BC第2章 热加工基础

第2章热加工基础

2.1.1概述1.热处理的定义:时间温度临界温度

热加保温冷却2.1热处理2.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整个制造业。4.热处理的分类热处理普通热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;

2.1.2钢在加热时的转变ASF+Fe3CQGKD4.32.110.770.02WC%1148℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69FAL+Fe3CL+F+AA+

Fe3CEFFe3C未溶Fe3CA残余Fe3CAAAA

形核A

长大残余Fe3C溶解A均匀化

一、奥氏体的形成奥氏体的形成过程二、奥氏体晶粒大小对钢的

力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。三、奥氏体晶粒大小的影响因素1.加热温度和保温时间2.原始组织：粒状珠光体比片层珠光体奥氏体化后的晶粒更细小。3.加入合金元素：加入形成稳定碳化物的合金元素，形成氧化物、氮化物的元素都会阻碍奥氏体晶粒长大；锰、磷促进奥氏体晶粒长大。2.1.3钢在冷却时的转变钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变一、钢在热处理时的冷却方式

热加保温时间温度临界温度连续冷却等温冷却二、过冷奥氏体的等温冷却转变1.建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线----TTT曲线

(

C曲线

)T

---

timeT

---

temperatureT

---

transformation共析碳钢TTT曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1示意动画2.共析碳钢TTT曲线的分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线

A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;

贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf3.转变产物的组织与性能（1）珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:

P;5～25HRC;

片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:

细片状P---索氏体(S);

片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:极细片状P---托氏体(T);

片间距为＜0.2μm(电子镜);35～40HRC。珠光体形貌像光镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌索氏体形貌像

托氏体形貌像电镜形貌光镜形貌（2）贝氏体型(B)转变(550～230℃)550～350℃:

B上;40～45HRC;B上=过饱和碳

α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状上贝氏体组织金相图350～230℃:

B下;50～60HRC;B下=过饱和碳

α-Fe针叶状+Fe2.4C细片状过饱和碳

α-Fe针叶状Fe2.4C细片状针叶状下贝氏体组织金相图（3）马氏体型(M)转变(230～-50℃):1)定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的

过饱和固溶体。2)转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),

M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性,QM=f(T)奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00温度℃Wc100MsMf90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100残余奥氏体量(%)奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响3)马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用,使α–Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。4)马氏体的组织形态:板条状---低碳马氏体(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。低碳板条状马氏体组织金相图4)马氏体的组织形态:针、片状---高碳马氏体(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。高碳针片状马氏体组织金相图马氏体的碳浓度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)

2000抗拉强度σb(Mpa)

1800

1400

1000

600

2005)马氏体的性能:

主要取决于马氏体中的碳浓度。亚共析钢的TTT曲线

FAP+FS+FTBM+A残A3时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf过共析钢的TTT曲线P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A残

Fe3CⅡAACM时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf三、过冷奥氏体的连续冷却转变1.建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线----CCT曲线C---continuousC---coolingT---transformationVk共析碳钢CCT曲线建立过程示意图时间(lgτ)温度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1炉冷空冷2.共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfCCT曲线TTT曲线稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf3.在连续冷却过程中TTT曲线的应用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:炉冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A残V4≥138℃/s:水冷;M+A残

2.1.3钢的普通热处理毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一般零件生产的工艺路线:2.1.3.1钢的退火1.定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后

随炉冷却。2.目的:

消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。三、种类退火重结晶退火低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火四、工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50完全退火Ac1+20～30球化退火500～600去应力退火Ac3+150～250扩散退火五、热处理后的组织和用途:1．完全退火：组织：P+F目的：①细化，均匀化粗大、不均匀组织②调整硬度→切削性↑③消除内应力应用范围：亚共析钢，共析钢，不适用于过共析钢Ac3

+30～50°C

完全退火2．球化退火（不完全退火）组织：球状P（F+球状Fe3C

）目的：①使网状、片状Fe3C球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑②为淬火作准备应用范围：过共析钢，共析钢Ac1+20～30°C

3．去应力退火目的：消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加件中的残余应力。

加热500-600℃，保温，炉冷到200℃4．再结晶退火加热温度：Ac1以下50-150℃，或T再+30-50℃目的：消除加工硬化5．扩散退火（均匀化退火）组织：P+F或P+Fe3CII目的：消除偏析后果：粗大晶粒（应用完全退火消除）Ac3

+150～250°C

扩散退火2.1.3.2钢的正火一、定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃，保温一段时间，然后

在空气中冷却。二、目的:

消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。三、工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50亚共析钢Ac1

+30～50共析钢Accm+30～50过共析钢四、热处理后的组织:S+Fe3C

(Wc=0.6～1.4%)S+F(Wc＜0.6%)五)应用范围:

1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。

2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。2.1.3.3钢的淬火一、定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然

后快速冷却(大于VK)。二、目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。三、工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50亚共析钢Ac1

+30～50共析钢Ac1

+30～50过共析钢四、热处理后的组织:

M+Fe3C+A残Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50共析钢M+A残Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%最终组织淬火温度(℃)钢种五、淬火冷却介质1.理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf六、常用的淬火方法单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA12.1.3.4钢的回火一、定义:

把淬火后的零件重新加温到

A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。二、目的:

消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。三、钢在回火时的组织转变a.马氏体分解（800C-3000C）析出e碳化物（亚稳定）回火组织为：过饱和a固溶体十亚稳定e碳化物（极细的）→回火M（M’）晶格畸变降低，淬火应力有所下降。b.残余A有分解200-3000C：A→M’c.碳化物的聚集长大>（2800C-4000C）

e

碳化物→Fe3C片→细粒状Fe3C

组织：铁素体+细粒状Fe3C→回火Td.铁素体的回复与再结晶：多边形F+粗粒状Fe3C耐磨件M回=α0.3%C+ε150～250低温回火弹簧等T回=F针+Fe3C粒350～500中温回火调质件S回=F多+Fe3C球500～650高温回火四、工艺参数淬火+高温回火=调质处理用途组织温度(℃)名称淬火+高温回火=调质处理回火索氏体组织金相图回火屈氏体组织金相图回火马氏体组织金相图五、回火温度与机械性能的关系

200℃以下，HRC不变。200-300℃

，M分解，残余A转变为马氏体，硬度降低不大，高碳钢硬度有一定的升高。>300℃

，HRC降低。韧性：400℃开始升高，600℃最高。弹性极限：在300-400℃最高。塑性：在600-650℃最高。回火组织的性能高碳回火马氏体：强度、硬度高、塑性、韧性差低碳回火马氏体：高的强度与韧性，硬度、耐磨性也较好回火屈氏体：屈服强度与弹性极限高回火索氏体：综合机械性能。2.1.4钢的表面热处理表面淬火化学热处理工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。2.2

焊接概

述

一、金属焊接成形用加热、加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结合与扩散作用，从而获得不可拆卸接头的材料成形方法。二、焊接成形的分类

1．熔化焊：

2．压力焊：3．钎焊：电弧焊（手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊）、电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等软钎焊、硬钎焊三、焊接成形的特点1．接头牢固、密封性好。2．可化大为小、以小拼大。

3．可实现异种金属的连接。4．重量轻、加工装配简单。5．焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。2.2.1

焊接基础知识

2.2.1.2焊接电弧1.焊接电弧的概念焊条工件焊接电弧+-d在焊条末端和工件两极之间的气体介质中，产生强烈而持久的放电现象。2.电弧的构造及热量分布阴极区：阳极区：弧柱区：2400k36%2600k42%5000~8000k21%3.电弧的极性直流电源正接极：直流电源反接极：工件—正极（阳极）；焊条—负极（阴极）。工件—负极（阴极）；焊条—正极（阳极）。用于薄板金属的焊接2.2.1.2焊接接头的组织与性能焊接接头焊缝区焊接热影响区1.焊缝区熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。2.焊接热影响区焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。（1）熔合区(半熔化区)是焊缝和母材金属的交界区。（0.1-1mm）加热温度：T液~T固强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。（2）过热区加热温度：T固~1100℃塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（1-3mm）（3）正火区(相变重结晶区)加热温度：1100℃~AC3在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（1.2-4mm）力学性能优于母材。4.部分相变区(不完全重结晶区)在热影响区内发生部分相变的区域。加热温度：AC3~AC1力学性能较母材稍差。力学性能最差的区域：熔合区和过热区热影响区及熔合区的组织与性能减小和消除焊接热影响区的方法：①小电流、快速焊接；②

焊前预热、焊后热处理（正火）一、焊接应力与变形产生的原因焊接应力与变形产生的根本原因是：焊件(工件）在焊接过程中受到局部加热和快速冷却。2.2.1.3焊接应力与变形二、焊接变形的基本形式1.收缩变形2.角变形3.弯曲变形4.扭曲变形5.波浪形变形三、焊接应力与变形的防止1.焊接应力的防止及消除措施1）设计时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应尽可能小。2）合理选择焊接顺序。ⅡⅠⅢ②（Ⅰ—Ⅲ）①（Ⅰ—Ⅱ）（Ⅱ—Ⅲ）—ⅢⅡⅠⅢ123）锤击或碾压焊缝4）采用小能量、多层焊5）焊前预热（150℃~350℃）6）焊后热处理（去应力退火）可消除应力80%左右2.焊接变形的防止及矫正措施1）设计时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应尽可能小。2）合理选择焊接顺序。12341—4—3—212343）反变形法。1234561—4—2—5—3—61—2—3—44）采用焊前刚性固定法。5）采用合理的焊接规范（小电流、快速焊接）。6）焊接变形的矫正①机械矫正②火焰矫正

2.2.2金属的焊接成形方法2.2.2.1熔化焊一、手工电弧焊1.手工电弧焊的特点设备简单、应用灵活方便。劳动条件差、生产率低、质量不稳定。2.手工电弧焊焊接过程①引弧②形成熔池③形成焊缝3.电焊条（1）电焊条的组成及作用电焊条焊条芯药皮焊缝的填充材料

—填充焊缝电极传导电流

—导电机械保护的作用冶金的作用稳定电弧的作用焊条芯药皮药皮的种类：①氧化钛型；②氧化钛钙型；③钛铁矿型；④氧化钛型；⑤纤维素型；⑥低氢钾型；⑦低氢钠型；⑧石墨型；⑨盐基型。（2）电焊条的分类结构钢焊条—J；钼和铬耐热钢焊条—R；低温钢焊条—W；不锈钢焊条—A；堆焊焊条—D；铸铁焊条—Z；镍及镍合金焊条—Ni；铜及铜合金焊条—T；铝及铝合金焊条—L；特殊用途焊条—TSJ507药皮种类（低氢型）抗拉强度结构钢焊条J422药皮种类（钙钛型）抗拉强度结构钢焊条酸性焊条：碱性焊条：在熔渣中以酸性氧化物为主（TiO2、SiO2、Fe2O3）在熔渣中以碱性氧化物为主（K2O、Na2O、CaO、MnO）（3）电焊条的选用1.根据被焊工件的强度选用2.根据被焊工件的化学成分选用3.根据被焊工件工作条件和结构选用4.根据实际生产状况选用二、埋弧自动焊焊接电源控制箱焊接小车焊接热源：电弧热溶池保护：焊剂（气、渣）1.埋弧自动焊设备及焊接过程2.埋弧自动焊工艺特点1）生产率高（手弧焊的5~10倍）2）焊接质量高且稳定。3）节约金属材料、生产成本低。4）劳动条件好。5）只能在水平位置焊接。应用：主要用于较厚钢板的长直焊缝和较大直径的环形焊缝焊接。如压力容器的环焊缝和直焊缝、锅炉冷却壁的长直焊缝、船舶和潜艇壳体、其重机械、冶金机械（高炉炉身）等的焊接。埋弧自动焊加工过程三、气体保护焊1.氩弧焊利用氩气作为保护性介质的电弧焊方法。焊接热源：电弧热保护介质：ArAr①不与金属发生化学反应—不产生夹渣缺陷②不溶解于液体金属中—不产生气孔缺陷③比重大于空气（25%）氩弧焊的特点及应用①机械保护效果好，焊缝金属纯净，焊缝成形美观，焊接质量优良。②电弧燃烧稳定，飞溅小。③焊接热影响区和变形小。④可进行全位置焊接。⑤氩气昂贵，设备造价高。应用：适用于易氧化的有色金属及合金钢材料的焊接。如：铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等。适用所有金属材料的焊接。氩弧焊加工过程以CO2气体作为保护性介质的电弧焊方法。焊接热源：电弧热保护介质：CO2CO2①与金属发生化学反应—产生夹渣缺陷②溶解于液体金属中—产生CO

气孔缺陷③比重大于空气（25%）①氧化严重；②气孔倾向大（CO）；③飞溅严重。1)存在问题2.CO2气体保护焊①生产率高（是手弧焊的1~3倍）。②成本低（是手弧焊的40%）。③焊接热影响区和变形小。④可进行全位置焊接。⑤飞溅严重，焊缝成形差。应用：适用于低碳钢和强度级别不高的低合金结构钢的焊接。目前广泛用于造船、机车车辆、汽车制造、农业机械等。2）CO2气体保护焊的特点及应用CO2气体保护焊加工过程四、电渣焊利用电流通过液态熔渣时产生的电阻热，同时加热熔化焊丝和金属母材的焊接方法。焊接热源：电阻热保护介质：液态熔渣1.焊接过程2.焊接特点及应用

1）大厚度工件可一次焊成。单丝—40~60mm；单丝摆动—60~150；三丝摆动—450mm；板极电渣焊—2）生产率高，成本低。3）焊接质量好。不易产生夹渣、气孔等缺陷。4）热影响区大。—焊后热处理。应用：①适用于碳钢、合金钢、不锈钢等材料；②适用于厚大工件。厚度大于40mm的大型结构件。电渣焊加工过程爆炸焊2.2.2.2压力焊一、电阻焊

通过加压、或同时加热加压，使焊件产生塑性变形，并经再结晶和扩散作用，使两部分金属达到原子间的结合，实现连接的焊接方法。1.点焊工艺参数电极压力焊接电流通电时间适中

对组合焊件经电极加压，利用电流通过焊接接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，实现焊接。焊点距离太近—分流现象严重太远—强度不够应用：4mm以下的薄板搭接。电阻焊加工过程2.缝焊应用：3mm以下的薄板搭接。如：密封的容器（油箱、水箱等）、管道等。3.对焊主要用于棒料的对接。1）电阻对焊应用：用于断面简单，直径（或边长）小于20mm或强度要求不太高的工件。2）闪光对焊应用：用于重要工件的焊接。可焊相同金属，也可焊异种金属（铝—钢、铝—铜等）。工件直径—0.01mm~200mm。二、摩擦焊1.摩擦焊焊接过程2.摩擦焊接头型式3.特点及应用①质量稳定；②不需填充金属及焊剂；③生产率高，易实现自动化。应用：适用于黑色金属、有色金属；也适用于特种材料、异种材料焊接。摩擦焊加工过程2.2.2.3钎焊是将钎料熔化，利用液态钎料湿润母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，冷凝后实现连接的焊接方法。一、钎焊的种类1.软钎焊2.硬钎焊钎料的熔点在450℃以下。接头强度低，一般为60~190MPa，工作温度低于100℃钎料的熔点在450℃以上。接头强度高，在200MPa以上，工作温度较高。钎料的作用①连接②填充钎料的种类①软钎料：②硬钎料：锡铝合金（焊锡）铝基、铜基、银基、镍基合金等。2.溶剂溶剂的作用①清理作用②降低表面张力③保护作用去除表面氧化皮改善液态钎料对焊件的湿润性，增强毛细管作用。二、钎料和溶剂1.钎料2.可焊同种、异种金属和厚薄悬殊的工件。3.生产率高。易于实现自动化。4.设备简单，生产投资费用少。应用：主要焊接精密、微型、复杂、多焊缝异种金属的焊接。目前：软钎焊广泛用于电子、电器、仪表等行业；硬钎焊用于硬质合金刀具、钻探钻头、换热器的焊接。三、钎焊的特点及应用加热温度低，接头组织、性能变化小；焊接变形小，工件尺寸精确。钎焊加工过程等离子弧焊激光焊2.2.3金属材料的焊接性一、

金属材料的焊接性指被焊金属采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性①工艺焊接性：②使用焊接性：焊接接头产生工艺缺陷的倾向。尤其指出现各种裂纹的可能性焊接接头在使用中的可靠性。包括力学性能及其它特殊性能1.影响焊接性的因素1）焊接方法4）工艺参数2）焊接材料3）焊件化学成分2.焊接性的评定方法碳当量估算法C—影响最显著—基本元素—折合成碳的相当含量对焊接性的影响其它元素CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15CE<0.4%CE=0.4%~0.6%CE>0.6%具有良好的焊接性焊接性较差焊接性差二、常用金属材料的焊接性能一、碳钢的焊接1.低碳钢的焊接低碳钢：

C<0.25%CE<0.4%焊接性良好。2.中碳钢的焊接中碳钢：C：0.25~0.60%焊接性由良好较差。CE<0.4%CE=0.4%~0.60%问题焊缝区易产生热裂纹热影响区易产生冷裂纹3.高碳钢的焊接高碳钢：C>0.60%焊接性差。CE>0.60%问题焊缝区易产生热裂纹热影响区易产生冷裂纹措施焊前预热（250~350℃），焊后缓冷。选用低氢型焊条。焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。避免选用高碳钢作为焊接结构件。焊补措施焊前预热（150~250℃），焊后缓冷。选用低氢型焊条。焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。二、合金结构钢的焊接合金结构钢机械制造用结构钢普通低合金结构钢（调质钢、渗碳钢）（压力容器、锅炉、桥梁、车辆、船舶等结构。）普通低合金结构钢：低强度普通低合金结构钢：高强度普通低合金结构钢：σs<400MPaCE<0.4%16Mn、09Mn2Siσs>400MPaCE

：0.4%~0.5%焊接性良好。焊接性较差。15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV焊前预热（150~250℃），焊后缓冷；选用低氢型焊条；焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。三、铸铁的焊补（一）铸铁焊补的特点（困难）1.熔合区易产生白口组织和淬硬组织；2.焊缝区易产生裂纹；3.焊缝区易产生气孔；4.熔池金属易流失；（二）铸铁焊补的方法1.热焊法焊前将焊件整体或局部预热至600~700℃并施焊，焊后缓冷。用于形状复杂，焊后需要机械加工的重要件。如汽缸体、汽缸盖、机床导轨等2.冷焊法焊前不预热或低温预热（400℃）的焊补方法。焊条①钢芯铸铁焊条：适用于非加工表面的焊补②石墨化铸铁焊条：⑤高钒铸铁焊条：④镍基铸铁焊条：③铜基铸铁焊条：适用于较大灰口铸铁件的焊补主要用于一般铸铁件的焊补主要用于重要件加工表面的焊补可进行机械加工、塑性和抗裂较好。焊缝性能与母材基本相同，具有良好的加工性抗裂性好，可进行机械加工。具有良好的抗裂性与加工性主要用于一般铸铁件的焊补四、有色金属的焊接（一）铝及铝合金的焊接1.铝及铝合金的焊接特点1）易氧化；2）易产生气孔；4）接头易软化；3）易变形开裂；2.铝及铝合金的焊接方法氩弧焊、气焊、钎焊、电阻焊。（二）铜及铜合金的焊接1.铜及铜合金的焊接特点2）易氧化；3）易产生气孔；1）难熔合；4）易变形开裂；2.铜及铜合金的焊接方法氩弧焊、气焊、钎焊、电弧焊。2.3铸造

重点内容：合金的铸造性能、铸造的三类缺陷难点内容：合金的铸造性能与铸造的三类缺陷关系一、什么是铸造（液态成型）

将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，凝固后获得所需形状和性能的毛坯或零件的成形方法。熔炼好的金属砂型（1）材料来源广；（2）废品可重熔；（3）设备投资低。

二、铸造生产的特点1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。（1）合金种类不受限制；（2）铸件大小几乎不受限制。2．适应性强：

3．成本低：

二、铸造生产的特点4.铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。

5.铸件质量不够稳定。铸造生产在机械制造业中的地位2.3.1铸造性能及对铸件质量的影响合金的铸造性能——合金在铸造过程中表现出来的工艺性能。合金的充型能力合金的收缩性能充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。充型——液态合金填充铸型的过程。充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得形状完整、尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力。2.3.1.1合金的充型能力影响合金充型能力的因素合金的流动性浇注条件铸型充填条件0.45%C铸钢：200mm出气口浇口杯4.3%C铸铁：1800mm

一、合金的流动性1.合金的流动性：

液态合金本身的流动能力。合金流动性的好坏，通常以"螺旋形流动性试样"的长度来衡量，将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。2.合金流动性的影响因素（1）合金的种类

不同种类的合金，具有不同的螺旋线长度，即具有不同的流动性。其中灰铸铁的流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次之，而铸钢的流动性最差。（2）化学成分和结晶特征

纯金属和共晶成分的合金，凝固是由铸件壁表面向中心逐渐推进，凝固后的表面比较光滑，对未凝固液体的流动阻力较小，所以流动性好。

在一定凝固温度范围内结晶的亚共晶合金，凝固时铸件内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝固温度范围越宽，则枝状晶越发达，对金属流动的阻力越大，金属的流动性就越差。a）在恒温下凝固b）在一定温度范围内凝固PbSb20406080204060800流动性（cm）100200300温度（℃）03.浇注系统的的结构

浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。

二、浇注条件三、铸型充填条件1.铸型的蓄热系数

铸型的蓄热系数表示铸型从其中的金属吸取热量并储存在本身的能力。1.浇注温度

一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。2.充型压力

液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。铸型的热导率和质量热容越大，对液态合金的激冷作用越强，合金的充型能力就越差。如金属型和砂型。

2.铸型温度

铸型温度越高，液态金属与铸型的温差越小，充型能力越强。3.铸型中的气体铸型中气体越多，将增加型腔内的压力，合金的充型能力就越差。

2.3.1.2合金的收缩性能一、铸件的凝固方式

1.逐层凝固

2.糊状凝固

3.中间凝固表层中心t铸件固相线液相线成分温度表层中心t铸件液固液相线液表层中心St铸件温度固凝固区二、合金的收缩1.收缩的概念三个阶段：合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体积或尺寸缩减的现象，称收缩。体收缩是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。体收缩率：线收缩率：线收缩是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。（3）

固态收缩

从凝固终止温度到室温间的收缩。

T固

—T室（2）

凝固收缩

从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。

T液

—T固（1）液态收缩

从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。

T浇

—T液2.缩孔与缩松

液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。1)缩孔和缩松的形成缩孔的形成

缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：内表面粗糙，形状不规则，多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内部，有时经切削加工才能暴露出来。缩孔形成的主要原因是液态收缩和凝固收缩。缩松的形成

宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松则是存在于在晶粒之间的微小孔洞，形成缩松的主要原因也是液态收缩和凝固收缩所致。2)缩孔和缩松的防止

b.防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现“顺序凝固”。逐层凝固合金，缩孔倾向大糊状凝固合金，缩松倾向大。

a.选择接近共晶成分或结晶温度范围窄的合金。顺序凝固就是在铸件可能出现缩孔的热节处，通过增设冒口或冷铁等工艺措施，使铸件的凝固顺序向着冒口的方向进行。暗冒口冒口—储存补缩用金属液的空腔。冷铁—增大冷却速度。冷铁热节合理放置冒口和冷铁动画在铸件的凝固以及以后的冷却过程中，随温度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩受到阻碍，就会在铸件内产生应力，引起变形或开裂，这种缺陷的产生，将严重影响铸件的质量。一、铸造应力的产生

铸造应力按其产生的原因可分为两种热应力机械应力2.3.1.3铸造应力、变形与裂纹

热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。

热应力是永久应力。先冷受压后冷受拉1.热应力热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。

热应力产生过程

2.收缩应力

铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等外力的阻碍而产生的应力。

二、铸造应力的防止和消除措施

1.采用同时凝固的原则

同时凝固是指通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同一时间凝固。

2.提高铸型温度

使整个铸件缓慢冷却，以减小铸型各部分的温度差。

3.改善铸型和型芯的退让性

避免铸件在凝固后的冷却过程中受到机械阻碍。

4.进行去应力退火

是消除铸造应力最彻底的方法。

三、铸件的变形和防止铸件的变形包括铸件凝固后所发生的变形以及随后的切削加工变形。+-防止铸件变形有以下几种方法：

a)采用反变形法可在模样上做出与铸件变形量相等而方向相反的预变形量来抵消铸件的变形，此种方法称为反变形法。

b)进行去应力退火铸件机加工之前应先进行去应力退火，以稳定铸件尺寸，降低切削加工变形程度。

c)设置工艺肋

为了防止铸件的铸态变形，可在容易变形的部位设置工艺肋。四、铸件的裂纹与防止

1．热裂

热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。热裂的防止：①应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。②应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。③对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。

当固态合金的线收缩受到阻碍，产生的应力若超过该温度下合金的强度，产生热裂。2．冷裂

冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。

冷裂的防止：1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。

冷裂是铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限而产生的合金成分凝固方式流动性结晶温度范围宽窄收缩特性第一类缺陷冷隔、浇不足第二类缺陷缩孔、缩松铸造缺陷及其防止措施总结第三类缺陷铸造应力、变形、裂纹铸造缺陷类型及产生原因第一类缺陷:充型能力不足时产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。第二类缺陷:体积收缩时产生缩孔和缩松等缺陷，其中逐层凝固产生缩孔，糊状凝固产生缩松。第三类缺陷:线收缩时产生铸造应力、变形和裂纹等缺陷。第一类缺陷冷隔、浇不足提高

浇注温度铸型预热缩孔、缩松收缩过大粘砂超过铸型耐热温度晶粒粗大冷却过程太长气孔高温下发生反应铸型强度降低粘砂

金属液冲击下可能垮砂夹砂、砂眼、夹渣第一类缺陷防止措施第二、三类缺陷防止措施第二类缺陷缩孔、缩松顺序凝固铸型阻

碍收缩同时凝固逐层凝固糊状凝固缩孔缩松不均匀温度场第三类缺陷热应力、变形、裂纹

2.3.2砂型铸造方法和特点2.2.2.1砂型铸造成形工艺一、手工造型二、机器造型

适用于单件、小批量生产1)生产效率高;2)铸型质量好（紧实度高而均匀、型腔轮廓清晰）;3)设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长。适用于中、小型铸件的成批、大批量生产。1．机器造型的造型方法：1）震压1．机器造型的造型方法：2）微振压实1．机器造型的造型方法：3）高压造型1．机器造型的造型方法：4）射砂射芯机2．机器造型的造芯方法：

2.3.3常用特种铸造方法和特点金属型铸造熔模铸造压力铸造低压铸造离心铸造消失模铸造液态金属浇入金属型铸件获得一、金属型的材料及结构材料一般采用铸铁，要求较高时，可选用碳钢或低合金钢。金属型的结构有水平分型式、垂直分型式和复合分型式等。2.3.3.1金属型铸造二、金属型的铸造工艺

三、金属型铸造的特点及适用范围1．金属型铸件冷却速度快，组织致密，力学性能高。

2．铸件的尺寸精度和表面质量均优于砂型铸造件。尺寸精度达CT7~CT9，Ra值平均可达6.3~12.5μm。

3．浇冒口尺寸小，金属耗量减少。4．”一型多铸”，生产率高，易于实现机械化、自动化。金属型铸造金属型铸造工艺5．金属型不透气、无退让性、铸件冷却速度快，易产生

气孔、应力、裂纹、浇不到、冷隔、白口等铸造缺陷，不宜铸造形状复杂，大型薄壁件。应用：主要用于铜、铝、镁等有色合金中、小铸件的大批量生产。如发动机的铝活塞、汽缸体，油泵壳体、水泵叶轮、铜合金轴瓦、轴套等2.3.3.2熔模铸造在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化干燥后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的一种成形工艺方法。

一、熔模铸造的工艺过程压型蜡模组结壳脱蜡单个蜡模焙烧、浇注熔模铸造的生产过程二、熔模铸造的特点和适用范围1．铸件的精度和表面质量较高，公差等级可达CT4~CT6，表面粗糙度Ra值达1.6~12.5μm。

2．合金种类不受限制，尤其适用于高熔点及难加工的高合金钢，如耐热合金、不锈钢、磁钢等。

3．可铸出形状较复杂且无分型面的铸件，最小壁厚0.3mm

的凹槽、直径大于0.5mm的小孔均可直接铸出。

4．生产批量不受限制，单件、成批、大量生产均可适用。

5．工艺过程较复杂，生产周期长；原材料价格贵，铸件成本高；铸件不能太大、太长，否则熔模易变形，丧失原有精度。

应用：它最适合25kg以下的高熔点、难以切削加工合金铸件的成批大量生产。如发动机的叶片、切削刀具等。2.3.3.3压力铸造液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的成形工艺方法，又称挤压铸造、压铸。一、压铸机和压铸工艺过程压力铸造实际生产压力铸造二、压力铸造的特点和适用范围

1．铸件的尺寸精度和表面质量最高。公差等级一般为

CT4~CT7级，Ra为0.8~12.5μm。

2．铸件的强度和表面硬度高。抗拉强度可比砂型铸造提高25~30%，但伸长率有所下降。

3．可压铸出形状复杂的薄壁件。壁厚0.3~0.5mm,孔

0.7mm

4．生产率高。国产压铸机每小时可铸

50~150次，最高可达500次。

5．压铸设备投资大，压铸型制造成本高，工艺准备时间长，不适宜单件、小批生产。6．由于压铸型寿命的原因，目前压铸尚不适宜铸铁、钢等高熔点合金的铸造。7．压铸件内部存在缩孔和缩松，表皮下形成许多气孔。应用：有色合金薄壁小件的大批量生产。如汽车制造业发动机的汽缸体，仪表的壳体、支架.2.2.3.4低压铸造

低压铸造是在0.2~0.7大气压的低压下将金属液注入型腔，并在压力下凝固成形，以获得铸件的方法。一、低压铸造的工艺过程1—铸型2—密封盖3—坩埚4—金属液5—升液管二、低压铸造的特点及应用范围应用：目前广泛应用于铸造铝合金铸件，如汽车发动机缸体、缸盖、活塞、叶轮等，也可用于球墨铸铁、铜合金等浇注较大的铸件，如球铁曲轴、铜合金螺旋桨等。1．浇注压力和速度便于调节，可适应不同材料的铸型。2．铸件的气孔、夹渣等缺陷较少。

3．便于实现顺序凝固，使铸件组织致密、力学性能高。

4．由于省去了补缩冒口，使金属的利用率提高到90~98%。

2.3.3.5离心铸造

离心铸造是指将熔融金属浇入旋转的铸型中，使液体金属在离心力作用下充填铸型并凝固成形的铸造方法。（一）离心铸造的类型铸型：金属型或砂型。分类：离心铸造机通常可分为立式和卧式两大类。离心铸造动画（三）离心铸造的特点及应用范围

1.液体金属能在铸型中形成中空的自由表面，不用型芯即可铸出中空铸件，简化了套筒、管类铸件的生产过程。2.由于旋转时液体金属所产生的离心力作用，离心铸造可提高金属充填铸型的能力，因此一些流动性较差的合金和薄壁铸件都可用离心铸造法生产。3.由于离心力的作用，改善了补缩条件，气体和非金属夹杂物也易于自金属液中排出，产生缩孔、缩松、气孔和夹杂等缺陷的几率较小。4.无浇注系统和冒口，节约金属。

5.金属中的气体、熔渣等夹杂物，因密度较轻而集中在铸件的内表面上，所以内孔的尺寸不精确，质量也较差；铸件易产生成分偏析和密度偏析。应用：铸铁管、汽缸套、铜套、双金属轴承、特殊钢的无缝管坯、造纸机滚筒等铸件的生产。离心铸件最大直径可达3米，最大长度8米最大重量达几公斤到十多吨2.3.3.6消失模铸造

消失模铸造又称气化模铸造和实型铸造，它是采用泡沫塑料代替木模或金属模进行造型。造型后模样不取出，浇入金属液后，模样燃烧气化消失，金属液填充模样的位置，冷却凝固成铸件的生产方法。a)模样b)浇注前的铸型c)浇注d)铸件一、消失模铸造的工艺过程（二）消失模铸造的特点和适用范围

1.工序简单、生产周期短、效率高，劳动强度低；2.铸件尺寸精度高，CT5~CT7，表面粗糙度低Ra为

6.3~12.5μm；3.可采用无粘结剂型砂，铸件清理方便；4.零件设计自由度大，即结构工艺性好。5.泡沫是一次性的，易出现黑渣、针空。消失模铸造适用范围较广，几乎不受铸件结构、尺寸、重量、材料和批量的限制，特别适于生产形状复杂的铸件。2.4

压力加工

2.4.1概

述

5．模型锻造一、金属塑性成形（压力加工）金属材料在外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。二、塑性成形的基本生产方式

1．轧制2．挤压3．拉拔4．自由锻造6．板料冲压金属塑性加工方法1）零件大小不受限制；2）生产批量不受限制。三、塑性成形（压力加工）的特点1．力学性能高1）组织致密；2）晶粒细化；3）压合铸造缺陷；4）使纤维组织合理分布。2．节约材料1）力学性能高，承载能力提高；2）减少零件制造中的金属消耗（与切削加工相比）。

3．生产率高4．适用范围广2.4.2金属塑性成型原理

一、金属塑性变形的实质

具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，当内应力超过金属的屈服点后，就会发生塑性变形，外力停止作用后，金属的变形并不完全消失。

金属的变形实际上就是组成金属的晶粒的变形，晶粒的变形包括晶内变形和晶间变形两种。

二、金属单晶体的塑性变形

单晶体金属塑性变形的基本方式是滑移变形和孪晶变形。其中滑移是最主要的变形方式。

1.滑移变形晶体内的一部分相对另一部分，沿原子排列紧密的晶面作相对滑动。单晶体滑移变形滑移是由于滑移面上的位错运动而产生的。

当很多晶面同时滑移积累起来就形成滑移带纯铝试件的拉伸试验及位错模型地毯的邹折移动与位错的运动电子显微镜下的位错运动2.孪晶变形晶体在外力作用下，晶体内一部分原子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动孪晶变形三、金属多晶体的塑性变形多晶体中每个晶粒的塑性变形与单晶体相同。但是由于晶粒间有晶界存在，各单晶粒的位向又不相同，故多晶体的塑性变形要比单晶体更加困难和复杂。

(1)晶内变形

(2)晶粒间的的滑移和转动

1.冷变形强化

指金属在低温下进行塑性变形时，随着变形程度的增加，金属的强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象，又称加工硬化或冷作硬化。四、塑性变形对金属组织和性能的影响

冷变形强化的原因滑移面附近的晶粒碎晶块，晶格扭曲畸变，增大滑移阻力，使滑移难以进行。

对某些不能通过热处理来强化的金属，可用低温变形来提高金属强度指标，如用冷轧、冷拔和冷挤来提高低碳钢、纯铜、防锈铝等所制型材和锻压件的强度和硬度。但在塑性加工中，冷变形强化使塑性变形困难，故采用加热的方法使金属再结晶，而获得好的塑性。2.回复与再结晶

金属经冷塑性变形后，晶格畸变严重。位错密度增加，晶粒破碎，产生内应力等导致系统自由能升高，因而处于组织不稳定的状态，它具有自发地恢复到原来自由能较低状态的趋势。但在室温时，由于原子活动能力不足，这种不稳定状态尚能维持相当长时间而不发生变化。若将冷变形金属加热，因原子活动能力增强，将会产生一系列组织与性能的变化。随着温度的升高，将依次产生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段，

回复回复加工硬化得到部分消除～加工硬化使金属晶体处于不稳定的应力状态，被扭曲的晶格中处于高位能的金属原子，力图恢复到平衡位置。当温度升高时，金属原子获得热能，使冷变形时处于高位能的原子回复到正常排列，消除由于变形而产生的晶格扭曲的过程，可使内应力减少。再结晶再结晶加工硬化完全消失当继续提高加热温度时，金属内部原子活动能力进一步提高，以某些碎晶或杂质为核心，重新生核、长大，形成新的等轴晶粒，从而使金属的组织和性能恢复到变形前的状况。加工硬化现象完全消失，这个过程称为再结晶。

应用加工硬化：强化金属性能；使进一步变形困难，给生产带来麻烦。回复：冷拉钢丝卷制的弹簧进行低温退火，保持冷拉钢丝强度，消除冷卷弹簧时产生的内应力。再结晶：冷轧、拉拔、冲压过程中再结晶退火，消除加工硬化。加工硬