金属材料结构加工.docx
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金属材料结构加工
(一)金属材料
金属的同素异构转变
●金属的同素异构转变的慨念
●金属在固态下,随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。
●金属的同素异构转变的意义
●可以用热处理的方法即通过加热、保温、冷却来改变材料的组织,从而达到改善材料性能的目的
铁碳合金的基本组织
v铁素体:
碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体(F)。
塑性(δ=45-50%)、韧性好,强度、硬度低。
v奥氏体:
碳溶解在γ-Fe中的间隙固溶体(A)。
塑性好。
v渗碳体:
铁与碳形成的金属化合物(Fe3C)。
硬度很高(HBW=800),塑性、韧性几乎为零。
v珠光体:
是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体,铁素体和渗碳体的机械混合物(P)。
v莱氏体:
是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏体与渗碳体的共晶体(Ld)。
硬度高,塑性差。
铁碳合金状态图分析(上图)
●a区:
Ld′+Fe3CⅠ;b区:
A+Fe3CⅡ;c区:
A;d区:
P+Fe3CⅡ;e区:
F+A
●1点开始结晶A,1-2点间为A+L两相共存区;
●2点A结晶完毕,2-3点间为单相A;
●3点开始析出F,3-4点间为F+A;
●4点共析反应,剩余的A发生共析转变为P;
●5点该合金常温组织为:
F+P。
热处理的主要目的:
改变钢的性能。
●1.弹性(elasticity):
●金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。
●2.弹性变形(elasticdeformation):
●随载荷撤除而消失的变形。
●3.弹性极限(elasticlimit):
其中:
●Fe性极限载荷(N)
●S0试样原始横截面积(mm2)
注1:
GB中把弹性极限称为“规定残余伸长应力”。
即规定以残余伸长为0.01%的应力为残余伸长应力。
工程中我们把产生了0.01%塑性变形的应力规定为弹性极限。
注2:
O-P段对应的是完全弹性变形,应力应变是直线关系。
理论上过P点即产生塑性变形。
工程概念:
因定量可操作性需要,必须规定一个可测数据以定义弹性极限,故设e点。
4.强度(strength):
材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。
(1)种类:
抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。
(2)屈服强度(yieldstrength):
屈服点S
其中:
●Fs:
试样屈服时的载荷(N)
●S0:
试样原始横截面积(mm2)
(3)条件屈服强度(塑性变形量为0.2%)
其中:
●F0.2试样0.2%残余塑性变形时载荷(N)
●S0试样原始横截面(mm2)
(4)抗拉强度(tensilestrength):
试样在断裂前所能承受的最大应力
其中:
●Fb试样断裂前的最大载荷(N)
●S0试样原始横截面积(mm2)
四.塑性(plasticity):
●是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。
(1)断面收缩率(percentagereductioninarea):
●是指试样拉断处横截面积Sk的收缩量与原始横截面积S0之比。
(2)伸长率(延伸率)specificelongation:
●是指试样拉断后的标距伸长量Lk与原始标距L0之比。
δ<2~5%属脆性材科
δ≈5~10%属韧性材料
δ>10%属塑性材料
(二)铸造
可锻铸铁件的生产
可锻铸铁生产:
将白口铸铁件经长时间的高温石墨化退火,使白口铸铁中的渗碳体分解,获得在铁素体或珠光体的基体分布着团絮状石墨的铸铁。
特点:
●强度高σb=300~400Mpa,塑性(δ≤12%)和韧性(αk≤30J/cm2)好
●石墨化退火周期长,40~70h,铸件成本高
●适用于制造承受震动和冲击、形状复杂的薄壁小件
●其实它并不能真的用于锻造
型砂
●型砂主要由原砂、粘结剂和水等组成
●应具备
●透气性
●强度
●耐火性
●可塑性
●退让性等基本性能。
灰铸铁
●A.灰铸铁的性能
●铸铁之所以用得如此广泛,是因为石墨的存在,石墨的存在,使铸铁具有铸钢所不具备的性能。
铸铁的优点
●良好的铸造性能,如流动性好、收缩小、浇注温度低
●良好的切削加工性能
●高的耐磨性
●良好的吸振缓冲性能
●低的缺口敏感性能
影响凝固的主要因素
●合金的结晶温度范围:
▪合金的结晶温度范围越小,凝固区域越窄,越趋向于逐层凝固,易产生缩孔。
▪在铁碳合金中普通灰铸铁为逐层凝固,高碳钢为糊状凝固,易产生缩松。
▪铸造合金的结晶间隔越大,则流动性越差,具有共晶成分的合金流动性最好。
(三)压力加工
冷变形与热变形
冷变形强化(加工硬化):
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(弹性极限、比例极限、屈服点和强度极限)和硬度都有所提高,但塑性和韧性有所下降。
回复:
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,使原子回复到平衡位置,晶粒残余应力大大减小。
回复温度:
T回=(0.25~0.3)T熔
再结晶:
当温度升高到该金属熔点的0.4倍时(T再=0.4T熔),金属原子获得更多的热能,使塑性变形后金属被拉长了的晶粒重新生核、结晶,变为变形前晶格结构相同的新等轴晶粒。
变形温度在再结晶温度以上时,变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消,变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组织,而无任何加工硬化痕迹,这种变形称为热变形。
具有纤维组织的金属,各个方向上的力学性能不相同。
顺纤维方向的力学性能比横纤维方向的好。
纤维组织的利用原则
Ø使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断;
Ø使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致,最大切应力与纤维方向垂直。
Ø纤维组织的稳定性高,不能用热处理方法加以消除,只能通过塑性加工使金属变形,才能改变其方向和形状
锻压生产方式
●自由锻
●只用简单的通用性工具,或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量锻件的方法。
坯料在两砧间变形时,沿变形方向可以自由流动。
●生产大型锻件的唯一方法
●例如,当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时,螺钉头部与杆部的纤维被切断,受力时产生的切应力顺着纤维方向
●故螺钉的承载能力较弱(图a)。
●当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(图b),纤维不被切断且连贯性好,纤维方向也较为有利(锻造(模锻)(冷镦成形、切六方))
●故螺钉质量较好。
锤上模锻成型工艺设计
锤上模锻成型的工艺过程一般为:
切断毛坯→加热坯料→模锻→切除模锻件的飞边→校正锻件→锻件热处理→表面清理→检验→成堆存放。
锤上模锻成型的工艺设计包括制定锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步(选择模膛)、选择设备及安排修整工序等。
其中最主要的是锻件图的制定和模锻工步的确定。
锤上模锻的锻模模膛,根据其功用不同,可分为预锻模膛、终锻模膛和制坯模膛等三类。
锻模模膛及其功用
●预锻模膛
●预锻模膛的作用是:
●使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸,终锻时金属容易充满终锻模膛。
●同时减少了终锻模膛的磨损,以延长锻模的使用寿命。
●预锻模膛和终锻模膛的区别是前者的圆角和斜度较大,没有飞边槽。
●终锻模膛
●终锻模膛的作用是:
是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸,因此它的形状应和锻件的形状相同。
●终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量。
钢件收缩量取1.5%。
●沿模膛四周有飞边槽,用以增加金属从模膛中流出的阻力,促使金属充满模膛,同时容纳多余的金属。
●终锻后在孔内留下一薄层金属,称为冲孔连皮。
可锻性
可锻性--常用金属材料在经受压力加工产生塑性变形的工艺性能来表示。
可锻性的优劣是以金属的塑性和变形抗力来综合评定的。
塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形,而不破坏其完整性的能力。
金属对变形的抵抗力,称为变形抗力。
金属的可锻性取决于材料的性质(内因)和加工条件(外因)。
●修整
●修整是利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属,以切掉普通冲裁时在冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺,从而提高冲裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度。
●修整后冲裁件公差等级达IT6~IT7,表面粗糙度Ra为0.8~1.6μm。
●
●合理设计拉深模工作零件
●凸凹模的圆角半径。
材料为钢的拉深件,取r凹=10s,而r凸=(0.6~1)r凹。
这两个圆角半径过小,产品容易拉裂。
●凸凹模间隙。
一般取Z=(1.1~1.2)s。
●注意润滑
●拉深过程中另一种常见缺陷是起皱。
可采用设置压边圈的方法解决,也可以通过增加毛坯的相对厚度或拉深系数的途径来解决。
凸凹模刃口尺寸的确定
在冲裁件尺寸的测量和使用中,都是以光面的尺寸为基准。
落料件的光面是因凹模刃口挤切材料产生的
而孔的光面是凸模刃口挤切材料产生的
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Z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尺寸,取凸模作设计基准件,然后根据间隙Z确定凹模尺寸(即用扩大凹模刃口尺寸来保证间隙值)。
●焊接
●序言提要:
焊接是一种极为广泛的连接方法
焊接是通过加热或加压,或者两者并用,并且用或不用填充材料,使焊接件达到原子结合的一种方法。
●焊接方法:
熔化焊、压力焊、钎焊、气体保护焊、等离子弧焊接、激光焊、高频焊等。
●焊接的主要特点是:
(1)节省材料,减轻质量;
(2)简化复杂零件和大型零件的制造;
(3)适应性好;可实现特殊结构的生产;
(4)满足特殊连接要求;可实现不同材料间的连接成型;
(5)降低劳动强度,改善劳动条件。
●焊接方法的应用:
(1)制造金属结构件;
(2)制造机器零件和工具;
(3)修复。
●酸性药皮与碱性药皮两者的性质
●酸性药皮工艺性好,而碱性药皮工艺性差
●碱性药皮中有益元素多,能使焊接接头力学性能提高
●碱性药皮中因不含有机物,也称低氢型药皮。
可以提高焊缝金属的抗裂性
●碱性药皮氧化性强,对锈、油、水的敏感性大,易产生飞溅和CO气孔
●碱性药皮在高温下,易生成较多的有毒物质(HF等),因而应注意通风
焊接接头的组织与性能
熔焊热原的高温集中融化焊缝区金属,并向工件金属传导热量,必然引起焊缝及附近区域金属的组织和性能发生变化。
●焊缝区——在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域。
●熔合区——熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区。
●热影响区---受焊接热循环的影响,焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域(熔合区,过热区、正火区、部分相变区)。
压力焊方法及工艺
●压力焊是指通过加热等手段使金属达到塑性状态,加压使其产生塑性变形、再结晶和扩散等作用,使两个分离表面的原子接近到晶格距离(0.3~0.5nm),形成金属键,从而获得不可拆卸接头的一类焊接方法。
●热源形式为:
电阻热、高频热、摩擦热等。
●力的形式为:
静压力、冲击力(锻压力)和爆炸力等。
●压力焊为:
冷压焊、扩散焊和热压焊
电阻缝焊
●缝焊是连续的点焊过程,它是用连续转动的盘状电极代替了柱状电极,焊后获得相互重叠的连续焊缝。
●缝焊分流严重,通常采用强规范焊接,焊接电流比点焊大1.5~2倍。
缝焊主要用于低压容器,如汽车、摩托车的油箱、气体静化器等的焊接。
●
●焊接裂纹
●1.热裂纹
●热裂纹的特征
●热裂纹可发生在焊缝区或热影响区。
●热裂纹的微观特征是沿晶界开裂,所以又称晶间裂纹。
●因热裂纹在高温下形成,所以有氧化色彩。
●热裂纹产生的原因:
●晶间存在液态薄膜。
●接头中存在拉应力。
●热裂纹的防止:
●限制钢材和焊条、焊剂的低熔点杂质,如硫和磷含量。
●Fe和FeS易形成低熔点共晶,其熔点为988℃,很容易产生热裂纹。
●缩小结晶温度范围,改善焊缝组织,细化焊缝晶粒,提高塑性减少偏析。
●减少焊接应力的工艺措施,如采用小线能量,焊前预热,合理的焊缝布置等。
●2.冷裂纹
●冷裂纹的形态和特征
●焊缝区和热影响区都可能产生冷裂纹。
冷裂纹的特征是无分支,通常为穿晶型。
●冷裂纹无氧化色彩。
●最常见的冷裂纹是延迟裂纹,即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹。
●延迟裂纹的产生原因:
●焊接接头(焊缝和热影响区及熔合区)的淬火倾向严重,产生淬火组织,导致接头性能脆化。
●焊接接头含氢量较高,并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子,造成非常大的局部压力,使接头脆化。
●存在较大的拉应力。
因氢的扩散需要时间,所以冷裂纹在焊后需延迟一段时间才出现。
由于是氢所诱发的,也叫氢致裂纹。
●防止延迟裂纹的措施:
●选用碱性焊条或焊剂,减少焊缝金属中氢的含量,提高焊缝金属塑性。
●焊条焊剂要烘干,焊缝坡口及附近母材要去油水;除锈,减少氢的来源。
●工件焊前预热,焊后缓冷,可降低焊后冷却速度,避免产生淬硬组织,并可减少焊接残余应力。
●采取减小焊接应力的工艺措施,如对称焊,小线能量的多层多道焊等。
●焊后立即进行去氢(后热)处理,加热到250℃,保温2~6h,使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面。
●焊后进行清除应力的退火处理。
切削加工
积屑瘤
1.积屑瘤的形成
原因:
由于金属的挤压和强烈摩擦,使切屑与前刀面之间产生很大的应力和很高的切削温度
条件:
当应力和温度条件适当时,切屑底层与前刀面之间的摩擦力很大,使得切屑底层流出速度变得缓慢,形成一层很薄的“滞流层”。
形成:
当滞流层与前刀面的摩擦阻力超过切屑内部的结合力时,滞流层的金属与切屑分离而粘附在切削刃附近形成积屑瘤。
切削液
作用:
改善润滑条件,减小摩擦热;冷却降温,改善散热条件;清洗工件等。
分类:
●水溶液(加一定量的防锈剂—苏打)主要起冷却降温作用;用于粗加工
●矿物油
同时起润滑和冷却作用,以润滑为主;用于精加工
●乳化液
(乳化油加水稀释,70%~98%的水),可用于粗、精加工。
●加工铸铁一般不用切削液。
组织内有石墨能起润滑作用。
●用硬质合金刀具,也不用切削液。
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