: 灰口铸铁:表面平整,加工余量少.铸 钢:浇注强度高,表面不平,加工余量大.有色金属:表面光洁.生产条件:大批量生产:机器造型,加工余量少.小批量生产:手工造型,加工余量大.3.尺寸位置: 尺寸大:变形大,加工余量大.铸件顶面与底面,侧面比,表面质量差,余量大.孔: 铸铁 d＜30mm,铸钢 d＜60mm,一般不铸,因铸出造型工艺复杂,质量不易保证,反而给机加带来困难.二 拔模斜度:
为起模方便,把垂直壁做成斜的.与立壁高度,造型方法,模型材料等有关,一般15′--3°
机器造型比手工斜度小
木模比金属模斜度大
立壁高斜度小
三 收缩率:
收缩量＝铸件尺寸×铸造收缩率
灰铁: 0.7—1.0% 铸钢: 1.3—2.0% 锡青铜: 1.2—1.4%
因收缩是非自由的,所以受铸件形状,尺寸的影响.四 型芯固定(一般靠型芯头)
型芯头的形状和尺寸对于型芯的装配工艺性和稳定性有很大影响.(1)垂直芯头---上芯头斜度大,高度小些,便于和箱,若垂直型芯粗,短,上芯头可省略.下芯头斜度小,高度大些,稳定.对于只能做上芯头的型芯,做成吊芯或盖板型芯.(2)水平芯头---芯头较长,芯头也有斜度,便于下芯合箱,悬壁型芯头必须长而大,以支持型芯,防下垂,或被金属液抬起.§5 冒口与冷铁的应用
一 冒口应用：主要作用---补缩,同时能排气,集渣.冒口设置原则:
(1)保证顺序凝固,放在最后凝固部分---基本作用
(2)尽量放在铸件最高处,有利补缩,熔渣易浮出.(3)冒口最好放在内浇口附近,使金属液通过冒口再进入铸型,提高补缩效果.(4)尽量避开易拉裂部位;不影响自由收缩.(5)尽量放在需加工部位,便于清理.冒口大小,依合金收缩性质及具体铸件凝固条件查手册.二 冷铁应用: 分类:
非冷铁:只和铸件外表面接触而起激冷作用,与型砂一起清出,不重复使用.内冷铁:浇注后冷铁被金属液包围与铸件熔合在一起.有气密性要求的部分
不能用.作用:
(1)减少冒口数量: 改善凝固顺序,有利外缩.(2)可减少冒口尺寸: 加内冷铁,加快铸件冷却.(3)消除局部热节处的缩孔和缩松: 加外冷铁.(4)防止铸件产生裂纹: 同时凝固,如两壁交接处放冷铁,以消除热节.(5)提高铸件硬度和耐磨性: 利用外冷铁加快冷却,细化组织,提高硬度.第四章 特种铸造
§1 金属型铸造
将液态合金浇入金属铸型,得到铸件.一 金属型: 垂直式,水平式,复合式
垂直式: 易取件,没浇注系统多用.材 料: 灰铁,要求高 铸钢
内 腔: 金属型芯,砂芯.有抽芯机构
二 铸造工艺: 金属型导热快,没有退让性,透气性.金属型应保持一定的工作温度.具有良好的充型条件和一定的激冷作用.1)喷刷涂料前预热.保证涂料层致密,均匀.合金铸铁80—150℃;铸钢100—250℃.2)浇注前预热
降冷却速度,防白口.喷刷涂料
1)减缓冷却速度,防白口 2)防高温液体对铸型直接冲刷
3)有一定蒸汽,排气能力,防气孔.铸 铁—石墨粉涂料,炭墨涂料;铝合金—氧化锌涂料,滑石粉 合理浇注温度:
∵导热快,t浇 比砂型高20~35℃ 4 适宜出型时间
收缩快—出型难 冷速大—白口 三特点
1多次浇注,节工时,型砂,提高生产率 2改善劳动条件
3铸件光洁度高 4组织致密,机械性能高
5成本高,周期长,工艺要求严,易出现白口,多用于生产有色金属
§2 压力铸造
高压下(5~500MPa)快速(0.001~0.2)将液态或半液态合金压入金属铸型中,并在压力下结晶.专用设备:压铸机 专用压型—压型
一工艺过程 见书中P42
二特点 1精度,表面质量↑ 最小铸孔直径 0.7mm
2可压除形状复杂的薄壁件.(高压 冲型↑)
3铸件强,硬↑(压力下结晶致密)生产率↑ 易自动化
5投资大,适于批量
6种类受限,不宜压铸高熔点合金
7压速高,易形成气孔
8不宜热处理
应用:汽车 仪表行业,广泛应用.§3 熔模铸造
溶膜铸造是用易熔材料制成模型,然后在模型上涂挂耐火材料,经硬化后,在将模型熔化排出型外,从而获得无分型面的铸型,铸型焙烧后即浇注
一工艺过程
1蜡模制作
1)压型:制蜡模的专用模具,钢 铜 铝 切削而成
2)蜡模的压制:石蜡,峰蜡,硬脂酸,松香等,将熔化的蜡料压入压型中,冷凝后取出,修去毛刺,得到蜡模
3)蜡模组装:若干蜡模焊在一个直浇棒上.2结壳:蜡模涂上涂料,硬化 干燥等
1)浸涂料(石英粉+粘结剂的糊状物)表面光洁
2)撒砂(粗石英砂)的目的:增厚型壳
3)硬化(水玻璃+NH4CL—SIO2)化学硬化
3脱蜡 焙烧
1)脱蜡:热水或水蒸气
2)焙烧:加热 800~1000℃提高型壳强度
填砂:浇注
1)填砂:型壳放入铁箱中,周围干砂充填
2)浇注:趁热(600~700℃)进行浇注
5落砂 清理 冷却后,破坏型壳,取出铸件,去浇口,毛刺,退火或正火,以便得到所需机械性能.二特点和应用
1铸造精度,光洁度高,且可浇注形状复杂的件
2能铸造各种合金(型壳是高级耐火材料)3单件,小批,大批量生产均可
4少 无切削加工(Ra3.2~1.6um)稍磨 5材料贵,工艺过程繁杂,生产周期长.应用: 使用高熔点合金精密铸件的成批,大量生产,形状复杂,难以切削加工的小零件.如:汽轮机叶片,工艺品
§4离心铸造
将液态金属浇入高速旋转(250~1500r/min)的铸型中,使金属液在离心力作用下充填铸型并结晶.一基本方式
1立式:圆筒件 自动形成内腔,壁厚不均用高度小的件.2卧式:壁厚均匀,适于长筒,可双金属浇注.二特点应用
第三部分 金属压力加工
概述
一 什么是压力加工
靠外力使金属材料产生塑性变形而得到预定形状与性能的制件（毛坯或零件）的加工方法。
外力—— 冲击力：锤类 静压力：压力机
各类钢和大多数有色金属及其合金都具有一定的塑性，因此，都能在热态或冷态下进行压力加工。
应用广泛：运输工具96%； 汽车拖拉机95%；
航天、航空90%； 农用机械工业80%。
二 分类 轧制：金属坯料在两个回转轧辊的缝隙中受压变形以获得各种产品的加工方法。靠摩擦力，坯料连续通过轧辊间隙而受压变形。
主要产品：型材、圆钢、方钢、角钢、铁轨等。挤压：金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。
正挤：金属流动方向与凹模运动方向相同。
反挤：金属流动方向与凹模运动方向相反。拉拔：将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。
产品尺寸精度、表面光洁度较高，所以，常用于轧制件的再加工，提高产品质量。
坯料：低碳钢、有色金属及合金。
外力：拉力。自由锻：金属坯料在上、下抵铁间受冲击力或压力而变形。
外力：压力。模锻：金属坯料在具有一定形状的模膛内受冲击力或压力而变形的加工方法。
冲压：金属板料在冲模之间受压产生分离或成形。
1—5 立体变形（三维）； 6平面变形（二维）；
1—6 可冲击力、可静压力。
三 特点：（与铸造比）
优点：（1）结构致密、组织改善、性能提高、强、硬、韧↑
（2）少无切削加工，材料利用率高。
（3）可以获得合理的流线分布（金属塑变是固体体积转移过程）。
（4）生产效率高。（如：曲轴、螺钉）2 缺点：（1）一般工艺表面质量差（氧化）。（2）不能成型形状复杂件（相对）（3）设备庞大、价格昂贵。
（4）劳动条件差（强度↑、噪音↑）
第一章 金属塑性变形
§1 金属塑性变形的实质
一 晶体： 晶体：物质中的原子按一定规律在三维空间周期重复排列。
单晶体：具有一个晶粒的晶体（由一个晶核生长而成的晶体）。
多晶体：大量晶粒组成的晶体。
二 变形：
弹性变形：（暂时的变形）ζ＜ζe 力未去除。
弹性塑性变形：（暂时变形）ζ＜ζs 力未去除。
纯塑性变形：永久变形 外力去除。
变形机制：
单晶体塑性变形：滑移。
多晶体塑性变形：滑移+晶粒转动。
三 滑移：
单晶体：
在切应力作用下，晶体的一部分与另一部分沿着一定的晶面产生相对滑动，叫滑移。这个晶面—滑移面。
※ 与滑移面垂直的应力不引起滑移，只会弹性变形，大到一定程度引起脆断。
（上面所描述的滑移运动，相当于两部分晶体彼此进行的刚体性运动，是由外力作用下发生的，而且所需力较大，但使测力却小得多。近代塑性理论研究认为滑移变形是由于位错的滑移运动引起的。）
理想晶体结构：锌单晶理论计算：ζs=350kg/mm2
实测 ζs=0.1kg/mm2
晶体内部存在缺陷：
点缺陷：缺一个原子。
线缺陷：缺一行原子、—位错。
面缺陷：
滑移逐步在滑移面上传布，直至晶体表面。多晶体
塑性变形先在晶面方向有利于滑移的晶粒内开始，然后不利于滑移的晶粒向有利变形的方向转动，协调变形，使滑移继续进行。
§2 塑性变形后金属的组织和性能
一、组织：、晶粒沿变形最大的方向伸畅。
2、晶格晶粒均发生扭曲，产生内应力。
3、晶粒间产生碎晶。
二、性能：
强度，硬度↑。塑性，韧性↓
原因：（微观）碎晶，晶格扭曲，增大滑移阻力。
三、加工硬化
塑变程度增大，金属强度，硬度升高；塑性，韧性下降的现象。
1、有利：强化金属，形变强化
有害：变形抗力↑，继续压力加工困难，对模具不利，设备吨位↑
加工硬化的结果使金属的晶体构造处于不稳定的应力状态，具有自发恢复稳定状态的趋势（室温不行）
2、消除方法：加热 回复 再结晶
1）回复：金属冷变形后，加热到一定温度，原子恢复正常排列，消除了晶格扭曲。加工樱花部分消除，原子获得能量。震动加剧，回复正常排列。
T回＝（0.25～0.3）T熔（室温＋273）
T回、T熔分别位金属回复、熔化的绝对温度。
2）再结晶：温度再增加，金属原子获得更多能量，则以碎晶和杂质位核结晶成新的晶粒。
实质：无畸变组织代替即便组织，完全消除加工硬化。
T再＝0.4T熔
T再—金属绝对再洁净温度。
再结晶退火—加热—再结晶—金属再次获得良好塑性
高温下受力塑性变形—硬化于再结晶同时存在四、冷变形、热变形
冷变形—T再以下发生的变形。
热变形—T再以上发生的变形。
*
1、冷变形后具有加工硬化组织，能获得较高的表面光洁度及硬度，但变形程度不宜过大，避免破裂。
2、热变形可得到再结晶组织，变形程度大，无加工硬化，获得良好的机械性的组织。
冷变形后的件若继续加工，要再结晶退火。
∴金属压力加工主要采用热变形来进行。
五、锻造和纤维组织
1、锻造
1镦粗：横截面积变大：Y镦＝F/F0＝H0/H＞1
2拨长：横截面积变小：Y镦＝F0/F＞1
F0—变形前横截面面积，F—变形后横截面面积
Y＜2 组织细化，性能↑
Y＝2～5 方向性↑
Y＞5 组织紧密程度，晶粒细化，均达极限。性能方向性↑↑
出现性能方向性的组织已是纤维组织。
2、纤维组织：
金属发生塑性变形时，金属的晶粒形状和沿晶 界分布的杂质形状都发生变化，它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构较纤维组织。
1）影响：使金属材料的机械性能出现方向性
平行纤维方向：塑、韧性↑
垂直纤维方向：塑、韧性↓
2）利用：因流线稳定性很高，不能用热处理方法消除，只有经过锻压使金属变形，才能改变方向和形状。因此，位提高零件机械性能，尽量做到：
a)使纤维方向于零件的轮廓相符合，而不被切断。
b)使零件受ζmax拉应力与纤维方向一致。ηmax与纤维垂直。§3金属的可锈性
可锈性：是衡量材料在经受压力加工时获得量件难度程度的一个工艺性能。在力作用下稳定改变自己形态或尺寸，而其各质点间联系不破换的能力。
包括方面：1塑性↑：变形时金属不易开裂。δ、ψ、αk↑
↓ 2变形抗力↓：省力，不易磨损模具，小设备，消耗能量小。
一、金属本质的影响： 化学成分：1）纯金属可锻性良好（合金晶格畸变）Fe＞F
2）含有形成碳化物的元素，则可锻性↓。
如：W、Ti|。WC使硬质合金硬、脆。
2、金属组织影响：1）固溶体（如A）比碳化物（Fe3C）好。
3）晶粒细、均匀、可锻性↑。
3、晶体结构：面心立方＞体心立方＞密排六方。
二 加工条件： 变形温度：t↑ 变形抗力↓ 塑性↑ T再以上，塑性↑↑
如：碳钢在A3线上，组织为A、面心、塑性↑
※ t过高，易产生“过热”、“过烧”、“脱碳”、“严重氧化”。
始锻温度：AE线下200℃左右。
终锻温度：800℃（T再以上）变形速度：单位时间内的变形程度。
V＜C：∵V固、V再来不及完全消除加工硬化。
V＞C： 热效应，明显提高变形温度，但只在高速锤上才能有热效应。高速锤：12—25m/s，普通锤：5—9m/s。3 应力状态：
压应力下变形，对塑性有利，阻止裂纹扩展，焊合（孔、缝）
拉应力下变形，对塑性不利，气孔、裂纹等缺陷处易引起应力集中，缺陷扩展，导致破裂。
1—9 塑性逐渐下降
※ 三向不等压应力会使大理石塑性变形，挤压比拉拔时塑性好，三向压应力不等，才能塑变，否则弹变。
压应力会加大金属内摩擦，使变形抗力增加，故本质塑性较高的变形时出现拉应力，可减少变形抗力，对本质塑性较差的，应尽量在压应力下进行，以防止裂纹产生。
作业： 碳钢在锻造温度范围内变形时，是否会有加工硬化？ 铅在20℃、钨在1100℃时变形，各属那种变形？为什么？（钨的熔点3380℃）
纤维组织是怎样形成的？它的存在有何利弊？
如何提高金属的塑性？最常用的措施是什么？
“趁热打铁”的含意？ 三向压应力相等,能否产生塑性变形？
第二章 自由锻
自由锻造: 利用冲击力或压力使金属在上、下两抵铁之间产生变形，得到所需的形状和尺寸的锻件，金属在受力变形时，在抵铁间向各个方向自由流动，不受限，形状、尺寸由锻工控制。
一 特点：1 工具简单、通用性强。（成型部分）
应用广泛，几克——几百吨，机械性能高。3 锻件尺寸精度差，材料利用率低。4 只能用于形状简单的锻件。5 劳动强度大（尤其手工）。
二 分类：1 手工锻：砧子，大、小锤，炉子等，小型件。
机器锻：空气缸、蒸汽—空气缸，冲击力
液压机、吨位 静压力
§1 几个主要工序
一 镦粗：截面增加、高度减小的工序。
应用：1）小截面变成大截面，高度减小件。
2）冲孔前，平整端面。
3）提高机械性能（细化组织、破坏碳化物）（与拔长配合）
※ H/D=0.8—2 一般毛坯
H/D=2—3 双鼓形
H/D＞3 失稳
H/D＜0.8 变形小、变形力大。
二 拔长：毛坯横截面减小，长度增加。
应用：1）减小截面，增加长度。
2）提高机械性能（与镦粗反复进行）
※ 1 拔长时不断翻转。
送进量： 合适：L/h=0.5—1 L/h＞1 展宽过大，拔长效率↓ L/h＜0.5 折叠 与双鼓形类似。三 冲孔： 透孔、不透孔（盲孔）
开式冲孔
闭式冲孔—反挤压
※ 1 开式冲孔，先镦平端面 冲通孔时：薄件—面冲通：H/D＜0.125 实心单面冲孔
厚件双面冲： 一面冲2/3δ
反面冲通。
为拔冲头方便，冲孔时洒煤粉。
四 弯曲： 毛坯弯成一定角度。
外侧受拉
内侧受压 内侧起皱
※ 弯曲角度不可太大，过大 外侧拉裂
§2 自由锻件的结构工艺性
原则：满足使用性能要求，符合自由锻工艺要求，节约金属，保证质量，提高生产率。
一 尽量避免锥体或斜面（因必用专用工具，成型困难）
二 锻件由几个简单几何体构成时，交接处不应形成空间曲线。
三 锻件不应设计出凸台、筋板。
四 椭圆形、工字形等避免。
五 截面变化不宜太大。锻造比太大
六 外表面复杂的锻件不应设计
分别锻造、焊接或机械联接。
§3 自由锻造工艺规程的制定
内容：由零件图→绘制锻件图→计算坯料质量和尺寸→选择锻造工序→设备和吨位→加热规范→规定技术要求→检验要求→编制劳动组织和工时。
一 绘制锻造图：根据零件图绘制 敷料：为简化锻件形状而增添的金属（也叫余块）。
加工余量：自由锻件精度、尺寸、表面质量较差。
需切削加工，所以，留余量。锻造公差：锻件实际尺寸和名义尺寸之间所允许的最大偏差。
零件图用双点划线，锻件实线，零件尺寸加括号，公差查手册。
二 计算坯料质量和尺寸 锻件的坯料质量 G坯料=G锻+G烧+G料头
G烧损=G锻×（2—3）%（首次）
G锻×（1.5—2）%（二次以后）
G料头=G锻×（2—4）%（钢材）
尺寸：与第一道工序的变形性质有关。
镦粗： 毛坯1.25＜H/D＜2.5
拔长： 钢锭坯料：y≥2.5—3
轧制钢料：y=1.3—1.5
坯料截面积=锻件最大部分截面×y
三 选择锻造工序：
包括基本工序、辅助工序及修整工序。
根据锻件技术要求，坯料情况，生产批量等确定。一般：盘类：镦粗、（或拔长、镦粗）冲孔。
轴类：拔长（拔+镦粗）、压肩。
筒类：镦粗（镦+拔）、冲孔、在心轴上拔长。
环类：镦粗（拔+镦）、冲孔。
四 选择锻造设备
镦粗：G=（0.002—0.003）kF（kg）
k为系数，与ζb有关，F为锻件镦粗后与工具接触面水平投影.(mm2)
拔长: G=2.5F（kg）
F—坯料横截面面积（cm2）
五 加热
新书 P72 表3—4
六 锻后冷却及热处理
空冷 坑冷 炉冷
退火 正火（+高温回火）
工具钢：正火或球化退火
中碳钢、合金钢：一般调质。（对于不进行最终热处理）
作业： 在如图两种砧铁上拔长时，效果有何不同？
第三章 模锻
模锻：金属坯料在模具中成型，得到与模膛形状相符的锻件。
一 特点
优点：1 操作技术要求不高，生产率高。
尺寸精确，加工余量小。
形状较复杂。节省材料，减少切削量，降低成本（批量）。
缺点：1 受设备吨位限制，质量不能太大（150kg以下）锻模成本高，不宜于小批、单件生产。
劳动强度较低。
二 设备：锤和压力机
区别 自由锻锤 模锻锤
框架 不封闭 封闭
间隙 较大 较小
砧座 较轻10—20倍吨位 较重20—25倍吨位
模锻件质量除由模具控制外，模锻设备也是主要因素之一。
§1 锤上模锻
一 工艺规程制定：
（1）根据锻件类型及具体生产条件确定合理工艺方案。
（2）由零件图及工艺方案→锻件图。
（3）确定工步，进行模膛设计和工步设计。
（4）计算毛坯质量、尺寸、确定设备吨位。
（5）设计锻模
（6）确定切边、冲孔工序并设计相应模具。
（7）加热、冷却、热处理规范。
（8）确定校正、清理工艺及设备
确定工艺方案：
1）长轴类锻件
拔长—滚压—预锻—终锻 同一模具上设置
2）短轴类（盘类）件
镦粗—终锻 镦粗—预锻—终锻
制定锻件图
1）选分模面：（关系到出模、成型、材料利用率等）
原则：a、保证锻件能完整地从模膛中取出
b、使模膛浅而宽，便于加工、利于金属流动
c、应使上、下模膛沿分模面的轮廓一致，便于检查上、下模错移d、上敷料最少
e、分模面尽量选平面
f、有流线要求时，依受载情况确定
2）确定余量、公差、敷料
机械加工余量：一般1—4mm，比自由锻小的多。
公差： 一般±0.3—3mm
a、模膛公差
b、防止上、下模没闭合，金属没充满模膛
c、上、下模错移
d、模膛磨损、变形等
敷料：为简化形状，d＜25—30mm，孔不锻出
分模面应使锻件
3）确定模锻斜度
锻件上平行于锤击方向必有斜度，以利于取件，且锻件冷却收缩，锻模回弹。
斜度大小与锻件形状尺寸、材料性质（摩擦系数）、锻造方法（如平锻有顶出装置，斜度小）等有关。
一般钢件外模锻斜度 α=5—15°
内斜度比外斜度大 2—3°，因为内壁冷缩，夹紧工件。
4）确定圆角半径：锻件两平面交接处均要做成圆角。
a、金属易于充满模膛
b、模凹角处易应力集中、裂纹
c、凸尖角处有圆角磨损减轻，提高模具寿命
d、避免拉断流线
e、冲孔连皮
d＞25 冲孔，连皮厚度与孔径d有关，d=30—80mm时，s=4—8mm 确定模锻工步
与确定的工艺方案一致
模膛—制坯模膛—拔长、滚压、弯曲、切断
模锻模膛—预锻模膛和终锻模膛
1）制坯模膛
作用：（1）使坯料形状和尺寸接近锻件（为预锻和终锻做准备）
（2）清除坯料表面的金属氧化皮
a、拔长模膛：减少某部分横截面，以增加其长度，闭式、开式，一般设在锻模边缘，需翻转。
b、滚压模膛：减少某部分横截面，以增加另一部分横截面，使金属按锻件形状分布。
开式：横截面相差不大 —— 操作时不需翻转
闭式：最大、最小横截面相差大
c、弯曲模膛：需弯曲的杆类件，用弯曲模膛来弯曲坯料，转90°放入模膛 成型。
d、切断模膛：它是在上、下模的角组成的一对刀口，单件时用来切下锻件或切下钳口；多件时，用它分离单件。
除上述模膛外，还有镦粗、压扁等制坯模膛。
2）模锻模膛
（1）预锻模膛
1）使坯料变形到接近于锻件的形状、尺寸，使金属易于充满终锻模膛。
2）减少对终锻模膛的磨损，提高锻模寿命。
Δ与终锻模膛区别：斜度和圆角大，没有飞边槽。
Δ形状简单、小批量、可不用锻模。
（2）终锻模膛：使坯料变形成锻件图上要求的形状、尺寸和精度。
※（a）因热胀冷缩，终锻模膛尺寸要比锻件尺寸放大一个收缩量。
（b）模膛四周有飞边槽—增加金属从模膛中流出阻力，容纳多余的金属。
（c）对于有通孔件，留有冲孔连皮。
计算毛坯质量和尺寸，确定设备吨位
G坯=G锻+G飞+G氧+G连皮
G飞=G锻×（15—25）%
G氧=（G锻+G飞）×（3—4）%
尺寸： 盘类件： 镦粗为主 1.25＜H坯/D坯＜2.5 长轴类：以拔长为主 L坯=（1.05—1.30）V坯/F坯 =（1.34—1.66）V坯/D2坯
吨位：G= p(kN)p= k1k2ζsF/1000（kN）
k1——变形速度系数2.5—3.5 k2—变形系数与摩擦条件系数
F—包含飞边在内的锻件最大截面
锻模设计 模块尺寸、燕尾、起重孔等
切边、冲孔模具设计 确定加热、冷却和热处理规范
加热：火焰加热、电加热 加热速度依坯料尺寸、成分、组织、性能等制定。
冷却：依具体坯料情况确定。
热处理：改善组织、性能、消除内应力，退火、正火、调质、高温回火等。
确定校正、清理
校正变形：终锻模膛、校正模
清理：去毛刺、氧化皮、切边、冲孔。
精压：压力机上，平面精压、体积精压、提高精度
精度可达：±0.1—0.25mm
粗糙度：Ra=1.6—0.8μm
二 模锻零件结构工艺性
设计模锻件时，应根据模锻特点和工艺要求，使零件结构符合下列原则，以便于模锻生产和降低成本。必须具有合理的分模面（锻件易取出，敷料少，锻模易做）。
模锻斜度、圆角 非加工面尺寸精度要符合模锻生产工艺，加工面留余量。
锻件形状尽量简单对称，各截面差不可太大。
尽量避免深孔、多孔。（简化模具制造、提高寿命）
若形状复杂，用锻焊结构，减少敷料。
§2 胎模锻
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 特点：1 与自由锻对比
1）锻件形状、尺寸与锻工技术无关，操作简单η↑
2）精度高，敷料少，加工余量，节省金属，减轻后续加工的工作量。
3）内部组织、纤维分布更合理。
与模锻比
1）扩大自由锻设备生产范围，设备简单
2）局部成型，小设备干大活
3）模局不固定，成本低，可一个以上分模面，件可复杂
4）锻件质量比模锻差（形状、尺寸精度、余量）
整形模：
成型模：导柱、定位、切边、冲孔。
§3 其它设备上的模锻
作业： 改正模锻件不合理处。下图零件采用锤上模锻制造，选最佳分模面。
圆角、拔模斜度、分模面、冲孔连皮。2 了解分模面选择原则 第四章 板料冲压
板料冲压：利用冲模使板料产生分离或成型的加工方法。
一般冷态下成型，δ＞8—10mm时，热态成型
应用：广泛，航天、航空、汽车、仪表
特点：1 可冲压出成型复杂的件，废料少。产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，互换性好。
质量轻，材料消耗少，强、刚度高。
操作简单，便于自动化，生产率高。
模具复杂，适于大批量生产。
原材料塑性高：低C钢、铝合金、铜合金、镁合金、塑性高的合金钢。
剪床—剪料 冲床—冲压
§1 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
一 落料及冲孔（冲裁）
坯料按封闭轮廓分离
落料—被分离的部分为成品，而周边为废料
冲孔—被分离的部分为废料，而周边是成品
冲裁变形过程：
1）弹性变形阶段：冲头接触后，继续向下运动，产生：弹性压缩、拉伸、弯曲等。
2）塑性变形阶段： ζ≥ζs 产生塑变→（冷态）加工硬化，ζ≥ζb 微裂纹
3）断裂分离阶段：冲头继续压入，裂纹上、下扩展，重合。
断面 光亮带—上、下塑性变形，冲头压入形成 剪切带—剪切分离（断裂带）
圆角带—变形开始弯曲，拉伸所至。
凸凹模间隙：
间隙大小影响断面质量、模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。
间隙大：1）材料拉应力大，塑性变形阶段结束早
2）亮带小，剪裂带、毛刺大
3）卸料力和推件力小
间隙小：1）压应力大、拉应力小，抑制裂纹
2）凸模刃口裂纹比正常向外，毛刺增大
3）凸模与冲孔、凹模与落料之间摩擦增大
4）降低模具寿命
总之：冲裁件断面质量要求较高时，选较小间隙
冲裁件断面质量无严格要求时，选较大间隙
一般（5—10%）S 以利于提高冲模寿命 凸凹模刃口尺寸确定：
冲孔模：1）以冲孔件确定凸模尺寸，考虑磨损，凸模选孔的最大尺寸（公差允许内）
2）以凸模为基准，加上间隙，设计凹模
落料模：a）以落料件确定凹模刃口尺寸，考虑凹模磨损，凹模刃口尺寸取公差范围最小值。
b）以凹模尺寸为基准，减去间隙，设计冲模
冲裁力的计算
选冲床吨位，检验模具强度的依据，平刃冲模的冲裁力：P=KLSη（N）
L—冲裁周边长度mm； S—坯料厚度mm
η—抗剪强度Mpa ； K—系数，间隙不均，刃口钝化等。
冲裁件的排样：
排样合理，提高材料利用率
无搭边排样：落料件形状的一个边作为另一个落料件边缘，材料利用率高，尺寸不准，毛刺不在同一平面上。
有搭边排样：各落料件之间有一定尺寸的搭边，毛刺小，在同一平面上，尺寸准，费材料。
二 修整：
利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，以切掉普通冲裁时，在冲裁件断面上存留的剪裂带、毛刺，提高冲裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度。
外缘修整：修冲裁件外形
内缘修整：内孔
与切削加工相似，间隙小，可采用负间隙，凸模大于凹模，精度达 IT6—IT7 表面粗糙度为Ra0.8—1.6 ▽7—▽8
三 切断：
用剪床或冲模把板料沿不封闭轮廓进行分离的工序 剪切：大板料剪成条料
冲模：生产简单、精度要求不高的平板件
§2 变形工序
变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序，拉深、弯曲、翻边、成型等。
一 拉深 拉深过程： 1）D直径平板放在凹模上。
2）凸模向下运动，板料被拉入凸、凹模的间隙中，形成空心零件。
受力分析： 底部：不变形、传递拉力，厚度基本不变。
环形部分：拉力，厚度略减小。
法兰部分：切向受压力，变厚。
底角部分：拉力、变厚。
拉深中的废品：
1）拉裂 ζt＞ζb 无其底角部分
拉裂影响因素：
（1）凸凹模的圆角半径：不可太锋利，否则易拉裂，钢件：r凹=10s r凸=（0.6—1）r凹
（2）凸凹模间隙：过小，模具与拉深件间的摩擦力增大，易拉裂工件，同时擦伤工件表面，降低模具寿命（磨损）。Z=（1.1—1.2）S
过大：起皱
（3）拉深系数： m=d/D 衡量拉深变形程度，m越小，变形越大，易拉穿，材料塑性好m可↓，一般：m≥0.5—0.8（易塑性来取）
若m过小，则采用多数拉深，mn＞mn－1＞mn－2„„ 两次拉深之间退火,消除加工硬化，m总= mn ×mn－1×mn－2„„
（4）润滑：加润滑剂，减小摩擦，降低拉力，减小模具磨损。
2）起皱：
发兰受切向压力，起皱，起皱后坯料拉不进凹模，在凹模入口处，拉裂，若能拉入，产品侧壁有痕迹。
影响因素： t/D 小，起皱，m小，起皱
防止方法：压边圈
毛坯尺寸及拉深力的确
按变形前后板料面积不变，计算毛坯尺寸，拉深力： Pmax=3（ζb ＋ζS）（D－d－r凹）S
Pmax——最大拉深力（N），ζb、ζS 抗拉、屈服强度，D——毛坯直径mm，d——凹模直径mm
r凹——凹模圆角半径mm S——材料厚度mm 旋压法生产拉深件
旋压件上生产，不用冲模，变形小，能生产大型封头。
二 弯曲：
坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序 受力分析：外侧受拉，内侧受压，ζt＞ζb，外侧拉裂
板厚 S↑ r↓ 则ζt↑ 易裂 最小弯曲半径rmin=（0.25—1）S 塑↑ rmin可小些 弯曲方向：弯曲时尽可能使弯曲线与毛坯的纤维方向一致 4 回弹：回弹现象 0——10°
防止方法：（1）弯曲的模具角度小一个回弹角
（2）弯曲时两端加拉力，压力→拉力
三 翻边：在带孔的平坯上用扩孔的方法获得凸缘的工序，r凸=（4—9）t
k0=d0/d＜1（镀锡铁皮k0≥0.65——0.7 酸洗钢 k0≥0.68——0.72）
若k0 过小，可先拉深-----冲孔-------翻边
四 成形（胀形）
局部变形 制造加强筋 局部直径扩大
§3 冲模的分类和构造
冲模结构合理与否对冲压件质量、冲压生产的效率及模具寿命等都有很大的影响。
一 简单冲模： 一次冲程只完成一个工序
凸模被压板固定在上模板上，上模板通过模柄与冲床滑块连接，凹模被压板固定在下模板上，下模板用螺钉固定在工作台上，凹模上装有导料板，导料板前有定位销，导料板上装有卸料板，防止凸模把料带上去。导柱、导套：保证凸凹模对正，间隙均匀。
二 连续冲模：连模具不同部位，一次冲程能完成几道工序，垫片------先冲孔、后落料。
三 复合模：在模具的同一部分上同时完成几道工序
§4 冲压件结构工艺性
设计冲压件不仅要满足零件的使用性能，还应有良好的工艺性能，以减少材料的消耗，延长模具寿命，提高生产率，降低成本及保证冲压件质量。
一 冲压件的形状和尺寸 冲裁件：
1）落料件外形和冲孔件的孔形应力求简单、对称，排样时废料少、，尽可能采用圆形、矩形，避免长槽、长悬结构，总之：利于制造模具，提高模具寿命，节省材料。
2）冲孔时 d≥t 方孔L≥0.9t t——料厚，凸模↑
孔距，孔与边距≥t 保证凹模寿命，外缘凸出或凹进的尺寸≥1.5t，保证件不变形。
3）冲裁件：两相邻边要用圆弧联接，避免应力集中，弯曲件：
1）r ＞rmin 弯曲半径左右对称，若弯曲非对称件，用坯料上孔定位。
2）短边弯曲，弯曲高度 h＞2t，若过短，先弯长，后切短。
3）带孔件弯曲 L＞（1.5—2）t
若孔与立壁近，先弯后冲 拉深件
1）外形对称简便，不宜太高，—便于制模具，成形容易。
2）拉深件不能同时保证内外尺寸，必须注明其一。（∵有间隙）
3）拉深件圆角半径不能小于允许值。
4）对半敞开件，可先拉深——后切断，工件组成对称件。
5）带凸缘件，凸缘大小要合适。过大，增加拉深次数；过小，压边圈失效，易起皱。
合适尺寸：d+12t≤d凸≤d+25t
对各类冲压件的共同要求： 材料的选择：普通材料——贵重材料，塑性↑ 薄件，加筋提高刚度。
外形对称：受力均匀，模具易制造。3 复杂件：冲——焊，冲——铆结合。二 冲压件的厚度
强度，刚度允许，尽量用薄料，可采用加强筋（胀形），提高刚度，省材料。
三 冲压件的精度和表面质量
不能超过最高可能的精度，表面质量不能高于原材料表面质量。
一般精度：薄件： IT10； 冲孔： IT9 ； 弯曲：IT9——IT10
拉深高度公差：IT8——IT10； 经整形：IT6——IT7； 直径公差：IT9——IT10
作业： 1 用θ50冲孔模具加工θ50薄料件能否保证精度？
2用θ250×1.5料拉深θ50筒件，能否一次拉出？
1（1）分清冲孔、薄料概念
（2）冲孔，薄料模具设计原则
（3）精度差（1）拉深系数 m≥0.5——0.8
（2）m1＜m2＜m3„„„„„
（3）附加：润滑、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 试述下图冲压件的生产过程（工序排列）
落料——冲孔——弯曲
第五章 压力加工先进工艺简介
先进工艺特点： 尽量使锻压件的形状接近零件形状，以便达到少、无切削加工的目的，节省材料，合理纤维组织，提高零件机械性能，2 具有更高的生产率。减少变形力，可以小设备干大件。广泛用电加热，少氧化加热，提高表面质量，改善劳动条件。
§1 轧制
一 纵轧： 轧辊轴线与坯料轴线互相垂直的轧制方法。
辊锻轧制：轧辊上装上圆弧形模块。辗环轧制：对称扩孔，自动控制尺寸，可轧截面不同件，如火车轮箍
二 横轧：轧辊线与坯料轴线平行
齿轮轧制：对辗
三 斜轧：轧辊线与坯料轴线成一定角度。如：轧钢球，周期性截面变化杆件，冷轧丝杠。
四 楔横轧：利用两个外表面镶有楔块，并作同向旋转的平行轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法，称为楔横轧。
主要靠两楔块压缩坯料，使坯料径向尺寸减小，长度增加。
楔块分三部分组成：楔入部分、展宽部分、精整部分。
拔长？如何加入锥形轴？
特点：1）生产率高，每小时可生产千件。
2）品精度高，径向公差0.2mm内，长度0.1——1内。
3）产品质量好，内部纤维连续，晶粒细化。
4）节省原材料。
5）设备投资少，模具寿命高，可达10——20万件。6）无冲击，噪音小，易自动化。§2 挤压
挤压是坯料在挤压筒中受强大的压力作用而变形的加工方法。
一 分类： 按金属流动方向分：
正挤压：金属流动方向与凸模运动方向相同。
反挤压：金属流动方向与凸模运动方向相反。
复合挤压：正反挤压同时发生。
径向挤压：金属流动方向与凸模运动方向成90 °。
按变形温度：
热挤压：T＞T再 变形抗力小，表面粗糙。
冷挤压：T＜T再 变形抗力大，表面光洁，组织硬化，强度高。
温挤压：介冷热之间，低于T再 下某一温度，氧化脱碳少（与热比），变形抗力小（与冷比），中碳钢、合金钢均可挤。静液挤压：凸模与坯料之间充满液体，凸模通过液体挤坯料，减少摩擦。
应用：低塑性材料，如 铬、钨等，麻花钻。
二 特点：1 三向压应力，塑↑ 零件精度高，粗糙度低，IT6——IT7 Ra3.2——0.8 形状复杂件，深孔、薄壁、异形断面件。
机械性能高，纤维合理。节省原材料，生产率高，材料利用可达70%，易自动化。
§3 拉拔
拉拔：将金属坯料从拉模的模孔中拉出使坯料变形的加工方法。一般常温，故“冷拉” 特点：1 拉拔产生加工硬化，强度↑ 硬度↑ 受工压——拉应力，变形量大易裂，∴拉前去应力，拉后退火（多道拉拔）3 拉拔前清理表面，减少与模具摩擦，提高工件表面质量。产品精度高，广泛应用各类型材、线材、精铰加工。
§4 精密模锻
在模锻设备上锻造出形状复杂、锻件精度高的模锻工艺，精度达IT7，粗糙度Ra3.2——1.6 ▽5——▽6
特点：1 精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料。
精细清理表面，去氧化皮，脱碳层。
无氧化加热，少氧化加热，减少氧化皮。
锻模精度高，导柱、导套、凹模开排气孔。
锻模润滑，冷却（热胀冷缩）。
设备刚度大，精度高。（压力机、高速钻等）
保护冷却，（坑、介质、无焰淬火）少氧化。
§5 高速锤锻造
利用高压气体在极短时间内突然膨胀，推动锤头对击。
特点：1 打击速度高（12——25m/s，普5——9 m/s），变形时间短，充填性好，有热效应，一次形成复杂件。少、无氧化加热，润滑剂，顶出装置，可锻无斜度、小斜度、无飞边件，Ra3.2—0.8。
流线合理，机械性能↑ 适合结构对称件，模具磨损快，寿命↓，单模膛。5 对厂房无抗震性要求，设备体积小。§6 超塑性成形
超塑性：金属材料在特定条件下可得到极大塑性。
动态超塑性：在材料相变温度或同素异构转变温度附近经过多次温度循环或应力循环，获得超塑性。（应用少）静态超塑性：低形变速率：ε/=10-2——10-5 θ/s ε/=Σ/s
变形温度：0.5——0.7Tm，细晶：0.5——5μm，拉伸无缩颈
应用：1板料冲压，可拉深很深筒。
板料气压成形。挤压、模锻，如钛合金。
特点：1 扩大了可锻金属种类。
充模性能好，精度高，余量小——0 机械性能均匀一致。（晶粒细）
变形抗力小，充分发挥中小型设备作用。
§7 摆动辗压
利用一个绕中心轴摆动的圆锥形模具对坯料局部加压的工艺方法。
若上模是锥体，可辗成一平面工件。若上模母线是曲线，可辗成表面形状复杂件。
特点：1）省力，局部受力变形，小设备干大件。
2）可加工薄件，如1mm厚件。
3）产品质量高，省材料。
4）噪音小，震动小，易自动化。
§8 多向模锻
将加热的金属坯料置于多分模面的组合锻模中，在多向锻压机上一次行程作用下，获得飞边，无斜度或小斜度多向孔穴锻件。
实质：挤压为主，加闭式模锻。
无飞边，生产率高。
§9 液态模锻
锻铸结合，液态金属浇入下模，用上模加压，使液态金属充满模膛，并在压力下结晶凝固并产生塑性变形，以获得组织致密，性能良好的锻件。
特点：1 组织致密，性能好。
省去铸件的浇口、冒口。
省力，能加工脆性材料。
应用：大批，性能好，中小型件。
四 焊接
概述
一 什么是焊接?
焊接实质是用加热或同时加压并用或不用填加材料使焊件达到原子或离子结合的一种加工方法.实际上被焊接的可以是非金属,如塑料,用钎焊还可以把金属与非金属连接起来.二 焊接特点及应用
1特点
1)省工省料(与铆接比)可省料12~20%.2)能化大为小,拚小为大.大型结构,复杂零件,用焊接组合结构,焊接可将铸件,锻件连接起来,简化铸锻工艺和设备.3)可以制造双金属结构,节省贵重金属.(联想铸造离心铸造)
车刀, 钻头 硬质合金刀片+金刚石膜
4)生产率高 便于实现机械化,自动化.应用
桥梁 大容器 水压机 飞机 汽车 轮船 电子组件„.三 焊接分类(按焊接过程特点)熔化焊: 局部加热 将焊接接头加热熔化,并形成共同的熔池,冷却结晶形成牢固接头,将两工件焊接成整体.压力焊: 利用加压力(或同时加热)的方法,使两工件结合面紧密接触在一起,并产生一定的塑性变形或熔化,使他们的原子组成新的结晶,将两工件焊接起来.包括: 电阻焊 摩擦焊 冷压焊等 钎焊: 对工件和作为填充金属的钎料进行适当的加热,工件金属不熔化,但熔点低的钎料被熔化,后填在工件之间与固态的被焊接金属互相扩散,钎料凝固后,将两工件焊接在一起.如 铜焊 银焊 锡焊
第一章 熔化焊
电弧焊 气焊 激光焊等
§1 手工电弧焊(焊条电弧焊)
利用焊条与焊件之间产生的电弧热,将工件和焊条熔化而进行焊接的手工操作.一 焊接过程及特点
焊接过程: 回忆实习
2特点: 优点: 设备简单.接头形式、焊缝形状、焊接位置、长度不受限制。缺点：有弧光，劳动条件下降，质量不稳，生产率低。应用：单件小批，碳钢，低合金钢，不锈钢，铸铁焊补。
适宜板厚３～２０ｍｍ。
二 焊接冶金过程特点
（焊条和局部被焊接金属在电弧高温作用下的再熔炼过程高于一般冶金温度，可以看成是一个冶金过程）焊接电弧和熔池温度高：造成金属氧化烧损，电弧区气体分解，增大气体活拨性，氧化、氮化（Fe4N、Fe2N）易形成气孔、夹渣等缺陷。降低焊缝的塑性、韧性。水分解成H，熔入熔池，形成“氢脆” 熔池体积小：冷速快，各种化学反应不平衡, 使化学成分不均，气体熔渣不易浮出。形成气孔，夹渣。熔池金属不断更新：电弧移动，不断有新的熔渣和金属也进入熔池，使焊接冶金过程更复杂。
∴ 要得到一个合格的焊缝也不是一件容易的事。
# 采取措施： 保护焊区（药皮，焊药，保护气体等）
添加合金元素，保护化学成分稳定。（在手工电弧焊中这些保护措施主要靠电焊条实现）
三 焊条
1）焊芯：作用：电极、导电、填金属、添加合金元素。
焊芯牌号：H08A（E）H—焊 08—平均0.08%C，A—优质 E—高级优质。H08Mn2Si 0.08%C 2%Mn <1%Si
2）药皮：作用；稳弧、保护焊区、添加合金元素。
分类: 9种类型1~6、8交、直流，7、9 直流
3）焊条分类
结构焊条J 不锈钢焊条B 堆焊焊条D 铸铁焊条Z 低温钢焊条W 耐热钢R 镍及镍合金N 铜及铜合金T 铝及铝合金L 特殊用途钢TS
4）牌号
符号+数1+数2 符号—焊条大类 数1—小类 数2—药皮
如J422 结构钢焊条，焊缝抗拉强度不低于420Mpa，2型药皮，交直流
# 为什么有的焊条不能用直流焊机？
∵碱性焊条里含大量莹石（CaF2）F是阻碍气体电离的元素，降低了电荷空间的电离度，使导电能力差，电弧不稳定。
用交流焊机时，电流的方向在不断变化，此时若用碱性焊条电弧易熄灭
四 焊接接头的组织与性能 焊接工件上温度的变化与分布
1）距焊缝中心不同，受热最高温度不同。
2）各点到达最高温度的时间不同。
3）各点均经过冷--热—冷，相当于受到一次不同规范的热处理。因此，必然有相应的组织和性能的变化。接头组织与性能的变化
以低碳钢为例 P92 1）焊缝金属
（1）熔化温度在1500℃以上。（2）形成柱状晶，约与池壁垂直（铸造）∵药皮渗合金，焊缝中硅，锰合金元素可能高于母材，且药皮保护。
∴ 焊缝性能一般不低于母材（尤其强度）
2）溶合区 焊缝与母材交界区，∵局部熔化（半熔化区）
组织：铸造组织+受热长大的粗晶。∴晶粒大小不均，化学成分不均（尤其异种金属）
性能；接头中性能最差。∴决定接头性能
3）过热区：温度远高于相变温度，晶粒产生急剧长大。过热组织。
性能：塑性韧性↓ 对于易淬硬钢材，危害更大。接头中性能较差
4）正火区：组织：发生重结晶，晶粒细化，正火组织
性能：机械能提高
5）部分相变区：组织：部分相变（F、P）晶粒不均（部分F和P重结晶成为较细晶粒，未转变的F长大）
性能：稍差
3）~5）为热影响区
l 总之，熔合区与热影响区中的过热区对焊接质量影响最大，应尽量减少它们的宽度。
l 热影响区大小和组织变化程度决定于焊接方法、焊接规范、接头形式、焊后冷却等因素，在保证焊接质量的前提下，增加焊接速度，减少焊接电流，减少热影响区尺寸。
l 措施：焊后热处理，正火，退火---细化晶粒
§2 焊接应力与变形
一 产生应力与变形原因
根本原因：加热不均, 各处热胀量不同，又是整体，各部分互相限制
（与铸造热应力联系讲）内应力通过变形自发释放趋势，拉应力部分缩短，压应力部分伸长。
二 焊接变形基本形式
1）收缩变形：纵 横
2）角变形：V型坡口对接时，因焊缝截面上下不对称，焊后收缩不均引起。
3）弯曲变形：如丁字梁，焊缝在一端
4）波浪变形；薄板焊缝收缩板材失稳（联系自由锻高坯镦粗、拉深起皱）
5）扭曲变形：如工字梁，焊接顺序不当。
三 防止和减少焊接变形措施
合理结构设计
1）尽量减少焊缝，焊缝长度，截面厚的件两面开坡口。
2）焊缝对称
3）避免密集交叉
4）利用型材、冲压件代替，减少焊缝。
工艺措施
1)加余量法： 在工件尺寸加大，通常0.1~0.2%
2)反变形法:焊前使焊件处于反变形位置,以抵消焊后变形.(联系冲压弯曲)
3)刚性固定法: 将工件固定夹紧, 或点焊在工作台上, 焊后变形大大减少.这种方法适于塑性好的低碳钢件.4)选择合理的焊接顺序: 对称两侧都有焊缝,尽量使收缩能互相抵消.5)焊前预热: 工件预热150~350℃, 减少温差,显著减少焊接应力.四 焊接变形的矫正方法
基本原理: 新变形抵消焊接变形.机械矫正法: 用机械力矫正, 压力机 手锤敲击.火焰矫正法: 乙炔焰加热焊件,使其产生反向等量变形.主要低碳钢,部分低合金钢.五 减少和消除焊接残余应力的方法
焊前预热,减少温差 焊后退火(去应力退火)600~650℃ 保温 80~90%残余应力消除, 可整体,局部
§3 埋弧自动焊
埋弧—电弧埋在焊剂下,弧光不外露.自动焊---引燃电弧, 送焊丝,移动电弧,最后灭弧----机械
一 焊接过程
自动焊机头将光焊丝自动送入,保证弧长.电弧在焊剂下燃烧,靠焊机移动(或工件动).焊剂从漏斗中不断流出,撒在焊丝前工件上,焊剂熔化成熔渣,部分未熔可回收.焊丝---相当于焊芯.焊剂---相当于药皮.常用焊剂见书上.二 特点 生产率高, 比手工高5~10倍(V↑ I↑ 不换焊丝)焊接质量高，且稳定。[（1）冷却速度慢，有利于气体、杂质上浮。（2）焊区保护好。（3）规范控制好。]
节省金属材料。[（1）没焊条头。（金属飞溅少，≤25mm不开坡口。）4 劳动条件好。（看不到弧光，焊接烟雾少，机械操作。）三 工艺 下料，准备坡口，装配要严格准确。焊前工件焊缝两侧50—60mm内的一切油污、铁锈除去，以免产生气孔。
一般适于长规则平焊、对接、搭接、丁字接头，规则环焊缝。
应用：碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢，中、厚板平焊长直缝，大直径 d≥250mm环缝。
§4 气体保护焊
一 氩弧焊
用氩气做保护气体，电弧发生在电极和焊件之间，在电弧周围通以氩气。不熔化极氩弧焊
电极：钨or钨合金，（熔点：3380—3600℃）只导电产生电弧，必要时需另加焊丝。
（1）直流正接： ∵阴极3000℃，阳极4200℃＞钨熔点，∴钨→阴极，工件→阳极，以减少钨损耗。
（2）交流或直流反接：焊铝镁及其合金，∵在焊件和熔池表面易形成熔点很高的氧化物薄膜，阻碍金属熔合和电弧稳定燃烧，∴采用“阳极破碎”—用较大氩正离子撞击氧化膜，使之破碎以利于焊合，多用交流，I不能太大，钨极氩弧焊口适用于δ≤6mm薄板。
熔化极氩弧焊
用焊丝做电极，并填焊缝，I可大，δ=3—25mm均可焊，多直流反接：电弧稳定，自动、半自动焊接。
特点
1）焊区保护，焊接质量好。
2）电弧稳、飞溅少（Ar导热小，电弧热损失少）
3）电弧在压缩气流下燃烧，热量集中，熔池小，热影响区小，焊接变形小。4）明弧可见，便于操作，可自动全位置焊接。5）适于焊各类合金钢，易氧化的有色金属。
6）焊前工件清理严格，设备价高，氩气贵，成本高。
7）只在室内（防保护气流破坏）
二 CO2焊
CO2做保护气体，电极：焊丝
CO2→CO+O2 O2进入熔池，会使Fe、C、Mn、Si和其它合金元素氧化烧损，降低焊缝力学性能，∴用Si、Mn较高的焊丝，或合金钢焊丝。
特点：1）成本低，是手工、埋40%
2）质量较好，（低H，Mn↑、S↓，抗裂，热量集中，热影响区小）
3）生产率高（自动送焊丝，I大，v↑，比手工提高1—4倍）
4）操作性好（明弧可见，适于各位置）
5）飞溅大，弧光强，焊缝不美观，易产生气孔。
应用：低C钢，低合金钢，δ=0.8—4mm，最厚30mm。
§5 其它熔化焊
等离子弧焊
利用一些装置使自由电弧的弧柱受到压缩，弧柱中的气体就完全电离，产生温度比自由电弧高得多的等离子电弧。
机械压缩（喷嘴压缩）：通入一定压力和流量的氩气或氮气时，冷热压缩，气流均匀包围着电弧，使弧柱外围受冷，带电粒子向弧心移动。
电磁压缩：带电粒子在弧柱中的运动，会产生电磁力，使带电粒子相互靠近。
特点：（1）热力集中，12mm不开坡口，变形小。
（2）电流，电弧仍稳定，可焊箔材、薄板。
（3）焊接质量好（电弧稳定，Ar保护）真空电子束焊
在真空室，利用电子束将金属加热熔化。
特点：1）能量集中，可达200mm，厚件不开坡口，不变形。
2）真空中焊，不氧化，焊接质量好。
3）电子束大小可调，薄件也可焊。
应用：焊高熔点金属（钨、钼、钽、铌、钛）。
缺点：焊件大小受真空室限制。
激光焊
利用激光焊接
主要优点：热量集中，激光可反射、聚焦、改变方向，适于不同位置焊接。
多用焊薄板，细丝。
第二章 压力焊与钎焊
§1 电阻焊
利用电流通过焊件接头的接触面及其邻近区域所产生的电阻热将焊件局部加热到熔化或塑性状态，并在压力下形成焊接接头的焊接方法。
一 点焊 电极：柱状 工件：搭接 焊接过程：电极压紧工件→通电加热 → 断电→保持原压力（加大）→去压。
分流：两点之间距离小，分流大。特点：生产率高、易自动化、焊接变形小、设备复杂，焊前要严格清理工件表面。
应用：薄件、钢筋 δ≤4mm。
二 缝焊 焊接过程：与点焊相似，只是用滚动盘状电极代替柱状电极，形成连续焊点。
特点: 由于焊点重迭50%以上，故密封性好，但分流严重，适于3mm以下薄板。
三 对焊
利用电阻热使对接接头在整个断面上连接起来的一种电阻焊方法。
电阻对焊：
（1）焊接过程：对正、夹紧、予压力→通电→塑性状态→增大压力、断电。
（2）特点：易操作、接头外形光滑、毛刺少、接触面质量影响焊后质量。
应用：断面简单，（Lord＜20mm）强度要求不高的件。
闪光对焊：
（1）焊接过程：对正、通电→点接触→面接触熔化→加压、断电。
（2）特点：接头质量好（飞溅、挤出杂质、夹渣少）、金属损耗多、工件尺寸留较大余量，毛刺多。
应用：同种、异种金属均可，形状尽量相同，d=0.01mm F=20000m2 刀具、钢轨、管子等。四 摩擦焊
利用工件接触摩擦生热，将工件端面加热到塑性状态，然后在压力下完成焊接。焊接过程：加压→旋转其一，接触的生热→塑性状态，停转→加压→塑性变形，完成焊接。特点：
（1）接头质量好（接头杂质、氧化皮挤出、不易产生气孔、夹渣）。
（2）操作简单、易自控、生产率高。
（3）设备简单、耗电少（只有闪光焊1/10——1/15）
（4）焊接金属广泛，尤其性能差别大的异种金属，如：碳钢+镍基合金、铝+钢
§2 钎焊
利用比母材熔点低的钎料熔入接头间隙完成焊接。
硬钎焊：钎料熔点450℃以上，接头强度高，铜等。
软钎焊：钎料熔点450℃以下，接头强度低，锡。
一 焊接过程：
清理工件，搭接 钎料放在装配间隙处
加热钎料，使之熔化，（毛细作用）使钎料进入间隙内，与金属相互扩散，凝固形成钎焊接头。
二 钎剂作用： 清除母材表面的氧化膜及其它杂质。
第四篇：复合双金属衬板在大型湿式磨机上的应用
复合双金属衬板在大型湿式磨机上的推广应用
一.市场调查现状：
金属选矿用大型湿式自磨机、球磨机、棒磨机衬板，使用工况十分恶劣，不仅要承受严重的高能量冲击磨料磨损，还伴随着不同程度的电化学腐蚀、硫腐蚀、酸性或碱性腐蚀。高锰钢衬板耐磨耐蚀性差，而且屈服强度低，容易在冲击碾压作用下过度变形，难以拆卸。中碳中合金钢衬板（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%）为马氏体基体，耐蚀性一般，虽然硬度较高HRC40-55（干磨表现出较高的耐磨性，湿磨腐蚀磨损则较快），但最大弱点是冲击韧性较低（ak=10J左右），极易脆性断裂，安全性担忧。
故此无论是高锰钢还是中碳中合金钢衬板，在大型湿式磨机中的使用寿命均不超过三个月（进口衬板例外）。当然，衬板的短期报废实属无奈，不仅拆装更换频繁、耗时耗力、严重影响生产，而且给企业造成巨大的采购支出和成本增加。
二.解决问题的办法：
针对上述市场调查现状，我公司与清华大学材料科学与工程系及钢铁研究院结构材料研究所长期合作研制成功了新型ZM-8A-4超级加工硬化耐磨钢。此钢种具有优良的耐腐蚀、耐磨损、耐冲击综合性能，为国内首创，及时地解决了大型湿式磨机衬板使用寿命较短的难题。
三.新材料、新工艺耐蚀、耐磨、耐冲击机理分析
高锰钢为至今已使用一百余年的传统耐磨材料，具有极高的冲击韧性（ak>100J）；高铬铸铁是世界上公认的优良耐磨材料，但冲击韧性极低（ak2-7J），稍一撞击即断。ZM-8A-4是在传统高锰钢和高铬铸铁的基础上加以改进提高，通过特殊热处理而得到多元复相组织：奥氏体+马氏体+共晶碳化物（M7C3），属于亚稳定奥氏体向马氏体转变组织（α+ε）。主要化学成分：C≥1.0%，Cr-18.0-26.0%, Mo≤4.0%,（这是保证高耐蚀性和形成高硬度的碳化物Cr7C3、Mo2C所必须的Cr、Mo含量）,Mn≥2.0%, Si≤0.5%,适量添加强碳化物硬质点形成并弥散分布元素和强耐蚀元素W、Ni、Nb、V、Ti、Zr、Cu、B、稀土等，采用自有专利技术——融熔复合双金属衬板铸造工艺，使得其既具有高铬铸铁的高耐磨性（ZM-8A-4热处理硬度HRC55-65），又具有高锰钢的高冲击韧性（非工作面低合金钢ak≥50J，工作面ZM-8A-4 ak≥7-20J,整体冲击ak30-60J），不易断裂，安全可靠。
ZM-8A-4的另一显著特点是其加工硬化速率是高锰钢的2-3倍，可由起始硬度HRC45-52(铸态)迅速提高到冲击后的HRC56-62，即在工作过程中硬度不断升高而耐磨性增强。四.结论：
ZM-8A-4复合双金属衬板在大型湿式磨机中可大幅延长使用寿命，相对于目前的2-3个月提高到6-8个月或一年以上，为高锰钢或中碳中合金钢的3-5倍，价格为中碳中合金钢的1.5-2倍。值得有责任心之有识之士重视和推广应用，必将为企业直接赢得可观的经济效益和社会效益。
江苏首尔特种合金有限公司
高级工程师：杨继坤
2011年10月
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