材料成型复习提纲

铸造

铸造指熔炼金属、制造铸型并将熔融金属浇入铸型凝固后，获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或毛坯的成型技术。

优点：铸造的工艺适应性强，铸件的结构形状和尺寸几乎不受限制；工业上常用的合金几乎都能铸造；铸造原材料来源广泛，价格低廉，设备投资少；铸造适于制造形状复杂、特别是内腔形状复杂的零件或毛坯，尤其是要求承压、抗振或耐磨的零件。

缺点：铸件的质量取决于成形工艺、铸型材料、合金的熔炼与浇注等诸多因素，易出现浇不到、缩孔、气孔、裂纹等缺陷，且往往组织疏松，晶粒粗大。

金属液的充型能力

金属液的充型能力指金属液充满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状准确的铸件的能力。

影响金属充型能力的因素有三个：金属的流动性、铸型条件、浇注条件。

金属的流动性取决于金属的合金成分、质量热容、密度和热导率。

金属根据合金成分可分为共晶和非共晶，以及三种凝固方式：逐层凝固、中间凝固和糊状凝固。

铸型条件有：铸型的蓄热系数、铸型温度和铸型中的气体。

浇注条件有：浇铸温度和充型压力。

金属的收缩特性

金属收缩可以分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段。

液态收缩是金属液在液态时由于温度降低而产生的体积收缩，液态收缩量与金属液的过热度成正比。

凝固收缩是金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件出现缩孔的根本原因

固态收缩是金属在凝固后由于温度降低而产生的体积收缩。固态收缩一般表现为线尺寸的缩小，股一般使用线收缩率来表示。固态收缩是产生变形、裂纹等缺陷的主要原因

缩孔容易出现在逐层凝固的共晶合金中，缩松容易出现在铸件的轴线附近以及热节部位。缩孔缩松容易造成铸件的力学性能下降，可以采用顺序凝固原则以及加压补缩避免缺陷的出现。

铸造应力是铸件在凝固和冷却的过程中由受阻收缩、热作用和相变等因素引起的内应力。

由铸型自身结构引起的铸造应力是收缩应力，采用提高沙型的退让性、合理设置浇注系统和及时开箱落沙等措施，可以有效减少收缩应力。

热应力则是铸件在冷却过程中因为不同部位的温差造成不均匀收缩而引起的铸造应力。具体体现为先冷却的部位受到拉应力，后冷却的受到压应力。铸造应力可以采用合理设计的铸型结构、同时凝固原则、去应力退火和反变形法等措施减少。

铸件裂纹可以分为热裂和冷裂：热裂断面严重氧化，无金属光泽外形弯曲不规则；冷裂表面有光泽，多为直线或圆锥曲线。减小铸造应力以及严格限制铸件中的硫、磷含量可以降低裂纹的出现几率。

常见铸造合金的铸造性能

金属类别	命名规则	铸造性能
灰铸铁	HT(抗拉强度值MPa)	铸造性能极佳，可采用同时凝固原则
球墨铸铁	QT(抗拉强度值MPa)-(伸长率)	铸造性能较好，采用顺序凝固原则
可锻铸铁（不可锻造）	KTH(Z)(最低抗拉强度值MPa)-(伸长率)	铸造性能一般，采用顺序凝固原则
铸钢	ZG(屈服强度MPa)-(抗拉强度MPa)	铸造性能较差，采用顺序凝固原则
铸造铝合金	-	铝硅合金为共晶，铸造性能好，其他铝合金铸造性能差，采用顺序凝固原则。大批量或重要零件宜采用特种铸造
铸造铜合金	-	铸造性能较差，成糊状凝固，采用顺序凝固原则。在致密度要求不高时，可以采用同时凝固原则。

特种铸造方法

铸造方法	主要特点	适用范围
金属型铸造	节约材料减少污染，工艺简单利于自动化，铸件精度高，表面粗糙度低，力学性能好。但铸件冷却快不宜铸造结构复杂的铸件	成批大量生产铝、铜合金等非铁中小铸件，如：活塞、缸体、液压泵壳体、轴瓦和轴套
压力铸造	压力铸造生产率高，操作简便，可获得形状复杂的薄壁件，且铸件精度高、表面粗糙度地、组织致密力学性能好。但是设备投资达，铸型的寿命较短，同时因为空气排出困难，容易出现气泡。因此压铸件不能进行切削加工和热处理	铝、锌、镁等非铁合金中小型铸件的大量生产，如：内燃机缸体、缸盖、仪表和电器零件
低压铸造	夹杂气孔较少，铸型的形状可以较为复杂，精度高，铸件的组织致密，力学性能	铝、镁合金等非铁合金中小型铸件的成批大量生产，适用于复杂的薄壁件，如：内燃机活塞、缸盖和缸体
离心铸造	易于补缩且渣粒、砂子和气体等易向内表面浮动，铸件组织致密，内部不容易产生缩孔缩松等铸造缺陷，力学性能高。而且还可以用来生产双金属铸件	各类铸造合金及各种尺寸的铸件成批大量铸造，尤其是回转体件，如：铸铁管、气缸套和滑动轴承
熔模铸造	铸件精度高，表面粗糙度低，形状可较复杂。但是工序繁复、生产周期长，原料昂贵，大尺寸的蜡模容易变形	高熔点、难加工合金的小型铸件成批大量生产，如：汽轮机叶片、成型刀具和小型零件等
实型铸造	不用起模造型，工序少，生产效率高，几乎不受铸件结构、尺寸、重量和合金种类的限制，铸件的精度高，形状可以比较复杂。但是存在污染环境，铸钢件表面易增碳等问题	形状复杂的铸件生产
连续铸造	工艺简便、生产效率高，铸件组织致密、力学性能好。但是此方法仅适用于等截面的长铸件的大批量生产	铸钢、铸铁、铜合金和铝合金的等截面长铸体的成批大量生产，如：铸铁管和型材

铸造工艺设计

浇注位置的选择原则：

• 铸件的重要加工面或主要工作面应处于底面或侧面，以避免出现气孔、砂眼、缩孔、缩松等铸造缺陷。
• 铸件的大平面应尽可能朝下或采用倾斜浇注，以避免产生夹砂、夹渣、气孔等缺陷。
• 铸件的薄壁部分应放在铸型的下面或侧面，以免产生浇不到、冷隔等铸造缺陷。
• 对于收缩大的铸件，为利于设置冒口进行补缩，厚实部位应置于上方。

分型面的选择原则：

• 铸件全部或大部置于下箱难以做到时，铸件上的机械加工面及加工和测量基准面应尽量放在同一砂箱中。
• 分型面尽量少而平，以减少砂箱数，简化造型工艺。
• 应尽量减少型芯、活块的数量，以减少成本、提高工效。
• 主要型芯应尽量放在下半铸型中，以利于下芯、合型和检查型腔尺寸。

铸造工艺参数有：铸件尺寸公差、要求的机械加工余量、铸件线收缩率、起模斜度。

合金的铸造性能对零件结构的要求：

• 铸件壁厚（铸件壁厚应适当，铸件壁厚应均匀，内壁的厚度应小于外壁）
• 铸件壁的连接（转角处应采取圆角过度，应避免壁的交叉和锐角连接）
• 防止铸件变形
• 避免较大的水平面
• 减少轮形铸件的内应力

铸造工艺对零件结构的要求：

• 铸件外形（有利于减少和简化铸型的分型面，侧凹和凸台不应妨碍起模，垂直分型面的非加工面应该具有结构斜度）
• 铸件的内腔（内腔形状应利于制芯或省去型芯，应利于型芯的固定、排气和清理）
• 大件和形状复杂件可采用组合结构

塑性成形

单晶体的塑性成形的主要机理是单晶体滑移；多晶体的塑性成形包括晶内变形和晶间变形：晶内变形主要是以滑移方式进行，晶间变形则是晶间的相对滑动和转动。

金属的加工硬化是金属在低于再结晶温度加工时，由于塑性应变而产生的硬度和强度增加现象。主要是晶粒沿变形方向被拉长，滑移面附近晶格产生畸变，并出现许多微小碎晶。加工硬化会使后续的切削加工难度加大，应此在大多数情况下应给予消除。

回复是在冷成型后，加热至回复温度$$0.25T_{m.p.}K-0.3T_{m.p.}K$$回复使晶格畸变减轻或消失，但晶粒不变，适用于保持较高强度且降低脆性的场合。

再结晶是塑性变形后金属被拉长了晶粒重新生核、结晶，变为等轴晶粒的现象，可以使加工硬化现象完全消除，再结晶温度在$$0.4T_{m.p.}K$$以上。

冷成型是坯料在回复温度以下进行的塑性成形，热成型是坯料在再结晶温度以上进行的塑性成形，温成型是坯料在回复温度与再结晶温度之间进行的塑性成形。

锻造比是锻造时变形的一种表示方法，通常为变形前后的截面比、长度比或高度比。

例如，拔长时：

$$y=A_o/A=L/L_o$$

镦粗时：

$$y=A/A_o=H_o/H$$

塑性杂质随省金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性，通常称为锻造流线。锻造流线分布：工作时最大正应力方向与流线方向一致，切应力方向与流线方向垂直，且流线沿零件轮廓分布而不被切断。

锻造

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焊接

焊接是通过加热、加压或者二者并用，并且用或者不用补充材料，使工件达到结合的一种方法。根据焊接的特点可以分成：熔焊、压焊和钎焊。

焊接焊头的组织转变：

• 焊缝金属区：由焊缝表面和熔合线所包围的区域，可能出现淬硬组织甚至焊接裂缝。
• 熔合区：母材和焊缝的交接过渡区，可能出现淬硬组织，是焊接接头中最薄弱的部位，常是焊接裂缝的发源地。
• 热影响区：
  1. 过热区：热影响区力学性能最差的部位，对于易淬火钢，易转变为淬硬组织，力学性能更差。
  2. 相变重结晶区：热影响区中具有正火组织，是焊接接头中性能最好的区域，但对于易淬火钢，亦易转变为淬硬组织。
  3. 不完全重结晶区：晶粒和组织不均匀，力学性能差，对于易淬火钢，易转变为淬硬组织。

焊接应力与变形

焊接的残余应力基本是双轴分布：厚度方向的残余应力很小；纵向残余应力在焊缝区是拉应力，其他部位是压应力；横向残余应力在焊缝两端是压应力，中部是拉应力。

焊接残余变形有五种：收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和失稳变形。

焊接残余变形的矫正方法：机械矫正法和火焰矫正法。

熔焊

熔焊方法	主要特点	适用范围
埋弧焊	焊缝质量好、表面光滑美观，节约焊接材料和电能	大电流焊接较厚板料的长、直焊缝和较大直径的环形焊缝
气体保护电弧焊	-	-
- 熔化极气体保护焊	焊缝深大、焊接速度快、生产效率高，明弧可见，便于操作，工艺适应性强，可全位置焊接，焊接材料利用率高，能耗低。但设备成本和维修成本高，且焊接区的气体保护易受外来气体干扰	易氧化的非铁合金和要求较高的各类合金钢的焊接
- 钨极惰性气体保护焊	电弧燃烧稳定，焊接过程明弧可见，便于操作，焊缝区金属含氢量低，适用于对氢致裂敏感的钢材。但钨极载流能力弱，焊接效率低，成本高	不锈钢、耐热钢和各种非铁金属及其合金的焊接
电渣焊	熔覆速度高，加热冷却速度慢，不易产生缺陷，焊缝质量高。但是接头高温停留时间长，热影响区大，所以焊后必须进行正火处理	焊接厚度30mm以上的厚板和大截面结构，碳钢、合金钢、铝等金属材料均可焊接
堆焊	堆焊可以提高零件的使用寿命，易于调节熔覆金属的成分和组织，熔覆速度快、效率高，且可使用已有的焊接设备。但是往往需要焊接异种金属，难度大、技术要求高，且容易产生焊接应力和变形	广泛用于机械零件和工具、模具的制造和修复

压焊

压焊方法	主要特点	适用范围
电阻点焊	焊接头质量高，内应力与变形小，不需要填充材料，生产率高，劳动条件好。但好似所需设备功率大，接头无损检查困难，而且非导电材料无法焊接	薄板、网和空间结构等，焊件厚度一般为0.3-6mm，钢筋和棒料直径最高可达25mm
电阻缝焊	基本与点焊相同，但生产率更高	焊接厚度0.2-2mm，焊接较规则的钢件和轻合金焊件，常用于焊接各类有密闭性要求的容器，如：油箱、罐体和散热器等
电阻对焊	设备和操作简便，接头外形匀称，但焊接处的形状需要尽量相同，待焊断面需要严格清理，且接头力学性能较差	焊接断面紧凑、直径小于20mm的低碳钢棒料和管子，以及直径小于8mm的非铁金属棒料和管子
闪光对焊	较之电阻对焊接头夹渣少、质量高、力学性能好，待焊面不需要清理，可以焊接较大截面。但是设备操作复杂，端面需要尽量相同，且接头有毛刺，劳动条件差	各种金属材料和各种断面的焊件，如：钻头、刀具、钢轨和大型管道等
摩擦焊	接头质量好，焊接精度高，劳动条件好，生产效率高且可以焊接异种材料。但非圆形截面、大型盘状或薄壁件，以及摩擦系数少或易碎的材料难于焊接，且设备投资较大	圆形、管形截面工件的对接，如：刀具、阀门和钻杆

钎焊

钎料指钎焊时用于填充金属的材料，按熔点分为熔点低于450摄氏度的软钎料（锡铅基、铅基、镉基等合金）和高于450摄氏度的硬钎料（铝基、铜基、银基、镍基等合金）。

钎焊焊剂是用于清除钎料和母材表面的氧化物，并在钎焊过程中保护焊件和液态钎料以免氧化，且改善液态钎料对焊件的润湿性。常见的焊剂有松香、氯化锌水溶液、磷酸水溶液等。

钎焊常见的接头型式有：平面搭接接头、T形接头、角接接头和套管接头。

钎焊的加热方式有烙铁加热、火焰加热、电阻加热、感应加热、浸渍加热和炉中加热等。

钎焊加热温度较低、接头光滑平整，组织和力学性能变化小，焊接变形小，且适于焊接异种材料，可同时焊多焊件、多接头，生产效率高。但其接头强度和耐热性能较低，焊前清理和装配要求高|换热器、夹层结构、电真空器件和硬质合金刀具|

其他焊接方法

等离子弧焊、电子束焊、激光焊和扩散焊。

材料的焊接性

材料的焊接性是材料在限定的施工条件下焊接成按规定设定要求的构件，并满足预定服役条件的能力。

材料焊接性的影响因素：

• 材料的化学成分
• 焊接方法
• 焊接材料
• 焊件结构类型
• 服役要求

用碳当量评价钢的焊接性：

$$CE =[\omega(C)+ \frac{\omega(Mn)}{6}+\frac{\omega(Cr)+\omega(Mo)+\omega(V)}{5}+\frac{\omega(Ni)+\omega(Cu)}{15}]\times100% $$

材料类型	焊接要求
低碳钢（CE小于百分之0.4）	焊接性良好，当母材碳含量偏高或在低温下焊接刚性较大结构时，采用预热、后热及使用低氢型焊条或高碱度焊剂等措施
中碳钢（CE一般在0.4% - 0.6%）	焊接性较差，一般进行预热和后热，使用低氢型焊条或高碱度焊剂，使用小电流、低焊速和多层焊，而且焊后应立即热处理
高碳钢（CE高于0.6%）	焊接性更差，采用更高的预热温度和更严格的工艺措施，在实际使用中，高碳钢一般只用于工具、模具的修补和钢轨的对接

焊接结设计和工艺设计

结构材料的选择：

• 在满足使用性能要求的前提下，尽量使用焊接性好的材料。
• 尽量选用廉价材料，仅在有特殊要求的部位采用特种材料，以降低成本。
• 尽量选用轧制型材，以减少备料工作量和焊缝数量，降低成本，且减少焊接应力、变形和焊接缺陷。

焊缝布置：

• 应有足够的操作空间。
• 应避免焊缝密集或汇交。
• 应使焊缝尽量避开工作应力较大和易产生应力集中的部位。
• 应避免母材厚度方向工作时受拉。
• 应尽量使焊缝避开机加工面。

焊接方法的选择应考虑到：材料的焊接性、焊件的结构特征、生产批次以及经济性。

焊接接头：

接头形式	接头特点	适用范围
对接接头	承载载荷时应力分布较均匀，承载能力较强，且节约材料，但焊前备料和装配要求较高	广泛应用
搭接接头	焊前备料和装配简易，但是承载载荷时应力分布不均匀且受剪应力作用，故承载能力不高，且耗材较大	受力不大、板厚较小或现场安装的结构
角接接头和T形接头	可承受不同方向的力和力矩，但容易产生应力集中、承载能力不高	桁架、底座和立柱等结构

对于焊接接头的选择需要同时考虑焊接方法和焊接结构特点和使用要求。对于电阻点焊必须使用搭接，对焊和摩擦焊必须使用对接，而钎焊一般使用搭接。载荷较大的接头一般使用对接，反之则可以使用其他类型的接头。

粉末冶金

粉末冶金是制取金属粉末并通过成型和烧结等工艺将金属粉末或与非金属粉末的混合物制成成品的加工方法。

常用的粉末冶金材料有：硬质合金（刀具、冷作模具、量具以及不受冲击和振动的高耐磨材料）、烧结减摩材料和烧结摩擦材料（制动带和离合器片）和烧结钢（电钻齿轮、油泵齿轮和发动机连杆）

粉末的制取方法：机械法（球磨法、研磨法、雾化法）和物理化学法（还原法、电解法、热离解法）

粉末的预处理包括：分级、混合和制粒。

成形的几种方法有：模压、粉末轧制、挤压成形、等静压制、松装烧结成型、粉末浇注和爆炸成形。

烧结：

• 连续烧结在同一炉内分段经过不同区域的烧结工序，适合大批大量生产，效率高；间歇烧结通过调节炉温进行不同烧结工序，效率低下，适合单件、小批量生产。
• 固相烧结温度低、烧结速度慢、制品强度低；液相烧结温度高、制品强度高且烧结速度快。
• 烧结的成品质量取决于烧结温度和时间以及烧结气氛。

后处理：复压、浸渍、热处理和表面处理