1、材料成形原理材料成型與控制專業(yè)?1、概念：?內(nèi)應(yīng)力：熱加工中，工件因經(jīng)歷加熱與冷卻過程，伴隨熱脹冷縮現(xiàn)象。某些合金發(fā)生相變，也引起收縮和膨脹。從而使工件體積和形態(tài)都發(fā)生變化。若該變化受阻礙，便在工件中產(chǎn)生應(yīng)力，稱為內(nèi)應(yīng)力。?鑄造應(yīng)力：內(nèi)應(yīng)力在鑄造中稱為鑄造應(yīng)力。?瞬時應(yīng)力：在加熱冷卻過程中形成的應(yīng)力稱為瞬時應(yīng)力。?殘余應(yīng)力：完全冷卻后殘存在工件中的應(yīng)力，稱為殘余應(yīng)力。?2、內(nèi)應(yīng)力對工件或結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的影響?（1）應(yīng)力值超過金屬屈服極限時，工件發(fā)生塑性變形尺寸、形狀發(fā)生變化；?（2）應(yīng)力值超過金屬強度極限時，工件產(chǎn)生裂紋；?（3）應(yīng)力值低于金屬彈性極限時，以殘余應(yīng)力存在。?3、殘余應(yīng)力對構(gòu)件承載能

2、力的影響?當載荷作用方向與構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力方向一致時，在內(nèi)外應(yīng)力共同作用下超出強度極限導致局部或整體斷裂；?在腐蝕介質(zhì)中，還會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。第一節(jié)內(nèi)應(yīng)力?內(nèi)應(yīng)力按產(chǎn)生原因分：熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機械阻礙應(yīng)力。?（一）熱應(yīng)力?工件在受熱及冷卻過程中，由于各部分溫度不同、冷卻速度不同造成工件上同一時刻各部分收縮（或膨脹）量不同，從而導致內(nèi)部彼此相互制約而產(chǎn)生應(yīng)力。由于是由熱脹冷縮引起，故稱為熱應(yīng)力。例：金屬框?若整體均勻加熱和均勻冷卻，不會產(chǎn)生應(yīng)力；?若只加熱中心桿溫度上升、發(fā)生伸長但會受兩側(cè)桿的阻礙受壓縮力作用；兩側(cè)桿受中心桿作用受拉伸力作用。?若熱應(yīng)力較小，低于材料的屈服強度框架內(nèi)不產(chǎn)生塑性變

3、形溫度均勻化后熱應(yīng)力消失。例：金屬框?若熱應(yīng)力較大，超過材料的屈服強度中心桿產(chǎn)生壓縮塑性變形。當溫度下降到原始狀態(tài)時，若中心桿能自由收縮，長度必然比原來的短，縮短量就是壓縮塑性變形量；實際上，受兩側(cè)桿阻礙，中心桿不能自由收縮中心桿受拉應(yīng)力、兩側(cè)桿受壓應(yīng)力形成新的內(nèi)應(yīng)力體系殘余應(yīng)力。熱應(yīng)力的表達式：式中，T溫度增量；E為彈性模量，常量；為線膨脹系數(shù)，常量例：厚度不均勻的T字梁桿I和桿n的冷卻曲線桿I較厚，冷卻前期桿I冷速比桿止?。灰騼蓷U溫度最終相同，冷卻后期桿I冷速比桿II大。桿I和桿n的收縮率曲線由于鑄件自由收縮率與溫度成正比，故該曲線外形與冷卻曲線一致。虛線GCGG為兩桿聯(lián)在一起收縮后的曲線

4、。（三）相變應(yīng)力具有相變的合金，各部分發(fā)生相變先后及程度不同，產(chǎn)生的應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。分析厚壁鑄件中的相變應(yīng)力時，分兩種情況：（1）在冷卻過程中，當鑄件內(nèi)層處于塑性狀態(tài)時，外層已經(jīng)開始發(fā)生相變。如果析出的新相體積大于舊相，則鑄件外層發(fā)生膨脹，內(nèi)層塑性變形，鑄件不會產(chǎn)生相變應(yīng)力。鑄件繼續(xù)冷卻，內(nèi)層也達到彈性狀態(tài)，產(chǎn)生體積膨脹的相變外層發(fā)生彈性拉伸拉應(yīng)力；內(nèi)層彈性壓縮壓應(yīng)力。內(nèi)層相變應(yīng)力與熱應(yīng)力符號相反（內(nèi)層溫度高，收縮嚴重，被外層阻礙拉應(yīng)力）。（2）外層發(fā)生相變時，內(nèi)層處于彈性狀態(tài)，但內(nèi)層不發(fā)生相變相當于表面淬火處理。外層發(fā)生相變產(chǎn)生體積膨脹受內(nèi)層制約壓應(yīng)力，內(nèi)層拉應(yīng)力。內(nèi)層因外層相變產(chǎn)生的應(yīng)力

5、與熱應(yīng)力符號相同（外層激冷，溫度低，內(nèi)層相對溫度高，繼續(xù)冷卻，內(nèi)層拉應(yīng)力）。綜上所述，鑄件內(nèi)的應(yīng)力是熱應(yīng)力、相變應(yīng)力及機械阻礙應(yīng)力的總和，在冷卻過程中的某一瞬時，當局部應(yīng)力的總和大于金屬在該溫度下的強度極限時，工件就會產(chǎn)生裂紋。?工件中的殘余應(yīng)力并非是永久性的。經(jīng)過熱處理，即在一定溫度下經(jīng)過一定時間后，工件內(nèi)各部分應(yīng)力會重新分配或消失。三、減小或消除應(yīng)力的途徑?（一）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計?1、鑄件的壁厚差要盡量減?。?2、厚薄壁連接處要圓滑過渡。?3、鑄件厚壁處砂層要減薄（加大冷速），或放置冷鐵；?4、合理設(shè)計澆冒口，盡量使鑄件各部分溫度均勻。?（二）選擇合理的工藝及采用必要的措施?1、澆注鑄件時，

6、在滿足使用要求的前提下，應(yīng)選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的材料；?2、提高鑄型的預(yù)熱溫度有利于減小鑄件各部分的溫差；?3、采用較細的面砂和涂料，可減小鑄件表面的摩擦阻力；?4、控制鑄型和型芯的緊實度、加木屑、焦炭等可提高鑄型及型芯的退讓性；?5、控制鑄件在型內(nèi)的冷卻時間，不能打箱過早，但為了減小鑄型和型芯的阻力，也不能打箱過遲。?（三）殘余應(yīng)力的消除?1熱處理法最常用的方法?將工件加熱到塑性狀態(tài)的溫度，并在此溫度下保溫一段時間，利用蠕變產(chǎn)生新的塑性變形，使應(yīng)力消除。再緩慢冷卻，使厚、薄部位的溫度均勻，而不重新出現(xiàn)應(yīng)力。?加熱溫度和保溫時間，需根據(jù)材料的性質(zhì)、工件的結(jié)構(gòu)以及冷卻條件而定。?2自然時效法

7、?將有殘余應(yīng)力的鑄件放置在露天場地，經(jīng)數(shù)月乃至半年時間以上，應(yīng)力慢慢自然消失。?特點：長時間受不斷變化溫度作用，晶格畸變恢復(fù)，鑄件變形，應(yīng)力消除。費用低，但時間太長，效率低，近代很少采用。?3共振法?將鑄件在共振條件下振動10-15min，以達到消除鑄件中殘余應(yīng)力的目的。?該法與熱處理法相比，設(shè)備費用低，花費的時間少，易于操作，而且無氧化皮，不受工件大小尺寸的限制，也不會由于熱處理規(guī)范不當而產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力或裂紋。第二節(jié)變形?當工件的形狀尺寸發(fā)生變化與圖樣不符合時，說明工件發(fā)生了變形。若為鑄造所致，被稱為鑄造變形。?當工件在某一溫度下所承受的應(yīng)力大于該溫度下材料的屈服強度時，工件就會發(fā)生變形，以

8、減小內(nèi)應(yīng)力，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。等待工件完全冷卻后，遺留下的變形被稱為殘余變形。?一、變形的種類?（一）整體變形整體變形是指整個結(jié)構(gòu)形狀和尺寸發(fā)生變化，它是由各個方向收縮而引起的。例：厚薄不均的T字型梁的彎曲變形?因壁薄部分的冷卻較快，壁厚部分的冷卻較慢，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。達到平衡態(tài)時，導致變形的方向為厚的部分向內(nèi)凹，薄的部分向外凸，如圖中虛線所示。?上圖中I桿厚，II桿?。寒攦烧邷囟榷嫉陀趶椥詼囟葧r，由于II桿比I桿先冷，所以，當I桿冷至室溫后，I桿的收縮受到II桿的限制，而承受拉伸應(yīng)力，II桿承受壓縮應(yīng)力。故在長度方向，I桿向下凹，而桿II向下凸。?下圖中I桿薄，II桿厚：其原理如上述，只是I桿與

9、II桿的關(guān)系相對換。從而，I桿受到壓應(yīng)力，向上凸，II桿受到拉應(yīng)力，向上凹。例：機床床身的變形?由于機床床身的導軌面較厚，而側(cè)壁較薄，截面形態(tài)如圖a上圖的狀態(tài)。所以，其變形方向是向下凹。例：厚薄均勻的平板鑄件?由于平板中心部分比四周冷卻得慢，以致中心部分產(chǎn)生拉應(yīng)力（四周約束，無法收縮），而四周產(chǎn)生壓應(yīng)力（因受向心力而互相擠壓）。?當平板上下兩面存在溫差時，就可能產(chǎn)生彎曲變形。通常上面的導熱差，冷到室溫的時間較長（收縮時下面不隨著變化），因此平板的變形呈向下凹（從上邊看）的形態(tài)。例：帶輪鑄件的波浪變形?（二）局部變形?局部變形是指結(jié)構(gòu)的某些部分發(fā)生的變形。?帶輪的特點是輪緣和輪輻比輪轂薄，當輪轂

10、進入彈性狀態(tài)時，其收縮受到輪緣和輪輻的阻礙，所以輪轂受拉應(yīng)力，輪緣受壓應(yīng)力，輪輻亦受拉應(yīng)力。二、影響變形的因素?（一）金屬材料的熱物理性能?金屬材料的熱物理性能對變形有一定的影響。?1、材料的線脹系數(shù)越大，則產(chǎn)生的塑性變形越大。冷卻后，縱向和橫向的收縮也越大。如：不銹鋼的線脹系數(shù)比低碳鋼大，因而變形也大。?2、導熱性好的金屬，如鋁及其合金，因其線脹系數(shù)大，且在高溫時的強度較低，變形也大。?（二）工藝因素在鑄造中，用來制作木模的木料未干燥，或重新吸收水分，以致木模產(chǎn)生變形，從而導致砂型和鑄件產(chǎn)生變形。模型的剛度不足或強度不夠、模型放置在不平的底板上、上下砂型夾緊不良等均能導致鑄件的變形。三、防止

11、或減少變形的方法?（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計方面?結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅需要考慮強度、剛度和穩(wěn)定性，而且還需要考慮制造工藝。?在鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以采用局部加厚、設(shè)置拉肋等方法來減小鑄件變形。如帶輪的輪緣厚度比輪轂薄，冷卻后容易向內(nèi)凹，導致加工余量不足。為此可以在輪緣與輪轂連接處的外圓，進行局部加厚。鑄件的法蘭部分因收縮受到砂芯或砂型的阻礙而變形，因而可以在該處設(shè)置拉肋，阻止法蘭變形。?（二）工藝方面?1、反變形法最常用的方法?反變形法就是根據(jù)結(jié)構(gòu)件變形的情況，預(yù)先給出一個方向相反、大小相等的變形，用來抵消結(jié)構(gòu)件在加工過程中產(chǎn)生的變形，使加工后的結(jié)構(gòu)件符合設(shè)計要求。反變形的尺寸、形態(tài)應(yīng)根據(jù)實測或經(jīng)驗來確定。?2

12、、合理的工藝?（1）加壓鐵澆注前，可將壓鐵放在砂箱上，以防止鑄件的彎曲變形。原理：砂箱內(nèi)鐵液充填時出現(xiàn)浮力，將上砂箱上抬，壓鐵通過鐵墊對浮力產(chǎn)生壓力。這樣，既可避免砂箱上抬時跑鐵液，同時也能防止鑄件的變形。?（2）控制鑄件出型時間若出型過早，由于溫度高，遇風后各部分的溫差會加劇，而導致變形量增加。若鑄件早出型后立即退火，使鑄件緩慢冷卻，就可減小變形量。?（3）對于半圓形的鑄件可將兩個鑄件連在一起澆注，使柔性結(jié)構(gòu)變?yōu)閯傂越Y(jié)構(gòu)，以防止鑄件的變形。第三節(jié)裂紋?一、裂紋的種類?按位置分：表面裂紋和內(nèi)部裂紋；?按溫度分：熱裂紋和冷裂紋。?二、熱裂紋液態(tài)成形過程中，在高溫階段產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象，多在固相線附近

13、發(fā)生，故稱為“熱裂紋”。?（一）熱裂紋的形成條件及其特征?1熱裂紋的形成條件條件：高溫階段晶間的延性或塑性變形能力不足以承受當時應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變量。在金屬凝固過程中，存在一個“脆性溫度區(qū)”，它具有最低的延性，受力時易于產(chǎn)生熱裂紋。?2熱裂紋的特征（1）裂口外觀形狀曲折而不規(guī)則；（2）裂口有明顯的氧化色彩；（3）裂口沿晶粒邊界通過。（二）熱裂紋的形成機理?1、強度理論金屬在固相線上下溫度范圍內(nèi)延伸率極低，金屬呈脆性斷裂，把該溫度區(qū)間定義為 “脆性溫度區(qū)熱裂就是在脆性區(qū)內(nèi)形成的。脆性區(qū)愈大，熱裂越易形成。鑄件凝固時如能自由收縮，不受外部和內(nèi)部阻力，即使強度低也不會形成熱裂。但鑄件凝固收縮時往往受各

14、種阻力，使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。如果應(yīng)力超過金屬在該溫度的強度，即產(chǎn)生熱裂。?2、液膜理論當鑄件凝固到固相線附近時，晶體周圍還有少量未凝固的液體，構(gòu)成一層液膜。當鑄件收縮因某種原因受到阻礙時，晶體和晶間液膜內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力。當應(yīng)力足夠大時，液膜就會開裂，形成晶間裂縫。（三）影響熱裂紋的因素?1、冶金因素對熱裂紋的影響冶金因素：（1）合金的化學成分；（2）凝固組織形態(tài)。?（1）化學成分?1）合金元素對凝固溫度區(qū)的影響合金元素既能影響凝固溫度區(qū)的大小，也能影響合金在脆性溫度區(qū)中的塑性。裂紋傾向的大小是隨凝固溫度區(qū)的增大而增加。隨著合金元素的增加，凝固溫度區(qū)增大，同時脆性溫度區(qū)的范圍也增大（陰影部分），因此

15、裂紋的傾向也隨之增大。?2）雜質(zhì)元素的偏析以及偏析產(chǎn)物的形態(tài)對熱裂紋的影響雜質(zhì)元素硫和磷在鋼中能形成多種低熔合金，即使微量存在，也會使凝固溫度區(qū)大為增加，在合金凝固過程中極易形成液態(tài)薄膜，顯著增加裂紋傾向。硫和磷在鋼中還能引起偏析，富集在晶界，增加裂紋傾向。所以在鑄鋼件中，必須限制S、P的有害作用。?（2）凝固組織形態(tài)對熱裂紋的影響對于奧氏體鋼，凝固后晶粒的大小、形態(tài)和方向以及析出的初生相等對抗裂性都有很大影響。晶粒越粗大，方向性越明顯，產(chǎn)生熱裂紋傾向越大?2、液態(tài)成形工藝因素的影響?（1）鑄型性質(zhì)的影響鑄件的凝固收縮受到鑄型和型芯的阻力，鑄型和型芯退讓性好，鑄件受到的阻力小，形成熱裂的可能性

16、也小。濕型比干型的退讓性好，不易產(chǎn)生熱裂。鑄型或型芯的退讓性與采用的粘結(jié)劑有關(guān)。鑄件表面粘砂將影響鑄件與鑄型表面的相對運動，因而也會影響鑄件收縮，并促使熱裂的形成。當采用金屬型澆注大的鑄鋁件時，由于鑄件的表面冷卻很快，會形成一層凝固層。同時由于收縮使鑄件表面離開了鑄型壁，在金屬液體靜壓力的作用下，因凝固層強度不足也會形成熱裂。提高金屬型的溫度可以減小熱裂傾向。?（2）澆注條件的影響1）澆注溫度應(yīng)根據(jù)鑄件的壁厚來選擇。薄壁鑄件要求較高的澆注溫度，以利于充填，并使凝固速度緩慢均勻，從而減小熱裂傾向。厚壁鑄件，澆注溫度過高會增加縮孔容積，減緩冷卻速度，并使初晶粗化，形成偏析，易形成熱裂。此外，澆注溫

17、度過高易引起鑄件粘砂或與金屬型壁粘合，阻礙鑄件收縮，引起熱裂。2）澆注速度對熱裂也有影響。澆注薄壁件時，希望型腔內(nèi)液面上升速度較快，以防止局部過熱。而對于厚壁鑄件則要求澆注速度盡可能慢一些。3）澆注時金屬引入鑄型的方法對熱裂也有不可忽視的影響。一般內(nèi)澆道附近的溫度較高，冷卻較慢，此處為薄弱環(huán)節(jié)。如能將內(nèi)澆道分散在幾處引入鑄型，使收縮應(yīng)力分散，也可以減少熱裂傾向。?（3）鑄件結(jié)構(gòu)的影響1）當鑄件的厚薄不均時，冷卻速度也不同，薄的部分先凝固，在降到較低溫度時具有較高的強度。當厚的部分凝固時，收縮應(yīng)力易集中于此處，易出現(xiàn)裂紋。2）鑄型壁十字交接時，會在該處形成熱節(jié)，并產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，易產(chǎn)生熱裂。3

18、）澆道開設(shè)不當，也會對鑄件的收縮產(chǎn)生阻礙作用，增大鑄件的收縮應(yīng)力，致使鑄件開裂。大型鑄鋼件尤應(yīng)注意。（四）防止熱裂紋的措施?（1）化學成分的控制?1）在不影響鑄件使用性能的前提下，適當調(diào)整合金的化學成分，減小合金的凝固溫度范圍。?2）對合金進行微合金化和變質(zhì)處理。以細化晶粒，減少非金屬夾雜，及改變夾雜物的形態(tài)和分布。?3）改進鑄鋼的脫氧工藝，提高脫氧效果，以減少晶界的氧化物夾雜，減小熱裂傾向。?4）用合成渣處理鋼液，降低鋼中的硫含量。?（2）調(diào)整工藝?1）減小鑄件的收縮應(yīng)力，如增加鑄件和型芯的退讓性，預(yù)熱鑄型，在鑄型和型芯表面刷涂料等方法，可降低熱裂傾向。?2）改進澆注方法，設(shè)置合理的澆道數(shù)量，控制澆注速度等，以控制鑄件的冷速，使鑄件各部分溫度相對均勻。?3）設(shè)計合理的鑄件結(jié)構(gòu)，避免直角或十字交叉的截面。在必要時需設(shè)置防裂肋，在