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所谓各向异性,就是在同一晶体的不同方向上,具有不同的性能。
晶体具有下列特点:
(1)一般具有规则的外形;
(2)有固定的熔点;
(2)有固定的熔点
晶胞:
金属晶体中原子排列的周期性可用其基本几何单元体“晶胞”来描述。
自然界中的晶体结构各不相同,但若根据晶胞的三个晶格常数和三个轴间夹角的相互关系对所有的晶体进行分析,法国学者布拉维(Bravais)用数学方法证明了空间点阵共有且只能有14种,并归纳为七个晶系;
在工业上使用的金属元素中,除了少数具有复杂的晶体结构外,绝大多数金属具有面心立方(fcc)、体心立方(bcc)和密排六方(hcp)三种典型的晶体结构。
晶体的缺陷
晶体内部的某些局部区域,原子的规则排列受到干扰而破坏,不象理想晶体那样规则和完整。
把这些区域称为晶体缺陷
根据晶体缺陷的几何形态特征,可将其分为以下三类:
点缺陷、线缺陷、面缺陷
过冷:
通常把液体冷却到低于理论结晶温度的现象称为过冷。
过冷是结晶的必要条件。
液体金属结晶分形核和长大两个过程
晶核的形成有两种方式:
自发形核和非自发形核。
晶粒的大小称为晶粒度,用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度(或直径)表示。
金属结晶后的晶粒度与形核速率N和长大速度G有关。
所谓形核速率N即单位时间内在单位体积中所形成晶核的数目。
所谓长大速度G即晶体长大的线速度。
形核速率越大,单位体积中所生成的晶核数目越多,晶粒也越细小;
若形核速率一定,长大速度越小,则结晶的时间越长,生成的晶核越多,晶粒越细小。
•
(1)二元合金相图的建立
•1)相图的建立方法
•二元合金相图是由实验测定的。
测定相图的方法有热分析法、金相分析法、硬度法、膨胀试验、X射线分析等。
这些方法都是以合金相变时发生某些物理变化为基础而选定的。
•这里重点介绍热分析法建立相图。
•合金凝固时释放凝固潜热,用热分析法可以方便地测定合金的凝固温度。
建立二元合金相图的具体步骤如下:
•①首先配制一系列不同成分的同一合金系。
•②将合金熔化后,分别测出它们的冷却曲线。
•③根据冷却曲线上的转折点确定各合金的状态变化温度。
•④将上述数据引入以温度(℃)为纵轴、成分(质量百分比为单位)为横轴的坐标平面中。
•⑤连接意义相同的点,作出相应的曲线,标明各区域所存在的相,便得到合金系相图。
利用相图及杠杆定律,不但能够确定任一成分的合金在任一温度下处于平衡时的两相的成分,而且可以确定两相的相对含量。
大多数金属结晶后,其晶格类型保持不变,但有些金属,(如铁、锡、钛、锰)的晶格类型却随着温度的高低而不同。
金属在固态下改变其晶格类型的过程叫同素异构转变。
▪由图可以看出,纯铁在1538℃结晶为δ-Fe,X射线分析表明,它具有体心立方晶格。
当温度继续冷却至1394℃时,δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe,通常把δ-Fe→γ-Fe的转变称为A4转变,转变的平衡临界点称为A4点。
当温度继续冷却至912℃时,面心立方晶格的γ-Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe,把γ-Fe→α-Fe的转变称为A3转变,转变的平衡临界点称为A3点。
912℃以下,铁的晶体结构不再发生变化。
因此,铁具有三种同素异晶状态,即δ-Fe、γ-Fe和α-Fe。
•铁碳合金:
以铁为基体,有不同碳含量的合金,称为铁碳合金。
合金:
一种金属元素同另一种或几种其他元素,通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。
居里点:
α-Fe在770℃还将发生磁性转变,即由高温的顺磁性状态转变为低温的铁磁性状态。
通常把这种磁性转变称为A2转变,把磁性转变温度称为铁的居里点。
在发生磁性转变时,铁的晶格类型不变,所以磁性转变不属于相变。
▪铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体,为体心立方晶格,常用符号F或α表示。
奥氏体是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体,为面心立方晶格,常用符号A或γ表示。
珠光体:
铁素体薄层(片)与渗碳薄层(片)交替重叠组成的共析组织,用符号P表示,其碳的质量分数为0.77%。
珠光体通常是由奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体形成的。
莱氏体:
即铸铁或高碳高合金钢中由奥氏体(或其转变产物)与渗碳体组成的共晶组织,属于机械混合物,其碳的质量分数为4.3%。
相图上的液相线是ABCD,固相线是AHJECF,相图中有五个单相区,分别是:
ABCD以上——液相区(L)
AHNA——δ固溶体区(δ)
NJESGN——奥氏体区(γ)
GPQG——铁素体区(α)
DFKL——渗碳体区(Fe3C或Cm)
相图上有七个两相区,它们分别存在于相邻两个单相区之间,这些两相区分别是:
ABJHA——液相+δ固溶体区(L+δ)
JBCEJ——液相+奥氏体区(L+γ)
DCFD——液相+渗碳体区(L+Fe3C)
HJNH——δ固溶体+奥氏体区(δ+γ)
GSPG——铁素体+奥氏体区(α+γ)
ECFKSE——奥氏体+渗碳体(γ+Fe3C)
相图上有两条磁性转变线:
MO——铁素体的磁性转变线
过230℃的虚线——渗碳体的磁性转变线
相图上有三条水平线,分别是:
HJB——包晶转变线
ECF——共晶转变线
PSK——共析转变线
(2)三条水平线分三个部分进行分析。
①包晶转变(水平线HJB)
②共晶转变(水平线ECF)
莱氏体中奥氏体与渗碳体的相对含量可用杠杆定律求出
③共析转变(PSK线)
经共析转变形成的珠光体是层片状的,其中的铁素体和渗碳体的含量可以用杠杆定律进行计算:
根据组织特征,将铁碳合金按含碳量划分为七种类型。
①工业纯铁:
含碳量低于0.0218%;
②共析钢:
含碳量为0.77%;
③亚共析钢:
含碳量为0.0218%~0.77%;
④过共析钢:
含碳量为0.77%~2.11%;
⑤共晶白口铸铁:
含碳量为4.30%;
⑥亚共晶白口铸铁:
含碳量为2.11%~4.30%;
⑦过共晶白口铸铁:
含碳量为4.30%~6.69%。
分析共析钢、亚共析钢、过共析钢结晶过程
(2)共析钢的结晶过程
共析钢(含碳量为0.77%),它在点1以上为液相,金属液冷到1点后,开始结晶出奥氏体。
奥氏体量随温度降低逐渐增多,至2点以下,全部变为奥氏体。
继续缓冷至3点(727℃)时,奥氏体发生共析反应,全部转变为珠光体。
继续冷却,珠光体不再发生组织转变。
共析钢的结晶过程示意图。
(3)亚共析钢结晶过程
亚共析钢含碳量(0.0218%~0.77%)。
当它在点1以上为液相,金属液冷到1点后,开始结晶出奥氏体。
至3点,全部变为奥氏体。
继续缓冷至4点,从奥氏体中结晶出铁素体,随温度降低,铁素体逐渐增多,奥氏体不断减少。
继续冷却至PSK线上的点5时,剩余的奥氏体在恒温下发生共析转变,全部转变为珠光体。
点5以下合金组织不再发生变化。
亚共析钢室温下的平衡组织为铁素体和珠光体组成。
共析钢室温下的平衡组织为珠光体。
过共析钢结晶过程
过共析钢含碳量大于0.77%,它在点1以上为液相,金属液冷到1点后,开始结晶出奥氏体。
奥氏体量随温度降低逐渐增多,至2点,全部变为奥氏体。
继续缓冷至3点,奥氏体中开始沿晶界析出二次渗碳体,渗出随温度下降渗碳体逐渐增多,到4点剩余的奥氏体发生共析反应,转变为珠光体。
4点以后到室温,合金组织不再发生组织转变。
过共析钢的室温平衡组织为珠光体和网状渗碳体组成。
即W(C)<
0.77%,室温组织为珠光体和铁素体。
即W(C)=0.77%,室温组织为珠光体。
几种钢的冷却曲线及组织变化
冷却曲线
铁碳合金实际上存在两种相图:
(1)Fe-Fe3C相图,
(2)Fe-G相图。
从相组成的角度来看,铁碳合金在室温下的平衡组织均由铁素体和渗碳体两相所组成。
当含碳量为0时,组织全部由铁素体所组成,随着含碳量的增加,铁素体的含量呈直线下降,直到6.69%时降低到零。
与此相反,渗碳体的含量则由0增到100%。
含碳量的变化,不仅引起铁素体和渗碳体相对含量的变化,而且要引起组织的变化,显然,这是由于成分的变化,引起不同性质的结晶过程,从而使相发生变化而造成的。
从图3.21可以看出,随着含碳量的增加,铁碳合金的组织变化顺序为
例如T10A,“10”表示平均w(C)为1.0%,“A”表示高级优质。
Q235F“Q”表示屈服点,
“235”表示屈服点值为235MPa,
“F”表示脱氧方法(沸腾钢)。
Q390A,“Q”表示屈服点,“390”表示屈服点值为390MPa,
按碳的存在形式和石墨形态的不同,可以将铸铁分为白口铸铁、麻口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁等类型
铸铁中常见的石墨形态:
片状球状团絮状蠕虫状
球墨铸铁:
铁液经过球化处理和孕育处理,使石墨大部分或全部呈球状的铸铁。
化学成分特点:
高碳、硅,低锰、磷、硫。
可锻铸铁:
是白口铸铁通过石墨化退火处理,改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁。
即在凝固过程中不经历共晶转变的用于生产铸件的铁基合金。
性能特点:
铸钢的综合性能和焊接性能均优于铸铁,
用途:
主要用于制造承受重载荷及冲击载荷的构件。
▪变质铸铁(孕育铸铁)即经过变质处理后所获得的高强度铸铁。
▪变质处理:
在浇注前向铁水中加入变质剂(孕育剂),如Si-Fe、Si-Ca合金,以增加石墨的结晶核心,促进石墨化,使石墨片细小、均匀,获得高强度铸铁。
Cu-Zn合金或以Zn为主要合金元素的铜合金称为黄铜。
根据铝合金的成分和工艺特点,可以将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。
机械零件材料选用的一般原则
(1)选用材料要满足零件的使用性能
使用性能:
力学性能、物理性能、化学性能。
根据机械零件的工作条件、主要损坏形式确定主要的力学性能。
(2)选用材料要保证良好的工艺性能
工艺性能反映材料加工的难易程度。
工艺性能取决于零件的具体加工工艺路线,即零件的加工工艺路线应该具有什么样的工艺性能。
(3)选用材料要确保材料的经济性
金属材料的工艺性能
材料的工艺性能是指材料在加工过程中适应冷、热加工工艺的能力包括材料的铸造性能、锻压性能、焊接性能以及切削加工性能等。
(1)铸造性能
通常是指流动性、收缩性、铸造应力、偏析和吸气倾向以及冷热裂纹倾向等。
(2)锻造性能
金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。
(3)焊接性能
焊接是连接金属的一种方法。
金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。
(4)切削加工性能
工件材料进行切削加工时的难易程度称为材料的可切削性或切削加工性
(5)热处理工艺性能
热处理工艺性能反映钢热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向,主要包括淬透性、回火稳定性、回火脆性及氧化脱碳倾向性和淬火变形开裂倾向性等。
热处理(heattreatment)是一种重要的金属加工工艺,它主要是把金属材料在固态下加热、保温、冷却,以改变其组织,从而获得所需性能的一种热加工工艺。
热处理的主要目的:
是为了改善金属材料的性能,即改善钢的工艺性能和提高钢的机械性能和使用性能。
钢在淬火后,得到的马氏体和残余奥氏体组织是不稳定的,存在着自发向稳定组织转变的倾向。
回火加热可加速这种自发转变过程。
钢在加热时的转变
(1)转变温度
在Fe-Fe3C相图中,共析钢在加热和冷却过程中经过PSK线(A1)时,发生珠光体与奥氏体之间的相互转变,亚共析钢经过GS线(A3)时,发生铁素体与奥氏体之间的相互转变,过共析钢经过ES线(Acm)时,发生渗碳体与奥氏体之间的相互转变。
奥氏体的形成是通过形核和长大过程进行的,整个过程受原子扩散控制。
因此,一切影响扩散、影响形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。
主要因素如加热温度、原始组织和化学成分等。
一般把过冷到A1以下还未转变的奥氏体称为过冷奥氏体。
正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)和Accm(过共析钢)以上30℃~50℃,经过保温一段时间后,在空气中或在强制流动的空气中冷却到室温的工艺方法。
退火:
将钢件加热至一定温度度,保温一段时间后,随炉缓慢冷却(或埋在砂中或石灰中冷却)下来的热处理工艺
淬火:
将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却,使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺
回火:
将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间,随后用符合要求的方法冷却(空冷或水冷等),以获得所需要的组织和性能的热处理工艺
一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理
钢的化学热处理:
化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温,使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表层,以改变钢件表层化学成分和组织,进而达到改进表面性能,满足技术要求的热处理工艺。
钢的连续冷却转变曲线:
描述在各冷却速度下过冷奥氏体转变产物。
图中υ1、υ2、υ3、υ4及υk分别表示不同的冷却曲线,υ1〈υ2〈υ3〈υ4υ〈υk。
υ1相当于炉冷(退火),与C曲线相割于700~650℃,冷却后的过冷奥氏体转变产物为珠光体组织。
υ2相当于空冷(正火),与C曲线相割于650~600℃,冷却后的过冷奥氏体转变产物为索氏组织。
υ3相当于在油中冷却,它与C曲线只相割一条转变开始线,且相割于550℃左右,随后冷却过程中又与Ms线相交,以至冷却到室温。
其开始转变产物有屈氏体,连续冷却过程中部分过冷奥氏体转变为马氏体组织,冷却至室温还会有部分奥氏体残留下来,其室温组织屈氏体+马氏体+残奥。
连续冷却过程中不发生贝氏体转变。
υ4相当于水冷(淬火),与C割,而直接与Ms线相交,然后冷却到室温,其转变产物为M+残A。
冷却速度υk时,其正好与C曲线相切,此时称υk为临界冷却速度。
在连续冷却中,冷却速度凡大于υk,均可冷却后得到M+少量残A。
钢的连续冷却转变曲线
第二章 铸造
内容:
铸造生产概论、铸造方法合金的铸造性能,砂型铸造工艺设计,常用合金铸件生产,特种铸造,铸件结构设计。
重点:
铸件的结构工艺性分析,铸造工艺设计。
铸件温度场:
合金被充满型腔后.在凝固和冷却的某瞬间,铸件横断面上的温度分布曲线称为铸件的温度场。
铸造成形特点
优点
(1)能制造各种尺寸和形状复杂的铸件,尤其是内腔复杂的铸件。
铸件的轮廓尺寸可小至几毫米,大至几十米;
重量可从几克至数百吨.壁厚可由0.3mm到1mm左右。
铸件材料可用铸铁、碳钢、合金钢,也可用铜合金、铝合金、镁合金等。
(2)铸件的形状和尺寸与零件很接近,因而节省了金屈材料和加工工时.精密铸件可省去切削加工,直接用于装配。
(3)绝大多数金届均能用铸造方法制成铸件。
(4)铸造生产适用于各种生产类型。
(5)铸造成本较低,铸造所用的原材科来源广泛,价格低廉,井可回收使用,还可利用金屈废科和废机件。
液态成形缺点
(1)铸造组织疏松,晶粒粗大,内部易产生缩孔、缩松、气fL等缺陷。
(2)铸件的力学性能(特别是冲击韧性)较差。
(3)铸造工序多,难以精确控制。
铸造从造型方法来分,可分为砂型铸造和特种铸造两大类。
砂型铸造工艺流程图
•砂型铸造生产过程包括以下步骤:
•绘制零件铸造工艺图——制造模样和芯盒——造型和造芯——下芯、合箱——浇注——落砂——清理——质量检验——获得合格铸件。
铸件横断面上的温度分布曲线称为铸件的温度场
所以合金液凝固又称为一次结晶
铸件在凝固过程中,除纯金属和共品成分合金外,断面上一般部存在三个区域;
液相区、凝固区和固相区。
●合金为液相和固相共存状态,称为凝固区。
铸件的凝固方式(即铸件断面上的凝固特性)主要取决于凝固区的宽度,可分为以下三种类型:
逐层凝固方式:
没有凝固区,固相区由表面向中心层层发展的凝固方式
•如果合金的结晶温度范围很小.铸件断面的凝固区域很窄.则也属于逐层凝固方式。
糊状凝固方式:
对于凝固温度范围宽的合金或温度梯度很小的铸件,凝固的某段时间内(τ1~τ2)铸件断面上的凝固区很宽,甚至贯穿整个铸件断面,而表面的温度仍高于固相点Ts而不结壳。
τ2以后表层温度低于Ts,此时才开始结壳面形成固相区,并不断增厚直至铸件中心。
这种凝固方式称为糊状凝固方式。
由于铸件的断面上布满小晶体,将金属液分割开,使合金液的充型和补缩能力变差。
•大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间,称为中间凝固方式
流动性:
液态合金充满型腔,形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力,称为液态合金的流动性。
液态合金在凝固和冷却过程中,体积和尺寸减小的现象称为合金的收缩。
收缩能使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形和内应力等缺陷。
•合金的收缩经历如下三个阶段
•
(1)
液态收缩:
从浇注温度(T浇)到凝固开始温度(即液相线温度Tl)间的收缩。
•
(2)
凝固收缩:
从凝固开始温度(Tl)到凝固终止温度(即固相线温度Ts)间的收缩。
•(3)
固态收缩:
从凝固终止温度(Ts)到室温间的收缩。
•
缩孔和缩松的形成
•若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足,则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。
按照孔洞的大小和分布,可将其分为缩孔和缩松两类。
•缩孔:
集中在铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔洞。
缩孔多呈倒圆锥形,内表面粗糙。
•缩松:
分散在铸件某些区域内的细小缩孔。
•
•铸造应力按其产生的原因可分为三种:
a)热应力铸件在凝固和冷却过程中,不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。
b)固态相变应力铸件由于固态相变,各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。
c)机械应力(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。
•铸造应力的防止和消除措施
a)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。
如图9-9所示。
b)提高铸型温度
c)改善铸型和型芯的退让性
d)进行去应力退火
•当铸造内应力超过金属材料的抗拉强度时,铸件便产生裂纹,根据产生温度的不同,裂纹可分为热裂和冷裂两种。
铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。
造应力的防止和消除措施
d)进行去应力退火
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。
•用造型混合料及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型。
制造砂型的工艺过程称为造型。
当制作空心铸件,或铸件的外壁内凹,或铸件具有影响起模的外凸时,经常要用到型芯,
铸造工艺图:
在零件图中用各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形,铸造工艺图是表示铸型分型面、浇冒口系统、浇注位置、型芯结构尺寸、控制凝固措施(冷铁、保温衬板)等的图样。
图中应表示出:
铸件的浇注位置、分型面、型芯的数量、形状、尺寸及固定方法、加工余量、起模斜度、浇口、冒口、冷铁的尺寸和位置。
1、浇注位置的选择
浇注位置:
浇注时铸件在铸型中所处的位置。
确定浇注位置时应考虑以下原则:
1、铸件的重要部位应尽量置于下部
2、重要加工面应朝下或呈直立状态
3、使铸件的大平面位置朝下,避免夹砂结疤类缺陷
4、应保证铸件能充满
5、应有利于铸件的补缩
6、避免用吊砂、吊芯或悬臂式砂芯,便于下芯、合箱及检验
7、应使合箱位置、浇注位置和铸件冷却位置一致
分型面的选择
分型面为铸型组元间的接合面,选择分型面应考虑以下原则:
(1)分型面应尽量采用平面分型,避免曲面分型,并应尽量选在最大截面上,以简化模具制造和造型工艺。
(2)尽量将铸件全部或大部放在同一砂箱以防止错型、飞翅、毛刺等缺陷,保证铸件尺寸的精确。
(3)应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中。
(4)若铸件的加工面很多,又不可能全部与基准面放在分型面的同一侧时,则应使加工基准面与大部分加工面处于分型面的同一侧。
(5)尽量减少分型面的数目,最好只有一个分型面。
(6)分型面应尽量选用平面
(7)应便于下芯、合箱和检查型腔尺寸
(8)铸件的非加工表面上,尽量避免有披缝。
(9)分型面的选择应尽量与铸型浇注时位置一致。
浇注位置、分型面选择实例分析
图1-19支座的铸造工艺图、模样图及合型图
a)零件图
b)铸造工艺图(左)和模样图(右)c)合型图
铸造工艺对铸件结构的要求
(1)铸件结构形状应符合造型工艺的要求,应尽量减少分型面、分模面、模型活块和砂芯数量。
(2)应尽量改进妨碍起模的凸台、凸缘和筋板等结构。
(3)有利于砂芯的固定和排气,尽量避免采用悬壁砂芯。
(
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