吉大復試,材料成形原理8

1、材料成形原理材料成型與控制專業(yè) 1、概念： 內應力：熱加工中，工件因經歷加熱與冷卻過程，伴隨熱脹冷縮現(xiàn)象。某些合金發(fā)生相變，也引起收縮和膨脹。從而使工件體積和形態(tài)都發(fā)生變化。若該變化受阻礙，便在工件中產生應力，稱為內應力。 鑄造應力：內應力在鑄造中稱為鑄造應力。 瞬時應力：在加熱冷卻過程中形成的應力稱為瞬時應力。 殘余應力：完全冷卻后殘存在工件中的應力，稱為殘余應力。 2、內應力對工件或結構的質量的影響 （1）應力值超過金屬屈服極限時，工件發(fā)生塑性變形尺寸、形狀發(fā)生變化； （2）應力值超過金屬強度極限時，工件產生裂紋； （3）應力值低于金屬彈性極限時，以殘余應力存在。 3、殘余應力對構件承載能

2、力的影響 當載荷作用方向與構件內應力方向一致時，在內外應力共同作用下超出強度極限導致局部或整體斷裂； 在腐蝕介質中，還會出現(xiàn)應力腐蝕開裂現(xiàn)象。第一節(jié) 內應力 內應力按產生原因分：熱應力、相變應力和機械阻礙應力。 （一）熱應力 工件在受熱及冷卻過程中，由于各部分溫度不同、冷卻速度不同造成工件上同一時刻各部分收縮（或膨脹）量不同，從而導致內部彼此相互制約而產生應力。由于是由熱脹冷縮引起，故稱為熱應力。例：金屬框 若整體均勻加熱和均勻冷卻，不會產生應力； 若只加熱中心桿溫度上升、發(fā)生伸長但會受兩側桿的阻礙受壓縮力作用；兩側桿受中心桿作用受拉伸力作用。 若熱應力較小，低于材料的屈服強度框架內不產生塑性

3、變形溫度均勻化后熱應力消失。例：金屬框 若熱應力較大，超過材料的屈服強度中心桿產生壓縮塑性變形。當溫度下降到原始狀態(tài)時，若中心桿能自由收縮，長度必然比原來的短，縮短量就是壓縮塑性變形量；實際上，受兩側桿阻礙，中心桿不能自由收縮中心桿受拉應力、兩側桿受壓應力形成新的內應力體系殘余應力。 熱應力的表達式： 式中，T溫度增量；E為彈性模量，常量；a為線膨脹系數(shù)，常量。例：厚度不均勻的T字梁桿和桿的冷卻曲線 桿較厚，冷卻前期桿冷速比桿??；因兩桿溫度最終相同，冷卻后期桿冷速比桿大。 桿和桿的收縮率曲線 由于鑄件自由收縮率與溫度成正比，故該曲線外形與冷卻曲線一致。虛線C0C1C2C3為兩桿聯(lián)在一起收縮后的

4、曲線。 （三）相變應力 具有相變的合金，各部分發(fā)生相變先后及程度不同，產生的應力稱為相變應力。 分析厚壁鑄件中的相變應力時，分兩種情況： （1）在冷卻過程中，當鑄件內層處于塑性狀態(tài)時，外層已經開始發(fā)生相變。如果析出的新相體積大于舊相，則鑄件外層發(fā)生膨脹，內層塑性變形，鑄件不會產生相變應力。 鑄件繼續(xù)冷卻，內層也達到彈性狀態(tài)，產生體積膨脹的相變外層發(fā)生彈性拉伸拉應力；內層彈性壓縮壓應力。內層相變應力與熱應力符號相反（內層溫度高，收縮嚴重，被外層阻礙拉應力）。 （2）外層發(fā)生相變時，內層處于彈性狀態(tài)，但內層不發(fā)生相變相當于表面淬火處理。外層發(fā)生相變產生體積膨脹受內層制約壓應力，內層拉應力。內層因外

5、層相變產生的應力與熱應力符號相同（外層激冷，溫度低，內層相對溫度高，繼續(xù)冷卻，內層拉應力）。 綜上所述，鑄件內的應力是熱應力、相變應力及機械阻礙應力的總和，在冷卻過程中的某一瞬時，當局部應力的總和大于金屬在該溫度下的強度極限時，工件就會產生裂紋。 工件中的殘余應力并非是永久性的。經過熱處理，即在一定溫度下經過一定時間后，工件內各部分應力會重新分配或消失。三、減小或消除應力的途徑 （一）合理的結構設計 1、鑄件的壁厚差要盡量減??； 2、厚薄壁連接處要圓滑過渡。 3、鑄件厚壁處砂層要減薄（加大冷速），或放置冷鐵； 4、合理設計澆冒口，盡量使鑄件各部分溫度均勻。 （二）選擇合理的工藝及采用必要的措施

6、 1、澆注鑄件時，在滿足使用要求的前提下，應選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的材料； 2、提高鑄型的預熱溫度有利于減小鑄件各部分的溫差； 3、采用較細的面砂和涂料，可減小鑄件表面的摩擦阻力； 4、控制鑄型和型芯的緊實度、加木屑、焦炭等可提高鑄型及型芯的退讓性； 5、控制鑄件在型內的冷卻時間，不能打箱過早，但為了減小鑄型和型芯的阻力，也不能打箱過遲。 (三)殘余應力的消除 1熱處理法最常用的方法 將工件加熱到塑性狀態(tài)的溫度，并在此溫度下保溫一段時間，利用蠕變產生新的塑性變形，使應力消除。再緩慢冷卻，使厚、薄部位的溫度均勻，而不重新出現(xiàn)應力。 加熱溫度和保溫時間，需根據(jù)材料的性質、工件的結構以及冷卻條件而

7、定。 2自然時效法 將有殘余應力的鑄件放置在露天場地，經數(shù)月乃至半年時間以上，應力慢慢自然消失。 特點：長時間受不斷變化溫度作用，晶格畸變恢復，鑄件變形，應力消除。費用低，但時間太長，效率低，近代很少采用。 3共振法 將鑄件在共振條件下振動10-15min，以達到消除鑄件中殘余應力的目的。 該法與熱處理法相比，設備費用低，花費的時間少，易于操作，而且無氧化皮，不受工件大小尺寸的限制，也不會由于熱處理規(guī)范不當而產生新的內應力或裂紋。第二節(jié) 變形 當工件的形狀尺寸發(fā)生變化與圖樣不符合時，說明工件發(fā)生了變形。若為鑄造所致，被稱為鑄造變形。 當工件在某一溫度下所承受的應力大于該溫度下材料的屈服強度時，

8、工件就會發(fā)生變形，以減小內應力，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。等待工件完全冷卻后，遺留下的變形被稱為殘余變形。 一、變形的種類 (一)整體變形 整體變形是指整個結構形狀和尺寸發(fā)生變化，它是由各個方向收縮而引起的。例：厚薄不均的T字型梁的彎曲變形 因壁薄部分的冷卻較快，壁厚部分的冷卻較慢，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。達到平衡態(tài)時，導致變形的方向為厚的部分向內凹，薄的部分向外凸，如圖中虛線所示。 上圖中I桿厚，桿?。寒攦烧邷囟榷嫉陀趶椥詼囟葧r，由于桿比I桿先冷，所以，當I桿冷至室溫后，I桿的收縮受到桿的限制，而承受拉伸應力，桿承受壓縮應力。故在長度方向，I桿向下凹，而桿向下凸。 下圖中I桿薄，桿厚：其原理如上述，只是I桿與桿

9、的關系相對換。從而，I桿受到壓應力，向上凸， 桿受到拉應力，向上凹。例：機床床身的變形 由于機床床身的導軌面較厚，而側壁較薄，截面形態(tài)如圖a上圖的狀態(tài)。所以，其變形方向是向下凹。例：厚薄均勻的平板鑄件 由于平板中心部分比四周冷卻得慢，以致中心部分產生拉應力(四周約束，無法收縮)，而四周產生壓應力（因受向心力而互相擠壓）。 當平板上下兩面存在溫差時，就可能產生彎曲變形。通常上面的導熱差，冷到室溫的時間較長（收縮時下面不隨著變化），因此平板的變形呈向下凹（從上邊看）的形態(tài)。例：帶輪鑄件的波浪變形 (二)局部變形 局部變形是指結構的某些部分發(fā)生的變形。 帶輪的特點是輪緣和輪輻比輪轂薄，當輪轂進入彈性

10、狀態(tài)時，其收縮受到輪緣和輪輻的阻礙，所以輪轂受拉應力，輪緣受壓應力，輪輻亦受拉應力。二、影響變形的因素 (一)金屬材料的熱物理性能 金屬材料的熱物理性能對變形有一定的影響。 1、材料的線脹系數(shù)越大，則產生的塑性變形越大。冷卻后，縱向和橫向的收縮也越大。如：不銹鋼的線脹系數(shù)比低碳鋼大，因而變形也大。 2、導熱性好的金屬，如鋁及其合金，因其線脹系數(shù)大，且在高溫時的強度較低，變形也大。 (二)工藝因素 在鑄造中，用來制作木模的木料未干燥，或重新吸收水分，以致木模產生變形，從而導致砂型和鑄件產生變形。 模型的剛度不足或強度不夠、模型放置在不平的底板上、上下砂型夾緊不良等均能導致鑄件的變形。 三、防止或

11、減少變形的方法 (一)結構設計方面 結構的設計不僅需要考慮強度、剛度和穩(wěn)定性，而且還需要考慮制造工藝。 在鑄件的結構設計中，可以采用局部加厚、設置拉肋等方法來減小鑄件變形。如帶輪的輪緣厚度比輪轂薄，冷卻后容易向內凹，導致加工余量不足。為此可以在輪緣與輪轂連接處的外圓，進行局部加厚。 鑄件的法蘭部分因收縮受到砂芯或砂型的阻礙而變形，因而可以在該處設置拉肋，阻止法蘭變形。 (二)工藝方面 1、反變形法最常用的方法 反變形法就是根據(jù)結構件變形的情況，預先給出一個方向相反、大小相等的變形，用來抵消結構件在加工過程中產生的變形，使加工后的結構件符合設計要求。 反變形的尺寸、形態(tài)應根據(jù)實測或經驗來確定。

12、2、合理的工藝 （1）加壓鐵 澆注前，可將壓鐵放在砂箱上，以防止鑄件的彎曲變形。 原理：砂箱內鐵液充填時出現(xiàn)浮力，將上砂箱上抬，壓鐵通過鐵墊對浮力產生壓力。這樣，既可避免砂箱上抬時跑鐵液，同時也能防止鑄件的變形。 （2）控制鑄件出型時間 若出型過早，由于溫度高，遇風后各部分的溫差會加劇，而導致變形量增加。若鑄件早出型后立即退火，使鑄件緩慢冷卻，就可減小變形量。 （3）對于半圓形的鑄件可將兩個鑄件連在一起澆注，使柔性結構變?yōu)閯傂越Y構，以防止鑄件的變形。 第三節(jié) 裂紋 一、裂紋的種類 按位置分：表面裂紋和內部裂紋； 按溫度分：熱裂紋和冷裂紋。 二、熱裂紋 液態(tài)成形過程中，在高溫階段產生的開裂現(xiàn)象，

13、多在固相線附近發(fā)生，故稱為“熱裂紋”。 (一)熱裂紋的形成條件及其特征 1熱裂紋的形成條件 條件：高溫階段晶間的延性或塑性變形能力不足以承受當時應力所產生的應變量。 在金屬凝固過程中，存在一個“脆性溫度區(qū)”，它具有最低的延性，受力時易于產生熱裂紋。 2熱裂紋的特征（1）裂口外觀形狀曲折而不規(guī)則；（2）裂口有明顯的氧化色彩；（3）裂口沿晶粒邊界通過。（二）熱裂紋的形成機理 1、強度理論 金屬在固相線上下溫度范圍內延伸率極低，金屬呈脆性斷裂，把該溫度區(qū)間定義為“脆性溫度區(qū)”。熱裂就是在脆性區(qū)內形成的。脆性區(qū)愈大，熱裂越易形成。 鑄件凝固時如能自由收縮，不受外部和內部阻力，即使強度低也不會形成熱裂。

14、 但鑄件凝固收縮時往往受各種阻力，使鑄件內部產生應力。如果應力超過金屬在該溫度的強度，即產生熱裂。 2、液膜理論 當鑄件凝固到固相線附近時，晶體周圍還有少量未凝固的液體，構成一層液膜。 當鑄件收縮因某種原因受到阻礙時，晶體和晶間液膜內將產生應力。 當應力足夠大時，液膜就會開裂，形成晶間裂縫。（三）影響熱裂紋的因素 1、冶金因素對熱裂紋的影響 冶金因素：（1）合金的化學成分；（2）凝固組織形態(tài)。 (1)化學成分 1)合金元素對凝固溫度區(qū)的影響 合金元素既能影響凝固溫度區(qū)的大小，也能影響合金在脆性溫度區(qū)中的塑性。 裂紋傾向的大小是隨凝固溫度區(qū)的增大而增加。 隨著合金元素的增加，凝固溫度區(qū)增大，同時

15、脆性溫度區(qū)的范圍也增大（陰影部分），因此裂紋的傾向也隨之增大。 2)雜質元素的偏析以及偏析產物的形態(tài)對熱裂紋的影響 雜質元素硫和磷在鋼中能形成多種低熔合金，即使微量存在，也會使凝固溫度區(qū)大為增加，在合金凝固過程中極易形成液態(tài)薄膜，顯著增加裂紋傾向。 硫和磷在鋼中還能引起偏析，富集在晶界，增加裂紋傾向。 所以在鑄鋼件中，必須限制S、P的有害作用。 （2）凝固組織形態(tài)對熱裂紋的影響 對于奧氏體鋼，凝固后晶粒的大小、形態(tài)和方向以及析出的初生相等對抗裂性都有很大影響。 晶粒越粗大，方向性越明顯，產生熱裂紋傾向越大。 2、液態(tài)成形工藝因素的影響 （1）鑄型性質的影響 鑄件的凝固收縮受到鑄型和型芯的阻力，

16、鑄型和型芯退讓性好，鑄件受到的阻力小，形成熱裂的可能性也小。 濕型比干型的退讓性好，不易產生熱裂。 鑄型或型芯的退讓性與采用的粘結劑有關。 鑄件表面粘砂將影響鑄件與鑄型表面的相對運動，因而也會影響鑄件收縮，并促使熱裂的形成。 當采用金屬型澆注大的鑄鋁件時，由于鑄件的表面冷卻很快，會形成一層凝固層。同時由于收縮使鑄件表面離開了鑄型壁，在金屬液體靜壓力的作用下，因凝固層強度不足也會形成熱裂。提高金屬型的溫度可以減小熱裂傾向。 （2）澆注條件的影響 1）澆注溫度應根據(jù)鑄件的壁厚來選擇。 薄壁鑄件要求較高的澆注溫度，以利于充填，并使凝固速度緩慢均勻，從而減小熱裂傾向。 厚壁鑄件，澆注溫度過高會增加縮孔

17、容積，減緩冷卻速度，并使初晶粗化，形成偏析，易形成熱裂。 此外，澆注溫度過高易引起鑄件粘砂或與金屬型壁粘合，阻礙鑄件收縮，引起熱裂。 2）澆注速度對熱裂也有影響。 澆注薄壁件時，希望型腔內液面上升速度較快，以防止局部過熱。而對于厚壁鑄件則要求澆注速度盡可能慢一些。 3）澆注時金屬引入鑄型的方法對熱裂也有不可忽視的影響。 一般內澆道附近的溫度較高，冷卻較慢，此處為薄弱環(huán)節(jié)。如能將內澆道分散在幾處引入鑄型，使收縮應力分散，也可以減少熱裂傾向。 （3）鑄件結構的影響 1）當鑄件的厚薄不均時，冷卻速度也不同，薄的部分先凝固，在降到較低溫度時具有較高的強度。當厚的部分凝固時，收縮應力易集中于此處，易出現(xiàn)

18、裂紋。 2）鑄型壁十字交接時，會在該處形成熱節(jié)，并產生應力集中現(xiàn)象，易產生熱裂。 3）澆道開設不當，也會對鑄件的收縮產生阻礙作用，增大鑄件的收縮應力，致使鑄件開裂。大型鑄鋼件尤應注意。（四）防止熱裂紋的措施 (1)化學成分的控制 1)在不影響鑄件使用性能的前提下，適當調整合金的化學成分，減小合金的凝固溫度范圍。 2)對合金進行微合金化和變質處理。以細化晶粒，減少非金屬夾雜，及改變夾雜物的形態(tài)和分布。 3)改進鑄鋼的脫氧工藝，提高脫氧效果，以減少晶界的氧化物夾雜，減小熱裂傾向。 4)用合成渣處理鋼液，降低鋼中的硫含量。 (2)調整工藝 1)減小鑄件的收縮應力，如增加鑄件和型芯的退讓性，預熱鑄型，在鑄型和型芯表面刷涂料等方法，可降低熱裂傾向。 2)改進澆注方法，設置合理的澆道數(shù)量，控制澆注速度等，以控制鑄件的冷速，使鑄件各部分溫度相對均勻。 3)設計合理的鑄件結構，避免直角或十字交叉的截面。在必要時需設置防裂肋，在兩壁相