金属工艺学总复习

金属工艺学总复习

第1篇 工程材料导论

  • 金属材料的主要性能

    • 力学性能：应力应变曲线
      • 弹性和刚度：弹性模量E
      • 强度：屈服强度
      • 塑性：断后伸长率和断面收缩率
    • 硬度
      • 布氏硬度HBW：碳化钨球压入试样，压痕面积大，不适合成品零件的测量
      • 洛氏硬度HRA、HRBW、HRC：120°金刚石圆锥压入试样，成品检验
    • 冲击韧性
    • 疲劳强度
    • 断裂韧度
    • 物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性
    • 化学性能：耐蚀性、抗氧化性、化学稳定性
    • 工艺性能：铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能

  • 结晶、金属的结晶过程、过冷度、固溶体、固溶强化

    • 过冷度：理论结晶温度 与 实际结晶温度 之差

    • 固溶体：通过溶解形成一种成分和性能均匀的且结构与组元之一相同的固相。

    • 固溶强化：通过形成固溶体使得金属强度、硬度提高的现象。

  • 金属的同素异构转变，合金、组元、相

    • 组元：组成合金的最基本的、独立的物质：纯元素或者稳定的化合物。
    • 合金系：由给定组元按不同比例配制出的一系列不同成分的合金，组成的合金系统。
    • 相：材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。

  • 铁碳合金的组织固溶体、金属化合物和机械混合物：\(F、A、Fe_3C、P、Ld\)

  • 铁碳合金状态图分析（点、线、面、组织、状态）

    • 铁碳相图
    • 铁碳合金相图
    • 铁碳相图简化图
    • 铁碳相图简化图

  • 两种反应：共晶反应、共析反应（在铸造、压力加工和焊接中的应用）

    • 共晶反应：一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。
    • \(L(4.3\%) \xrightarrow{1148\,^{\circ}C} A(2.11\%)+Fe_3C(6.69\%)\) （共晶反应的产物即莱氏体（Ld））
    • 共析反应：一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和结构均不相同的新的固相的反应。
    • \(A(0.77\%) \xrightarrow{727\,^{\circ}C} 共析反应的产物即珠光体（P）\)

  • 三把火（退火 正火 淬火+回火）

    • 退火：
      • 加热 -> 保温 -> 随炉冷却
      • 目的：
        • 降低硬度，便于后续加工
        • 细化晶粒，提高塑性和韧性
        • 消除内应力，为淬火准备
      • 完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火
    • 正火：
      • 加热 -> 保温 -> 空气中冷却
      • 作用：
        • 作为最终热处理（力学性能要求不高）：细化晶粒，提高强度、硬度、韧性
        • 作为预备热处理
        • 取代部分完全退火：炉外冷却，占用设备时间短、生产率高
    • 淬火：
      • 加热 -> 保温 -> 快速冷却 得到高硬度的马氏体
      • 高硬度、高耐磨性
    • 回火：
      • 淬火后，重新加热 -> 保温 -> 冷却至室温
      • 目的：消除内应力，防止钢件变形和开裂；保证强度、硬度、塑性、韧性要求
      • 分类：
        • 低温回火（150~250℃）：回火马氏体
        • 中温回火（350~500℃）：回火屈氏体
        • 高温回火（500~650℃）：回火索氏体

  • 晶粒粗细对材料力学性能的影响

    • 晶粒越细：塑性和韧性越强

第2篇 铸造

  • 铸造性能一流动性、收缩性、应力；
    • 铸造性能：充型能力、收缩性、偏析、吸气
  • 影响充型能力的因素（合金的流动性、铸型性质、浇注条件、铸件结构）；
  • 充型能力不足时会产生浇不足、冷隔、夹砂、气孔、夹渣等缺陷；
  • 凝固方式有：逐层凝固、糊状凝固、中间凝固（P48）；
  • 合金的收缩三阶段：液态收缩、凝固收缩 和 固态收缩（P49）；
  • 缩孔与缩松的形成与防止；
    • 缩孔的形成：纯金属或共晶成分或凝固温度范围窄的合金，浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔。
    • 缩松的形成：铸件最后凝固的收缩未能得到补充，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩。
    • 防止：顺序凝固
      • 设置冒口
      • 增设冷铁
  • 液态成形的内应力、变形与裂纹，防治措施；
  • 内应力一一热应力和机械应力产生的原因；减少和消除铸件应力的途径；
    • 热应力：由于铸件壁厚不均匀，各部分的冷却速度也不相同，以致在同一时间内，铸件各部分的收缩不一致而造成铸件内部产生的应力，称为热应力。
    • 机械应力：合金的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力，称为机械应力。
    • 措施：
    • 使铸件的凝固过程符合同时凝固原则
    • 去应力退火
    • 消除机械应力可以通过适时开箱加以解决
  • 白口、灰口及麻口铸铁，其中灰口铸铁（普通灰口铸铁，可锻铸铁，球墨铸铁），与钢的区别，影响铸铁性能：碳的存在形式和石墨化程度；
  • 石墨化？影响石墨化的因素？石墨的形态对性能的影响；
  • 浇注位置、分型面的选择原则、铸造工艺参数的确定及铸造工艺图的绘制；
    • 浇注位置：
      • 铸件的重要工作面、主要的加工面应朝下或侧立放置。
      • 铸件的大平面应朝下，以免形成夹渣和夹砂等缺陷。
      • 应将铸件薄而大的平面放在下部、侧面或倾斜位置，以利于合金液填充铸型。
      • 应将铸件的厚大部分放在上部或侧面，以获得组织致密，外形完整的铸件。
    • 分型面：
      • 为了方便起模而不损坏铸型，分型面应选在铸件的最大截面上。
      • 尽可能使全部或大部分铸件，或者加工基准面与重要的加工面处于同一半型内以防止错型，减小铸件尺寸偏差。
      • 应尽量减少分型面的数目。
      • 分型面应尽量选用平面。
      • 分型面的选择应尽量减少型芯及活块的数量。
      • 为便于造型、下芯、合箱及检验铸件壁厚，应尽量使型腔及主要型芯位于下箱，但下箱型腔也不宜过深，并力求避免使用吊芯和大的吊砂。
    • 铸造工艺参数： 机械加工余量、铸造收缩率、起模斜度、铸造圆角、型芯头
    • 浇注系统包括：浇口杯(外浇口)、直浇道、横浇道和内浇道
  • 砂型铸造工艺对铸件结构的要求（铸件的外形设计和铸件的内腔设计）：
    1. 铸件的外形必须力求简单，造型方便
      1. 尽量避免铸件起模方向存有外部侧凹，以便于起模
      2. 凸台和筋条结构应便于起模
      3. 铸件分型面尽量平直，包括注意避免分型面上的圆角结构
      4. 铸件侧壁要有结构斜度
    2. 合理设计铸件内腔
      1. 尽量少用或不用型芯
      2. 应便于型芯的固定、排气、定位和清理
      3. 应避免封闭内腔
  • 合金铸造性能对铸件结构的要求：
    1. 合理设计铸件壁厚，加强筋结构
    2. 壁厚应尽可能均匀
    3. 铸件壁的连接方式要合理
      • 铸件壁的转弯处应为圆角，可减少热节和缓和应力集中
      • 不同壁厚之间要逐步过渡
      • 连接处避免集中交叉和锐角
    4. 尽可能避免铸件上的过大水平面
    5. 避免铸件收缩受阻
  • 厚部、心部受拉应力，出现内凹变形。薄部、表面受压应力，出现外凸变形。

第3篇 金属压力加工

  • 加工硬化与回复、再结晶；
    • 加工硬化：随变形程度增大，强度和硬度上升而塑性下降的现象称为冷变形强化，又称加工硬化。
    • 回复：当提高温度时，原子因获得热能，热运动加剧，使原子排列回复到正常状态，从而消除了晶格扭曲，致使加工硬化得到部分消除，这一过程称为“回复”。（\(T_回 = (0.25 \sim 0.3)T_熔\)）
    • 再结晶：当温度继续升高到该金属熔点绝对温度的0.4倍时，金属原子获得更多的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心，按变形前的晶格结构结晶成新的晶粒，从而消除了全部冷变形强化现象。这个过程称为“再结晶”。（\(T_再 = 0.4T_熔\)）
  • 冷加工与热加工的区别是以金属材料的再结晶温度为分界，不是以材料加热或不加热来衡量。
    • 冷加工：变形金属具有加工硬化现象，无再结晶现象。（冲压、冷轧、冷拔、冷挤压）
    • 热加工：加工硬化和再结晶现象同时出现。（锻造、热轧、热冲压）
  • 纤维组织的形成及利用原则（不能消除）；
    • 形成：铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们都将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状，这种结构称为纤维组织。
    • 性质：纤维组织使金属在性能上具有了方向性，纤维组织越明显，金属在纵向(平行纤维方向)上塑性和韧性提高，而在横向(垂直纤维方向)上塑性和韧性降低。
    • 纤维组织的稳定性很高，不能用热处理方法加以消除，只有经过压力加工使金属变形，才能变其方向和形状。
  • 影响金属可锻性的因素： 金属的本质（内因）和加工条件（外因）
    • 金属的本质
      • 纯金属及固溶体 > 合金
      • 碳钢，含碳量越低越好
      • 钢中含有形成碳化物的元素（如铬、钼、钨、钒等）时，其可锻性显著下降。
      • 晶粒细、均匀的组织 > 铸态柱状组织和粗晶粒结构
    • 加工条件
      • 严格控制锻造温度：加热温度过高，晶粒急剧长大，力学性能降低称为“过热”；温度接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间结合，称为“过烧”。
      • 变形速度适中（过大过小都不好）
      • 应力状态：压应力的数目越多，则金属的塑性越好；拉应力的数目越多，则金属的塑性越差（挤压变形时为三向受压状态；而拉拔时则为两向受压、一向受拉的状态）
  • 分模面的选择原则：（分模面是上、下锻模的分界面。分模面可以是平面，也可以是曲面）
    1. 应保证模锻件能从模膛中取出
    2. 分模面应选在能使模膛深度最浅的位置上
    3. 选定的分模面应使零件上的余块最少
    4. 应使上、下两模沿分模面的模膛轮廓一致
    5. 分模面最好是一个平面
  • 自由锻件结构工艺性：
    1. 自由锻件上应避免锥体、斜面、窄槽等结构。
    2. 自由锻件上应避免出现空间曲线结构。
    3. 自由锻件上不允许有筋板、凸台等结构。
    4. 合理采用组合锻件，使成形方便。
  • 模锻件结构工艺性：
    1. 模锻件上必须有一个合理的分模面，以保证模锻成形后，模锻件能容易从模膛中取出。
    2. 模锻件形状应力求简单。
    3. 模锻件上只有与其它机件配合的表面才需要进行机械加工，其它表面应设计为非加工表面。
    4. 模锻件的结构应避免深孔或多孔结构。
    5. 模锻件的整体结构应力求简单。
  • 板料冲压的两大基本工序：分离（冲压：冲裁、修整和切断）和变形（弯曲、拉深、起伏、翻边与翻孔、胀形等）；
  • 冲裁变形过程，断面组成及形成原理
    • 冲裁是用冲模沿封闭轮廓切除材料，使其完全分离，包含落料和冲孔工序。
    • 落料：冲下工件，带孔废料；冲孔：冲下废料，带孔工件。
    • 冲裁变形过程：弹性变形、塑性变形、断裂分离三个阶段
    • 断面组成：圆角、光亮带、断裂带和毛刺等4部分
  • 冲裁模刃口确定基准，冲孔：凸模，落料：凹模；
  • 弯曲：极限、回弹、纤维利用；
    • 弯曲时，板料产生的变形由塑性变形和弹性变形两部分组成。外载荷去除后，塑性变形保留下来，弹性变形消失，使板料形状和尺寸发生与加载时变形方向相反的变化，从而消去一部分弯曲变形效果的现象，称为回弹。
  • 拉深：缺陷及预防，深拉深的拉伸系数及拉深次数的确定；
    • 缺陷1 - 拉裂：在拉深过程中，拉深件主要受拉应力的作用。当拉应力超过材料的强度极限时，拉深件将被拉裂形成废品。最危险的部位通常是直壁与底部过渡的圆角处。
      • 拉裂原因：拉深系数选得太小、拉深变形程度太大，板料厚度变小
      • 防止拉裂措施：
        1. 凸凹模的圆角半径应合适（\(r_凹=10t , r_凸=(0.6\sim 1)r_凹\)）
        2. 凸凹模的间隙应合适（\(Z=(1.1\sim 1.2)t，t为板厚\)）
        3. 合理控制拉深系数（拉深件的直径与其坯料直径之比m，取0.5~0.8）
        4. 使用拉深润滑剂
    • 缺陷2 - 起皱：当拉深变形区的坯料相对厚度较小时，在切向应力作用下，引起坯料失稳而形成折皱的现象。
      • 起皱现象与坯料的相对厚度（\(\delta/D\)）和拉深系数有关。相对厚度越小或拉深系数越小，越容易起皱。
      • 预防措施：设置压边圈。
    • 多次拉深：
      • 容易产生加工硬化
      • 一两次拉深后，应安排工序间的再结晶退火处理
      • 拉深系数应一次比一次略大一些
      • 总拉深系数值等于各次拉深系数值的乘积
  • 冲模的种类：简单模、连续模和复合模三类。

第4篇 焊接

  • 焊接及其分类；

    • 焊接是借助金属原子的结合与扩散，使分离的两部分金属牢固地、永久地结合起来的工艺。
    • 焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。
    • 焊接的分类

  • 电弧分区，各部分温度情况，直流正负接法的选用；

    • 电弧分区及温度

    • 正接：工件—正极（阳极）；焊条—负极（阴极）：厚板、酸性焊条（电弧热量相对集中于工件，可加大熔深）

    • 反接：工件—负极（阴极）；焊条—正极（阳极）：薄板、碱性低氢焊条、低合金钢和铝合金

    • 交流弧焊机不存在正反接问题

  • 熔化焊的三要素，本质及特点；

  • 熔池的保护，电焊条的组成及作用，牌号含义，及选用原则；

    • 焊接过程中必须对熔池金属进行机械保护和冶金处理。
      机械保护：利用熔渣、保护气体（\(Ar、CO_2\)）等机械方式把熔池和空气隔开；
      冶金处理：向熔池中添加合金元素，改善焊缝金属的化学成分和组织。
    • 焊条组成：中间是金属丝制成的焊芯，外部包覆着一定厚度的药皮。
    • 常用的结构钢焊条的牌号表示方法用字母 J ** 和三位数字表示。J表示结构钢焊条，前两位数字表示焊缝金属抗拉强度，第三位表示药皮类型及采用电源。
      例如：焊条牌号      J507，J表示焊条类别为结构钢焊条，50表示熔敷金属抗拉强度的最小值为500MPa**，7表示焊条药皮为低氢钠型、电流类型为直流电源。
    • 选用原则：
      1. 等强度原则：低碳钢和普通低合金钢构件，一般都要求焊缝金属与母材等强度，因此可根据钢材强度等级来选用相应的焊条。
      2. 同一强度等级的酸性焊条和碱性焊条的选用。主要应考虑：焊接件的结构形状、钢板厚度、载荷性质和抗裂性能而定。
      3. 低碳钢与低合金结构钢焊接，可按某一种钢接头中强度较低的钢材来选用相应的焊条。
      4. 焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，应选用相应的专用焊条。

  • 焊接接头的组织与性能（焊缝，热影响（过热、正火、部分相变区），熔合区）；

    • 整个焊接接头由焊缝区、熔合区、热影响区构成。
    • 热影响区可划分为过热区、正火区和部分相变区。
    • 电弧焊方法不可避免地要出现熔合区和热影响区。这两个区域的大小和组织性能取决于被焊材料、焊接方法、焊接工艺参数等因素。

  • 如何保证焊缝质量？（去应力退火），选择型材；

    • 用焊条电弧焊或埋弧焊方法焊接一般低碳钢结构时，因热影响区较窄，危害性较小，焊后不进行处理即可使用。
    • 但对重要的碳钢结构件、低合金钢结构件，为消除热影响区影响，一般采用焊后正火处理，使焊缝和焊接热影响区的组织转变成为均匀的细晶结构，以改善焊接接头的性能。
    • 对焊后不能进行的热处理的金属材料或构件，则只能通过正确的选择焊接材料、焊接方法与焊接工艺上来减少焊接热影响区的范围。

  • 焊接应力及变形产生的原因、危害、防止及消除；

    • 变形和应力危害：

      • 焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等
      • 焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力
      • 引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂纹

    • 焊接应力措施：

      • 在结构设计时，应选用塑性好的材料，要避免使焊缝密集交叉，避免使焊缝截面过大和焊缝过长。
      • 采用合理的焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力。
      • 焊前对焊件预热，可以减弱焊件各部位间的温差，从而显著减小焊接应力。
      • 当焊缝还处在较高温度时，锤击焊缝使金属伸长，也能减少焊接残余应力。
      • 当需较彻底地消除焊接应力时，可采用焊后去应力退火方法来实现。此时需将焊件加热至500〜650℃左右，保温后缓慢冷却至室温。

    • 焊件变形措施：

      • 正确设计焊件的结构
      • 采用合理的焊接工艺：反变形法、刚性固定法、合理选择焊接次序、焊前预热和焊后缓冷、焊后热处理
      • 焊后矫形处理：机械矫形、火焰矫形

  • 气体保护焊：氩弧焊（熔化极氩弧焊和钨极氩弧焊），二氧化碳焊两者差异；

  • 铸铁补焊时白口产生的原因及预防，冷焊法与热焊法；

    • 原因：
      1. 由于焊缝的冷却速度快，特别是在熔合线附近处的焊缝金属是冷却最快的地方；
      2. 焊条选择不当，使焊缝中的石墨化元素含量不足。
    • 预防措施：
      • 减缓冷却速度：延长熔合区处于红热状态时间，使石墨化充分进行。具体措施是焊前对焊件进行预热和焊后保温缓冷。
      • 增加有利于石墨化元素的含量：只有当（C+Si）％含量达到一定值时，在适当冷却速度配合下，才能使焊缝获得灰铸铁组织。
      • 采用异质材料焊接：采用镍基、铜基、钢基焊缝的焊接材料，使焊缝不是铸铁组织，因而从根本上避免了白口组织的产生。

  • 焊接缺陷及检验方法；

    • 常见缺陷：焊瘤、夹渣、裂纹、气孔、咬边、未焊透
    • 焊接检验过程：焊前检验、生产过程检验、焊后检验
    • 焊接接头检验方法：破坏检验、非破坏检验（包括外观检查、密封性检验和物理探伤等）

  • 焊接接头工艺设计（焊缝的布置的原则）；

    • 焊接接头的基本形式有对接、搭接、角接和T形接等
    • 焊缝布置原则：
      1. 焊缝应尽可能分散布置
      2. 焊缝应尽可能对称布置
      3. 焊缝应尽量避开最大应力和应力集中部位
      4. 焊缝应尽量避开机械加工表面
      5. 焊缝位置应便于焊接操作
      6. 尽量减少焊缝长度和数量

  • 埋弧焊的特点及应用；

    • 特点：生产效率高、质量高且稳定、节省金属材料、劳动条件好
    • 应用：常用来焊接长的直线焊缝和较大直径的环形焊缝。当工件厚度增加和批量生产时，其优点尤为显著。

第5篇 新型金属热加工工艺

  • 热等静压、放电等离子烧结的原理及特点：
  • 电弧增材制造的原理及特点：
  • SLM的工艺原理、特点及应用；
  • LENS的工艺原理、特点及应用
  • SEBM的工艺原理、特点及应用

第6篇 金属切削加工

  • 切削运动：主运动和进给运动；
  • 切削三要素：切削速度\(V_c\)、进给量 \(f\) 和背吃刀量 \(a_p\)：
  • 刀具材料基本性能要求，YG、YT及YW选用；
  • 刀具结构：三面、两刃、一尖，坐标平面：基面\(P_r\)、切削平面\(P_s\)和正交平面\(P_0\)；
    • 车刀结构
      车刀切削部分
    • 坐标平面：
      基面(\(P_r\))：过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。
      切削平面(\(P_s\)) ：过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面的平面。
      正交平面(\(P_0\)) （主剖面）：通过切削刃选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面。
      车刀静止参考系平面
  • 刀具角度：主偏角\(K_r\)、副偏角\(K_r'\)、前角\(\gamma_0\)、后角\(\alpha_0\)和刃倾角\(\lambda_s\)：车外圆与车端面车刀主、副车削刃的变化；
  • 刀具角度的变化对零件表面质量的影响？
  • 影响切削力的因素？（前角最大、主偏角次之）
  • 切屑种类变化（带状、节状、单元及崩碎切屑）
  • 积屑瘤？积屑瘤的形成及积屑瘤对切削加工的影响（有利与不利的方面）；积屑瘤的控制：影响积屑瘤的因素是工件材料、切削用量、刀具角度和切削液等；要避免在中温、中速加工塑性材料
  • 孔的加工方法（钻，扩，铰，镗、拉、磨），钻孔：“引偏”原因及措施，排屑困难的原因及措施；
  • 零件平面的加工方法（车、刨、铣、磨），铣削：周铣（顺铣与逆铣）及端铣；
  • 磨削过程：滑擦、刻画、切削，加工范围及特点（引起金相组织变化）；
  • 毛坯选择的一般原则：使用性能、工艺性能及经济性原则；
  • 工件的定位：完全定位、不完全定位、欠定位和过定位；
  • 工件的基准：设计基准和工艺基准（定位基准、度量基准、装配基准）；
  • 精基准的选择原则（基准重合原则；基准统一原则）；
  • 零件结构工艺性的一般原则；
  • 零件加工工艺路线的拟定（加工阶段的划分；加工顺序的安排；热处理工序的安排）；
    • 加工阶段的划分：
      1. 粗加工阶段：主要任务是切除大部分加工余量。
      2. 半精加工阶段：为主要表面的精加工做好准备，为次要表面进行最终加工。
      3. 精加工阶段：主要表面进行最终加工以满足图样要求。
      4. 光整加工阶段：改善表面质量，适当提高尺寸精度。
    • 加工顺序的安排
      1. 切削加工顺序
        • 先粗后精
        • 先主后次
        • 先基面后其他
        • 先面后孔
      2. 热处理工序
        • 预备热处理
        • 最终热处理
        • 时效处理
        • 表面处理及发蓝
      3. 辅助工序
        • 粗加工阶段结束之后
        • 重要工序前后
        • 从一个车间转移到另一车间
        • 特种性能检验之前
        • 工件加工结束之后
  • 轴类零件加工路线：
  • 切削加工及装配对零件结构工艺性的要求。
posted @ 2025-06-14 19:29  H_Elden  阅读(160)  评论(0)    收藏  举报