材料制备与成型总结.pdf

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材料工程基础（材料制备与成型）小结杨洋整理第一篇钢铁冶金1、炼铁实质：通过还原反应，还原出铁、猛、硅、磷、硫以及碳渗入铁水的过程。铁水常规五元素：C、Si、Mn、P、S高炉炼铁所需要的原料：铁矿石（提供铁元素）焦炭（提供热量、还原剂、料柱骨架），熔剂以石灰石为主（造渣）对原料的要求：要求铁矿石品位高，粒度均匀合适，酸性脉石少，强度较高，还原性好，成分波动小；要求焦炭杂质少，水分稳定，粒度均匀，强度好；要求熔剂碱性氧化物含量高，杂质少，强度高，粒度均匀。概念：炉渣碱度：炉渣中碱性氧化物与酸性氧化物的浓度比（常用摩尔分数之比），用R表示，R>1，为碱性渣；R<1，为酸性渣；R=1，为中性渣。炼铁过程中的反应：铁硅锰磷的还原，渗硫反应以及脱硫反应，渗碳（4%）锰硅磷硫升高增加增加增加减少炉温降低减少减少减少增加升高增加减少减少减少碱度降低减少增加增加增加多------减少C量少------增加高炉冶炼产品：生铁（炼钢生铁1.5%Si，铸造生铁2.75-3.25%Si）炉渣炉气2、炼钢实质：通过氧化反应降低生铁中碳以及其他杂质的过程，氧化剂有[O],O2,Fe2O32.1炼钢过程中的反应2.1.1脱碳反应（生成CO），附带效应为：升温，搅拌，携带（夹杂物上浮）2.1.2硅的氧化影响因素炉温升高Si减少碱度增加Si减少氧化剂增加Si减少硅对于钢材质量的影响：有利于脱氧，并且可以固溶强化，但是夹杂，降低塑韧性。2.1.3锰的氧化影响因素炉温降低Mn减少碱度降低Mn减少氧化剂增加Mn减少。锰对于钢材质量的影响：固溶强化，综合硫，脱氧，细化晶粒，提高淬透性；但是夹杂，Ms点降低2.1.4脱磷反应影响因素温度降低碱度升高氧化铁增加（过多则不利）CSiMn增加以及及时排渣都有利于P含量的降低脱磷的措施：造碱性渣，加氧化剂，提高渣的流动性概念回磷现象：炼钢过程中已经脱去的磷又从渣中进入钢液中的现象，形成条件为：炼钢末期，温度上升，脱氧剂的加入，以及在盛钢桶中，SiO2的进入导致了碱度的下降。改善回磷现象的措施有：温度不宜太高，加石灰石提高碱度，采用碱性盛钢桶。磷对于钢质量的影响：易形成热裂热脆，加剧偏析，冷脆倾向增加，促进回火脆性，焊接性变坏，但可使得钢材抗大气腐蚀能力增强，提高刚的强度，并且有利于改善切削性能。2.1.5脱硫反应(注：[]表示钢液中，()表示在渣中)炉渣脱硫：钢液中[FeS]+(CaO)+C=[Fe]+(CaS)+CO-Q渣中(FeS)+(CaO)+C=[Fe]+(CaS)+CO-Q影响因素：上述反应为吸热反应，炉温越高，炉渣中氧化钙越多，氧化铁越少，降低硫在渣中的浓度，则脱硫越充分。 气化脱硫：[S]SO2高温有利脱硫措施：造碱性渣，造新渣，提高渣的流动性，采用碱性盛钢桶，炉外脱硫硫对于钢质量的影响：易形成热裂、热脆，焊接中易形成气孔和缩松（SO2），降低钢的使用性能，各向异性增加，耐蚀性降低；可以改善切削性能。2.1.6脱氧反应脱氧的目的：得到正常的钢锭表面和结构提高合金元素的收得率减少氧化物夹杂数量得到细晶粒结构的钢脱氧剂的特点及应用锰铁硅铁铝复合脱氧剂脱氧能力弱强更强最强渣排除能力强弱强最强附带作用综合硫，强化--细化晶粒--应用各类钢镇静钢镇静钢镇静钢脱氧方法：扩散脱氧：依靠氧向炉渣中扩散而被脱去的方法，亦称间接脱氧沉淀脱氧：脱氧剂进入钢液内部进行脱氧反应而脱氧的方法，亦称直接脱氧扩散脱氧与沉淀脱氧相比，速度慢，污染小，并且需要还原性气氛，因此在电弧炉中应用较多，而直接脱氧的方法则应用于各类炼钢方法中。2.2一般炼钢法（转炉炼钢和电弧炉炼钢）2.2.1氧气顶吹转炉炼钢法反应原理:铁水热+反应热炼钢原料:铁水、(废钢)+熔剂冶炼过程：装料、吹练、测温、脱氧、出钢冶炼特点：不需外加热源，反应剧烈，生产率高，烟尘大，产品品种多产品质量特点：1）含气量小，N，H含量低，即时效敏感性及脆性低，塑韧性和焊接性能好；2）P,S含量与电弧炉相当3）夹杂物以及外来元素少，冷变形抗应变时效和焊接性能好。2.2.2电弧炉炼钢法原理：利用电弧和燃料之间产生的电弧进行熔炼酸性电弧炉，用于铸钢车间碱性电弧炉用于炼钢冶炼过程：补炉，装料，熔化，氧化，还原（脱氧，脱硫）出钢电弧炉冶炼特点：炉温高，可以熔化任何金属，热效率高，炉池温度易于控制，炉内气氛易于控制，可用合金、废钢、非高炉生铁进行熔炼，炉内温差大，元素易烧损，生产成本高，生产效率低，电离的N,H易进入钢中电弧炉钢质量的特点：1）PS含量低2）夹杂物少（扩散脱氧，炉温高，渣易上浮）3）冶炼成分易控制4）NH含量高2.3钢的浇注和钢锭钢锭结构：表层激冷层，柱状晶，中心粗大等轴晶（镇静钢）连续铸钢：采用连续铸机把钢液直接凝固成钢坯工艺过程：浇注，结晶器冷凝，二次冷却，矫直，切割工艺参数：注温高于模铸20-50℃注速冷速：过低会导致拉漏，过高会导致间隙，裂纹连铸钢质量特点：结构致密均匀，偏析小，夹杂物总量小，易出现表面裂纹，易出现中心 偏析和缩孔（缩松）技术经济上讲，收得率高，质量优2.4钢的冶金质量及控制冶金质量的主要评定依据有以下四点：成分气体夹杂物缺陷2.4.1成分：钢中常存元素有：C，Si，Mn，P，S，H，N，O钢中常规五元素：C，Si，Mn，P，S化学成分的影响详见2.12.4.2气体1）氢氢脆：由于氢导致的在低应力载荷下的脆性断裂，属于应变时效脆性，在应力作用一段时间后材料突然发生断裂影响因素：形变速率降低，[H]增加，Sb、Sn、S等元素增加，晶粒度降低，工作温度都会使得氢脆容易形成白点：纵向断口上出现的圆形或椭圆形的银白色斑点，亦称发裂。产生原因是局部氢与应力的综合作用，可以通过降低[H]含量，去氢退火等措施改善。2）氮影响：时效脆性，易形成气泡和缩松，细化晶粒扩大奥氏体区改善：减少气体进入，除气，合金化2.4.3非金属夹杂物（氧化物，硫化物，氮化物，硅酸盐）影响：导致应力集中及裂纹产生，塑韧性下降，疲劳强度降低，易形成热裂热脆，影响表面质量以及模具寿命，切削性能下降，加剧腐蚀，影响热处理性能（淬火开裂，氮化中引起气泡）减少途径：原材料控制夹杂元素含量高，炼钢中的排除，浇铸时的镇静与保护，采用精炼以及特殊方法2.4.4钢中缺陷：指钢材中连续性、致密性、纯净性、均匀性受到破坏的地方种类：缩孔，缩松，气泡，夹杂，偏析，晶粒粗大等第二篇金属材料的成型加工基础3铸造3.1可铸性：包括充型能力与流动性，收缩特性，铸造应力3.1.1充型能力与流动性充型能力：液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰的健全铸件的能力流动性：指的是液态金属本身的流动能力影响合金流动性的因素：1）冶金因素，合金的成分是内因，一般来讲纯金属，金属间化合物以及共晶成分的合金流动性最好。2）合金的物理性质，比热，密度，导热系数，结晶潜热和粘度等，比热和密度较大的合金因其本身含有较多的热量，在相同的过热度下，保持液态的时间长，流动性好。铸型性质：铸型分为砂型和金属型，砂型用于铸铁铸钢件，金属型用于低熔点有色金属为什么砂型可以用来铸铁铸钢件？1）耐火度高2）不影响铸件的成分（无扩散溶解，不粘连铸件）3）合适的冷速用以调控组织4）有一定的退让性和溃散性5）排气性良好6）有一定的自持强度铸型的蓄热系数：表示铸型从其中的金属吸取并储存在本身中的热量的能力，蓄热系数越大，充型能力越差。铸型的温度：预热铸型可以减少液态金属与之的温差，减慢合金散热，提高其充型能力 铸型表面状态和其中的气体：光滑表面或者小导热系数涂层有利于提高充型能力浇注条件影响：浇注温度越高，充型能力越好充型压头：流动方向上压力越大，流动性越好浇注系统结构越简单充型能力越好铸件的结构：折算厚度（指铸件的实际体积与铸件的全部表面积之比）越小充型能力越差，构件复杂程度越高，充填铸型越困难。提高充型能力的措施1、正确选择合金的成分和采用合理的熔炼工艺2、提高充型能力调整铸型的性质3、改善浇注条件3.1.2铸造合金的收缩特性及对铸件质量的影响收缩的三个阶段：液态收缩，凝固收缩和固态收缩，其中液态收缩与凝固收缩会使得铸件产生集中性的缩孔（共晶成分）或者分散性的缩松（非共晶成分），固态收缩会使得合金体积减小，产生铸造应力，也是铸件产生热裂，内应力，变形和冷裂等缺陷的内在原因。1）收缩性缺陷，由于金属的收缩，在最后凝固部位出现孔洞类缺陷，包括大而集中的缩孔和小而分散的缩松。缩孔和缩松的存在会减小铸件的有效承载面积，甚至造成应力集中，还会影响铸件的气密性抗蚀性，增大加工后表面粗糙度。缩孔一般出现在共晶成分中，凝固过程为逐层凝固，在最后凝固处会出现缩孔，缩孔也会出现在热节处。（概念：热节是指在凝固过程中，铸件内比周围金属凝固缓慢的节点或局部区域）为了消除最后凝固处的缩孔，一般采用设置冒口顺序凝固的办法，而对于热节处的缩孔一般采用加冷铁的办法。（冒口是利用冒口处液相补缩，而冷铁则是加快热节处的冷速）冷铁：为增加铸件的局部冷却速度，在砂型，砂芯表面或者型腔中安放的金属或其他激冷物。冒口的作用：补缩，集渣，排气冷铁的作用：加速铸件厚壁部位的冷却，使其与邻近部位同时凝固，避免在热结处出现缩孔缩松，与冒口配合使用，可实现铸件的顺序凝固，并扩大冒口的有效补缩距离，另外冷铁还可以细化晶粒。缩松是非共晶成分中易出现的缺陷，凝固方式为糊状凝固或中间凝固。消除缩松的难度较大，在凝固阶段可以加强冒口的补缩压力，加速铸件冷却，或者采用振动加压等其他方式，凝固之后的补救措施有锻压，热等静压，变形，蠕变，扩散等办法。冷铁的分类：外冷铁：冷铁置于砂型之内；内冷铁：作为铸件的一部分使用暗冷铁：与铸件接触的表面敷有砂层的外冷铁，能有效防止由冷铁引起的气孔。2）热裂：在固相线温度附近出现的断裂或裂纹预防措施：提高合金抗热裂能力，改善铸型的退让性，合理设计铸件结构，提高铸件温度的均匀性。3.1.3铸件的应力、变形和冷裂1)铸造应力：铸件的不同部位由于温差造成不平衡收缩而引起的应力，可以分为热应力，相变应力和收缩应力（机械阻碍）三种。热应力：铸件在冷却过程中由于各部分冷速不同，因而同一时刻收缩量不同，彼此相制约的结果而产生的。（冷速快的是压应力，冷速慢的是拉应力）相变应力是具有固态相变的铸件在冷却过程中由于各部位达到相变温度的时间不同，相变程度也不同，相变前后不同组织具有不同的比容，使各部位发生不均衡变化而产生的应力。（厚壁处为压应力，薄壁处为拉应力）收缩应力是铸件冷却到弹性状态后，由于逐渐收缩受到铸型，型芯，箱挡等外部机械阻碍， 使其不能自由收缩而产生的应力。防止或减少铸造应力的主要措施：a、选择弹性模量和收缩系数小的材料b、合理设计铸件结构c、调整铸型的性质d、改善浇注条件消除铸件内残余应力的主要措施a、自然时效b、人工时效c、共振法2）变形：铸造应力大于屈服强度时会产生变形防范措施：减小铸造应力，预变形，附加工艺肋3）冷裂：铸件全部凝固后继续冷却到较低温度时，铸件已处于弹性状态，而铸造应力超过材料的断裂强度时所产生的裂纹。铸件应力越大，塑韧性越低，冷裂倾向性越大。防止冷裂办法：减小铸造应力，控制合金的成分和质量。3.1.4偏析偏析：材料的化学成分不均匀性称为偏析，形成原因凝固过程中溶质的再分配本质原因：Cs/Cl!=1微观偏析：晶粒尺度化学成分的不均匀性。晶内偏析和晶间偏析（晶粒与晶间化学成分的差异，且晶间溶质含量高并富含杂质）晶内偏析的成分是连续变化的，而晶间偏析成分有突变。减少微观偏析的措施有：细化晶粒，快速凝固，扩散退火（晶内偏析可消除，晶间偏析不可完全消除）。宏观偏析：又叫区域偏析，铸件不同区域化学成分不均匀的现象。正常偏析：宏观上符合溶质再分配规律的偏析。反偏析：与正常偏析相反地宏观偏析，产生原因是铸件收缩造成铸件内部富含溶质的残留液体流向铸件外层，使溶质出现反常分布。枝晶越粗大，收缩率越高，气体含量越多，反偏析越严重。可采用增大温度梯度，减少含气量，细化晶粒等措施来防止比重偏析：由于比重不同而在重力作用下所形成的宏观偏析带状偏析：铸件内部与凝固方向相垂直的带状的化学成分不均匀现象。V型偏析3.2铸造方法：砂型铸造和特种铸造3.2.1砂型铸造铸型：用型砂金属或者其他耐火材料制成，包括形成铸件形状的空腔，型芯和浇冒口系统的组合体。浇注系统：一个完整的浇注系统由浇口杯，直浇道，横浇道和内浇道四部分组成。一个设计合理的浇注系统首先要保证在一定的浇铸时间内使液态金属充满型腔，以防止浇不足，同时能使液态金属平稳的流入型腔，并能将金属液中的熔渣挡在浇注系统中，以及能将型腔内的气体顺利排出，从而避免金属液的冲击飞溅防止铸件产生氧化，夹渣和气孔缺陷。其次，应能够合理的控制和调节铸件各部分的温度分布，以减小或消除缩孔缩松裂纹和变形等缺陷。最后浇注系统的结构应该尽可能的简单并且体积较小。浇口杯：控制缓冲金属液流向与流速，使金属液平稳连续的充满整个型腔，以免冲坏型腔，造成砂眼等缺陷；挡渣，溢渣，净化金属液（利用隔片滤网等）形成具有一定压力并不断的液流源。直浇道：形成充型压头，使液态金属在重力作用下充满型腔。横浇道：1）分配液流到各个内浇道；2）挡渣，使浇到内的渣上浮到横浇道顶部（加大横浇道断面，可以减缓流速，使渣上浮）可设置滤网，设节流道承接直浇道，把铁水平衡均匀的 转送给内浇道，具有捕集收留铁水中渣滓夹杂的功能，因此又称为捕渣槽。内浇道：浇注系统中，引导液态金属进入型腔的部分。3.2.2特种铸造包括熔模铸造，金属型铸造，压力铸造，低压铸造，离心铸造等。4锻压（金属的压力加工）压力加工:压力加工是金属坯料在外力的作用下产生塑性变形,从而获得一定的形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。锻压：依赖外力使材料在固态下产生塑性变形，改变形状和尺寸或者改善性能的工艺，是锻造和冲压的总称。再结晶温度以上的加工成为热加工，反之成为冷加工。金属压力加工分类可以分为1）板料冲压工艺：冲裁，弯曲，拉伸，翻边，旋转，胀形2）体积成形：锻造，轧制，挤压，拉拔按照目的分可分为1）轧制、挤压和拉拔2）自由锻、模锻和冲压4.1热成形性4.1.1金属的可煅性（材料在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力）：表示材料在热状态下经受压力加工时塑性变形的难易程度，一般常用金属的塑性和变形抗力来衡量可锻性的优劣，塑性越高，变形抗力越低可锻性越好。4.1.2影响可锻性的因素有：1）冶金因素2）加工条件冶金因素：a、金属的成分：纯金属可锻性好，低碳钢优于高碳钢，低碳低合金钢优于高碳高合金钢，有害杂质元素也会严重影响材料的可锻性。b、金属的组织：单相组织的可锻性优于多相组织，细晶组织优于粗晶组织。加工条件：a、变形温度：一般情况下随温度升高，可锻性提高，温度过高会引起过热过烧，导致可锻性急剧降低。b、变形速度：变形速度对于金属可锻性的影响具有双重性，一方面随着变形速度的增加，回复与再结晶过程来不及进行，因而不能及时消除加工硬化现象，故塑性降低，变形抗力增大，可锻性变差；另一方面，随着变形速度的提高，产生热效应，使金属的塑性升高，变形抗力降低，有利于改善可锻性。c、应力状态4.1.3降低变形抗力的途径：a、降低材料自身变形抗力，可适当提高加工温度b、改变变形时的受力状态c、减少加工时的接触面积4.1.4热变形对组织和性能的改善：a、改善晶粒组织，通过再结晶细化晶粒b、锻合内部缺陷c、破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布d、形成纤维组织。4.2金属的冷成形性能影响因素4.2.1力学性能参量：屈服强度，应变硬化指数，塑性应变比和均匀变形量及断裂总应变量4.2.2冶金因素：材料的种类和成分，材料的组织结构，材料的冶金质量4.3轧制与控轧控冷轧制的目的：减薄或成型；改善组织与性能。控制轧制：是指在热轧过程中通过对金属的加热制度，变形制度和温度制度的合理控制，使塑性变形与固态相变相结合，以获得细小的晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的一种轧制方法。控轧的三个阶段：1）奥氏体再结晶区控制轧制，通常是在950℃至1150℃的温度范围内进行的，其目的是通过对加热时粗化的奥氏体晶粒反复进行轧制-再结晶，使之得到细化，相变后得到细小的铁素体晶粒。而相变前奥氏体晶粒越细小，相变后铁素体晶粒也就越细。显然紧靠此阶段的控轧得到的细化铁素体晶粒是有限的。2）奥氏体未再结晶区控制轧制，温度区间为Ar3至950℃，由于轧制是在奥氏体的再结晶温度以下进行的，因此奥氏体晶粒不仅沿着轧制方向伸长，使晶界面积增加，而且在奥氏体晶粒内部产生变形带，随后相变 时铁素体可以在奥氏体晶界和变形带上形核，提高了铁素体的形核率，从而进一步促进了铁素体晶粒的细化，而且相变后的铁素体晶粒会随未再结晶区总压下率的增加而变细。3）奥氏体+铁素体两相区控制轧制，温度在Ar3以下，未相变的奥氏体晶粒进一步伸长，在井内形成更多的变形带，已相变的铁素体晶粒在受压时也会发生变形，在晶内形成亚结构，在扎后的冷却过程中，未再结晶的奥氏体发生相变，形成细小的等轴铁素体晶粒，在变形的铁素体内因回复形成了亚晶粒，亚晶的出现可以使钢材的强度升高脆性转变温度降低。控制冷却：在控制轧制后，在奥氏体向铁素体相变的温度区域进行某种程度的快速冷却，然后再空冷，使得相变组织比单纯控制轧制更加细微化，同时以此获得高的强度。TMCP热力控制工艺：在控制奥氏体状态的基础上，再对被控制的奥氏体相变进行控制，即同时组合了控制轧制与控制冷却的轧制方法。控制冷却的实质：引起相变温度Ar3降低，使得奥氏体晶粒进一步细化，并且珠光体转变成为具有带状结构的贝氏体的比例增加。如果采用水冷至室温的话，会带来种种不适，如贝氏体马氏体等非平衡相的比例增加，但中途停水然后空冷至室温可以消除。控制冷却的韧性保证：低碳细晶含碳量较低的情况下如何确保性能：1）加入提高淬透性的合金元素2）通过控轧控冷细化晶粒3）加入微合金化元素，形成析出强化4.4挤压与锻造4.4.1挤压：坯料在封闭模腔内受三向不均匀压力作用下，从模具的孔或者缝隙挤出，使之截面积减小成为所需制品的加工方法。挤压比：挤压变形程度的一种表示方法，用挤压前毛坯的横截面积用挤压后制品的横截面积之比表示。正挤压：坯料的流动方向与挤压杆的运动方向是一致的。正挤压的摩擦力很大，大于反挤压。4.4.2锻造：分为自由锻和模锻锻造比：锻造时表示变形程度，通常用变性前后的截面积比，长度比或者高度比来表示。自由锻：只用简单的通用型工具，或在锻造设备的上下砧之间直接使坯料变形而获得所需的几何形状以及内部质量的锻造方法。模锻：利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法。始锻温度：对于碳钢而言，始锻温度应该比铁-碳相图的固相线低150-250℃。终锻温度：对碳钢的终锻温度应该在铁碳相图A1线以上25-75℃左右。5焊接5.1可焊性焊接性(可焊性):指材料对于焊接缺陷的敏感性以及在服役条件下安全使用的能力,包括工艺焊接性和使用焊接性。工艺焊接性是指金属材料在一定的工艺条件下是否能形成无缺陷接头的能力。热循环：焊件上某点温度随时间的变化过程，护体表现为室温升至峰值温度，再降至室温的过程。包括四个考察指标：升温速度，峰值温度，高温停留时间以及冷速（t8/5）热输入：又叫线能量，指的是电源供给单位长度焊缝的能量。焊接性的影响因素：a母材和焊接材料b、焊接工艺c、焊接接头的结构d、服役条件热影响区：在紧邻焊缝的区域内，加热温度也已经超过了材料的相变温度（无相变材料为再结晶温度），引起组织性能发生变化，与焊前相比组织性能不均匀的区域。热影响区分为粗晶热影响区，细晶热影响区和部分相变重结晶区。对于粗晶热影响区来讲加热温度在1100℃以上，组织性能硬化，原因：1）奥氏体晶粒急剧长大，导致其稳定性增加，转变温度降低，导致C不能够完全脱溶，形成贝氏体，马氏体组 织。2）冷速快，也是导致硬化的一个重要原因。熔池结晶的特点：联生结晶，外延生长，冶金结合：非自发形核，以熔池边界上半熔化的晶粒为非自发形核质点，向焊缝内生长，形成连接母材与焊缝的共同晶粒。比较焊缝结晶与铸件结晶的异同：焊缝结晶为联生结晶，形成粗大弯曲的柱状晶，形成连接焊缝与母材的共同晶粒。铸造结晶时铸型的成分与铸件不同，键型不同，并且铸型为冷态，并且铸件与铸型要分离，铸件另行单独形核结晶，得到更为粗大的柱状晶。焊缝结晶是以过热区为非自发形核基底，基底本身已经粗化。焊接性的评价方法：a、斜Y型和直Y型坡口对接裂纹实验斜Y型广泛应用与评价打底焊接和评价焊缝冷裂纹倾向性直Y型评定焊缝金属的裂纹敏感性。b、插销试验，评定材料氢至延迟裂纹敏感性。c、间接计算法，计算碳当量，可以反映材料的淬硬倾向性。碳当量<0.35，不需要预热；0.35<碳当量<0.45，预热减缓冷速，防止淬硬组织比例过高；0.45<碳当量，不仅需要预热，还要焊后热处理（回火）。改善焊接性的方法：1）预热，可以减缓冷速，增长t8/5，降低淬硬组织的比例。2）合理调控热输入，避免奥氏体晶粒过粗。3）是否紧急后热（350℃1h，去氢），焊后热处理（回火，消除残余应力）5.2焊接缺陷焊接缺陷主要有焊缝表面缺陷，焊缝气孔（析出型：氮气，氢气反应型：一氧化碳），焊缝夹渣以及焊接裂纹焊接裂纹焊接热裂纹：结晶过程中，处于固-液温度范围内出现的裂纹（无液相进行补缩），以结晶裂纹最为常见。结晶裂纹的成因：在焊缝凝固结晶后期，低熔共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成一层所谓的液态薄膜，由于焊缝金属收缩而受到拉应力，从而形成了结晶裂纹。可采取的措施：限制焊材中S,P的含量，采用合理的焊接工艺，适当的焊缝成形系数和合理的焊接次序。焊接冷裂纹：Ms点以下出现的裂纹，分为三类：氢致延迟裂纹，淬硬裂纹和再热裂纹。其产生的原因有三点：淬硬组织，[H]，拉应力常见的延迟裂纹有：焊道下裂纹，根部裂纹和焊趾裂纹焊道下裂纹的成因：焊缝含碳量低于母材，含碳量越低越先发生奥氏体向铁素体的转变，焊缝中的氢会向HAZ扩散，在HAZ处形成氢富集区，会聚集在缺陷处形成内压，则在较低的拉应力下出现裂纹。淬硬倾向是产生焊接冷裂纹的重要条件，易淬硬钢热影响区的过热区是冷裂纹出现较多的地方，焊后冷却过程中，过冷奥氏体转变为粗大马氏体，从而使塑韧性急剧降低而产生脆化，钢的淬硬倾向越大，越容易产生冷裂纹，而碳当量就直接反映了淬硬倾向。对于碳当量较高的钢材焊前可以预热以消除冷裂纹。氢是引起高强钢焊接冷裂纹并使其具有延时性的重要因素之一。防止冷裂纹产生：1）冶金方面：冶炼时改进母材的化学成分，焊接时严格控制氢的来源（烘干药皮，采用低氢焊材，加F）。2）焊接工艺方面：正确选择焊接线能量（过低导致冷速过快，淬硬组织多；过高会导致晶粒粗化）焊前预热，焊后缓冷和热处理（紧急后热和回火）5.3焊接方法和设备焊接工艺方法可以分为三大类，即熔焊，钎焊和压焊。5.3.1熔化焊 熔化焊包括气焊，铝热焊，电弧焊，电渣焊等，电弧焊又可以分为熔化极电弧焊和非熔化极电弧焊。下面主要讨论电弧焊和电渣焊。5.3.1.1焊条电弧焊利用电弧高温熔化母材和焊条，形成熔池，熔池凝固获得牢固接头。焊条的组成：包括焊芯和药皮两部分，药皮通常由造渣剂（硅酸盐，钛铁矿，金红石等），造气剂（碳酸盐，木粉，淀粉等），脱氧剂（硅铁，锰铁等），合金添加剂和稳弧剂所组成。药皮所起的作用为：保护作用，冶金作用（脱氧）和改善焊接工艺性能（稳弧）。保护的必要性：如果不采取保护措施的话，会导致焊后出现氧化，气孔，氮化（时效硬化）等缺陷。保护与脱氧：保护方式为气渣联合保护，气指CO2，由碳酸盐分解得到，渣指复合氧化物渣（低熔点低密度，覆盖在熔池之上），可以加入氟化物（去氢），典型氧化物SiO2+MnO。脱氧方式主要为沉淀脱氧，在酸性焊条中TiO2，SiO2较多，利用锰铁脱氧Mn+[FeO][MnO]+Fe[MnO]+[SiO2](SiO2●MnO)[]代表熔池()代表熔渣碱性焊条中，MnO和CaO较多，多用硅铁脱氧。5.3.1.2埋弧焊埋弧焊是将电弧深埋在焊剂层下燃烧的一种焊接方法，采用自动送丝，适用于厚板平焊，规则的长焊缝适用于6mm以上的厚板的原因：电弧在熔渣下形成的空腔内燃烧，由金属蒸汽形成，因此电弧热量利用率高，熔深大。埋弧焊采用的保护方式为渣保护，由于焊剂的组成包括酸性氧化物，碱性氧化物（形成复合氧化物）氟化物（去氢），这样可以形成低熔点低密度的熔渣，浮于熔池之上，起到保护作用。埋弧焊的特点：优点：焊接生产率高（全自动焊，熔深大），焊缝质量高（保护效果好，合金元素烧损小），劳动条件好（无飞溅）缺点：只能用于厚板，不能用于薄板，只能平焊，不能全方位焊接。5.3.1.3非熔化极气体保护焊钨极氩弧焊（TIG焊）钨极氩弧焊：主要用于薄板Al、Mg、Ti和不锈钢的焊接。原因：钨极氩弧焊的保护采用现成的氩气，对于铝镁等一旦氧化无法脱氧的材料来讲，可以有效避免其氧化。又因为钨极的许用电流小（电流过大会出现夹钨缺陷）小电流情况下电弧能够稳定燃烧得益于钨是非熔化极。阴极雾化：在工件为负极，钨棒为正极的情况下，阴极斑点具有自动寻找氧化膜处（此处电子逸出功小，电子发射容易）的特性，阴极斑点处极大地电流密度可以使氧化膜和膜下金属气化，从而清除表面难熔化氧化膜。钨极氩弧焊的主要优点：焊接质量高，电弧热量集中，具有阴极雾化作用。主要不足：焊接生产率较低，成本较高。夹钨：电极钨棒熔化进入熔池所致，会导致焊缝性能变脆，是焊接缺陷。为了防止夹钨缺陷，焊接铝镁时一定要采用交流电源。原因就是：如果采用直流电源的话，工件为正极，钨棒为负极，会导致大量电子轰击钨极使得钨极过热，引起夹钨缺陷，采用交流电源时，可以使得在负半周时使得钨极冷却，并且可以增大熔深。5.3.1.4熔化极气体保护焊可以分为熔化极氩弧焊（MIG焊）熔化极二氧化碳焊，和MAG焊。1）MIG焊熔化极氩弧焊特别适用于焊接铝铜等厚板金属。原因：有现成的氩气保护，适用于易形成难溶的，稳定的， 强固的致密的氧化物的材料，如铝镁铜等金属。又因为采用直流反接，能够利用阴极雾化进行阴极清理。又因为熔化极比钨极的许用电流大，熔覆速率高，适用于焊接厚板。2）CO2气体保护焊，适用于焊接碳钢薄板适用于碳钢薄板的原因是：1）CO2的密度比空气大，少量的CO2在高温下分解，产生[O]，对于已经生成的FeO采用硅锰联合脱氧，形成低熔点低密度的熔渣。2）为了减小飞溅只能焊接薄板。采用短路过渡的方法，某时间段内无电弧，使得加热效果变差，熔深变浅。优点：效率高，生产成本低，能耗低，低氢增氧，明弧无渣。缺陷：元素的氧化损失，气孔，飞溅。产生飞溅的原因：1）冶金因素[O]+[C]CO，C+FeOFe+CO膨胀飞溅2）熔滴过渡方面，非轴向颗粒过渡导致飞溅大（因此压低弧长采用短路过渡，强迫熔滴与熔池短路，也就造成了加热效果差）不适合焊接不锈钢：会导致焊缝中增碳，使得耐蚀性降低。3）MAG焊适用于低合金钢厚板，重要的结构件可采用80%氩气+20%二氧化碳，焊丝中添加Si，Mn联合脱氧剂。可以解决二氧化碳焊接中增氧和飞溅的问题以及MIG焊中电弧不稳定（阴极斑点跳动）成形方面会出现蘑菇状焊缝的问题，蘑菇状焊缝根部易出现热裂纹MAG焊优点：富氩，韧性优于CO2焊，飞溅小，增加了CO2成分，也有利于避免阴极斑点向焊缝周边跳动，同时利用阴极雾化清除生成的氧化物。可以改善焊缝成形，消除蘑菇状，焊道表面光滑。5.3.1.5等离子弧焊（PAW）应用于中厚铝镁类活泼金属等离子弧温度和能量密度高，由于其电弧为压缩电弧，这是由巧妙地焊炬设计决定的，电弧受到机械压缩，热压缩和电磁压缩三种压缩方式。由于压缩电弧的原因，导致了熔池的体积小，因此未出现烧穿现象，随着热源的移动，穿透工件的小孔在表面张力的作用下自动闭合形成焊缝。5.3.1.6电渣焊：适用于厚板焊接特点：焊丝的熔化靠的是电流通过熔渣时所产生的电阻热。熔渣的作用：a保护作用b充当热源c利用熔渣能够流动的特点，导致整个板厚方向都有熔渣存在，整个板厚能同时加热，整个板厚能够同时填充焊接。电渣焊的特点：优点：可以焊接厚板，效率高。缺点：冷速慢，HAZ严重过热。压焊钎焊以及特种焊接略第三篇：材料改性技术6热处理原理及工艺热处理：将材料加热到一定的温度，保温，再以规定的速度冷却到室温的工艺。其作用有：改变组织，进而改变性能。常见的加热缺陷：氧化，脱碳（表层含碳量低于内部的现象），过热（加热温度过高，保温时间过长，引起的奥氏体晶粒显著粗化），过烧（加热温度太高，引起晶界氧化甚至熔化的现象）影响奥氏体晶粒大小的因素：加热温度和保温时间，加热速度（越快，起始晶粒越小），化学成分（稳定碳化物元素阻碍晶粒长大），原始组织（越细，加热后奥氏体也越细）临界冷速：临界冷速是获得全部马氏体的最小冷速。6.1钢的退火与正火退火：加热到一定温度，保温后随炉缓慢冷却，获得平衡组织的工艺。退火工艺：1）完全退火：消除不均匀的内部组织和过热组织2）均匀化退火：消除成分的 不均匀性3）球化退火：得到球状珠光体组织（稳定碳化物）提高塑性降低硬度4）去应力退火：消除残余应力5）再结晶退火：消除加工硬化6）去氢退火：去氢正火：加热到一定温度，保温后空冷，获得近平衡态组织，组织特点：珠光体含量增加，晶粒尺寸减小，珠光体片间距减小。目的及应用：低中碳钢改善切削性能常见缺陷与控制：1）退火硬度偏高，需要重新退火2）球化不完全，重新球化3）退火时形成石墨（黑脆）正火处理4）正火组织出现网状渗碳体，加快冷速处理5）反常组织，重新退火6.2钢的淬火定义：经过奥氏体化的钢以大于临界冷速的速度冷却，获得不平衡组织的工艺。目的：提高强度硬度以及耐磨性。与回火结合提高综合力学性能。改变物理或化学性能。理想淬火介质：鼻温处快冷，其余地方缓冷（原因在于既要得到非平衡组织，又要减小应力）淬火方法：a单介质淬火b双介质淬火：接近Ms点时换缓冷介质，减小淬火开裂c分级淬火：接近Ms点时换熔盐熔碱介质保温面温度均匀后再空冷d等温淬火：在大于或小于Ms点的熔盐熔碱介质中长时间保温，形成贝氏体或部分马氏体再空冷。（淬火应力最小）e冰冷处理：零度以下的冷却称为冰冷处理，可减少残余奥氏体。淬透性：钢淬火时获得马氏体的能力（倾向），取决于临界冷速。淬硬性：钢在正常淬火条件下能够得到的最高硬度值，主要取决于含碳量。淬硬层深度：工件表面至半马氏体区的厚度。6.3回火定义：淬火工件加热到共析温度以下某一温度保温，以适当的方式冷却的工艺。回火的目的：a强韧调制：牺牲部分强度提高塑韧性b消除淬火应力 回火工艺：a低温回火150-250℃，得到回火马氏体，高硬度高强度，耐磨和耐疲劳b、中温回火350-500℃，高弹性极限疲劳强度以及良好的韧性，得到回火索氏体（应用于弹簧）c、高温回火（淬火+高温回火成为调质处理）一定的强度，高韧性。回火脆性：淬火件在一定温度回火时出现韧性降低的现象。分为第一类回火脆（250-400℃）和第二类回火脆（450-600℃），针对第一类回火脆：可以细化晶粒、延迟（加铝镍硅等）第二类：快冷，加钼钨等。6.4表面淬火：信步良好地综合力学性能，表面高硬度，高耐磨组织特点：晶粒尺寸小，成分不均匀性大，心表组织不一致（表面为马氏体）性能特点：表面硬度比普通淬火高，表面有残余压应力，淬硬层深度增加，韧性下降，耐磨性好。6.5化学热处理：将工件在特定的介质中加热，依靠原子扩散，从而改变工件表层的成分和组织结构的热处理。作用：改善表层力学性能，改善化学性能（抗蚀性，抗氧化性等）。碳势：气氛改变工件表面碳浓度的能力。（与气相平衡时工件表面的碳含量）渗碳层组织：渗后组织由外到内：过共析组织—共析组织—亚共析组织淬后组织由外到内：Cm+片状马氏体+残余奥氏体---片状马氏体+板条马氏体+残余奥氏体---板条马氏体性能：硬度58-64HRC耐磨性：疲劳强度高冲击韧性下降分析工件渗碳淬火后的表面残余应力状态：1）热应力状态，最终结果是表面受到压应力（心部收缩时表面已经冷却不会塑性变形）2）组织应力：表面为高碳马氏体，心部为低碳马氏体，随着含碳量增加，马氏体的膨胀量变大，因此，表面受压应力；另外由于渗碳的原因，导致表面与心部的Ms点不同，表层Ms点低于心部，心部首先发生马氏体转变，体积膨胀，此时表面还为奥氏体，塑性好，发生变形，不会有应力，但是当表层进行马氏体转化时，心部已经转变成马氏体，难以产生塑性变形，所以表面会残余压应力。第四篇粉末冶金技术7粉末冶金：通过粉末的制备、成型及烧结制备材料或零件的技术。还原法制粉的条件以及常用还原剂：基本反映：MeO+X=Me+XO条件即为氧化产物的自由能要低于氧化物的自由能，及∆Z（XO）<∆Z(MeO)常用还原剂有：气体还原剂--氢，可以还原CuFeCoNiW等固体还原剂--碳，可以还原包括Al在内的许多金属熔体还原剂—CaMgAl，可还原TiThZr等球磨的基本规律：磨球的运动状态：泻落（转速过低），抛落（理想状态，不仅有球与球之间的摩擦，还有球掉落下来的冲击作用将其粉碎），无相对运动（临界转速，粉碎作用停止）。雾化粉末主要影响因素：ａ雾化介质（动能越大，粉末越细；冷速越大，粉末形状不规则）ｂ、金属液流：表面张力越大，球形粉末越多，粉末力度越大，粘度越大，粒度越大，粉末越不规则。过热温度越大，流动性好，粘度下降，O、N增加，金属液流直径越大，粒度越大，生产率越高。金属液流长度越大，粉末越细；聚粉桶直径越大，球形粉越多，粗粉越多，冷却介质的冷却能力越大，不规则性越大，粉末越细。粉末成形前退火的作用：提高粉末纯度，消除加工硬化，稳定晶体结构，表面钝化。压坯密度分布影响因素：1）压坯形状高宽比越大，均匀性越好。2）模壁越光滑，均匀性越好3）压制方式：由单向改为双向，均匀性变好。烧结基本过程及机构：a粘结阶段，形成烧结颈，密度变化很小强度和导电性增加；b烧结颈长大阶段：颗粒距离减小，晶粒长大，空隙大幅减小，烧结体收缩，密度强度增加；c闭 孔隙球化和缩小阶段：通孔闭孔球化收缩烧结机构：烧结过程中物质的迁移以及速率。物质迁移方式：扩散，再结晶，塑性流动，蒸发与凝聚等互不溶系烧结制品组织特点：a制备各种复合材料和假合金b常需后处理进一步致密化c常采用复合粉末或化学混料d性能受异相颗粒界面状况影响。液相烧结条件及机理：条件：a润湿性，保证固液相润湿b固相在液相中要有一定的溶解度c液相数量以填满固相为宜，一般为20%-50%烧结过程与机构：液相生成以及颗粒重排，致密性增强；固相溶解和析出：颗粒球化合并，烧结体收缩；固相骨架形成：固相接触及烧结。概念：等静压成型：同时在各个方向上受到相等的静压力的作用而成形的方法。单元系烧结：纯金属，有固定化学成分的化合物以及均匀固溶体的粉末在固态下烧结。液相烧结：有部分液相出现的烧结过程。8溶胶-凝胶法基本概念：溶胶：纳米尺寸的胶质颗粒与其他液相组织成的混合体凝胶：由充满容器的固相骨架以及充斥其间的液相所组成的混合体陈化：凝胶在干燥前的放置熟化：凝胶的溶解再沉淀过程