材料成型技术基础复习重点

1.1

1.常用的力学性能判据各用什么符号表示？它们的物理含义各是什么？

塑性，弹性，刚度，强度，硬度，韧性

1.2

金属的结晶：即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成晶体的过程。

细化晶粒的方法：生产中常采用加入形核剂、增大过冷度、动力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。

合金的晶体结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元相互之间作用方式不同，可以形成固溶体、金属化合物和机械混合物三种结构。

固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。1.3

铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体

1.4

钢的牌号和分类

影响铸铁石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度

1.5

塑料即以高聚物为主要成分，并在加工为成品的某阶段可流动成形的材料。

热塑性塑料：即具有热塑性的材料，在塑料整个特征温度范围内，能反复加热软化和反复加热硬化，且在软化状态通过流动能反复模塑为制品。

热固性塑料：即具有热固性的塑料，加热或通过其他方法，能变成基本不溶、不熔的产物。

橡胶橡胶是可改性或已被改性为某种状态的弹性体。

1.6

复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的多相材料。

通常是其中某一组成物为基体，而另一组成物为增强体，用以提高强度和韧性等。

1.8工程材料的发展趋势

据预测，21世纪初期，金属材料在工程材料中仍将占主导地位，其中钢铁仍是产量最大、覆盖面最广的工程材料，但非金属材料和复合材料的发展会更加迅速。

今后材料发展的总趋势是：以高性能和可持续发展为目标的传统材料的改造及以高度集成化、微细化和复合化为特征的新一代材料的开发。

2.0材料的凝固理论

凝固：由液态转变为固态的过程。

结晶：结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。

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

偏析：金属凝固过程中发生化学成分不均匀的现象

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2.1

铸件凝固组织：宏观上指的是铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等情况，铸件的凝固

组织是由合金的成分和铸造条件决定的。

铸件的宏观组织一般包括三个晶区：表面的细晶粒区、柱状晶粒区和内部等轴晶区。3.0

金属塑性成形指利用外力使金属材料产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，从而获得各种产品的加工方法。

主要应用：

（1）生产各种金属型材、板材、线材等；

（2）生产承受较大负荷的零件，如曲轴、连杆、各种工具等。

3.1

金属塑性成形特点

（1）产品力学性能优于铸件和切削加工件；

（2）材料利用率高，生产率高；

（3）产品形状不能太复杂；

（4）易实现机械化、自动化，模具投资较大。

塑性与柔软性的区别是什么？

塑性反映材料产生永久变形的能力。

柔软性反映材料抵抗变形的能力。

影响塑性的内部因素

1．化学成分

（1）杂质

（2）合金元素对塑性的影响

2．组织结构

包括组元的晶格、晶粒的取向、晶界的特征等。

影响金属塑性的外部因素

1.变形温度

金属的塑性可能因为温度的升高明而得到改善。

2.变形速度

变形速度对塑性的影响比较复杂。当变形速度不大时，随变形速度的提高塑性是降低的；而当变形速度较大时，塑性随变形速度的提高反而变好。

3.变形程度

变形程度对塑性的影响，是同加工硬化及加工过程中伴随着塑性变形的发展而产生的裂纹倾向联系在一起的。

4.应力状态

5.变形状态

6.尺寸因素

7.周围介质

提高金属塑性的主要途径

(1)控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；

(2)采用合适的变形温度—速度制度；

(3)选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；

(4)避免加热和加工时周围介质的不良影响。

金属的加工硬化：即金属在低于再结晶温度加工时，由于塑性应变而产生的强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象。

回复：即将冷成形后的金属加热至一定温度后，使原子恢复到平衡位置，晶内残余应力大大减小的现象。

T回＝（0.25～0.3）T熔K

生产中常利用回复消除加工硬化后工件的残余内应力。

再结晶：即塑性变形后金属被拉长的晶粒重新生核、结晶，变为等轴晶粒的现象。

T再＝0.4 T熔K

冷成形：即坯料在回复温度以下进行的塑性成形过程，变形过程中会出现加工硬化。热成形：即金属在再结晶温度以上进行的塑性成形过程。

温成形：即金属在高于回复温度以上和低于再结晶温度范围内进行的塑性成形过程。

例1：已知铅的熔点为327℃，钨的熔点为3380℃。问：铅在20℃、钨在1000℃时变形各属哪种变形？为什么？

解：T铅再＝0.4T 熔＝0.4（327+273）

＝240°K ＝-33℃< 20℃

故铅在20℃属于热变形.

T 钨再＝0.4 T熔＝0.4（3380+273）

＝1461°K ＝1188℃>1000℃

T 钨回＝（0.25－0.3）T熔

＝（913－1096）K

＝（640－823）℃< 1000℃

故钨在1000℃属于温变形。

锻造比“y”：锻造时变形程度的一种表示方法，通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示。

拔长时：y = A0 （前）/ A （后）= L / L0

镦粗时：y = A / A0 = H0 / H

一般：随y增大，金属力学性能提高；

结构钢钢锭的y通常为2－4

最小阻力定律变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的方向移动。即做最少的功，走最短的路。

最小周边法则存在接触面摩擦时，物体各质点向周边流动的阻力与质点离周边的距离成正比，因而必然向周边最短法线流动，周边形状表现为最小的圆形。

均匀变形与不均匀变形

若变形区内金属各质点的应变状态相同，即它们相应的各个轴向上变形的发生情况，发展方向及应变量的大小都相同，这个体积的变形可视为均匀的。

不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。因此，凡是影响金属塑性流动的因素，都会对不均匀变形产生影响。

均匀变形：变形区某体积内金属各质点的变形状态相同，就称为均匀变形，否则就叫不均匀变形。

均匀变形的特点：1.平面与直线2.圆与球体3.相似单元体

残余应力的来源：不均匀变形相变热处理铸造电镀机加工等

残余应力所引起的后果

引起物体尺寸和形状的变化

使零件的使用寿命缩短

降低了金属的塑性加工性能

降低金属的耐蚀性及冲击韧性和疲劳强度

减小或消除残余应力的措施

热处理方法

机械处理法

零件彼此碰撞

喷丸法

表面压平

表面拉制

在模子中表面校形或精压

3.2

锻造锻造是在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料、铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得具有一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。

自由锻把加热好的坯料放在自由锻造设备的平砧之间或简单的工具中进行锻造的方法称为自由锻。

（1）分类

1）手工锻造，生产小型锻件。

2）机器锻造，生产大、中、小型锻件。

（2）特点

）金属坯料在水平方向可自由流动；

2）可使用多种锻压设备；

3）锻件力学性能好；

4）节约金属，减少切削加工工时；

5）锻件形状简单，精度低；

6）生产率较低，劳动强度较大。

主要用于形状简单的单件小批生产，

特别适于重型、大型锻件生产。

（4）自由锻的基本工序

1）辅助工序：

为方便基本工序的操作而预先进行局部小变形的工序。如倒棱、压肩等。

2）精整工序：

修整锻件最终形状和尺寸、消除表面不平和歪斜的工序。如修整鼓形、校平、校直等。3）基本工序：

锻造过程中直接改变坯料形状和尺寸的工序。如镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、锻接等。

模锻把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造的方法称为模锻。（1）模锻分类：

1）锤上模锻：在锻锤上进行；

2）胎模锻：在自由锻设备上使用可移动模具；

3）压力机上模锻：在压力机上对热态金属进行模锻。

（2）模锻特点

1）坯料整体塑性变形，三向受压；

2）锻件尺寸精确，加工余量小；

3）锻件形状可较复杂；

4）生产率较高；

5）锻模造价高，制造周期长；

适于小型锻件的成批大量生产。

如飞机、机车、军工、轴承等制造业中的

齿轮、轴、连杆等零件。

（3）模锻方法

1）锤上模锻：

即在锻锤上进行的模锻。按所用设备和模具不同，可分为锤模锻和胎模锻。

2）锻造压力机模锻

其锻造工艺流程是：

备料－－加热－－模锻－－切边、冲孔－－热处理－－酸洗、清理－－校正。

组成模锻工艺的几种工序：

1）备料工序；

2）加热工序；

3）锻造工序：制坯和模锻（预锻和终锻）

冲压是使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称。

冲压特点1）冲压件轻、薄、刚度好；

2）生产率和材料利用率高；

3）成品形状可较复杂、尺寸精度高、表面质量好、质量稳定，一般无需切削加工；4）大批量生产时，产品成本低。

冲压基本工序

⑴冲裁：即利用冲模将板料以封闭或不封闭的轮廓线与坯料分离的冲压方法。

即用带刃口的冲模使板料分离。

⑵弯曲：即将板料、型材或管材在弯矩的作用下弯成具有一定曲率和角度的制件的成形方法。

⑶拉深：也称为拉延，是使板料成形为空心件而厚度基本不变的加工方法。

铸造方法

砂型铸造将熔化的金属注入砂型，凝固后获得铸件的方法，也称一次型铸造。

特种铸造除砂型铸造以外的铸造方法。如：熔模铸造、压力铸造、离心铸造等。

砂型铸造的特点:

（1）生产周期短，产品成本低；

（2）产品批量、大小不受限制；

（3）劳动强度大，劳动条件较差；

（4）铸件质量不稳定，易产生缺陷

按使用的工具不同，分为手工造型和机器造型。

（1）手工造型：指全部用手工或手动工具完成的造型工序。

1）特点：操作灵活，适应性强，成本低，生产准备时间短，铸件质量差，劳动强度大，生产率低。

2）应用：单件、小批量生产，各种大、小型铸件。

（2）机器造型指用机器完成全部或至少完成紧砂操作的造型工序。

1）特点：

①提高了生产率，铸件尺寸精度较高；

②节约金属，降低成本；

③改善了劳动条件；

④设备投资较大。

2）应用：成批、大量生产各类铸件。

特种铸造：是指与砂型铸造有显著区别的一些铸造方法。

例如：熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、低压铸造、陶瓷型铸造、

壳型铸造和连续铸造等。

熔模铸造：即用易熔材料制成模样，用造型材料将其包覆，制成型壳，熔出模样，经高温焙烧，浇注获得铸件的方法。

（2）熔模铸造的特点

1）铸件精度和表面质量较高。

2）可以铸造形状复杂的薄壁铸件。

3）生产批量不受限制。

4）原材料价格贵，铸件成本高。

5）工艺过程繁杂，生产周期长。

6）铸件尺寸不能太大，质量一般小于25Kg。

3.3

零件结构的工艺性

定义:指在一定生产批量和制造条件下，零件结构能否用最经济的方法制造出来并符合设计要求的能力。

铸件结构设计应遵循的基本原则：

1）铸件的结构形状应便于造型、制芯和

清理；

2）铸件的结构形状应利于减少铸造缺陷。

3）对铸造性能差的合金如球墨铸铁、可锻铸铁、铸钢等，其铸件结构应从严要求，以

免产生铸造缺陷。

铸造工艺设计包括：

1.选择铸造方法或造型方法

2.铸件的浇注位置和分型面位置，型芯和芯头结构；

3.加工余量、收缩率和拔模斜度等工艺参数；

4.浇注系统、冒口和冷铁的布置等；

5.将所确定的工艺方案用文字和铸造工艺符号在零件图上表示出来，绘制铸造工艺图。

浇注位置的选择原则

(1)铸件的重要加工面或主要工作面应朝下或位于侧面，避免砂眼、气孔和夹渣

(2)铸件的大平面应朝下，减少辐射防开裂夹渣。

(3)面积较大的薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置，防止产生浇不足冷隔。

(4)对于容易产生缩孔的铸件，应使厚的部分放在铸型的上部或侧面，以便在铸件厚壁处直接安置冒口，使之实现自下而上的定向凝固

(5)芯子数量力求少，砂垛代芯省又好。

4.3自由锻基本工序

5.1

冲压工序的分类

根据材料的变形特点分：分离工序、成形工序

落料：用模具沿封闭轮廓冲裁板料或条料，冲下部分为工件。

冲孔：用模具沿封闭轮廓冲裁板料或条料，冲下部分为废料。

弯曲：用模具把平面毛坯弯成具有一定角度或一定形状。

冲模：冲压生产对模具结构的基本要求是：在保证冲出合格冲件的前提下，不但应与生产批量相适应，而且还具有结构简单、操作方便、安全、使用寿命长、易于制造、维修、成本低廉等特点。

冲模通常由上、下模两部分构成。组成模具的零件主要有两类：

工艺零件：直接参与工艺过程的完成并和坯料有直接接触，包括：成形零件、定位零件、卸料与压料零件等；

结构零件：不直接参与完成工艺过程，也不和坯料有直接接触，只对模具完成工艺过程起保证作用，或对模具功能起完善作用，包括：导向零件、紧固零件、支撑固定零件等.

5.2

冲裁所产生的废料：一类是结构废料；另一类是工艺废料。

6.0

连接成形是将若干个构件连接为一体的成形方法，按其机理不同，可分为焊接、胶接和机械连接等三大类。

焊接是利用局部加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使分离的两部分通过原子的扩散与结合而形成永久性连接的一种工艺方法。

（1）熔焊指焊接过程中将焊件加热至熔化状态，不加压力而完成焊接的方法。熔焊适用于各种金属和合金的焊接加工，常见的熔焊方法有气焊、电弧焊、电渣焊等。（2）压焊指焊接过程中对焊件施加压力（加热或不加热）而完成焊接的方法。压焊适用于塑性较好的金属材料的焊接，常见的压焊方法有电阻焊、摩擦焊等。

（3）钎焊指将比母材（被焊接的材料的总称）熔点低的填充金属（称作钎料）熔化之后填充工件接头间隙，并与固态母材相互扩散以实现连接的焊接方法。钎焊不仅适合于同种材料的焊接加工，也适合于异种金属或异类材料的焊接。

焊接接头是由相互联系，而在组织和性能上又有区别的三部分所组成，包括焊缝区、熔合区和热影响区。

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焊接应力的减少和消除

减少和消除焊接应力的常用措施

①尽量减少焊缝数量和尺寸，并避免焊缝密集和交叉；

②采用合理的焊接顺序，使焊缝自由收缩；

③加热减应区；

④锤击焊缝；

⑤预热和后热。

⑥去应力退火：加热温度为500～650℃，可进行整体或局部去应力退火。

⑦机械拉伸法：对焊件施加载荷，使焊缝区产生塑性拉伸如：压力容器的水压试验。

⑧温差拉伸法：利用温差使焊缝两侧金属受热膨胀以对焊缝区进行拉伸，使其产生拉伸塑性变形，减少或消除应力。

⑨振动法：通过激振器使焊接结构发生共振产生循环应力来降低或消除内应力。

（2）防止焊接变形的措施：

1）在结构设计上：

a尽量减少焊缝的数量和尺寸；

b合理选用焊缝的截面形状；

c合理地安排焊缝位置；

2）在工艺上：

①反变形法；

②加余量法；

③刚性固定法；④合理选用焊接方法和焊接规范；

⑤选用合理的装配焊接顺序；

⒈热裂纹（在固相线附近高温下产生的裂纹）

防止措施

①限制母材和焊接材料的低熔点杂质；

②提高焊缝成形系数（即焊道的宽度与计算厚度之比）；

③细化焊缝晶粒，减少偏析；

④减少焊接应力（预热）；

⑤操作上填满弧坑。

2.冷裂纹（在马氏体开始转变温度以下产生的裂纹）

产生的原因焊接接头存在淬硬组织；焊接接头氢含量较高；较大的焊接拉应力

防止措施

①减少氢来源：用碱性焊条，要烘干，接头要清洁；

②避免产生淬硬组织：如采用焊前预热、焊后缓冷的方法；

③焊后立即进行消氢处理：（即加热到250℃，保温一定时间，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面），减少氢的危害；

④降低焊接应力：采用合理的焊接工艺规范和焊后热处理等。

正接与反接

正接指工件接阳极，焊条接阴极，适用于焊接较厚的工件。

反接指工件接阴极，焊条接阳极，适用于焊接非铁金属及合金薄钢板，以免烧穿焊件。焊接件工艺设计

①选择焊接结构材料（母材）；

②确定焊接方法及焊接材料；

③确定焊接接头及坡口形式；

④合理布置焊缝位置；

⑤制订合理的焊接规范；

⑥绘制焊接结构工艺图。

焊接基本原则

①在满足使用性能要求的前提下，应尽量选用焊接性较好的材料。

②尽量选用同一种材料焊接。若必须采用异种金属焊接，须尽量选择化学成分、物理性能相近的材料。

③尽量采用廉价材料，仅在有特殊要求的部位采用特种材料，以降低成本。

④尽量选用轧制型材，以简化工艺，降低成本，且可减少缺陷。形状复杂部位可采用冲压件、铸钢件等。

影响因素

①材料的焊接性；

②工件结构特点及其工艺性；

③生产批量；

④经济性。

工件的焊接缺陷

焊接缺陷是指焊接过程中在焊接接头中产生的不符合设计或工艺条件要求的缺陷。主要有焊接裂纹、未焊透、未熔合、夹渣、气孔、咬边和焊瘤等。

焊接缺陷的影响：①产生应力集中，降低承载能力；

②引起裂纹，缩短使用寿命；

③造成脆断，引发事故；

焊缝在空间的位置：

平焊；横焊；立焊；仰焊。

7.0

表面技术(surface technology)是应用物理、化学、机械等方法，改变或控制材料表面的化学成分或组织结构，以获得所需要的表面状态和性能，提高产品可靠性或延长产品使用寿命的各种技术的总称。

按照表面技术的方法和手段分类，可以将表面技术分为三个大类：表面涂镀技术、表面改性技术和表面处理技术

堆焊是用焊接的方法，即利用火焰、电弧、等离子弧等热源将堆焊材料熔化，靠自身重力在工件表面堆覆成耐磨、耐蚀、耐热涂层的工艺方法。

8.0

粉末冶金和陶瓷材料以粉体（粉末）为原材料，经过成形和烧结工艺制备而成。

凝固缺陷：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。

缩松是指铸件最后凝固的区域没有得到液态金属或合金的补缩形成分散和细小的缩孔。

(a)柱状晶：

优点：结晶后缩松少，晶间杂质少，组织较致密，且性能有明显的方向性，纵向好，横向差；

缺点：杂质元素被排斥在界面前沿的柱状晶和等轴晶的交界处，容易导致铸件的裂纹产生。

（b）等轴晶

优点：晶界面积大，杂质和缺陷分布较分散，性能均匀没有方向性；

缺点：枝晶发达，显微缩松较多，凝固后组织不致密。

改进方法：细化等轴晶粒以改善其性能