材料成形2-1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,材料成形工艺基础,机械分院,主讲 智小慧,2010,年,9,月,1,绪 论,2,本部分主要内容,一、在本专业课程体系中的位置,二、与金属工艺学课的关系,三、学习这门课的重要意义,四、材料成形的发展历史、现状及趋势,五、课程特点、要求及学习方法,六、教材及参考书,七、课时安排,3,绪 论,一、课程体系,金工实习,机械专业基础课,生产实习,专业课,制造：,材料成形技术基础,机械制,暗暗啊,造技术基础,设计：机械原理,机械设计,机械制造过程录像,4,绪 论,一、课程体系,金工实习,机械专业基础课,生产实习,专业课,制造：,材料成形技术基础,机械制,暗暗啊,造技术基础,设计：机械原理,机械设计,机械制造过程录像,5,一、课程体系,金工实习,机械专业基础课,生产实习,专业课,制造：,材料成形技术基础,机械制,暗暗啊,造技术基础,设计：机械原理,机械设计,机械制造过程录像,6,二、与金属工艺学课的关系,1,金属工艺学,定义：研究有关制造,金属机件,的工艺方法。,基本工艺方法：,铸造,、,塑性成形,(,压力加工,),、,焊接,、,切削加工,和,热处理,。,7,2,材料成形技术基础,定义：除切削加工外的,工程材料,的成型工艺。,成形工艺：铸造成形、塑性成形、焊接成形、粉末冶金成形、非金属材料成形、复合材料成形、快速成形。,8,材料成形,：几何尺寸的变化，,成分、组织结 构及性能,的变化。（热加工）,切削加工,：几何尺寸的变化。（冷加工）,热处理,：主要是,组织结构及性能,的变化。（热加工）,9,三、学习这门课的重要意义,1,、课程要求：,（,1,）选择毛坯,（,2,）分析零件结构工艺性,（,3,）制定材料成形工艺,2,、课程特点：实践性强、内容多、,记忆量大,3,、学习方法：,笔记,+,作业,+,复习。,在理解基础上记要点，,多,少，少,多。,10,四、课程要求、特点及学习方法,1,、课程要求：,（,1,）选择毛坯,（,2,）分析零件结构工艺性,（,3,）制定材料成形工艺,2,、课程特点：实践性强、内容多、,记忆量大,3,、学习方法：,笔记,+,作业,+,复习。,在理解基础上记要点，,多,少，少,多。,11,五、教材及参考书,材料成形工艺基础,，沈其文，华中科技大学出版社,金属工艺学,，邓文英，高等教育出版社,材料成形技术基础,，翟封祥，哈尔滨工业大学出版社,12,六、材料成形的发展历史、现状及趋势,1,、,历史,：石器,青铜器,铁器,材料成形发展历史录像,2,、现状,：制造业的重要组成部分。,全世界,75%,的钢材经塑性加工，,45%,的金属结构用焊接得以成形，机床重量的,70-90%,是铸件。,我国铸件年产量超过,1400,万,t,，,世界第一。,汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。钢材（约,45%,）、铝合金（约,13%,）及铸铁（约,7%,）通过锻压、焊接和铸造成形。,汽车工业录像,13,3,、,发展趋势,：,（,1,）,精密,的材料成形,近无余量成形。,精铸、精密压力加工、精密焊接与切割等。,（,2,）,优质,的成形技术,近无缺陷、零缺陷。,模拟技术；工艺过程控制及无损检测。,14,（,3,）,快速,的成形技术,提高生产率。,逆向工程（,RE,）：仿造。实物,图形,制造。,（,Reverse Engineering,）,快速成形（,RP,）：一层层堆加。,（,Rapid,PrototyPing,）,（,4,）,复合,的材料成形,多种新能源：激光、电子束、离子束、等离子束成形；,复合工艺：加工过程、检测过程、物流过程、装配过程,复合,制造系统。,15,（,5,）,绿色,的材料成形,清洁生产、少废料、无污染、低能耗。,（,6,）,信息化,(,计算机的应用,),柔性、集成系统，信息和控制技术，远程控制和无人化成形工厂。,16,第一篇 金属的铸造成形工艺,第一章 铸造成形工艺理论基础,17,1.1,铸造成形工艺的特点和分类,定义,：将液态金属浇入到,具有与零件形状、尺寸相适应的,铸型型腔中，待其冷却凝固后，以获得毛坯、或零件的工艺方法，称为“铸造”。,液态金属,浇注,铸型型腔,冷却凝固,毛坯、零件,铸件,：通过铸造成形得到的毛坯、零件。,18,一、工艺特点,铸造的优点：,（,1,）可制造,形状,复杂（尤其内腔）的毛坯。,（,2,）适应范围广。（零件的,材料、大小、批量,不受限制）,（,3,）铸件成本低。（可直接利用废机件和切屑，加工余量小，设备费用低）,19,铸造的缺点：,（,1,）生产过程复杂，影响因素多。,（,2,）易产生缺陷，废品率较高。,（,3,）力学性能低于塑性成形件。,铸造生产工艺过程,20,二、分类,(,按铸造方法,),（,1,）砂型铸造,大小、形状、批量不限，成本低，应用广（,90%,以上）。材料为金属。,（,2,）特种铸造,铸件品质高，生产率高，使用局限性，成本高。,熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造。,造型方法可分为,手工,造型和,机器,造型两大类,21,1.2,合金的铸造性能,铸造性能,：,合金在铸造过程中获得,尺寸精确、结构完整,的铸件的能力。,包括,：,合金的流动性、收缩性、吸气性及成分偏析倾向性等。,作用,：影响铸件品质，是选材、工艺、铸件结构设计的依据。,22,一、合金的充型,充型：液态合金填充铸型的过程。,充型能力,：液态合金充满铸型型腔，获得形状准确、轮廓清晰铸件的能力。,缺陷,：浇不足、冷隔。,影响充型能力的主要因素：合金的流动性、浇注条件、铸型填充条件,。,23,1,、合金的流动性,合金的流动性：合金本身在液态下的流动能力。,流动性，则充型能力。,并有利于夹杂物、气体和熔渣的排除；有利于补缩；易形成轮廓清晰的薄壁复杂铸件。,24,流动性，产生浇不足、冷隔；间接引起气孔、夹渣、缩孔。,灰铸铁、硅黄铜,铝合金,铸钢,流动性的测定：螺旋试样法,25,螺旋型试样,在相同的浇注工艺条件下，将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！,螺旋试样法,26,（,1,）影响流动性的因素,化学成分,:C,S,P,。,a),碳,几个概念：,液相线、,固相线、,浇注温度、,熔点、,过热度、,凝固温度范围，,则流动性,？,对应书上图,1-2,27,共晶：流动性最好，凝固温度范围为零。,无液固共存区。,逐层凝固,：表层,中心，结晶前沿较平滑，流动阻力小。,亚共晶、过共晶：流动性差，凝固温度范围大。,有液固共存区。,糊状凝固,：前沿粗糙，流动阻力大；树枝晶表面积大，导热快，加速凝固。,对应书上图,1-3,28,碳,凝固温度范围,或,流动性,凝固温度范围，则流动性,b),磷：,P,，,降低粘度，,流动性,，引起铸铁的冷脆性。适用：力学性能要求不高的小件、薄壁件、艺术品。,c),硫：,S,，,增加粘度，,流动性,。,29,（,2,）铸件的凝固方式,(a),逐层凝固,(b),中间凝固,(c),糊状凝固,30,内容回顾,铸造的特点：,形状、材料、大小、批量,不受,限制，成本低。,砂型铸造、特种铸造,影响充型能力的主要因素：,(1),合金的流动性,(2),浇注条件,(3),铸型填充条件,31,2,、浇注条件,（,1,）浇注温度,浇注温度,合金过热度高，,充型能力,。,浇注温度过高,合金膨胀过大，收缩增加，吸气、氧化严重，易产生缩松、缩孔、粘砂、气孔、粗晶等缺陷。,应用：,薄壁复杂件，合金流动性较差的铸件，可提高浇注温度。,（,2,）浇注压力,充型压力,，则流动性，,充型能力,。,应用：,增加直浇道高度，压力铸造，离心铸造。,32,3,、铸型填充条件,（,1,）铸型导热能力,铸型材料,导热系数和比容,，对合金的,激冷,作用越强，合金的,充型能力,。,（,2,）铸型温度,铸型温度，充型能力。,（,3,）铸型的阻力,阻力，则充型能力。,（型腔越狭窄、复杂，铸型材料发气量大）,33,感受铸造,感受铸造,34,35,36,37,38,二、合金的收缩性,（通常物质均热胀冷缩）,1,、合金收缩的概念,定义：合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程中,体积或尺寸缩减,的现象。,导致缺陷：,缩孔、缩松,、变形、裂纹,。,三个阶段：液态收缩：,液,：,T,浇,T,液,之间,凝固收缩,:,凝,：,T,液,T,固,之间,固态收缩,:,固,：,T,固,T,室,之间,分类：,体积收缩：体收缩率，,液态、凝固收缩。,导致缩孔、缩松,。,尺寸收缩：线收缩率，,固态收缩。,导致变形、裂纹、内应力,。,铸钢收缩率,灰铸铁,39,2,、影响合金收缩的因素,（,1,）化学成分,c,si,，,则收缩率,。（利于石墨化）,s,，则收缩率,。（阻碍石墨化）,（,2,）浇注温度,T,浇,过热度,(,T,浇,-T,液,）,液,(,液态收缩,）,收缩率,（,3,）铸件结构和铸型条件,自由收缩、受阻收缩（收缩率较小）,受阻的原因：铸件各部分冷却速度不同,收缩不一致相互约束、产生阻力；铸型、型芯机械阻力,铸件结构复杂,，铸型硬度,，芯骨粗大,，则,收缩阻力,，,收缩率,形成石墨比形成,Fe3C,使铸铁的体积增大,40,3,、铸件中的缩孔与缩松,（,1,）缩孔与缩松的形成,液态收缩和凝固收缩、容积得不到补足。,缩孔的形成,液态金属充满铸型,铸件外壳液面下降最后凝固部位,图,1-5,缩孔的形成过程,特征,：集中孔洞，呈倒锥形，内表面粗糙。,纯金属、共晶成分合金易形成缩孔。,？,41,缩松的形成,凝固前沿凹凸不平,数量众多小液体区缩松,特征,：细小分散孔洞。,宏观缩松：肉眼或放大镜，中心线附近。,显微缩松：显微镜，晶粒间，分布广泛。,图,1-6,缩松的形成过程,结论：,逐层凝固,缩孔，糊状凝固,缩松。,结晶区间（凝固温度范围）,缩松,？,。,42,(2),缩孔和缩松的防止,缩孔的防止,缩孔的危害：减小铸件承载面积，降低,承载能力,。,防止方法：,冒口,+,冷铁,定向凝固,。,定向凝固,：,厚大部位安放冒口，远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口部位后凝固，冒口本身最后凝固。,43,设置冒口法（冒口形状的选择、大小的计算补缩通道、补贴、补缩距离）,冒口、冷铁共用法,44,内置冷铁法,外置冷铁法,45,冒口,作用：控制凝固方向，补缩（,补缩通道,）。,位置：厚大部位（,热节,处）,冷铁,作用：加速铸件局部冷却，控制凝固方向，,不补缩。,位置：不易放冒口的,热节,处。,外冷铁：可重复使用，安放在砂型中。应用多。,内冷铁：不可重复使用，材质与铸件相同，熔合,在铸件内。用于不重要的铸件中。,形状复杂的铸件可设置多个冒口、冷铁。,46,图,1-8,阀体铸件的定向凝固,缩松的防止,缩松的危害：影响铸件的,气密性,。,防止方法：,加大冷却速度,热节处安放,冷铁,，,砂型局部表面涂敷,激冷涂料,。,加大结晶压力,破碎枝晶，减少流动阻力。,只可部分防止缩松,。,47,4,、铸造内应力及铸件的变形和裂纹,（,1,）内应力的形成,固态收缩,内应力,变形和裂纹,s,产生变形，,b,金属断裂。,按照形成原因，分为热应力和机械应力。,热应力,定义：它是由于,铸件,的,壁厚不均匀,、各部分的,冷却速度不同,，以致在同一时期内铸件各部分,收缩不一致,、,相互约束,而引起的。,48,第一阶段,：,再,以上。瞬时应力通过塑性变形而自行消除。,第二阶段,：细杆,再,以下（受拉），粗杆,再,以上（受压）。内应力随粗杆塑变而消除，两杆同时缩短。,第三阶段,：,再,以下。粗杆温度高，收缩大；细杆温度低，收缩趋于停止。,粗杆受拉，细杆受压,，形成残余应力。,图,1-10,，,1-11,热应力的形成,粗杆（冷却慢的部分）短，细杆长,49,热应力的规律：,（,a,）,缓冷部位（厚壁、心部）受拉伸。,快冷部位（薄壁，表层）受压缩,。,（,b,）,温差,，,定向凝固,，,固态收缩率,，弹性模量,，则,热应力,。,热应力的防止：缩小温差，均匀冷却。,措施：材料,弹性模量小的合金，,设计,壁厚均匀，,工艺,同时凝固。,同时凝固,：内浇道开在薄壁处，厚壁处放冷铁，使各部位同时凝固。,目的：减小铸造内应力、防止铸件变形和裂纹。尤适用于,形状复杂薄壁件,。,50,机械应力（收缩应力）,定义：铸件的固态收缩受到,铸型或型芯,的,机械阻碍,而形成的内应力。,机械应力是,暂时,正应力或剪应力，落砂后可局部或全部消除。,与热应力共同作用，增加裂纹倾向。,51,(2),铸件的变形与防止,残余内应力,不稳定状态,通过变形缓解应力,回到稳定状态。,了解变形的规律：,（,预计变形方向）,受拉伸部分产生压缩变形，,受压缩部分产生拉伸变形。,52,形梁：,厚部受拉产生压缩变形,上凹下凸。,床身：上凹下凸，导轨内凹。,平板：中心、下部冷却慢，受拉,压缩变形。,53,铸件变形归纳,由于内应力的存在，厚薄不均、截面不对称以及细长杆、板、轮类零件，在铸造应力超过铸件材料的屈服极限时，产生的翘曲变形。,54,防止变形的办法：,1,）减小应力的各种方法。,2,）铸件壁厚设计均匀，结构对称。,3,）,反变形法,：最有效。,4,）粗加工后时效处理：,自然时效,（露天放置半年）,人工时效,（去应力退火）,5,）振动去应力,。,55,发生期,引发,因素,特征,倾向,防止,措施,热 裂,thermal cracking,凝固,高温,机械,应力,(,铸型阻力,),短宽,曲氧,塑性,区宽,退让性，控制,S,冷 裂,凝固,低温,复合,应力,光滑,穿晶,脆性，大型,壁厚均匀，控制,P,（,3,）,.,裂 纹,裂纹是铸造内应力超过金属材料抗拉强度的产物。,热裂：凝固后期因机械应力超强而产生。影响因素：合金性质和铸型阻力。,冷裂：继续冷却至室温形成的裂纹。特点,塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性,延伸率,断口收缩率,56,最低再结晶温度与其熔点之间存在如下近似关系：,T,再,0.4T,熔，其中,T,再、,T,熔为绝对温度（,K,）。,例如，,Fe,的熔点为,1538,，则其再结晶温度为,T,再,=,（,1538+273,）,0.4=724K,，即,451,。,57,铸件特殊位置的裂纹示意图,裂纹的常见部位：,58,冷裂示意图,产生原因：温度下降，,铸，,铸,b,时，则产生裂纹；,冷裂常出现在复杂铸件受拉应力的部位，特别是应力集中处,（如尖角处、缩孔、气孔、夹渣等缺陷附近）。壁厚差悬殊，,结构复杂的铸件易于发生冷裂。不同铸造合金冷裂倾向不同，,灰口铸铁、白口铸铁、高锰铜等塑性差的合金较易产生。,防止措施：,a,减少铸造应力；,b,降低合金中,P,的含量；,c,去应力退火；,d,设计铸件时应避免应力集中。,59,热裂示意图,热裂纹是铸钢件和铝合金铸件常见的缺陷。,凝固末期，结晶出来的晶体已形成完整的骨架，,开始固态收缩，但晶粒之间还有少量液体金属，,形成液膜，强度很低。如果固态收缩受到砂型和,砂芯的阻碍，机械应力超过此时金属液膜的抗拉强度，,即发生热裂。很明显，零件结构不合理、合金的收缩,率高、型砂或芯砂的退让性差，合金的高温强度低等，,都使铸件易于产生热裂纹。,防止措施：,a,合理设计铸件结构；,b,改善铸型和型芯的退让性；,c,限制铸钢和铸铁中的,S,含量；,d,选用结晶温度区间小的合金。,60,铸件的裂纹与防止,热裂纹：接近固相线的高温下形成。,特征：短而宽、形状曲折、呈氧化色。,产生：晶粒间有少量液体，强度很低，,机械应,力,超过强度。（落砂前）,热裂纹在,铸钢、铝合金,中常见。,防止：,材料,-,选择凝固温度范围小、热裂倾向小的合金，减小,S,含量。,结构,-,降低凝固过程中的应力。,型砂,-,增加退让性。,61,冷裂纹：较低温度下（,400,以下）。,特征：,细小、连续直线，呈轻微氧化色或金属光泽,。,产生：（落砂前后）,热应力和机械应力，受拉部位或应力集中处。,壁厚差大，形状复杂，大的薄壁件易冷裂；,灰铸铁,、白口铸铁、高锰钢易冷裂。,防止：,合理设计铸件结构；降低内应力；减少,P,含量；落砂后及时消氢处理；,防裂肋,。,62,三、,合金的吸气性,气孔的危害：减少承载面积，引起应力集中，降低,力学性能,；降低,气密性,。,1,、侵入气孔,形成：,砂型和型芯,中水分蒸发，有机物及附加物挥发,气体,排气不畅,侵入金属液中。,特征：位于砂型和型芯表面,附近，尺寸较大，,呈椭球形或梨形。,防止：降低发气量，,增强排气能力。,图,1-19,侵入气孔,63,2,、析出气孔,形成：冷凝中,金属液,中的气体熔解度下降,析出气泡遇阻不能排出。,特征：尺寸较小，分布面积较广。,铝合金中常见，,“针孔”,，影响气密性。,防止：炉料中不含水、油、锈等污物；严格工艺；减少金属液与空气接触；炉气为中性气氛。,3,、反应气孔,形成：液态金属铸型、芯撑、冷铁、熔渣,化学反应,防止：芯撑、冷铁不得有锈蚀、型砂涂料的选择。,64,四、,铸件常见缺陷,casting flaw,冷隔,cold shut,、,浇不足,Miss run,气孔,porsity,粘砂、夹砂,inclusions,砂眼,sand hole,，胀砂,65,冷隔,，,浇不足,若充型能力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生,浇不足,或,冷隔,等缺陷。,影片,66,浇不足和冷隔示意图,a,）,一般冷隔,b,）,断流冷隔,c,）,熔合不良,Short Shot,weldline,67,a),气孔,b),表面气孔,c),针孔,d),表面针孔,气孔视频,气孔,气体在金属液结壳之前未及时逸出，在铸件内生成的,孔洞类,缺陷。,气孔的内壁光滑，明亮或带有轻微的氧化色。铸件中产生气孔后，将会减小其,有效承载面积，且在气孔周围会引起应力集中而,降低铸件的抗冲击性和抗疲劳性,。,气孔还会降低铸件 的致密性，致使某些要求承受水压试验的铸件报废另外，,气孔对铸件的耐腐蚀性和耐热性也有不良的影响。,防止气孔的产生：降低金属液中的含气量，增大砂型的,透气性,，,以及在型腔的最高处增设,出气冒口,等。,68,表面针孔,69,粘砂、夹砂,inclusions,动画,粘砂、夹砂视频,粘砂,.,铸件表面上粘附有一层难以清除的砂粒称为粘砂。粘砂既影响铸件,外观,，又增加铸件清理和,切削加工,的工作量，甚至会影响机器的寿命。例如铸齿表面有粘砂时容易损坏，泵或发动机等机器零件中若有粘砂，则将影响燃料油、气体、润滑油和冷却水等流体的流动，并会玷污和磨损整个机器。防止粘砂：在型砂中加入,煤粉,，以及在铸型表面涂刷防粘砂涂料等。,70,粘砂和表面粗糙度示意图,a,）,机械粘砂,b,）,化学粘砂,c,）,热粘砂,d,）,表面粗糙度,71,72,本章小结,铸造成形基本理论：,充型能力：流动性、浇注条件、铸型填充条件。,缩孔、缩松：原因。,内应力、变形、裂纹：应力和变形规律。,定向凝固与同时凝固。,铸造缺陷的简介,作业：,（），（），（）,73,