材料成型第一章

1、 聯(lián)系電話：聯(lián)系電話：1301729712413017297124很高興和大家成為朋友，歡迎批評指正！機械制造過程為例機械制造過程為例: :工程材料工程材料毛坯件毛坯件產(chǎn)品零件產(chǎn)品零件組部件組部件機械產(chǎn)品機械產(chǎn)品液態(tài)成形液態(tài)成形塑性成形塑性成形焊接成形焊接成形其他成形其他成形1工程材料工程材料2金屬液態(tài)成形金屬液態(tài)成形3金屬塑性成形金屬塑性成形4材料焊接成形材料焊接成形材料成型工藝材料成型工藝5其它材料成形其它材料成形講課內(nèi)容簡介：講課內(nèi)容簡介： 精簡傳統(tǒng)材料加工的內(nèi)容、擴大知識面、精簡傳統(tǒng)材料加工的內(nèi)容、擴大知識面、加強新工藝和新技術(shù)、突出工藝分析和工藝設(shè)加強新工藝和新技術(shù)、突出工藝分析和工

2、藝設(shè)計能力為指導(dǎo)思想。盡可能用大量的圖表論述計能力為指導(dǎo)思想。盡可能用大量的圖表論述工藝原理和工藝過程，按照材料成形的特點，工藝原理和工藝過程，按照材料成形的特點，將成形工藝系統(tǒng)化為將成形工藝系統(tǒng)化為液態(tài)成形、固態(tài)塑性成形、液態(tài)成形、固態(tài)塑性成形、焊接成形焊接成形和其他材料成形。和其他材料成形。 1 1、課程目標、課程目標 本課程主要本課程主要研究材料獲得設(shè)計形狀的工藝過程原理研究材料獲得設(shè)計形狀的工藝過程原理，包括包括材料本身的工藝性能材料本身的工藝性能，零件結(jié)構(gòu)的工藝性零件結(jié)構(gòu)的工藝性及及工藝設(shè)工藝設(shè)計的一般原理和方法計的一般原理和方法。 2 2、性質(zhì)、性質(zhì) 本課程為機類技術(shù)基礎(chǔ)課，是機類

3、專業(yè)的一門學(xué)位課本課程為機類技術(shù)基礎(chǔ)課，是機類專業(yè)的一門學(xué)位課和必修課。和必修課。3 3、學(xué)習方法、學(xué)習方法 教學(xué)方法主要采用教學(xué)方法主要采用課堂引導(dǎo)性講課課堂引導(dǎo)性講課+ +自學(xué)小結(jié)自學(xué)小結(jié)+ +課堂討課堂討論論等方式進行教學(xué)。等方式進行教學(xué)。4 4、成績評定、成績評定 課堂討論與平時課堂討論與平時20%20%、考試、考試80%.80%. 金屬液態(tài)成形金屬液態(tài)成形( (鑄造鑄造) 10 ) 10 學(xué)時學(xué)時 金屬塑性成形金屬塑性成形( (鍛造、沖壓鍛造、沖壓) 6 ) 6 學(xué)時學(xué)時 金屬連接成形金屬連接成形( (焊接）焊接） 6 6 學(xué)時學(xué)時 復(fù)習與答疑復(fù)習與答疑 2 2 學(xué)時學(xué)時 合計：合計

4、： 24 24 學(xué)時學(xué)時 金屬的液態(tài)成形金屬的液態(tài)成形2.12.1金屬液態(tài)成形工藝基礎(chǔ)金屬液態(tài)成形工藝基礎(chǔ)2.22.2金屬的液態(tài)成形工藝金屬的液態(tài)成形工藝2.32.3液態(tài)成形金屬件的工藝設(shè)計液態(tài)成形金屬件的工藝設(shè)計2.42.4液態(tài)金屬成形件的結(jié)構(gòu)設(shè)計液態(tài)金屬成形件的結(jié)構(gòu)設(shè)計l將金屬液澆注到與零件形狀、尺寸基本一致的型腔中，靠其將金屬液澆注到與零件形狀、尺寸基本一致的型腔中，靠其l自身的流動性充填自身的流動性充填型腔，待其結(jié)晶凝固、冷卻后，通過清理型腔，待其結(jié)晶凝固、冷卻后，通過清理l而得到鑄件的一種加工方法。而得到鑄件的一種加工方法。澆注系統(tǒng)上砂箱下砂箱型腔型砂什么是什么是金屬的液態(tài)成形金屬的

5、液態(tài)成形: : 適于做適于做復(fù)雜外形或內(nèi)腔的復(fù)雜外形或內(nèi)腔的毛坯毛坯對材料的適應(yīng)性廣，鑄件對材料的適應(yīng)性廣，鑄件的大小幾乎不受限制的大小幾乎不受限制成本低，原材料來源廣泛，成本低，原材料來源廣泛， 價格低廉價格低廉,一般不需要昂一般不需要昂貴的設(shè)備貴的設(shè)備是制造某些塑性很差的材是制造某些塑性很差的材料料(如鑄鐵等如鑄鐵等)其毛坯的唯其毛坯的唯一成型工藝一成型工藝液態(tài)成形液態(tài)成形優(yōu)優(yōu) 點點工藝過程比較復(fù)雜，一些工藝工藝過程比較復(fù)雜，一些工藝過程還難以控制過程還難以控制液態(tài)成形制件內(nèi)部組織均勻性、致液態(tài)成形制件內(nèi)部組織均勻性、致密性一般較差密性一般較差液態(tài)成形制件易出現(xiàn)鑄造缺陷液態(tài)成形制件易出現(xiàn)鑄

6、造缺陷(縮縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、夾孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、夾砂、裂紋等砂、裂紋等)，產(chǎn)品，產(chǎn)品 質(zhì)量不夠穩(wěn)定質(zhì)量不夠穩(wěn)定液態(tài)成形制件力學(xué)性能低于同類材液態(tài)成形制件力學(xué)性能低于同類材料鍛件性能料鍛件性能液態(tài)成形液態(tài)成形缺缺 點點液態(tài)合金的工藝性能表征為液態(tài)合金的液態(tài)合金的工藝性能表征為液態(tài)合金的鑄造性能鑄造性能通常是指合金的通常是指合金的流動性流動性、收縮性收縮性等性等性能能合金合金鑄造性能鑄造性能是是選擇鑄造金屬材料選擇鑄造金屬材料，確定鑄件的確定鑄件的鑄造工藝方案鑄造工藝方案及進行及進行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計的的依據(jù)依據(jù)液態(tài)金屬液態(tài)金屬充滿鑄型型腔充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確獲得

7、尺寸精確、輪廓清晰輪廓清晰的成型件的能力的成型件的能力充型能力充型能力的概念的概念:充型能力不足充型能力不足澆不足澆不足冷冷 隔隔夾夾 砂砂氣氣 孔孔夾夾 渣渣返回返回返回返回充型能力的決充型能力的決定因素定因素合金的流動性合金的流動性澆注條件澆注條件鑄型充填條件鑄型充填條件鑄件結(jié)構(gòu)鑄件結(jié)構(gòu)流動性好，充型能力強,鑄件表面質(zhì)量,形狀和尺寸精度高;流動性差，鑄件容易產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。合金流動性的測定衡量指標：通常用螺旋試樣的長度.*鑄鐵的流動性鑄鐵的流動性*鑄鋼的流動性鑄鋼的流動性實驗證明鑄鐵的流動性好，鑄鋼的流動性差。實驗證明鑄鐵的流動性好，鑄鋼的流動性差。比較下面幾種合金流動性能比較下面

8、幾種合金流動性能澆注澆注條件條件澆注溫度澆注溫度充型壓力充型壓力澆注系統(tǒng)澆注系統(tǒng)澆注溫度越高，液態(tài)金屬的粘度越小，澆注溫度越高，液態(tài)金屬的粘度越小，過熱度高，金屬液內(nèi)含熱過熱度高，金屬液內(nèi)含熱 量多，保持量多，保持液態(tài)的時間長，充型液態(tài)的時間長，充型 能力強。能力強。液態(tài)金屬在流動方向上所受的壓力稱為液態(tài)金屬在流動方向上所受的壓力稱為充型壓力。充型壓力越大充型壓力。充型壓力越大, 充型能力越充型能力越強。強。澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則流動澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則流動 阻力越大，充型能力越差。阻力越大，充型能力越差。鑄型溫度鑄型溫度(不能過高不能過高)鑄型蓄熱系數(shù)鑄型蓄熱系數(shù):即從金屬中吸取熱量即

9、從金屬中吸取熱量并儲存的能力并儲存的能力鑄型的發(fā)氣和鑄型的發(fā)氣和透氣能力：透氣能力：澆鑄時產(chǎn)生氣體澆鑄時產(chǎn)生氣體能在金屬液與鑄型間形成氣膜，能在金屬液與鑄型間形成氣膜，減小摩擦阻力，有利于充型。減小摩擦阻力，有利于充型。但發(fā)氣能力過強但發(fā)氣能力過強,透氣能力又差時透氣能力又差時,若澆鑄速度太快若澆鑄速度太快,則型腔中的氣體壓力增大，則型腔中的氣體壓力增大，充型能力減弱。充型能力減弱。 折算厚度：折算厚度： 折算厚度也叫當量厚度折算厚度也叫當量厚度或模數(shù)或模數(shù),是鑄件體積與鑄件是鑄件體積與鑄件表面積之比。折算厚度越表面積之比。折算厚度越大，熱量散失越慢，充型大，熱量散失越慢，充型能力就越好。鑄件

10、壁厚相能力就越好。鑄件壁厚相同時，垂直壁比水平壁更同時，垂直壁比水平壁更容易充填容易充填.(大平面鑄件不易大平面鑄件不易成形成形)復(fù)雜程度：復(fù)雜程度： 鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動阻力就越大，鑄型的動阻力就越大，鑄型的充填就越困難。充填就越困難。 鑄件的凝固過程鑄件的凝固過程： 在鑄件的凝固過程中，其截面一般存在三個區(qū)域，即在鑄件的凝固過程中，其截面一般存在三個區(qū)域，即液液相區(qū)相區(qū)、凝固區(qū)凝固區(qū)、固相區(qū)固相區(qū)。對。對鑄件質(zhì)量影響較大鑄件質(zhì)量影響較大的主要是液的主要是液相和固相并存的相和固相并存的凝固區(qū)的寬窄凝固區(qū)的寬窄。鑄件的凝固方式就是依據(jù)。鑄件的凝固方式就是依據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分

11、的。凝固區(qū)的寬窄來劃分的。 凝固方式有：凝固方式有： 逐層凝固逐層凝固,中間凝固中間凝固, 糊狀凝固糊狀凝固.*合金的結(jié)晶溫度范圍：合金的結(jié)晶溫度范圍： 合金的結(jié)晶溫度范圍合金的結(jié)晶溫度范圍越小越小，凝固區(qū)域，凝固區(qū)域越越 窄窄，越趨向于，越趨向于逐層凝固逐層凝固。在鐵碳合金中普通。在鐵碳合金中普通 灰鑄鐵為逐層凝固，高碳鋼為糊狀凝固?；诣T鐵為逐層凝固，高碳鋼為糊狀凝固。*鑄件的溫度梯度：鑄件的溫度梯度： 在合金在合金結(jié)晶溫度范圍已定結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，的前提下，凝凝 固區(qū)的寬窄取決于鑄件內(nèi)外層之間的溫度差固區(qū)的寬窄取決于鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。 若鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小變大，則其若

12、鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小變大，則其 凝固區(qū)相應(yīng)由寬變窄。凝固區(qū)相應(yīng)由寬變窄。 合金的收縮的過程合金的收縮的過程: 合金從液態(tài)冷卻至室溫的過程中，其體積或尺寸縮減的合金從液態(tài)冷卻至室溫的過程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。合金收縮的三個階段合金收縮的三個階段 液態(tài)合金收縮過程三個階段： 液態(tài)收縮； 凝固收縮（又稱體收縮） ；固態(tài)收縮（又稱線收縮）。液態(tài)收縮：液態(tài)溫度的降低造成的體積收縮（體收縮）；凝固收縮：從凝固開始到終至過程的體積收縮（體收縮）；固態(tài)收縮：從凝固終至到室溫的體積收縮（線收縮）；體收縮：易造成鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷；線收縮：易造成鑄件產(chǎn)生變形、裂紋等缺陷。鑄型條件鑄型條件鑄

13、件結(jié)構(gòu)鑄件結(jié)構(gòu)澆注溫度澆注溫度化學(xué)成分化學(xué)成分(c含量含量)合金收縮合金收縮 縮孔與縮松縮孔與縮松 液態(tài)合金在結(jié)晶過程中液態(tài)合金在結(jié)晶過程中, ,如其如其液態(tài)收縮和凝固收液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的容積得不到補充縮所縮減的容積得不到補充, ,則在鑄件的則在鑄件的最后凝固的最后凝固的部位形成一些孔洞部位形成一些孔洞. . 大而集中的稱為大而集中的稱為縮孔縮孔, ,細小而分散的稱為細小而分散的稱為縮松縮松. . 縮孔的形成: 純金屬、共晶成分和凝固溫度范圍窄的純金屬、共晶成分和凝固溫度范圍窄的 合金合金,澆注后在型腔內(nèi)是由表及里的澆注后在型腔內(nèi)是由表及里的逐層凝逐層凝 固固。在凝固過程中，如得不到合

14、金液的補充，。在凝固過程中，如得不到合金液的補充， 在鑄件最后凝固的地方就會產(chǎn)生縮孔在鑄件最后凝固的地方就會產(chǎn)生縮孔.縮孔縮孔：集中性。位于上部，呈倒錐形，內(nèi)表：集中性。位于上部，呈倒錐形，內(nèi)表面粗糙。面粗糙。A等溫線法等溫線法 B內(nèi)截圓法內(nèi)截圓法縮松的形成原因縮松的形成原因: 鑄件最后凝固的鑄件最后凝固的收縮未能得到補足收縮未能得到補足，或者，或者結(jié)晶溫度范圍結(jié)晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固寬的合金呈糊狀凝固，凝固區(qū)域較寬，液、固兩相共存，樹，凝固區(qū)域較寬，液、固兩相共存，樹枝晶發(fā)達，枝晶骨架將合金液分割開的小液體區(qū)難以得到補枝晶發(fā)達，枝晶骨架將合金液分割開的小液體區(qū)難以得到補縮所致?？s所致。

15、 縮松縮松：分散性。為細小縮孔，位于鑄件壁的軸線區(qū)域。：分散性。為細小縮孔，位于鑄件壁的軸線區(qū)域。鑄件壁的軸線區(qū)域鑄件壁的軸線區(qū)域, ,熱節(jié)處熱節(jié)處, ,冒口根部和內(nèi)澆口冒口根部和內(nèi)澆口附近附近, ,也常分布在集中縮孔的下方也常分布在集中縮孔的下方. .定向凝固原則定向凝固原則是鑄件讓遠離冒口的地方先凝是鑄件讓遠離冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝固，固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固。實現(xiàn)最后才是冒口本身凝固。實現(xiàn)以厚補薄，將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口以厚補薄，將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中去中去,最后切除冒口。最后切除冒口。其實質(zhì)是其實質(zhì)是保證鑄件在整個凝固過程中，保證鑄件在整個凝固過程中，始終存在

16、著和冒口連通的始終存在著和冒口連通的“補補縮通道縮通道”，使冒口能發(fā)揮補縮，使冒口能發(fā)揮補縮作用作用。原理原理合理布置內(nèi)澆道及確定澆鑄工藝。合理布置內(nèi)澆道及確定澆鑄工藝。方法方法合理應(yīng)用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施。合理應(yīng)用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施。內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力熱應(yīng)力機械應(yīng)力機械應(yīng)力變形變形裂紋裂紋鑄件在鑄件在液態(tài)冷卻和凝固液態(tài)冷卻和凝固的過程中，由于的過程中，由于鑄件的壁厚不均勻，各部分冷卻速度不鑄件的壁厚不均勻，各部分冷卻速度不同同,在同一時期內(nèi)在同一時期內(nèi),導(dǎo)致鑄件不同部位不導(dǎo)致鑄件不同部位不均衡的收縮而引起的應(yīng)力。均衡的收縮而引起的應(yīng)力。鑄件在鑄件在固態(tài)收縮固態(tài)收縮時，因受到鑄型

17、、型時，因受到鑄型、型芯、澆冒口、砂箱等外力阻礙而產(chǎn)生芯、澆冒口、砂箱等外力阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。的應(yīng)力。殘余殘余熱應(yīng)力熱應(yīng)力的存在，使鑄件處在一種非穩(wěn)定的存在，使鑄件處在一種非穩(wěn)定狀態(tài)，將自發(fā)地狀態(tài)，將自發(fā)地通過鑄件的變形來緩解通過鑄件的變形來緩解其應(yīng)其應(yīng)力，以回到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。力，以回到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。當應(yīng)力當應(yīng)力大到大到一定程度一定程度,即即金屬的強度極限金屬的強度極限時時,會導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋。會導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋。 機械應(yīng)力機械應(yīng)力：合金的收縮受到鑄型：合金的收縮受到鑄型,型芯型芯,澆冒口系統(tǒng)的機械澆冒口系統(tǒng)的機械阻礙阻礙,形成了內(nèi)應(yīng)力形成了內(nèi)應(yīng)力. 應(yīng)適時開箱加以解決應(yīng)適時開箱加以解決。（以框型

18、鑄件為例）（以框型鑄件為例）凝固開始（高溫階段）（凝固開始（高溫階段）（塑性態(tài)塑性態(tài)）：產(chǎn)生的瞬時內(nèi)應(yīng)力通過塑性變形自行消失；）：產(chǎn)生的瞬時內(nèi)應(yīng)力通過塑性變形自行消失；繼續(xù)冷卻）（繼續(xù)冷卻）（塑、彈性態(tài)塑、彈性態(tài)） ：厚桿受壓，薄桿受拉；瞬時內(nèi)應(yīng)力通過厚桿塑性：厚桿受壓，薄桿受拉；瞬時內(nèi)應(yīng)力通過厚桿塑性 變形自行消失；變形自行消失；冷卻至室溫冷卻至室溫( (彈性態(tài)彈性態(tài)) )：厚桿受拉，薄桿受壓；內(nèi)應(yīng)力無法通過塑性變形自行消失；：厚桿受拉，薄桿受壓；內(nèi)應(yīng)力無法通過塑性變形自行消失；最終變形結(jié)果：厚桿受拉，薄桿受壓。最終變形結(jié)果：厚桿受拉，薄桿受壓。 熱應(yīng)力分布規(guī)律：厚部熱應(yīng)力分布規(guī)律：厚部拉應(yīng)

19、力；拉應(yīng)力； 薄部薄部壓應(yīng)力。壓應(yīng)力。 塑性態(tài)塑性態(tài) 塑、彈性態(tài)（瞬時內(nèi)應(yīng)力）塑、彈性態(tài)（內(nèi)應(yīng)力消失）塑、彈性態(tài)（瞬時內(nèi)應(yīng)力）塑、彈性態(tài)（內(nèi)應(yīng)力消失） 彈性態(tài)（應(yīng)力）彈性態(tài)（應(yīng)力）鑄件的結(jié)構(gòu)：鑄件的結(jié)構(gòu)：鑄件各部分能自由收縮鑄件各部分能自由收縮 工藝方面：工藝方面：采用同時凝固原則采用同時凝固原則時效處理：時效處理：人工時效；自然時效人工時效；自然時效鑄件的結(jié)構(gòu)盡可能對稱鑄件的結(jié)構(gòu)盡可能對稱鑄件的壁厚盡可能均勻鑄件的壁厚盡可能均勻結(jié)論：結(jié)論：厚部、心部厚部、心部受拉應(yīng)受拉應(yīng)力，出現(xiàn)內(nèi)力，出現(xiàn)內(nèi)凹變形凹變形。薄部、表面薄部、表面受壓應(yīng)受壓應(yīng)力，出現(xiàn)力，出現(xiàn)外凸變形外凸變形。 防止變形的方法防止變

20、形的方法：與防止應(yīng)力的方法基本相同。帶有殘與防止應(yīng)力的方法基本相同。帶有殘余應(yīng)力的鑄件，變形使殘余應(yīng)力減小而趨于穩(wěn)定。即余應(yīng)力的鑄件，變形使殘余應(yīng)力減小而趨于穩(wěn)定。即反變形反變形法法.l形成原因：內(nèi)應(yīng)力超過金屬的強度極限時，便產(chǎn)生了形成原因：內(nèi)應(yīng)力超過金屬的強度極限時，便產(chǎn)生了裂紋；裂紋；l分類：熱裂和冷裂；分類：熱裂和冷裂；l熱裂紋：在合金凝固后期的高溫下形成的；熱裂紋：在合金凝固后期的高溫下形成的； 凝固后期凝固后期,結(jié)晶出來的固態(tài)物質(zhì)已經(jīng)結(jié)晶出來的固態(tài)物質(zhì)已經(jīng)形成了完整形成了完整的骨架的骨架,開始了線收縮開始了線收縮,但但晶粒間還存在少量液體晶粒間還存在少量液體,金屬金屬高溫強度很低高溫強度很低,當當機械應(yīng)力機械應(yīng)力超過了其高溫強度超過了其高溫強度時時,便發(fā)生便發(fā)生熱裂熱裂;l冷裂紋：較低溫度下，由于冷裂紋：較低溫度下，由于熱應(yīng)力、收縮應(yīng)力綜合作熱應(yīng)力、收縮應(yīng)力綜合作用用，鑄件內(nèi)應(yīng)力超過強度極限產(chǎn)生。，鑄件內(nèi)應(yīng)力超過強度極限產(chǎn)生。 冷裂多出現(xiàn)在鑄件受冷裂多出現(xiàn)在鑄件受拉應(yīng)力的部位拉應(yīng)力的部位,尤其尤其應(yīng)力集應(yīng)力集中處中處; 裂紋的預(yù)防裂紋