材料成型工艺基础

绪 论材料成形：所有利用物理、化学、冶金原理使材料成形的方法，称之为材料成形加工工艺。 一、材料与材料科学材料是用来制作有用器件的物质，是人类生产和生活所必须的物质基础.历史学家把人类社会的发展按其使用的材料类型划分为石器时代、青铜时代、铁舞 时代,而今正处于乂工合成材料的新时代。材料科学的研究内容材料科学是研究各种固体材料的成分、组织、性能和应用之间关系及其变化规律的科学， 它包括四个基本要素：材料的合成与制备，成分与组织结构，材料性能和使用性能。材料的分类按化学成分：金属材料：钢、铸铁、铜、铝等高分子材料：塑料、橡胶、胶粘剂、纤维材料等陶瓷材料复合材料金属材料是怎么得到的呢？冶炼-把金属从矿石中提炼出来，这个过程就叫金属的冶炼。材料新技术芯片光纤超导材料二、材料成形技术人课程性质材料成形基础是一门研究常用工程材根用吸机器零件成签工艺感理的综合性技术基础学 科.2、材料成形加工在国民经济中的地位材料成形加工在工业生产的各个部门和行业都有应用，尤其对于制造业来说更是具有 举足轻重的作用。制造业是指所有生产和装配制成品的企业群体的总称，包括机械制造、运 输工具制造、电气设备、仪器仪表、食品工业、服装、家具、化工、建材、冶金等，它在整 个国民经济中占有很大的比重。统计资料显示，在我国，近年来制造业占国民生产总值GDP的比例已超过35%。同时， 制造业的产品还广泛地应用于国民经济的诸多其他行业，对这些行业的运行产生着不可忽视 的影响。因此，作为制造业的一项基础的和主要的生产技术，材料成形加工在国民经济中占 布.十分重要的地位，并且在一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平。通过下面列举的数据，可以帮助我们真切、具体地了解到成形加工对制造业和国民经 济的影响.据统计，占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接制成构件或产品后投入使 用的；在机床和通用机械中铸件质量占7080%,农业机械中铸件质量占40-70%；汽车中 铸件质占约20%,锻压件质量约占70%；飞机上的锻压件质量约占85%；发电设备中的 主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；家用电器和通信产品中6080%的零部件是 冲压件和塑料成形件。再从我们熟悉的交通工具一一轿车的构成来看，发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都 是铸造而成，连杆、传动轴、车轮轴等是锻造而成，车身、车门、车架、油箱等是经冲压 和焊接制成，车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等是塑料成形制件，轮胎等是橡胶成形制品.因此，可以亳不夸张地说，没有先进的材料热加工工艺，就没有现代制造业。我国是世界上少数的几个拥有运载火箭、人造卫星和教人飞船发射实力的国家，这些 航天飞行器的建造离不开先进的加工成形工艺，其中，火箭和飞船的壳体都是采用了高强 轻质的材料，通过先进的特种焊接和胶接技术制造的3、课程内容作为高等工科学校机械类专业学生的一门技术基本课，本课程主要涉及的是与机械制造 有关的材料成形加工工艺的基础知识。它主要研究：各种成型工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系；零件的成型工艺 过程和结构工艺性；常用工程材料性能对成型工艺的影响；工艺方法的综合比较等。它几乎 涉及机器制造中所有工程材料的成型工艺。机械制造是将原材料制造成机械零件，再由零件装配成机器的过程。其中，机械零件的 制造在整个机械制造的过程中占据了很大的比重，而成形加工又是机械零件制造的主要工作。 传统上的机械大都是用金属材料加工制造的，随着科学和生产技术的发展，机械制造所用的 材料已扩展到包括金属、非金属和亚合材料在内的各种工程材料，因此机械产品的成形加工 工艺也就不再局限于传统意义上的金属加工的范畤，而是将非金属和复合材料等的成形加工 也包含进来了。金属材料的成形一般有铸造、塑性成形、焊接、粘接和机械加工（包括切削加工和特 种加工）等常用方法，非金属和复合材料则另有各自的特殊成形方法.4、基本要求本课程是机械类专业的主干课程之一，也是部分非机械类专业通常开设的一门课程。 学生在学完本课程之后，应达到以下基本要求： （1）掌握各种热加工方法的基本原理、工艺特点和应用场合，了解各种常用 的成形设备的结构和用途，具有进行材料热加工工艺分析和合理选择毛坯（或零件） 成形方法的初步能力。 （2）具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力。 （3）了解与材料成形技术有关的新材料、新工艺及其发展趋势.第一章金属材料导论第一节金属材料的性能一、材料的性能物理性能：包括材料的密度、球 点、热膨胀性.导也性、导热性及使用在*拔性等.化学性能：指材抖在不同条件下抵 抗各种化学作用的性能，如化学稳 定性、抗乳化性、时快性等.万学，牲痣7青材怦在力的作用可奏 现出来的冬种性能，主要是强性、 塑性和轻度，它们先通过批定条件 下粕标淮实验来测定的.工艺性能：指材料对某种加工工艺 的适成性，包括铸迂性能. 饿压性 能、焊按性能，热处理工艺社和切 削加工性等.二、材料在载荷作用下的力学行为材料在载荷（外力）作用下的表现（反应），人们习惯称之为力学行为。材料在教荷作用 下，对于塑性材料来说会产生弹性变形，塑性变形，直至断裂.L弹性变形当物体受外力作用时产生了变形，若除去外力，物体发生的变形会完全消失，恢复 到原始状态，这种变形称之为弹性变形。2 .塑性变形当外力增加到一定程度时，物体发生的变形不能完全消失而一部分被保留下来，所保 留的变形称之为塑性变形或永久变形.3 .断裂断裂前出现明显宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂；在断裂前没有宏观塑性变形的断 裂行为称之为脆性断裂.三、材料在静载荷作用下的主要力学性能指标静载荷是指加载方式不影响材料的变形行为，加载速率较为缓和的载荷。材料在静载荷作用下的主要力学性能指标有弹性，刚度,强度，塑性，硬度等性能 指标可通过拉伸试验和硬度试验测得1 .弹性极限。e：材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，以。e表示,单位为 MPa.2 弹性模量（E）：材料在弹性变形的阶段内，直线的斜率，即产生单位弹性应变所需要 的应力值，以E表示，单位MPa.其大小反映材料刚度大小.材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。强度：材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力.3,屈服强度（点）。,:材料产生屈服时的最低应力值称为屈服点，以。s表示，单位为MPa.它表征了 材料抵抗微量塑性变形的能力。4,抗拉强度。b材料在拉断前所承受的最大应力值,称为抗拉强度,通常用。b表示，单位M P a。它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力.抗拉强度一是脆性材料选材的依据。5.塑性材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力.常用6和中作为衡量塑性的指标.伸长率：5= xQQ%断面收缩率：一“一与xlOO% $0良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。（三）硬度金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。材料的硬度越高其耐磨性就越好，并且 材料的硬度与它的力学性能和工艺性能（如切削加工性、焊接性能等）之间存在着一定的 对应关系，所以硬度是最常用的性能指标之一.在一些零件图中硬度是检验产品质量的重 要指标。1 .布氏硬度(HB)测试原理布氏硬度实验用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面, 保持一定时间后，卸除试验力，在试样表面得到直径为d的压痕直径，用试验力除以压痕 表面积所得的值即为布氏硬度值,用HB表示。计算公式：HB =4 =2S Q。一 y/D2-d2)(2)测定条件压头为淬火钢球，适于测定硬度在450以下的材料，如结构钢、铸铁及非铁合金 等,以HBS表示；压头为硬质合金，以HBW表示，适于测定硬度值在450以上的材料， 最高可测650HBW.(3)表示方法例如：120HBS10/1000/30(4)适用范围铸铁、铸钢、非铁金属材料及热处理后钢材毛坯或半成品.2 洛氏硬度(HR) (1)测试原理 洛氏硬度值用主载荷作用下试样产生塑性变形压痕深度BD来确定 (2)表示方法 硬度标尺：HRA、HRB、HRC, C标尺最常用. 如 250HRC 适用范围 在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用，也可测定较薄工件或表面有较薄硬化层的硬度.常用洛氏硬度标尺的实验条件和应用标尺硬度符号所用压头总载荷/N(kgf)HR20 88应用范围HRA金刚石阅卷588. 4(60)碳化物、硬质合金、淬火 工具钢、浅层表面硬化纲IIRB1/16” (6 1.588c.)钢球980.7 (100)HRC金刚石圆锥1471 (150)20-10020 70软钢、钢合金、铝合金、可锻铸铁淬火钢、调制钢、深层表面硬化钠HR前面为硬度数值，后面为使用的标尺.最常用的是：HRA, HRB, H RC三种。其中C标尺用的最多.3 .维氏硬度(HV)测试原理维氏硬度试验原理和布氏硬度试验原理基本相同。将顶角为136。的正四梭锥金刚 石压头，在载荷的作用下，压头进入试件表面，保持一定的时间后，卸除载荷，测量压痕 两对角线长度山和dz,求其平均值，用于计算压痕表面积。(2)表示方法 例如：640HV30/20(3)适用范围 用于测量金属镀层薄片材料 和化学热处理后的表面硬度。 *各硬度值之间大致有以下关 系：布氏硬度值在200450范围 内，HBS(HBW)=10HRC；布氏硬 度值小于 450HBS, HBSHVo四、材料在动载荷作用下的主要力学性能指标动载荷是指突加的、冲击性的大小、方向随时间而变化的载荷.材料在动载荷作用下的力学性能，包括冲击韧性和疲劳强度。1 .冲击韧性：材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。2 .疲劳强度:指材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值，用。表示，单 位为Mpa它表现了材料抵抗疲劳断裂的能力.疲劳断裂:零件在循环应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数 后突然产生断裂的过程.是由疲劳裂纹产生一一扩展一一瞬时断裂三个阶段组成的.特点：断裂前无明显的塑性变形，很难事先察觉到，断裂突然发生。断裂时应力很低，大多低于。s,属于低应力脆断.第二节金属及合金的结晶一金属的结构1 .金属键:由金属正离子和自由电子之间相互作用而结合的方式称为金属键。根据金属键的结合特点可以解释金属晶体的一般性能.由于自由电子的存在，容易形成电流，显示出良好的导电性.自由电子的易动性和正离子的振动使金属有良好的导热性。金属原子移动一定位置后，金属键不会遭到破坏，使金属具有很好的形变能力和强 度.自由电子可以吸收光的能量，因而金属不透明。自由电子所吸收的能量在电子回复到原来状态时产生辐射，使金属具有光泽。2 .金属的晶体结构晶体：原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。I非晶体：原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。所有的金属和合金都是晶体品格一原子排列形成的空间格子品胞一组成品格最基本的单元金属的典型晶体结构(体心立方品格I面心立方品格I密排六方品格3、晶面与晶向晶面：各个方位上一系列原子组成的平面。晶向：各个方向上的原子列.1）晶面指数仍初标定过程2）晶向指数uvw4.金属的实际晶体结构（1）多晶体结构晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶体为单晶体.实际使用的金属材料包含有许 多外型不规则的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向都是一致的，而各小晶体之间位向却 不相同，称多晶体 外形不规则、呈颗粒状的小晶体称为晶粒 晶粒与晶粒之间的界面称为晶界.（2）晶体缺陷在晶体内部及边界存在原子排列的不完整性，称为晶体缺陷。 按其几何形状的特点，晶体缺陷可分为以下三类：1）点缺陷:是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷主要有空位和间隙原子.2）线缺陷:指三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。属于这类缺陷 主要是位错。位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。它又分为刃型位错、一型位错3）面缺陷指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷通常是指晶界和亚晶界。晶界:晶粒之间的边界称为晶界。亚晶界:亚晶粒之间的边界叫亚晶界。亚晶粒：尺寸很小、位向差也很小的小晶块H发形核非自发形核均匀长大树枝状长大二、金属的结晶过程1 .金属的结晶过程金属结晶的过冷现象（2）金属的结晶过程2.铸件晶粒组织铸件的晶粒组织是指铸件的晶粒形状和大小.一般铸件的典型晶粒组织分为三个区域。表层细晶粒区液态金属强烈的过冷，形成大量自发晶核.（2）柱状晶粒区晶轴垂直于模壁的晶粒，沿着枝晶轴向模壁传热有利，这些晶粒优先长大，从而形成柱 状晶粒。中心等轴晶粒区在锭模心部的剩余液态金属内部温差愈来愈小，散热方向已不明显，因而形成较粗大的 等轴晶粒区。细晶强化的方法：1）增加液态金属结晶时的过冷度增大过冷度可以使铸件晶粒变小.2）变质处理在金属液结晶前，向金属液中加入某些物质（称变质剂），形成大量分散的固态微粒作 为非自发形核界面，或起阻碍晶体长大的作用，从而获得细小晶粒，这种细化晶粒的方法， 称为变质处理.3）附加振动金属液结晶时，可采用机械振动，超声波或电磁振动等措施，使铸型中液体金属运动, 造成枝晶破碎，碎晶块起晶核作用，从而使晶粒细化.3、金属的同素异晶转变同素异晶转变一在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一 种晶格类型的过程。一种金属能以几种晶格类型存在的性质一称为同素异晶性。金属的同素异晶转变是金属从一种晶格类型的固态转变为另一种晶格类型固态的转变。它 也是一个结晶过程，只不过这个结晶是在固态下进行的，因此把这种固态转固态的结晶称 为重结晶或二次结晶.三、合金的结构合金一两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。成份相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相。根据结构特点不同可将合金中的相分为：金.化物K固溶体合金中晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相。据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同固溶体置换固溶体间隙固溶体固溶体的性能特点：具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低.2、金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相。金属化合物的性能特点:脆性大、硬度般强度低;塑性、韧性差;高的熔点.三、合金的结晶虽然纯金属在人类生活和生产中获得了一定程度的应用，但它们的性能远不能满足多 方面的需求.在工中更广泛地被应用的是合金.为了正确地对各种合金进行熔铸、锻压 和热处理，必须了解它们的熔点和发生固态转变的温度，并研究它们的凝固进程和凝固后 的组织。目前已测定出许多二元合金系的成分与其熔点及固态转变温度的关系曲线，并分 析了不同成分的合金在不同温度下的组织状态.合金相图就是以这些试验结果为基础而建 立起来的。1 .相图的基本知识（1）相图合金相图是一种能够反映给定合金系中合金成分、温度与其组织状态之间关系的图形。二元合金相图是一个平面图形，它表示由两个组元组成的合金系统中的合金平衡状态、温度和成分之间的关系.2 .二元合金相图（1）二元匀晶相图二组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并形成固溶体的二元合金系所形成的 相图，称为二元匀晶相图.这类合金在结晶过程中都是从液相中结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀 晶转变。合金的结晶过程以Cu-Ni合金相图中Ni的含量3即=40%为例说明其结晶过程，当液态合金缓慢冷却到 与液相线相交温度时开始结晶，此时温度为tl,结晶出的固相3即为a，的含银量（3 M）大于40%；冷却到t2时，L的成分L2, a相的成分为a 2；当合金冷却完毕，全部为固 相a,此时固相成分a 3即为合金自身的成分.枝晶偏析实际金属结晶过程中，由于冷却速度快，先后结晶出来的固溶体成分不同，扩散来不 及进行，使得晶粒内部化学成分不均匀的现象.危害：材料的力学性能I,加工工艺性I ,耐蚀性I 措施：扩散退火（均匀化退火）（2）共晶相图两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解（或不溶），并在结晶时发生共晶转变所构成 的相图称为二元共晶相图.在品转变指具有一定成分的液态合金，在一定温度下，同时结晶出两种不同的固相的转 变.其转变产物为共晶组织，或称共晶体.（3）共析相图一定成分的固相，在一定温度下，同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固 相，这个转变过程称为共析反应。（4）包晶相图两组元在液态下无限互溶，在固态下有限溶解，并在结晶时发生包晶转变的相图，称为 包晶相图。即由一定成分的液相与一定成分的固相在恒温下转变成另一种一定成分的固相的转变. 由于新固相，首先在L相与原固相的相界上形核并包着原固相长大，故称为包晶转变. 第三节铁碳合金相图一铁碳合金的基本组织1、铁索体（F）铁素体一碳（C）溶入aFe中所形成的固溶体.727*C0.02%C力学性能：ob = 250MPa6 = 4550%HB = 802、奥氏体g奥氏体一碳（C）溶入丫Fe中所形成的固溶体.1147*C2.06%C 、 727*C 0,77%*C力学性能：。b = 250 350MPa 6 = 4045% HB = 160200渗碳体一是金属化合物。6.67%C力学性能：o b = 30MPa 6 = 0 HB = 800珠光体一是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。7274c0.77%*C力学性能： o b = 750MPa 6=25% HB = 180-200五、莱氏体公）莱氏体一是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物.11471C4.3%C力学性能：o b = 30MPa 6 = 0 HB = 700二、典铁碳合金的结晶过程析钢3户0.77% 亚共析钢0.0218% co c0.77% 过共析钢0.77%34211%共晶白口铸铁wc=4.3% 亚共晶白口铸铁2.11%c4.3% 过共晶白口铸铁4.3%coc6.69%工业纯铁第四节 钢铁材料热处理原理定义以适当的方式对金属材料或工件加热、保温、冷却，获得预期的组织结构与性能的工艺方法。机床6070%,汽车7080%,量具、刃具、模具、轴承100%。1）整体热处理退火、正火、淬火、回火2）表面热处理表面淬火、化学热处理一、钢在加热时的组织转变1、加热转变的理论依据一一Fe-FeC相图奥氏体化 钢加热形成奥氏体的过程。对于加热:非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；对于冷却:非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度.2、奥氏体化过程包括奥氏体的形核、长大，残余渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化。二、奥氏体在冷却时的组织转变奥氏体的冷却转变，直接影响钢热处理后的组织和性能。常见的冷却方式有两种，等温冷却和连续冷却。1、过冷奥氏体的等温冷却转变曲线俗称C曲线或E曲线.过冷奥氏体%温度以下不稳定的奥氏体.等温冷却曲线三、钢的普通热处理1、钢的退火（降低硬度、消除应力，细化晶粒） 完全退火：亚共析钢AC3+3B501C,缓冷到600C时空冷，得到F+P； 等温退火：同完全退火，可节省时间； 球化退火：过共析钢Ac】+2B30C,消除网状碳化物，使之成为球状； 去应力退火：500650C炉冷至200C后空冷，消除应力.2、钢的正火正火目的：细化晶粒，提高强度低碳钢-提高硬度高碳钢一消除网状渗碳体工艺过程：AC3、Acm+3050C,保温后空冷优 点：周期短、能耗少3、钢的淬火淬火一钢加热到AC】或(AC3)以上，保温后以适当方式冷却，获得M或B组织的热处理工 艺.淬火目的：获得高便度、高耐磨性的马氏体，提高钢的机械性能。加热温度：Acs、Aci+30501c保温碳 钢：水冷，得细小M+A合金钢：油或空冷，得M+F03C+A钢经过淬火后必须回火回火一将淬火钢加热到%下某一温度后进行冷却的热处理工艺。回火目的：消除应力，防止工件开裂回火工艺：Acl以下保温后缓冷一、钢的分类1.按化学成分分类1)碳素钢1)低碳钢 C 0.6%2)合金钢(1)低合金钢 Me 10%2,按质量分类S：使合金产生热裂、热脆缺陷P：使合金产生冷裂、冷脆缺陷r P 0.045%1J 普通钠S 0.055%一 P 0.040%2）优质巧 s 0.045% .3)高级优质钢:P、S Q215 (0.09-0.15%C).Q235 (A (0.14-0.22%C). B (0.12-0.20%C)xQ255 (0.18-0.28%C) Q275 (0.28-0.38%C)2)优质碳素结构钢这类钢的有害杂质P、S含量较低，钢的质量较好，主要用于制造各种较重要的机械零 件。钢号用两位数字表示,数字表示含碳量的万分之几。45 一表示含碳量是万分之45 (0.45%)08、10、15 冲压件、焊接件。15、20、25 渗碳淬火。30、35、40、45、50、55 一调质处理。制造齿轮、连杆、凸轮和轴类零件。60、65、70 -淬火+中温回火，制造弹簧。3)合金结构钢合金结构钢种类繁多，其钢号的表示方法为：两为数字+元素符号+数字“如：40Cr2Mo4V 60Si2Mnx 38CrMoAl低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素制得，其合金因索总量不超 过5%,以Mn为主要合金因索。这类钢一般在热轧或正火状态卜使用，不需再进行热 处理。广泛用于走筑、石油、化工、铁道、桥梁、造船等工业部门。牌号有 Q295、Q345、Q460机械结构用合金钢用于制造各种机械零件的合金结构钢。又可分为：合金渗碳钢：20Cr、20CrMnTix 18Cr2Ni4WA合金调质钢：4。5、40MnB、38CrMoAl合金弹簧钢：60Si2Mn. 50CrVA滚动轴承钢滚动轴承钢是制造滚动轴承的内、外套圈和滚珠、滚柱的专用钢种。常用牌号有 GCr9, GCrl5等,含碳在0.95% -1.1%,合金元案主要是铭。含 0.90-1.25%。、1.4-1.65%Cr02 .工具钢1）碳素工具碳素工具钢含碳量为0.65-1.35%，可制造低速切削的刀具和普通模具、量具。常用牌号有 17、T8、T8Mnx T9、T10A、Til. T12A、T13 等。2）合金工具钢其牌号表示方法是：一位数字（或无数字）+元素符号+数字。如：9SiCr、W18Cr4V.5CrNiMo 等。合金工具钢又可分为合金刃具钢、合金模具钢I、和合金量具钢。合金力具钢 指用于制造各种刀具的钢材。含碳量为0.75-1.50%,典型牌号为 9SiCr、W18Cr4V. W6Mo5Cr4V2o合金模具钢模具钢是指用于制造各种模具的钢材。冷做模具钢如：冲压模、 拉拔模等。典型牌号为Crl2、Crl2MoVo热做模具钢如：热锻模、热挤压模、压铸模等。 典型牌号为 5CrMnMo、5CrNiMoo合金量具钢在生产中常用的量具有钢板尺、游标卡尺、卡规、T分尺、塞规、块规等。T10A、T12A、CrWMn. GCrl5塑料模具钢3 .特殊性能钢1）不锈、耐蚀和耐热钢不锈、耐蚀钢 不锈钢是指在水、空气、酸、碱或其它介质中，具有较强抵抗 腐蚀能力的钢。其含碳量低,主加合金元素为Cr、NU常用牌号有:1013、7017、lCrl7. lCrl8Ni9, 0Q19Ni9、ICrl7Mo 等。 耐热钢 在高温卜具有良好的抗氧化性和热强性钢，耐热钢可分为马氏体型、 奥氏体型和铁素体型等几种，分别适合于在600以下、700-700、接近1000的高温状态 下工作。典型牌号有：1013、4Cr9Si2、4Crl4Nil4W2Mo. 1CR172）特殊物理性能钢是指在一定范围内具有特殊磁、电、弹性、膨胀等物理性能的钢。包括软磁钢、永 磁钢、无侦钢、特殊弹性钢、特殊膨胀钢、高电阻钢和合金等。材料成形技术基础一铸造金属液态成型定义：所谓金属液态成型，即铸造，casting,是将液态金属借助外力充填到型腔中, 使其凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的工艺.注意2个过程：（1）充填型腔；（2）凝固冷却实侦：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中凝固和冷却。中国古代三大铸造技术在我国古代金仁加工工艺中,铸造占着突出的地位,具有广泛的社会影响,像“模范”、 “陶冶”、“熔铸”、“就范”等习语，就是沿用了俗造业的术语。劳动人民通过世代相传 的长期生产实践，创造了具有我国民族特色的传统铸造匚艺。其中特别是泥范、铁范和 熔模铸造最重要，称占代三大铸造技术。泥范铸造我国自新石器晚期，就进入铜石并用时代。河北唐山等地出土的早期铜 器，行锻打成形的，也有熔铸成形的，说明范铸技术在我国源远流长，很早就发展起来。熔模铸造 传统的熔模铸造一般称失蜡、出蜡或捏蜡、拨蜡。它和用来制造汽轮机 叶片、铳刀等精密铸件的现代熔模铸造，无论在所用蜡料、制模、造型材料、工艺方法 等方面，都有很大不同。但是，它们的工艺原理是一致的，并且现代的熔模铸造是从传 统的熔模铸造发展而来的。青铜：第一种合金浇注工具:浇注常用工具有浇包、挡渣钩等。手提浇包和拾包完全靠人力进行浇注， 一般用于小铸件浇注和生产条件较差的车间。吊包是由吊机来吊运，用人手转动手轮倾 转浇包进行浇注工作.在盛装金属液前，应对已使用过的浇包进行清理和修补，内表面 要涂覆耐火材料，并对浇包和挡渣钩等工具进行烘干，以免降低铁液温度及引起铁水飞 滋。砂型sand mould铸造工艺流程图型砂molding sand配制-造型-砂型干燥工装准备一炉料准备一合金冶炼芯砂core sand配制-造芯core making7型芯干燥T合型浇注T凝固冷却T-落砂 shakeout 清理 cleaningT铸件检验T入库工艺三大块：冶炼，造型（芯）和浇注模样是形成铸型型腔的模具，芯盒是来制型芯以形成具有内腔的铸件.为了保证傅件质量，在设计和制造模样和芯盒时，必须先设计出铸造工艺图，然后 根据工艺图的形状和大小，制造模样和芯盒。在设计工艺图时，要考虑下列一些问题:1 ）分型面的选择分型面是上下砂型的分界面，选择分型面时必须使模样能从砂型中取出，并使造型方便和有利于保证铸件质量.2）拔模斜度 为了易于从砂型中取出模样，凡垂直于分型面的表面，都做出 0.5。4。的拔模斜度.3）加工余量铸件需要加工的表面，均需留出适当的加工余量.4 ）收缩量铸件冷却时要收缩，模样的尺寸应考虑收缩的影响.通常铸铁件要加大1%；铸钢件加大1.5%2%；铝合金为1%1.5%。5 ）铸造圆角铸件上各表面的转折处，都要做成过渡性圆角，以利于造型及保证铸件质量。6 ）芯头有砂芯的砂型，必须在模样上做出相应的芯头，以便芯稳固地安放在铸型中。铸造工艺特点（1）适应性广。适应铸铁，碳钢，有色金属等材料；铸件大小，形状和重量几乎 不受限制；壁厚1mm到1m ,质量零点几克到数百吨（三峡的水轮机叶轮重达430T）.（2）可复杂成形.适合形状复杂，尤其是有复杂内腔的毛坯或零件。（3）成本较低.可直接利用成本低廉的废机件和切屑，设备费用较低；在金 属切削机床中，铸件占机床总重量75%以上，而生产成本仅占1550%（4）但也存在一些不足，如组织缺陷，力学性能偏低，质量不稳定，工作环 境较差。因此，铸件多数做为毛坯用。组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩 孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低,（发展 了铸锻联合工艺）污染环境。铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制造工艺 来更为严重，需要采取措施进行控制。（特种铸造工艺）2-1金属液态成型工艺基础L熔融合金的流动性flowability 与充型 mold filling1流动性定义：flowability,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（CSS, configuration, shape and size）。流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩.流动性通义是流体的流动能力，但不同学科对流动性有不同的定义，这里是材料成形学 的定义。它的定义说流动性是这样的一种能力，这种能力体现在2个方面：（1）充满型腔；（2）形成符合要求的优质铸件.在相同的浇注工艺条件下,将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！螺旋形流动性试样 取浇注试样长度做比较度量.分析表1。铸铁的流动性最好，最高可达1800mm。此外应 注意到，化学成分有很大影响,W内表示合金元素的含量，weight percent,用重量百分比度量.如铸铁，主要是铁Fe和碳C的合金，还含硅Si等.Wcsj=6.2%表示化学成分为含碳量C%+ 含硅量Si%为6.2%,其余为Fe的铸铁 影响合金流动性的材料因素金的流动性主要取决于它本身的化学成分,充型能力充型 液态合金填充铸型的过程.液体金属充满铸型型腔,获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷.影响熔融合金充型的工艺条件浇注pouring条件:主要指浇注温度,浇注速度和静压头高度。其中最重要的是浇注温度。 浇注温度指的是浇注时熔融合金的温度，一般要求比它的液相线温度高，即存在过热度， 推迟它的凝固时间，以保持良好的流动性。但是也不能太高，否则造成氧化，吸气，过收 缩，粘砂，胀砂等不良后果.所以，每种合金有自己的合理浇注温度范围。浇注温度：铸 钢 15201620*C；铸铁 123B1450C；铝合金 680780*C（1）浇注温度 一般T上越高，液态金属的充型能力越强。（2）充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大， 充型能力越强。（3）浇注系统的结构浇注系统的结构越复杂，流动阻力 越大，充型能力越差。）型充填条件(1)铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的金属吸取热最并储存在本身 的能力。(2)铸型温度 转型温度越高，液态金属与铸型的温差越小，充型能力越强。(3)铸型中的气体铸件结构(1)折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积与表面积之比。折算 厚度大，热晶散失慢，充型能力就好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。(2)铸件复杂程度铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。合金的化学成分决定了 3种凝固模式1 .逐层凝固2糊状凝固3.中间凝固2 .影响铸件凝固方式的主要因素：(1)合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 纯金属和共晶合金，有确定的熔点，恒温结晶，结果在铸型中凝固过程将从表及里推进，称为逐层凝固 非共晶合金没有一个确定的熔点，它的凝固结晶是在一个温度区间内完 成的，属非恒温结晶。在这个温度区间内，同时存在已经凝固的部分，如先晶，或 树枝状晶主干，和还没有凝固的部分，固相和液相并存，象桨糊状态，流动性差,所以称为糊状凝固mushysolification离共晶点C越远，结晶温度区间越宽，流动性就越差。换句话说，C点成分以前的铁碳合金, 即亚共晶铸铁，流动性随含碳量的增加而提高；过共晶铸铁呢，即C点成分以后的合金, 流动性随含碳量的增加而下降.这就是铁碳合金的动性与含碳量的关系。1.2液态合金的收缩收缩constriction定义是在凝固和冷却过程中,体积和尺寸减小的现象.能产生缩孔，缩松，裂纹，变形，内应力等缺陷，使铸件质量不符合要求收缩历程对应凝固冷却过程可以分为3阶段 液态收缩Liquid shrinkage 固收缩 Solidification shrinkage 固态收缩Solid shrinkage合金的收缩经历如下三个阶段：(1)液态收缩从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。T 浇一T (2)凝固收缩从凝固开始到凝固终止温度间的收缩.T Th(3)固态收缩从凝固终止温度到室温间的收缩.T H - T 型合金收缩率是3阶段收缩率之和。体收缩率：V Vq =铸; 品件x 100%体收缩率是铸件产生绐翘密去的根本原因。线收缩率:-L54 rl4 = j x I。 线收缩率是第件产生应力、变形、密我的根本原因。收缩是液态合金凝固冷却过程中的必然现象，它产生缩孔与缩松，内应力，变形和裂纹， 对铸造工艺影响很大。 缩孔与缩松 shrinkage cavity铸造应力 casting stress 铸件变形 casting deformation 铸件裂纹 casting crack1 .缩孔 shrinkage cavity 与缩松缩孔形成机理：逐层凝固方式下最后凝固部位得不到补充而形成的空隙。绵松形成机理:树枝状晶体dendritic crystal所分隔的晶间液体区得不到补缩形成的小孔隙。树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致。缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、目口根部、内浇口附近或缩孔下方热节：在凝固过程中，铸件内比周围金属凝固缓慢的节点或局部区域。胃口 riser：铸型中特设的空腔，用于储备多余金属液体以弥补收缩引起的金属液体不足。冷铁Chill：型壁上外设的铁块，用于加快该处的冷却速度。防止产生缩孔的有效措施：定向凝固所谓定向凝固directional freezing ,是通过安放冒口和冷铁等工艺措施，实现人为的顺序凝 固分布 特征部位容枳 大小形状 特征发生 的缩孔集中上部，最后蛟大倒谁状近共晶缩松分散特殊细小不规则远共园2 .铸造应力stress与铸件变形deform内应力产生原因：凝固后固态收缩受阻引起 铸造内应力分类：热应力thermal stress与机械应力mechanical stresso机械应力：合金线收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力.热应力:由于铸件由厚不均，各部分冷却速度不同，以致收缩不一致引起的应力。热应力形成分析所谓弹塑临界温度,epct （elastic plastic critical temperature）指金属从弹性状态向塑性状态 转变的温度。实际就是对应的固相线温度tc。在epct以上，金属处于塑性状态，应力可以 通过塑性变形消除。在叩ct以卜.，金属处于弹性状态，应力不能通过弹性变形消除。铸件因壁厚不均匀，或铸件中存在着较大的温差，在同一时间内铸件各部分收缩不同，先 冷却的部位阻碍了后冷却部位的收缩，在其内部产生了内应力.铸件产生热应力与变形的规律：薄壁、细小部位：冷得快，受压应力（凸出）；厚壁、粗大部位：冷得慢，受拉应力（凹进）。铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等外力阻碍而产生的应力称为机械 应力.机械应力使铸件产生拉应力或切应力，并且是哲时的.但是如果在某一瞬间机械应 力和热应力同时作用超过了铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹.典型结构变形举例带有残余应力的铸件是不稳定的，会自发地变形使残余应力减少而趋于稳定如对 于厚薄不均匀，截面不对称及具有细长特点的杆类、板类和轮类等铸件，当残余铸 造应力超过铸件材料的屈服点时，往往会发生翘曲变形。铸件变形归纳由于内应力的存在，厚薄不均、截面不对称以及细长杆、板、轮类零件，在铸造应力超过 铸件材料的屈服极限时，产生的翘曲变形.车床床身导轨面的挠曲变形及反变形，采用加工模型制成与变形方向正好相反的形状以抵 消其变形。反变形法适用于细长易变形铸件。减小应力措施工艺上同时凝固原则；局限性改善铸型和型芯的退让性；型（芯）砂具有随铸件的冷却收缩而被压缩其体积的性能称为退让性.去应力退火.同时凝固同时凝固的具体工艺是将内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却；再在 铸件厚壁处放置冷铁，以加快其冷却。总之，同时凝固原则可降低铸件产生应 力、变形和裂纹的倾向；这种工艺因不设冒口，使工艺简化、并节约了金属材 料。只是铸件的心部会产生缩孔和缩松缺陷，所以同时凝固原则只用于普通灰 铸铁和锡青铜等铸造性能好的铸件的生产。去应力退火实践证明，铸件变形后其残余应力并未彻底消除。这种铸件经机械加工后， 内应力将重新分布，使零件缓慢地变形，丧失原有的加工精度。为此，对不允 许发生变形的铸件，必须进行时效处理。时效处理可分为自然时效和人工时效 两种。自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，使其缓缓地发生变形，从而 使残余应力消除或减少，人工时效是将铸件加热到550650c进行去应力退火, 它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底，故应用广泛。3 Crack裂纹是铸造内应力超过金属材料抗拉强度的产物。热裂：凝固后期因机械应力超强而产生。影响因素：合金性质和铸型阻力。冷裂：继续冷却至室温形成的裂纹.发生期弓I发特征倾向因素防止措施热裂thermalcracking冷裂高温低温机械应力（铸应力短宽曲氧光滑穿晶塑性区宽脆性， 大型退让性，控制S壁厚均匀，控制P产生原因：温度下降，。铸3。铸0b时，则产生裂纹； 冷裂常出现在复杂铸件受拉应力的部位，特别是应力集中处（如尖角处、缩孔、气孔、夹渣等缺陷附近）。壁厚差悬殊， 结构复杂的铸件易于发生冷裂。不同铸造合金冷裂倾向不同， 灰口铸铁、白口铸铁、高钵铜等塑性差的合金较易产生。防止措施：a.减少铸造应力；b.降低合金中P的含量;c.去应力退火；d,设计铸件时应避免应力集中。热裂纹是铸钢件和铝合金铸件常见的缺陷。凝固木期，结晶出来的晶体已形成完整的骨架， 开始固态收缩，但晶粒之间还有少量液体金属， 形成液膜，强度很低。如果固态收缩受到砂型和 砂芯的阻碍，机械应力超过次时金属液膜的抗拉强度, 即发生热裂。很明显，零件结构不合理、合金的收缩 率高、型砂或芯砂的退让性差，合金的高温强度低等, 都使铸件易于产生热裂纹。防止措施：a.合理设计铸件结构；b.改善铸型和型心的退让性： c.限制铸钢和铸铁中的S含量：d.选用结晶温度区间小的合金。1.3铸件常见缺陷casting flaw 冷隔 cold shut、浇不足 Miss runporsity气孔 粘砂、夹砂inclusions砂眼sand hole ,胀砂冷隔，浇不足若充型能力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞, 金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。_ 气孔气体在金属液结壳之前未及时逸出，在铸件内生成的孔洞类缺陷。气孔的 内壁光滑，明亮或带有轻微的氧化色。铸件中产生气孔后，将会减小其有效承 载面积，且在气孔周围会引起应力集中而降低铸件抗冲击性和抗疲劳性。气孔 还会降低铸件的致密性，致使某些要求承受水压试验的铸件报废。另外，气孔 对铸件的耐腐蚀性和耐热性也有不良的影响。防止气孔的产生：降低金属液中的含气量，增大砂型的透气性，以及在型 腔的最高处增设出气冒口等。粘砂、夹砂inclusions粘砂.铸件表面上粘附有一层难以清除的砂粒称为粘砂。粘砂既影响铸件外 观，又增加铸件清理和切削加工的工作量，甚至会影响机器的寿命。例如铸齿 表面有粘砂时容易损坏，泵或发动机等机器零件中若有粘砂，则将影响燃料油、 气体、润滑油和冷却水等流体的流动，并会玷污和磨损整个机器。防止粘砂：在型砂中加入煤粉，以及在铸型表面涂刷防粘砂涂料等。夹砂在铸件表面形成的沟槽和疤痕缺陷，在用湿型铸造厚大平板类铸件时极 易产生。本节主要介绍铸造工艺性：流动性与收缩。 1 流动性：充型 2.收缩：缩孔与缩松，内应力：热应力与机械应力（厚拉薄压），变形与 裂纹：拉凹 压凸；热裂纹thermal cracking与冷裂纹crack。 3 其它缺陷分类 classfication按造型分：砂型铸造 sand casting 与特种铸造 Special Processes of Metal Castingse 砂型铸造是基础，特种铸造是在砂型铸造基础上革新发展起来的。作业1、判断题L遍铸件热节处安放冷铁能够起补缩作用。（）2 .凝固温度范围大的合金，铸造时铸件中易产生缩松。（）3 .防止或减少铸件变形的方法之一是提高流动性。（）4 .合金的浇注温度越高越好。（）5 .铸钢件一般都要安置冒口和冷铁，使之实现同时凝固。（）1 .造成铸件冷隔的主要原因是a.浇注温度过高b.浇注温度过低c.浇注速度太快2 .生产中为提高合金的流动性常采用的方法是a.加大出气口b.延长浇注时间c.提高浇注温度3 .冒口的一个重要作用是a.液体金属迅速浇注满型腔b.浇注金属液的通道 c.补缩和排气4 .浇注温度过高，铸件会产生 a.气孔 b.夹杂物 c.冷隔5 .能够制造形状复杂、特别是具有复杂内腔毛坯的加工方法是a.铸造 b.压力加工c.焊接 d.切削加工1 .浇注温度过低，液体金属量不够，铸件就会产生冷隔或2 .对合金流动性的影响最显著。3 .合金的铸造性能用 和 来衡量。4 .铸钢的流动性比铸铁 o5 .浇注温度越,合金的充型能力越好。6 .铸造合金的收缩经历7 .缩孔和缩松是由于合金的一8 .防止缩孔的方法是控制铸件的 四、问答题三个阶段。收缩和 收缩引起的。顺序，使之符合1 .铸造合金的收缩会导致哪些铸造缺陷的产生?2 .铸件热应力形成的原因是什么？3特种铸造Special Casting Processes为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在砂型铸造的基础上， 创造了多种其它的铸造方法；通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称 为特种铸造。特种铸造：铸型用砂较少或不用砂、采用特殊工艺装备进行铸造的方法 两类特点：1 .充型力变更2 型模革新特种铸造属先进铸造，是铸造技术沿精密、洁净和高效方向的发展。其中最主要的发展是铸造过程数控自动化与铸造工艺的绿色化。特点：特种铸造具有铸件精度和表面质量高、铸件内在性能好、原材料消 耗低、工作环境好等优点。但铸件的结构、形状、尺寸、重量、材料种类往往 受到一定限制。由于铸造是提供毛坯的主要工艺，精密铸造就意味着毛坯组织致密、表面 光洁，和尺寸精度高，可达到少、无切削加工和直接成形。在节省材料和能源 上有鲜明的意义。成形加工方法产品耗能量材料利用率lOkg1%铸 造30-3890冷变形加工4185热变形加工46-4975-80机械加工66-8245-50熔模铸造压力铸造离心铸造挤压铸造 金属冠铸造低压铸造 消失模铸造 陶瓷型铸造 磁型铸造压力铸造,Die Casting pressure die casting压力铸造是将熔融合金在高压作用下，以高速充填铸型型腔，并在高压下结晶 凝固而获得铸件的特种铸造工艺。两个特点高压：比压3070MPa高速：充型时间。.。102秒压力铸造工作原理工业应用：汽车、摩托车、家电、照相机、仪表、计算机、医疗器械、电器、航天航空、五金、办公用品、钟表、纺织、军事武器等。汽车工业压铸应用分量例：镁合金70-80%铝合金60%锌合金50%压铸机分类按压室是否浸在熔融金属中，分 冷室压铸机 热室压铸机按压室位置，分 卧式压铸机 立式压铸机主要构成:：合型机构、压射机构、机座、液压传动系统、控制系统、润滑冷却 系统等。压铸特点 精度高级；3.2。8岬）、组织致密； 适应形状复杂、轮廓清晰、薄壁深腔铸件；可组合压铸或镶嵌压铸； 生产率高、材料利用率提高60-70%,实现少切削和零切削，经济效益好。 缺点：压铸型寿命短、压铸机投资大、压铸件存在气孔。气体难以排出，压铸 件易产生皮下气孔，压铸件不能进行热处理，也不宜在高温下工作；金属液凝 固快，厚壁处来不及补缩，易产生缩孔和缩松；设备投资大，铸型制造周期长、 造价高，不宜小批量生产。低压铸造 low pressure die-casting 低压铸造是液体金属在压力作用下，自下而上充填型腔以形成铸件的成形工艺。低压铸造工艺原理 主要步骤 通气充型 加压凝固 放气开模低压铸造特点 浇注压力和速度可调，适应各种铸型、合金和铸件大小； 底注式平稳充型，无飞溅、气体卷入和型壁冲刷等弊病，铸件合格率提 高； 压力下结晶，组织致密，轮廓清晰，表面光洁，少切削或零切削，机