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属
工
艺
学
第
五
版
上
册
纲要
强度:金属材料在里的作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力。指标:屈服点(σs)、抗拉强度(σb)。
塑性:金属材料在力的作用下产生不可逆永久变形的能力。指标:伸长率(δ)、断面收缩率(ψ)
硬度:金属材料表面抵抗局部变形,特别是塑性变形压痕、划痕的能力。
1布氏硬度:HBS(淬火钢球)。HBW(硬质合金球)
指标:2洛氏硬度:HR(金刚石圆锥体、淬火钢球或硬质和金球)
3韦氏硬度<br****题:
1什么是应力,什么是应变?
答:试样单位面积上的拉称为应力,试样单位长度上的伸长量称为应变。
5、下列符号所表示的力学性能指标名称和含义是什么?
答:σb:抗拉强度,材料抵抗断裂的最大应力。
σs:屈服强度,塑性材料抵抗塑性变形的最大应力。
:条件屈服强度,脆性材料抵抗塑性变形的最大应力
σ-1:疲劳强度,材料抵抗疲劳断裂的最大应力。
δ:延伸率,衡量材料的塑性指标。
αk:冲击韧性,材料单位面积上吸收的冲击功。
HRC:洛氏硬度,HBS:压头为淬火钢球的布氏硬度。HBW:压头为硬质合金球的布氏硬度。
过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度之差。冷却速度越快,实际结晶温度越低,过冷度越大。
纯金属的结晶包括晶核的形成和晶核的长大。
同一成分的金属,晶粒越细气强度、硬度越高,而且塑性和韧性也越好。
原因:晶粒越细,晶界越多,而晶界是一种原子排列向另一种原子排列的过度,晶界上的排列是犬牙交错的,变形是靠位错的变移或位移来实现的,晶界越多,要跃过的障碍越多。
1提高冷却速度,以增加晶核的数目。
2在金属浇注之前,向金属液中加入变质剂进行变质处理,以增加外来晶核,还可以采用热处理或塑性加工方法,使固态金属晶粒细化。
3采用机械、超声波振动,电磁搅拌等
合金:两种或两种以上的金属元素,或金属与非金属元素溶合在一起,构成具有金属特性的新物质。组成元素成为组员。
1、固溶体:溶质原子溶入溶剂晶格而保持溶剂晶格类型的金属晶体。
铁碳合金组织可分为:2、金属化合物:各组员按一定整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质(渗碳体)
3、机械混合物:结晶过程所形成的两相混合组织。
含碳量
组成
性能
铁素体(体心立方)
600℃~﹪
727℃~﹪
碳溶解于α-Fe中
与纯铁相似强度硬度低
塑性韧性好
奥氏体(面心立方)
1148℃﹪
727℃﹪
碳溶解于
强度硬度不高但是塑性
优良
珠光体
﹪
铁素体和渗碳体的机械混合物
有良好的机械性能
莱氏体
﹪
奥氏体和渗碳体的机械混合物
特性点
温度
含碳量
含义
A
1538
0
纯铁的熔点
C
1148
共晶点:Lc1148Ld(A+Fe3C)
D
1227
渗碳体的熔点
E
1148
碳在γ-Fe中的最大溶解度
F
1148
渗碳体的成分点
G
912
0
α-Fe≒γ-Fe同素异晶转变点
S
727
共析点
P
727
碳在α-Fe中的最大溶解度
Q
600
600℃时碳在α-Fe中的最大溶解度
ACD——液相线
ACEF——固相线
ECF——共晶线,﹪~﹪的所有合金经过此线都要发生共晶反应。
GS——奥氏体在冷却过程中洗出铁素体的开始线。(A3线)
ES——碳在奥氏体中的溶解曲线。(Acm线)
PSK——共析线(A1线,共析反应:As≒727℃P)
根据含碳量的不同,可将铁碳合金分为钢(﹤﹪)和铸铁(~﹪)。
根据成分不同,铁碳合金可分为:工业纯钢,碳钢,白口铸铁。
钢的热处理:将钢在固态下,通过加热、保温和冷却,以获得预期的组织和性能的工艺。
退火:将钢加热、保温,然后随炉冷却或埋入灰中使其缓慢冷却的热处理工艺。
温度
材料
备注
完全退火
亚共析钢
Ac3上30~50℃
铸钢件和重
要锻件
呈奥氏体化,初始形成的奥氏体晶晶粒非常细小,缓慢冷却时通过重结晶获得细小晶粒,并消除了内应力
球化退火
过共析钢
Ac1上20~30℃
过共析钢
初始形成的奥氏体内及晶界有少量未完全溶解的渗碳体,随后的冷却过程中,共析反应析出的渗碳体以未溶解的渗碳体为核心,呈球状析出,分布在铁素体基体上(球化体)
去应力退火
钢
500~600℃
部分铸件锻
件及焊接件
正火:将钢加热到Ac3上30~50℃(亚共析钢)或Acm上30~50℃(过共析钢),保温后在空气中冷却的热处理工艺。
1、取代部分完全退火。
用处2、用于普通结构件的最终热处理。
3、用于过共析钢,以减少或消除二次渗碳体呈网状析出。
淬火:将钢加热到Ac3或Ac1上1、严格控制淬火加热温度
30~50℃,保温后在淬火介质中快速冷2、合理选择淬火介质
却,以获得马氏体的组织的热处理工艺。3、正确选择淬火方法
回火:将钢加热到Ac1下某个温度,保温后冷却到室温的热处理工艺。
温度
目的
低温回火
250℃下
降低淬火钢的内应力和
脆性
各种***、模具、滚动轴承和耐磨件
中温回火
250~500℃
使钢获得高弹性,保持较
高的硬度和一定的韧性
弹簧、发条、锻模
高温回火
500℃上
淬火并高温回火的符合热处理工艺称调制处理
用于承受循环应力的中碳钢重要件,连杆、曲轴、主轴、齿轮、重要螺钉
表面淬火:通过快速加热,使刚的表层很快达到淬火温度,在热量来不及传到钢件心部时就立即淬火,从而表层获得马氏体组织,而心部保持原始组织。(电感应)
化学热处理:将钢件置于适合的化学介质中加热和保温,使介质中的活性原子渗入钢件表层,以改变钢件表层的化学成分和组织,从而获得所需的力学性能或理化性能。(渗碳处理)
(1)碳素结构钢:﹪。Q+三位数字(最低屈服点)
碳素钢:(2)优质碳素结构钢:两位数字(平均含碳量的万分数)
(3)碳素工具钢:T+一位或两位数字(平均含碳量的千分数)
(1)合金结构钢
合金钢(2)合金工具钢
(3)特殊性能钢
铸造:将熔炼的金属浇注到相适应的铸型空腔中,一获得一定形状、尺寸和性能的毛坯或零件的成形方法
合金的铸造性能:1合金的流动性
合金在铸造成形时2凝固特性
获得外形准确、内3收缩性
部健全铸件的能力。4吸气性
液态合金的充型:液态合金充满铸型型腔,获得形状准确、轮廓清晰的铸件的能力。
1合金的流动性:液态合金本身的流动能力。(在常用铸造合金中灰铸铁、硅黄铜的流动性最好,铸钢的流动性最差。合金成分越远离共晶点,结晶温度范围就越宽,流动性越差)
1浇注温度:浇注温度越高,合金的粘度下降,且因为过热度高,合金在铸型中保持流动的时间较长,故充型能力强。
2浇注条件:
2充型压力:液态合金在流动方向上所受的压力。
3浇注系统:浇注系统越复杂,则流动阻力越大,充型能力降低
1、铸型材料
3铸型填充条件2、铸型温度
3、铸型中的气体
4、铸件结构
凝固方式1、逐层凝固:灰铸铁、铝硅合金,易于获得紧实铸件
2、糊状凝固:球墨铸铁、锡青铜、铝铜合金等
3、中间凝固
1、液态收缩铸件产生缩孔缩松的根本原因
铸造合金的收缩:2、凝固收缩
3、固态收缩:铸件产生应力、变形的根本原因
顺序凝固:主要用于必须补缩的场合,如铝青铜、硅铝合金和铸钢中。
同时凝固原则:主要用于灰铸铁、锡青铜等
内应力的形成:1热应力
2机械应力
铸件的变形和防止:1自然时效:将铸件置于露天场地半年以上。
2人工时效:将铸件加热到550~650℃进行去应力退火。
1、析出性气孔
铸件中的气孔2、浸入性气孔
3、反应性气孔<br****题:
2、什么是液态合金的充型能力?它与合金的流动性有何关系?不同成分的合金为何流动性不通?
答:液态合金充满铸型型腔,获得形状准确、轮廓清晰的铸件的能力。液态合金的流动性越好充型能力越强,越便于浇注出轮廓清晰,薄而复杂的铸件。化学成分不同,凝固方式不同。
5、缩孔和缩松有何不同?为何缩孔比缩松容易防止?
答:缩孔和缩松使铸件的力学性能下降,缩松还可能使铸件因渗漏而报废。缩孔集中在铸件上部或者最后凝固的部位,而缩松分布在整个铸件中所以缩孔比缩松容易防止。
铸铁:灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。
灰铸铁:1、优良的减震性,2、耐磨性好,3、缺口敏感性小,4、铸造性能优良。(受化学成分和冷却速度的影响)HT+三位数字(最低抗拉强度)
可锻铸铁:将白口铸铁坯件经高温根据黑心可锻铸铁KTH+两位数
石墨化退火而形成的一退火方白心可锻铸铁字(最低抗拉
种铸铁。(玛铁或玛钢)方式珠光可锻铸铁强度和伸长率
球墨铸铁:向出炉的铁液中加入球化剂和孕育剂而得到的球状石墨铸铁。(力学性能在在铸铁中最好)QT+两组数字表示最低抗拉强度和伸长率。
蠕墨铸铁:炉前处理时,先向铁液中冲入蠕化剂(稀土硅铁合金、稀土硅钙合金或镁钛合金)。
力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间。RuT+三位数字(最低抗拉强度)
按照化学成分铸钢可分为铸造碳钢和铸造合金刚
纯铜俗称紫铜。机械上广泛应用的是铜合金。
三箱造型适合于两端界面大中间界面小的造型
整模造型适合最大界面在其端面的零件
分模造型适合形状对称的最大截面在其中间的零件
型砂和芯沙统称造型材料,必须具有一定强度、耐火性、透气性、退让性。
1应尽量使分型面平直、数量少
分型面的选择2应避免不必要的型芯和活块,以简化造型工艺
3应尽量使铸件全部或大部分置于下箱
1要求的机械加工余量和最小铸孔:设计铸造工艺图时,为铸件预先增加要切去的金属层厚度
工艺参数的选择2起模斜度:为了便于模样从砂型中取出,凡平行起模方向的模样表面上所增加的斜度
3收缩率:为保证铸件应有的尺寸,模样尺寸必须比铸件放大一个该合金的收缩量
4型芯头:型芯的定位、支撑和排气的部分。
熔模铸造:用易熔材料制成模样,在模样表面包覆耐火涂料制成型壳,再将模样熔化排出型壳,从而获得无分型面的铸型,经高温焙烧后即可填沙浇注
特金属型铸造:将液态金属浇入合金的铸型中,并在重力下凝固成型以获得铸件的方法
种易产生浇不足、冷隔裂纹及白口等缺陷。1喷刷涂料,2金属型应保持一定的工作温度,3适合的出型时间。
铸压力铸造:高温高压下降液态或半液态合金快速压入金属铸型中,并在压力下凝固以
造获得铸件。不适合钢铁铸铁件等高熔点金属。
离心铸造
金属的塑性加工:利用金属的塑性,使其改变形状、尺寸和改善性能,获得型材、棒材、线材或锻压件的加工方法。
金属塑性变形的实质是:晶体内部产生滑移的结果。在切应力的作用下,晶体的一部分相对另一部分沿着一定的晶面产生相对滑动,(位错运动)造成晶体的塑性变形
晶粒内部缺陷:位错对塑性变形影响最为显著。
通常使用的金属都是由大量微小晶粒组成的多晶体,其塑性变形后可以看成是由组成多晶体的许多单个晶粒产生的变形(称为晶内变形)的综合效果。同时,晶粒之间也有滑动和转动(称为晶间变形)。每个晶粒内部都有许多滑移面,因此整块金属的变形量可以比较大。低温时,多晶体的晶间变形不可过大,够则将引起金属的破坏。
金属在常温下进过塑性变形后,内部组织将发生变化1:晶粒沿最大变形的方向伸长;2晶格与晶粒均发生扭曲,产生内应力;3晶粒间产生碎晶。
变形强化(加工硬化):金属的力学性能将随其内部的改变而发生明显变化。变形程度增加时,金属的强度及硬度升高,而塑性和韧性下降。其原因是由于滑移面上的碎晶块和附近的晶格的强烈扭曲,增大了滑移阻力,使继续滑移难以进行所致。在冷变形时,随着变形程度的增加,金属材料的所有强度指标和强敌都有所提高,但塑性和韧性有所下降。
回复:冷变形强化是一种不稳定的现象,将冷变形后的金属加热至一定温度后,因原子的活动能力增强,使原子回复平衡位置,晶内残余应力大大减小。T回=(~)T熔
再结晶:,金属原子获得更过热能,使塑性变形后金属被拉长的晶粒重新生核、结晶,变为与变形前晶格结构相同的新等轴晶粒。T再=。
化学成分的影响:纯金属比合金好,碳钢中含碳量越
金属的本质:低可锻性越好,钢中含有形成碳化物的元素
可锻性:材料在金属组织的影响:纯金属及固溶体的可锻性好,而碳
锻造过程中经受化物的可锻性差,铸态柱状组织和
塑性变形而不开粗晶粒结构的可锻性不如晶粒细小
裂的能力。而均匀组织的可锻性好。
加工条件:1变形温度的影响:提高金属变形时的温度是改善金属锻性的有效措施。但加热温度过高必将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷
2应变速率的影响:应变对时间的变化率
3应力状态的影响:压应力的数目越多,则金属的塑性越好:拉应力的数目越多,则金属的塑性越差。
可锻性的优劣常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。
合金成分越复杂,可锻性越差。
锻造
自由锻:只用简单的通用性工具,或在锻造设备上、下砧间直接是坯料变形而获得所需要的几何形状及内部质量锻件的方法。
自由锻工序:基本工序:镦粗(使坯料高度减小、横截面积增大)、拔长(使坯料横截面积减小、长度增加)、冲孔(在坯料上冲出透孔或不透孔)、扭转(将坯料一部分相对另一部分绕轴线旋转一定角度)、错移(将坯料一部分相对另一部分错移开,但仍保持轴心平行)、切割(将坯料分成几部分或部分地割开,或从坯料的外部隔掉一部分)
辅助工序:进行基本工序之前的预变形工序
精整工序:在完成基本工序之后,用以提高锻件尺寸及位置精确的工序。
模锻:利用锻模使坯料变形而获得锻件的锻造方法。
可分为:锤上模锻,曲柄压力机上模锻,摩擦压力机上模锻,胎模锻。
胎模锻:在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的一种锻造方法。主要有扣模、筒模及和模三种。
锻造工艺规程的制订:
1余块、机械加工余量和锻造公差:为了简化零件的形状和结构,便于锻造为增加的一部分金属称为余块;成形时为了保证机械加工最终获得所需尺寸而允许保留的多余金属称机械加工余量;锻造公差是锻件名义尺寸的允许变动量。
2分模面:上、(1)应保证模锻件能从模膛中取出。
下模或凹、凸(2)应使上、下两模沿分模面的模膛轮廓一致,以便安装模锻和
模的分界面生产中容易发现错模现象,及时而方便的调整模锻位置
(3)分模面应选在能使模膛深度最浅的位置上
(4)选定的分模面应使零件上所增加的余块最少
(5)分模面最好是一个平面,以便于模锻的制造,并防止锻模错动
3锻模斜度:为了使锻件易于从模膛中取出,锻件与模膛侧壁接触部位需要一定斜度
4:模锻圆角半径:模锻件中断面形状和平面形状变化部位棱角的圆角和拐角处得圆角
5连皮厚度:当模锻件的孔径大于25mm时,应将孔型锻出
坯料重量:G坯料=G锻件+G烧损+G料头
冲压
冲压是板料经分离或成型而获得制件的工艺统称。(通常是冷态下进行的,又称冷冲压只有当板料厚度超过8~10mm时才采用热冲压)
1可以冲压出形状复杂的零件,且废料少
2冲压件具有足够高的精度和较低的表面粗造的值,互换性好,冲压后一
特点搬不需要机械加工。
3能获得重量轻、材料消耗少、强度和刚度都较高的零件
4操作简单,工艺过程便于机械化和自动化,生产率高,故零件成本低。
冲模制造复杂,成本高,只有在大批量生产的条件下优越性才显得突出。冲压所用原材料必须具有足够刚塑性
冲压的基本工序:分离工序:是坯料的一部分与另一部分相互分离(落料、冲孔、切断修整等)
变形工序:使坯料的一部分相对另一部分产生位移而不破裂的工序(拉深、弯曲、翻边、成形等)
冲裁的变弹性变形阶段
落料及冲孔:冲裁:利用冲模将板料以封闭的轮廓与行过程塑性变形阶段
坯料分离的一种冲压方法。断裂分离阶段
(统称冲裁)当冲裁件断面质量要求较高时,应选取较小的间隙值。对冲裁件截面质量无严格要求时,应尽量加大间隙,以利于提高冲模寿命
落料:利用冲裁取得一定外形的制件或坯件的冲压方法
冲孔:将材料以封闭的轮廓分离开来,获得带孔的制件的一种冲压方法
凹凸模间隙:当冲裁件断面质量要求较高时,应选取较小的间隙。对冲裁件截面质量无严格要求时,应尽量可能加大间隙,以利于提高冲模寿命。
凹凸模刃口尺寸的确定:
设计落料模时,应先按落料件确定凹模刃口尺寸,取凹模作设计基准件,然后根据间隙确定凸模尺寸,即用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙值。设计冲孔模时,先按冲孔件确定凸模刃口尺寸,取凸模作设计基准件,然后根据间隙确定凹模尺寸,即用扩大凹模尺寸来保证间隙值。
冲模在工作中必有磨损,落料件尺寸会随凹模刃口的磨损而增大,而冲孔尺寸会随凸模的磨损而减小。为了保证冲裁件的尺寸要求,并提高模具的使用寿命,落料时凹模的尺寸应靠近落料件公差范围内最小尺寸;冲孔时,选取凸模刃口的尺寸靠近孔的公差范围内的最大值。
冲裁件的排样:指冲裁件在有搭边排样:各个落料件之间均留有一点尺寸的搭边。
条料或带料上的布置放法无搭边排样:利用落料件形状的一个边做另一个落料件的边缘
休整:利用休整模沿冲裁件外圆或内孔刮削一薄层金属,以切掉冲裁件上的剪裂带和毛刺,从而提高冲裁件的尺寸精度,降低表面粗糙值(外圆休整,内孔休整)。
变拉深:变形区在一拉一压的应力作用下,使板料成形为空心件,而厚度基本不变
形弯曲:将板料型材或管材在弯矩作用下弯成具有一定曲率和角度的制件的成型方法
工翻边:在坯料的平面部分或曲面部分的边缘,沿一定曲线翻起竖立直边的成形方法
序成形:利用局部塑性变形使坯料或半成品获得所要求形状尺寸的加工过程
拉深与冲裁的区别:1冲裁的凹凸模必须具有一定刃口,拉深件的凹凸模必须具有一定圆角;2冲裁的凹凸模间隙c=mδ,拉深的凹凸模间隙c=(~)σ。
拉深过程:直壁本身主要受轴向拉应力作用,厚度有所减小,而直壁与底部之间的过渡圆角部被拉薄得最为严重。为防止起皱,可采用设置压边圈来解决。
在多次拉深中,拉深系数应一次比一次略大一些。总拉深系数值等于各拉深系数值的乘积。
弯曲:弯曲时应尽可能使弯曲线与板料纤维垂直。若弯曲线与纤维方向一致,则容易产生破裂,此时应增大弯曲半径。
弯曲时,板料产生的变形由塑性变形和弹性变形两部分组成。外载荷去除后,塑性变形保留下来,弹性变形消失使板料形状和尺寸发生于加载时变形方向相反的变化,从而消去一部分弯曲变形效果的想象称为回弹。因此在设计弯曲模时必须使模具的角度比成品件角度小一个回弹角,以保证成品件的弯曲角度精确。
冲压1对冲1落料件外形和冲孔件孔型应力求简单对称。尽采用圆形矩形等规则形状
件裁件2冲裁件的结构尺寸必须考虑材料的厚度
结构的要3冲裁件上直线与直线、曲线与直线交接处,均应圆弧连接,以避免尖角
工艺求处因应力集中而产生裂纹。
性
2对弯1弯曲件应尽量对称,弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径
件的2弯曲边过短不易成形,故应使弯曲边的平直部分H>2δ。如果要求H很
要求小,则需先留出适当的余量以增大H,弯好后在切除增加的金属
3弯曲带孔件时应避免孔的变形,
3对拉伸1拉深件的外形应简单对称,深度不宜过大,以便使拉深次数最少,容易成形
的要求2拉深的圆角半径在不增加工艺程序的情况下,最小允许半径…半径过小必将增加拉深次数和整形工作,也增加模具数量,并容易产生废品和提高成本
焊接
焊接:通过加热或加压(或两者并用),用或者不用填充材料,使工件产生原子间结合的一种连接方法。
阳极区2600K,阴极区2400K,电弧中心区6000~8000K
阳极区占总热量的43%,阴极区占36%,其余21%左右的热量是在弧柱中产生的。
焊接热影响区:力学性能:正火区>部分相变区>过热区>熔合区
焊接应力与变形:
压应力:当焊缝及相邻区金属处于加热阶段时都会膨胀,但受到焊件冷金属的阻碍,不能自由生长而受压。
残余拉应力(焊接应力):压应力使处于塑性变形状态的金属产生压缩变形,冷却到室温时,其收缩又收到周围冷金属的阻碍,不能缩短到自由缩短所应达到的位置
反变形法,刚性夹持法,正确选择焊接参数和焊接次序。机械矫正法,火焰解热矫正法。
焊条电弧焊的焊接过程:电弧在焊条与被焊工件之间燃烧,电弧热使工件和焊芯共同熔化形成熔池,同时也使焊条的药皮熔化和分解。
药皮:作用:提高电弧燃烧的稳定性,防止空气对熔化金属的有害作用,对熔池
焊条:的脱氧和加入合金元素,可以保证焊缝金属的化学成分和力学性能。
焊芯:组正焊缝金属的主要材料。
酸性焊条:适合各种电源,操作性好,电弧稳定,成本低。焊缝强度稍低,不宜焊接承受重载和要求高强度的重要结构
碱性焊条:一般要求采用直流电源,焊缝强度高、抗冲击能力强,但操作性差,电弧不够稳定,成本高。故只适合焊接重要构件。
焊1低碳钢和低合金钢构件,一般要求焊缝金属与母材等强度(等强度原则)
条2同一强度等级的酸性焊条或碱性焊条的选定,应依据焊接件的结构形状,钢板厚
的度、载荷性质和钢材的抗裂性能而定。
选3低碳钢和低合金钢焊接,可按异种钢接头中的强度较低的刚才来选用焊条
用4铸钢件的含碳量一般都比较高,而且厚度较大,形状复杂,很容易产生裂纹,一
原则选用碱性焊条,并采取适当的工艺措施(如预热)进行焊接
5焊接耐热钢或不锈钢等有特殊性能要求的钢材,应选用相应的专用焊条。
氩弧焊:以氩气作为保护气体的气体保护焊。(可分为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊)
焊1焊缝布置应尽量分散。
缝2焊缝的位置应尽量对称布置。
的3焊缝应尽量避免最大应力断面和应力集中位置。
布4焊缝应尽量避开机械加工表面。
置5焊缝位置应便于焊接操作。