复试课件-贝壳金属工艺学

第十五讲：一、焊接结构工艺性分析

TechnologyaboutStructureofwelding

二、毛坯选择

PrinciplesofChoicestoSemi-finishedProducts

焊接结构工艺性分析

TechnologyaboutStructureofwelding

焊接结构工艺性分析1.使用要求（形状、工作条件、技术要求）。2.焊接工艺要求（简便、质量好、成本低）。焊接工艺包括三方面：选择焊接材料布置焊缝设计接头和坡口型式一.焊接材料选择

PrinciplesofChoicestoMotherMaterials1．选择焊接性良好材料。保证使用要求前提下，选择焊接性良好材料。如：锅炉和压力容器，选碳含量小于0.25%低碳钢或普通低合金钢（16锰）。

2．尽量选型材：工字钢、槽钢、角钢等。

（减少焊接工艺）

3．充分利用原材料，以免浪费。二.焊缝布置

ArrangementofWeldingSeam

1．焊缝尽量分散（大于100mm），避免密集和交叉；

2．焊缝位置应对称，最好同时施焊，以免产生焊接变形；

3．焊缝应避开最大应力和应力集中部位，以免应力叠加，造成破坏。

4．避开已经加工好表面。

5．尽量减少焊缝长度和截面，以减少变形和残余应力。避免密集和交叉：焊缝应对称：焊缝应对称：焊缝应对称：焊缝远离加工面：焊缝应避开最大应力和应力集中部位6．焊缝位置应便于施焊：

（1）保证焊到性；（2）尽量使焊缝处于平焊，保证焊接质量和提高生产率；（3）埋弧自动焊缝位置便于保存焊剂；（4）点焊和缝焊，焊缝位置便于电极伸入。手弧焊焊缝：埋弧焊接头：点焊、缝焊接头：三.焊接接头和坡口型式设计

theDesignofTypesofWeldingSeamandSlope

1.接头型式TypesofWeldingSeam

（1）常用接头型式：对接、搭接、角接和丁接（2）对接和搭接相比：

(A)对接接头:受力均匀，外观美，保证质量，重要受力焊缝常用这种接头如：压力容和锅炉要求下料精度高

(B)搭接接头:有附加弯矩,且外观差。用于受力不大地方。优点不用开坡口，省时、如空间架构联接。对接和搭接相比:(3)角接接头和丁接接头：

二者受力均比对接接头复杂，由于被焊

结构形状要求，不能改变。

2.坡口型式TypeofSeamSlope(1)常用坡口：I型、V型、U型和双V或双U型。

(2)选择坡口型式依据：A）保证焊透；B）提高生产率和降低成本。(3)各种坡口型式比较：

theComparisonofVariousSeamSlope

A）V和U型：单面施行焊接，焊条用量大，且易产生角变形。

B）双V和双U型：

双面施行焊接，焊条消耗小且受热均匀，变形小。焊前开坡口麻烦，影响生产率，

只在重要、受动载厚板时采用。3.接头两侧板厚要求

为保证接头两侧受热均匀，确保焊接质量，

要求接头两侧板厚或截面相同或相近

(1)单面开坡口，其长度：

L≥（3-4)（σ-σ1）；

(2)双面开坡口，其长度：

L≥0.5（3-4)(σ-σ1）。接头两侧板厚或截面相同或相近单面、双面开坡口长度不同板厚对接允许厚度差毛坯选择thePrinciplesofChoicestoSemi-finishedProducts一.选择原则thePrinciplesofChoices1.适用性：满足零件使用要求。

2.经济性：满足使用要求前提下，尽量选成本低毛坯。

二.选择依据theBasisofChoices1.零件类别、用途和工作条件如:曲轴要求好的综合性能，选择40、45等中碳锻钢毛坯；床身件主要受压和弯曲，且需减震，应选择灰铸铁。2.零件批量

单件、小批量铸件：手工造型，锻件：自由锻和胎模锻，焊件：手工或半自动焊接；批量生产时，则采用机器造型、模锻、埋弧自动焊或全自动气体保护焊方法。3.生产条件三.常用毛坯分类和制造方法

1.轴、杆类零件：属于重要受力和传动零件，均用锻件做毛坯。采用30#-50#碳钢、40Cr等。有些异形截面或弯曲轴线轴，如凸轮轴和曲轴也可用

QT400-10QT500-5QT600-2等制造。2.盘套、饼块类零件

齿轮：选择中碳钢制造，要正火或调质处理；一般选择锻件毛坯。带轮、飞轮和手轮：用灰铸铁铸造。

3.机架、箱体类零件通常采用灰铸铁、少数重型机械机身用中碳铸钢或合金铸钢铸造。词汇：焊接结构工艺性:TechnologyaboutStructureofWelding毛坯选择原则：

PrinciplesofChoicestoSemi-FinishedProducts焊接材料选择：ChoicestoMotherMaterials焊缝布置：ArrangementofWeldingSeam焊缝设计：DesignofWeldingSeam坡口型式：TypesofSlope接头型式：TypesofJoint选择依据：BasisofChoices第一讲金属材料主要性能和晶体构造

MainPerformancesandStructureofMetalMaterials一、金属材料性能

Performancesofmetalmaterials二、金属晶体构造

Structureofmetalmaterials

1、晶体结构

2、金属结晶过程第二讲：铁碳合金Fe-CAlloy

一.铁碳合金基本组织：BasicStructureofFe-CAlloy

1.铁素体（Ferrite)：碳溶解在α-Fe中形成固溶体。（0.008—0.02）%特点：塑性、韧性好：延伸率δ=（45-50）%；强度和硬度低。应用：工业用纯铁,100%的铁素体（F)2.奥氏体（Austenite）：碳溶解在γ-Fe形成固溶体。（0.77—2.08）%。特点：只在723℃以上存在，塑性好、硬度低。应用：钢在高温下进行压力加工。3.渗碳体

Cementite：Fe与C形成金属化合物。

（Fe3C）特点：硬度高，塑性差；在钢中起骨架作用。

注：条件适当渗碳体可以分解成铁+石墨。

4.珠光体（Pearlite）

莱氏体（Ledeburite）：

机械混合物。

珠光体（P）：F+Fe3C，强度和硬度高；塑性较差莱氏体（Le）：A+Fe3C

室温下：A转变成（P+Fe3C），莱氏体转变成变态莱氏体（Le`）。ⅠⅡⅢⅣⅤⅤ图2分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个成分冷却、结晶过程

六.碳对铁碳合金组织和性能影响

1.组织变化：随碳增加，渗碳体（Fe3C）增多，基体由铁素体（F）变成珠光体（P）、继而又转变成莱氏体（Le）；形态也由片状变成网状。

2.性能变化：小于1.0%，随碳的增加，强度和硬度提高，韧性和塑性降低；大于1.0%时，网状渗碳体出现，硬度继续增大，但强度下降。所以高碳钢适合于制造模具和工具。工业用钢一般碳小于1.4%。第三讲：钢热处理

HeatTreatmentofSteel

热

处

理普通热处理表面热处理Surface其它热处理退火Annealing正火Normalizing淬火Hardening(Quenching)回火Tempering表面淬火化学热处理火焰加热Flame感应加热Induction渗碳Carburization渗氮Nitrogenizing碳氮共渗真空热处理Vacuum可控气氛热处理ControledAtmosphere图4碳素钢正火、退火加热温度范围图5碳素钢淬火加热温度范围四.钢的编号MarksofSteels1.优质碳素结构钢：碳含量万分数表示：25、30、452.碳素工具钢：碳含量千分数表示：T8、T12等，3.合金结构钢：30CrMnSi、12CrNi3等。4.合金工具钢：9SiCr、W18Cr4V等。5.特殊用途合金钢：1Cr18Ni9Ti不锈钢。一.铸造工艺图(TechnologicalDiagram):

在零件图上表示出以下内容：

1）浇注位置；(PositionofPouring)2）分型面；(Partingface)

3）工艺参数：(TechnologicalParameters)

机加工余量、拔模斜度、铸造圆角和铸造收缩率等；

4）型芯的设计及其他技术要求。二.浇注位置确定：

1.重要面置于下型或侧立；

2.大平面朝下，以免出现气孔和夹砂缺陷；

3.大面积薄壁置于下型或侧立，以利充型；

4.厚大部位置于顶面或侧面，以利补缩

5.近可能减少砂芯数目，简化造型。铸造工艺三.确定分型面原则：(PartingFace)

1.重要加工和基准面位于同一个砂箱，以保尺寸精度；

2.减少分型面和活块数目，简化造型；

3.减少砂芯数目；

4.采用平直分型面。四.工艺参数的确定：(TechnologicalParameters)1.机加工余量—

根据铸件结构、大小、材质和在铸型中位置及造型方法的不同而定，或查表或靠经验。

2.拔模斜度—

根据铸件垂直壁高矮、位置以及造型方法来定。一般为（0.5~4）°，内壁、短壁取大值。3.铸造圆角(Fillet)：壁与壁连接应圆角过渡，以防缩孔和裂纹。

4.铸造收缩率（线）(Contraction)：灰铸铁收缩率（0.7~1.0）%；铸钢收缩率（1.5~2.0）%；有色金属收缩率（1.0~1.5）%。五.型芯设计及其它技术要求

1.设计内容包括：型芯数量、形状、芯头结构、下芯顺序及型芯稳固、排气和清理等。

2.芯头(CoreHead)

—定位和支撑型芯；排除型芯内气体；落砂时清理型腔内砂子。其它技术要求：如铸件某部位不允许有气孔缺陷。第六讲合金铸造性能及铸造缺陷的产生与防止

ThePropertiesonAlloy’CastingProcessandSomeDefectsRelatedtoIt材料铸造性能:金属材料接受铸造、获得优质铸件的难易程度，包括流动性和收缩一.流动性(Fluidity)1.概念：金属液体充满铸型、获得形状正确、轮廓清晰铸件的能力。2.质量影响：流动性不好，易产生浇不足和冷隔、气孔、和夹渣、缩孔和热裂。3.衡量：螺旋形试样长度4.影响因素

FactorsAffectingtheAlloy’sFluidity)

（1）合金性质

1)合金种类：灰铸铁的流动性比铸钢好，铝硅合金和硅黄铜其它合金好。

2）化学成分：纯金属和共晶成分合金的流动性最好。如铸铁中的碳越接近共晶点，其流动性越好。

3）结晶特征：逐层凝固的（共晶点成分合金）流动性好；糊状凝固的流动性差。

4）其它物理特征：粘度大的流动性差。（2）铸型：铸型导热力、蓄热能力越强，流动性越差。（3）浇注条件(ConditionsofPouring

Process)

1）浇注温度：太低，粘度大、流动性差；太高，由于吸气多、氧化严重，会降低流动性。铸钢浇温：1520~1620℃

铸铁浇温：1230~1450℃

有色合金：680~780℃。总之，薄件取高值，厚件取低值。

2）浇注压力：金属液压力越大，流动性越好。

3）浇注系统：结构越复杂，流动性越低。（4）铸件结构

(StructureofCasting)

铸件壁越薄、壁厚变化急剧和大面积水平面等均降低流动性。

5.改善流动性措施（1）选用共晶点成分或窄结晶温度范围合金铸造；（2）尽可能提高金属液纯度；（3）适当提高浇注温度和压力；（4）合理设计浇注系统；（5）改善铸件结构（以后还会讲到）。二.合金的收缩(Alloy’sContraction)

1.收缩概念：金属液在冷却过程中引起的体积缩减。用体收缩率或线收缩率表示。

2.收缩的三个阶段：（1）液态收缩（2）凝固收缩（3）固态收缩注：液态收缩和凝固收缩是产生缩孔和缩松的基本原因，

固态收缩是产生铸造应力、变形和裂纹的基本原因。

以上三个阶段之和为合金总收缩。三.缩孔和缩松(PorosityCausedbyContraction)

1.概念：缩孔——由于收缩而产生的大而集中孔洞。缩松——也是由收缩引起、但是小而分散。

2.形成：

A）原因——液态和凝固收缩得不到金属液补充而造成。

B）存在部位——缩孔：厚壁处、两壁相交处和内浇口附近缩松：缩孔下方、冒口根部和壁的轴线处。3.影响因素（1）合金成分——结晶温度范围窄的或恒温结晶合金易形成缩孔，结晶温度范围宽，倾向于形成缩松。（2）浇注条件——提高浇温、放慢浇速，有利于补缩、减小缩孔倾向。（3）铸型条件——增大铸型冷却能力，可减小凝固宽度，减小缩松倾向。（4）铸件结构——避免厚大壁，消除热节。4.防止缩孔和缩松工艺（1）采用顺序凝固原则。（2）具体措施：

A.在铸件厚大部位或经冒口开内浇口；B.合理使用冒口、冷铁和补贴等工艺措施；

C.提高浇温和减缓浇速；（3）顺序凝固原则适用范围：

A.收缩大合金，如：铸钢、可锻铸铁和高强度灰铸铁；

B.壁厚相差大铸件。（4）顺序凝固不足：铸件内应力大，易开裂或变形。四.铸造应力、变形和裂纹1.铸造应力概念：固态收缩受阻而产生的应力。2.分类：热应力和机械应力。热应力——由于冷却速度不一致造成，属于残留应力，厚壁处受拉，薄壁处受压。机械应力——由于受机械阻力造成，属于临时应力。3.减小和消除应力方法1）采用同时凝固原则（1）具体措施；A.内浇口开铸件薄的部位；B.冷铁放在厚的部位。（2）适用范围：A.收缩小的合金，如灰铸铁；B.结晶温度范围宽的合金，如锡青铜；C.壁厚均匀的铸件。（3）不足之处——铸件致密性差。

2）改善铸型和砂芯退让性；

3）合理设计铸件结构。

4）去应力退火。4.变形和裂纹（1）变形

A.产生原因——铸造应力大于铸件屈服强度所产生的变形。

B.危害——因机加工余量不足而报废。C.防止措施：防止产生铸造应力；采用反变形工艺；加大机加工余量；采用早落砂和及时焖火工艺。（2）裂纹A.产生原因——铸造应力大于铸件抗拉强度就会产生裂纹。B.裂纹分类——热裂和冷裂。C.热裂：在凝固末期产生的。

1）特征——裂纹有氧化色，属于沿晶开裂，呈曲折状。2）部位——应力集中处、热节处等部位。3）防止——合理设计铸件结构；改善铸型和砂芯退让性；减小浇口、冒口对铸件收缩的阻碍，符合同时凝固原则；提高金属液熔炼质量，以提高高温抗拉强度。D.冷裂：在完全凝固的弹性阶段产生的。1）特征——裂纹有金属光泽、微氧化色，穿晶开裂，直而光滑；一、铸铁介绍IntroductionofCastIron

1．铸铁概念和分类

1)概念

：C（2.4-4.0）%Fe-C合金。

2)分类：（1）灰口铸铁：G，断口呈暗灰色（2）白口铸铁：Fe3C，断口呈亮白色（3）麻口铸铁：G+Fe3C，断口黑白相间2．常用铸铁牌号和性能特点1）灰铸铁：

牌号：HT###，###：最低σb（MPa）如HT150性能特点：普通灰铸铁—

（1）σb＜200MPa；δ

≈0

（2）硬度、抗压强度与碳钢相近；（3）耐磨、减振及缺口敏感性小；

应用：受力小、耐磨、减振件如：机座、支架等。2）球墨铸铁：DuctileCastIron牌号：QT###-##，##：δ如QT450-10性能特点：（1）σb和硬度比灰铸铁高；（2）具有较高塑性；（3）与碳钢比，屈强比大，且更耐磨、减振；应用：代替碳钢制造汽车后桥壳、曲轴和连杆等。3）蠕墨铸铁：

CompactedCastIron

牌号：RuT###如RuT2604）可锻铸铁：

MalleableCastIron

不能接受锻造

牌号：

KTH###-##，如KTH330-08KTZ###-##，如KTZ550-04

注：能耗大、成本高，逐渐被球铁取代。

总结：

Tosumup1.常用铸铁零件采用灰口铸铁制造，有灰铸铁、球铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。

2.铸铁中石墨主要形成于一次结晶过程；基体则在共析阶段形成。铸铁成分和冷却速度是最关键的影响因素。第八讲:1.铸钢和有色铸件生产Productionofcaststeelandnonferrousalloy2.特种铸造Specialfoundry第九讲:一.砂型铸件结构工艺性

(theTechnologyofStructureofSandCastings)二.锻压概述及金属塑性变形

(theOutlineofForgingandDuctileDeformationofMetal)

砂型铸件结构工艺性一.简化工艺的要求(DemandstoStructureofSandCastingsbySimplifyingtheProcessofMakingMoulds)

1.对外形要求(ExternalForm)1）避免外形有侧凹；

2）使分型面为平面，去掉不必要外圆角；

3）避免凸台、加强筋的设置妨碍起模；

4）减少分型面数目；

5）在铸件不加工面上设计结构斜度。

2.对内腔要求(InternalForm)1）尽可能少用或不用芯子；

2）需芯子时，考虑芯子稳固、排气和清理。二.合金铸造性能对铸件结构要求

(theDemandstoStructureofSandCastingsbytheFoundryPropertiesofMetal)

1.对壁厚要求：(totheDimensionofSection)1）壁厚应适当和均匀；

2）内壁厚度应略小于外壁；

3）壁厚相差大时，便于安放冒口补缩。

2.壁与壁连接：(totheJoiningofWallsofCastings)1）壁与壁的连接应设计结构圆角，以免产生缩孔、应力集中和掉砂；2）壁与壁斜交，避免锐角接头，以免产生应力集中。3）避免壁与壁直接交叉，采用交错接头或圆环接头；4）壁厚从薄到厚应逐步过渡，以免产生应力集中。3.避免产生变形和裂纹，应注意以下几点：

(toavoiddeformationandcracking)1）细长类铸件，使其截面对称；2）大面积平板时，设计加强筋；3）轮类铸件应使轮辐数目为奇数或为弯曲轮辐。锻压部分：锻压方法概述及金属塑性变形

(OutlineofForgingandDuctileDeformationofMetal)

一、概念:

利用塑性变形规律，获得一定形状、尺寸和性能锻件的方法。二、锻压特点

(theCharacteristicsofForging):1.改善组织，提高机械性能：塑性和冲击韧性。

2.节约材料和加工工时。

3.有较高的生产率。

4.形状不能太复杂；设备投资大；劳动条差。三、种类(theClassesofForging)：

自由锻、模锻、轧制、拉拔、挤压、板料冲压。一．塑性变形实质(theNature0fDuctileDeformation)

1．单晶变形实质：滑移和孪晶

1）滑移：形状改变，但晶格、位向和体积不变。

2）孪晶：只改变位向，以利滑移。2．多晶体变形实质：1）每个晶粒变形与单晶一致：滑移和孪晶。2）晶界使变形阻力增大：位向差和杂质缠绕。3）只有与外力方向成45°角的滑移面产生滑移，细晶粒较粗晶粒滑移面多。二．塑性变形对组织和性能的影响(EffectofDuctileDeformationontheMicrostructureandPropertiesofWork-piece)1．加工硬化（冷作强化）

1）概念：金属在低温下塑性变形时，表现出强度和硬度升高，塑性和韧性下降。

变形程度越大，加工硬化越严重。

2）组织：

1）晶粒形状-------改变

2）晶格------扭曲

3）滑移面上-------出现细碎晶

3）应用：冷轧、冷拔和冷挤低碳钢、纯铜和防锈铝。2．回复和再结晶

1）回复

概念：加工硬化是一种不稳定状态，只要温度许可，原子会自发回到正常位置，晶格畸变消失。

温度：

T回=(0.25~0.30)T熔（K）

组织：晶格扭曲消失，但细碎晶和变形晶依然存在。性能：只是塑性略有提高。

应用：冷拔钢丝卷制弹簧后，在250~300℃下回火，降低其脆性。

2）再结晶(Re-crystallization)

概念:原子自由扩散和重新排列形成新等轴晶代替变形晶、细碎晶。温度:T再=（0.35~0.40）T熔（K）纯铁----450℃；钨----1200℃；铜----200℃；铝----100℃；锌----室温。组织:新的等轴晶，加工硬化全部消失。性能:恢复良好塑性。速度:

温度高、变形程度大，再结晶速度快。应用:

重获良好塑性，可继续变形；可细化晶粒；消除不均匀铸态组织。

3.区分冷变形与热变形

冷变形(HotForging)：低于再结晶温度下变形；

热变形(ColdForging)：高于再结晶温度下变形。4.锻造比与纤维组织（1）锻造比：衡量变形程度参数，均大于1，

ForgingRatio

提高锻造比，可细化组织。（2）纤维组织：

1）概念：晶界杂质留下的痕迹。如：塑性夹杂呈条状，脆性的杂呈链状。热处理无法改变、消除纤维组织，只能通过变形改变分布方向。2）对性能影响：

表现出方向性：平行于纤维方向，材料塑性、韧性增加，垂直这个方向则降低；抗拉强度相差不大。3）与锻造比关系：

锻造比大，变形程度大，纤维组织明显。4）设计零件应注意纤维分布合理：

正应力与纤维平行；切应力与纤维垂直。纤维分布与零件外形轮廓相符和不被切断。三.金属的锻造性(theForge-abilityofmetal)

1.概念：金属接受锻压难易程度。

2.衡量指标：塑性和变形抗力。

3.影响因素(theFactors)：

1）金属本质(theNatureofMetal)

成分：纯金属锻造性最好，合金元素含量多，锻造性差。

组织：固溶体比机械混合物要好。

状态：铸态比轧态要差。

2）变形条件(theConditionsofDeforming)

（1）变形温度：温度高、塑性好、抗力小。（2）变形速度(theSpeedofBeating)：

在某一值以前，变形速度越快，加工硬化来不及消除，变形抗力增大，降低锻造性；超过这一值，变形速度增大，热效应可改善塑性和降低变形抗力。（3）应力状态(theStateofStress)：压应力数目越多，表现出塑性越好，锻造性提高。第十讲常用锻造方法、自由锻和模锻一.自由锻(OpenDieForging)1.概念：坯料受冲击或静压力，向四周流动2.种类：手工自由锻,机器自由锻

(HandHammer、MechanicalHammer)3.特点：（1）工具简单；（2）锻件精度低；（3）适合简单件；（4）阻力小，锻造大型件唯一方法；（5）劳动强度大和生产率低。4.应用:适合形状简单、单件小批锻件生产。二.模型锻造(Closed–DieForging)1．概念(Concept)：在模膛冲击力（静压力）下成型2．种类(Classes)：锤上模锻、平锻机、曲柄压力机和摩擦压力机。3．特点(Characteristics)

：（1）锻件形状较复杂；（2）纤维分布合理，与锻件轮廓相符；（3）表面光洁，尺寸和形状更接近零件；（4）生产率高，易于机械化；（5）缺点投资成本大。4.应用:(Applications)

适合中、小型件大批量生产。三.胎模锻1.概念：自由锻锤上，用不固定模膛生产锻件。

2.特点：介于自由锻和模锻之间。

3.应用:适合于小型锻件中、小批量生产。自由锻(Open–DieForgingProcessing):一.自由锻工序(theProcesses)1．基本工序：镦粗、拔长、冲孔、弯曲、

(BasicProcesses)

扭转、切割、和错移。

2．辅助工序：倒棱、压肩用于基本工序前

(AuxiliaryProcesses)3．精整工序：平整、校直最后形状和尺寸

(FinishingProcesses)

二.自由锻工艺规程(TechnologicalFlow)1．绘制锻件图：在零件图上表示出

(1)敷料（余块）；

(2)尺寸公差；

(3)机加工余量。

2．确定变形工步(StepsofForming)(1）锻件必需基本、辅助