材料成形技術(shù)基礎(chǔ)+第3章.ppt

第四章 塑性成形理論基礎(chǔ) 基本概念 塑性成形利用金屬的塑性 在外力的作用下使金屬發(fā)生塑性變形 從而獲得所需要形狀和性能工件的加工方法 塑性當(dāng)外力增加到使金屬內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)該金屬的屈服點(diǎn) 使其內(nèi)部原子排列的相對(duì)位置發(fā)生變化而相互聯(lián)系不被破壞的性能 塑性變形的特點(diǎn)不能自行恢復(fù)其原始形狀和尺寸 外力停止作用后 塑性變形不會(huì)消失 塑性成形的共性塑性成形的物理本質(zhì)和機(jī)理塑性成形過(guò)程中金屬的塑性行為 抗力行為和組織性能的變化規(guī)律變形體內(nèi)部的應(yīng)力 應(yīng)變分布和質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)規(guī)律變形力和變形功的合理評(píng)估 第一節(jié) 金屬冷態(tài)下的塑性變形 多晶體由許多結(jié)晶方向不同的晶粒組成 每個(gè)晶?？煽闯墒且粋€(gè)單晶 體 在晶粒內(nèi)部晶格的位向是一致的 而各個(gè)晶粒之間存在著一定的位向差 多晶體晶粒之間存在著厚度相當(dāng)小的晶界 晶界的結(jié)構(gòu)與相鄰兩晶粒之間的位相差有關(guān) 一般分為小角度晶界和大角度晶界 晶界的特點(diǎn)晶界結(jié)構(gòu)不完整 存在較多的空位 位錯(cuò)和雜質(zhì)原子 表現(xiàn)出許多不同于晶粒內(nèi)部的性質(zhì) 如室溫時(shí)晶界的強(qiáng)度和硬度高于晶內(nèi) 高溫時(shí)相反 晶界中原子的擴(kuò)散速度比晶內(nèi)原子快得多 晶界的熔點(diǎn)低于晶內(nèi) 晶界易于腐蝕 一 冷塑性變形機(jī)理 多晶體的塑性變形包括晶粒內(nèi)部變形 也稱晶內(nèi)變形 和晶界變形 也稱晶間變形 兩種 1 晶內(nèi)變形 晶內(nèi)變形的主要方式和單晶體一樣為滑移和孿生 其中滑移變形是主要的 而孿生變形是 次要的 一般僅起調(diào)節(jié)作用 1 滑移晶體在力的作用下 晶體中的一 部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于晶體的另一部分發(fā)生相對(duì)移動(dòng) 滑移系一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系 晶體內(nèi)部存在缺陷 點(diǎn)缺陷 線缺陷和面缺陷 由于缺陷的存在 使晶體內(nèi)部各原子處于不穩(wěn)定狀態(tài) 高位能的原子很容易地從一個(gè)相對(duì)平衡的位置移到另一位置上 位錯(cuò)是晶體中的線缺陷 實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)的滑移就是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的 滑移的結(jié)果使大量原子逐步地從一個(gè)穩(wěn)定位置移到另一個(gè)穩(wěn)定位置 產(chǎn)生宏觀的塑性變形 一般地 滑移總是沿著原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生 2 孿生在剪應(yīng)力作用下 晶體的一部分沿著一定的晶面 稱為孿生面 和一定的晶向 稱 為孿生方向 發(fā)生均勻切變 孿生變形后 晶體的變形部分與未變形部分構(gòu)成了鏡面對(duì)稱關(guān)系 2 晶間變形 晶間變形的主要方式是晶粒之間相互滑動(dòng)和轉(zhuǎn) 動(dòng) 多晶體受力變形時(shí) 沿晶界處可能產(chǎn)生剪切應(yīng)力 當(dāng)此剪切應(yīng)力足以克服晶粒彼此間相對(duì)滑動(dòng)的阻力時(shí) 便發(fā)生相對(duì)滑動(dòng) 另外 由于各晶粒所處位向不同 其變形情況及難易程度亦不同 這樣 在相鄰晶粒間必然引起力的相互作用而可能產(chǎn)生一對(duì)力偶 造成晶粒間的相互轉(zhuǎn)動(dòng) 在冷態(tài)變形條件下 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(jī)制相協(xié)調(diào) 這是由于晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi) 各 晶粒相互接觸形成犬牙交錯(cuò)狀態(tài) 造成對(duì)晶界滑移的機(jī)械阻礙作用 如果發(fā)生晶界變形 容易引 起晶界結(jié)構(gòu)的破壞和產(chǎn)生裂紋 因此晶間變形量只能是很小的 二 冷塑性變形特點(diǎn) 1 各晶粒變形的不同時(shí)性 由于組成多晶體的各個(gè)晶粒位向不同 塑性變形不是在所有 晶粒內(nèi)同時(shí)發(fā)生 而是首先在那些位向有利 滑移系上的剪應(yīng)力分 量已優(yōu)先達(dá)到臨界值的晶粒內(nèi)進(jìn)行 2 各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性 由于多晶體中的每一個(gè)晶粒都是處于其它晶粒的包圍之中 它們的變形不是孤立的和任意 的 而是需要相互協(xié)調(diào)配合 否則無(wú)法保持晶粒之間的連續(xù)性 3 晶粒與晶粒之間和晶粒內(nèi)部與晶界附近區(qū)域之間變形的不均勻性 晶粒越小 金屬的屈服極限越大 滑移由一個(gè)晶粒轉(zhuǎn)移到另一個(gè)晶粒 主要取決于晶粒晶界附近位錯(cuò)塞積群所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)能否激發(fā)相鄰晶粒中的位錯(cuò)源也開(kāi)動(dòng)起來(lái) 以進(jìn)行協(xié)調(diào)性的次滑移 而位錯(cuò)塞積群所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱與塞積的位錯(cuò)數(shù)量相關(guān) 數(shù)量越大 應(yīng)力場(chǎng)越大 晶粒越大 距離越大 位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)的時(shí)間就越長(zhǎng) 位錯(cuò)數(shù)也越大 由此可見(jiàn) 粗晶粒金屬的變形由一個(gè)晶粒轉(zhuǎn)移到另一個(gè)晶粒會(huì)容易一些 而細(xì)晶粒則需要在更大的外力作用下才能使相鄰晶粒發(fā)生塑性變形 細(xì)晶粒的塑性比粗晶粒好 在一定體積內(nèi) 細(xì)晶粒金屬的晶粒數(shù)目比粗晶粒金屬的多 因而 塑性變形時(shí) 位向有利的晶粒數(shù)較多 變形能夠均勻分散到各個(gè)晶粒上 又從每個(gè)晶粒的應(yīng)變分布來(lái)看 細(xì)晶粒晶界的影響區(qū)域相對(duì)較大 使得晶粒心部的應(yīng)變和晶界處的應(yīng)變差異減少 由于細(xì)晶粒金屬的變形不均勻性較小 由此引起的應(yīng)力集中必然也較小 內(nèi)應(yīng)力分布較均勻 因而金屬斷裂前可承受的塑性變形量較大 三 冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 除了在 晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶和孿生帶等組織特征外 還具有下列的組織變化 1 晶粒形狀的變化 變化趨勢(shì)大體與金屬宏觀變形一致 2 晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu) 由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò) 交互作用 在晶內(nèi)位錯(cuò)糾纏成群 形成位錯(cuò)纏結(jié) 隨著變形量的增加 最終形成胞狀亞結(jié)構(gòu) 3 晶粒位向改變 變形結(jié)構(gòu) 多晶體塑性變形時(shí)伴隨有晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng) 當(dāng)變形量很大時(shí) 多晶體中原為任意取向的各個(gè)晶 粒 會(huì)逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致 隨著變形程度的增加 金屬的強(qiáng)度 硬度增加 而塑性 韌性降低 這種現(xiàn)象稱為加工硬化 加工硬化使金屬塑性下降 變形抗力提高 繼續(xù)變形越來(lái) 越困難 特別是對(duì)于高硬化速率金屬的多道工序成形更是如此 因此有時(shí)需要增加中間退火工序來(lái)消除加工硬化 加工硬化的原因 隨著塑性變形的進(jìn)行 位錯(cuò)密度不斷增加 位錯(cuò)反應(yīng)和相互交割加劇 結(jié)果產(chǎn)生固定割階 位錯(cuò) 纏結(jié)等障礙 以致形成胞狀亞結(jié)構(gòu) 使位錯(cuò)難以越過(guò)這些障礙而 被限制在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng) 這樣 要使金屬繼續(xù)變形 就需要不斷增加外力 才能克服位錯(cuò)間強(qiáng)大的交互作用力 第二節(jié) 金屬熱態(tài)下的塑性變形 定義在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形 稱為熱塑性變形或熱塑性加工 如熱鍛 熱軋和熱擠壓等特點(diǎn) 1 回復(fù) 再結(jié)晶與加工硬化同時(shí)發(fā)生 2 加工硬化不斷被回復(fù)和再結(jié)晶抵消 3 金屬處于高塑性 低變形抗力的軟化狀態(tài) 一 塑性變形時(shí)軟化過(guò)程 塑性變形時(shí)的軟化過(guò)程比較復(fù)雜 它與變形溫度 應(yīng)變速率 變形程度以及金屬本身等因素有關(guān) 按其性質(zhì)可分為以下幾種 動(dòng)態(tài)回復(fù) 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 靜態(tài)回復(fù) 靜態(tài)再結(jié)晶 亞動(dòng)態(tài) 再結(jié)晶等 1 動(dòng)態(tài)回復(fù) 動(dòng)態(tài)回復(fù)是在熱變形過(guò)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(shí) 一般也只發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù) 2 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是在熱變形過(guò)程中發(fā)生的再結(jié)晶 也是通過(guò) 形核和生長(zhǎng)來(lái)完成 3 靜態(tài)回復(fù) 具有向變形前低自由能狀態(tài)自發(fā)恢復(fù)的趨勢(shì) 4 靜態(tài)再結(jié)晶 靜態(tài)再結(jié) 晶是一個(gè)顯微組織徹底重新改組的過(guò)程 通過(guò)再結(jié) 晶形核和生長(zhǎng)來(lái)完成 5 亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 是指熱變形中已經(jīng)形成的 但尚未長(zhǎng)大的動(dòng)態(tài) 再結(jié)晶晶核 以及長(zhǎng)大到中途的再結(jié)晶晶粒被遺留 下來(lái) 當(dāng)變形停止后 而溫度又足夠高時(shí) 這些晶核 和晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大 此轉(zhuǎn)化過(guò)程即稱為亞動(dòng)態(tài)再結(jié) 晶 它不需要形核時(shí)間 沒(méi)有孕育期 所以進(jìn)行得很 迅速 動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是在熱塑性變形過(guò)程中 發(fā)生的 而靜態(tài)回復(fù) 靜態(tài)再結(jié)晶和亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶則是在熱塑性變形的間歇期間和熱變形后 利 用金屬的高溫余熱進(jìn)行的 二 熱塑性變形機(jī)理 1 晶內(nèi)滑移 最主要和最常見(jiàn) 在通常情況下 熱變形的主要機(jī)理仍然是晶內(nèi)滑移 2 晶界滑移 高溫高速 熱塑性變形時(shí) 由于晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi) 使得晶界滑動(dòng)易于進(jìn)行 但在常規(guī) 熱變形條件下 晶界滑動(dòng)相對(duì)于晶內(nèi)滑移變形量還是小的 3 擴(kuò)散蠕變 高溫變形 由空位的定向移動(dòng)所引起的 變形溫度越高 晶粒越細(xì)和應(yīng)變速率越低 擴(kuò)散蠕變所起的作用就越大 三 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 1 改善晶粒組織2 鍛合內(nèi)部缺陷 縮松 空隙和微裂紋 3 破碎并改善碳化物和非金屬夾雜物在鋼中的分布 通過(guò)鍛造或軋制 這些碳化物被打碎 并均勻分布 4 形成纖維組織 作業(yè) P107 4 5 第三節(jié) 應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)分析 應(yīng)力張量與應(yīng)變張量的差異什么是主應(yīng)力和應(yīng)力不變量 在應(yīng)力分析中有什么作用什么是應(yīng)變偏張量 應(yīng)變球張量 在變形中所起的作用是什么 塑性變形中物理變量場(chǎng) 物理變量場(chǎng)位移場(chǎng) 速度場(chǎng) 應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)物理變量場(chǎng)的作用預(yù)測(cè)金屬坯料形狀尺寸的變化計(jì)算成形力 功能消耗和加工接觸面上的壓力分布工件內(nèi)部的變形分布 工件質(zhì)量和可能出現(xiàn)的缺陷合理確定成型工藝 設(shè)計(jì)成型模具 選用成型設(shè)備和控制產(chǎn)品質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù) 1 外力 內(nèi)力和應(yīng)力 體積力 作用在變形體內(nèi)每一質(zhì)點(diǎn)上 如重 力 磁力和慣性力等 分析塑性成形過(guò)程時(shí) 體積力一般可以不考慮 表面力 作用在變形體表 面上 如工模具對(duì)變形體的作用力和約束反力等 內(nèi)力 在外力作用下 為保持變形體的連續(xù)性 其內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間必然產(chǎn)生相互作用力 稱為內(nèi)力 應(yīng)力 單位面積的內(nèi)力 稱為應(yīng)力 一 點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)分析 2 直角坐標(biāo)系中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài) 一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)需用9個(gè)應(yīng)力分量來(lái)描述 點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)的9個(gè)應(yīng)力分量中只有6個(gè)是獨(dú)立的 即點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是二階對(duì)稱 矩陣 每個(gè)應(yīng)力分量的符號(hào)帶有兩個(gè)下角標(biāo) 第一個(gè)表示該應(yīng)力分量作用面的外法線方向 第二個(gè)表示它的作用方向 3 主應(yīng)力和應(yīng)力不變量3個(gè)主應(yīng)力彼此正交 正應(yīng) 力稱為主應(yīng)力 一般用 1 2 3表示 而相應(yīng)的三個(gè)相互垂直的方向則稱為主方向 與主方 向一致的坐標(biāo)軸叫做主軸 J1 15J2 60J3 54 對(duì)于一個(gè)確定的應(yīng)力狀態(tài) 三個(gè)主應(yīng)力是唯一的 因此 特征方程的系數(shù)J1 J2 J3是單值的 不隨坐標(biāo)而變 盡管應(yīng)力張量中的各個(gè)分量會(huì)隨坐標(biāo)而變化 但是J1 J2 J3是不變的 分別稱為應(yīng)力張量第一 第二和第三不變量 當(dāng)判定兩個(gè)應(yīng)力張量是否代表同一應(yīng)力狀態(tài)時(shí) 可以通過(guò)它們的三個(gè)應(yīng)力張量不變量是否對(duì)應(yīng)相等來(lái)確定 4 主剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)力 物體的塑性變形是由剪應(yīng)力產(chǎn)生的 當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到某個(gè)臨界值 時(shí) 物體便由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性 屈服 狀態(tài) 通過(guò)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可 求出剪應(yīng)力的極值 使剪應(yīng)力取極限值的平面為主剪應(yīng)力平面 它們?yōu)榕c某一主平面垂直 而與另兩個(gè)主平面成450 交角的平面 主剪應(yīng)力平面上的剪應(yīng)力稱為主剪應(yīng)力 5 應(yīng)力球張量和應(yīng)力偏張量 稱為平均應(yīng)力 又稱為靜水壓力 應(yīng)力球張量 當(dāng)質(zhì)點(diǎn)處于球應(yīng)力狀態(tài)下 過(guò)該點(diǎn)的任意方向均為主方向 且各方向的主應(yīng)力相等 而任意切面上的剪應(yīng)力均為零 所以球形應(yīng)力張量的作用與靜水應(yīng)力相同 它只能引起物體的體積變化 而不能使物體發(fā)生形狀變化 應(yīng)力偏張量 應(yīng)力偏張量不會(huì)引起物體的體積變化 再者 應(yīng) 力偏張量中的剪應(yīng)力成分與整個(gè)應(yīng)力張量中的剪應(yīng)力成分完全一致 因此應(yīng)力偏張量完全包含 了應(yīng)力張量作用下的形狀變化因素 也就是說(shuō) 物體是否發(fā)生塑性變化只與應(yīng)力偏張量有關(guān) 歸結(jié)起來(lái) 物體在應(yīng)力張量作用下所發(fā)生的變化 包括體積變化和形狀變化 體積變化取決于應(yīng) 力張量中的應(yīng)力球張量 而形狀變化取決于應(yīng)力偏張量 體積變化只能是彈性的 當(dāng)應(yīng)力偏張量滿足 一定數(shù)量關(guān)系時(shí) 則物體發(fā)生塑性變形 1 位移與應(yīng)變 二 點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)分析 設(shè)某質(zhì)點(diǎn)的位移矢量為u 它在三個(gè)主軸上的投影用u v w表示 稱為位移分量 由于物體在變形后仍然保持連續(xù) 故位移分量為坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù) 即u u x y z v v x y z w w x y z 應(yīng)變用位移的相對(duì)變化表示正應(yīng)變 線應(yīng)變 以線元長(zhǎng)度的相對(duì)變化表示 剪應(yīng)變以兩個(gè)相互垂直線元之間的角度的變化表示 2 點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)和小變形幾何方程 為了使應(yīng)變分量與應(yīng)力分量在形式上取得一致 令 3 應(yīng)變張量的一些主要結(jié)論 1 微體的應(yīng)變狀態(tài)存在三個(gè)相互垂直的主方向和主軸 在主方向上的線元沒(méi)有角度偏轉(zhuǎn) 只有正應(yīng)變 稱為主應(yīng)變 2 各應(yīng)變分量之間的下列關(guān)系式恒為定值 分別稱為應(yīng)變張量第一 第二 第三不變量 3 主剪應(yīng)變發(fā)生在通過(guò)一個(gè)應(yīng)變主軸而與其它兩個(gè)主軸成 450的一對(duì) 平面內(nèi) 這種相互垂直的平面共有三 對(duì) 主剪應(yīng)變與主應(yīng)變之間的關(guān)系 可以仿照主剪應(yīng)力與主應(yīng)力的關(guān)系寫(xiě)出 三個(gè)主剪應(yīng)變的最 大者 稱為最大剪應(yīng)變 4 應(yīng)變張量也可以分解為應(yīng)變偏張量和應(yīng)變球張量 4 塑性變形時(shí)的體積不變條件一般認(rèn)為塑性變形時(shí)體積不變 故有 x y z 0 該式 即為塑性變形時(shí)的體積不變條件 它常作為對(duì)塑性成形過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析的一個(gè)前提條件 也可 用于工藝設(shè)計(jì)中計(jì)算原毛坯的體積 5 變形力學(xué)簡(jiǎn)圖 用主應(yīng)力表示質(zhì)點(diǎn)的受力情況的示意圖形 稱為主應(yīng)力簡(jiǎn)圖 它共有9種類型 其中單向應(yīng) 力狀態(tài)兩種 平面應(yīng)力狀態(tài)三種 體應(yīng)力狀態(tài)4種 第四節(jié) 屈服準(zhǔn)則 質(zhì)點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)時(shí) 當(dāng)該單向應(yīng)力達(dá)到某一數(shù)值時(shí) 質(zhì)點(diǎn)即屈服 進(jìn)入塑性狀態(tài) 屈服準(zhǔn)則 在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下 只有當(dāng)各應(yīng)力分量滿足一定的關(guān)系時(shí) 質(zhì)點(diǎn)才能進(jìn)入塑性狀態(tài) 這種關(guān) 系稱為屈服準(zhǔn)則 也稱塑性條件或塑性方程 屈服準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)表達(dá)式一般呈如下形式 ij C 一 屈雷斯加屈服準(zhǔn)則 當(dāng)材料 質(zhì)點(diǎn) 中的最大剪應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí) 則材料發(fā)生屈服 該臨界值取決于材料在 變形條件下的性質(zhì) 而與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān) 因此 屈雷斯加屈服準(zhǔn)則又稱為最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則 其表達(dá)式為 式中C可通過(guò)試驗(yàn)確定 由于C的值與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān) 故常采用簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)來(lái)確定 當(dāng)拉伸試樣屈服時(shí) 3 2 0 1 s 于是 屈雷斯加屈服準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 二 米澤斯屈服準(zhǔn)則 材料質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生屈服的條件 是其單位體積的彈性形狀變化能達(dá)到某一臨界值 該臨界值只取 決于材料在變形條件下的性質(zhì) 而與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān) 故此 米澤斯屈服準(zhǔn)則又稱為彈性形狀能準(zhǔn) 則 其表達(dá)式為 式中C1可通過(guò)試驗(yàn)確定 由于C1的值與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān) 故常采用簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)來(lái)確定 當(dāng)拉伸試樣屈服時(shí) 3 2 0 1 1 3 s2 于是 米澤斯屈服準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 三 屈雷斯加屈服準(zhǔn)則和米澤斯屈服準(zhǔn)則的比較 對(duì)于屈雷斯加屈服準(zhǔn)則 中間應(yīng)力 2在 l和 3之間任意變化 但并不影響材料的屈服 但 在米澤斯屈服準(zhǔn)則中 中間應(yīng)力 2是有影響的 當(dāng) 2 l或 2 3 即軸 對(duì)稱應(yīng)力狀態(tài) 時(shí) 兩個(gè)屈服準(zhǔn)則一致 當(dāng) 2 1 2 l 3 平面應(yīng) 變狀態(tài) 兩個(gè)屈服準(zhǔn)則的差別最大 達(dá)15 5 在其余應(yīng)力狀態(tài) 下 兩個(gè)屈服準(zhǔn)則的差別小于15 5 視中間應(yīng)力 2的相對(duì)大小而定 羅代應(yīng)力參數(shù) 作業(yè) P107 12 20 第五節(jié) 塑性變形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 本構(gòu)關(guān)系 塑性變形時(shí)應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系 這種關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為本構(gòu)方程 也稱 物理方程 一 彈性變形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 彈性變形中包含了體積變化和形狀變化 物體彈性變形時(shí)其單位體積變化率與平均應(yīng)力成正比 應(yīng)力球張量使物體產(chǎn) 生彈性的體積改變 應(yīng)變偏張量與應(yīng)力偏張量成正比 表明物體形狀的改變只是由應(yīng)力偏張量引 起 二 塑性變形時(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的特點(diǎn) 與彈性變形相比 塑性變形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系較為復(fù)雜 它具有如下特點(diǎn) 1 應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系是非線型的 2 塑性變形時(shí)認(rèn)為體積不變 即應(yīng)變球張量為零 泊松比為0 5 3 塑性變形是不可逆的 與應(yīng)變歷史有關(guān) 即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不再保持單值關(guān)系 在一般情況下 只能 建立應(yīng)力和應(yīng)變?cè)隽恐g的關(guān)系 對(duì)于某瞬時(shí)的應(yīng)力狀態(tài) 與之相對(duì)應(yīng)的只是塑性應(yīng)變?cè)隽?要求得到塑性應(yīng)變?nèi)?只有根據(jù)加載過(guò)程各段的增量 依次積分才有可能 但是如果加載過(guò)程 中 各應(yīng)力分量始終保持比例關(guān)系 且主軸的方向 順序不變 則塑性應(yīng)變分量也按比例增加 這 時(shí) 塑性應(yīng)變?nèi)颗c應(yīng)力狀態(tài) 就有相對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系 這種加載狀態(tài)稱為簡(jiǎn)單加載狀態(tài) 到目前為止 所有描述塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的理論可分為兩大類 1 增量理論 描述塑性狀態(tài)下應(yīng)力和應(yīng)變?cè)隽?或應(yīng)變速率 之間的關(guān)系 2 全量理論 描述塑性狀態(tài)下應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)恐g的關(guān)系 一般而言 全量理論在數(shù)學(xué)上處理比較簡(jiǎn)單 便于實(shí)際 應(yīng)用 但應(yīng)用范圍受到限制 主要適用于簡(jiǎn)單加載狀態(tài)及小 塑性變形 彈 塑性變形處于同一數(shù)量級(jí) 的情形 而增量理論則不受加載條件的限制 但實(shí)際應(yīng)用時(shí) 需 沿加載過(guò)程中的變形路徑進(jìn)行積分 才能求得最終的塑性應(yīng) 變?nèi)?計(jì)算比較復(fù)雜 三 等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的概念 等效應(yīng)力和等效應(yīng)變是兩個(gè)具有特征意義的參數(shù) 它們使復(fù)雜的三維應(yīng)力 應(yīng)變狀態(tài)等效為 單向拉伸時(shí)的應(yīng)力 應(yīng)變狀態(tài) 等效應(yīng)力和單向拉伸時(shí)應(yīng)力是 等效的 等效應(yīng)變和單向拉伸時(shí)應(yīng) 變也是等效的 因此 由單向拉伸所建立的應(yīng)力應(yīng)變曲線 可和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下以等效應(yīng)力和等效應(yīng)變表示 的曲線聯(lián)系起來(lái) 而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 它們可認(rèn)為是同一曲線 四 增量理論 1 列維 米澤斯方程 材料為理想剛塑性材料 即彈性應(yīng)變?cè)隽繛榱?塑性應(yīng)變?cè)隽烤褪强倯?yīng)變?cè)隽?材料服從米澤斯屈服準(zhǔn)則 即 塑性變形時(shí)體積不變 即 在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上 可認(rèn)為應(yīng)變?cè)隽颗c應(yīng)力增量成正比 2 圣維南塑性流動(dòng)方程 如果應(yīng)變?cè)隽吭诤芏虝r(shí)間內(nèi)發(fā)生 則單位時(shí)間的應(yīng)變?cè)隽考礊閼?yīng)變速率 在采用速度場(chǎng)解塑性成型問(wèn)題時(shí)較方便 3 普朗特 羅伊斯方程 該方程與列維 米澤斯方程的區(qū)別 在于考慮了總應(yīng)變?cè)隽恐械膹椥詰?yīng)變?cè)隽?五 全量理論 增量理論雖然比較嚴(yán)密 但對(duì)于實(shí)際的變形過(guò)程 要由每一瞬時(shí)的應(yīng)變?cè)隽糠e分得到整個(gè)變 形過(guò)程的應(yīng)變?nèi)勘容^困難 而人們感興趣的又往往是應(yīng)變?nèi)?由于塑性應(yīng)變的不可逆性 應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系完全取決于加載過(guò)程 只有對(duì)加載過(guò)程加以限制 才有可能尋求到應(yīng)力與全量 應(yīng)變的統(tǒng)一規(guī)律 伊柳辛理論認(rèn)為 如果加載過(guò)程符合簡(jiǎn)單加載條件 則應(yīng)力偏張量的各個(gè)分量與應(yīng)變偏張量 的各個(gè)分量成正比 第六節(jié) 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性和變形抗力的影響 塑性成形時(shí) 必須對(duì)金屬施加外力 稱為變形力 而金屬抵抗變形的力 則稱為變形抗 力 它們大小相等 方向相反 變形抗力反映了材料變形的難易程度 從工藝角度出發(fā) 總是希 望變形金屬具有高的塑性 低的變形抗力 一 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性的影響 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性的影響實(shí)際上是靜水應(yīng)力張量在起作用 其值越大 材料所受各向等拉作用越強(qiáng) 塑性越差 反之越好 1 拉應(yīng)力會(huì)促使晶間變形 加速晶界的破壞 而壓應(yīng)力則能阻止或 減少晶間變形 隨著三向等壓作用的增強(qiáng) 晶間變形愈加困難 2 三向壓應(yīng)力有利于消除由于 塑性變形所引起的損傷 而拉應(yīng)力則相反 會(huì)促使損傷的發(fā)展 3 三向壓應(yīng)力能抑止金屬中原 先存在的各種缺陷的發(fā)展 部分或全部地消除其危害 4 三向壓應(yīng)力能抵消由于不均勻變形所 引起的附加拉應(yīng)力 從而防止裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展 因此 在塑性加工中 人們通過(guò)改變應(yīng)力狀態(tài)來(lái)提高金屬塑性 以保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行 并促 使工藝的進(jìn)步 二 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)變形抗力的影響 塑性成形時(shí)的變形抗力不僅取決于材料的性質(zhì) 還與塑性成形時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān) 第七章真實(shí)應(yīng)力 應(yīng)變曲線 1 定義金屬在單向應(yīng)力狀態(tài)下真實(shí)應(yīng)力與應(yīng)變程度 應(yīng)變 之間的關(guān)系曲線 2 獲取方法拉伸試驗(yàn)3 意義材料的塑性行為 應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系和求解塑性成形問(wèn)題不可缺少的基本試驗(yàn)資料 拉伸試驗(yàn)繪制真實(shí)應(yīng)力 應(yīng)變曲線 根據(jù)三種變形程度的三種表示方法 以真實(shí)應(yīng)力S 瞬時(shí)變形力除以該瞬時(shí)試樣的橫截面積 為縱坐標(biāo) 以 和 為橫坐標(biāo) 將拉伸試驗(yàn)所得的結(jié)果進(jìn)行整理計(jì)算 即可繪制出真實(shí)應(yīng)力 應(yīng)變曲線 很多金屬材料的真實(shí)應(yīng)力 應(yīng)變曲線可以簡(jiǎn)化成冪強(qiáng)化模型 即 式中 B 與材料有關(guān)的常數(shù) n 硬化指數(shù) 硬化指數(shù)n表征材料在變形過(guò)程中的加工硬化速率 并反映材料在拉伸時(shí)的抗局部變形 失穩(wěn) 的能力 n值大的材料 其均勻拉伸變形的能力也大 這對(duì)于拉伸為主的冷塑性成形是有利的 根據(jù)理論曲線必須通過(guò)實(shí)際曲線的失穩(wěn)對(duì)應(yīng)點(diǎn) 以及使兩條曲線在失穩(wěn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的斜率相等的條件 可以導(dǎo)出B和n 即 設(shè)在試樣的單向拉伸過(guò)程中 任一變形瞬間的軸向力為F 試樣斷面積為A 真實(shí)應(yīng)力為S 則有 設(shè)試樣的原始斷面積為A0 由于l0A0 lA 可有 當(dāng)拉伸失穩(wěn)時(shí) F有極大值 所以dF 0 于是有 記失穩(wěn)時(shí) 設(shè)材料的真實(shí)應(yīng)力 應(yīng)變曲線為 因此 拉伸失穩(wěn)時(shí) 可得 在失穩(wěn)點(diǎn)有 第八節(jié) 金屬塑性成形中的摩擦 在塑性成形中 在被加工金屬與工模具之間都有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì) 因而在接觸 表面之間便產(chǎn)生阻止切向運(yùn)動(dòng)的阻力 即 外 摩擦 外摩擦力簡(jiǎn)稱摩擦力 單位接觸面上的摩擦 力稱為摩擦切應(yīng)力 其方向與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反 它阻礙了金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng) 一 金屬塑性成形時(shí)摩擦的特點(diǎn) 1 塑性成形中的摩擦總 是伴隨著變形金屬的流動(dòng) 在接觸面上各點(diǎn)的摩擦也不一樣 2 塑性變形時(shí)作用在接觸表面上的單位 壓力很大 潤(rùn)滑劑容易被擠出 3 塑性成形時(shí)是在高溫下進(jìn)行的 4 在塑性成形過(guò)程中 實(shí)際接觸面積接近于名義接觸面積 分析金屬塑性成形中的摩擦有哪些消極的和積極的作用 有益的作用 可以利用摩擦阻力來(lái)控制金屬 流動(dòng)方向 如 開(kāi)式模鍛時(shí)可利用飛邊橋部的摩擦力來(lái)保證金屬充滿模膛 模鍛和軋制是依靠摩 擦力使坯料咬人軋輥等 有害的的作用 1 改變了變形 體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài) 增大了變形抗力 引起了能量消耗增加 2 引起不均勻變形 產(chǎn)生了附加拉應(yīng)力 和殘余應(yīng)力 附加拉應(yīng)力使變形體塑性降低 當(dāng)附加拉應(yīng)力的數(shù)值超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí) 可能 造成材料破裂 殘余應(yīng)力也對(duì)塑性變形帶來(lái)許多不良的影響 如使制品的尺寸和形狀發(fā)生變化 縮短制品的壽命 降低金屬的抗疲勞性能等 3 降低了模具使用壽命 主要原因是由于摩擦可使 模具接觸面直接磨損 摩擦產(chǎn)生熱降低了模具材料的強(qiáng)度 以及摩擦引起了變形抗力的增加等 二 描述接觸面上摩擦力的數(shù)學(xué)表達(dá)式 采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)表達(dá)式定量表示摩擦力即為摩擦條件 目前常用的金屬塑性成形中的摩擦 力表達(dá)式有以下兩種 1 庫(kù)侖摩擦條件 不考慮接觸面上的粘合現(xiàn)象 符合庫(kù)侖定律 即摩擦力與接觸面上的正壓力成 正比 2 常摩擦力條件 該條件認(rèn)為 接觸面上的摩擦切應(yīng)力與被加工金屬的最大剪應(yīng)力成正比 采用該條件時(shí) 事先不需要知道接觸面上的正壓應(yīng)力分布情況 因此應(yīng)用比較方便 第七章 焊接成形技術(shù) 第一節(jié) 典型弧焊方法 一 手工電弧焊 1 原理及特點(diǎn) 焊條和母材都熔化 焊條藥皮熔化后 形成熔渣并放出氣體 在氣 渣的聯(lián)合保護(hù)下 有效地排除了周圍空氣的有害影響 通過(guò)高溫 下熔渣與熔池液態(tài)金屬之間的冶金反應(yīng) 得到 優(yōu)質(zhì)焊縫 凝固 形成渣殼它具有簡(jiǎn)便靈活 適應(yīng)性強(qiáng) 設(shè)備簡(jiǎn)單 易 于移動(dòng) 成本低的優(yōu)點(diǎn) 但是 手工電弧焊對(duì)焊工的操作技術(shù)要求高 焊接質(zhì)量在較大程 度上決定于焊工的操作技術(shù) 此外 手工電弧焊勞動(dòng)條件差 生產(chǎn)率低 手工電弧焊適用于碳鋼 低合金鋼 不銹鋼 耐熱鋼 低溫用鋼 銅及銅合金等金屬材料的焊 接以及鑄鐵補(bǔ)焊和各種材料的堆焊 活潑金屬 如鈦 鈮 鋯 和難熔金屬 如鉭 鉬等 由于機(jī)械 保護(hù)效果不夠理想 焊接質(zhì)量達(dá)不到要求 不能采用手工電弧焊 而低熔點(diǎn) 低沸點(diǎn)的金屬 如 鉛 錫 鋅等 及其合金則由于電弧溫度太高 引起這些金屬的蒸發(fā)而不能用于手工電弧焊 焊接 2 焊條 焊條由藥皮和焊芯兩部分組成 藥皮是壓涂在焊條焊芯外表面的涂料層 藥皮原材料按其 使用原理可分為4大類 1 礦物類 主要是各種礦石 礦砂等 如鈦鐵礦 赤鐵礦 金紅石 大理石 白云石 螢石 長(zhǎng)石 白泥 云母等 2 金屬及鈦合金類 如金屬鉻 金屬鎳 錳鐵 硅鐵 鈦鐵 鉬鐵 釩鐵等 3 化工產(chǎn)品類 如鈦白粉 純堿 碳酸鉀 碳酸鋇以及起粘結(jié)作用的水玻璃等 4 有機(jī)物類 如淀粉 木粉 纖維素 酚醛樹(shù)脂等 焊芯是焊條中被藥皮包覆的金屬芯 焊接時(shí)焊芯既是電極 又是填充金屬 因此焊芯化學(xué)成 分和性能對(duì)焊縫金屬有著直接影響 焊接碳素鋼和低合金鋼的結(jié)構(gòu)鋼焊條常選用牌號(hào)為H08A 或H08E的低碳鋼焊絲為焊芯 H 表示 鋼焊絲 08 表示焊絲平均含碳量為 c 0 08 A 表示高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼 其S P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超0 03 而 E 表示特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼 其S P的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 不超0 025 藥皮與焊芯質(zhì)量的比稱為藥皮的質(zhì)量系數(shù) 用Kb表示 焊條可分為厚藥皮焊條 Kb 30 50 和薄皮焊條Kb 1 2 兩大類 目前廣泛使用的是厚皮焊條 焊條藥皮的主要作用 保護(hù)作用 冶金作用 使焊條具有良好的工藝性能 焊條種類 牌號(hào)及型號(hào) 按用途可分為10大類 在各大類焊條中 還可按主要性能的不同 再分若干小類 按熔渣堿度可分為 酸性焊條 TiO 和堿性焊條 CaO 兩類 按焊條藥皮類型可分為鈦型 鈦鈣型 鈦鐵礦型 氧化鐵型 纖維素型 低氫型 石墨型 鹽基型 二 埋弧自動(dòng)焊 1 原理及特點(diǎn) 金屬和焊劑所蒸發(fā)的氣體在電弧周圍形成 一個(gè)封閉空腔 電弧在這個(gè)空腔中燃燒 空腔被一層由熔渣構(gòu)成的渣膜所包圍 這層渣膜不僅很 好的隔絕了空氣和電弧與熔池的接觸 而且使弧光不能輻射出來(lái) 1 埋弧自動(dòng)焊的主要優(yōu)點(diǎn)有 生產(chǎn)率高 由于可用較大焊接電流 熱效率高 熔池也 大 不開(kāi)坡口單面一次焊 熔深可達(dá)20mm 焊縫質(zhì)量高 熔渣隔絕空氣的保護(hù)效果好 較 大限度地減少了焊縫中產(chǎn)生氣孔 裂紋的可能性 勞動(dòng)條件好 既無(wú)弧光輻射又無(wú)煙塵 勞動(dòng)環(huán)境 好 2 埋弧自動(dòng)焊的主要缺點(diǎn)有 由于采用顆粒狀焊劑堆積形成保護(hù)條件 因此一般 只適用于平焊和平角焊位置 設(shè)備復(fù)雜 靈活性也較差 短焊縫顯示不出生產(chǎn)率 高的特點(diǎn) 3 應(yīng)用場(chǎng)合 由于熔深大 生產(chǎn)率高 因此適合于焊接 中厚板結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)焊縫 還可以在金屬表面堆焊耐磨或耐蝕合金 可以焊接碳鋼 低合金鋼 不銹鋼 耐熱鋼以及有色金屬 2 焊絲及焊劑 生產(chǎn)中普遍使用實(shí)芯焊絲 熔煉焊劑牌號(hào) HJ 三 鎢極氬弧焊 1 原理及特點(diǎn) 在氬氣保護(hù)下 利用鎢電極與焊件之間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲 如 果使用填充焊絲 的一種氣體保護(hù)焊方法 焊接時(shí)氬氣從焊槍的噴嘴連續(xù)噴出 在電弧周圍形成 惰性氣體保護(hù)層隔絕空氣 防止對(duì)鎢極 熔池以及鄰近熱影響區(qū)的有害影響 從而獲得優(yōu)質(zhì)的接 頭 按操作方式鎢極氬弧焊分為手工鎢極氬弧焊和自動(dòng)鎢極氬弧焊 按焊接電源分為直流鎢極氬弧焊和交流鎢極氬弧焊 鎢極氬弧焊有如下的優(yōu)點(diǎn) 1 氬氣本身不和金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng) 又不溶于金屬 且比空氣重25 能有效地隔絕電弧 和周圍的空氣 因而可成功地焊接易氧化 氮化及化學(xué)活潑性強(qiáng)的有色金屬 不銹鋼和各種合金 2 明弧無(wú)渣 熔池可見(jiàn)度好 便于控制 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化 自動(dòng)化和全位置焊接 3 直流正接電弧穩(wěn)定 即使在很小的焊接電流 10A 下仍可穩(wěn)定燃燒 特別適用于薄板 超薄板的焊接 4 電弧熱源與填充焊絲分別控制 易于實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形 并由于填充焊絲不通過(guò)電 弧 故不會(huì)產(chǎn)生飛濺 焊縫成形美觀 鎢極氬弧焊不足之處是 1 鎢電極承受電流能力有限 所以熔深淺 熔敷率小 生產(chǎn)率低 2 焊接所用惰性氣體 氬氣 氦氣 較貴 與其它電弧焊方法 手工電弧焊 埋弧焊 CO2氣體 保護(hù)焊 相比 生產(chǎn)成本較高 3 由于此焊接方法是依靠氬氣機(jī)械排開(kāi)空氣進(jìn)行保護(hù) 所以焊前對(duì)焊件表面的清理工作 要求嚴(yán)格 應(yīng)用 鎢極氬弧焊幾乎可焊接所有金屬和合金 但對(duì)熔點(diǎn)低 低沸點(diǎn) 和易蒸發(fā)的Pb Sn Zn不能焊 接 從生產(chǎn)率考慮 所焊板材以3 mm以下為宜 對(duì)于某些厚壁壓力容器和管道要求焊透的帶坡 口焊縫的打底焊常采用鎢極氬弧焊 另外 對(duì)于厚板對(duì)接接頭 也可采用焊前不開(kāi)坡口或只開(kāi)小 角度坡口留有窄而深間隙的單道多層或多層多道焊的窄間隙焊 四 熔化極氣體保護(hù)焊 1 原理及分類 從焊槍連續(xù)送進(jìn)的焊絲不斷熔化以熔滴形式過(guò)渡到熔池 中去 與熔化的母材金屬融合形成焊縫金屬 電源常采用直流電 源 接法通常采用反接 即工件 焊件 接直流電源的負(fù)極 2 熔滴 過(guò)渡熔滴 過(guò)渡類型主要有三類 自由過(guò)渡 短路過(guò)渡和混合過(guò)渡 3 熔化極氬弧焊4 CO2氣體保護(hù)焊5 藥芯焊絲氣體保護(hù)焊 氣 渣聯(lián)合保護(hù)的弧焊方法 第二節(jié) 壓力焊及釬焊 一 電阻焊 電阻焊是焊件組合后通過(guò)電極施加壓力 利用電流流過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電 阻熱將焊件加熱到熔化或塑性狀態(tài) 使之在壓力條件下形成接 頭的焊接方法 電阻焊按工藝特點(diǎn)主要有 點(diǎn)焊 縫焊 凸焊和 對(duì)焊 按所用電流波形分 交流 直流和脈沖電流三大類 1 點(diǎn)焊 點(diǎn)焊是將焊件裝配成搭接接頭 并壓緊在兩電極之間 接 通電流后利用電阻熱將焊件局部熔化 形成焊點(diǎn)的方法 點(diǎn)焊適合于不要求氣密 厚度小于 3mm的沖壓 軋制的薄板構(gòu)件 可焊材料為低碳鋼 淬火鋼 鍍鋅鋼板 不銹鋼 鋁合金和銅合金 等 2 縫焊 縫焊是焊件裝配成搭接或?qū)咏宇^并置于兩滾輪電極之間 滾輪加壓焊件并轉(zhuǎn)動(dòng) 連續(xù)或斷 續(xù)送電 從而產(chǎn)生一連串熔核相互搭疊的密封焊縫的電阻焊方法 3 凸焊 凸焊是在一個(gè)焊件的貼合面上預(yù)先加工出一個(gè)或多個(gè)凸起點(diǎn) 使其與另一焊件表面相接觸 加壓并通電加熱 凸點(diǎn)壓塌后 使這些觸點(diǎn)形成焊點(diǎn)的一種電阻焊方法 凸焊分為單點(diǎn) 多點(diǎn)凸 焊 環(huán)焊 T焊 滾凸焊和線材交叉凸焊5類 凸焊主要用于焊接低碳鋼和低合金鋼的沖壓件 除可進(jìn)行板件凸焊外 還可進(jìn)行螺帽 螺釘 類零件的凸焊 線材交叉凸焊 管子凸焊和板材T型凸焊 板件凸焊最佳厚度為0 5 4mm 凸 焊不適宜于鋁 銅 鎳等軟金屬 4 對(duì)焊 對(duì)焊是把兩焊件端部相對(duì)放置并沿軸線對(duì)準(zhǔn) 利用焊接電流加熱 然后加壓完成焊接的電阻 焊方法 可分為電阻對(duì)焊和閃光對(duì)焊兩類 電阻對(duì)焊是先將兩焊件壓緊 然后在壓緊狀態(tài)下通電焊接 閃光對(duì)焊是先通電源 然后逐步使兩焊件端面靠近 導(dǎo)電 然后迅速頂鍛完成焊接 對(duì)焊應(yīng)用范圍 工件接長(zhǎng) 如帶鋼 型材 石油和天然氣輸送管道的對(duì)焊接長(zhǎng) 環(huán)形工件的焊 接 如自行車 摩托車輪圈 鏈環(huán)對(duì)焊 部件的組焊 將鍛造 沖壓 軋制 機(jī)械加工零件拼焊成復(fù)雜 零件 異種金屬對(duì)焊 如刀具刃部 高速鋼 與柄部 中碳鋼 銅 鋁導(dǎo)電接頭對(duì)接焊等 二 摩擦焊 利用焊件接觸面相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中相互摩擦所產(chǎn)生的熱 使工件端部達(dá)到熱塑性狀態(tài) 然后迅 速頂鍛加壓 完成焊接的一種壓力焊方法 根據(jù)工件相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)軌跡可分為旋轉(zhuǎn)摩擦焊和軌 道摩擦焊兩種 根據(jù)機(jī)械供給方式可分為連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊和慣性摩擦焊兩種 摩擦焊主要應(yīng)用范圍 1 代替鍛造 鑄造和部分機(jī)械加工 凡是連接部分具有緊湊回轉(zhuǎn)斷面 幾乎都可以采用摩 擦焊的方法 2 可以焊接大多數(shù)同種或異種金屬 高溫時(shí) 塑性良好的同種金屬以及能夠互相固溶和 擴(kuò)散的異種金屬 都具有良好的焊接性 高溫強(qiáng)度高 塑性低 導(dǎo)熱性好的材料不容易焊接 如不 銹鋼一銅 硬質(zhì)合金一鋼等 活性金屬 如鈦 鋯等 淬硬性好的鋼材 表面氧化膜不易破碎或有 鍍膜 滲層及摩擦系數(shù)太小 如鑄鐵 黃銅等 的金屬很難焊接 三 釬焊 1 原理及特點(diǎn) 釬焊常以搭接接頭形式裝配 焊件之間保持很小的間隙 采用熔點(diǎn)比母材熔點(diǎn)低的金屬材料 作為釬料 在低于母材熔點(diǎn)而高于釬料熔點(diǎn)的溫度下加熱 利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材 填充接頭間 隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的焊件方法 它與熔焊相比有以下優(yōu)點(diǎn) 1 加熱溫度低 對(duì)母材組織影響小 并且容易保證焊件的尺寸精度 2 可實(shí)現(xiàn)異種金屬或合金 金屬與非金屬的連接 3 某些焊接方法可一次焊接完成幾十條或幾百條焊縫 生產(chǎn)率高 但釬焊接頭強(qiáng)度較低 耐熱性差 裝配精度要求高 2 釬焊方法分類 1 按釬料熔點(diǎn)可分為軟釬焊和硬釬焊兩類 硬釬焊是所用釬料熔點(diǎn)高于450 t的釬焊 軟釬焊是所用釬料熔點(diǎn)低于450 的釬焊 2 按應(yīng)用熱源可分為火焰釬焊 電阻釬焊 感應(yīng)釬焊 爐中釬焊和浸沾釬焊 第八章 表面成形及強(qiáng)化技術(shù) 縱觀大量機(jī)械零件 工藝模具的失效形式主要有 1 塑性變形 因過(guò)載及屈服強(qiáng)度不足造成 2 斷裂 有韌性斷裂 脆性斷裂和疲勞斷裂 3 磨損 有粘著磨損 磨粒磨損 腐蝕磨損和疲勞磨損等 4 腐蝕 包括各種環(huán)境介質(zhì)下的腐蝕 上述各種失效形式中以磨損 疲勞 腐蝕占大多數(shù) 80 這些損傷都與材料的表面性能 有關(guān) 按提高材料表面性能的本質(zhì)表面成形及強(qiáng)化技術(shù)可分為表面涂層技術(shù)和表面改性技術(shù)兩大 類 表面涂層技術(shù)是指在材料表面制備與其性能不同的 且能滿足使用要求的材料覆蓋層技術(shù) 這一技術(shù)除了需要在材料表面形成這一具有特定性能的覆蓋層外 還要求這一覆蓋層與底層 構(gòu)成零件的母體材料有良好結(jié)合 以防這一表面覆蓋層脫落 表面改性技術(shù)是通過(guò)改變材 料表面的成分及結(jié)構(gòu)來(lái)改變材料表面性能的技術(shù) 第一節(jié) 表面涂層技術(shù) 學(xué)習(xí)思考問(wèn)題 表面涂層主要技術(shù)有哪些 其原理各是什么 表面涂層結(jié)合機(jī)理是什么 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么 熱噴涂主要方法有幾種 各適用于什么場(chǎng)合 表面沉積按原理可分幾類 主要應(yīng)用于什么場(chǎng)合 表面涂層技術(shù)包括 物理氣相沉淀 PVD 化學(xué)氣相沉淀 CVD 電鍍 電刷鍍 化學(xué)鍍 熱噴 涂 化學(xué)粘涂 激光熔敷和堆焊等 物理氣相沉淀 PVD 是利用高溫等方法將被沉淀的物質(zhì)蒸發(fā)氣化 在比蒸發(fā)源溫度低的基 體表面冷凝沉積形成涂層的方法 簡(jiǎn)稱為PVD physicalvapordeposition 化學(xué)氣相沉淀 CVD 是將常溫下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的單質(zhì)氣體或氣體化合物 利用過(guò)載氣體 送至被加熱到高溫的襯底表面附近 在其表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成固態(tài)物質(zhì)并沉淀于襯底之上 形成固態(tài)薄膜的技術(shù) 簡(jiǎn)稱為CVD chemicalvapordeposition 化學(xué)鍍又稱為無(wú)電解鍍 在形成鍍層的過(guò)程中 采用某種還原劑 把溶液中的金屬離子還原為金 屬 沉積在經(jīng)過(guò)一定處理 具有催化活性的金屬或非金屬基體表面 化學(xué)粘涂是將加入二硫化鉬 金屬粉末 陶瓷粉末和纖維等特殊填料的膠粘劑 直接涂敷于 材料或零件表面 使之具有耐磨 耐蝕 導(dǎo)電 保溫 防輻射等功能的一種粘接技術(shù) 激光熔敷是將具有表層擬得到成分的合金粉末預(yù)先涂敷在零件表面 通過(guò)激光束來(lái)使之熔 化并與基體達(dá)到冶金結(jié)合 其表面熔敷的合金層基本沒(méi)有受到母材的稀釋 一 熱噴涂技術(shù) 1 熱噴涂方法分類 熱噴涂基本原理是將涂層材料加熱熔化 以高速氣流將其霧化成極細(xì)的顆粒 并以極高的速 度噴射到事先準(zhǔn)備好 表面粗化 的零件表面 形成所需性能涂層 金屬 合金 陶瓷 玻璃 水 泥 石膏 塑料 木材都可以作為噴涂基體材料 金屬 合金 陶瓷 復(fù)合材料又都可以作為噴涂材 料 熱噴涂方法按熱源性質(zhì)分為三類 火焰噴涂 等離子噴涂和電弧噴涂 其中火焰噴涂是利用乙 炔等燃料與氧氣燃燒時(shí)所釋放出的化學(xué)能 而等離 子和電弧則是利用電能來(lái)實(shí)現(xiàn)噴涂的 2 火焰噴涂 利用燃料氣體與氧氣的燃燒放熱反應(yīng)獲得高溫火焰流進(jìn)行噴涂 常用的燃?xì)庥幸胰?丙烷 等 氧 乙炔火焰噴涂為最古老的熱噴涂方法 根據(jù)噴涂材料的形狀一般可分為線材火焰噴涂 棒材火焰噴涂和粉末火焰噴涂 線材火焰噴涂 粉末氣體火焰噴涂 二 涂層結(jié)合機(jī)理 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及噴涂材料 1 熱噴涂層與基體結(jié)合機(jī)理 1 機(jī)械結(jié)合 這是主要的結(jié)合形式 2 金屬鍵結(jié)合 3 微擴(kuò)散結(jié)合 4 微熔合 2 涂層結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1 涂層平行和垂直于表面的兩個(gè)方向性能不一致 表現(xiàn)為涂層結(jié)構(gòu)不均勻性 2 涂層是由撞擊基體表面的熔融粒子堆積而成 因此存在許多沒(méi)有完全填滿的部 位 表現(xiàn)為涂層的多孔性 3 熔融顆粒表面都覆蓋有氧化膜 因 此涂層中含有大量氧化膜 表現(xiàn)為涂層化學(xué)不均勻性 4 由于熔融粒子的快速冷卻和收縮 會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力 表現(xiàn)為涂層中存在較大內(nèi)應(yīng)力 3 熱噴涂材料 金屬及合金 無(wú)機(jī)陶瓷 金屬陶瓷 有 機(jī)高分子及這些材料的復(fù)合材料 對(duì)于高溫下分解的材料 如碳化物 可與某些金屬材料一起制 成復(fù)合材料 也可用于噴涂 1 自熔合金 是含有一定量B Si的鎳基 鐵基 鈷基或銅基合金 為了提高涂層性能 除了B Si外還有 Cr C等元素 B Si的作用有 作為還原劑保護(hù)Ni Fe C等元素氧化 同時(shí)還原這些元素的氧化物 2 陶瓷材料 提高零件表面的 耐磨損 耐高溫和耐腐蝕性能 3 金屬陶瓷 具有優(yōu)越的耐腐蝕 耐磨性能 4 自粘結(jié)噴涂粉末 在熱噴涂火焰中飛行 加熱至一定溫度時(shí) 粉末組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 生成金 屬間化合物 并伴隨大量熱量的放出 對(duì)基體材料表面或形成的涂層表面進(jìn)行充分加熱 甚至實(shí) 現(xiàn)微觀上的冶金結(jié)合 提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度 這種作用稱為自粘結(jié)噴涂粉末 三 電鍍 化學(xué)鍍及堆焊 1 電鍍 電鍍是一種在電鍍槽中的電沉積過(guò)程 它是指電解液中的金屬離子 或絡(luò)合離子 在直流電 的作用下 在陰極 工件 表面上還原成金屬或合金的過(guò)程 電鍍層的結(jié)合機(jī)理有以下三種形式 機(jī)械鑲嵌產(chǎn)生的結(jié)合 物理吸附產(chǎn)生的結(jié)合 電 化學(xué)產(chǎn)生的結(jié)合 隨著電鍍技術(shù)的廣泛應(yīng)用 開(kāi)發(fā)了許多電鍍工藝 主要包括合金電鍍 復(fù)合電鍍 電刷鍍等 2 化學(xué)鍍 化學(xué)鍍又稱為無(wú)電解鍍 用某種還原劑把溶液中的金屬離子還原為金屬 沉積在經(jīng)過(guò)處理 具有催化活性的金屬或非金屬基體表面 化學(xué)鍍的優(yōu)點(diǎn) 均鍍能力和深鍍能力好 可在形狀復(fù)雜的表面上產(chǎn)生均 勻厚度的鍍層 設(shè)備簡(jiǎn)單 操作容易 不僅可以在金屬表面 而且還可以在其它非金屬表面上 鍍 化學(xué)鍍的缺點(diǎn) 鍍液壽命短 廢水排放量大 鍍覆速度慢 成本高 3 堆焊 堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一層金屬的工藝過(guò)程 其目的不是為了連接零件 而是為 了使零件獲得具有耐磨 耐熱 耐蝕等特殊性能的熔敷金屬材料 或是為了恢復(fù)或增加零件的尺 寸 修復(fù) 是指零件尺寸的恢復(fù) 強(qiáng)化 指賦予零件表面 特殊性能 四 表面沉積 1 物理氣相沉積 利用高溫等方法將被沉積的物質(zhì)蒸發(fā)氣化 并在比蒸發(fā)源溫度低的基體表面上冷凝沉積形 成涂層的方法 稱為物理氣相沉積 亦稱為PVD physical vapordeposition 包括真空蒸鍍 濺射鍍 膜和離子鍍 1 真空蒸鍍 2 濺射鍍膜 濺射鍍膜是利用輝光放電或離子源產(chǎn)生的包括正離子在內(nèi)的 荷能離子轟擊靶材 打出靶材中的原子及其它粒子 此即為濺射過(guò) 程根據(jù)產(chǎn)生濺射粒子的方法可分為直流濺射鍍膜 磁控濺鍍膜和離子束濺射鍍膜 3 離子鍍 IP 2 化學(xué)氣相沉積