材料成型第一章

1、 联系电话：联系电话：1301729712413017297124很高兴和大家成为朋友，欢迎批评指正！机械制造过程为例机械制造过程为例: :工程材料工程材料毛坯件毛坯件产品零件产品零件组部件组部件机械产品机械产品液态成形液态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金属液态成形金属液态成形3金属塑性成形金属塑性成形4材料焊接成形材料焊接成形材料成型工艺材料成型工艺5其它材料成形其它材料成形讲课内容简介：讲课内容简介： 精简传统材料加工的内容、扩大知识面、精简传统材料加工的内容、扩大知识面、加强新工艺和新技术、突出工艺分析和工艺设加强新工艺和新技术、突出工艺分析和工

2、艺设计能力为指导思想。尽可能用大量的图表论述计能力为指导思想。尽可能用大量的图表论述工艺原理和工艺过程，按照材料成形的特点，工艺原理和工艺过程，按照材料成形的特点，将成形工艺系统化为将成形工艺系统化为液态成形、固态塑性成形、液态成形、固态塑性成形、焊接成形焊接成形和其他材料成形。和其他材料成形。 1 1、课程目标、课程目标 本课程主要本课程主要研究材料获得设计形状的工艺过程原理研究材料获得设计形状的工艺过程原理，包括包括材料本身的工艺性能材料本身的工艺性能，零件结构的工艺性零件结构的工艺性及及工艺设工艺设计的一般原理和方法计的一般原理和方法。 2 2、性质、性质 本课程为机类技术基础课，是机类

3、专业的一门学位课本课程为机类技术基础课，是机类专业的一门学位课和必修课。和必修课。3 3、学习方法、学习方法 教学方法主要采用教学方法主要采用课堂引导性讲课课堂引导性讲课+ +自学小结自学小结+ +课堂讨课堂讨论论等方式进行教学。等方式进行教学。4 4、成绩评定、成绩评定 课堂讨论与平时课堂讨论与平时20%20%、考试、考试80%.80%. 金属液态成形金属液态成形( (铸造铸造) 10 ) 10 学时学时 金属塑性成形金属塑性成形( (锻造、冲压锻造、冲压) 6 ) 6 学时学时 金属连接成形金属连接成形( (焊接）焊接） 6 6 学时学时 复习与答疑复习与答疑 2 2 学时学时 合计：合计

4、： 24 24 学时学时 金属的液态成形金属的液态成形2.12.1金属液态成形工艺基础金属液态成形工艺基础2.22.2金属的液态成形工艺金属的液态成形工艺2.32.3液态成形金属件的工艺设计液态成形金属件的工艺设计2.42.4液态金属成形件的结构设计液态金属成形件的结构设计l将金属液浇注到与零件形状、尺寸基本一致的型腔中，靠其将金属液浇注到与零件形状、尺寸基本一致的型腔中，靠其l自身的流动性充填自身的流动性充填型腔，待其结晶凝固、冷却后，通过清理型腔，待其结晶凝固、冷却后，通过清理l而得到铸件的一种加工方法。而得到铸件的一种加工方法。浇注系统上砂箱下砂箱型腔型砂什么是什么是金属的液态成形金属的

5、液态成形: : 适于做适于做复杂外形或内腔的复杂外形或内腔的毛坯毛坯对材料的适应性广，铸件对材料的适应性广，铸件的大小几乎不受限制的大小几乎不受限制成本低，原材料来源广泛，成本低，原材料来源广泛， 价格低廉价格低廉,一般不需要昂一般不需要昂贵的设备贵的设备是制造某些塑性很差的材是制造某些塑性很差的材料料(如铸铁等如铸铁等)其毛坯的唯其毛坯的唯一成型工艺一成型工艺液态成形液态成形优优 点点工艺过程比较复杂，一些工艺工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制过程还难以控制液态成形制件内部组织均匀性、致液态成形制件内部组织均匀性、致密性一般较差密性一般较差液态成形制件易出现铸造缺陷液态成形制件易出现铸

6、造缺陷(缩缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等砂、裂纹等)，产品，产品 质量不够稳定质量不够稳定液态成形制件力学性能低于同类材液态成形制件力学性能低于同类材料锻件性能料锻件性能液态成形液态成形缺缺 点点液态合金的工艺性能表征为液态合金的液态合金的工艺性能表征为液态合金的铸造性能铸造性能通常是指合金的通常是指合金的流动性流动性、收缩性收缩性等性等性能能合金合金铸造性能铸造性能是是选择铸造金属材料选择铸造金属材料，确定铸件的确定铸件的铸造工艺方案铸造工艺方案及进行及进行铸件结构设计铸件结构设计的的依据依据液态金属液态金属充满铸型型腔充满铸型型腔，获得尺寸精确获得

7、尺寸精确、轮廓清晰轮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浇不足浇不足冷冷 隔隔夹夹 砂砂气气 孔孔夹夹 渣渣返回返回返回返回充型能力的决充型能力的决定因素定因素合金的流动性合金的流动性浇注条件浇注条件铸型充填条件铸型充填条件铸件结构铸件结构流动性好，充型能力强,铸件表面质量,形状和尺寸精度高;流动性差，铸件容易产生浇不足、冷隔等缺陷。合金流动性的测定衡量指标：通常用螺旋试样的长度.*铸铁的流动性铸铁的流动性*铸钢的流动性铸钢的流动性实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。比较下面几种合金流动性能比较下面

8、几种合金流动性能浇注浇注条件条件浇注温度浇注温度充型压力充型压力浇注系统浇注系统浇注温度越高，液态金属的粘度越小，浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度高，金属液内含热过热度高，金属液内含热 量多，保持量多，保持液态的时间长，充型液态的时间长，充型 能力强。能力强。液态金属在流动方向上所受的压力称为液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大充型压力。充型压力越大, 充型能力越充型能力越强。强。浇注系统的结构越复杂，则流动浇注系统的结构越复杂，则流动 阻力越大，充型能力越差。阻力越大，充型能力越差。铸型温度铸型温度(不能过高不能过高)铸型蓄热系数铸型蓄热系数:即从金属中吸取热量即

9、从金属中吸取热量并储存的能力并储存的能力铸型的发气和铸型的发气和透气能力：透气能力：浇铸时产生气体浇铸时产生气体能在金属液与铸型间形成气膜，能在金属液与铸型间形成气膜，减小摩擦阻力，有利于充型。减小摩擦阻力，有利于充型。但发气能力过强但发气能力过强,透气能力又差时透气能力又差时,若浇铸速度太快若浇铸速度太快,则型腔中的气体压力增大，则型腔中的气体压力增大，充型能力减弱。充型能力减弱。 折算厚度：折算厚度： 折算厚度也叫当量厚度折算厚度也叫当量厚度或模数或模数,是铸件体积与铸件是铸件体积与铸件表面积之比。折算厚度越表面积之比。折算厚度越大，热量散失越慢，充型大，热量散失越慢，充型能力就越好。铸件

10、壁厚相能力就越好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更同时，垂直壁比水平壁更容易充填容易充填.(大平面铸件不易大平面铸件不易成形成形)复杂程度：复杂程度： 铸件结构越复杂，流铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的动阻力就越大，铸型的充填就越困难。充填就越困难。 铸件的凝固过程铸件的凝固过程： 在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域，即在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域，即液液相区相区、凝固区凝固区、固相区固相区。对。对铸件质量影响较大铸件质量影响较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区的宽窄凝固区的宽窄。铸件的凝固方式就是依据。铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分

11、的。凝固区的宽窄来划分的。 凝固方式有：凝固方式有： 逐层凝固逐层凝固,中间凝固中间凝固, 糊状凝固糊状凝固.*合金的结晶温度范围：合金的结晶温度范围： 合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围越小越小，凝固区域，凝固区域越越 窄窄，越趋向于，越趋向于逐层凝固逐层凝固。在铁碳合金中普通。在铁碳合金中普通 灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。*铸件的温度梯度：铸件的温度梯度： 在合金在合金结晶温度范围已定结晶温度范围已定的前提下，的前提下，凝凝 固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差。 若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其若

12、铸件内外层之间的温度差由小变大，则其 凝固区相应由宽变窄。凝固区相应由宽变窄。 合金的收缩的过程合金的收缩的过程: 合金从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的合金从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。现象。合金收缩的三个阶段合金收缩的三个阶段 液态合金收缩过程三个阶段： 液态收缩； 凝固收缩（又称体收缩） ；固态收缩（又称线收缩）。液态收缩：液态温度的降低造成的体积收缩（体收缩）；凝固收缩：从凝固开始到终至过程的体积收缩（体收缩）；固态收缩：从凝固终至到室温的体积收缩（线收缩）；体收缩：易造成铸件产生缩孔、缩松等缺陷；线收缩：易造成铸件产生变形、裂纹等缺陷。铸型条件铸型条件铸

13、件结构铸件结构浇注温度浇注温度化学成分化学成分(c含量含量)合金收缩合金收缩 缩孔与缩松缩孔与缩松 液态合金在结晶过程中液态合金在结晶过程中, ,如其如其液态收缩和凝固收液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充缩所缩减的容积得不到补充, ,则在铸件的则在铸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. . 大而集中的称为大而集中的称为缩孔缩孔, ,细小而分散的称为细小而分散的称为缩松缩松. . 缩孔的形成: 纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的 合金合金,浇注后在型腔内是由表及里的浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝逐层凝 固固。在凝固过程中，如得不到合

14、金液的补充，。在凝固过程中，如得不到合金液的补充， 在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔.缩孔缩孔：集中性。位于上部，呈倒锥形，内表：集中性。位于上部，呈倒锥形，内表面粗糙。面粗糙。A等温线法等温线法 B内截圆法内截圆法缩松的形成原因缩松的形成原因: 铸件最后凝固的铸件最后凝固的收缩未能得到补足收缩未能得到补足，或者，或者结晶温度范围结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。缩所致。

15、 缩松缩松：分散性。为细小缩孔，位于铸件壁的轴线区域。：分散性。为细小缩孔，位于铸件壁的轴线区域。铸件壁的轴线区域铸件壁的轴线区域, ,热节处热节处, ,冒口根部和内浇口冒口根部和内浇口附近附近, ,也常分布在集中缩孔的下方也常分布在集中缩孔的下方. .定向凝固原则定向凝固原则是铸件让远离冒口的地方先凝是铸件让远离冒口的地方先凝固，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。实现最后才是冒口本身凝固。实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去中去,最后切除冒口。最后切除冒口。其实质是其实质是保证铸件在整个凝固过程中，保证铸件在整个凝固过程中，始终存在

16、着和冒口连通的始终存在着和冒口连通的“补补缩通道缩通道”，使冒口能发挥补缩，使冒口能发挥补缩作用作用。原理原理合理布置内浇道及确定浇铸工艺。合理布置内浇道及确定浇铸工艺。方法方法合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。内应力内应力热应力热应力机械应力机械应力变形变形裂纹裂纹铸件在铸件在液态冷却和凝固液态冷却和凝固的过程中，由于的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，各部分冷却速度不铸件的壁厚不均匀，各部分冷却速度不同同,在同一时期内在同一时期内,导致铸件不同部位不导致铸件不同部位不均衡的收缩而引起的应力。均衡的收缩而引起的应力。铸件在铸件在固态收缩固态收缩时，因受到铸型

17、、型时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。的应力。残余残余热应力热应力的存在，使铸件处在一种非稳定的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地状态，将自发地通过铸件的变形来缓解通过铸件的变形来缓解其应其应力，以回到稳定的平衡状态。力，以回到稳定的平衡状态。当应力当应力大到大到一定程度一定程度,即即金属的强度极限金属的强度极限时时,会导致出现裂纹。会导致出现裂纹。 机械应力机械应力：合金的收缩受到铸型：合金的收缩受到铸型,型芯型芯,浇冒口系统的机械浇冒口系统的机械阻碍阻碍,形成了内应力形成了内应力. 应适时开箱加以解决应适时开箱加以解决。（以框型

18、铸件为例）（以框型铸件为例）凝固开始（高温阶段）（凝固开始（高温阶段）（塑性态塑性态）：产生的瞬时内应力通过塑性变形自行消失；）：产生的瞬时内应力通过塑性变形自行消失；继续冷却）（继续冷却）（塑、弹性态塑、弹性态） ：厚杆受压，薄杆受拉；瞬时内应力通过厚杆塑性：厚杆受压，薄杆受拉；瞬时内应力通过厚杆塑性 变形自行消失；变形自行消失；冷却至室温冷却至室温( (弹性态弹性态) )：厚杆受拉，薄杆受压；内应力无法通过塑性变形自行消失；：厚杆受拉，薄杆受压；内应力无法通过塑性变形自行消失；最终变形结果：厚杆受拉，薄杆受压。最终变形结果：厚杆受拉，薄杆受压。 热应力分布规律：厚部热应力分布规律：厚部拉应

19、力；拉应力； 薄部薄部压应力。压应力。 塑性态塑性态 塑、弹性态（瞬时内应力）塑、弹性态（内应力消失）塑、弹性态（瞬时内应力）塑、弹性态（内应力消失） 弹性态（应力）弹性态（应力）铸件的结构：铸件的结构：铸件各部分能自由收缩铸件各部分能自由收缩 工艺方面：工艺方面：采用同时凝固原则采用同时凝固原则时效处理：时效处理：人工时效；自然时效人工时效；自然时效铸件的结构尽可能对称铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀铸件的壁厚尽可能均匀结论：结论：厚部、心部厚部、心部受拉应受拉应力，出现内力，出现内凹变形凹变形。薄部、表面薄部、表面受压应受压应力，出现力，出现外凸变形外凸变形。 防止变形的方法防止变

20、形的方法：与防止应力的方法基本相同。带有残与防止应力的方法基本相同。带有残余应力的铸件，变形使残余应力减小而趋于稳定。即余应力的铸件，变形使残余应力减小而趋于稳定。即反变形反变形法法.l形成原因：内应力超过金属的强度极限时，便产生了形成原因：内应力超过金属的强度极限时，便产生了裂纹；裂纹；l分类：热裂和冷裂；分类：热裂和冷裂；l热裂纹：在合金凝固后期的高温下形成的；热裂纹：在合金凝固后期的高温下形成的； 凝固后期凝固后期,结晶出来的固态物质已经结晶出来的固态物质已经形成了完整形成了完整的骨架的骨架,开始了线收缩开始了线收缩,但但晶粒间还存在少量液体晶粒间还存在少量液体,金属金属高温强度很低高温强度很低,当当机械应力机械应力超过了其高温强度超过了其高温强度时时,便发生便发生热裂热裂;l冷裂纹：较低温度下，由于冷裂纹：较低温度下，由于热应力、收缩应力综合作热应力、收缩应力综合作用用，铸件内应力超过强度极限产生。，铸件内应力超过强度极限产生。 冷裂多出现在铸件受冷裂多出现在铸件受拉应力的部位拉应力的部位,尤其尤其应力集应力集中处中处; 裂纹的预防裂纹