材料成型課件完整版

1、第一節(jié) 材料加工概述,一.材料加工概述 零件或材料的四種加工方法： 1.成形加工：凝固成形、塑性成形、焊接成形、粉末壓制、塑料成形； 2.切除加工：車、銑、刨、鉆、磨、電火花、電解、超聲加工、激光加工等； 3.表面成形加工：表面形變、淬火強化、化學(xué)強化、表面鍍層、氣相沉積鍍膜； 4.熱處理加工：退、正、淬、回火；二.材料基本加工要素及流程,原材料（錠料、軋材）,,凝固成形塑性成

2、形焊接成形,毛坯,,切削加工,,零件,,機器,,,裝配,,,切削加工凝固成形塑性成形焊接成形,,,,,,,,,,,熱處理,熱處理切削加工,表面加工,,三個基本要素：材料、能量、信息三大流程： 1.材料流程 表征加工過程特點的類型； 要改變形狀尺寸和性能的材料狀態(tài)； 能夠用來實現(xiàn)這種形狀尺寸和性能變化的基本過程； 類型：直通流程、發(fā)散流程、匯合流程；如下圖

3、所示,材料加工過程,,,,,,,輸入材料(I),輸入能量(I),輸入信息(I),輸出信息(O)(形狀、性能),輸出能量(O)(損失),輸出材料(O)(產(chǎn)品+廢料),下表列出一部分常見的材料加工過程，用材料流程（包括流程類型、材料狀態(tài)、基本過程）表示其特征。,,2.能量流程 基本過程為機械過程的能量流程。實現(xiàn)此類基本過程的能量可以通過下列三種方法來提供： （1）、傳遞介質(zhì)和加工材料間相對運動；,,模鍛

4、成形,（2）、作用在加工材料上的壓力差；,由壓力差產(chǎn)生的機械基本過程,（3）、產(chǎn)生于加工材料中的質(zhì)量力；,由質(zhì)量力產(chǎn)生的機械基本過程（a）澆注成形（b）磁力成形,熱過程能量提供：電能、化學(xué)能、機械能,感應(yīng)電加熱原理1-感應(yīng)器；2-坯料；3-電源,3.信息流程 形狀信息、性能信息,第二節(jié) 材料成形的一些基本問題和發(fā)展概況,1. 凝固成形基本問題：凝固組織的形成和控制； 鑄造缺陷的防

5、止和控制； 鑄件尺寸精度與表面粗糙度控制等；發(fā)展概況：凝固理論的發(fā)展； 凝固技術(shù)的發(fā)展； 計算機的應(yīng)用及發(fā)展，包括： 凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)； 快速樣件制造技術(shù)； 過程和設(shè)備運行的計算機控制等。,2.塑性成形,基本問題：材料的塑性； 塑

6、性成形力的評價； 加工材料內(nèi)部市場變量的確定； 形狀信息的準(zhǔn)確輸入等；發(fā)展概況： 板料成形方面 大批量生產(chǎn)中著重向高速化、自動化發(fā)展； 小批量生產(chǎn)中朝簡易化、通用化、萬能化發(fā)展； 體積成形方面 自由鍛 模鍛 特種

7、成形技術(shù),3. 焊接成形,基本問題：能量的輸入； 清除表面污染； 組織性能不均勻； 殘余應(yīng)力及殘余變形； 焊缺陷及檢測； 焊接結(jié)構(gòu)的制造問題等；發(fā)展概況：焊接結(jié)構(gòu)的發(fā)展； 焊接材料的發(fā)展； 自動化焊接的發(fā)展；

8、,4.表面成形,基本問題：表面涂層：涂層與基體的結(jié)合、涂層的材料及結(jié)構(gòu)等；表面改性：針對材料的服役條件及損傷機理并結(jié)合基體材料，設(shè)計合理的表面 組織結(jié)構(gòu)； 針對希望的表面組織及結(jié)構(gòu)，研究活動這一表面材料的方法；發(fā)展概況： 表面工程學(xué) PACVD、LCVD,本課程任務(wù),,材料成形所涉及的基本理論,材料成形

9、熱過程,金屬的凝固理論,塑性成形的物理和力學(xué)基礎(chǔ),表面成形、粉末冶金、塑料成形理論,工藝方法技術(shù)要點相關(guān)工藝裝備及模具,,凝固成形,塑性成形,表面成形及強化,陶瓷成形及粉末冶金技術(shù),塑料成形,第二章 材料凝固理論,主要內(nèi)容： 材料凝固概述凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ)形核生長溶質(zhì)再分配共晶合金的凝固金屬及合金的凝固方式凝固成形的應(yīng)用,,材料成形技術(shù)基礎(chǔ),第一節(jié) 材料凝固概述,一、凝固成形的基本問題和發(fā)展概況,1、基本問題：

10、,凝固組織的形成與控制,鑄造缺陷的防止與控制,鑄件尺寸精度與表面粗糙度控制,,第一節(jié) 材料凝固概述,一、凝固成形的基本問題和發(fā)展概況,1、基本問題：,凝固組織的形成與控制,鑄造缺陷的防止與控制,鑄件尺寸精度與表面粗糙度控制,,縮孔、縮松；偏析缺陷；裂紋。還有許多缺陷，如夾雜物、氣孔、冷隔等，出現(xiàn)在填充過程中，它們不僅與合金種類有關(guān)，而且，還與具體成形工藝有關(guān)。,第一節(jié) 材料凝固概述,一、凝固成形的基本問題和發(fā)展概況,1、基本問題

11、：,凝固組織的形成與控制,鑄造缺陷的防止與控制,鑄件尺寸精度與表面粗糙度控制,,鑄件尺寸精度和表面粗糙度由于受到諸多因素（如鑄型尺寸精度及型腔表面粗糙度、液體金屬與鑄型表面的反應(yīng)、凝固熱應(yīng)力、凝固收縮等）的影響和制約，控制難度很大。,2、發(fā)展概況：,金屬凝固理論的發(fā)展,凝固技術(shù)的發(fā)展,計算機的應(yīng)用,,近四十年來，從傳熱、傳質(zhì)和固液界面三個方面進(jìn)行研究，使金屬凝固理論有了很大的發(fā)展，例如：建立了鑄件冷卻速度和晶粒度以及晶粒度與力學(xué)性能之間

12、的一些函數(shù)關(guān)系，為控制鑄造工藝參數(shù)和鑄件力學(xué)性能創(chuàng)造了條件。,2、發(fā)展概況：,金屬凝固理論的發(fā)展,凝固技術(shù)的發(fā)展,計算機的應(yīng)用,,典型代表就是定向凝固技術(shù)、快速凝固技術(shù)和復(fù)合材料的獲得。此外，還有半固態(tài)金屬鑄造成形技術(shù)等。,2、發(fā)展概況：,金屬凝固理論的發(fā)展,凝固技術(shù)的發(fā)展,計算機的應(yīng)用,,凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)；快速樣件制造技術(shù)；過程和設(shè)備運行的計算機控制。,二、凝固過程中材料的物理性質(zhì) 與晶體結(jié)構(gòu)的變化

13、 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結(jié)構(gòu)改變 發(fā)生溶質(zhì)再分配,,大多數(shù)材料在經(jīng)歷液－固轉(zhuǎn)變時，其體積將縮小3－5％，原子的平均間距減小1－1.7％，導(dǎo)致缺陷形成的主要原因之一。,二、凝固過程中材料的物理性質(zhì) 與晶體結(jié)構(gòu)的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱

14、 晶體結(jié)構(gòu)改變 發(fā)生溶質(zhì)再分配,,材料發(fā)生液－固轉(zhuǎn)變后，其外形將保持容器的形狀，這就是鑄造－古老而又年輕的工藝手段。,二、凝固過程中材料的物理性質(zhì) 與晶體結(jié)構(gòu)的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結(jié)構(gòu)改變 發(fā)生溶質(zhì)再分配,,表示一個體系的紊亂程度，熵值越大，體系越紊亂。當(dāng)材料發(fā)生液－固轉(zhuǎn)變時，

15、熵值將減小，說明固體比液體的結(jié)構(gòu)更“整齊”。,二、凝固過程中材料的物理性質(zhì) 與晶體結(jié)構(gòu)的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結(jié)構(gòu)改變 發(fā)生溶質(zhì)再分配,,亞共晶灰鑄鐵冷卻曲線,二、凝固過程中材料的物理性質(zhì) 與晶體結(jié)構(gòu)的變化 體積改變 外形改變

16、熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結(jié)構(gòu)改變 發(fā)生溶質(zhì)再分配,,1200℃時液態(tài)金屬原子的狀態(tài),1500℃時液態(tài)金屬原子的狀態(tài),二、凝固過程中材料的物理性質(zhì) 與晶體結(jié)構(gòu)的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結(jié)構(gòu)改變 發(fā)生溶質(zhì)再分配,,凝固過程的溶質(zhì)再分配,第二節(jié) 凝固的熱力學(xué)

17、基礎(chǔ),一、狀態(tài)函數(shù)的概念 1、熱力學(xué)函數(shù)與狀態(tài)函數(shù),,第二節(jié) 凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ),一、狀態(tài)函數(shù)的概念 熱力學(xué)函數(shù)與狀態(tài)函數(shù),－體系的吉布斯（Gibbs）自由能－熱焓，體系等壓過程中熱量的變化－熱量和溫度的熵值，反映體系紊亂程度－體系的體積 －體系的溫度－體系的壓力 －等壓熱容,二、狀態(tài)函數(shù)間的關(guān)系,,,,,P,V,S,H,G,三、自發(fā)過程,判據(jù)一、Helmholtz自由

18、能最低原理： 等溫等容條件下體系的自由能永不增大；自發(fā)過程的方向力圖減低體系的自由能，平衡的標(biāo)志是體系的自由能為極小。判據(jù)二、Gibbs自由能判據(jù)： 等溫等壓條件下，一個只做體積功的體系，其自由能永不增大；自發(fā)過程的方向是使體系自由能降低，當(dāng)自由能降到極小值時，體系達(dá)到平衡。,液－氣界面原子受力作用示意,可以這樣理解界面張力：不同物體接觸的界面如同一張具有彈性的膜，該膜總是力圖使界面的面積減小。,從能量角

19、度：,,,可以這樣理解界面張力：不同物體接觸的界面如同一張具有彈性的膜，該膜總是力圖使界面的面積減小。,從能量角度：,,固體表面的液滴及表面張力的示意,根據(jù)力的平衡原理：,一、凝固的熱力學(xué)條件,等壓條件下有：,又：,,第三節(jié) 形核,等壓條件下，體系自由能隨溫度升高而降低，且液態(tài)金屬自由能隨溫度降低的趨勢大于固態(tài)金屬。,一、凝固的熱力學(xué)條件,等壓條件下有：,又：,,,純金屬液、固兩相自由能隨溫度的變化,在熔點附近凝固時，熱焓和熵值隨溫度

20、的變化可忽略不計，則有：,過冷度△T為金屬凝固的驅(qū)動力，過冷度越大，凝固驅(qū)動力越大；金屬不可能在T＝Tm時凝固。,二、自發(fā)形核,1、經(jīng)典相變動力學(xué)理論,根據(jù)經(jīng)典相變動力學(xué)理論，液相原子在凝固驅(qū)動力△Gm作用下，從高自由能GL的液態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杂赡蹽S的固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)過程中，必須越過一個能壘△Gd，才能使凝固過程得以實現(xiàn)。 整個液相的凝固過程，就是原子在相變驅(qū)動力△Gm驅(qū)使下，不斷借助能量起伏以克服能壘△Gd，并通過形核和

21、長大的方式而實現(xiàn)的轉(zhuǎn)變過程。,,二、自發(fā)形核,1、經(jīng)典相變動力學(xué)理論,根據(jù)經(jīng)典相變動力學(xué)理論，液相原子在凝固驅(qū)動力△Gm作用下，從高自由能GL的液態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杂赡蹽S的固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)過程中，必須越過一個能壘△Gd，才能使凝固過程得以實現(xiàn)。 整個液相的凝固過程，就是原子在相變驅(qū)動力△Gm驅(qū)使下，不斷借助能量起伏以克服能壘△Gd，并通過形核和長大的方式而實現(xiàn)的轉(zhuǎn)變過程。,,2、臨界形核功與臨界晶核半徑,表面自由能,,體積自

22、由能,,晶胚,晶核,原子半徑與吉布斯自由能的關(guān)系,臨界形核功相當(dāng)于表面能的1/3，這意味著固、液之間自由能差只能供給形成臨界晶核所需表面能的2/3，其余1/3的能量靠能量起伏來補足。,三、 非自發(fā)形核,1、臨界晶核半徑與形核功,四、形核劑,第四節(jié) 生長,一、固－液界面結(jié)構(gòu),粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類,光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙； 將生長成為

23、有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類,,,,粗糙界面,第四節(jié) 生長,一、固－液界面結(jié)構(gòu),粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類,光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙； 將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類,,,粗糙界面,第四節(jié) 生長,一、固－液界面結(jié)構(gòu),粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生

24、長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類,光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙； 將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類,,光滑界面,第四節(jié) 生長,一、固－液界面結(jié)構(gòu),粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類,光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙； 將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類,,,光滑界

25、面,第四節(jié) 生長,一、固－液界面結(jié)構(gòu),粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類,光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙； 將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類,,為光滑界面。,界面形態(tài)被稱之,自由能均最小，此時的,這兩種情況下，,的空位均被原子占據(jù)。,，或幾乎所有,很多空位未被原子占據(jù),面上有,的兩端處，這意味著界,和,于,接近,的最小值

26、在,時，,）當(dāng),1,0,2,2,x,G,S,D,>,a,,簡單立方晶體的長大過程示意,二、生長方式,,,,三、生長速度,,一、溶質(zhì)再分配與平衡分配系數(shù) 溶質(zhì)平衡分配系數(shù) 為恒溫下固相溶質(zhì)濃度 與液相溶質(zhì)濃度 達(dá)到平衡時的比值，二元合金中的 可由平衡狀態(tài)圖的液相線與固相線給出，即：,二、非平衡凝固時的溶質(zhì)再分配

27、 假定凝固的任意時刻，固液界面處于局部平衡狀態(tài)，則有：,,,第五節(jié) 溶質(zhì)再分配,第五節(jié) 溶質(zhì)再分配,一、溶質(zhì)再分配與平衡分配系數(shù) 溶質(zhì)平衡分配系數(shù) 為恒溫下固相溶質(zhì)濃度 與液相溶質(zhì)濃度 達(dá)到平衡時的比值，二元合金中的 可由平衡狀態(tài)圖的液相線與固相線給出，即：,二、非平衡凝固時的溶質(zhì)再分配

28、 假定凝固的任意時刻，固液界面處于局部平衡狀態(tài)，則有：,,,三、成份過冷判據(jù),成分過冷：由溶質(zhì)再分配導(dǎo)致界面前沿平衡溫度發(fā)生變化而引起的過冷,合金凝固時的成分過冷a)二元平衡相圖 b)界面前沿液相溶質(zhì)富集帶c)穩(wěn)定界面d)非穩(wěn)定界面,鋁合金隨成分過冷度的增加，凝固界面形態(tài)的演變過程a)平界面b)痘點狀界面c)

29、狹長胞狀界面d)不規(guī)則胞狀界面e)六角形胞晶f)樹枝晶,在固液界面附近，運用Fick擴散定律和平衡溫度梯度與液相斜率的關(guān)系，可以推導(dǎo)出成分過冷判據(jù)：,四、成份過冷與晶體生長形態(tài),凝固界面形態(tài)分為：平界面、胞狀界面、和樹枝界面當(dāng)合金成分一致時，隨 值的減少，晶體形態(tài)由平面晶向胞狀晶向胞狀樹枝晶、柱狀樹枝和等軸樹枝晶轉(zhuǎn)變。,和 對晶體形態(tài)的影響,“成分過冷”與固－液界面形貌,胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪顦渲?

30、五、微觀偏析,偏析：金屬凝固過程中發(fā)生化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象偏析程度用偏析比來表示：,微觀偏析可造成材料本身的沖擊韌性、塑性繼耐腐蝕性降低,有兩種情況：,晶界與晶體生長方向平行，晶界出現(xiàn)凹槽，溶質(zhì)富集程度高，如圖a；兩個晶粒相對生長，相遇前將溶質(zhì)排出到剩余液相中，使最后凝固部分富含溶質(zhì)，如圖b。,六、宏觀偏析,宏觀偏析通常指整個鑄錠或鑄件在大于晶粒尺度的大范圍內(nèi)產(chǎn)生的成分不均勻的現(xiàn)象1、正常偏析：對于 1的合金，外層的一

31、定范圍內(nèi)溶質(zhì)含量分布由外向內(nèi)逐漸降低3、密度偏析：由于重力作用產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。,第六節(jié) 共晶合金的凝固,共晶型合金分為規(guī)則共晶和非規(guī)則共晶。 規(guī)則共晶由金屬－金屬組成，屬小平面共晶； 非規(guī)則共晶由金屬－非金屬組成，屬非小平面－小平面共晶。,不同的合金系中，共晶結(jié)晶的方式可分為共生生長和離異生長兩種。,對共生生長，結(jié)晶時后析出相依附于領(lǐng)先相表面析出，形成具有兩相共生界面的雙相核心，隨后由

32、界面前沿兩相間的橫向擴散作用，互相為對方提供生長所需組元，以此協(xié)同生長。,這一點從共晶系平衡相圖中也可看出。,a）為共晶系平衡組織相圖b）c）d)為吉布斯自由能隨溫度變化示意圖,共生生長需要兩個基本條件：,兩相生長能力接近，且析出相要容易在先析出相上形核和長大。兩組元在界面前沿的橫向傳輸要能保證兩相等速生長的需要。,由于實際凝固過程中動力學(xué)條件的限制，實際共生區(qū)與前示平衡相圖上的共生區(qū)會有一定差異。通常要小一些，或是不對稱。,對稱形

33、 非對稱形,離異生長是指共晶合金兩相生長時，沒有共同的生長界面，兩相分離并以不同生長速率而結(jié)晶。 離異共晶體可分為晶間偏析型和領(lǐng)先相呈球團(tuán)型兩類。,晶間偏析型合金成分偏離共晶點很遠(yuǎn)，初生相長得很大且很多時，發(fā)生共晶反應(yīng)，而另一相在初生相上繼續(xù)長出，最終所得組織如圖示。,領(lǐng)先相呈球團(tuán)型是由于領(lǐng)先相為熔點高的金屬，且生長界面為各向異性，此時

34、領(lǐng)先相成球團(tuán)形態(tài)，其他相圍繞其表面生長，形成“暈圈”。,不完整暈圈的共生生長 封閉暈圈的離異生長,第七節(jié) 金屬及合金的凝固方式一、凝固方式與質(zhì)量的關(guān)系：,金屬或合金在鑄型中凝固時,可以分為液相區(qū)、固相區(qū)和固液兩相區(qū)。,金屬或合金凝固分區(qū)示意圖,固液兩相區(qū)較窄時，呈現(xiàn)強烈的得逐層凝固特點；固液兩相區(qū)較寬時，液相補縮困難，逐層凝固特征不明顯。,固液兩相區(qū)寬度對液相補縮的影響a)固液兩相區(qū)

35、寬度較窄b)固液兩相區(qū)寬度較寬,二、凝固動態(tài)曲線與凝固方式,在凝固件橫斷面處設(shè)置溫度傳感器測定冷卻曲線，即溫度-時間曲線。據(jù)不同斷面的冷卻曲線，結(jié)合該合金的相圖，便可以繪出凝固件斷面液相線-固相線與凝固時間的關(guān)系----凝固動態(tài)曲線。 由凝固動態(tài)曲線可以看出合金在凝固件中的凝固方式。,鑄件凝固動態(tài)曲線的繪制a)鑄件斷面的溫度-時間曲線b)凝固動態(tài)曲線c)某時刻的凝固狀,工業(yè)純鋁鑄件斷面的凝固動態(tài)曲線a)砂型鑄造b)金

36、屬型鑄造,三、凝固方式的影響因素：,凝固方式一般由合金固液相線溫度間隔和凝固件斷面溫度梯度兩個因素決定。 凝固溫度間隔大的合金傾向于糊狀凝固；反之傾向于逐層凝固,逐層凝固,糊狀凝固,第八節(jié) 凝固成形的應(yīng)用一、鑄造生產(chǎn)過程中的凝固控制,1、充型能力控制充型能力：液態(tài)金屬充滿型腔，獲得形完 整、輪廓清晰鑄件的能力。影響因素：金屬金屬性質(zhì)方面、鑄型性質(zhì) 方面、澆鑄條件方面和鑄件結(jié)

37、 構(gòu)方面。,螺旋形流動性試樣結(jié)構(gòu)示意圖,1-澆口杯；2-低壩；3-直澆道；4-螺旋試樣；5-高壩；6-溢流道；7-全壓井,衡量金屬或合金的流動性，常用螺旋形式樣澆鑄后得到的長度制來衡量。,2、收縮控制：,鑄件在冷卻過程中體積縮小的現(xiàn)象叫收縮。收縮可分成三個階段：液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮。液態(tài)收縮：從澆注溫度降低到凝固開始的溫度時，發(fā)生的體積收縮；凝固收縮：合金再凝固階段的體積收縮；固態(tài)收縮：固態(tài)合金因溫度降低發(fā)生的體積

38、收縮。液態(tài)收縮、凝固收縮是引起縮孔、縮松的主要原因，而固態(tài)收縮是產(chǎn)生鑄造應(yīng)力、變形和裂紋的主要原因。,合金的收縮量用體收縮率和線收縮率來表示，其定義為：,V0，V1－合金在溫度為T0，T1時的體積；l0，l1－合金在溫度為T0，T1時的長度；av，al－合金在T0～T1溫度范圍的體膨脹系數(shù)和線膨脹系數(shù)。,鑄件凝固后，由于合金的收縮，在最后凝固部位會出現(xiàn)孔洞。,體積大而集中的孔洞稱為縮孔；細(xì)小而分散的空洞稱為縮松。,以逐層凝固的圓

39、柱體鑄件為例，縮孔的形成過程如圖：,生產(chǎn)中常用畫“凝固等溫線”和畫“內(nèi)切圓”的方法來近似確定縮孔位置。,其中前一種方法一般用于形狀較簡單的鑄件，而對于稍復(fù)雜的鑄件，則用后一種方法。,將鑄件斷面上溫度相同的點連接而成的曲線，就是凝固等溫線。圖中涂黑的部分就是縮孔出現(xiàn)的實際位置。,內(nèi)切圓法：鑄件壁交接處的內(nèi)切圓直徑大于鑄件壁厚，這些地方凝固較晚，縮孔可能在那里生成。,鑄件的縮松：,縮松是鑄件以糊狀凝固方式凝固時，最后凝固的區(qū)域沒能得到液態(tài)合

40、金的補充造成的分散、細(xì)小的顯微縮孔根據(jù)分布形態(tài)，縮松分為宏觀縮松和微觀縮松兩類宏觀縮松：指用肉眼或放大鏡可以看到的細(xì)小孔洞，通常出現(xiàn)在縮孔的下方微縮縮松：是指分布在枝晶間的微小孔洞，在顯微鏡下才能看到。,縮孔、縮松的存在都會使鑄件受力的有效截面積減小，使鑄件強度降低。在生產(chǎn)中應(yīng)盡量防止或減少縮孔、縮松。 可以利用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施，并結(jié)合運用順序凝固或同時凝固的工藝原則來實現(xiàn)。,,3、應(yīng)力控制,鑄件冷卻時因

41、各部分冷卻速度不同，造成在同一時刻各部分的收縮量不同，彼此相互制約的結(jié)果就產(chǎn)生了應(yīng)力。,按應(yīng)力形成原因分類：熱應(yīng)力 – 鑄件在冷卻過程中，由于各部分冷卻速度不一致，造成收縮量不一致，彼此制約的結(jié)果，所形成的應(yīng)力；相變應(yīng)力 – 鑄件冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變的時間不一致，體積和長度變化的時間也不一致，彼此制約，形成的應(yīng)力；機械應(yīng)力 – 鑄件冷卻收縮過程中，線收縮受到機械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。,框形鑄件熱應(yīng)力形成過程,第一階段（t0～t

42、1）：在高于彈塑性轉(zhuǎn)變階段，兩桿均處于塑性狀態(tài)，瞬時的應(yīng)力均可通過塑性變形釋放；第二階段（t1～t2）：冷卻較快的桿II已進(jìn)入彈性狀態(tài)，而粗桿I仍處于塑性狀態(tài)，所以桿II收縮大于桿I，細(xì)桿II受拉伸，粗桿I受壓縮，形成臨時內(nèi)應(yīng)力；第三階段（t2～t3）：粗桿I溫度較高，還會有較大的收縮，細(xì)桿II溫度較低，收縮較小，所以粗桿I的收縮會受到桿II的強烈阻礙，桿II受壓縮，桿I受拉伸，直到室溫，形成殘余應(yīng)力。,當(dāng)鑄造應(yīng)力超過金屬的屈服點后

43、，鑄件就會發(fā)生變形，以釋放應(yīng)力。 當(dāng)鑄造應(yīng)力超過金屬的抗拉強度時，鑄件就會產(chǎn)生裂紋。按裂紋形成的溫度范圍，可分為冷裂和熱裂兩種類型。,要避免鑄件發(fā)生變形和裂紋，最根本的辦法是減小殘余應(yīng)力。,4、 凝固組織控制,鑄件宏觀組織一般可能存在三個不同的晶區(qū)：,表面細(xì)晶粒區(qū)：靠近型壁的外殼層，有紊亂排列的細(xì)小等軸晶組成；柱狀晶區(qū)：由自外向內(nèi)沿著熱流方向彼此排列的柱狀晶所組成；內(nèi)部等軸晶區(qū)：由紊亂排列的粗大等軸晶組成。,鑄件典

44、型的幾種組織,三個晶區(qū)形成的簡單過程是： 金屬液澆入鑄型后，先在溫度低的型壁上形核與生長，同時又從其上脫落與游移，從而在型壁附近沉積成細(xì)小晶粒，構(gòu)成表面細(xì)晶粒區(qū)； 表層細(xì)晶層形成后，液體對流強度大大減弱，固液界面前沿晶體在與型壁垂直的單向熱流作用下，向中心延伸，形成柱狀晶區(qū)； 在柱狀晶生長過程中，液體內(nèi)部也將可能出現(xiàn)過冷，形成新的等軸晶，或從別處遷移過來的游離晶生長成新的等軸晶，最終形成內(nèi)部

45、等軸晶區(qū)。,由于等軸晶性能均勻穩(wěn)定，沒有方向性，故其是生產(chǎn)中優(yōu)先選擇的宏觀組織形態(tài)。 工藝上常采取的工藝措施有以下4條：（1）適當(dāng)降低澆注溫度；（2）合理運用鑄型的激冷作用；（3）孕育處理；（4）動態(tài)晶粒細(xì)化。,（1）適當(dāng)降低澆注溫度,一方面防止柱狀晶生長和晶粒粗化，另一方面又可以使游離晶在過熱較小的液相中保留下來。,（2）合理運用鑄型的激冷作用,對薄壁件，采用激冷能力強的鑄型對厚壁件，采用激冷能力較弱的鑄型,（

46、3）孕育處理孕育處理的目的是造成大量晶核、細(xì)化晶粒。,合理選擇孕育劑合理確定孕育工藝,（4）動態(tài)晶粒細(xì)化,振動：振動鑄型、澆注槽和澆口杯。振動源有電磁、機械和超聲振動攪拌：機械、電磁攪拌旋轉(zhuǎn)震蕩：變速旋轉(zhuǎn),二、焊接生產(chǎn)中的凝固過程控制,焊接熔池的凝固過程與一般鑄造時液態(tài)金屬凝固沒有本質(zhì)的區(qū)別，服從凝固理論的一般規(guī)律。但焊接熔池的凝固過程還有其獨有的一些特點。,1、焊接熔池特征,過熱溫度高動態(tài)下凝固對流強烈,焊接熔池凝固及焊

47、縫的形成,2、焊縫凝固特點1）外延生長,熔池中柱狀晶的形成,典型熔池形狀,2）彎曲柱狀晶,熔池的液相等溫線及晶體生長線示意圖,焊接速度對結(jié)晶形態(tài)的影響a)焊接速度大 b)焊接速度小,焊縫凝固時晶區(qū)劃分示意圖,3）凝固界面生長形式多樣性 焊接熔池中的溫度梯度與凝固速度比值G/R，在不同凝固階段是不同的，其凝固生長界面亦可以從平界面生長過渡到枝晶生長形式。,3、熔池凝固組織控制,焊縫晶粒粗細(xì)與沖擊韌性間的關(guān)系1-細(xì)

48、晶組織 2-粗晶組織 3-粗大柱狀晶,焊接過程中改善凝固組織，防止粗晶產(chǎn)生的主要措施：,1）變質(zhì)處理2）振動結(jié)晶3）優(yōu)化焊接工藝參數(shù),三、陶瓷與粉末合金制備過程中的凝固現(xiàn)象,1、硅酸鹽熔體的特點 高溫下硅酸鹽熔體顯著傾向于形成相對大的、形狀不規(guī)則的短程有序結(jié)構(gòu)。,2、硅酸鹽熔體的凝固,凝固的壓力-溫度平衡圖,新穩(wěn)定相形核率、生長速率和溫度之間的關(guān)系,硅酸鹽熔體形成晶體需要一定的條件，即需要創(chuàng)造非均勻形核的條件，如下圖

49、所示。,具有液相偏析的二元相圖a)兩個不互溶液相區(qū) b)兩個亞穩(wěn)態(tài)過冷液相區(qū),其他的一些方法有：使用固體顆粒形核劑，或通過特殊的化學(xué)反應(yīng)，如光化學(xué)反應(yīng)獲得。,第三章 材料成形熱過程,,材料成形技術(shù)基礎(chǔ),第一節(jié) 焊接成形熱過程,一 焊接熱過程特點1.焊接熱過程的局部集中性2.焊接熱過程的瞬時性3.焊接熱源的移動性,二 焊接過程熱效率熱效率 ?=Q’/QQ:焊接熱源提供的熱量;Q’:用于加熱焊件的有效熱量;,真正用

50、于焊接的有效功率P為 P= ?UI P:電弧功率; U:焊接電壓; I:焊接電流；,第二節(jié) 焊接溫度場 所謂焊接溫度場是指在焊接集中熱源的作用下，被焊工件上（包括內(nèi)部）各點在某一瞬時的溫度分布。,一、焊接傳熱形式及熱傳導(dǎo)方程,1.焊接傳熱的基本形式,焊接過程主要研究的是焊件溫度變化（相當(dāng)于冷卻為主）因此主要以熱傳導(dǎo)為主，適當(dāng)考慮輻射和對流的作用。,2.焊接熱傳導(dǎo)的基本方程

51、 熱總是從物體的高溫部位向低溫部位流動，它的流動規(guī)律服從傅立葉定律。 根據(jù)傅立葉定律及能量守恒定律，可以導(dǎo)出任一無限大物體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)基本方程。,傅立葉定律： q=?dT/dnq—電流密度，即沿法線方向單位面積、單 位時間內(nèi)流過的熱量；?—熱導(dǎo)率（J/cm?s?ºc),表示導(dǎo)熱能力,焊接熱傳導(dǎo)方程 ?T/?t=a?²T a：

52、熱擴散率(cm²/s) ▽:拉普拉斯符號(?/?x+ ?/?y+ ?/?z) 表示某時刻，物體上給定點附近溫度分布越不均勻，則該點溫度變化越快。二、焊接溫度場的數(shù)學(xué)表述法及數(shù)學(xué)解析的假定條件 焊接溫度場的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 T = f( x, y, z, t ）,式中，T —工件上某一瞬時某點的溫度 x,y,z —工件上某點的空間坐標(biāo) t —時間數(shù)學(xué)解析的基本假定：

53、 ●物理系數(shù)=常數(shù) ●初始溫度均勻為零 ●不考慮相變、散熱和結(jié)晶潛熱 ●焊件幾何尺寸是無限的 ●熱源作用于焊件形式為點、線和面狀。,根據(jù)焊件的厚度和尺寸形狀，傳熱的方式可以簡化為：1 厚大焊件—點狀熱源—三維溫度場2 薄板焊件—線狀熱源—二維溫度場3 細(xì)棒對接—面狀熱源—一維溫度場,三、瞬時熱源的傳導(dǎo)過程,假定焊件的初始溫度t=0，利用瞬時熱源法比較容

54、易求得熱傳導(dǎo)基本方程的特解。其特解為： T(r,t)=r ——給定點到熱源點的坐標(biāo)n ——與熱源有關(guān)的常數(shù)Q——焊件瞬時獲得的熱能,,點 n=3線 n=2面 n=1,四、影響焊接溫度場的因素,1 熱源的性質(zhì)（熱源能量的集中性）2 焊接規(guī)范（焊速與能量，即焊接熱輸入）,3 被焊金屬的熱物理性質(zhì)（熱導(dǎo)率，體積熱容，熱擴散率，比焓，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等）,4.焊件的板厚及形狀,薄板焊接的溫度場分布,表面堆焊和丁字接頭形式溫

55、度場分布,第三節(jié) 焊接熱循環(huán),焊接時焊件在加熱和冷卻過程中溫度隨時間的變化。即焊件上某點的溫度是隨時間由低到高達(dá)到最大值后又由高到低的變化。稱為焊接熱循環(huán)。,一、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù),1 加熱速度 ωH,2 峰值溫度 Tmax3 高溫停留時間 tH4 冷卻速度ω（或冷卻時間t8/5;t8/3;t100）,二、多層焊接熱循環(huán),1.長段多層焊接熱循環(huán) 長段焊道差不多在1m以上，這樣焊完第一層再焊第二層時，第一層焊縫基本上冷卻到1

56、00-200℃以下,2.短段多層焊接熱循環(huán),三、影響焊接熱循環(huán)的因素,1.焊件尺寸形狀的影響,2.接頭形式的影響,3.焊道長度的影響,4.預(yù)熱溫度的影響,5.焊接線能量的影響6.焊接時冷卻條件的影響,第四節(jié) 凝固成形熱過程,一、凝固成形熱過程特點及效率1.凝固成形熱過程特點 凝固成形的基本熱過程包括加熱熔化和冷卻凝固兩個部分。以沖天爐為例，其熱交換區(qū)可分為預(yù)熱區(qū)、熔化區(qū)、過熱區(qū)和爐缸區(qū)4個部分。（1）預(yù)熱區(qū)的熱交換特點

57、1）爐氣給熱以對流方式為主。2）傳遞熱量大3）溫度變化大,（2）熔化區(qū)的熱交換特點1）爐氣給熱以對流傳熱為主。2）呈凹形分布。3）高度波動大。（3）過熱區(qū)熱交換的特點1）鐵水的受熱以與焦炭接觸傳導(dǎo)導(dǎo)熱為主。2）傳熱強度大。3）爐氣最高溫度與區(qū)域高度起決定作用。（4）爐缸區(qū)的熱交換特點 與過熱區(qū)相仿,2.凝固成形加熱過程熱效率 凝固成形加熱過程的熱效率與冶煉方式、熱源種類及冶煉材料的性能等因素有關(guān)。二

58、、凝固成形熱溫度場 根據(jù)鑄件溫度場隨時間的變化，能夠預(yù)測鑄件凝固過程中其斷面上各時刻的凝固區(qū)域大小及變化，凝固前沿向中心推進(jìn)的速度、縮孔和縮松的位置，凝固時間等重要問題。,四種情況下，鑄件和鑄型的溫度分布特點1.鑄件在絕熱鑄型中凝固溫度分布特點,2.以金屬-鑄型界面熱阻為主的金屬型中凝固溫度分布特點,3.厚壁金屬型中凝固溫度的分布特點,4.水冷金屬型中凝固溫度分布特點,第五節(jié) 塑性成形熱過程特點及溫度場一、塑性成形熱過程

59、的基本特點 固體金屬材料的加熱過程，主要是熱源通過對流和輻射的形式對金屬加熱，在金屬內(nèi)部主要通過熱傳導(dǎo)的形式傳遞熱量，使金屬材料的溫度逐步均勻化。1.金屬材料的熱擴散率是溫度的函數(shù) 材料的熱擴散性好，即表明加熱時溫度在金屬內(nèi)部傳播的速度快，因而在材料斷面上的溫差就 小，由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就??；同時，由于加熱時，溫度均勻化的速度快，因而可以采用快速加熱的方法提高生產(chǎn)率。,2.鋼在加熱過程中的氧化及脫碳,二、塑性成

60、形加熱過程的熱效率 金屬坯料的加熱方法，按所采用熱源種類分為火焰加熱和電加熱兩大類。 各種加熱方法的熱效率都不相同。三、塑性成形的溫度場 塑性成形在鋼錠或鋼材加熱過程中，開始時總是表面溫度高于中心溫度，出現(xiàn)斷面溫差，溫差 大小取決于鋼材熱擴散性能、斷面尺寸、加熱速度以及爐溫與料溫的溫度差。鍛件在冷卻過程中，初期表面冷卻速度快，同樣也會出現(xiàn)斷面溫度差，只是此時是表面溫度低于中心部。,第四章 塑性成形理論基礎(chǔ)

61、,材料成形技術(shù)基礎(chǔ),,材料成形技術(shù)基礎(chǔ),4.1.1冷塑性變形機理,多晶體的塑性變形包括晶內(nèi)變形和晶界變形（晶間變形）兩種。在冷態(tài)條件下，由于晶界強度高于晶內(nèi)，多晶體的塑性變形主要是晶內(nèi)變形，晶間變形只起次要作用，而且需要有其它變形機制相協(xié)調(diào)。,§4-1金屬冷態(tài)下的塑性變形,晶內(nèi)變形方式有滑移和孿生。由于滑移所需臨界切應(yīng)力小于孿生所需臨界切應(yīng)力，故多晶體塑性變形的主要方式是滑移變形，孿生變形是次要的，一般僅起調(diào)節(jié)作用。

62、對于密排六方金屬，孿生變形起著重要作用。,,圖4-1 晶體滑移時的應(yīng)力分析,晶體的滑移過程，實質(zhì)上是位錯的移動和增殖的過程。由于在這個過程中位錯的交互作用，位錯反應(yīng)和相互交割加劇，產(chǎn)生固定割階、位錯纏結(jié)等障礙，使位錯難以越過這些障礙。要使金屬繼續(xù)變形，就需要不斷增加外力，便產(chǎn)生了加工硬化。,圖4-2 刃型位錯運動造成晶體滑移變形的示意,圖4-3 螺型位錯運動造成晶體滑移變形的示意,圖4-4 面心立方晶體孿生變形示意,冷塑

63、性變形時，多晶體主要是晶內(nèi)滑移變形;實質(zhì)上是位錯的移動和增殖的過程;由于位錯的交互作用,塑性變形時 產(chǎn)生了加工硬化。,4.1.2 冷塑性變形特點,（1）各晶粒變形的不同時性 塑性變形首先在位向有利的晶粒內(nèi)發(fā)生,位錯源開動,但其中的位錯卻無法移出此晶粒,而是在晶界處塞積。位錯塞積產(chǎn)生的應(yīng)力場越過晶界作用到相鄰晶粒上,使其得到附加應(yīng)力。隨外加應(yīng)力的增大,最終使相鄰位向不利的晶粒中滑移系的剪應(yīng)力分量達(dá)到臨界值而開動起來

64、,同時也使原來的位錯塞積得到釋放,位錯運動移出晶粒。如此持續(xù)運作,使更多晶粒參與變形。,（2）各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性,晶粒的變形需要相互協(xié)調(diào)配合，如此才能保持晶粒之間的連續(xù)性，即變形不是孤立和任意的。（3）變形的不均勻性 軟位向的晶粒先變形，硬位向的晶粒后變形，其結(jié)果必然是各晶粒變形量的差異，這是由多晶體的結(jié)構(gòu)特點所決定的。,4.1.3 冷塑性變形對組織與性能的影響1）對金屬組織的

65、影響（1）在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶和孿生帶等組織（2）形成了纖維組織,冷加工變形后，金屬晶粒形狀發(fā)生了變化，變化趨勢大體與金屬宏觀變形一致。軋制變形時，原等軸晶粒沿變形方向伸長。變形程度大時，晶粒呈現(xiàn)為一片如纖維狀的條紋，稱為纖維組織。當(dāng)有夾雜或第二相質(zhì)點時，則它們會沿變形方向拉長成細(xì)帶狀或粉碎成鏈狀。,（3）變形織構(gòu) 多晶體塑性變形時伴隨著晶粒的轉(zhuǎn)動，當(dāng)變形量很大時，多晶體中原為任意取向的各個晶粒，會逐漸調(diào)整其取向

66、而彼此趨于一致，這種由于塑性變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織，稱為“變形織構(gòu)”。,圖4-5 絲織 構(gòu)示意圖a）拉拔前 b）拉拔后,圖4-6 板織構(gòu)示意a) 軋制前 b）軋制后,圖4-7 因板織構(gòu)所造成的“制耳”a) 無制耳 b) 有制耳,（4）晶粒內(nèi)產(chǎn)生胞狀亞結(jié)構(gòu) 塑性變形主要是借位錯的運動而進(jìn)行的。經(jīng)大變形后，位錯密度可從退火狀態(tài)的106～107cm-2增加到1011～1012cm-2。位錯運動及

67、交互作用結(jié)果，其分布是不均勻的。它們先是比較紛亂地糾纏成群，形成“位錯纏結(jié)”。如果變形量增大，就形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。,2）對金屬性能的影響 隨著變形程度的增加，金屬強度、硬度增加，而塑性、韌性降低。 金屬的性能將顯示各向異性 。,圖4-8 45號鋼力學(xué)性能與變形程度的關(guān)系曲線,§4-2金屬熱態(tài)下的塑性變形4.2.1熱塑性變形時軟化過程,（1）動態(tài)回復(fù) 動態(tài)回復(fù)是在熱變

68、形過程中發(fā)生的回復(fù)，金屬即使在遠(yuǎn)高于靜態(tài)再結(jié)晶溫度下塑性變形時一般也只發(fā)生動態(tài)回復(fù)。（2）動態(tài)再結(jié)晶 動態(tài)再結(jié)晶是在熱變形過程中發(fā)生的再結(jié)晶，與靜態(tài)再結(jié)晶一樣，也是通過形核和生長來完成的。它容易發(fā)生在層錯能較低且有較大熱變形程度的金屬上。,（3）靜態(tài)回復(fù) 在較低的溫度下、或在較早階段發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程成為靜態(tài)回復(fù)。它是變形后的金屬自發(fā)地向自由能降低的方向轉(zhuǎn)變的過程。,（4）靜態(tài)再結(jié)晶 在再