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材料成型技术基础复习课件


材料成形技术基础

第一章 绪论

第一节 材料加工概述
一.材料加工概述 零件或材料的四种加工方法: 1.成形加工:凝固成形、塑性成形、焊接成形、粉末压制、塑料成形;
2.切除加工:车、铣、刨、钻、磨、电火花、电解、超声加工、激光加工等; 3.表面成形加工:表面形变、淬火强化、化学强化、表面镀层、气相沉积镀膜; 4.

热处理加工:退、正、淬、回火; 二.材料基本加工要素及流程 切削加工
凝固成形 塑性成形 焊接成形 毛坯

表面加工
切削加工

原材料 (锭料、轧材)

凝固成形 塑性成形 焊接成形

零件

装配

机器

热处理

热处理 切削加工

三个基本要素:材料、能量、信息
输入材料(I) 输入能量(I) 输入信息(I) 材料加工 过程

输出材料(O)(产品+废料) 输出能量(O)(损失) 输出信息(O)(形状、性能)

三大流程:

1.材料流程
表征加工过程特点的类型; 要改变形状尺寸和性能的材料状态;

能够用来实现这种形状尺寸和性能变化的基本过程;
类型:直通流程、发散流程、汇合流程;如下图所示

下表列出一部分常见的材料加工过程,用材料流程(包括流程类型、材 料状态、基本过程)表示其特征。

2.能量流程

基本过程为机械过程的能量流程。实现此类基本过程的能量可以通
过下列三种方法来提供: (1)、传递介质和加工材料间相对运动;

模锻成形

(2)、作用在加工材料上的压力差;

由压力差产生的机械基本过程

(3)、产生于加工材料中的质量力;

由质量力产生的机械基本过程 (a)浇注成形(b)磁力成形

热过程能量提供:电能、化学能、机械能

感应电加热原理

1-感应器;2-坯料;3-电源

3.信息流程
形状信息、性能信息

第二节 材料成形的一些基本问题和发展概况
1. 凝固成形 基本问题:凝固组织的形成和控制; 铸造缺陷的防止和控制; 铸件尺寸精度与表面粗糙度控制等;

发展概况:凝固理论的发展;
凝固技术的发展; 计算机的应用及发展,包括: 凝固过程数值模拟技术; 快速样件制造技术; 过程和设备运行的计算机控制等。

2.塑性成形
基本问题:材料的塑性; 塑性成形力的评价;

加工材料内部市场变量的确定;
形状信息的准确输入等; 发展概况: 板料成形方面 大批量生产中着重向高速化、自动化发展; 小批量生产中朝简易化、通用化、万能化发展; 体积成形方面 自由锻 模锻 特种成形技术

3. 焊接成形
基本问题:能量的输入; 清除表面污染; 组织性能不均匀; 残余应力及残余变形;

焊缺陷及检测;
焊接结构的制造问题等; 发展概况:焊接结构的发展; 焊接材料的发展; 自动化焊接的发展;

4.表面成形
基本问题: 表面涂层:涂层与基体的结合、涂层的材料及结构等; 表面改性:针对材料的服役条件及损伤机理并结合基体材料,设计合理的表面 组织结构;

针对希望的表面组织及结构,研究活动这一表面材料的方法;
发展概况: 表面工程学 PACVD、LCVD

本课程任务
材料成形热过程 材料成形 所涉及的 基本理论 金属的凝固理论 塑性成形的物理和力学基础

表面成形、粉末冶金、塑料成形理论
凝固成形 工艺方法 技术要点 相关工艺装 备及模具 塑性成形

表面成形及强化 陶瓷成形及粉末冶金技术
塑料成形

第二章 材料凝固理论 主要内容: ? 材料凝固概述 ?凝固的热力学基础 ?形核 ?生长 ?溶质再分配 ?共晶合金的凝固 ?金属及合金的凝固方式 ?凝固成形的应用

材料成形技术基础

第一节 材料凝固概述
一、凝固成形的基本问题和发展概况 1、基本问题: 凝固组织的形成与控制 铸造缺陷的防止与控制 铸件尺寸精度与表面粗糙度控制

控制铸件的凝固组织是凝固成 形中的一个基本问题。目前已建立 了许多控制组织的方法,如孕育、 动态结晶、定向凝固等。

第一节 材料凝固概述
一、凝固成形的基本问题和发展概况 1、基本问题: 凝固组织的形成与控制 铸造缺陷的防止与控制 铸件尺寸精度与表面粗糙度控制

缩孔、缩松;偏析缺陷;裂纹。还 有许多缺陷,如夹杂物、气孔、冷隔等, 出现在填充过程中,它们不仅与合金种 类有关,而且,还与具体成形工艺有关。

第一节 材料凝固概述
一、凝固成形的基本问题和发展概况 1、基本问题: 凝固组织的形成与控制 铸造缺陷的防止与控制 铸件尺寸精度与表面粗糙度控制

铸件尺寸精度和表面粗糙度由于受到 诸多因素(如铸型尺寸精度及型腔表面粗 糙度、液体金属与铸型表面的反应、凝固 热应力、凝固收缩等)的影响和制约,控 制难度很大。

2、发展概况: 金属凝固理论的发展

凝固技术的发展
计算机的应用

近四十年来,从传热、传质和固液 界面三个方面进行研究,使金属凝固理 论有了很大的发展,例如:建立了铸件 冷却速度和晶粒度以及晶粒度与力学性 能之间的一些函数关系,为控制铸造工 艺参数和铸件力学性能创造了条件。

2、发展概况: 金属凝固理论的发展

凝固技术的发展
计算机的应用

典型代表就是定向凝固技术、快 速凝固技术和复合材料的获得。此外, 还有半固态金属铸造成形技术等。

2、发展概况: 金属凝固理论的发展 凝固技术的发展 计算机的应用

凝固过程数值模拟技术;快速样件 制造技术;过程和设备运行的计算机控 制。

二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配

大多数材料在经历液-固转变时, 其体积将缩小3-5%,原子的平均间距减 小1-1.7%,导致缺陷形成的主要原因之 一。

二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配

材料发生液-固转变后,其外形将 保持容器的形状,这就是铸造-古老而 又年轻的工艺手段。

二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配

表示一个体系的紊乱程度,熵值越 大,体系越紊乱。当材料发生液-固转 变时,熵值将减小,说明固体比液体的 结构更“整齐”。

二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配

亚共晶灰铸铁冷却曲线

二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配

1200℃时液态金属原子的状态

1500℃时液态金属原子的状态

二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配

凝固过程的溶质再分配

第二节 凝固的热力学基础
一、状态函数的概念 1、热力学函数与状态函数
有关 W ? ?V p (V ) dV ?与过程经历的“历程” ? ? 热力学函数? 无关, ?与过程经历的“历程” ?只与体系所处的状态有 ? 状态函数 关 ?
1

V2

第二节 凝固的热力学基础
一、状态函数的概念 热力学函数与状态函数
有关 W ? ?V p (V ) dV ?与过程经历的“历程” ? ? 热力学函数? 无关, ?与过程经历的“历程” ?只与体系所处的状态有 ? 状态函数 关 ?
1

V2

二、状态函数间的关系
dG ? Vdp ? SdT dG ? dH ? TdS dH ? TdS ? Vdp ?H C ?( ) ?T
p p

G -体系的吉布斯(Gibbs)自由能 H -热焓,体系等压过程中热量的变化

S -热量和温度的熵值,反映体系紊乱程度
V -体系的体积 P -体系的压力
T -体系的温度

C -等压热容
P

三、自发过程 判据一、Helmholtz自由能最低原理:

等温等容条件下体系的自由能永不 增大;自发过程的方向力图减低体系的 自由能,平衡的标志是体系的自由能为 极小。
判据二、Gibbs自由能判据:

等温等压条件下,一个只做体积功 的体系,其自由能永不增大;自发过程 的方向是使体系自由能降低,当自由能 降到极小值时,体系达到平衡。

四、界面张力
物体与物体接触时都会形成分界 面,分界面上原子受力不平衡,合力 则指向物体内部,使接触面产生自动 缩小的趋势。

液-气界面原子受力作用示意

可以这样理解界面张力:不同物体接 触的界面如同一张具有弹性的膜,该膜 总是力图使界面的面积减小。
F ? ?b ? 0 F ? ? b
? ? 界面张力( N m)

从能量角度:
?W ? F?l ? ?b?l ? ??A ?W ? ?E ?E ?? ?A

? ? 比表面能( J m 2 )

?l
F
b

简单的薄膜拉伸试验

可以这样理解界面张力:不同物体 接触的界面如同一张具有弹性的膜,该 膜总是力图使界面的面积减小。
F ? ?b ? 0 F ? ? b
? ? 界面张力( N m)

从能量角度:
?W ? F?l ? ?b?l ? ??A ?W ? ?E ?E ?? ?A

? ? 比表面能( J m 2 )

固体表面的液滴及表面张力的示意

根据力的平衡原理:

? SG ? ? LS ? ? LG cos ? ? SG ? ? LS cos ? ? ? LG
? ? ? , cos ? ? 0, ? ? 90 , 表现为润湿情况。
0 SG LS

? ? ? , cos ? ? 0,? ? 90 , 表现为不润湿情况。
0 SG LS

接触角?又称润湿角。

第三节 形核 一、凝固的热力学条件
等压条件下有:
?G ( ) p ? ?S ? 0 ?T

dG ? Vdp ? SdT dH ? TdS ? Vdp dG ? dH ? TdS ?H Cp ? ( )p ?T

?S 又: ( ) p ? 1T ?H C ?S 1 ( ?H ) ? p ( )p ? T ?T p T ?T

Cp ? 2G ?S ( 2 ) p ? ?( ) p ? ? ?0 ?T ?T T

等压条件下,体系自由能随温度升高而 降低,且液态金属自由能随温度降低的趋势 大于固态金属。

一、凝固的热力学条件
等压条件下有:
?G ( ) p ? ?S ? 0 ?T

dG ? Vdp ? SdT dH ? TdS ? Vdp dG ? dH ? TdS ?H Cp ? ( )p ?T

?S ( )p ? 1 又: ?H T C ?S 1 ( ?H ) ? p ( )p ? T ?T p T ?T

Cp ? 2G ?S ( 2 ) p ? ?( ) p ? ? ?0 ?T ?T T

纯金属液、固两相自由能随温度的变化

在熔点附近凝固时,热焓和 熵值随温度的变化可忽略不计, 则有:
m m m m m m m

dG ? Vdp ? SdT dH ? TdS ? Vdp dG ? dH ? TdS

?H ?G ? ?H ? T?S ,当T ? T 时,?G ? 0 , C p ? ( )p ?T ?H 故 : ?S ? T
m

?H m ?T T ?Gm ? ?H m (1 ? ) ? Tm Tm
式中:?T ? T ? T ,即过冷度
m m

过冷度△T为金属凝固的驱动力, 过冷度越大,凝固驱动力越大;金属不 可能在T=Tm时凝固。

二、自发形核 1、经典相变动力学理论
根据经典相变动力学理论,液相原子在凝 固驱动力△Gm作用下,从高自由能GL的液态结 构转变为低自由能GS的固态晶体结构过程中, 必须越过一个能垒△Gd,才能使凝固过程得以 实现。
整个液相的凝固过程,就是原子在相变驱 动力△Gm驱使下,不断借助能量起伏以克服能 垒△Gd,并通过形核和长大的方式而实现的转 变过程。

Gd
GL
△Gd

GS

a
0 原子位置

凝固过程的吉布斯自由能的变化

△Gm

二、自发形核 1、经典相变动力学理论
根据经典相变动力学理论,液相原子在凝 固驱动力△Gm作用下,从高自由能GL的液态 结构转变为低自由能GS的固态晶体结构过程 中,必须越过一个能垒△Gd,才能使凝固过 程得以实现。

整个液相的凝固过程,就是原子在相变 驱动力△Gm驱使下,不断借助能量起伏以克 服能垒△Gd,并通过形核和长大的方式而实 现的转变过程。

2、临界形核功与临界晶核半径
?G ? ?Gv ? ?Gi ? ?Gm V ?? LS A
式中 ? ? 单位体积固、液自由能差; 式中 ??Gmm? 单位体积固、液自由能差; 式中 G G? 单位体积固、液自由能差; 式中 ?Gm ? 单位体积固、液自由能差; m ? 晶核体积; VV?? 晶核体积; V V 晶核体积; ? 晶核体积;

? ? 固、液界面张力; ?? LS?? 固、液界面张力; ? LS LS 固、液界面张力; LS ? 固、液界面张力;
A ? 晶核表面积 AA ? 晶核表面积 A ? 晶核表面积 ? 晶核表面积

当晶核为球形时: 当晶核为球形时:

44 3 3 ?? ? ? ?Gm ? 4? ? ? ?GG ? ? r r Gm ? 4? r 2r 2LS LS 式中r为球半径 式中r为球半径 33

?G
表面自由能

晶胚

晶核

?G

*

r

*

r

体积自由能

原子半径与吉布斯自由能的关系

对? ?G求导得: 对? G求导得: G求导得:G求导得: 对 导得: ?G求导得: 对?G求导得: 对?G求导得: ' ? '4? r 2?G ? 2 ? r? ?G r ? r 8G? 8 r ? ? ? 4 2 ' 4m LS ? r ?'G ' ?G ?G4?m ?' r??G?r 82?GmLS LS ? r? LS ? 4? 2 2 ?GG??? r m ? 8 ? ?? 8 ? ?G ? 4? r ?GmG ' G???? r ?G m ? 8? r?? ? 8 4 ?r 2 ?G ? 8? r LS r4 ? LS ? ? ' ' 令?G ' ? 0得: ?G 0得: ? 0得: m LS G ? ? 令?G ' ? 令 ?0得: 得:令?G ' ? 0得: G 0得: 0 令?G ' ? 0得: 2σ LS2σ 2σ r* ?r2σ r* ?2σ r*LS? ? 2σ LS ?*? ? ? * LS ? 2σ LS * r Δ? mΔ rΔ ? 2σ LS LS? G G r ?? rG ? Δ * G m ?ΔΔGG m m m Δ Gm * Δ Gm 代入?G式得: r *代入?G式得: 将r* 代入?G式得: 将rr 代入?G式得: * 将 ?G式得: 将 式得: 代入?G*代入 入?G式得: 3 16 * σ 3 将r 代入?G式得: 16 16 σ σ1 * 11 3 * * LS ΔG ΔG ΔG ?3LS *)*?162 (π?LSA σ LS 1 1 ? (π A A ? 16π2 (π σ 3) ) σ σLS ) ? A (ΔG ? 16 ? σ 3 σ LS 3 2 )* 3 ΔG 16 * 3 LSm ΔG 33 π* 33 12 ? 1 1 ΔG LS 3* * 16( ΔGm 3 ΔG( π? σ (π ?ΔG m )σσ LS A ? LS ΔG ? )? 3 2 ΔG m ) σ 3 ? (π ? A LS ΔG 3 ? LS 2 ΔG 2 ? ΔG m ΔG 2 3 3 ?3 m 2 ? 3 2 * * * 2 * 2 LS 3 * ) ? 16? (2 * A ? 式中r A式中 ? ( ? 4? () ) ? 16?? LS ) 4? ( ) ? 4? ( r ? 16 A m ) ( ) 2 式中 A * ? 4?( rGm2 ? 16G ( ) ? * ) r? 16? ( ?G ) 式中 A* ? 4? (LS 2 ? LS m2?? LS m ? r * 2 ?? G * LS ? 4? (? *4? ?r *)? ( ? ( r ) ? 16? ( ?Gm ) 2 r ) 2 ( A ? ? 16? ) 中 即临界晶核表面积 A 式中 16 2 4 ( ) 即临界晶核表面积 ?Gm ?Gm 即临界晶核表面积 即临界晶核表面积 ?Gm 即临界晶核表面积 即临界晶核表面积 即临界晶核表面积 即临界晶核表面积
' 2 m LS ' * LS m * 3 * LS * 2 LS m * * 2 LS 2 m

临界形核功相当于表面能的1/3,这意 味着固、液之间自由能差只能供给形成 临界晶核所需表面能的2/3,其余1/3的 能量靠能量起伏来补足。

△Gd

Gd GL

1 ? 3 2 ? 3

LS

△Gm

LS

GS a 0

原子位置

凝固过程的吉布斯自由能的变化

三、 非自发形核
1、临界晶核半径与形核功
r d?
A1

A2

? LS

? CS
r

?

?

LC

? LC ? ? CS ? ? LS cos ? ? LC ? ? CS cos ? ? ? LS

? LC ? ? CS ? ? LS cos ? ? LC ? ? CS cos ? ? ? LS

A1????(((rrsin ? ))22 sin? ))22 ? A1 ? ? (rr sin ? A A11 ? ? sin ?? ?? ( 2? r sin ? )( rd? ) A ? ? (2? r sin ? )( rd? A22?? ? 0((2? rrsin ? )( rd? )) A ? A22 ? ?0 2? sin ? )( rd?) 00 ?2? rr22((1? cos ? )) ? ? cos ? ? 22?rr22((1? cos ? )) ? ? 1 ? cos ? 1 ? 2 ?? V ? ?? [[?((rrsin ? ))22]]d[[rr? ((rrcos ? )] ? ? ? sin ? 22 d ? cos ? )] V ? ? ? sin ? d ? cos ? )] V ? V ? ? 00[[?((rrsin ? )) ]]d[[rr? ((rrcos ? )] 00 33 ? 2? 3 cos ? ? cos ? 3 cos ? ? cos 33 [2 ? 3 cos ? ? cos 33? ] ?? 3 [ 2 ? ???rr3[[2 ? 3 cos ? ? cos ? ]] ? ? ?rr ] 3 3 3 3

晶核形成前:? A 晶核形成前:? A 晶核形成前:? A 晶核形成前:? A 晶核形成后:? A ? ? A 晶核形成后:? A ? ? A 晶核形成后:? A ? ? A 晶核形成后:? ? A A 则:?G ? ? A ? A ? ?? ? 则:?G ? ? A ? ? A ? ? 则:?G ? ? A ? ? A ? ? 则:?G ? ? A 而:?G ? V?G ? ? A ? ? 而:?G ? V?G 而:?G ? V?G 而:?G ? V? ? 有:?G ? ?G G ?G 有:?G ? ?G ? ?G 有:?G ? ?G ? ?G 有:?G ? ?G ? ?G
LC LC LC LC 1 1 1
1

LC LS LS LS LS LS

21 2 2 2

CS CS CS CS

1 1 1

1

i i i

i

LS LS LS LS

2 2 2

2

2 CS CS CS CS

1 1 1

CS

1

1 LC LC LC LC

vi v v v

LS

2 m m m m

CS

1

LC

A A A A
1 1 1

1

1

v

v v v

m

i i i

v

i

v

i

分别将V、A、A 代入上式, 分别将V、A、A 代入上式, 并利用? ? ? ? ? cos? 整理得: 并利用? ? ? ? ? cos? 整理得:
1
1

2

2

LC LC

CS CS

LS LS

44 ?G ? (( ?rr?G ? 44?r? )) ?G ? ? ?G ? ?r ? 33 22? 33 cos?? cos ? ? cos? ? cos ?) (( ) 44
3
3

2

2

m

m

LS LS

3

3

2? LS 令 d?G dr ? 0, 得:r ? ? ?Gm
*

2? LS 2? LS ? 0, 得:r ? ? ? 0, 得:r ? ? ?G ?Gm
* * 3 16?? LS ?? 3 * * ? 16 LS ( ?G ? G 2 ( ? 2 3?G 3?Gm

m

16?? ?G ? 3?G 2 ? 3 cos ? ? cos 3 ? ? 3 cos ? ? cos 3 ? 2
*

3 LS 2 m

(

2

m

4 4

) )

?G ? ?G f (? ),
* * he ho

2 ? 3 cos? ? cos ? 1 式中:f (? ) ? f (? ) ? ( 2 ? 3 cos? ? 4 4
3

其中

当? ? 0 时: ?G ? 0,无过冷下
0 * he

即可形核。 当? ? 180 时:?G ? ?G ,非自发
0 * * he ho

形核不起作用。

四、形核剂
1、适配度小
a a?? a ? a ? 100% ? ?? a a 其中: 其中: ?? ?晶格点阵适配度 ? 晶格点阵适配度
C N
C N

N

N

a ? 夹杂的原子间距 a ? 夹杂的原子间距 a ?晶核的原子间距 a ?晶核的原子间距
C
C

N

N

2、粗糙度要大

不同曲面衬底上形核示意图

3、分散性好 3、分散性好 4、高温稳定性好 4、高温稳定性好

第四节 生长 一、固-液界面结构
粗糙界面:微观粗糙、宏观光滑; 将生长成为光滑的树枝;

大部分金属属于此类
光滑界面:微观光滑、宏观粗糙; 将生长成为有棱角的晶体; 非金属、类金属(Bi、Sb、Si)属于此类

T

L

10?m

0.5nm

粗糙界面

第四节 生长 一、固-液界面结构
粗糙界面:微观粗糙、宏观光滑; 将生长成为光滑的树枝;

大部分金属属于此类
光滑界面:微观光滑、宏观粗糙;

将生长成为有棱角的晶体;
非金属、类金属(Bi、Sb、Si)属于此类

10?m

粗糙界面

第四节 生长
一、固-液界面结构
粗糙界面:微观粗糙、宏观光滑; 将生长成为光滑的树枝; 大部分金属属于此类 光滑界面:微观光滑、宏观粗糙; 将生长成为有棱角的晶体; 非金属、类金属(Bi、Sb、Si)属于此类

T

L

10?m

0.5nm

光滑界面

第四节 生长 一、固-液界面结构
粗糙界面:微观粗糙、宏观光滑;

将生长成为光滑的树枝;
大部分金属属于此类 光滑界面:微观光滑、宏观粗糙;

将生长成为有棱角的晶体;
非金属、类金属(Bi、Sb、Si)属于此类

10?m

光滑界面

第四节 生长
一、固-液界面结构
粗糙界面:微观粗糙、宏观光滑; 将生长成为光滑的树枝; 大部分金属属于此类 光滑界面:微观光滑、宏观粗糙; 将生长成为有棱角的晶体; 非金属、类金属(Bi、Sb、Si)属于此类

Jackson判据
?GG ? ?G ? ?x(x(1 ?)x? ? lnln ? ? (1 ?)x) ln(1 ?)x) ? ?x(1 ? x) ? x ln x ? (1 ? x) ln(1 ? x) ?1 ? x ) x x x x (1 ? x ln(1 ? x NkT ? NkT NkT ?HH ? ? ?S S ? ? ? ? ? ?H( (?? ? ?S( (? ) ? ? ) ) ? ) ? ? kT ?(? ) ? k k ?(? ) kT kT ? k ? 即?与熔融熵值?S S 成正比 即?与熔融熵值?S 成正比 ?与熔融熵值? 成正比 即
S S S m m m 0 m 0 0 m m m m m m m m

N ? 界面上可被占据的原子 位置数 N ? 界面上实际占据的原子 位置数
A

x ? N N ,界面上原子沉积几率
A

N?? 界面上实际占据的原子 位置数 x N N ,界面上原子沉积几率 x ? 玻耳兹曼常数 ? N N ,界面上原子沉积几率 k 式中:?? 玻耳兹曼常数 G ?固-液界面相对自由能 变化 k
A
A

k ? 玻耳兹曼常数 N ? 界面上可被占据的原子 位置数 N ? 界面上可被占据的原子位置数 位置数 N ? 界面上实际占据的原子
A

A

S

?S ? 一个原子的熔化熵值
m 0

?H ? 一个固体原子所具有的 结合能

式中:?G ?固-液界面相对自由能 变化
S

?S ? 一个原子的熔化熵值
m

?-固体内部一个原子的 配位数 x ? N N ,界面上原子沉积几率 k ? 玻耳兹曼常数
A

?H 界面上可被占据的原子 结合能 N ? ? 一个固体原子所具有的 位置数 ?-界面上表面层一个原 位置数 子的配位数 N ? 界面上实际占据的原子
0

A

?GS 2.0 NkTm
1.5

? ? 10.0

1.0

? ? 5.0
0.5

? ? 3.0
0 0 0.2 0.4
? ? 2.0 ? ? 1.0

0.6
? ? 1.5

0.8

1

-0.5

界面上原子沉积几率x

不同 α 值时 ?G 与 χ 间的关系
S

1)当? ? 2时,?GS 在界面原子位置 有50%被沉积时最小,也就是说有一 半原子位置被沉积时,其自由能最小, 此时的界面形态被称之为粗糙界面。

2 )当 ? ? 2时, ?GS 的最小值在 x 接近
于 0 和 1的两端处,这意味着界 面上有 很多空位未被原子占据 ,或几乎所有 的空位均被原子占据。这两种情况下, 自由能均最小,此时的 界面形态被称之 为光滑界面。

二、生长方式

简单立方晶体的长大过程示意

位置1: ?Gi ? 5a 2? ? a 2? ? 4 a 2? 位置 2: ?Gi ? 4 a 2? ? 2 a 2? ? 2 a 2?

位置3: ?Gi ? 3a 2? ? 3a 2? ? 0
位置 4: ?Gi ? 2 a 2? ? 4 a 2? ? ?2 a 2?
位置5: ?Gi ? a 2? ? 5a 2? ? ?4 a 2?

晶体的生长方式 :
连续生长-粗糙界面 ?连续生长-粗糙界面 ?连续生长-粗糙界面 ? ? ?? ? ?? ?? ?二维晶核台阶 ? ?二维晶核台阶 ?? ?二维晶核台阶 ? ?? ?? ?? ?侧向生长-光滑界面 ? ??侧向生长-光滑界面 侧向生长-光滑界面 ? ?? ?螺型位错 ?螺型位错 ? ? ?? ? ? ?? ?螺型位错 ??晶体中的缺陷 孪晶沟槽 ?? 晶体中的缺陷 孪晶沟槽 ?晶体中的缺陷 孪晶沟槽 ?? ?? ? ? ?? ?旋转晶界 ?旋转晶界 ? ??旋转晶界 ?

R

生长速度R ? ? ?T
1 k

k

?T ?晶体长大时动力学过冷 度

?Tk

连续生长时晶体生长速 度与动力学过冷度的关 系

二维晶核台阶

R

L

?

R ? ? 2 e ?b ?Tk
孕育期

S

?Tk

依靠二维晶核台阶生长 R与 ?T 的关系 时
k

R

R ? ? 3 ?Tk2

?Tk

依靠螺型位错台阶生长 R与 ?T 的关系 时
k

三、生长速度

不同生长方式生长速率 与动力学过冷度的关系

第五节 溶质再分配
一、溶质再分配与平衡分配系数

溶质平衡分配系数 k0 为恒温下固相溶 质浓度 CS 与液相溶质浓度 CL 达到平衡时 的比值,二元合金中的 k0 可由平衡状态图 的液相线与固相线给出,即:
k 0 ? C S C L ? mL mS

二、非平衡凝固时的溶质再分配 假定凝固的任意时刻,固液界面处于局 部平衡状态,则有:
* * k0 ? CS C L

凝固方向





C
CL C0
CS

k0 ? CS C L ? 1

平衡凝固条件下的溶质分配系数

第五节

溶质再分配

一、溶质再分配与平衡分配系数

溶质平衡分配系数 k0 为恒温下固相溶质 浓度 CS 与液相溶质浓度 CL 达到平衡时的比 值,二元合金中的 k0 可由平衡状态图的液相 线与固相线给出,即:
k 0 ? C S C L ? mL mS

二、非平衡凝固时的溶质再分配 假定凝固的任意时刻,固液界面处于局 部平衡状态,则有:
* * k0 ? CS C L

凝固方向
固 液

k ? C C ?1
* * 0 S L

C
* CL

C0
* CS

k0C0

非平衡凝固条件下的溶质分配系数

三、成份过冷判据 ? 成分过冷:由溶质再分配导致界面 前沿平衡温度发生变化而引起的过 冷

合金凝固时的成分过冷

a)二元平衡相图 b)界面前沿液相溶质富集带 c)稳定界面d)非稳定界面

铝合金随成分过冷度的增加,凝固界面形态的演变过程

a)平界面b)痘点状界面c)狭长胞状界面d)不规则胞状界 面e)六角形胞晶f)树枝晶

在固液界面附近,运用Fick扩散 定律和平衡温度梯度与液相斜率的 关系,可以推导出成分过冷判据:
mL C s* (1 ? k 0 ) GL ?? R k 0 DL

四、成份过冷与晶体生长形态 ? 凝固界面形态分为:平界面、胞状 界面、和树枝界面 ? 当合金成分一致时,随 G / R 值的 减少,晶体形态由平面晶向胞状晶 向胞状树枝晶、柱状树枝和等轴树 枝晶转变。
L

GL / R

和 Co 对晶体形态的影响

“成分过冷”与固-液界面形貌

胞状晶转变为胞状树枝晶

五、微观偏析 偏析:金属凝固过程中发生化学成分不 均匀的现象 偏析程度用偏析比来表示:
Cmax SR ? Cmin

微观偏析可造成材料本身的冲击韧性、 塑性继耐腐蚀性降低

有两种情况: ?晶界与晶体生长方向平行,晶界出现凹槽,溶质富 集程度高,如图a; ?两个晶粒相对生长,相遇前将溶质排出到剩余液相 中,使最后凝固部分富含溶质,如图b。

六、宏观偏析
? 宏观偏析通常指整个铸锭或铸件在大于晶粒尺 度的大范围内产生的成分不均匀的现象 1、正常偏析:对于 k 0 <1的合金,先凝固区域的 溶质含量低于后凝固区域,与正常溶质再分配 规律一致。 2、逆偏析:对于 k 0 >1的合金,外层的一定范围 内溶质含量分布由外向内逐渐降低 3、密度偏析:由于重力作用产生的化学成分不均 匀的现象。
k0

第六节 共晶合金的凝固 共晶型合金分为规则共晶和非规则共 晶。 规则共晶由金属-金属组成,属小平 面共晶; 非规则共晶由金属-非金属组成,属 非小平面-小平面共晶。

不同的合金系中,共晶结晶的方 式可分为共生生长和离异生长两种。

对共生生长,结晶时后析出相依 附于领先相表面析出,形成具有两相 共生界面的双相核心,随后由界面前 沿两相间的横向扩散作用,互相为对 方提供生长所需组元,以此协同生长。
这一点从共晶系平衡相图中也可看出。

a)为共晶系平衡组织相图 b)c)d)为吉布斯自由能随 温度变化示意图

共生生长需要两个基本条件:
? 两相生长能力接近,且析出相要容易在 先析出相上形核和长大。 ? 两组元在界面前沿的横向传输要能保证 两相等速生长的需要。

由于实际凝固过程中动力学条件的限 制,实际共生区与前示平衡相图上的共生 区会有一定差异。通常要小一些,或是不 对称。

对称形

非对称形

离异生长是指共晶合金两相生长 时,没有共同的生长界面,两相分离 并以不同生长速率而结晶。 离异共晶体可分为晶间偏析型和 领先相呈球团型两类。

晶间偏析型合金成分偏离共晶点很远, 初生相长得很大且很多时,发生共晶反应, 而另一相在初生相上继续长出,最终所得 组织如图示。

领先相呈球团型是由于领先相为熔点 高的金属,且生长界面为各向异性,此时 领先相成球团形态,其他相围绕其表面生 长,形成“晕圈”。

不完整晕圈的共生生长

封闭晕圈的离异生长

第七节 金属及合金的凝固方式
一、凝固方式与质量的关系:
金属或合金在铸型中凝固时,可以分为 液相区、固相区和固液两相区。

金属或合金凝固分区示意图

固液两相区较窄时,呈现强烈的得逐层 凝固特点;固液两相区较宽时,液相补缩困 难,逐层凝固特征不明显。

固液两相区宽度对液相补缩的影响

a)固液两相区宽度较窄b)固液两相区宽度较宽

二、凝固动态曲线与凝固方式
在凝固件横断面处设置温度传感器测定 冷却曲线,即温度-时间曲线。据不同断面的 冷却曲线,结合该合金的相图,便可以绘出 凝固件断面液相线-固相线与凝固时间的关系 ----凝固动态曲线。

由凝固动态曲线可以看出合金在凝固件 中的凝固方式。

铸件凝固动态曲线的绘制

a)铸件断面的温度-时间曲线b)凝固动态曲线c)某时刻的凝固状

工业纯铝铸件断面的凝固动态曲线

a)砂型铸造b)金属型铸造

三、凝固方式的影响因素:
凝固方式一般由合金固液相线温度间隔 和凝固件断面温度梯度两个因素决定。

凝固温度间隔大的合金倾向于糊状凝固; 反之倾向于逐层凝固

TL TS S+L S

T L

TL TS S S+L

T

S+L S

S

逐层凝固

糊状凝固

第八节 凝固成形的应用 一、铸造生产过程中的凝固控制 1、充型能力控制
充型能力:液态金属充满型腔,获得形完 整、轮廓清晰铸件的能力。 影响因素:金属金属性质方面、铸型性质 方面、浇铸条件方面和铸件结 构方面。

衡量金属或合 金的流动性,常用 螺旋形式样浇铸后 得到的长度制来衡 量。

1-浇口杯;2-低 坝;3-直浇道; 4-螺旋试样;5高坝;6-溢流道; 7-全压井

螺旋形流动性试样结构示意图

2、收缩控制:
铸件在冷却过程中体积缩小的现象叫收缩。

收缩可分成三个阶段:液态收缩、凝固收缩、固态 收缩。
液态收缩:从浇注温度降低到凝固开始的温度时, 发生的体积收缩; 凝固收缩:合金再凝固阶段的体积收缩; 固态收缩:固态合金因温度降低发生的体积收缩。 液态收缩、凝固收缩是引起缩孔、缩松的主要原因, 而固态收缩是产生铸造应力、变形和裂纹的主要原 因。

合金的收缩量用体收缩率和线收 缩率来表示,其定义为:
V0 ? V1 ?V ? ? 100% ? ? V ( T0 ? T1 ) ? 100% V0

l0 ? l1 ?l ? ? 100% ? ? l ( T0 ? T1 ) ? 100% l0

V0,V1-合金在温度为T0,T1时的体积; l0,l1-合金在温度为T0,T1时的长度; ?v,?l-合金在T0~T1温度范围的体膨胀 系数和线膨胀系数。

铸件凝固后,由于合金的收缩, 在最后凝固部位会出现孔洞。
? 体积大而集中的孔洞称为缩孔; ? 细小而分散的空洞称为缩松。

以逐层凝固的圆柱体铸件为例,缩孔 的形成过程如图:

生产中常用画“凝固等温线”和 画“内切圆”的方法来近似确定缩孔 位置。
其中前一种方法一般用于形状较简单的 铸件,而对于稍复杂的铸件,则用后一 种方法。

将铸件断面上温度相同的点连接而成的曲线,就是凝固等 温线。图中涂黑的部分就是缩孔出现的实际位置。

内切圆法:铸件壁交接处的内切圆直径大于铸件壁厚, 这些地方凝固较晚,缩孔可能在那里生成。

铸件的缩松:
? 缩松是铸件以糊状凝固方式凝固时,最 后凝固的区域没能得到液态合金的补充 造成的分散、细小的显微缩孔 ? 根据分布形态,缩松分为宏观缩松和微 观缩松两类 ? 宏观缩松:指用肉眼或放大镜可以看到 的细小孔洞,通常出现在缩孔的下方 ? 微缩缩松:是指分布在枝晶间的微小孔 洞,在显微镜下才能看到。

缩孔、缩松的存在都会使铸件受力的 有效截面积减小,使铸件强度降低。在生 产中应尽量防止或减少缩孔、缩松。 可以利用冒口、冷铁和补贴等工艺措 施,并结合运用顺序凝固或同时凝固的工 艺原则来实现。

3、应力控制
铸件冷却时因各部分冷却速度不同, 造成在同一时刻各部分的收缩量不同,彼 此相互制约的结果就产生了应力。

按应力形成原因分类: 热应力 – 铸件在冷却过程中,由于各部分冷却 速度不一致,造成收缩量不一致,彼 此制约的结果,所形成的应力; 相变应力 – 铸件冷却过程中发生固态相变的时 间不一致,体积和长度变化的时间也 不一致,彼此制约,形成的应力;

机械应力 – 铸件冷却收缩过程中,线收缩受到 机械阻碍而产生的应力。

框形铸件热应力形成过程

第一阶段(?0~?1):在高于弹塑性转变阶段, 两杆均处于塑性状态,瞬时的应力均可通过塑性 变形释放; 第二阶段(?1~?2):冷却较快的杆II已进入弹性 状态,而粗杆I仍处于塑性状态,所以杆II收缩大 于杆I,细杆II受拉伸,粗杆I受压缩,形成临时内 应力; 第三阶段(?2~?3):粗杆I温度较高,还会有较 大的收缩,细杆II温度较低,收缩较小,所以粗 杆I的收缩会受到杆II的强烈阻碍,杆II受压缩, 杆I受拉伸,直到室温,形成残余应力。

当铸造应力超过金属的屈服点后, 铸件就会发生变形,以释放应力。

当铸造应力超过金属的抗拉强度 时,铸件就会产生裂纹。按裂纹形成 的温度范围,可分为冷裂和热裂两种 类型。

要避免铸件发生变形和裂纹,最 根本的办法是减小残余应力。

4、

凝固组织控制

铸件宏观组织一般可能存在三个不同的晶区: ?表面细晶粒区:靠近型壁的外壳层,有紊乱 排列的细小等轴晶组成; ?柱状晶区:由自外向内沿着热流方向彼此排 列的柱状晶所组成; ?内部等轴晶区:由紊乱排列的粗大等轴晶组 成。

铸件典型的几种组织

三个晶区形成的简单过程是: 金属液浇入铸型后,先在温度低的型壁上形 核与生长,同时又从其上脱落与游移,从而在型 壁附近沉积成细小晶粒,构成表面细晶粒区; 表层细晶层形成后,液体对流强度大大减弱, 固液界面前沿晶体在与型壁垂直的单向热流作用 下,向中心延伸,形成柱状晶区; 在柱状晶生长过程中,液体内部也将可能出 现过冷,形成新的等轴晶,或从别处迁移过来的 游离晶生长成新的等轴晶,最终形成内部等轴晶 区。

由于等轴晶性能均匀稳定,没有 方向性,故其是生产中优先选择的宏 观组织形态。 工艺上常采取的工艺措施有以下4 条: (1)适当降低浇注温度; (2)合理运用铸型的激冷作用; (3)孕育处理; (4)动态晶粒细化。

(1)适当降低浇注温度
一方面防止柱状晶生长和晶粒粗化, 另一方面又可以使游离晶在过热较小的 液相中保留下来。

(2)合理运用铸型的激冷作用
? 对薄壁件,采用激冷能力强的铸型 ? 对厚壁件,采用激冷能力较弱的铸型

(3)孕育处理
孕育处理的目的是造成大量晶核、细化晶 粒。 ? 合理选择孕育剂 ? 合理确定孕育工艺

(4)动态晶粒细化
? 振动:振动铸型、浇注槽和浇口杯。振 动源有电磁、机械和超声振动 ? 搅拌:机械、电磁搅拌 ? 旋转震荡:变速旋转

二、焊接生产中的凝固过程控制 焊接熔池的凝固过程与一般铸 造时液态金属凝固没有本质的区别, 服从凝固理论的一般规律。但焊接 熔池的凝固过程还有其独有的一些 特点。

1、焊接熔池特征 ? 过热温度高 ? 动态下凝固 ? 对流强烈

焊接熔池凝固及焊缝的形成

2、焊缝凝固特点
1)外延生长

熔池中柱状晶的 形成

典型熔池形状

2)弯曲柱状晶

熔池的液相等温线及晶体生长线 示意图

焊接速度对结晶形态的影响 a)焊接速度大 b)焊接速度小

焊缝凝固时晶区划分示意图

3)凝固界面生长形式多样性
焊接熔池中的温度梯度与凝固速度比 值G/R,在不同凝固阶段是不同的,其凝固 生长界面亦可以从平界面生长过渡到枝晶 生长形式。

3、熔池凝固组织控制

焊缝晶粒粗细与冲击韧性间的关系 1-细晶组织 2-粗晶组织 3-粗大柱状晶

焊接过程中改善凝固组织,防止 粗晶产生的主要措施: ? 1)变质处理 ? 2)振动结晶 ? 3)优化焊接工艺参数

三、陶瓷与粉末合金制备过程中的凝 固现象
1、硅酸盐熔体的特点 高温下硅酸盐熔体显著倾向于形 成相对大的、形状不规则的短程有 序结构。

2、硅酸盐熔体的凝固

凝固的压力-温度平衡图

新稳定相形核率、生长速率和温度之间的关系

硅酸盐熔体形成晶体需要一定的 条件,即需要创造非均匀形核的条件, 如下图所示。

具有液相偏析的二元相图 a)两个不互溶液相区 b)两个亚稳态过冷液相区

其他的一些方法有:使用固体颗 粒形核剂,或通过特殊的化学反应, 如光化学反应获得。

材料成形技术基础

第三章

材料成形热过程

第一节 焊接成形热过程 一 焊接热过程特点
1.焊接热过程的局部集中性 2.焊接热过程的瞬时性 3.焊接热源的移动性

二 焊接过程热效率
热效率 ?=Q’/Q Q:焊接热源提供的热量; Q’:用于加热焊件的有效热量;

真正用于焊接的有效功率P为 P= ?UI P:电弧功率; U:焊接电压; I:焊接电流;

第二节 焊接温度场
所谓焊接温度场是指在焊接集中热源的 作用下,被焊工件上(包括内部)各点在某 一瞬时的温度分布。

一、焊接传热形式及热传导方程
1.焊接传热的基本形式
焊接过程主要研究的 是焊件温度变化(相当 于冷却为主)因此主要 以热传导为主,适当考 虑辐射和对流的作用。

2.焊接热传导的基本方程 热总是从物体的高温部位向低温部位流动, 它的流动规律服从傅立叶定律。
傅立叶定律: q=?dT/dn q—电流密度,即沿法线方向 单位面积、单 位时间内流过的热量; ?—热导率(J/cm?s??c),表示 导热能力

根据傅立叶定律及能量守恒定律,可以导出 任一无限大物体内部的热传导基本方程。

焊接热传导方程
?T/?t=a?? T a:热扩散率(cm? /s) ▽:拉普拉斯符号(?/?x+ ?/?y+ ?/?z) 表示某时刻,物体上给定点附近温度分布 越不均匀,则该点温度变化越快。

二、焊接温度场的数学表述法及数学解 析的假定条件
焊接温度场的数学表达式为 T = f( x, y, z, t )

式中,T —工件上某一瞬时某点的温度 x,y,z —工件上某点的空间坐标 t —时间 数学解析的基本假定: ●物理系数=常数 ●初始温度均匀为零 ●不考虑相变、散热和结晶潜热 ●焊件几何尺寸是无限的 ●热源作用于焊件形式为点、线和面状。

? 根据焊件的厚度和尺寸形状,传热的方式可以简 化为: 1 厚大焊件—点状热源—三维温度场 2 薄板焊件—线状热源—二维温度场 3 细棒对接—面状热源—一维温度场

三、瞬时热源的传导过程
假定焊件的初始温度t=0,利用瞬时热源法比较容易 求得热传导基本方程的特解。其特解为:

Q r2 T(r,t)= exp( ? ) n/2 c? ( 4?at ) 4at
r ——给定点到热源点的坐标 点 n=3 n ——与热源有关的常数 线 n=2 Q——焊件瞬时获得的热能 面 n=1

四、影响焊接温度场的因素
1 热源的性质(热源能量的集中性)

2 焊接规范(焊速与能量,即焊接热输入)

3 被焊金属的热物理性质(热导率,体积热 容,热扩散率,比焓,表面传热系数等)

4.焊件的板厚及形状

薄板焊接的温度场分布

表面堆焊和丁字接头形式温度场分布

第三节 焊接热循环
焊接时焊件在加热和冷却过程中温度随时间的变 化。即焊件上某点的温度是随时间由低到高达到最 大值后又由高到低的变化。称为焊接热循环。

一、焊接热循环的主要参数

1 加热速度 ωH

2 峰值温度 Tmax 3 高温停留时间 tH 4 冷却速度ω(或冷却时间t8/5;t8/3;t100)

二、多层焊接热循环
1.长段多层焊接热循环 长段焊道差不多在1m以上,这样焊完第一层再 焊第二层时,第一层焊缝基本上冷却到100-200℃ 以下

2.短段多层焊接热循环

三、影响焊接热循环的因素 1.焊件尺寸形状的影响

2.接头形式的影响

3.焊道长度的影响

4.预热温度的影响

5.焊接线能量的影响 6.焊接时冷却条件的影响

第四节 凝固成形热过程
一、凝固成形热过程特点及效率
1.凝固成形热过程特点 凝固成形的基本热过程包括加热熔化和冷却凝 固两个部分。以冲天炉为例,其热交换区可分为 预热区、熔化区、过热区和炉缸区4个部分。 (1)预热区的热交换特点 1)炉气给热以对流方式为主。 2)传递热量大 3)温度变化大

(2)熔化区的热交换特点 1)炉气给热以对流传热为主。 2)呈凹形分布。 3)高度波动大。 (3)过热区热交换的特点 1)铁水的受热以与焦炭接触传导导热为主。 2)传热强度大。 3)炉气最高温度与区域高度起决定作用。 (4)炉缸区的热交换特点 与过热区相仿

2.凝固成形加热过程热效率 凝固成形加热过程的热效率与冶炼方式、 热源种类及冶炼材料的性能等因素有关。

二、凝固成形热温度场
根据铸件温度场随时间的变化,能够预 测铸件凝固过程中其断面上各时刻的凝固 区域大小及变化,凝固前沿向中心推进的 速度、缩孔和缩松的位置,凝固时间等重 要问题。

四种情况下,铸件和铸型的温度分布特点 1.铸件在绝热铸型中凝固温度分布特点

2.以金属-铸型界面热阻为主的金属型中凝固 温度分布特点

3.厚壁金属型中凝固温度的分布特点

4.水冷金属型中凝固温度分布特点

第五节 塑性成形热过程特点及温度场
一、塑性成形热过程的基本特点 固体金属材料的加热过程,主要是热源通过对 流和辐射的形式对金属加热,在金属内部主要通 过热传导的形式传递热量,使金属材料的温度逐 步均匀化。 1.金属材料的热扩散率是温度的函数 材料的热扩散性好,即表明加热时温度在金属 内部传播的速度快,因而在材料断面上的温差就 小,由此产生的温度应力就小;同时,由于加热 时,温度均匀化的速度快,因而可以采用快速加 热的方法提高生产率。

2.钢在加热过程中的氧化及脱碳

二、塑性成形加热过程的热效率
金属坯料的加热方法,按所采用热源种类分为 火焰加热和电加热两大类。 各种加热方法的热效率都不相同。

三、塑性成形的温度场
塑性成形在钢锭或钢材加热过程中,开始时总 是表面温度高于中心温度,出现断面温差,温差 大小取决于钢材热扩散性能、断面尺寸、加热速 度以及炉温与料温的温度差。锻件在冷却过程中, 初期表面冷却速度快,同样也会出现断面温度差, 只是此时是表面温度低于中心部。

材料成形技术基础

材 料 成 形 技 术 基 础

第四章 塑性成形理论基础

§4-1金属冷态下的塑性变形
4.1.1冷塑性变形机理
多晶体的塑性变形包括晶内变形和 晶界变形(晶间变形)两种。在冷态条 件下,由于晶界强度高于晶内,多晶体 的塑性变形主要是晶内变形,晶间变形 只起次要作用,而且需要有其它变形机 制相协调。

晶内变形方式有滑移和孪生。由 于滑移所需临界切应力小于孪生所需 临界切应力,故多晶体塑性变形的主 要方式是滑移变形,孪生变形是次要 的,一般仅起调节作用。对于密排六 方金属,孪生变形起着重要作用。

? ? ? cos ? ? cos ?

图4-1 晶体滑移时的应力分析

晶体的滑移过程,实质上是位 错的移动和增殖的过程。由于在这 个过程中位错的交互作用,位错反 应和相互交割加剧,产生固定割阶、 位错缠结等障碍,使位错难以越过 这些障碍。要使金属继续变形,就 需要不断增加外力,便产生了加工 硬化。

图4-2 刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意

图4-3 螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意

图4-4 面心立方晶体孪生变形示意

冷塑性变形时,多晶体主要是 晶内滑移变形;实质上是位错的移动 和增殖的过程;由于位错的交互作用, 塑性变形时 产生了加工硬化。

4.1.2 冷塑性变形特点
(1)各晶粒变形的不同时性

塑性变形首先在位向有利的晶粒 内发生,位错源开动,但其中的位错却无 法移出此晶粒,而是在晶界处塞积。位 错塞积产生的应力场越过晶界作用到 相邻晶粒上,使其得到附加应力。随外 加应力的增大,最终使相邻位向不利的 晶粒中滑移系的剪应力分量达到临界 值而开动起来,同时也使原来的位错塞 积得到释放,位错运动移出晶粒。如此 持续运作,使更多晶粒参与变形。

(2)各晶粒变形的相互协调性

晶粒的变形需要相互协调配合, 如此才能保持晶粒之间的连续性, 即变形不是孤立和任意的。
(3)变形的不均匀性

软位向的晶粒先变形,硬位向 的晶粒后变形,其结果必然是各晶 粒变形量的差异,这是由多晶体的 结构特点所决定的。

4.1.3 冷塑性变形对组织与性能的影响

1)对金属组织的影响

(1)在晶粒内部出现滑移带和孪生 带等组织 (2)形成了纤维组织

冷加工变形后,金属晶粒形状 发生了变化,变化趋势大体与金属 宏观变形一致。轧制变形时,原等 轴晶粒沿变形方向伸长。变形程度 大时,晶粒呈现为一片如纤维状的 条纹,称为纤维组织。当有夹杂或 第二相质点时,则它们会沿变形方 向拉长成细带状或粉碎成链状。

(3)变形织构

多晶体塑性变形时伴随着晶粒的 转动,当变形量很大时,多晶体中 原为任意取向的各个晶粒,会逐渐 调整其取向而彼此趋于一致,这种 由于塑性变形而使晶粒具有择优取 向的组织,称为“变形织构”。

图4-5 丝织 构示意图 a)拉拔前 b)拉拔后

图4-6 板织构示意 a) 轧制前 b)轧制后

图4-7 因板织构所造成的“制耳” a) 无制耳 b) 有制耳

(4)晶粒内产生胞状亚结构

塑性变形主要是借位错的运动 而进行的。经大变形后,位错密度 可从退火状态的106~107cm-2增加到 1011~1012cm-2。位错运动及交互作用 结果,其分布是不均匀的。它们先 是比较纷乱地纠缠成群,形成“位 错缠结”。如果变形量增大,就形 成胞状亚结构。

2)对金属性能的影响

随着变形程度的增加,金属强度、 硬度增加,而塑性、韧性降低。 金属的性能将显示各向异性 。

图4-8 45号钢力学性能与变形程度的关系曲线

§4-2金属热态下的塑性变形
4.2.1热塑性变形时软化过程
(1)动态回复

动态回复是在热变形过程中发生的 回复,金属即使在远高于静态再结晶 温度下塑性变形时一般也只发生动态 回复。
(2)动态再结晶

动态再结晶是在热变形过程中发生 的再结晶,与静态再结晶一样,也是 通过形核和生长来完成的。它容易发 生在层错能较低且有较大热变形程度 的金属上。

(3)静态回复

在较低的温度下、或在较早阶段发生 转变的过程成为静态回复。它是变形后的 金属自发地向自由能降低的方向转变的过 程。
(4)静态再结晶

在再结晶温度以上,金属原子有更大 的活动能力,会在原变形金属中重新形成 新的无畸变等轴晶,并最终取代冷变形组 织,此过程称为金属的静态再结晶。冷变 形金属加热时组织和性能的变化如图(4- 9)

图4-9 冷变形金属加热时组织和性能的变化

(5)亚动态再结晶

热变形中已经形成但未长大的 再结晶晶核以及长大途中遗留下的 再结晶晶粒,但变形停止后温度足 够高时,会继续长大,此过程称为 亚动态再结晶。它不需形核,所以 进行得很快。 图4-10为热轧和热挤时,动、 静态回复和再结晶的示意图。

图4-10 动、静回复和再结晶示意

4.2.2热塑性变形机理

变形机理主要有:晶内滑移与孪 生、晶界滑移和扩散蠕变。高温时原 子间距加大,热振动和扩散速度增 加,位错滑移、攀移、交滑移及节点 脱锚比低温容易;滑移系增多,滑移 灵便性提高,各晶粒之间变形更加协 调;晶界对位错运动阻碍作用减弱。 因此,其主要机理仍然是晶内滑移。

热塑性变形时,由于晶界强度 降低,使得晶界滑动易于进行;温 度越高,原子动能和扩散能力就越 大,扩散蠕变既直接为塑性变形作 贡献,也对晶界滑移其调节作用。

热塑性变形的主要机理仍然是晶 内滑移;由于晶界滑动和扩散蠕变作 用的增加,再加之变形时会产生动态 回复和再结晶。因此,热态下金属塑 性变形能力比冷态下高,变形抗力较 低。

图4-11 扩散蠕变示意 a)空位和原子的移动方向 b)晶内扩散 c)晶界扩散

4.2.3热塑性变形对金属组织和性能的影响
1)对组织的影响
(1)改善晶粒组织,细化晶粒

对于铸态金属,粗大的树枝状晶 经塑性变形及再结晶而变成等轴 (细)晶粒组织;对于经轧制、锻 造或挤压的钢坯或型材,在以后的 热加工中通过塑性变形与再结晶, 其晶粒组织一般也可得到改善。

(2)锻合内部缺陷

铸态金属中疏松、空隙和微裂纹 等缺陷被压实,提高金属致密度。锻 合经历两个阶段:缺陷区发生塑性变 形,使空隙两壁闭合;在压应力作用 下,加上高温,使金属焊合成一体。 没有足够大的变形,不能实现空隙闭 合,很难达到宏观缺陷焊合。足够大 三向压应力,能实现微观缺陷锻合。

(3)形成纤维组织

在热变形过程中,随变形程度增 加,钢锭内粗大树枝晶沿主变形方向 伸长,与此同时,晶间富集的杂质和 非金属夹杂物的走向也逐渐与主变形 方向一致,形成流线。由于再结晶的 结果,被拉长的晶粒变成细小的等轴 晶,而流线却很稳定地保留下来直至 室温。

图4-12 钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意

(4)破碎改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布

高速钢、高铬钢、高碳工具钢等, 其内部含有大量的碳化物。通过锻造 或轧制,可使这些碳化物被打碎、并 均匀分布,从而改善了它们对金属基 体的削弱作用。

2)对性能的影响

细化晶粒、锻合内部缺陷、破 碎并改善碳化物和非金属夹杂在钢 中分布可提高材料的强度、硬度、 塑性和韧性。 纤维组织形成,使金属力学性能 呈各向异性,沿流线方向比垂直流 线方向具有较高的力学性能,其中 尤以塑性、韧性指标最为显著。

材料成形技术基础

§4.3 塑性成形的力学基础

4.3.1 点的应力状态分析 1)基本概念—外力、内力和应力 (1)外力

变形体所受外力可分为两类:一类 是体积力,如重力、磁力和惯性力等。 另一类是作用在变形体表面上的表面 力,它包括工模具对变形体的作用力 和约束反力等。分析塑性成形过程时, 体积力一般可以不考虑,若不加特殊 说明,外力即指表面力。

(2)内力

在外力作用下,为保持变形体的 连续性,其内部各质点之间必然会 产生相互作用的力,叫做内力。

变形体受外力系F1、F2、…的作用处 于平衡状态。体内有任意点Q,过Q作 一法线为N的平面A,将物体切开移去 上半部。A面即可看成是下半部的外表 面,A面上作用的内力应该与下半部其 余外力保持平衡。这样,内力问题就 可以转化为外力问题来处理。

图4-14 外力、内力和应力

(3)应力

单位面积的内力,称为应力。
? F dF 定义: S ? ?lim0 ? F? ? A dA

为Q点的全应力。

问题: ①如何完整地描述变形体内一点的 受力情况也即应力状态呢? ②一点的应力状态是标量?矢量?

点的应力状态不同于物理量的 标量和矢量,它需要用过该点的三 个互相垂直截面上的三个应力矢量 才能完整地确定。这样的物理量又 称为二阶张量。因此点的应力状态 是二阶张量。

2)直角坐标系中一点的应力状态

围绕直角坐标系一承受任意力系作 用物体的任意点Q切取无限小单元体, 棱边平行于三根坐标轴。各微分面均 有应力矢量作用,这些矢量沿坐标轴 分解为三个分量,一是正应力分量, 两个剪应力分量。可见,一点的应力 状态需用九个应力分量来描述。

图4-14 单元体的受力情况 a)物体内的单元体 b)单元体上的应力状态

应力分量符号带有两个下角标,第 一个下角标表示该应力分量作用面的 法线方向,第二个下角标表示它的作 用方向。两个下角标相同的是正应力 分量,例如σxx即表示x面上平行于x轴 的正应力分量,简写为σx;两个下角 标不同的是剪应力分量,例如τxy即表 示x面上平行于y轴的剪应力分量。

应力分量正负号规定:单元体外法 线指向坐标轴正向的微分面叫做正面, 反之为负面;对于正面,指向坐标轴 正向的应力分量为正,指向负向的为 负;负面情况正好相反。椐此,正应 力以拉为正,以压为负,而图中各应 力分量均为正。

单元体处于静力平衡状态,故 绕单元体各轴合力矩必为零。由此 可导出剪应力互等关系式:

? xy ? ? yx

; ?

yz

? ? zy

; ?

zx

? ? xz

因此,表示点应力状态的九个 应力分量中只有六个是独立的,也 即点的应力状态是二阶对称张量。

应力分量用符号σ ij(i、j=x、y、 z)表示,使下角标i、j分别依次等于 x、y、z,即可得到九个应力分量, 表示成矩阵形式为:
?? x ? xy ? xz ? ?? x ? xy ? xz ? ? ? ? ? ? ij ? ?? yx ? y ? yz ? ? ? ? ? y ? yz ? ?? zx ? zy ? z ? ? ? ? ?z ? ? ? ? ?

3)主应力和应力张量不变量 (1)主应力

定义:切应力为零的面为主平面, 主平面上作用的应力为主应力。

定义:存在着唯一的三个相互垂

直的方向,与此三个方向相垂直 的微分面上的剪应力为零,只存 在着正应力。此正应力称为主应 力,一般用σ1、σ2、σ3表示, 而相应的三个相互垂直的方向称 为主方向,与主方向一致的坐标 轴叫做主轴。

已知单元体的应力状态为:
?? x ? xy ? xz ? ?? x ? xy ? xz ? ? ? ? ? ? ij ? ?? yx ? y ? yz ? ? ? ? ? y ? yz ? ?? zx ? zy ? z ? ? ? ? ?z ? ? ? ? ?

与其斜切的任意斜面上的应力分量 亦可求出。设该斜面法线为N,N的 方向余弦为:
l ? cos( N , x ) m ? cos( N , y ) n ? cos( N , z )
; ;

图4-15 斜切微分面上的应力

由静力平衡条件? Fx ? 0 、 Fy ? 0 、 Fz ? 0 可得: ? ?
S x ? ? x l ? ? yx m ? ? zx n ? ? S y ? ? xy l ? ? y m ? ? zy n ? ? S z ? ? xz l ? ? yz m ? ? z n ? 又有:S 2 ? S 2 ? S 2 ? S 2 x y z ? ? S xl ? S y m ? S z n
(4-1) (4-2)

? ? x l 2 ? ? y m 2 ? ? z n 2 ? 2(? xy lm ? ? yz mn ? ? zx nl )

? ? ?S2 ??

1 2 2

?

(4-3) (4-4)

假定图4-17中法线方向余弦为l、m、 n的斜切微分面ABC正好就是主平面, 面上的剪应力τ=0,则由式(4-4)可 得σ=S。于是主应力σ在三个坐标正 方向上的投影S x、S y、S z分别为:

Sx ? ? l ; S y ? ? m ; Sz ? ? n

将式(4-1)代入上列诸式,经整理后可得: (? x ? ? )l ? ? yx m ? ? zx n ? 0 ? ? ? ? xy l ? ?? y ? ? ? m ? ? zy n ? 0 ? (4-5) ? ? xz l ? ? yz m ? ?? z ? ? ? n ? 0 ? ?

l ? m ?(4-6)1 n ? 又有: 式(4-5)存在非零解的条件是方程组的系 数所组成的行列式等于零。展开行列式并 考虑应力张量的对称性,则得:
2 2 2

? ? J1? ?(4-7) ? J 3 ? 0 J 2?
3 2

式中:
J1 ? ? x ? ? y ? ? z ? ? ? 2 2 2 J 2 ? ?(? x? y ? ? y? z ? ? z? x ) ? ? xy ? ? yz ? ? zx ? 2 2 2 ? J 3 ? ? x? y? z ? 2? xy? yz? zx ? (? x? yz ? ? y? zx ? ? z? xy ) ? ?

(4-8)

(4-7)式称为应力状态特征方程。可以证明, 它存在三个实根,即主应力σ1、σ2、σ3。

将求得的主应力代入式(4-5)中任 意两个方程式,与式(4-6)联解,即 可求得该主应力的方向余弦。这样, 便可最终求得三个主方向。可以证明, 这三个主方向是彼此正交的。

(2)应力张量不变量 一个确定的应力状态,三个主应力是 唯一的。特征方程(4-7)的系数J1、 J2 、 J3是单值的,不随坐标而变。可见,尽 管应力张量各分量会随坐标转动而变化, 但式(4-8)组合的函数值是不变的。我 们把J1、 J2 、J3称为应力张量第一、第 二和第三不变量。判别两个应力张量是 否相同时,可以通过三个应力张量不变 量是否对应相等来确定。

问题:既然J1、 J2 、J3为应力张量不
变量,用主应力应如何表示呢?

(3)应用举例 设某点应力状态如图4-18a所 示,试求其主应力和主方向

图4-16 某点应力状态、主应力和主方向

解:图4-18a所示的应力张量为:

? 4 2 3? ? 2 6 1? ? ij ? ? ? ? 3 1 5? ? ? 将各应力分量代入式(4-8),得: J1 =15;J2 =-60; J3 =54 代入式(4-9)得: 3 ? 15? 2 ? 60? ? 54 ? 0 ? 分解因式 2 (? ? 9)(? ? 6? ? 6) ? 0 解得: ? ? 9 ? ? 3 ? 3 ? ? 3 ? 3
1

2

3

为求主方向,将应力分量代入式(4-5),并 与式(4-6)一起写成:
(4 ? ? )l ? 2m ? 3n ? 0 2l ? (6 ? ? )m ? n ? 0 3l ? m ? (5 ? ? )n ? 0 l 2 ? m2 ? n2 ? 1

将三个主应力值代入前三式任意两式,与第四 式联解,得到三个主方向的方向余弦为:
l1 ? m1 ? n1 ? 1/ 3 ? 0.57735 l2 ? 0.21132 m2 ? ?0.78867 n2 ? 0.57735 l3 ? 0.78867 m3 ? ?0.21132 n3 ? ?0.57735

人们常根据三个主应力的特点来 区分各种应力状态。当三个主应力中 有两个为零时,称为单向应力状态; 如只有一个主应力为零,则称为平面 应力状态;若三个主应力都不为零, 就叫三向应力状态;三个主应力中有 两个相等,称为轴对称应力状态。

4)主剪应力和最大剪应力 (1)主剪应力 定义:剪应力达到极值的平面称为主剪应 力平面,其面上作用的剪应力为主剪应力。 如图,一对相互垂直的主剪应力平面与 某一主平面垂直,而与另两个主平面成 45°角。
?2 ??3 ? 23 ? ? 2
? 3 ? ?1 ? 31 ? ? 2
?1 ? ? 2 ? 12 ? ? 2

图4-17 主剪应力平面

需要注意: 主平面上只有法向应力即主应力, 而无剪应力; 而主剪应力平面上既有剪应力又 有正应力。主剪应力平面上的正应 力为:
? 23
1 ? (? 2 ? ? 3 ) 2

1 1 ? 31 ? (? 3 ? ? 1 ) ? 12 ? 2 (? 1 ? ? 2 ) 2

(2)最大剪应力

定义:绝对值最大的主剪应力,即 受力质点所有方向的切面上剪应力 最大值称为最大剪应力。显然有: (4-9)
这里有: ? 1 〉

? max

?1 ? ? 3 ? 2
?3

? 〉2

问题:最大剪应力面上是否存在正应力?
若存在其值为何?这个正应力会为零吗?

5)应力偏张量与应力球张量 点的应力状态可以分解成以下两部分:

?? x ? xy ? xz ? ?(? x ? ? m ) ? xy ? xz ? ?? m 0 0 ? ? ? ? ? ? ? ? ij ? ?? yx ? y ? yz ? ? ? ? yx (? y ? ? m ) ? yz ? ? ? 0 ? m 0 ? ?? zx ? zy ? z ? ? ? zx ? zy (? z ? ? m ) ? ? 0 0 ? m ? ? ? ? ? ? ? (4-10)
式中:
1 1 ? m ? (? x ? ? y ? ? z ) ? (? 1 ? ? 2 ? ? 3 ) 3 3 称为平均应力,又称静水应力。

(4-10)式可简写为:

? ij ? ? ? ? ij? m
' ij

问题:什么是静水压力?静水压 力与平均应力或静水应力有何关 系?通常静水压力用什么符号来 表示?其正负号是如何规定的?

式(4-10)右边第二项称为球形应力 张量,简称应力球张量。当质点处于 球应力状态时,过该点的任意方向均 为主方向,且各方向的主应力相等, 而任何切面上的剪应力均为零。所以 应力球张量的作用与静水压力相同, 它只能引起物体的体积变化,而不能 使物体发生形状变化。

需要指出,应力球张量虽然不 能使物体发生形状变化和塑性变形, 但对物体的塑性变形能力(即塑性) 却有重大的影响。

式(4-10)右边第一项称为应力偏张 ' 量,记为 ? ij 。在应力偏张量中不再包 含各向等应力的成分,应力偏张量不 会引起物体体积变化。再者,应力偏 张量中的剪应力成分与整个应力张量 中的剪应力成分完全相同。因此,应 力偏张量完全包含了应力张量作用下 的形状变化因素,物体是否发生塑性 变形只与应力偏张量有关。

归结起来,物体在应力张量作 用下所发生的变形,包括体积变化 和形状变化;前者取决于应力球张 量,而后者取决于应力偏张量;体 积变化只能是弹性的,当应力偏张 量满足一定的数量关系时,则物体 发生塑性变形。

6)应力偏张量的不变量 既然是张量,就应具有张量的特征。因此, 应力偏张量与应力张量类似也具有三个不变 量,它们是: ? J ' ? (? x ? ? m ) ? (? y ? ? m ) ? (? z ? ? m ) ? 0
? J 2 ? ?(? ? ? ? ? ? ? ? ) ? ? xy ? ? yz ? ? zx ? ? ? 1 2 2 2 ? ? (? 1 ? ? 2 ) ? (? 2 ? ? 3 ) ? (? 3 ? ? 1 ) ? ? ? 6? ? ' ' ? J 3' ? ? 1'? 2? 3 ?
1

'

' x

' y

' y

' z

' z

' x

2

2

2

(4-10)

问题:应力球张量也存在三个不变量, 其形式如何?

7)主应力状态图

定义:用主应力的个数和符号来描 述一点应力状态的简图称为主应力 状态图,简称主应力图。 在两向和三向应力状态中,各向 主应力符号相同时,称为同号主应 力图;符号不同时,称为异号主应 力图。

图4-18 主应力状态图 第一排:单向应力状态;第二排:两向应力状态;第三排:三向应力状态

8)一点邻区的(静力)微分平衡方程

设物体内有一点Q,坐标为x,y, z。以Q为顶点切取边长为dx,dy,dz 的直角平行六面微体,其另一个顶点 Q’的坐标为x+dx, y+dy, z+dz。由于 物体是连续的,应力的变化也应是坐 标的连续函数。

设Q点的应力状态为? ij ,其x面上的正应力分 量为:

? x ? f ( x, y , z )

在Q’点的x面上,由于坐标变化了dx,其正应 力分量将为: ?? x ?f ? x ? f ( x ? dx, y , z ) ? f ( x, y , z ) ? dx ? ? x ? dx ?x ?x Q’点的其余8个应力分量可用同样方法推出, 参见图4-19。

图4-19 直角坐标系-点邻区的应力分量

微体静力平衡,由平衡条件 ? Fx ? 0 得:
?? yx ?? x ?? zx (? x ? dx)dydz ? (? yx ? dy )dzdx ? (? zx ? dz )dxdy ? ? x dydz ? ?x ?y ?z ? yx dzdx ? ? zx dxdy ? 0 ?? x ?? yx ?? zx 整理后得: ?x ? ?y ? ?z ? 0 同理有:

? ?? x ?? yx ?? zx ? ? ? 0? ?x ?y ?z ? ? ?? xy ?? y ?? zy ? ? ? ? 0? ?x ?y ?z ? ? ?? xz ?? yz ?? z ? ? ? 0? ?x ?y ?z ? ?

(4-11)

(4-11)式是求解塑性成形问题的基本方程。 该方程有6个未知数,是超静定的。为解方程, 还应寻找补充方程,或对方程作适当简化。 对于平面应力状态和平面应变状态,前者 后者 , 与z轴 ? z ? ? zx ? ? zy ? 0 ? zx ? ? zy ? 0 ? z 无关,(4-11)式可简化为:
? ?? x ?? yx ? ? 0? ?x ?y ? ? ?? xy ?? y ? ? 0? ? ?x ?y ?

(4-12)

4.3.2 点的应变状态分析 1)位移与应变

物体受力发生变形,内部质点将 产生位移。某质点位移矢量为u,在三 坐标轴上的投影用u、v、w表示,称为 位移分量。物体变形后保持连续,故 位移分量为坐标的连续函数,即: ; u ? u ( x、 y、 z) ; ? v ( x、 y、 z) w ? w( x、 y、 z) v

应变也有正应变(线应变)和剪应 变两种。正应变以线元长度相对变化 表示,剪应变以相互垂直线元间的角 度变化来定义。边长为dx、dy的微面 素ABCD在坐标平面发生很小正变形, 线元AB伸长du,线元AD缩短dv,则 其正应变分别为:
du ?x ? dx
dv ?y ? ? dy

图4-20 微面素在xy坐标平面内的纯变形

面素发生转动,线元AB与AD 的夹角缩小了γ,此即为剪应变。 ? xy ? ? yx 显然γ= 。一般 ,将面 ? xy ? ? yx 素加一刚性转动,使 , 则 1 1 1 ? ? ? ? ? 2 2 2 剪应变大小不变,纯变形效果仍 然相同, 和 分别表示x和y方 1 1 ? ? 2 2 向线元各向y和x方向偏转的角度。
xy yx
xy yx

应变的正负号规定:

正应变以拉为正,压为负;剪应 变以角度减小为正,增大为负。

2)直角坐标系中一点的应变状态

微元体的应变共有九个分量:三 个正应变,六个剪应变。微体的应变 状态,也可用张量的形式表示为:
? ? ?x ? ?1 ? ? ij ? ? 2 yx ?1 ? ? zx ?2 ? 1 ? xy 2

?y
1 ? zy 2

1 ? ? ? xz ? ?? x 2 ? ? 1 ? ? ? yz ? ? 2 ? ? ? ?? ?z ? ? ? ? ? ?

1 ? xy 2

?y
?

1 ? ? xz ? 2 ? 1 ? ? yz 2 ? ?z ? ? ? ?

3)小变形几何方程

为分析质点应变,过无限接近的 两点A和G作一微体。变形后,A点移 至A’点,G点移至G’点,A点的位移矢 量在各坐标轴上的分量为u、v、w ,而 G点位移分量为u+du、v+dv、w+dw。 A’点与G’点的坐标如图4-21所示。

图4-21

微体的变形

为便于分析,将变形前后微体投 影于各坐标轴平面。图4-22示出其 在XOY面上的投影ABCD的变形情 形。由图可见,原长dx的AB边, 在x方向的正应变为:

?u ( dx ? u ? dx ? u ) ? dx ' '' A B ? AB ?u ?x ?x ? ? ? AB dx ?x

图4-22 微体在XOY面上的投影

AB边在XOY面内的转角,考虑到与1 相比为微小量可忽略,故有:
?v ?v dx ' '' BB ?x ?x ? ?v ? xy ? tan ? xy ? ' '' ? ? A B dx ? u ? ?u dx ? u 1 ? ?u ?x ?x ?x

同理:

?u ? yx ? ?y

研究微体另外两个坐标平面内的 应变几何关系,可有:
?u 1 1 1 ?u ?v ? ? x ? ; ? xy ? ? yx ? ( ? ) ? ?x 2 2 2 ?y ?x ? ?v 1 1 1 ?w ?v ? ? y ? ; ? yz ? ? zy ? ( ? ) ? (4-13) ?y 2 2 2 ?y ?z ? ?w 1 1 1 ?u ?w ? ?z ? ; ? zx ? ? xz ? ( ? ) ? ?z 2 2 2 ?z ?x ?

式(4-13)称为小变形几何方程,是 求解塑性成形问题的重要基本方程。

4)塑性变形时的体积不变条件

单元体初始边长为dx、dy、dz,体 积为V0=dxdydz。小变形时,认为单元 体边长和体积变化完全由正应变引起。 因此变形后单元体的体积为:
V1 ? (1 ? ? x ) dx(1 ? ? y ) dy (1 ? ? z ) dz ? (1 ? ? x ? ? y ? ? z ) dxdydz

单元体积变化率为:
V1 ? V0 ?? ? ?x ??y ??z V0

塑性变形时,虽然体积也有微量 变化,但与塑性变形相比很小,忽略 不计。一般认为塑性变形时体积不变, 故有体积不变条件:

?x ??y ??z ? 0

5)应变张量的一些主要结论

应变张量和应力张量十分相似,应 力理论中某些结论和公式,也可类推 ? ? 于应变理论,只要把 ? 换成 , 换成 即可。 1 ?
2

(1)微体应变状态存在三个相互垂 直的主方向和主轴,在主方向上线 元没有角度偏转,只有正应变,称 ? ?3 为主应变,一般以 ?、 、2 表示,它 1 们是唯一的。对于小变形而言,可 认为应变主轴和应力主轴对应重合, ?2 1 且如果主应力中 > > ?则主应 ? 3 ? 变的次序亦为: > >1 ?。 ? 3 2

(2)与应力张量相似,在同一应 变状态,也存在着应变张量第一、 第二、第三不变量,它们分别为:
I1 ? ? x ? ? y ? ? z ? ?1 ? ? 2 ? ? 3 1 2 2 2 I 2 ? ?(? x? y ? ? y? z ? ? z? x ) ? (? xy ? ? yz ? ? zx ) ? ?(?1? 2 ? ? 2? 3 ? ? 3? 1 ) 4 1 1 2 2 2 I 3 ? ? x? y? z ? ? xy? yz ? zx ? (? x? yz ? ? y? zx ? ? z ? xy ) ? ?1? 2? 3 4 4

(3)与主剪应力相似,主剪应变发 生在通过一个应变主轴而与其它两 个主轴成±45°的一对平面内。主 剪应变与主应变之间的关系,可以 仿照主剪应力与主应力的关系写出。 三个主剪应变中的最大者,称为最 ?1 ? 2 ? 3 大剪应变,若 > > ,则有:
1 1 ? max ? (? 1 ? ? 3 ) 2 2

(4)和应力张量一样,应变张量也 可以分解为应变偏张量和应变球张 量,即:
1 ? ?? x 2 ? xy ? ? ij ? ? ? ? y ? ?? ? ? ? ? 1 ? ? 1 1 ? ? xz ? ?(? x ? ? m ) ? xy ? xz ? 2 2 2 ? ? ? ?? m 0 0 ? 1 ? ? 1 ? yz ? ? (? y ? ? m ) ? yz ? ? ? ? ? m 0 ? ? ? ? 2 ? ? 2 ? ? ? ?m ? ? ?z ? ? ? ? (? z ? ? m ) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

式中: ? m ? 1 (? x ? ? y ? ? z )
3

由于塑性变形时体积不变,故有:
1 1 ? ? ? xy ? xz ? ?(? x ? ? m ) 2 2 ? ? 1 ' ? ? ij ? ? (? y ? ? m ) ? yz ? ? ? ij ? ? 2 ? ? ? (? z ? ? m ) ? ? ? ? ? ? ?

6)主应变状态图

定义:用主应变的个数和符号来 描述一点应变状态的简图称为主 应变状态图,简称主应变图。

图4-23 主应变状态图 第一排:平面应变状态;第二排:三向应变状态;

4.4 屈服准则 基本概念

单向拉伸试验可得到应力-应变关 系曲线。当 = 1 时,试样进入塑 ? ?s 性变形。 定义:质点进入塑性状态时,各应 力分量之间满足的关系称为屈服准 则,也称塑性条件或塑性方程。其 一般表达式为: f ?? ij ? ? C

图4-24 条件应力-应变曲线

1)屈雷斯加(Tresca)屈服准则

材料(质点)中的最大剪应力达 到某一临界值时,材料发生屈服,该 临界值取决于材料在变形条件下的性 质,而与应力状态无关。屈雷斯加屈 服准则又称为最大剪应力准则,其表 达式为:

? max ? C

? max

1 ? (? 1 ? ? 3 ) ? C 2

式中C通过试验求得。由于C值与应 力状态无关,常用简单拉伸试验确 ?1 ? ? s 定。当试样屈服时, 、 ?2 ? ?3 ? 0 。于是, C代入上式得 ??s / 2 屈雷斯加屈服准则的数学表达式为:

?1 ? ? 3 ? ? s

(4-14)

屈雷斯加屈服准则存在的问题: ? 1.? 大小顺序不知,无法 (1)若 2 .? 3

使用。故有时也将其写为:
?1 ? ? 2 ? ? s ?
? ?2 ??3 ? ? s ? ? ? 3 ? ?1 ? ? s ?

(2)未考虑中间主应力的影响。

2)密塞斯(mises)屈服准则

当受力物体内质点应力偏张量 ' 的第2不变量 J 达到某一临界值时, 2 材料发生屈服,该临界值取决于材 料在变形条件下的性质,而与应力 状态无关。即:
1 2 2 2 [(? x ? ? y ) 2 ? (? y ? ? z ) 2 ? (? z ? ? x ) 2 ? 6(? xy ? ? yz ? ? zx )] ? C1 6

1 [(? 1 ? ? 2 ) 2 ? (? 2 ? ? 3 ) 2 ? (? 3 ? ? 1 ) 2 ] ? C1 6

式中C1通过试验求得。由于C1值与应 力状态无关,常用简单拉伸试验确 ?2 ? ?3 ? 0 定。当试样屈服时, 、 ?1 ? ? s 代入上式得 。于是, C ?? /3 密塞斯屈服准则的数学表达式为:
1 2 s

2 2 2 (? x ? ? y ) 2 ? (? y ? ? z ) 2 ? (? z ? ? x ) 2 ? 6(? xy ? ? yz ? ? zx ) ? 2? s2 ? ? ? 2 2 2 2 (? 1 ? ? 2 ) ? (? 2 ? ? 3 ) ? (? 3 ? ? 1 ) ? 2? s ? ?

(4-15)

密塞斯屈服准则的物理意义:

将上式两边各乘以

1? ? 6E ,于是得:

1? ? 1? ? 2 2 2 2 [(? 1 ? ? 2 ) ? (? 2 ? ? 3 ) ? (? 3 ? ? 1 ) ] ? ?s 6E 3E

左边项为材料单位体积弹性形状 变化能,右边项为单向拉伸屈服时, 单位体积的形状变化能。 密塞斯屈服准则可以表述为: 材料质点屈服的条件是当其单位 体积的弹性形状变化能达到某一临界 值;该临界值只取决于材料在变形条 件下的性质,而与应力状态无关。 称为弹性形状变化能准则。

3)屈雷斯加和密塞斯屈服准则的比较
为评价中间主应力影响,引入罗代应力参数:

?? ?

?2 ?

?1 ? ? 3
2

?1 ? ? 3

2 代入密塞斯屈服准则表达式,经整理后得:
?1 ? ? 3 ?
2
2 3 ? ??

? s ? ?? s

(4-16)

当 时, 、 ;当 ? ?1 ? 2 ? (? 1 ? ? 3 ) / 2 ?? ? ?1 时, 、 ;当 时, 、 。 ?2 ?1 ?? ? 0 ? ? 2/ 3 由 变化至 时,相应值的变化范围 ?3 为 1~ 。现以 为纵坐标, ? 2/ 3 为横坐标,得 随 变化的几何图形, ?? ? ?? 如图所示。

? 2 ? ?1

?? ? 1

? ?1

?2 ? ?3

图4-25

? 与 ?? 的关系

屈雷斯加屈服准则, 在 和 ? 3 ?1 之间如何变化, ? ? 1 。在图4-27 中为 一水平线。 可见,在轴对称应力状态时,两 个屈服准则是一致的;平面应变状 态时,两个准则的差别最大,达15.5 %;在其余应力状态下,两个准则 的差别小于15.5%,视中间应力 ?2 的相对大小而定。

?2

4.5 应力状态对塑性和变形抗力的影响

塑性指金属在外力作用下发生永 久变形而不破坏其完整性的能力;塑 性高,金属具有的塑性成形适应能力 强,可产生的塑性变形大。对金属施 加的外力称为变形力;金属抵抗变形 的力称为变形抗力,它反映金属变形 的难易程度。

1)应力状态对材料塑性的影响

应力状态对塑性的影响,实际 上是通过静水压力σ0起作用的。压 应力个数越多、数值越大,则静水 压力就越大,材料的塑性越好;反 之,拉应力个数越多、数值越大, 静水压力小,材料的塑性也越差。 原因如下:

(1)拉应力会促使晶间变形, 加速晶界破坏,压应力阻止或减 少晶间变形;三向等压作用的增 强,晶间变形愈加困难。 (2)三向等压作用有利于塑性 变形过程中形成的各种损伤的愈 合;而拉应力则相反,会促使损 伤的发展。

(3)三向等压作用能抑制材料中 原先存在的各种缺陷的发展,部 分或全部地消除其危害。 (4)三向等压作用可抵消不均 匀变形所引起的附加拉应力,从 而有利于防止裂纹的产生。

2)应力状态对变形抗力的影响

塑性成形时材料的变形抗力与应 力状态有着密切的关系。可用屈服 准则来解释。设有两个同材质的单 元体,其应力状态分别为三向压缩 和两压一拉(见图4-26),

图4-26 三向同号和异号应力状态下的屈服准则

根据屈服准则可知,为了使该 单元体发生塑性变形,对于三向压 力状态时应满足:

?1 ? ? 3 ? ? s
即:

?1 ? ? s ? ? 3

对于而两压一拉应力状态时应满足: ?1 ? ? 3 ? ? s 即: ? ?? ? ?
1 s 3

?的绝对值(即 显然,第一种情况下 1 变形抗力)要比第二种情况下的大。

还可以这样理解:为了使滑移发 生,滑移面上的剪应力应达到临界值。 在同号主应力状态下,各主应力在滑 移面上所引起的剪应力分量总要相互 抵消一部分;在异号主应力状态下却 是相互叠加的。因此,对于第一种情 况,需要施加更大的外力(即增 大 ? 1),方能使该面上剪应力达到临 界值而发生滑移。

4.6 真实应力—应变曲线
条件应力—应变曲线

在是室温、静力拉伸条件下,在 万能材料实验机上用标准式样求得 退火低碳钢的条件应力—应变曲线 如图4-27所示。其中:
F ?? A0

l ? l0 ,? ? ? 100% l0

图4-27 条件应力-应变曲线

事实上,此曲线并不代表材料 的真实应力-应变曲线,原因是: (1)A0—试样原始面积; (2)试样产生缩颈后会产生形状硬 化,处于三向不均匀拉应力状态; (3)线应变不科学,不能代表真实 应变。

图 4-28

缩颈处断面上的应力分布

1)用拉伸试验绘制真实应力-应变曲线

定义:材料在单向应力状态下,单 位面积上的变形力称为真实应力或 流动应力。 F
S? A

在未产生缩颈均匀拉伸阶段,有:
A0l0 ? Al
A0l0 A? l

真实应力:
F F ?l S? ? ? ? (1 ? ? ) A A0 ?l0

真实应变:
dl l ?? ? ? ln ? ln(1 ? ? ) l l0 l0
l

在产生缩颈后, S? 真实应力:

F d A(1 ? ) 8?

真实应变:

A0 ?? ln A细

2)实应力-应变曲线的近似数学表达式

为计算方便,需将试验所得的真实 应力-应变曲线,用一数学表达式来 近似描述。研究表明,很多金属材料 的真实应力-应变曲线可以简化成幂 强化模型,用幂次式表示为:

S ? B?

n

上述函数所代表的几何图形,随着B、 n的不同而变化,不同材料的试验曲线 各不一样。为使理论曲线能较好地拟 合实际曲线,必须合理确定B和n值。 根据理论曲线必须通过实际曲线失稳 对应点,使两条曲线在失稳对应点处 的斜率相等的条件,可以导出:

Sb B ? ?b ;n= ?b ?b

3)变形温度和应变速率的影响 (1)变形温度的影响

变形温度升高,真实应力S和加工硬化速 率降低;发生再结晶时,真实应力-应变 曲线趋于一水平线(见图),原因是:温 度升高,原子动能增加,原子间结合力减 弱,临界剪应力降低;发生回复或再结晶, 部分或全部消除加工硬化;晶界滑移易于 发生,减小晶界对晶内变形的阻碍作用; 扩散性蠕变作用加强。

图4-29 不同温度下应变速率对真实应力-应变曲线的影响 a)冷变形 b)温变形 c)热变形

(2)应变速率的影响

应变速率增加,真实应力亦增 加,但增加的程度与变形温度有关, 冷变形时增加的程度小,热变形时 增加的程度大。

原因是: ★应变速率增加,位错运动速度加 快,使临界剪应力增加; ★变形是在较高温度下进行,由于 没有足够时间进行回复或再结晶, 影响金属的软化效果,扩散性蠕变 作用也不能充分发挥;

★随着应变速率的增加,温度效应亦 增加,它导致真实应力的降低; ★冷变形时的温度效应大,由此引起 的真实应力的降低必然比热变形时的 降低显著。

两方面因素相互抵消的结果, 造成随着应变速率增加,真实应力 亦增加,冷变形增加程度比热变形 时小。

材料成形技术基础

第五章

凝固成形工艺

? 主要内容:
凝固成形概述
凝固成形用金属材料 液态金属的获得 凝固成形方法 凝固成形件的结构设计 计算机在凝固成形中的应用

第一节 凝固成形概述
凝固成形--俗称铸造,将金属熔化成 液态后浇注入与拟成形的零件形状及尺寸 相适应的模型空腔中,带液态金属冷却凝

固后将铸型打开(或破坏)取出所形成的
铸件毛坯。

具有极高的随意性和综合经济性,在
机械产品中所占比例极大。

第二节 凝固成形用金属材料

凝固成形金属材料称为铸造合金:
铸铁

铸钢
铸造有色合金

铸铁(c%>2.11%):

2-1铸铁分类

1.按碳的存在形式分:
白口铸铁:碳以Fe3C形式存在,断口银白
色,有大量共晶Ld;

灰口铸铁:碳多以石墨形式存在,断口灰色,
应用最广,分四类(石墨形态不同): 普通灰铸
铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁;

麻口铸铁:碳部分为石墨,部分为Fe3C,
断口黑白相间的麻点。

2.按化学成分分:普通铸铁、合金铸铁

2-2 灰口铸铁

一. 普通灰铸铁
组织:金属基体(F或P)+片状石墨

性能:抗拉强度、弹性模量低于钢,塑性几为零,
脆性材料;不可锻和冲压、焊接成形性能差,优

良的铸造及机加工性能; 减震性是钢的10倍左右;
的减磨性能; 缺口敏感性远低于钢; 牌号:HT-××× ,三位数字为最低抗拉强度。

二.球墨铸铁 (球铁)
组织:金属基体+球状石墨 性能:力学性能优于普通灰铸铁,可承受 不大的冲击载荷,良好的铸 造性、减磨性和缺口敏感性。 牌号:QT×××-××; 例如: QT400-18 ,最低抗拉强 度为400MPa,最低伸长率18%。

三.蠕墨铸铁
组织:石墨为短片状,类似蠕虫。 性能:力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁 之间, 导热性、抗高温生长及抗氧 化性比其它铸铁好。 牌号:RuT×××,三位数字表示最低 抗拉强度。

四.可锻铸铁
组织:石墨呈团絮状 性能:强度和韧性较灰铸铁高,伸长率最高可 达12% 牌号:KTH×××-××:黑心可锻铸铁 KTZ ×××-××:珠光体可锻铸铁 KTB ×××-××:白心可锻铸铁(三 种铸铁退火方法不同) 前三位数字为最低抗拉强度(MPa);后 二位数字为最低伸长率(%)

2-3 铸钢及有色合金 一.铸钢
按化学成分分:铸造碳钢、铸造合金钢

性能:综合力学性能好于各类铸铁,强度高、 优良的塑性和韧性;
良好的焊接性能,铸造性能差于铸铁, 必须进行热处理。 牌号:ZG×××-×××;前组数字为屈服强 度,后组为抗拉强度

二.有色合金
常用的有铝合金、铜合金、镁合金、锌合金
1.铝合金:密度小,强度高,浇注温度低、熔化 潜热大、流动性好 牌号:ZL××× 2.铜合金:良好耐磨性及好的导热性、导电性、 耐蚀性好

第三节 液态金属的获得

合格、高质量液态金属的三要求: 具有所需要的温度

杂质含量低
具有所要求的化学成分

一. 铸铁合金的熔炼
常用设备有:冲天炉、反射炉、电弧炉、工频 炉等 冲天炉熔炼:通过焦炭的燃烧放热使固体金属 炉料熔化并过热后成为液态金属

二. 铸钢合金的熔炼
常用平炉、电弧炉、感应电炉熔炼

三. 有色合金的熔炼
对设备要求: -有利于金属炉料的快速熔化和升温, 熔炼时间短,合金纯净; -电能消耗率低,热效率高,减少污 染; -操作简单,炉温便于调节控制。 常用“坩埚”加热、及感应电炉。

第四节 凝固成形方法 将液态金属充填道与形状和尺寸相适应 的铸型空腔中,待其冷却凝固,以获得所 需形状的零件毛坯

常用方法:
砂型铸造 金属铸造 压力铸造 低压铸造 离心铸造 熔模铸造

4-1 砂型铸造

一种最基本的铸造方法,其工艺过程有 制造模型和芯合、混砂、造型和造芯、烘干 合箱、熔化几个步骤。
一、工艺设计:

确定铸造工艺方案: 首要考虑:浇注位置的选择、铸型分 型面的的选择 还应注意:机械加工余量、拔模斜度、 铸件收缩率、冒口位置及尺寸等等 绘制铸造工艺图:(例如图)

砂型铸造工艺流程

二. 造型和制芯准备

型砂和芯砂由原砂、粘结剂、水及其它附 加物混制 分为:粘土砂、水玻璃砂、树脂砂

二氧化碳硬化法硬化水玻璃

三. 砂型铸造的特点

1. 适用面最广,几乎使用所有零部件 2. 分为手工铸造、和机器铸造,后者精 度高、质量好、可批量生产 3.铸件组织晶粒粗大,易成分偏析 4.表面粗糙度较高

4-2 金属型铸造

将金属液浇注到金属铸型中,待其冷 却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于 金属型能反复使用很多次,又叫永久型铸 造。

特点:

1.一型多铸,提高生产率,易于实现自 动化 2.铸件尺寸精度高,表面光洁 3.改善劳动条件,节省造型材料 4.成本高、周期长、且不适宜于复杂铸 件和薄铸件 主要用于:铝、铜、镁等有色金属铸件

4-3

压力铸造

压力铸造是在专用设备—压铸机上进行 的一种铸造。即在高速、高压下将熔融的 金属液压入金属铸型,使它在压力下凝固 获得铸件的方法。

压铸工艺过程

4-4

低压铸造

低压铸造是采用较压力铸造低的压力 (一般为0.03~0.07Mpa),将金属液从 铸型的底部压入,并在压力下凝固获得铸 件的方法

不带保温炉

带保温炉

1-坩埚;2-升液管;3-金属液;4-进气管;5-密封盖; 6-浇道;7-型腔;8-铸型

4-5

熔模铸造

熔模铸造又名“失蜡法铸造”,是采 用易熔的蜡质材料制成模型,然后用造型 材料将其包覆若干层,待其干燥硬化后将 蜡模熔化获得无分型面的壳型,经烘干后 浇注金属液而获得铸件的铸造方法。

蜡模铸造工艺流程: 蜡模制造 结壳 脱模

焙烧

浇注

脱蜡和造型

4-6

离心铸造

离心铸造是将金属液浇入高速旋转 (250~1500r/min)的铸型中,并在离心 力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型 可以是金属型,也可以是砂型。既适合制 造中空铸件,也能用来生产成形铸件。

4-7

几种常用凝固成形方法评价

第五节 凝固成形件的结构设计
一.铸件工艺对铸件结构的要求

1.铸件外形应便于取出;

(1)避免外部侧凹;
(2)分型面尽量平直;

(3)改进凸台、筋条结构.
2.铸件内腔结构应使型芯数量少,并有利于型芯 的固定、排气; 3.铸件应有结构斜度

a)封闭式型芯设计, 需两个型芯

b)封闭式型芯设计, 需两个型芯

c)开放式型芯设计,

不同设计结构的轴承座

二.合金的铸造性能对铸件结构的要求

1.合理设计铸件壁厚

2.铸件壁厚应尽可能均匀
3.铸件的转角应采用圆角连接

4.设防裂筋

5.注意缓解收缩应力

第五节 计算机在凝固成形中的应用
一.计算机辅助设计

零件设计、模样制造、铸型设计 结构参数设计→CAD制铸件图→转换为铸件模 型→生成铸造工艺图→CAM技术、数控机床
二.计算机数值模拟

1.金属充型过程的数值模拟 2.凝固过程数值模拟 3.应力场数值模拟 4.微观组织模拟

材料成形技术基础

第6章

塑性成形技术

塑性成形技术可分为板料成 形和体积成形两大类。板料成形 是对金属板料在室温下加压以获 得所需形状和尺寸零件的成形方 法,习惯上称为冲压或冷冲压。 体积成形是指对金属块料、棒料 或厚板在高温或室温下进行成形 加工的方法,塑性成形方法分类 见表6-1。

表6-1

分类
分 板 离

成形 方法 落料

基本塑性形成方法分类 简 图 特点及应用范围 用模具沿封闭轮廓线 冲切,冲下部分是零 件。用于制造各种平 板零件或者成形工序 制坯 用模具沿封闭轮廓线 冲切,冲下部分是废 料。用于冲制各类零 件的孔形 把板料沿直线弯曲成 各种形状,板料外层 受拉伸力,内层受压 缩力。可加工形状复 杂的零件

料 工
序 成

冲孔

成 弯曲 形 工 形 序



拉深

法兰区坯料载切向压应 力、径向拉应力作用下 向直壁流动,制成筒形 或带法兰的筒形零件
平板毛坯或者管坯载 双向拉应力作用下产生 双向伸长变形。用于成 形凸包、凸筋或鼓凸空 心零件 在预先冲孔的板料或 未经冲孔的板料是上, 载双向拉应力作用下产 生切向伸长变形,冲制 带有直边的空心零件

形 胀形

工 翻边



分类

成形方法





特点及应用范围
用通用工具或模具对金属加压, 通过金属体积转移和分配来获得 零件或毛坯的成形方法。自由锻 主要用于单件、小批量或大锻件 生产;模锻适用于大批量生产

锻造


轧制


通过一对旋转坯料局部加压连续 成形的加工方法。可以生产型材, 板材和管材,也可利用其原理来 生产零件或毛坯
通过模具使坯料在强烈压应力作 用下从模孔中挤出以获得所需尺 寸、形状和性能的制件。可生产 各种型材或直接加工零件

挤压




拉拔

使金属通过凹模进行拉伸,得到 其截面与凹模孔截面相同的棒料、 管材或线材

材料成形技术基础

§6.1 板料成形方法及其模具

6.1.1 冲裁 1)冲裁加工特点 (1)冲裁过程

如图所示,冲裁包括弹性变形、塑 性变形和断裂分离三个阶段。

(2)主要变形区

如图所示,冲裁加工时,板料的 主要变形区是以凸模与凹模刃口连 线为中心的纺锤形区域。变形区的 大小与材料特性、模具间隙和约束 条件等因素有关。

a ) v场

b) u场

图6-3

变形区云纹图

(3)变形区应力状态

图6-4显示了无压料冲变形区的应 力状态,由于刃口侧面的轴向应力 为拉应力,故裂纹往往先从侧面产 生,形成毛刺。

图6-4

变形区应力状态

(4)冲裁力-行程曲线

图6-5显示冲裁力-行程曲线。可见, 塑性材料在最大剪切力之后产生裂纹, 低塑性材料在剪切力上升阶段就产生了 裂纹。在合理间隙( )条件下, 裂纹产生到断裂,冲裁力急剧下降。小 c 合理 间隙时,会产生二次剪切,使冲裁力下 降缓慢,严重时会在力的下降阶段产生 局部回升。

(5)冲裁件断面特征

冲裁件断面由圆角带、光亮带、断 裂带和毛刺四部分组成。圆角带是刃 口附近板料弯曲和伸长变形的结果, 是变形区对这部分坯料作用而产生的。 光亮带是在侧压力作用下板料相对滑 移的结果。由于裂纹的产生一般在刃 口侧面,故在普通冲裁加工中总有毛 刺产生。

图6-6 冲裁件断面特征

2)主要工艺参数

冲裁加工时,变形区集中在凸模与 凹模刃口连线为中心的狭窄区域。凸 模与凹模间隙的微小变化对变形区大 小及变形区内材料所受应力状态都有 很大影响。因此,凸、凹模间隙c 是 冲裁工艺计算及模具设计中的主要工 艺参数。一般,合理间隙值为材料厚 度的5%~10%。

6.1.2 弯曲 1)弯曲变形特点 (1)弯曲变形过程

图6-7显示了V形件弯曲变形过程。 包括弹性弯曲,弹-塑性弯曲、塑性 弯曲和校正弯曲四个阶段。

图6-8 弯曲变形区
图6-7 弯曲变形过程

图6-9

弯曲变形区及应力状态变化

(2)主要变形区

如图所示。板料主要变形区是曲率 发生变化的圆角部分。此处,原正方 形网格变成了扇形。在圆角区,板料 内层受压缩短,外层受拉伸长。由内、 外层表面至板料中心,各层的缩短和 伸长程度不同,变形是极不均匀的。 在缩短和伸长层之间存在一长度不变 的应变中性层。

(3)变形区应力、应变状态

应力、应变状态与板料相对宽度有 关。 b / t ? 3 时,称为窄板,弯曲时,宽 度方向上材料可自由变形,沿宽度方 向的应力近似为零,变形区处于平面 应力和立体应变状态; b / t 板料称为 ?3 宽板,弯曲时,宽度方向变形阻力较 大,弯曲后板宽基本不变。故沿宽度 方向应变近似为零,变形区处于平面 应变和立体应力状态。

图6-10

变形区应力、应变状态

(4)弯曲力—行程曲线

图6-11显示了弯曲时的力—行程曲线。 从曲线中可以看出,板料首先发生弹 性弯曲,之后进入弹塑性和塑性弯曲。 在此阶段,变形程度增大,硬化加剧, 但与此同时变形区范围减小,故弯曲 力基本不变或略有减小。当凸、凹模 与板料贴合并进行校正弯曲时,弯曲 力将急剧增大。

图6-11

弯曲力-行程曲线

(5)弯曲件尺寸与厚度变化特征

以中性层为界,外层受拉伸长 而厚度减薄,内层受压缩短使板料 增厚。在r/t≤4时,中性层位臵内移。 结果使外层拉伸变薄区扩大,内层 压缩增厚区减小,外层的减薄量大 干内层的增厚量,从而使板料变薄, 总长度有所增加。

2)主要工艺参数

弯曲加工中,相对弯曲半径r/t反 映弯曲变形程度,当r/t≤(r/t)min时, 弯曲件会开裂;r/t大时,回弹严重, 制件形状与尺寸难控制。生产中, r/t是弯曲工艺计算和模具设计最主 要工艺参数。(r/t)min表示弯曲加工 极限。

6.1.3 拉深 1)拉深变形特点 (1)拉深变形过程

如图6-12所示,凸模与毛坯接触时, 毛坯首先弯曲,与凸模圆角接触处的 材料发生胀形。凸模继续下降,法兰 部分坯料在切向压应力、径向拉应力 作用下通过凹模圆角向直壁流动,进 行拉深变形。拉深是弯曲、胀形、拉 深的变形过程。

图6-12 拉深变形过程

(2)主要变形区

如图6-13所示,拉深成形件可分为 底部、壁部和法兰三个部分。在拉深 过程中,底部为承力区,很少发生变 形。壁部为传力区,也是已变形区。 法兰部分是拉深的主要变形区。

图6-13

拉深件的区域划分

(3)变形区应力、应变状态

如图6-13所示,在拉深过程中,主 要变形区坯料所受应力、应变状态 为:切向应力和应变均为负;径向 应力和应变均为正;在有压边存在 时,厚向应力为负,应变为正。

(4)拉深力-行程曲线

由图6-14可见,变形初到中期, 硬化使拉深力增大的速度超过法兰面 积减小使拉深力降低的速度,拉深力 增加。二者对于拉深力增、减速度影 响处于均衡的瞬时,力达到最大值。 此后,面积减小使拉深力降低的速度 超过加工硬化使拉深力增大的速度, 拉深力下降。

图6-14

拉深力-行程曲线

(5)拉深变形规律

图6-15显示了毛坯几何尺寸和板 料成形工序类型的关系。由图可见, 若毛坯底部带有底孔时,坯料在外力 作用下可能产生拉深、胀形和内孔翻 边三种形式的变形。坯料进行哪种形 式的变形由金属的变形规律所决定, 即金属的变形对应于最低的载荷值。

图6-15

拉深变形规律

2)主要工艺参数

拉深系数m=d/D或它的倒数拉 深比R=D/d反映了拉深变形程度。 m ? m min 当 或 时,制件会开 R ? R max 裂。在生产中,m或R是进行工艺计 算和模具设计的最主要工艺参数。 mmin或Rmax表示拉深的加工极限。一 般而言,圆筒形件的首次极限拉深 系数mmin为0.5左右。

6.1.4 胀形 1)胀形变形特点 (1)胀形变形过程

如图6-16,凸模与毛坯接触,凹模 圆角处坯料发生弯曲。同时,凸模底 部毛坯产生胀形变形。坯料屈服后硬 化,变形向外扩展。随后,材料全部 进入塑性变形。胀形变形是弯曲、局 部胀形以及由于加工硬化,贴模面积 增加,胀形向外扩展的过程。

图6-16

胀形变形过程

(2)主要变形区

如图6-16所示,在胀形变形过程 中,毛坯被带有凸筋的压边圈压紧, 变形区被限制在凸筋以内的局部区域 内。与拉深不同,胀形时,变形区是 在不断扩大的。

(3)变形区应力、应变状态

如图6-17所示,在变形区内,坯料 在双向拉应力作用下,沿切向和径 向产生伸长变形,厚度变薄,表面 积增大。生产中的起伏成形、压凸 包、压筋、圆柱形空心毛坯的鼓肚 成形、波纹管及平板毛坯的张拉成 形等都属于胀形成形。

图6-17 胀形变形区应力、应变状态

(4)胀形力-行程曲线

与拉深不同,胀形时变形区是在 不断扩大的。因此,胀形变形的力 -行程曲线是单调增曲线,产生破 裂时,胀形力达到最大值。胀形破 裂也属于强度破裂。

(5)胀形变形规律

如图6-15所示,在无凸筋强制压 边的条件下,坯料也会产生胀形变 形。此时,胀形变形的性质和胀形 在整个工序中所占的比例与毛坯尺 寸有关。当毛坯的外径足够大、内 径较小时,拉深与内孔翻边变形阻 力大于胀形变形阻力,变形的性质 由胀形来决定。

图6-15

拉深变形规律

如图6-18所示,当相对法兰直 径比 时,法兰处进行拉 d / d ? 2 .5 深变形的阻力大于底部胀形变形 所需的力,工序性质属于胀形。 与拉深加工相同,除了毛坯几何 尺寸外,压边力大小、润滑和摩 擦条件、模具的形状与几何尺寸 等因素也会在不同程度上影响到 工序的变形性质。
f

2)主要工艺参数

胀形工序种类繁多,表示胀形变形 程度的参数也不相同。 在生产中,常用 工程应变: ?=(l ? l0 ) ? 100%/l0 (压筋:l0—原始长度,l—变形后弧长)、 胀形深度:h(压凸包) 胀形系数:K=dmax/d(圆柱空心件胀形, dmax—胀形后最大直径,d—圆筒毛坯直径)等 参数来表示胀形变形程度。

制件出现 裂纹或缩颈时的 最大参数 ? max、 hmax、和Kmax作为 胀形变形的加工 极限。

6.1.5 翻边 1)翻边变形特点 (1)翻边变形过程

如图6-19a,带圆孔的环形毛坯被压 边圈压紧,当滑块下行时,板料产生 弯曲的同时,底孔不断扩大,凸模下 材料向侧面转移,直到完全贴靠凹模 形成直立竖边。翻边变形过程实质是 弯曲、扩孔和翻边的变形的过程。

图6-19

翻边变形过程与变形区应力、应变状态

(2)主要变形区

如图6-19a所示,内孔翻边时, 主要变形区被限制在凹模圆角以内 的(d—d0)环形区域内。与拉深成形 相同,在内孔翻边过程中,变形区 在不断缩小。

(3)变形区应力、应变状态

由图6-19b,变形区应力状态为双 向拉应力状态。孔边缘处,板料径 向可自由变形,故 为零而 r 达最 ? 大值。与胀形变形不同,内孔翻边 ?? 成形时,在双向拉应力作用下,板 料沿圆周方向伸长,板厚减薄,但 因厚度减薄量小于圆周方向的伸长 量,故径向收缩。

(4)内孔翻边力-行程曲线

在翻边变形过程中,由于变形区 的减少和加工硬化对扩孔、翻边力 的相反效果,力-行程曲线与拉深 时类似,也会出现由上升到下降的 起伏形状。

图6-20

翻边力-行程曲线

(5)翻边变形规律

如图6-15所示,当毛坯外径足够 大,预制孔径也较大时,拉深变形 和胀形变形阻力大于扩孔变形阻力, 变形的性质由扩孔和翻边来决定。 摩擦与润滑条件、压边力、模具的 几何形状等因素也会在不同程度上 影响到工序的变形性质及翻边在整 个成形过程中所占的比例。

2)主要工艺参数

翻边系数Kf=d0/d反映了翻边加 工的变形程度。当Kf<Kfmin时,翻边 件会产生破裂。在生产中,翻边系 数Kf是进行翻边工艺计算和模具设 计的最主要工艺参数。Kfmin表示内孔 翻边的加工极限。

6.1.6 复合成形

指同时或分先后具有两种或两种 以上变形性质的冲压工序。前面论 述的冲裁、弯曲、拉深、胀形、翻 边都是最基本的冲压工序。严格地 说,几乎所有的冲压工序都是由基 本工序以不同的方式和不同的比例 组合起来的复合成形工序。

在加工球面、锥面和抛物面等曲 面形状的零件,矩形盒和宽法兰拉深 件,汽车、拖拉机上的许多覆盖件和 一些复杂形状的零件时,很难确定其 占主导地位的冲压工序性质,我们称 这类零件为复合成形件。

在复合成形加工中,掌握金属的 变形规律,控制金属的流动及变形模 式的转换,把握问题的主要方面是决 定工序成败及制件质量的关键。在生 产中、复合成形的加工极限通常由起 主导作用成形工序的加工极限和材料 的复合成形性能来决定。

然而,因为影响冲压加工和金属 变形的因素较多,故在难以识别占主 导地位的冲压工序性质时,目前,还 主要靠人们的直觉和经验来进行判断, 有时需要反复的试验。

1)半球形件的变形特点 (1)半球形件的变形过程

球面形状零件的成形过程为:弯 曲、胀形、胀形-拉深复合成形、拉 深成形的变形过程。一般而言,对这 类零件,确定其成形过程中胀形占主 导地位、还是拉深占主导地位是有一 定难度的。所以,我们称这类成形为 胀形-拉深复合成形。

c)

a) b)初始状态与变形过程 c) 应力、应变状态 图6-21(1) 球面零件的变形过程

(2)主要变形区

与拉深变形集中在法兰部分, 平板毛坯胀形变形集中在凹模圆角 以内的局部不同,半球形件的变形 区为整个坯料。

(3)变形区的应力、应变状态

如图6-21c所示,在整个毛坯中, 径向应力均为拉应力, >0;应变 ?r 为伸长应变, >0。切向应力由拉 ?r 应力逐渐变为压应力,在毛坯中心 部位为拉应力, >0;在靠近凹 ?? 模的口部和法兰部分为压应力, <0。中间存在? =0 的分界圆, ? ?? 在变形过程中,这个分界圆的位臵 是变化的。

同样,从毛坯中心到法兰部分,厚 向应变由压缩应变, <0,逐渐过 ?t 渡到伸长应变, >0。坯料由底部 ?t 变薄过渡到法兰变厚。 =0 的分界 ?t 圆将变形区分成了伸长类变形和压缩 类变形两个部分。底部坯料变薄的区 域属伸长类变形区,而法兰部分坯料 增厚域属压缩类变形区。

(4)半球形件的变形规律

根据选择准则(最适当的解对应 于最低的载荷值)和最小阻力定律 (当变形体的质点有可能沿不同方 向移动时,则每一点沿最小阻力方 向移动),只有当胀形变形阻力和 拉深变形阻力相等时,才会同时产 生胀形和拉深变形。

在半球面零件的成形过程中,变 形模式发生了转变。这种转变的迟早, 以及胀形和拉深在整个成形中所占的 比例除了与材料的性能有关外,还与 毛坯的尺寸、模具参数和润滑条件等 因素有关。

2)复合度与复合成形性能

从成形角度和成形性的角度来看,复合 的含义是不同的。

从成形角度看,如图6-21(2),复 合成形由凸模头部坯料胀形成分 l s 和流 入量 ,即拉深成分构成。对胀形和 ld 拉深成分的判别,可按断面线长 和 l s 来区分,也可按面积 和 来区分。 d As ld A 可用复合度来表示胀形或拉深在整个 变形中所占的比例。

ld ? L ? ls

Ad ? A ? As

图6-21(2) 复合成形的构成

胀形复合度:

ls L
ld L



As A
Ad A

拉深复合度:



从复合成形性角度看,不能单纯 根据复合度大小来确定占主导地位成 形工序的性质。从破裂来看,胀形成 分小于拉深成分,也会造成制件破裂; 从起皱来看,即使有少量的拉深变形, 也可能会使制件产生折皱。即使胀形 成分大,但胀形成分随材料不同变化 很小时,对破裂加工极限的影响就小。 因此,还应考虑由于材料不同而引起 拉深和胀形成分的变化率。

6.1.7 典型冲压模具结构 1)典型冲压模具结构组成

各种类型冲模复杂程度不同,所含 零件各有差异。根据零件的作用,典 型冲压模具由如下五部分组成: (1)工作零件;(2)定位零件; (3)压料、卸料和顶料零件; (4)导向零件;(5)固定零件

1-导柱;2-导套;3-挡料销;4-模柄;5-凸模;6-上模板; 7-凸模固定板;8-刚性卸料板;9-凹模;10-下模板

图6模-1 导柱式简单落料模

2)典型冲压模具的组合方式

按冲压工序的组合方式可分为: 单工序模:在压力机一次冲压行程内, 完成一道冲压工序的模具。 复合模:在压力机一次行程内,在模 具一个工位上完成两道以上冲压工序 的模具。 级进模(连续模):在压力机一次冲 程内,在模具不同工位上完成多道冲 压工序的模具。

图6模-2 垫圈复合冲裁模(倒装)

表6-2 多工序组合复合模示例
工序组合 方式 模具结构简图 工序组合 方式 模具结构简图

落料冲孔

冲孔切边

切断弯曲

落料拉深、 冲孔

切断弯曲、 冲孔

落料拉深、 冲孔、翻 边

工序组合 方式

模具结构简图

工序组合方式

模具结构简图

落料拉深

冲孔、 翻边

落料拉深、 切边

落料、涨形、 冲孔

图6模-3 落料拉深冲孔复合模

图6模–4

落料冲孔级进模

表6-3
工序组合方 式

多工序组合级进模示例
工序组合方 式 模具结构简图

模具结构简图

冲孔、落料

冲孔、切断、 弯曲

冲孔、截断

冲孔、翻边、 落料

冲孔、弯曲、 切断

冲孔、切断

连续 拉深、落料

冲孔、压印、 落料

冲孔、翻边、 落料

连续 拉深、冲孔、 落料

6.1.8 冲压工艺及模具设计的内容和步骤 1)典型冲压工艺设计的内容和步骤

图6-22显示了玻璃升降器外壳冲压 件的形状和尺寸,该零件的材料为08 钢,板厚1.5mm,中批量生产。现以此 零件为例简要介绍其冲压工艺设计的 内容和步骤。

(1)冲压件工艺性分析

该零件为一带法兰的成形件,其 主要形状和尺寸可由拉深、冲孔和 翻边工序获得。作为拉深成形件, 其相对法兰直径比df /d和相对高度比 h/d都比较合适。

配合尺寸公差等级高,为IT11~12 级,底部及口部的圆角半径R1.5mm偏 小,应在拉深之后加整形工序,采用 ?0.12 精度高、间隙小的模具。 ?16.5 0 mm 区 段可用多种方法成形,由于高度尺寸 21mm公差等级低,可采用简单冲孔、 翻边来实现。翻边孔尺寸公差要求较 高,翻边模的精度应相应提高。

? 3.2 mm 三个小孔 与翻边孔之间有形 位公整要求,故从冲裁工艺性来看, +0.14 应以内径 定位,用高精度 ? 22.3 0 mm (IT7级以上)冲裁模在一道工序中同时 冲出。

(2)工艺方案的确定
a、工艺方案分析

该件基本工序为拉深工序。法兰 上三个小孔由冲孔工序完成。 16.5 ?0.12 mm ? 0 区段既可由拉深、切底获得,又可由 预冲孔、翻边来实现,这需由工艺计 算来确定。计算可知,此件能由冲孔 后直接翻边成形。

b、毛坯直径计算及拉深次数确定

根据表面积不变原则,算得毛坯 直径D=65mm。计算出相关参数,查 资料可知该件需两次拉深,考虑到需 要整形的具体情况,确定采用三道拉 深。第三道拉深兼作整形工序。

c、工艺方案的比较与确定

提出了五种方案,经分析比较后, 确定采用的方案是: 落料与首次拉深复合—二次拉深—三 次拉深(带整形)—冲底孔—翻边 (带整形)—冲三个小孔—修边
(3)编制工艺卡片

2)冲压模具设计的内容和步骤

在进行模具设计之前,必须作 好设计资料的准备和审查工作。这 些资料主要包括:
? ? ? ? ? ? 冲压件的图样及技术条件; 原材料的尺寸规格、力学性能和成形性能; 生产纲领(批量); 设备型号、规格、技术参数及使用说明书; 模具制造条件及技术水平; 各种技术、模具标准、工艺文件和设计手册。

主要设计内容和步骤如下: (1)根据冲压工艺设计选定模具种类,确 定模具结构形式。 (2)计算确定模具压力中心。 (3)计算确定模具闭合高度。 (4)关键零件强度计算及弹簧、橡皮等弹 性零件的计算和选用。 (5)选择冲压设备。 (6)绘制模具总图,列出零件明细表,绘 制模具零件图,提出各项技术要求。

1-凸模;2-凹模;3-上模板;4-下模板;5-模柄;6-压板; 7-压板;8-卸料板;9-导板;10-定位销;11-套筒;12-导柱

简单冲模

1-凸凹模;2-拉深凸模;3-压板(卸料器);4-落料凹模;5-顶出器; 6-条料;7-挡料销;8-坯料;9-拉深件;10-零件;11-切余材料

落料拉深复合模

1-落料凸模;2-定位销;3-落料凹模;4-冲孔凸模; 5-冲孔凸模;6-卸料板;7-坯料;8-成品;9-废料

连续冲模

材料成形技术基础

§6.2 体积成形方法及其模具

6.2.1 锻造

在加压设备及工(模)具作用下, 通过金属体积转移和分配获得机器零 件或毛坯的塑性成形方法称为锻造。 锻造多在热态下进行,故也称为热锻。
1)锻造成形方法分类及工艺流程 (1)锻造成形方法分类

按所用工具,分为自由锻和模锻。 自由锻:使用自由锻设备及通用工具, 如砧子、型砧、胎模等,使坯料变形 获得所需几何形状及内部质量锻件的 锻造方法称为自由锻。其基本工序有 镦粗、拔长、冲孔和错移等。

模锻:利用模具使坯料变形获得锻件的 锻造方法称为模锻。 按设备,模锻可分为锤上模锻和 压力机上模锻。此外,模锻还有开式 模锻与闭式模锻、普通模锻和精密模 锻之分。 锤上模锻包括制坯、预锻和终锻 等工步,而制坯工步又可分为镦粗、 拔长、滚挤、弯曲、卡压和成形等。

(2)锻造工艺流程

指生产一个锻件所经过的锻造 生产过程。不同类型的锻件,锻造 工艺流程不—样。同一锻件,使用 不同设备,工艺流程也有所不同。 以模锻为例,其锻造工艺流程是: 下料、加热、模锻、切边、冲孔热 校正、热处理、清理、冷校正和检 验。其中模锻是基本工序。

2)自由锻基本工序及主要工艺参数 (1)镦粗及其变形特点

镦粗是使毛坯高度减少,截面增 大的工序。镦粗工序主要用于锻制齿 轮、法兰等饼类锻件。图6-23显示了 坯料在平砧间镦粗的情况。由图中可 见,镦粗时,平砧对坯料整体加载。

图6-23

平砧镦粗

a.变形区域划分

根据子牛面上网格变化情况,可 将镦粗毛坯分成三个区域。I区称为难 变形区;Ⅱ区称为大变形区。Ⅲ区称 为小变形区。变形是极不均匀的。

图6-24

镦粗毛坯的区域划分

b.变形区应力应变状态

大变形区(Ⅱ区)受三向压应力作用, 产生纵向压缩、切向和径向伸长的 变形。 由于不均匀变形的结果,小变形 区(Ⅲ区)产生切向附加拉应力。 严重时会引起开裂。

c.不均匀变形引起组织不均匀、产生鼓凸 d.力-行程曲线呈单调增趋势 e.镦粗变形与毛坯尺寸关系密切

图6-25 高径比对镦粗的影响 a)失稳弯曲 b)双鼓形 c)较均匀变形 d)难变形区相遇

(2)拔长及其变形特点

拔长是使毛坯横截面减小,长度 增加的工序。该工序主要用于制造 轴类锻件或为后道工序制坯。 图6-26显示了拔长操作过程。由 图中可见,拔长工序由坯料送进、 局部变形和沿轴线旋转90度等操作 完成。

图6-26 拔长操作顺序

a.变形受两端不变形金属的影响 拔长时对坯料局部加载,其变形区 的变形和金属流动与镦粗相近,但又有 区别。其变形受两端不变形金属的影响。 当送进量l < 0.5h 时,上部和下部变形 大,中部变形小,中间部分锻不透(图 6-27)。由于不均匀变形的结果,心部 沿轴向会产生附加应力,使锻件质量下 降。

图6-27

矩形坯料拔长产生的应力与变形

b.金属变形规律 当送进量 l 大于坯料宽度 a 时,金属多 沿宽度方向流动,长度增加少;当 l 小 于 a 时,金属多沿轴向流动,轴向伸长 量大(图6-28)。因此,适当减少送进 量可提高拔长效率。但送进量太小时, 轴心会产生轴向附加拉应力,又会影响 锻件质量。

图6-28 矩形坯料拔长时金属的流动特点 a)大送进量l>a b)小送进量l<a

(3)主要工艺参数 在镦粗工序中,锻件的变形程度用相 对压下量或工程应变来表示。在开坯或 拔长时,变形程度用锻造比K表示。生 产中还常用高径比(镦粗),相对送进 量(拔长)等工艺参数来判断成形的难 易程度,控制锻造质量和效率。

相对压下量:

锻造比: 高径比:
相对送进量:

H 0 ? H1 ?? ? 100% H0 A0 K? A1

H0 D0

l h

3)模锻变形工步及模锻变形特点 (1)模锻变形工步 模锻时,坯料在锻模的一系列模膛 中变形,坯料在每一模膛中的变形过程 称为模锻工步,工步的名称和所用模膛 的名称一致。

根据形状不同,锻件可分为饼类锻件 和轴类锻件。饼类锻件的轴线与打击方 向平行,而轴类锻件的轴线与打击方向 垂直。图6-29显示这两类锻件的模锻过 程。在模锻过程中,模锻工步根据其作 用不同可分为制坯工步、模锻工步和切 断工步三类。

图6-29

模锻工艺过程

制坯工步的作用是改变原毛坯的形 状,合理地分配材料以适应锻件横截面 的要求,使金属能较好地充满模膛。 模锻工步包括预锻工步和终锻工步, 其作用是使坯料形成最终锻件所需要的 形状和尺寸。

(2)锤上模锻的变形特点 a.变形的阶段性特征 图6-30是圆饼类锻件开式模锻变形过 程示意。由图知,模锻过程可分为三个 阶段:第一阶段为镦挤阶段,第二阶段 为充填阶段,第三阶段为打靠阶段。

图6-30

开式模锻的变形过程及变形区应力、应变状态 a)镦挤阶段 b)充填阶段 c)打靠阶段

b.变形区应力、应变状态 变形区应力、应变状态如图6-30所 示 。由图中可见,不同变形阶段,变形 区的应力和应变状态是有区别的。在镦 挤阶段,Ⅱ、Ⅲ区的切向应力和应变要 变号。Ⅱ、Ⅲ区之间存在一分流层;在 充填阶段 ,分流层将外移。

c.锻造成形力-行程曲线
图6-31显示了锻造成形力-行程 曲线。可见,力-行程曲线呈单调增 趋势,锻造结束时,成形力达到最 大值。模锻时力-行程曲线呈现出明 显的阶段性特征,后期成形力急剧 增大。

图6-31 锻造成形力-行程曲线 a)自由锻 b)模锻

(3)压力机上模锻的变形特点 a. 压力机上模锻时,金属沿水平方向的 流动强烈(图6-32) 锤上模锻时,金属流动速度快,摩 擦系数降低、金属流动的惯性和变形的 热效应作用突出,对靠挤入方式成形的 锻件成形有利。压力机上模锻时,金属 流动速度慢、惯性作用不明显,对主要 靠挤入方式成形的锻件,应采用多模膛 模锻使坯料逐步成形。

图6-32 热模锻压机及模锻锤上的变形情况 a)镦挤阶段 b)充填阶段 c)打靠阶段

b.压力机上模锻具有静压力特征 金属在模膛内流动缓慢,这对变形速 度敏感的低塑性合金材料的成形有利。金 属变形在滑块一次行程中完成,坯料内外 层几乎同时变形,变形深透均匀、流线分 布连续、锻件各处力学性能一致性较好。 这有利于提高锻件的内部质量,锻件的尺 寸精度也高。

4)典型锻模结构

模锻可分为锤上模锻和压力机模 锻,相应的模具也可简单分为锤上 锻模和压力机锻模。

(1)锤上锻模结构

锤上锻模结构如图6-33所 示,它由上、下模组成;上、下模 分别通过楔铁和键块固定在锤头 下端和模座的燕尾槽内。模锻成 形时,上、下模合在一起,金属 在模膛内成形。按照模膛的作用 不同,分为制坯模膛、模锻模膛 和切断模膛。

1-坯料 2-锻造中的坯料 3-带飞边和连皮的锻件 4-飞边和连皮 5-锻件

图6-33 锻模结构及工作过程示意图

(2)汽车连杆锤锻模具设计的步骤和内容 a.锻件图设计 模锻件图是确定模锻生产过程、制定 工艺、设计和制造锻模、检验锻件的依 据。锻件图分为热锻件图和冷锻件图。 图6-34是汽车连杆的零件图。图6-35是 根据产品零件图设计的冷锻件图。

图6-34 连杆零件图

图6-35 连杆锻件图

冷锻件图用于锻件检验,也是 机械加工部门制订加工工艺的依据, 一般简称锻件图。锻件图设计的内 容包括:选择分模面的位臵和形状; 确定加工余量和公差;确定模锻斜 度和圆角半径;制定锻件技术条件; 绘制锻件图。

b. 计算锻件的基本参数

主要包括锻件在水平面或分模面 上的投影面积、锻件周边长度、锻 件体积和重量等。
c. 确定锻锤的吨位

根据锻件在水平面上的投影面积 与假定飞边水平投影面积之和,按 经验公式计算打击力并选用锻锤。

d.确定飞边槽的型式和尺寸

根据所确定锻锤的吨位,分析连 杆锻件图的结构特点即可选定飞边 槽的型式,确定其基本尺寸。
e.终锻模膛(热锻件图)设计

主要内容是绘制热锻件图或称制 模用锻件图。图6-36是根据锻件图 增加1.5%冷缩率绘制而成的连杆热 锻件图。

图6-36 热锻件图(制模用锻件图)

f.预锻模膛设计

由于件形状复杂.需设臵预锻模 膛。预锻模膛在叉部采用了劈料台。 预锻模膛与终锻模膛不同之处均在 热锻件图上作了注明。

g.绘制计算毛坯图 图6-37是根据零件形状特点,选 取13个截面,分别计算锻件截面积S 锻、计算毛坯截面积S计和计算毛坯 上任一截面的边长a计(采用圆型棒 料时为直径d0)绘出的连杆截面图和 计算毛坯图。一般根据冷锻件图作 计算毛坯图。截面图和计算毛坯图 是选用制坯工步的依据。

图6-37 连杆的截面图和计算毛坯图

h.选择制坯工步

本例中计算毛坯为两头一杆,简 化成两个筒单的计算毛坯,由制坯 工步的设计和参数确定采用拔长— 开式滚压制坯工步。模锻工艺方案 确定为拔长—开式滚压—预锻—终 锻。

i. 确定坯料尺寸

由截面图和计算毛坯图确定坯料 (方坯)的边长a坯=45mm,根据 坯料体积即可计算出坯料长度l坯= 123mm。由实际生产情况,根据坯 料的重量和长度选用调头模锻,一 料两件,料长取为246mm。

j.制坯模膛设计

参考有关文献和设计资料,根据 计算毛坯图来设计滚压模膛和拔长 模膛。根据实际生产情况和经验对 个别尺寸和模具参数作适当修改。

k. 锤锻模结构设计 进行锻模结构设计并绘制锻模图。 锤锻模的结构设计一般包括模具紧 固方式的选择、模膛的布臵、错移 力平衡与导向设计、模具强度校核、 模具尺寸确定等几方面的内容。图 6-38显示了一套典型的汽车连杆锤 用锻模图。

图6-38 连杆锤用锻模图

(3)热模锻压力机用锻模结构及其特点

图6-39是热模锻压力机连杆锻模。 可见压力机用锻模是由模架(包括 上、下模板,紧固零件,定位调整 零件,垫板和压板等)、模块、导 向装臵和顶出器等4部分组成。与锤 上锻模相比,热模锻压力机用锻模 结构有如下一些特点:

图6-39 连杆锤用锻模图

a. 采用通用模架的组合结构锻模

常用的模架有压板式模架和键式 横架两种。键式模架通用性强,折 装、调整方便,但垫板、键等零件 加工精度高。模块分整体式和镶块 式两种。上、下模块可分为两块或 其中一个分为两块,一块为模座, 一块为加工出模膛的镶块。

b. 采用多模膛模锻使坯料逐步成形

由于行程固定,只能完成截面变 化不大(≤10%~15%)的制坯操作。 拔长和滚压等制坯工步需要在其它 设备上进行。

c. 设有导向装臵

锻模采用双导柱、导套装臵。
d. 终锻模膛设有排气孔和顶出装臵 e. 模具闭合高度受压机装模高度限制

6.2.2

挤压

坯料在封闭模腔内受三向不均匀 压应力作用,从模具的孔口或缝隙 挤出,使之横截面积减小,形成所 需制品的加工方法称为挤压。

1)挤压成形方法及其分类

按成形温度,挤压分为热挤压、 温挤压和冷挤压三类。其中,热挤 压主要用于大型钢锭,以获得具有 相当长度的棒材或各种型材的半成 品;温挤压和冷挤压则主要采用小 型坯料,可获得成品零件或只需进 行少量机加工的半成品。

根据金属流动方向与凸模运动 方向的关系,挤压成形又可分为正 挤压、反挤压和复合挤压。

a) 正挤压 b) 反挤压 c) 复合挤压 1.凸模; 2.凹模; 3毛坯; 4)挤压件;5)顶料杆 图6-40 基本挤压方式

正挤压:金属流动方向与凸模运动方向 相同; 反挤压:金属流动方向与凸模运动方向 相反; 复合挤压:一部分金属流动方向与凸模 运动方向相同,另一部分金属流动方 向与凸模运动方向相反。

2)挤压成形的特点 (1)变形过程及挤压力—行程曲线

图6-41是正挤压变形过程示意。图 6-42显示了与其对应的挤压力—行 程曲线。由图中可见,挤压变形过 程是坯料被镦粗充满模腔,稳定挤 压和不稳定挤压的变形过程,变形 具有明显阶段性特征。

a) 初始阶段 b) 充满阶段 c) 稳定挤压阶段 d)非稳定挤压阶段 图6-41 基本挤压方式

a) 正挤压 b) 反挤压

(2)区域划分及变形区应力、应变状态

图6-43显示了正挤压坯料区域 划分及主要变形区应力、应变状态。 图中扇形点划线,按变形情况将坯 料分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域。

图6-43 区域划分及变形区应力、应变状态

Ⅰ区为弹性变形区,凸模下降 时,金属将逐渐进入塑性变形;Ⅱ 区为正挤压的主要变形区;Ⅲ区被 称作“死区”,不参与塑性变形, 与Ⅱ区交界处产生速度间断和很大 的切应力。坯料高度小、摩擦阻力 小时,该区可进行少量变形;Ⅳ区 为已变形区,由于与凹模有摩擦作 用,该区对Ⅱ区的变形会有影响。

按受力情况,图中虚线将坯料分为 A和B两个区。A区是直接受力区;B 区为间接受力区,其受力主要是由A 区变形引起的。可见,挤压变形也 是极不均匀的,这种变形不均匀性 会在变形体内产生附加应力。

由图6-43还可看出,挤压成形 时,坯料在三向压应力作用下产 生一向伸长双向压缩变形。压应 力状态提高了材料的塑性,但也 增大了变形抗力。挤压成形与其 它成形方法本质上的区别就在于 挤压成形是在很高的静水压力下 进行的,单位挤压力很高。

(3)正、反挤压金属的流动特点

图6-44和图6-45显示了的正、反 挤压成形时金属的流动特点。由图 可见,正挤压时,金属的流动可分 为三种情况:

a)高坯料、小摩檫系数 b)高坯料、大摩檫系数 c)很高坯料、很大摩檫系数 d)反挤压 图6-44 正、反挤压金属的流动情况

a)孔口集中变形 b)整个坯料变形 c)花瓶状流线 图6-45 正挤压件纵向剖面网格变化情况

如图44a和45a,当坯料高摩擦系数 小或挤压比小时,变形集中在孔口, 死区较小;如图44b和45b,当坯料 较高且摩擦系数较大时,由于受筒壁 摩擦阻力的影响,轴心区金属比外周 金属流动快,除死区外几乎整个坯料 都参与塑性变形,死区较前一种情况 要大些;

如图44c和图45c,当坯料很高、 摩擦系数很大且挤压比较大时,沿 高度方向挤压力损失大,使A区轴向 压应力的数值在凸模附近比其它部 位大,易满足塑性条件,轴心部分 金属流动很快,A区金属变形先从上 部开始并向轴心流动,于是就形成 了图6-44c所示花瓶状流线,死区大。

如图6-44d所示,反挤压因金属流动 不受摩擦阻力和坯料高度的影响,A区 金属在孔口处的轴向压应力数值大, 故变形主要集中在孔口附近,与图644a和图6-45a金属流动相似。

可见,挤压变形时金属流动受坯 料高度、摩擦系数和挤压比的影响, 实际上还受模具形状、坯料性能和温 度条件的影响,金属塑性流动模式不 是唯一的。

(4)复合挤压金属的流动特点

复合挤压变形过程中,金属有两 个通道可以自由流动。在进行理论 研究和金属塑性变形的数值模拟时, 可用选择准则来判断,即最适当的 解对应于最低的载荷值。

a)纯反挤 b)反挤/剪切 c)正-反复合挤 d)剪切/正挤 e)纯正挤 f)纯剪切 图6-46 复合压件金属的流动情况

理论计算和实验证明,在杯-杆型 复合挤压过程中,可能出现纯反挤、 反挤/剪切、反挤/正挤(复合挤)、 剪切/正挤,纯正挤和纯剪切等多种金 属流动模式。实际生产中,金属的变 形主要受模具几何参数,变形毛坯的 相对高度、相对压下行程、外摩擦和 材料硬化程度等因素的影响。

(5)挤压坯料的软化处理和润滑

挤压成形时,单位压力和摩擦阻 力都很大。因此,坯料的软化处理和 良好的润滑在挤压成形中占有非常重 要的地位。 对冷挤压而言,为达到充分软化 的目的,毛坯必须进行退火处理。进 行多次挤压的工件,一般要在各道挤 压工序之间进行中间退火。

挤压成形中,良好润滑可以降 低模具与变形金属之间摩擦和挤压 变形力、减少模具磨损、延长模具 使用寿命。目前,钢的冷挤压主要 采用磷化—皂化处理;硬铝则广泛 采用氧化处理和涂覆硬脂酸锌粉末 的润滑方法。

3)主要工艺参数

生产中,用断面收缩率ε或挤压比R表 示挤压变形程度。ε或R是进行工艺计

算、力估算和模具设计的主要工艺 参数。ε或R越大,单位挤压力越大。 单位挤压力超过模具所能承受的单 位压力时,会导致模具损坏。生产 中将一次挤压加工所容许的变形程 度,称为许用变形程度。

A0 ? A ? 100% 断面缩减率: ? ? A0 A0 R? 挤压比: A

挤压比与断面收缩率之间有如下关系:

1 ? ? 1? R

材料成形技术基础

§ 6-3 计算机在塑性成形中的

应用

一、塑性成形过程中的计算机模拟
? 1、模拟的目的和方法

? ? 2k ???
v

? ? ? ?ε?T ?ε?dV ? ?? ?v?T ?p?dS ? ??? λ?ε?T ?C?dV
Sp V

? 2、刚塑性有限元法 理论基础是变分原理。 ? 3、拉格朗日乘子法
? ? 2k ???
v

? ? ? ?ε?T ?ε?dV ? ?? ?v?T ?p?dS ? ??? λ?ε?T ?C?dV
Sp V

二、模具CAD/CAM
? 1、基本概念 模具CAD/CAM是人和计算机结合的设计方法。 ? 2、模具CAD/CAM系统的组成 由硬件和软件两部分组成。 ? 3、建立CAD/CAM系统的过程和方法 生命周期可以分为:系统分析、系统设计、程 序设计、系统测试和维护5个阶段。

? 4、数据的处理方法 (1)数表、线图的程序化和公式化 (2)模具CAD/CAM系统的数据库 ? 5 、模具CAD/CAM系统的中的几何造型与图形处 理 几何造型:利用计算机系统描述物体几何形 状。 ? 6、图形的变换与绘制 图形变换主要是点坐标的变换。

材料成形技术基础

第七章

典型的焊接方法

材料成形技术基础

第一节 弧焊方法



焊条电弧焊

1 基本原理 用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊法。

2 焊接材料(电焊条) 电极

焊芯
①焊条组成

填充金属 保护作用

药皮

冶金作用 工艺性能

②焊条型号 是在国家标准及权威性国际组织(ISO) 的有关法规中,根据焊条特性指标明确 划分规定的,是焊条生产、使用、管理 及研究等有关单位必须遵守执行的。 例:GB/T5117—1995 焊条 焊接位置

Exx x x
最小抗拉强度σb Kg.f/mm2 药皮类型和 焊接电源种类

●焊接位置

平焊

立焊

横焊

仰焊

船形焊接

全位置焊

●电源种类: 交流 直流正接—工件接正极 直流反接—工件接负极 3 工艺特点 ●方便灵活,适应性强; ●设备简单,操作方便; ●对焊工操作技术要求高; ●生产效率低,劳动条件差; *重要的补充— 作为辅助手段,必不可少!



埋弧自动焊

——当今生产效率较高的机械化焊接方法之一 1 基本原理
电弧在焊剂下燃烧进行焊接的方法,它是利用电气及机械装置 控制送丝和移动电弧的一种焊接方法

2 焊接材料 ●焊丝——钢芯(与手工焊钢芯同属一个国 家标准) 根据化学成分和用途不同: 例:
钢焊丝 高级优质钢

H08A(E)
平均含碳量0.08% 高级优质钢

●焊剂 ——在焊接时被加热熔化形成熔渣,对熔化 金属起保护和冶金作用,它是埋弧焊接过程中 保证焊缝质量的重要材料。 保证电弧稳定燃烧; 保证焊缝金属得到所需的成分和性能; 减少焊缝中产生气孔和裂纹的可能性; 有利成形和脱渣; 不易吸潮并有一定的颗粒度和强度; 焊接时无有害物质析出;

3 工艺特点及适用范围 ●生产效率高; ●焊缝成形美观,质量高; ●劳动条件好; ●焊接位置、焊缝长短及板厚等 ●对坡口加工与装配精度要求高

●适用于碳钢、低合金钢、耐热钢及不

锈钢长焊缝的水平位置焊接;
●特别适用于厚板(>20mm)的纵缝环

缝的焊接;
●也可以进行不锈钢和低合金高强钢的

带极堆焊。



钨极氩弧焊

( TIG )

Tungsten Inert—Gas arc welding
1 基本原理——也称非熔化极氩弧焊,利 用惰性气体作保护气体,电极用难熔金 属(钨或钨合金)棒,焊件作为另一个 电极。通过钨极与焊件之间产生的电弧 加热和熔化焊件及填充金属,形成焊接 接头。

? 手工TIG ? 自动TIG
直流脉冲—热输入小 直流 直流正接 直流反接—少用!

交流

正弦波 矩形波—合理分配

2工艺特点 ●保护效果好,焊接质量高; ●焊接应力变形小; ●操作方便,适用于空间各种位置焊接

●电弧稳定

●焊接成本高

●设备复杂
●对表面清理要求高

■适用于不锈钢、耐热钢及铜、钛、 铝、镁等有色金属的(<3mm)薄板 焊接或重要构件的打底焊



熔化极气体保护焊

熔化极惰性气体保护焊 MIG Metal Inert-Gas arc welding 熔化极活性气体保护焊 MAG Metal Active-Gas arc welding

1 基本原理 用连续送进的焊 丝与被焊工件之 间燃烧的电弧作 为热源来熔化焊 丝与母材金属, 通过焊枪喷嘴输 送保护气体。

2 分类(表7—9) MIG —— Ar 、 He

MAG ——Ar+O2 、 Ar+CO2 、
Ar+CO2+O2 、CO2或CO2+O2

管状焊丝——CO2或CO2+Ar

3工艺特点 ●MIG,MAG 可焊所有金属——铝,铜及合金,不锈钢 效率高——焊丝作为电极 直流反接——阴极雾化
●CO2气体保护焊 生产效率高、热量集中 明弧无渣、抗冷裂性强 焊接成本低、飞溅大

第二节 压力焊
材料成形技术基础

——焊接过程中,必须对焊件 施加压力(加热或不加热)来完 成焊接的焊接方法

一 电阻焊 ——利用电流通过接头产生电阻热,将被焊 金属的接触部位加热至塑性状态或局部 熔化状态,然后施加一定的压力使金属 原子间相互结合形成焊接接头。

1

点焊——将 焊件装配成 搭接接头, 并压紧在两 极之间,接 通电流后利 用电阻热将 焊件局部熔 化,形成焊 点的方法。

■是一种高速、经济的连接方法。适用于 可以采用搭接接头不要求气密性,厚度 <3mm冲压、轧制的薄板结构。

2

缝焊——是焊件搭接或对接接头并置于 两滚轮电极之间,滚轮加压焊件并转动 连续或断续放电,从而产生一连串熔核, 相互搭叠得密封焊缝的电阻焊方法。

3 对焊——把两焊件端部相对放置,利用 焊接电流加热,然后加压完成焊接的电 阻焊方法。
●生产效率高,易实现自动化。 ●工件接长 ●环形工件 ●部件组焊 ●异质金属对接

①电阻对焊 先压紧工件+通电+顶锻力 加热沿径向不均,轴向较均匀,且低 于熔点。适用于焊接截面F<250mm2,形状 紧凑(如棒、厚壁管金属型材)的材料。 ②闪光对焊 先接通电源+工件靠近+闪光+顶锻 端面加热均匀,适用于断面F为1000mm2 左右的闭合零件的拼口。凡是可以锻造的 金属都能进行闪光焊。

二 摩擦焊
1 原理——利用焊接接触面相对旋转运动中 相互摩擦所产生的热使工件工件段不大 到热塑性状态,然后迅速顶锻,完成焊 接的一种压焊的方法。

2 特点
●接头焊接质量好

●生产率高,成本低
●以实现机械化和自动化生产 ●能焊接异种钢和异种金属 ●环境保护好 ●难焊非圆形横断面和薄壁管件

三 钎焊
1 基本原理——采用比母材熔点低的

金属材料作钎料,将焊件和钎料加 热到高于钎料熔点但低于母材熔点 的温度,利用毛细作用使液态钎料 润湿母材,填充接头间隙并与母材 相互扩散,连接焊件的方法。

2 分类 根据钎料熔点分

软钎焊

TM<450℃
铅,锡等

硬钎焊

TM>450℃
铜,银,镍等

3 特点
●成分不同 —钎料熔化,母材固态 ●加热温度低—变形小,易保证焊件尺寸 精度。对母材组织和性能影响小 ●异质接头焊接—金属,非金属等 ●生产效率高—大批量生产 ●强度较低,耐热性差,装配要求高

材料成形技术基础

第三节 常用金属材料的焊接

一、结构钢的焊接
1 、碳钢的焊接 焊接性——在一定的焊接工艺下,获得优质 焊接接着的难易程度 低碳钢——含碳量低、硅锰含量少,焊接性 优良。手工电弧焊、埋弧焊、电渣焊、钨极 氩弧焊、熔化极气体保护焊、电阻焊、气焊 及钎焊都是成熟的焊接方法

中碳钢——含锰量不高时,焊接性良好。随 含碳量的增加,焊接性变差。多数情况下, 需预热和控制层间温度,焊后应进行消应力 热处理。 采用手工焊时,若要求焊缝与母材等强,应 尽量选用与母材强度级别相等的低氢焊条

2.合金结构钢的焊接

(1)强度用钢(高强钢)
按屈服点高低及热处理状态分为: ●热轧钢 ●正火钢 ●低碳调质钢 ●中碳调质钢

热轧钢及正火钢常用焊接方法:手工电弧焊、
埋弧焊、气体保护焊、电渣焊、压力焊 焊接要点:

●抗热裂性比较好 ●有一定的冷裂倾向,随强度级别升高而增大 ●沉淀强化钢种消应力热处理时避免600℃保温 ●热轧钢在制造大厚件时,有层状撕裂危险 ●存在过热区脆化问题

低合金高强度钢常用焊接方法:手工电弧焊、 气体保护焊、电渣焊及压力焊 主要工艺措施: ●预热 ●选择合适的焊接线能量 ●后热及焊后热处理

(2)低碳调质钢 焊接要点: ●含碳量低、含锰量高,热裂倾向小 ●冷裂纹倾向比较大 ●有一定的再热裂纹敏感性 ●对层状撕裂不敏感 ●有过热区脆化和热影响区软化问题 工艺措施: ●焊前预热 ●避免使用大的焊接线能量

(3)中碳调质钢的焊接 焊接要点: ●淬硬倾向大,近缝区易出现马氏体组织 ●碳及合金元素高,有较大热裂倾向 ●有再热裂纹倾向 ●焊后淬火区出现淬硬的马氏体,导致脆化 ●焊后热影响区总有软化区 工艺措施: ●预热及后热 ●宜采用小线能量焊接 ●采用低碳、硫、磷焊丝

(4)珠光体耐热钢
常用焊接方法:手工电弧焊为主、埋弧焊 和电渣焊也常用 焊接要点: ●成分与低碳钢相近,焊接性也接近 ●主要问题是冷裂纹、再热裂纹、粗晶区脆 化以及热影响区的软化

二、不锈钢的焊接
1.奥氏体不锈钢的焊接 主要问题是热裂纹、脆化、晶间腐蚀和应 力腐蚀开裂 (1)热裂纹 含镍量越高,产生热裂倾向越大,越不容 易控制 防止措施: 严格限制S、P含量 调整焊缝金属组织,金属合金成分 采用小线能量及小截面焊道

(2)接头脆化 防止措施: 严格控制焊缝中铁素体含量 多层焊时采用较小线能量 (3)晶间腐蚀 防止措施: 尽量降低母材及焊缝中含碳量 采用热量集中的焊接方法 在钢中添加稳定化元素Ti、Nb等 在钢及焊缝金属中加铁素体形成元素

(4)应力腐蚀开裂 防止措施: 焊后消除或减少焊接残余应力 选用奥氏体-铁素体双相组织的母材或焊 接材料 采用高Ni的铬镍不锈钢焊条 焊接奥氏体不锈钢常采用手工电弧焊、钨极 氩弧焊和熔化极富氩混合气体保护焊

2 马氏体不锈钢的焊接 主要问题是冷裂纹和脆化 拘束度较大或含氢量较高时,在焊缝或近缝 区可能产生冷裂纹 预热是防止这类钢产生冷裂纹的重要措施 常用方法为手工电弧焊和钨极氩弧焊

3 铁素体不锈钢的焊接

主要问题是热影响区脆化和常温冲击韧度较低
焊接时,就尽量缩短400-600℃和650-850℃

的加热和冷却时间
可采用小功率,高焊速进行焊接,尽量减少焊

缝截面,且不要连续焊接
常用手工电弧焊,通常需预热及焊后热处理

三 有色金属的焊接
1 铝及铝合金的焊接 主要问题是气孔、裂纹及接头性能变化 (1)铝合金的焊接热裂纹 防止措施:关键在于选择合适焊丝,控制 焊缝成分和配以合理规范参数 采用热能集中的焊接方法,有利于减少裂 纹。裂纹倾向大的铝合金,不宜采用大电 流和高焊速。

(2)铝合金的焊接气孔 防止气孔措施:

减少氢的来源
合理选择规范参数 采用混合气体保护焊 对厚的工件适当预热

2 铜及铜合金的焊接 焊接时主要问题: 焊缝能力差 焊缝热裂倾向大 气孔倾向严重 接头性能下降 薄板以钨极氩弧焊、手工电弧焊和气焊为好 中厚板采用埋弧焊、MIG焊和电子束焊 厚板建议用电渣焊


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