材料成形技术-金属材料成形基本原理.ppt

金属材料成形,技术,第,七,组,原材料,（锭料、轧材）,凝固成形,塑性成形,焊接成形,毛坯,切削加工,零件,机器,装配,切削加工,凝固成形,塑性成形,焊接成形,热处理,热处理,切削加工,表面加工,材料加工概述,零件或材料的四种加工方法：,1.成形加工：凝固成形、塑性成形、焊接成形、粉末压制、塑料成形；,2.切除加工：车、铣、刨、钻、磨、电火花、电解、超声加工、激光加工等；,3.表面成形加工：表面形变、淬火强化、化学强化、表面镀层、气相沉积镀膜；,4.热处理加工：退火、正火、淬火、回火；,材料基本加工要素及流程,金属材料成型的几种基本原理,1.1 铸造成形基本原理,1.2 塑性成形基本原理,1.3 焊接成形基本原理,一：,铸造成形基本原理,1.1.1 熔融金属的充型凝固过程,1.1.2 金属与合金的铸造性能,1.1.3,铸件的组织与性能,铸造,：将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。铸造是生产机器零件毛坯的主要方法之一，其实质是液态金属逐步冷却凝固成形。,铸造的优点,：,1）可以铸出内腔、外形很复杂的毛坯；,2）工艺灵活性大。几乎各种合金，各种尺寸、形状、重量和数量的铸件都能生产；,3）成本较低。原材料来源广泛，价格低廉。,铸造的缺点：,2）铸件的机械性能较低。,3）铸造工序多，难以精确控制，使铸件质量不够稳定。,4）劳动条件较差,劳动强度较大。,1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。,机床、内燃机、重型机器,机 械 类 别,风机、压缩机,拖拉机,农业机械,汽车,%,70,90,60,80,50,70,40,70,20,30,表2-1 各类机械工业中铸件重量比,铸造在机械制造业中应用十分广泛，在各种类型的机器设备中铸件占很大比重。如表2-1所示。,1.1.1 金属的凝固,1.液态金属的结构与性质,1）液态金属的结构：,固态金属经加热变为熔融状态即得液态金属，是由呈有序排列的游动原子集团组成，其结构与原有固体结构相似，但热运动剧烈，温度越高，热运动越剧烈，原子集团越小，游动越快。,2）液态金属的性质,：具有粘度和表面张力。,2.液态金属的凝固,液态金属由液态转变为固态的过程，包括形核和长大两个过程。得到的凝固组织（铸态晶粒形态、大小、分布、缺陷等）取决于成分、冷却速度、形核条件等。,3.铸件的凝固方式,在铸件凝固过程中，铸件断面上存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。其中凝固区对铸件质量有较大影响。铸件的凝固方式也可根据凝固区的宽窄来划分，如图2-1。,a)逐层凝固,b)中间凝固,c)糊状凝固,图2-1 铸件的凝固方式,1）逐层凝固,：纯金属或共晶成分的合金的凝固，如图2-1a；,2）糊状凝固,：结晶温度范围很宽的合金的凝固，如图2-1c；,3）中间凝固,：介于逐层凝固和糊状凝固之间，大多数合金为此凝固方式，如图2-1b所示。,铸件质量与凝固方式有关，逐层凝固时，合金充型能力强（流动性好），便于防止缩孔、缩松。而糊状凝固时，充型能力差，易产生缩松。,4.影响铸件凝固方式的因素,1）合金的结晶温度范围:,结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越倾向于逐层凝固。低碳钢，近共晶成分铸铁倾向于逐层凝固，高碳钢、远离共晶成分铸铁倾向于糊状凝固。,2）铸件的温度梯度：,在合金的结晶温度范围已定时，若铸件的温度梯度由小变大，则凝固区由宽变窄，倾向于逐层凝固。如图2-2所示。,图2-2 温度梯度对凝固区域的影响,铸件温度梯度主要取决于：,a)合金的性质。,合金的凝固温度越低、热导率越高、结晶潜热越大，温度梯度越小，如多数铝合金。,b)铸型的蓄热能力,越强，激冷能力越强，温度梯度越大，如金属型铸造易得致密组织。,c)浇注温度越高，,温度梯度减小。,1.1.2 金属与合金的铸造性能,铸造性能,是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力；用,充型能力、收缩性,等来衡量。,1.1.2.1 充型能力,充型能力：,熔融金属或合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。主要影响因素有：,图2-3 螺旋形标准试样,1.金属或合金的流动性,流动性是熔融金属的流动能力，合金的流动性用浇注流动性试样的方法来衡量，一般采用如图2-3所示的螺旋形试样。流动距离越长，表明流动性越好。,决定合金流动性的主要因素有,：,1）合金的种类,。,2）合金的成分,。同种合金，成分不同，其结晶特点不同，流动性也不同。如图2-4所示铅锡合金的流动性与相图的关系；纯金属和共晶合金在恒温下结晶，为逐层凝固方式，,如,图2-5a,所示，凝固层表面光滑，阻力小，故流动性好，同时共晶合金熔点最低，故流动性最好。而亚共晶合金，为中间凝固方式，复杂枝晶阻碍流动，故流动性差，,如图,2-5b,所示。,图2-4铅锡合金的流动性与相图的关系,图2-5 结晶特性对流动性的影响,a),恒温下,b),一定温度范围,3）杂质和含气量,。固态夹杂物使粘度增加，流动性下降；如灰铁中的MnS；含气量越少，流动性越好。,2.浇注条件,1）浇注温度,浇注温度越高，保持液态的时间越长，流动性越好；温度越高，合金粘度越低，阻力越小，充型能力越强。故提高浇注温度能有效提高充型能力；但过高吸气量和总收缩大，易产生铸造缺陷。故在保证充型能力的前提下温度应尽量低。生产中薄壁件常采用较高温度，厚壁件采用较低浇注温度。,2）充型压力,压力越大，充型能力越强。,3.铸型条件,1）铸型的蓄热能力越强，充型能力越差；,2）铸型温度越高，充型能力越好；,3）铸型中的气体阻碍充型；,4）铸件结构，壁厚过小、壁厚变化剧烈、结构复杂、大平面都影响充型。,1.1.2.2 合金的收缩,1、收缩。,合金从液态冷却至常温的过程中，体积或尺寸缩小的现象。通常用体收缩率或线收缩率来表示：,体收缩率,线收缩率,式中,、合金在 、时的体积（）；,、合金在 、时的长度（）；,、合金在 至 温度范围内的体收缩系数,和线收缩系数（）,合金的收缩过程可分为三个阶段：如图2-6所示。,1）液态收缩。,指合金从浇注温度冷却到液相线温度过程中的收缩。,2）凝固收缩。,指合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收缩。结晶温度范围越大，收缩率越大。,液态和凝固收缩时金属液体积缩小，是形成缩孔和缩松的基本原因。,3）固态收缩。,指合金从固相线温度冷却到室温时的收缩。用线收缩率表示。它对铸件形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因,。,图2-6 铸造合金收缩过程示意图,I液态收缩 II凝固收缩 III固态收缩,a)合金状态图 b)一定温度范围合金 c)共晶合金,a)b)c),2.影响收缩的因素,1）化学成分 ；,2）浇注温度越高，过热度越大，收缩越大；,3）铸件结构和铸型条件，铸件结构造成各部分冷却速度不同，产生内部应力阻碍收缩；铸型和型芯产生机械阻力。,收缩是造成缩孔、缩松、应力、变形和裂纹的基本原因;充型能力不好，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。,1.1.3,铸造性能对铸件质量的影响,1.1.3.1,缩孔和缩松,凝固结束后在铸件某些部位出现的孔洞。大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称缩松。缩孔缩松可使铸件力学性能大大降低，以致成为废品。,缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿。缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域，此区域也称热节。,（1）缩孔的形成,金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件壁以逐层凝固方式凝固。,形成过程如图2-7,所示。,1.缩孔和缩松的形成,图2-7 缩孔形成过程示意图,（2）缩松的形成,其基本原因也是液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。但主要出现在糊状凝固的合金中，或断面较大的铸件壁中。形成过程如图2-8所示。,一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近，也常分布在集中缩孔的下方。,图2-8 缩松形成过程示意图,（3）缩孔缩松的形成规律,1）合金的液态收缩和凝固收缩越大（如铸钢、白口铁等），铸件越易形成缩孔。,2）合金的浇注温度越高，液态收缩越大，越易形成缩孔。,3）结晶温度范围宽的合金，倾向于糊状凝固，易形成缩松。纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成缩孔。,2.缩孔和缩松的防止,一定成分的合金，缩孔、缩松的数量可以相互转化，但其总容积基本一定，如图2-9所示。,图2-9铁碳合金成分与体积收缩率的关系,防止缩孔和缩松的基本原则是：,采用合理的工艺条件，使缩松转化为缩孔，并使缩孔移至冒口中。,（1）按照顺序凝固原则进行凝固,是指采用各种工艺措施，使铸件上从远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固，如图2-10所示，使缩孔转移到冒口中。,（2）合理确定内浇道位置及浇注工艺,内浇道的引入位置应按照顺序凝固原则确定；浇注温度和浇注速度应根据铸件结构、浇注系统类型确定，慢浇有利于顺序凝固，有利于补缩，消除缩孔。,适用于收缩大或壁厚差别大，易产生缩孔的合金铸件,，,如铸钢,、,高强度灰铸铁,、可锻铸铁等。,图2-10顺序凝固原则示意图,（3）合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施,冒口,，在铸件厚壁处和热节部位设置冒口，是防止缩孔、缩松最有效的措施。,冷铁,，,用铸铁、钢、铜等材料制成的激冷物。加大冷却速度，调节凝固顺序。,补贴,，,在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔型厚度，使铸件壁厚变成朝冒口逐渐增厚的形状，即造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度，增大补缩距离。,三者综合应用是消除缩孔缩松的有效措施,，如图2-11所示。,图2-11 冒口冷铁的作用,1.1.3.2 铸造应力,铸造应力,:铸件的固态收缩受到阻碍而引起的内应力。可分为热应力和收缩应力；,热阻碍,：,铸件各部分由于冷却速度不同，收缩量不同而引起的阻碍,由,其引起的应力称,热应力,。,机械阻碍,：铸型、型芯对铸件收缩的阻碍,由,其引起的应力称,机械应力（收缩应力）,。,1.,热应力,第一阶段,，两者都塑性变形，无热应力；,第二阶段,，一塑性，一弹性，仍无热应力；,第三阶段,，两者均弹性变形，,冷却慢的受拉，快的受压。残留热应力和合金的弹性模量、线收缩系数、铸件各部分壁厚差别及温度差成正比。,图2-12 热应力的形成,由热阻碍引起，,落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种残留铸造应力，以框架铸件为例，说明残留热应力的形成过程，如图2-12所示，,其热应力形成过程分三阶段,。,2.,收缩应力,由机械阻碍产生，,一般都是拉应力，在形成应力的原因消除时，应力也随之消除。但如果临时拉应力和残留热应力同时作用在某瞬间超过铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。,如图,2-13,所示。,3.减小和消除铸造应力的措施,1）合理设计铸件结构。尽量避免牵制收缩的结构，如壁厚均匀，壁之间连接均匀等。,2）尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。,3）采用同时凝固的工艺。,如图,2-14,所示，各部分温差小，不易产生热应力。主要用于收缩较小的普通灰铸铁、结晶范围大，不易实现冒口补缩，对气密性要求不高的锡青铜铸件等。,图2-13 收缩应力的形成,图2-14 同时凝固原则,4）设法改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇冒口。,5）对铸件进行时效处理。自然时效、人工时效（去应力退火）和共振时效。,1.1.3.3 铸件的变形与裂纹,1.铸件的变形,残留铸造应力超过铸件材料的屈服极限时产生的翘曲变形,。如图2-15所示的框架铸件，图2-16的T形梁，当刚度不够时，将产生如图所示的变形。再,如图2-17,所示的车床床身的变形。,图2-15 框架铸件的变形,图2-16 T形梁的变形,图2-17 车床床身导轨面的变形,防止铸造应力的方法也是防止变形的根本方法；同时在工艺上还可以采用反变形法，提早落砂去应力退火消除机械应力。,2.,铸件的裂纹：,当铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。可分为热裂和冷裂。,1）热裂,在凝固末期高温下形成的裂纹。裂纹表面被氧化而呈氧化色，裂纹沿晶粒边界产生和发展，外形曲折而不规则；裂纹短，缝隙宽。,产生原因：,凝固末期，合金绝大部分已成固体，但强度和塑性很低，当铸件受到机械阻碍产生很小的铸造应力就能引起热裂。分布在应力集中处或热节处。,防止热裂的措施：,应尽量选用凝固温度范围小、热裂倾向小的合金；,提高铸型、型芯的退让性，减小机械应力；,合理设计浇道、冒口；,对于铸钢、铸铁件，严格控制硫含量，防止热脆性。,2）冷裂,是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。其表面光滑，具有金属光泽或呈微氧化色，裂纹穿过晶粒而发生，外形规则，常是圆滑曲线或直线。防止方法是尽量减少铸造应力。,二：,塑性成形基本原理,1.2.1 塑性成形的实质,1.2.2 冷变形强化与再结晶,1.2.3 锻造比与锻造流线,1.2.4 塑性成形基本规律,1.2.5 金属的锻造性能,1.2.1 塑性成形的实质,具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，当内应力达到一定的条件，就会发生塑性变形；由于金属材料都是晶体，故要说明塑性变形的实质，必须从其晶体结构来说明。,1.单晶体的塑性变形,单晶体的塑性变形有两种方式：,滑移变形和双晶变形,。,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。其变形过程,如图3-2,所示。,晶体在晶面上的滑移，是通过位错的不断运动来实现的,。,如图3-3,所示。,当很多晶面同时滑移积累起来就形成滑移带，,如图3-4,所示，形成可见的变形。,a)未变形前 b)弹性变形 c)弹、塑性变形 d)塑性变形后,图3-2 单晶体的塑性变形,图3-3 位错运动形成滑移的示意图,图3-4 很多晶面滑移组成滑移带,2）双晶,：亦叫孪晶。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。,如图3-5,所示。,2.,多晶体的塑性变形,多晶体是由大量的大小、形状、晶格排列位向各不相同的晶粒所组成，故它的塑性变形很复杂，可分为,晶内变形和晶间变形,。晶粒内部的塑性变形称为晶内变形；晶粒之间相互移动或转动称为晶间变形。,如图3-6,所示。,多晶体的晶内变形方式和单晶体一样，,也是滑移和双晶，,但各个晶粒所处的塑性变形条件不同，即晶粒内晶格排列的方向性决定了其变形的难易，与外力成45度的滑移面最易变形。,因为其产生的切应力最大。,如图3-7,反映了晶粒位向与受力变形的关系。,图3-5 晶体的双晶变形,图3-6 多晶体塑性变形示意图,a)变形前 b)变形后,图3-7 多晶体晶粒位向与受力变形关系示意图,同时在多晶体的晶界处，由于相邻晶粒间的位向差别，产生晶格的畸变，并有杂质的存在，以及晶粒间犬牙交错状态，对多晶体的变形造成很大障碍。低温时，晶界强度高于晶粒内部强度，变形抗力大不易变形；高温时，晶界强度降低，晶粒易于相互移动。所以多晶体由于存在,晶界和各晶粒的位向差别，其变形抗力要远高于同种金属的单晶体。,1.2.2 冷变形强化与再结晶,金属塑性变形时，在不同的温度下，对金属组织和性能产生不同的影响。主要讨论加工硬化、回复和再结晶。,1.,冷变形强化（加工硬化）,指金属在低于再结晶温度以下进行塑性变形时，金属的强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象，,如图3-8,所示；变形程度越大，冷变形强化现象越严重。,图3-8 常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响,冷变形强化的原因是,：在塑性变形过程中，在滑移面上产生了许多晶格方向混乱的微小碎晶，滑移面附近的晶格也产生了畸变，增加了继续滑移的阻力，使继续变形困难。,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,将冷变形后的金属在较低温度加热时，金属原子获得热能，金属位错密度降低，畸变明显减弱，残余内应力显著下降，但金属的纤维状组织和力学性能变化不大，这一过程称为回复。,回复温度较低，对于纯金属，可用下式计算：,式中 -金属的绝对回复温度；,-金属的绝对熔化温度；,回复作用不改变晶粒的形状及晶粒变形时所构成的方向性，也不能使晶粒内部的破坏现象及晶界间物质的破坏现象得到恢复，只是逐渐消除晶格的扭曲程度。故回复作用可以降低内应力，但力学性能变化不大，强度稍降低，塑性稍提高。,如图3-9b,所示。,图3-9 金属的回复和再结晶示意图,a)塑性变形后的组织,b,）金属回复后的组织,c,）再结晶组,3.,再结晶,指当温度升高到一定程度时，金属原子获得更高的热能，通过金属原子的扩散，使冷变形强化的结晶构造进行改变，成长出许多正常晶格的新晶粒，新晶粒代替原变形晶粒的过程即为再结晶。,如图3-9c,所示。,再结晶过程：,先在变形金属中出现再结晶核心（小晶块，或破碎物），结晶核心周围的畸变晶格中的原子向再结晶核心聚集，从不稳定状态向稳定状态过渡，有秩序地排列起来，而形成新的具有正常晶格结构的晶粒，直至新晶粒完全形成，再结晶结束。如果继续升温或保温，再结晶晶粒还会聚合长大，即二次再结晶。,再结晶使内应力全部消除，强度降低，塑性增加。,如图3-10,所示为变形后的金属在加热时组织和性能的变化。,图3-10 变形后的金属在加热时,组织和性能的变化,1内应力曲线,2晶粒度曲线,3强度曲线（变形抗力）,4延伸率曲线,再结晶的最低温度称为再结晶温度，一般纯金属的再结晶温度为：,再结晶处理,：,利用金属再结晶过程消除低温变形后的冷变形强化，恢复金属的良好塑性，以利于后继的冷变形加工。,4.,冷变形和热变形,冷变形：,指金属在其再结晶温度以下进行塑性变形。如冷冲压、冷弯、冷挤、冷镦、冷轧和冷拔，能获得较高的硬度及表面质量。,热变形：,指金属在其再结晶温度以上进行塑性变形。如锻造、热挤和轧制等,，能消除冷变形强化的痕迹，保持较低的塑性变形抗力和良好的塑性。,1.2.3,锻造比和锻造流线（纤维组织）,1.,锻造流线的形成,在金属铸锭中含有的夹杂物多分布在晶界上，在金属塑性变形时，晶粒沿变形方向伸长，塑性夹杂物也随着变形一起被拉长，呈带状分布；脆性夹杂物被打碎呈碎粒状或链状分布；通过再结晶过程，晶粒细化，而夹杂物却依然呈条状和链状被保留下来，形成锻造流线。,如图3-11,所示。,锻造流线使金属的,力学,性能呈现,各向异,性，,平行于纤维方向塑性和韧性增加，垂直于纤维方向则下降。,2、,锻造比,它是锻造生产中代表金属变形量大小的一个参数，一般用锻造过程中的典型工序的变形程度来表示：如镦粗工序，锻造比为：,图3-11 热轧对晶粒组织的影响,拔长锻造比：,3.锻造比对金属的组织和性能的影响,一般情况下，增加锻造比，可使金属组织细密化，提高锻件的力学性能。但当锻造比过大，金属组织的紧密程度和晶粒细化程度已到极限，故力学性能不再升高，而增加各向异性。锻造比越大，锻造流线越明显，其力学性能的方向性越明显。,如图3-12,所示为碳素结构钢锭采用不同锻造比进行拔长后的力学性能变化曲线。当锻造比增加时，钢的强度在横向和纵向差别不大，而塑性和韧性纵向明显好于横向。,锻造流线的稳定性很高，而且用热处理不能消除。故在设计和制造易受冲击载荷的零件时，必须考虑锻造流线的方向，使最大正应力与流线方向一致，切应力或冲击应,图3-12 锻造比对力学性能的影响,力与流线方向垂直；使锻造流线的分布与零件的外形轮廓相符合，而不被切断。,如图3-13,所示的拖钩，,如图3-14,所示的齿轮。,1.2.4 塑性成形基本规律,塑性成形规律,：就是塑性成形时金属质点流动的规律，即在给定条件下，变形体内将出现什么样的位移速度场和位移场，以确定物体形状、尺寸的变化及应变场。从而为选择变形工步和设计成形模具奠定基础。,1.体积不变定律,金属塑性变形前后体积不变，实际中略有缩小；可计算各工序尺寸。,2.最小阻力定律,塑性变形时金属质点首先向阻力最小方向移动。一般金属某质点移动时阻力最小方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向，,如图3-15,，,图,3-16,所示。,图3-13 拖钩的纤维流线,图3-14 不同成形工艺齿轮的流线分布,a)棒料经切削成形 b)扁钢经切削成形,c),棒料镦粗后切削成形,d),热轧成形,图3-15 不同截面的金属流动情况,a),圆形,b),正方形,c),长方形,图3-16 金属镦粗变形,1.2.5,金属的锻造性能,金属的锻造性能,是用来衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度，是金属的工艺性能指标之一。常用金属的塑性和变形抗力两个因素来综合衡量。塑性越好，变形抗力越小，则锻造性能越好。影响金属锻造性能的因素有：金属的本质和金属的变形条件。,1.金属本质,的影响,1）金属的化学成分：,化学成分不同，塑性不同，锻造性能不同。,2）金属的组织状态：,组织结构不同，锻造性能不同；单一固溶体组成的合金，塑性好，锻造性能好；,铸态柱状组织和粗晶结构不如细小均匀的晶粒结构；,金属内部有缺陷也不一样。,1）变形温度,：温度升高，塑性上升，降低变形抗力，易于锻造；但温度过高也会产生相应的缺陷，如氧化，脱碳、过热和过烧等。故要严格控制锻造温度范围。,锻造温度范围,指始锻温度与终锻温度间的温度范围，以合金状态图为依据。,对始锻温度，原则是在不出现过热和过烧的前提下，尽量提高始锻温度。碳钢的始锻温度为AE线下200,0,C。终锻温度即停止锻造的温度，对于锻件质量有很大影响，终锻温度太高，停锻后晶粒会重新长大，降低锻件力学性能；太低，再结晶困难，冷变形强化现象严重，变形抗力太大，甚至产生锻造裂纹，也易损坏设备和工具。,碳钢在加热时奥氏体,晶粒长大,示意图,如图3-17a,所示，锻造温度见,图3-17b,。,2.金属的变形条件,图3-17a 碳钢在加热时奥氏体的形成及晶粒长大示意图,图3-17b 碳钢的锻造温度范围,2）变形速度：,指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量。变形速度的影响较复杂：一方面变形速度增大，冷变形强化现象严重，变形抗力增大，锻造性能变坏；另一方面变形速度很大时产生的热能使金属温度升高，提高塑性，降低变形抗力，锻造性能变好。,如图3-18,所示。,3）变形时的应力状态：,不同压力加工方法，金属内部的应力状态是不同的，,如图3-19,所示。在金属塑性变形时，压应力数目越多，其塑性变形越好，因为压应力使滑移面紧密结合，防止产生裂纹；拉应力则使塑性变形变差，因为它使缺陷扩大，使滑移面分离。但压应力时变形抗力增大。故必须综合考虑塑性和变形抗力。,图3-18 变形速度对塑性及变形抗力的影响,1变形抗力曲线 2塑性变化曲线,图3-19 不同变形方式时的应力状态,a),挤压,b),拉拔,c),自由锻,第 3节 焊接成形基础,1.3.1 熔焊的冶金过程,1.3.1.1 焊接电弧,熔焊的焊接过程是利用热源先把工件局部加热到熔化状态，形成熔池，然后随着热源向前移动，熔池液体金属冷却结晶，形成焊缝。其焊接过程包括,热过程、冶金过程和结晶过程,。根据热源的不同可分为气焊,、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊等。以下以电弧焊为例来分析。,1.焊接电弧的产生,焊接电弧是在焊条与工件之间产生的强烈、持久又稳定的气体放电现象。焊接引弧时，焊条和工件瞬间接,触形成短路，强大的电流产生强烈电阻热使接触点熔化甚至蒸发，当焊条提起时，在电场作用下，热的金属发射大量电子，电子碰撞气体使之电离，正、负离子和电子构成电弧。,2.焊接电弧的结构,电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图4-1所示。,1）阴极区：,电子发射区，热量约占36%，平均温度2400K；,2）阳极区：,受电子轰击区域，热量约占43%，平均温度2600K；,3）弧柱区：,阴、阳两极间区域，几乎等于电弧长度，热量21%，弧柱中心温度可达6000,8000K。,图4-1 电弧的结构示意图,1.3.1.2 焊接的冶金过程,焊接的冶金过程如图4-2所示,母材、焊条受电弧高温作用熔化形成金属熔池，将进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化等物理、化学过程。,金属与氧的作用对焊接质量影响最大，氧与多种金属发生氧化反应：,图4-2 焊条电弧焊过程,能溶解在液态金属中的氧化物（如氧化亚铁），冷凝时因溶解度下降而析出，严重影响焊缝质量，,如图4-3,所示；而大部分氧化物（如硅、锰化合物）不溶于液态金属，可随渣浮出，净化熔池，提高焊缝质量。,氢易溶入熔池，在焊缝中形成气孔，或聚集在焊缝缺陷处造成氢脆。,其次空气中的氮气在高温时大量溶于液体金属，冷却结晶时，氮溶解度下降，,如图4-4所示,；析出的氮在焊缝中形成气孔，部分还以针状氮化物（Fe,4,N）形式析出；焊缝中含氮量提高，使焊缝的强度和硬度增加，塑性和韧性剧烈下降。,图4-3 氧（氧化亚铁）对低碳钢力学性能的影响,图4-4 氢、氮在铁中的溶解度与温度的关系,焊缝的冶金过程与一般冶金过程比较，具有以下特点：,1）金属熔池体积小，熔池处于液态时间短，冶金反应不充分；,2）熔池温度高，使金属元素强烈的烧损和蒸发，冷却速度快，易产生应力和变形，甚至开裂。,为保证焊缝质量，可从两方面采取措施：,1）减少有害元素进入熔池，主要采用机械保护，如焊条药皮、埋弧焊焊剂和气体保护焊的保护气体（CO,2,，氩气等）。,2）清除已进入熔池的有害元素，增加合金元素。如焊条药皮里加合金元素进行脱氧、去氢、去硫、渗合金等。,1.3.1.3 焊接热循环,焊接热循环：,在焊接加热和冷却过程中，焊接接头上某点的温度随时间变化的过程如图4-5所示。不同点，其热循环不同，即最高加热温度、加热速度和冷却速度均不同。对焊接质量起重要影响的参数有：,最高加热温度、在过热温度1100,0,C以上停留时间,和,冷却速度,等。其特点是加热和冷却速度都很快。对易淬火钢，焊后发生空冷淬火，对其他材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。,图4-5 焊接热循环曲线,以低碳钢为例，说明焊接过程造成金属组织和性能的变化。如图4-6所示。受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织或性能发生变化的区域，叫,焊接热影响区,。熔焊焊缝和母材的交界线叫熔合线。熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫,熔合区,。焊接接头由,焊缝区,、,熔合区,和,热影响区,组成。,图4-6 低碳钢焊接接头的组织变化,1.3.1.4 焊接接头组织与性能,1.焊缝区,焊接热源向前移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶，结晶从熔池底部未熔化的半个晶粒开始，垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状树枝晶，如图4-7所示；结晶过程中将在最,图4-7 焊缝的柱状树枝晶,后结晶部位产生成分偏析。同时焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。但由于熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，并含有一定合金元素，故可使,焊缝金属的力学性能不低于母材,。,2.熔合区,化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织，使强度下降，塑性、韧性极差，易产生裂纹和脆性破坏，,其性能是焊接接头中最差的。,3.,热影响区,热影响区各点的最高加热温度不同，其组织变化也不相同。如图4-6所示，热影响区可分为过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。,1）过热区：,最高加热温度在1100,0,C以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织。塑性和韧性明显下降，是热影响区中力学性能最差的部位。,2）正火区：,最高加热温度在,Ac,3,至,1100,0,C,的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，力学性能较好。,3）部分相变区：,最高加热温度在Ac,1,至Ac,3,的区域，只有部分组织发生相变，晶粒不均匀，性能较差。,图4-6 低碳钢焊接接头的组织变化,低碳钢焊接接头的性能变化如图4-8所示，熔合区和过热区性能最差，热影响区越小越好，其影响因素有,焊接方法、焊接规范、接头形式,等。,4.,影响焊接接头性能的因素,焊接接头的力学性能决定于它的化学成分和组织。具体有：,1）焊接材料、焊丝和焊剂都要影响焊缝的化学成分。,2）焊接方法，一方面影响组织粗细，一方面影响有害杂质含量。,图4-8 低碳钢焊接接头的性能分布,3）焊接工艺。,焊接时，为保证焊接质量而选定的诸物理量（如焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等）的总称，叫,焊接工艺参数,。,线能量,:,指熔焊时，焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量。显然焊接工艺参数，影响,焊接接头输入能量的大小，影响焊接热循环，从而影响热影响区的大小和接头组织粗细。,4）焊后热处理：,如正火，能细化接头组织，改善性能。,5）接头形式、工件厚度、施焊环境温度和预热,等均会影响焊后冷却速度，从而影响接头的组织和性能。,1.3.2,金属的焊接性能,1.金属焊接性的概念,焊接性是金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。,1,工艺焊接性,即在一定焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性；,2,使用焊接性,即焊接接头对使用要求的适应性，包括焊接接头的力学及其他特殊性能。,焊接性能随焊接方法、焊接材料和焊接工艺而变，不同条件下焊接性能有很大差别。如钛的手工电弧焊接性极差，但氩弧焊则好。,2.金属焊接性的间接评价方法,碳当量法：,在粗略估计碳钢和低合金结构钢的焊接性能时，把钢中的合金元素（包括碳）的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的相当含量，其总和叫碳当量。其计算公式如下：,碳当量越高，焊接性越差。一般当,CE,0.6%,时，冷裂倾向严重，焊接性差，需采用较高的预热温度和其他严格的工艺措施。,值得注意的是，钢材的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度的影响，故应根据具体情况进行抗裂试验及使用焊接性试验。,1.3.3 焊接应力和变形,1.焊接应力与变形产生的原因,焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。,图4-9是低碳钢平板对接焊时产生应力和变形的示意图。,平板焊接时，要产生热胀冷缩。加热时，如自由膨胀则如图4-9a中虚线所示，但由于受到阻碍，产生同样伸长，故高温处产生压应力，低温处产生拉应力，两者平衡。冷却后，由于冷却速度不同，高温处冷却慢，收缩大。同样最后在高温处产生拉应力，低温处产生压应力。,图4-9 平板对接焊的应力,a)焊接过程中,b)冷却后,一般情况下，焊件塑性好，结构刚度小时，焊件收缩容易，焊件变形大，焊接应力小；反之焊接变形小，焊接应力大。焊接变形的基本形式,如表4-1,所示。,2.,焊接应力与变形的危害,焊接应力：,1）增加结构工作时的应力，降低承载能力；,2）引起焊接裂纹，甚至脆断；,3）促使产生应力腐蚀裂纹；,4）残余应力衰减会产生变形，引起形状、尺寸不稳定。,焊接变形：,1,）使工件形状尺寸不合要求；,2,）影响组装质量；,3,）矫正焊接变形很费工时，增加成本，降低接头塑性；,4,）使结构形状发生变化，并产生附加应力，降低承载能力。,3.焊接应力和变形的防止,焊接应力的防止及消除措施：,1）结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可能小；,2）采取合理的焊接顺序，使焊缝较自由的收缩，,如图4-10所示；,3）焊缝仍处在较高温度时，锤击或辗压焊缝使金属伸长，减少残余应力；,4）采用小线能量焊接，多层焊，减少残余应力；,5）焊前预热可减少工件温差，减少残余应力；,6）焊后进行去应力退火，消除焊接残余应力。,焊接变形的防止和消除措施：,1）,结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可能小，与防止应力一样也是减少变形的有效措施；,2,）焊前组装时，采用反变形法，,如图4-11,，图,4-12,所示；,3）刚性固定法，但会产生较大的残余应力，,如图4-13,所示；,4）采用合理的焊接规范；,5）选用合理的焊接顺序，,如图4-10,的对称焊，,图4-14,的分段退焊。,6）采用机械或火焰矫正法来减少变形。,如图4-15,，,图,4-16,所示。,再见,返回文档,图4-3 氧（氧化亚铁）对低碳钢力学性能的影响,图4-4 氢、氮在铁中的溶解度与温度的关系,返回文档,焊接变形,焊接变形基本形式图,产 生 原 因,收缩变形,焊接后纵向(沿焊缝方向)和横向(垂直于焊接方向)收缩引起的,角变形,V形坡口对接焊后，由于焊缝截面形状上下不对称，焊缝收缩不均所致,弯曲变形,焊接T形梁时，由于焊缝布置不对称，焊缝纵向收缩引起的,扭曲变形,焊接工字梁时，由于焊接顺序和焊接方向不合理所致,波浪形变形,焊接薄板时，由于焊缝收缩使薄板局部产生较大压应力而失去稳定所致,表4-1 焊接变形的基本形式,返回,2,一般焊接顺序为：1）先焊收缩量较大的焊缝；2)工作时受力较大的焊缝；3)先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。,图4-10 合理安排焊接顺序,返回1,返回文档,图4-11 平板对接焊反变形,图4-12 工字梁反变形,返回,图4-13 刚性固定防止变形,返回,图4-14 长焊缝的分段退焊,返回,图4-15 机械矫正法 图4-16 火焰矫正法,返回,返回文档,图4-17 埋弧焊焊接过程,1焊件 2焊剂 3焊剂漏斗 4焊丝,5送丝滚轮 6导电嘴 7焊缝 8渣壳,图,4-18 埋弧焊焊缝成形示意图,返回文档,返回文档,图4-19 环焊缝埋弧焊示意图,图4-20 氩弧焊示意图,1焊丝或电极 2导电嘴 3喷嘴 4进气管,5氩气流 6电弧 7焊件 8填充焊丝 9送丝滚轮,返回文档,图4-21 氩弧焊设备组成示意图,返回文档,图4-22 CO,2,焊示意图,返回文档,图4-23 电渣焊过程示意图,返回文档,图4-24 等离子弧焊,返回文档,图4-25 真空电子束焊,返回文档,图4-26 激光焊示意图,返回文档,图4-27 火焰线材喷涂,返回文档,图4-28 点焊示意图,图4-29 点焊接头形式,返回文档,图4-30 点焊分流现象,返回文档,返回文档,图4-31 电阻缝焊,返回文档,图4-32 缝焊接头形式,返回文档,图4-33 对焊示意图,F,j,夹紧力,F,w,挤压力,F,d,顶锻力,a)电阻对焊 b)闪光对焊,返回文档,图4-34 对焊应用实例,a,）对焊工件,b),对焊管材,1焊缝 2滚盘 3挤压滚 4焊件 5绝缘层,返回文档,图4-35 摩擦焊工艺过程,1工件,1 2,工件,2 3,旋转夹头,4,移动夹头,n,工件转速,p,轴向压力,a)连续驱动式 b)储能式,返回文档,图4-36 摩擦焊接头形式,返回文档,图4-37 钎焊接头形式,返回文档,图4-38 焊条电弧焊的焊缝位置,a)不合理,b),合理,返回文档,图4-39 点焊、缝焊的焊缝位置,a)、c),电极难以伸入,b)、d),方便操作的设计,a)b)c)d),返回文档,图4-40 减少焊缝数量示例,返回文档,图4-41焊缝布置避免密集和交叉,a),不合理,b),合理,返回文档,图4-42 焊缝对称布置,返回文档,图4-43 焊缝避开最大应力或应力集中位置,a),不合理,b),合理,a),不合理 b)合理,返回文档,图4-44 焊缝布置避开或远离机械加工表面,c)不合理 d)合理,a)不合理 b)合理,返回文档,图4-45 焊接接头形式,T形接头 十字接头 角接接头 卷边接头,