工程材料及成型技术 鞠鲁粤编

第一章工程材料 1）固体材料的主要性能包括力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能 力学性能包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损 2）材料强度是指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力 最常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度 固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体 常见的晶格类型:体心立方格，面心立方格，密排六方晶格 3）晶格缺陷:点缺陷，面缺陷，线缺陷 4）细化液态金属结晶晶粒的方法:增加过冷度，变质处理，附加振动 5）合金:由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属性质的物质 组元:组成合金的最基本、最独立的物质 二元合金:由两种组元组成的合金 相:合金中成分相同、结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分 组织:一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体 6）固态合金中的相可分为固溶体和金属化合物 固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体 7）固溶强化:当溶质原子溶入溶剂晶格，使溶剂晶格发生畸变，导致固溶体强度、硬度提高，塑性和韧性略有下降的现象 弥散强化:金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，使合金的强度、硬度、耐热性和耐磨性明显提高 8）铁碳合金的基本相有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体和低温莱氏体 9）铸铁的类型 铸铁分为一般工程应用铸铁和特殊性能铸铁 一般工程性能铸铁按石墨形貌不同分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁 10）影响石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度 11）钢的热处理:将固态钢采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的一种工艺 热处理分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗）及特殊热处理（形变热处理等） 12）铁碳合金相图（分析题）P32 第二章铸造成形 1）铸件的生产工艺方法 按充型条件不同分为重力铸造、压力铸造、离心铸造 按形成铸件的铸型分为砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、磁型铸造等 2）影响金属充型能力的因素和原因 ①合金的流动性②浇注温度③充型能力④铸型中的气体⑤铸型的传热系数⑥铸型温度⑦浇注系统的结构⑧铸件的折算厚度⑨铸件复杂程度 影响原因①流动性好，易于浇出轮廓清晰，薄而复杂的铸件，有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除，易于对铸件补缩 ②浇注温度越高，充型能力越强 ③压力越大，充型能力越强，但压力过大或充型速度过高会发生喷射、飞溅和冷隔④铸型中的气体能产生气膜，减少摩擦阻力 ⑤传热系数越大，铸型的激冷能力越强，金属液于其中保持液态的时间越短，充型能力下降 ⑥温度越高，液态金属与铸型的温度就越小，充型能力越强 ⑦结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差 ⑧折算厚度大，散热慢，充型能力好 ⑨结构复杂，流动阻力大，铸型充填困难 3）金属的凝固方式:逐层凝固方式，体积凝固方式，中间凝固方式 4）合金收缩的缺陷:缩孔、缩松、裂纹、变形和残余应力 合金收缩的阶段:液态收缩、凝固收缩、固态收缩 5）影响收缩的因素:化学成分的影响，浇注温度的影响，铸件结构和铸件条件的影响 6）防止缩孔的方法:定向凝固原则，同时凝固的原则 7）为使铸件实现定向凝固原则或同时凝固原则，可采取的工艺措施: ①正确布置浇注系统的引入位置，确定合理的浇注工艺 ②采用冒口③采用补贴④采用不同蓄热系数的造型材料或冷铁 8）铸件的结构设计（出分析题）:看看常见的铸件结构设计，特别是不合理的结构 9）砂型铸造方法的类型和基本原理 砂型铸造方法主要有手工造型（用手工或手动工具完成紧砂、起模、修型的工序）和机器造型（用机器进行紧砂和起模） 气动微振压实造型（低压造型）:采用振动-压实-微振紧实砂型 高压造型:指压实比压超过0.7MPa的机器造型，压实机构以液压为动力。按工艺装备分为有箱、脱箱、无箱三种。 真空密封造型的原理:在特制砂箱内充填无水无粘结剂的型砂，用薄而富有弹性的塑料薄膜将砂箱密封后抽成真空，借助铸型内外的压力差使型砂紧实和成形。 气流冲击造型原理:利用气流冲击，使预填在砂箱内的型砂在极短的时间内完成冲击和紧实的过程。分为低压气冲造型和高压气冲造型 消失模造型的原理:用泡沫聚苯乙烯塑料模样（包括浇冒口）代替普通模样，造好型后不取出模样就浇入金属液，在灼热液态金属的热作用下，泡沫塑料气化、燃烧而消失，金属液取代了原来泡沫塑料模所占的空间位置，冷却凝固后即可获得所需要的铸件 冷冻造型:采用普通的石英砂作为骨架材料，加入少量的水和粘土，按普通造型方法制好铸件后送入冷冻室，用液态氮或二氧化碳为制冷剂，冷冻铸型，借助包裹在砂粒表面的冷冻水分而实现砂粒的结合，使铸型有很高的强度和硬度 10）特种造型 金属型铸造:用铸铁、碳钢或低合金钢等金属材料制成铸型，在重力作用下，金属液充填金属型型腔，冷却成形而获得铸件 离心铸造:将金属液浇入旋转的铸型中，在离心力的作用下填充铸型而凝固成形。分为卧式离心铸造和立式离心铸造 压力铸造:在高压作用下，以很高的速度把液态或半液态金属压入压铸模型腔，并在压力下快速凝固而获得铸件。 低压铸造:浇注时金属液在低压作用下由下而上填充铸型型腔，并在压力下凝固而形成铸件 熔模铸造:属于精密铸造，分为型壳熔模铸造、填箱熔模铸造、石膏型熔模铸造 壳型铸造:用热法制造壳型，制壳的方法有翻斗法和吹砂法 陶瓷型铸造的原理:以耐火度高、热膨胀系数小的耐火材料为骨料，用水解的硅酸乙酯作粘结剂配制陶瓷型浆料，在碱性催化剂作用下用灌浆法成形，胶结、喷燃和烧结后，制成陶瓷型 磁性铸造:采用铁丸代替型砂及型芯砂，用磁场作用代替铸造粘结剂，用泡沫塑料消失模代替普通模样 石墨型铸造:用高纯度的人造石墨经机械加工成形或以石墨砂作骨架材料添加其他附加物制成铸型，浇注凝固后获得铸件 真空吸铸:使型腔内造成负压使金属液充型凝固 差压铸造:使液态金属在压差作用下，浇注到预先有一定压力的型腔内，凝固后获得铸件 半固态金属铸造:利用压铸、挤压、模锻等常规工艺加工金属的半固态浆料。 第三章锻压成形 1）单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生进行的。 滑移是指在切力作用下，晶体一部分相对于晶体的另一部分沿滑移面做整体滑动。 孪生是指在切力作用下，晶体的一部分原子相对于另一部分原子沿某个晶面转动，使未转动部分与转动部分的原子排列呈镜面对称。 2）冷变形金属随热处理温度的提高，经历回复，再结晶及晶粒长大三个阶段 低温退火（应力退火）:当加热温度较低时，冷变形金属的纤维组织没有明显变化，其力学性能也变化不大，但残余应力显著降低，这一阶段称为回复，实际生产中这种回复处理称为低温退火 再结晶退火:显微组织发生明显变化，被拉长而呈纤维状的晶粒又变为等轴状晶粒，同时加工硬化与残余应力完全消除，这一过程称为再结晶，实际生产中将再结晶处理称为再结晶退火 3）金属及合金的锻造性主要取决于材料的本质及其变形条件 4）锻造方法自由锻、模锻及胎模锻 自由锻工序分为基本工序、辅助工序、精整工序。基本工序主要有镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、扭转、错移和切割等 5）自由锻件的结构工艺性要求（图和文字） 6）锻模模膛分为模锻模膛，制坯模膛和切断模膛 7）板料冲压的基本工序:分离工序及变形工序 8）弯曲是将金属材料沿弯曲曲线弯成一定的角度和形状的工艺方法 弯曲结构工艺性: ①最小弯曲半径。弯曲件的最小弯曲半径不能小于材料许可的最小半径，，否则会造成弯曲处外层材料的破裂。 ②弯曲件的直边高度 ③弯曲件孔边距。带孔件弯曲时，为避免孔被拉成椭圆，孔不能离弯曲太近。 ④弯曲件半径较小的弯边交接处，容易因应力集中而产生裂纹，应事先在交接处钻出工艺孔，预防裂纹产生。 9）拉深:将平面板料冲压成各种空心开口件的冲压工序 拉深的主要质量问题:起皱，拉裂 10）拉深系数m是指每次拉深后筒形件直径与拉深前毛坯（或半成品）直径的比值。 拉深次数取决于每次拉深时允许的极限变形程度。 11）冲模的种类 按冲模完成的工序性质分为落料模、冲孔模、切断模、弯曲模、拉深模等 按工序的组合方式分为单工序简单模和多工序的连续模、复合模等 12）连续模是指压力机在一次行程中，依次在不同的位置上同时完成多道工序的冲模 基本结构有用导正销定距的连续模以及用侧刃定距的连续模 复合模是指在压力机一次行程中，在同一中心位置上，同时完成几道工序的冲模 第四章焊接成形 1）焊接成形技术的本质:利用加热或同时加热加压的方法，使分离的金属零件形成原子间的结合，从而形成新的金属结构 2）从冶金角度来看，将焊接分为液相焊接、固相焊接、固-液相焊接 3）焊接的主要方法为熔化焊、压力焊和钎焊 熔化焊分为气焊（焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊[氩弧焊、CO2气体保护焊]）、电弧焊、电渣焊，等离子弧焊、电子束焊、激光焊 压力焊包括电阻焊、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊 钎焊包括软钎焊和硬钎焊 4）焊接存在的问题:焊接接头的组织和性能与母材相比会变化，容易产生焊接裂纹等缺陷，焊接后产生残余应力与变形，这些都会影响焊接结构的质量 5）电弧的主要做用力:磁收缩力，等离子流力，斑点力 6）电弧的极性及选择方法 电弧的两级与焊接电源的连接方式称为电弧的极性 若焊件与焊机的正级相连接，焊条与负极相连，称为正接法或正极性，反之则为反接法或反极性。在手工电弧焊中，通常焊厚板时，需要较高温度，采用直流正接法，焊薄板时，为避免烧穿，采用直流反接法 7）熔滴过渡:在电弧焊的作用下，焊条加热熔化形成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊条入熔池 8）各种焊接方法的用途 CO2气体保护焊:主要用于焊接0.8～4.0mm的薄板，主要用于焊接低碳钢和低合金钢，广泛用于汽车工业和其他工业部门，用焊丝做电极，焊丝是空心状，里面充满焊药，焊接时形成气-渣联合保护 氩弧焊:广泛用于焊接铝合金、钛合金、锆合金，用于航空航天、核工业部门。钨极氩弧焊用钨极做电极，一般用于焊接4mm以下的薄板，熔化极氩弧焊利用金属焊丝作为电极，适合焊接3~25mm的 电渣焊:主要用于钢材或铁基金属的焊接，一般宜焊接厚在30mm以上的金属材料。电渣焊焊接时将工件分开一定的距离，用两块水冷滑块和工件一起构成熔渣池与金属熔池。电流通过液态熔渣时产生电阻热，熔化焊丝和母材从而形成焊缝。 电阻焊利用接触电阻热将接头加热到塑性或熔化状态，分为点焊、缝焊、凸焊、对焊 点焊:主要用于焊接搭接接头，焊接厚度一般小于3mm，可以焊接碳钢、不锈钢、铝合金等，在汽车制造中大量使用，同时广泛应用于航空航天、电子等工业 缝焊:焊接焊板一般小于3mm 凸焊:焊接厚度相差较大的工作 对焊:广泛用于焊接钢筋、车圈、管道和轴等 摩擦焊:广泛用于在发动机轴、石油钻轴等产品的轴杆类零件中 钎焊分为硬钎焊和软钎焊，广泛用于硬质合金刀头的焊接以及电子工业、电机、航空航天等工业。 9）焊条药皮的作用:造气，造渣，渗合金 10）焊接接头工作区 分为焊缝金属区，熔合区，热影响区 焊缝金属区是指由焊缝表面和熔合线所包围的区域，在凝固后的冷却过程中，焊缝金属可能产生硬、脆的淬硬组织甚至出现焊接裂纹，通过严格控制焊缝金属的碳、硫、磷含量，渗入合金元素和细化晶粒等措施可使力学性能不低于母材金属。 熔合区:焊缝与母材交接的过渡区，该区的加热温度在固、液相之间，由铸态组织和过热组织构成，可能出现淬硬组织。该区的化学成分和组织不均匀，力学性能差，是焊接接头最薄