1、金属材料成形基础,1.工程材料的主要性能分为（1） 使用 性能和（2） 工艺 性能。（1）又包括力学性能、 物理性能和化学性能等。,作业1 工程材料,2.金属的变形包括 弹性 变形和 塑性 变形。,一、填空题,3.通过拉伸试验可测得的强度指标主要有 屈服强度 和 抗拉强度 ；可测得的塑性指标有 延伸率 和 断面收缩率 。,5.实际金属的晶体缺陷有点缺陷（空位或间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）。,4.常见的金属晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种类型。Fe属于体心立方晶格，Fe属于面心立方晶格，Fe属于体心立方晶格。,6.金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度
2、。金属的冷却速度越快，过冷度越大，获得的晶粒越细。,7.细化金属材料的晶粒，可使金属的强度、硬度 提高，塑性、韧性 提高 ；在生产中常用的细化晶粒的方法有增大过冷度、 变质处理、机械搅拌和振动；压力加工再结晶；热处理。,8.合金的晶体结构有固溶体和金属化合物，其中固溶体具有良好的塑性，金属化合物具有高的硬度和脆性。,10.铁碳合金相结构中，属于固溶体的有铁素体和奥氏体；其中铁素体是碳在Fe中形成的固溶体。,11.铁碳合金的力学性能随含碳量的增加，其强度和硬度增高，而塑性和韧性降低。但当wC1.0%时，强度随其含碳量的增加而降低。,9.在铁碳合金的基本组织中，珠光体属于复相结构，它由铁素体和渗碳
3、体按一定比例组成，珠光体用符号P表示。,12.铁碳合金中，共析钢wC为0.77%，室温平衡组织为P；亚共析钢wC为0.77%，室温平衡组织为P+Fe3C；共晶白口生铁wC为 4.3%，室温平衡组织为Ld；亚共晶白口生铁wC为4.3%，室温平衡组织为Fe3CI+Ld。,13.按碳的质量分数的不同.碳素钢可分为高碳钢、中碳钢和低碳钢三类；钢硫、磷杂质质量分数的不同，钢可分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢三类。,14. 20CrMnTi钢按化学成分分类，它属于结构钢中的合金钢，适宜制造齿轮等较重要的零件。,16. GCr9、GCr15钢按化学成分分类，它们属于结构钢中的合金钢，主要用来制造轴
4、承套圈、滚珠、滚柱。,15. 40Cr、40CrMo钢按化学成分分类，它们属于结构钢中的合金钢，适宜制造主轴、连杆等零件。,二、简答题与应用题1.材料的常用力学性能指标有那些？若某种材料的零件在使用过程中突然发生断裂，是由于那些力学性能指标不足所造成的？,(1)常用力学性能指标有:强度、塑性、刚度、硬度、冲击韧性、疲劳强度。,(2) 零件在使用过程中突然发生断裂，是由于强度、塑性、冲击韧性、疲劳强度等力学性能指标不足所造成的。,2画出低碳钢的应力-应变曲线，并简述拉伸变形的几个阶段。,b,oe段：弹性变形esbk段：塑性变形s点:屈服点b点：最大应力点k点：断裂点,3图1-1所示为三种不同材料
5、的拉伸载荷（拉力）-变形量（伸长量）曲线（试样尺寸相同），试比较这三种材料的抗拉强度、屈服强度和塑性的大小。,抗拉强度：213屈服强度：132塑性：321,图1-1 拉伸曲线,4. 用20钢制成10、标距30的试样作拉伸试验，测得屈服时的拉力为21630N，断裂前的最大拉力为34940N，拉断后测得标距长度为65，断裂处直径为5。试计算b、s、的值。,5. 零件的失效形式有哪些？影响失效的基本因素有哪些？,（1）断裂、塑性变形、过量弹性变形、磨损、腐蚀等。,（2）设计因素、材质因素、工艺因素和安装使用不当。,6.什么是同素异晶转变？请绘出纯铁的冷却曲线，并指出同素异晶转变温度和晶格类型 。,（
6、1）固态下随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。,8.图1-1所示为部分的铁碳合金状态图，请在右边的T-t图中画出含碳量为0.45%的铁碳合金的结晶过程并标注出各温度段的组织。,L,L+A,A+F,F+P,A,11. 填表回答：,一、填空题1液态金属的充型能力主要取决于合金的流动性。流动性不好的合金铸件易产生浇不足和冷隔、气孔、夹渣等铸造缺陷。2影响液态合金流动性的主要因素有合金的化学成分、合金的物理性质、合金的温度、不溶杂质和气体等。合金的凝固温度范围越宽，其流动性越 差 。3任何一种液态金属注入铸型以后，从浇注温度冷却至室温都要经历三个相互联系的收缩阶段，
7、即 液态收缩 、凝固收缩 和 固态收缩 。导致铸件产生缩孔和缩松的根本原因是液态收缩和凝固收缩 ；导致铸件产生应力、变形、裂纹的原因是固态收缩 。,金属材料成形基础作业（2）,4铸件在凝固过程中所造成的体积缩减如得不到液态金属的补充，将产生缩孔或缩松。凝固温度范围窄的合金，倾向于“逐层凝固”，因此易产生缩孔；而凝固温度范围宽的合金，倾向于“糊状凝固”，因此易产生缩松。5准确地估计铸件上缩孔可能产生的位置是合理安排冒口和冷铁的主要依据。生产中确定缩孔位置的常用方法有画等温线法、内切圆法和计算机模拟凝固法等。6顺序凝固原则主要适用于 逐层凝固的合金，其目的是消除缩孔；同时凝固原则主要适用于 糊状凝
8、固的合金，其目的是减小应力。,7铸件在冷却收缩过程中，因壁厚不均等因素造成铸件各部分收缩的不一致引起内应力，这种应力称之为热应力；铸件收缩受到铸型、型芯及浇注系统的机械阻碍而产生的应力称为机械应力。8砂型铸造制造铸型的过程，可分为手工造型和机器造型。各种机器造型机械按紧实型砂的特点不同分为震压造型、微震压实、高压造型、抛砂造型等。9特种铸造主要包括熔模铸造、金属型铸造、压力铸造和离心铸造 等。10在大批量生产条件下，下列铸件宜选用的铸造方法是：机床床身 砂型铸造，铝活塞 压力铸造，铸铁污水管 离心铸造，汽轮机叶片 压力铸造,（1）液态合金的充型能力是液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰
9、的成形件（铸件）的能力。,（2）影响液态合金充型能力的因素有合金的流动性、浇注条件、铸型充填条件。,（1）合金在铸造生产条件下，获得优质铸件的难易程度。（2）流动性和收缩。合金的流动性越好、收缩越小，铸造性能越好。,2什么是合金的铸造性能？衡量合金铸造性能的主要指标是什么 ？其是如何影响的？,二、简答题与应用题：1什么是液态合金的充型能力？影响液态合金充型能力的因素有哪些？,3现采用铸造方法浇注三根直径分别为10mm、30mm、60mm的灰口铸铁试棒，测得它们的抗拉强度均为200MPa，问这三根试棒的成分是否相同？牌号是否相同？若不相同，应有何区别？,1）牌号相同，成分不同。,2）因为铸铁的牌
10、号是用强度来表示的，其强度相同，则牌号相同。而影响铸铁组织和性能的因素是化学成分和冷却速度两个因素。试棒的直径不同冷却速度不同，要获得同一强度，必须调整其化学成分，即10mm的试棒其碳硅含量较高,而30mm、60mm的试棒其碳硅含量依次降低 。,4有一测试铸造应力用的应力框铸件，如图2-1所示，凝固冷却后，用钢锯沿A-A线锯断30的粗杆 ，此时断口间隙的大小会发生什么变化？为什么？,1）变大。,2）因为凝固冷却后，30的粗杆处于拉应力状态，10的细杆处于压应力状态。当沿A-A锯断后，粗杆给予细杆的压力被释放，细杆的弹性压缩变形恢复伸长，所以断口间隙会变大。,图2-1 铸造应力框铸件,5. 灰口
11、铸铁的组织和性能决定于什么因素？为什么在灰口铸铁中，碳硅含量越高，则其强度越低？,1）灰口铸铁的组织和性能决定于化学成分和冷却速度。,2）因为碳、硅含量越高，铸铁中的石墨片就越粗大，石墨数量也越多，对基体的破坏就越严重。同时基体中铁素体的量增加，珠光体的量减少。所以铸铁的强度越低。,6有一包铁水，其成分为wC3.2%，wSi=1.8%，浇成阶梯型铸件，如图2-2所示。试问在五个厚度不同的截面上的组织是否相同，各是何种组织？,1）不同。,2）由于铸件壁厚不同，其各部分冷却速度不同。壁厚5、10、20、30、40mm处的组织分别为麻口组织（Ld石墨)、P石墨、P石墨、F+P石墨、F+石墨。,图2-
12、2 阶梯铸件,7.某厂铸造一个1500mm的铸铁顶盖，有如图2-3所示两种设计方案，试分析哪种方案易于生产？并简述其理由。,（1）方案a易于生产；（2）由于铸件的尺寸很大，壁厚较薄，属于大平面结构。铸件上的大平面极易产生浇不足、夹砂、夹渣、气孔等缺陷，图（a）的方案，一方面避免了上述不利因素，还因为具有了一定的结构斜度，有利于造型。,图2-3 铸铁顶盖的两种设计方案,8.分析图2-4所示零件分型方案的优缺点，并选择其中与零件生产类型相适应的分型方案。,大批量生产,单件生产,1,2,方案1,方案1,方案2,方案2,图(b)方案1:优点是起模高度小,砂箱高度减小;缺点是分开模造型对合箱精度要求较高
13、,不易保证整个螺纹内孔表面的质量,且需要砂芯.方案2:优点是整体模造型，铸件的尺寸精度易于保证；铸件螺纹内孔表面质量均匀；可以直接铸出铸件的内腔，省去了型芯。缺点是下砂箱高度大,起模高度较大.单件生产时，应选择方案2。,答：图(a）方案1：优点是起模高度小,砂箱高度减小;缺点是分开模造型对合箱精度要求较高.方案2: 优点是整体模造型不会因错箱造成铸件废品,铸件精度易于保证;缺点是下砂箱高度大,起模高度较大,不易起模,机器造型采用型板时内腔1不易形成.在大批量生产时，应选择方案1。,9. 图2-5所示为铸铁底座，在保证50的孔和H不变的前提下，请回答：（1）修改结构不合理之处；（2）在图上标出最
14、佳分型面和浇注位置。,上,下,10确定如图2-6 所示铸件的铸造工艺方案。要求如下：（1）在单件、小批生产条件下，分析最佳工艺方案；（2）按所选最佳工艺方案绘制铸造工艺图（包括浇注位置、分型面、机械加工余量、起模斜度、铸造圆角、型芯及芯头等）,其余,上,下,11确定如图2-7 所示铸件的铸造工艺方案。要求如下：（1）画出几种可能的分型方案 ；（2）在单件、小批生产条件下，分析并确定最佳工艺方案；（3）按所选最佳方案绘制铸造工艺图（包括浇注位置、分型面、机械加工余量、起模斜度、铸造圆角、型芯及芯头等）,上,下,收缩率:1%,方案最佳。,12铸件结构工艺性：判断下列铸件的结构工艺性，若不合理，请在
15、原图上进行改。,一、填空题1.单晶体的塑性变形是通过滑移和孪晶的方式完成的；多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶间变形。2.冷成形后的金属将产生加工硬化现象，表现为金属材料的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低。3.产生加工硬化的金属在加热到较高的温度时要发生回复 和再结晶。4.由于锻造流线的存在，金属的力学性能具有各向异性，一般平行锻造流线方向的抗拉强度、塑性和韧性比垂直方向要高。5.金属在锻造时加热的目的是提高可锻性(或提高塑性，降低变形抗力）。,金属材料成形基础作业（3）,6.自由锻的基本工序有镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转、错移；其中最常用的是镦粗、拔长、和冲孔三种。7.锻模模膛通常分为制坯模膛
16、和模锻模膛，其中又可分为拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛和切断模膛，又可分为预锻模膛和终锻模膛。8.冲压的基本工序包括分离和变形。其中又分为落料、冲孔、剪切等；又分为拉深、弯曲、翻边等。9.冲压模具按照冲床的一次行程所完成工序的多少可分为简单冲模、连续冲模和复合冲模，其中在模具的同一位置上同时可以完成两道以上工序的模具称为复合冲模。,10. 纯铅（T熔327）的再结晶温度为-33，它在常温下的变形为 热 变形。而钨（ T熔3380）的再结晶温度为1188，它在1000下的变形为 冷 变形。,T再 = 0.4T熔 = 0.4（327+273）= 240（K）,T再 = 240 273 = -33（）
17、,T再 = 0.4T熔 = 0.4（3380+273）= 1461（K）,T再 = 1461 273 = 1188（）,11. 压力加工的基本生产方式有轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻、板料冲压，对于大型重要件应采用自由锻方法生产。,12. 图3-1所示垫圈拟采用简单冲裁模生产，其冲压工序为（1）落料、（2）冲孔，若模具的单面间隙为0.05mm，则（1）的凸模尺寸为49.9mm、凹模尺寸为50mm，（2）的凸模尺寸为15mm、凹模尺寸为15.1mm。,图3-1 垫圈,二、简答题与应用题1.何谓金属的塑性成形（压力加工）？为什对某些重要的机械零件要采用塑性成形制坯？（1）在外力作用下使金属坯料产生
18、塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的成形工艺方法。（2）这是因为塑性成形制坯使材料的力学性能提高。（a）细化晶粒、改善组织；（b）压合铸造缺陷；（c）使纤维组织不被切断，并沿制件外形合理分布。,13. 单晶体塑性变形的实质是晶体内部的滑移和孪晶，而多晶体塑性变形的实质是晶粒内部产生滑移和孪晶；晶粒之间进行滑动和转动。,2什么是热塑性成形和冷塑性成形？生产中如何选用？,（1）在再结晶温度以上的变形为热塑性成型，在再结晶温度以下的变形成为冷塑性成形。（2）生产中应根据材料的塑性及对零件的要求进行选用：材料的塑性较好，要求变形后部分提高强度、硬度时选用冷塑性成形；要求材料的可锻性
19、好、变形抗力小时选用热塑性成形。,3热处理能否消除压力加工后的纤维组织，采用何种方法可以改变纤维方向？,（1）不能。（2）可以采用压力加工（塑性成形）的方法改变纤维方向。,4. 图3-2所示为一钢制拖钩，可以用下列方法制造：铸造、锻造、板料切割，其中以什么方法制得的拖钩拖重能力最大？为什么？ (1)以锻造方法制得的拖钩拖重能力最大。(2)这是因为锻造可以（a）细化晶粒、改善组织，提高力学性能；（b）压合部分铸造缺陷；（c）使纤维组织不被切断，并沿制件外形合理分布。,图3-2 拖钩,拔长；切肩、拔长；切肩、拔长。,5对图3-3和图3-4定性绘出锻件图，并选择自由锻基本工序（零件全部机械加工）。,
20、（1）阶梯轴（图3-3）。坯料尺寸：150220 ；材料：45钢 ；生产批量：10件。,（2）套筒（图3-4）。坯料尺寸：150170 ；材料：45钢 ；生产批量：20件。,镦粗；冲孔；切肩；芯轴拔长。,或者：拔长；局部镦粗；冲孔。,6图3-5所示零件大批量生产时，应选择哪种锻造方法较为合理？请定性绘出锻件图，并选择锻造基本工序。,模型锻造。工序:1)镦粗、2）预锻、3）终锻、4）切边、5）冲孔、6）修整。,图3-5 齿轮,7. 将材料及尺寸均相同的金属坯料加热到相同的温度，分别在空气锤和水压机上成形时，金属坯料的变形抗力是否相同？为什么？当金属材料的塑性较差时，应采用何种锻压设备进行成形？,
21、（1）不同。（2）因为在不同的设备上变形速度不同，则其变形抗力不同。其在空气锤上的变形抗力较大，水压机上较小。（3）当金属材料的塑性较差时，应采用水压机进行成形。,8.现拟将一厚度为2mm，直径为120mm的平板坯料，拉深成直径为40mm，高度为40mm的杯形零件，如图3-6所示。为防止其产生拉裂、拉穿、起皱等缺陷，在模具设计及工艺上应采取什么措施？现拟采用多次拉深成形，需拉深几次方可成形（写出计算过程） 。,在模具设计及工艺上应采取： 凸凹模的工作部分必须具有一定的圆角； 凸凹模间隙要合理； 控制拉深系数（m）； 设置压边圈； 涂润滑油拉深次数：2次 m=d/D=0.50.8 ；设取 m1=
22、0.5=60/120 得d1=60 m2=40/60=0.670.5由上面的计算可知，两次拉深即可成形。,图3-6 拉深件,9下列自由锻件、模锻件及冲压件的结构工艺性是否合理，若不合理，请改正。,12,1. 按照实现焊接过程手段的不同，焊接方法可分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。埋弧自动焊属于熔化焊。,2. 手工电弧焊的焊条由（1）焊条芯和（2）药皮两部分组成；（1）的作用是导电、填充；（2）的作用是机械保护作用、 冶金处理作用、稳定电弧的作用。,金属材料成形基础作业（4）,3焊接接头由（1） 焊缝 和（2） 焊接热影响区 组成，（2）又可分为 熔合区 ， 过热区 ， 正火区 和 部分相变区 等
23、四个区域，其中对焊接接头性能影响最大的区域是熔合区和过热区 。,一、填空题,5. 生产中常见的焊接变形形式有：收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪形变形等五种。减小和预防焊接变形的工艺方法有：加裕量法、反变形法、刚性固定法、选择合理的焊接次序等。矫正焊接变形的方法有：机械矫正法和火焰矫正法。,4. 焊接时，产生焊接应力和变形的主要原因是：在焊接过程中，对工件进行局部加热和快速冷却。,6. 根据钎料熔点的不同，钎焊可分为：软钎焊和硬钎焊 两类，在焊接硬质合金车刀时，常用硬钎焊 ；而在焊接电器元件时，常用软钎焊。,7焊接时往往都要对被焊工件进行加热。熔化焊加热的目的是熔化母材和焊接材料；压力
24、焊加热的目的是使母材处于塑性状态；钎焊加热的目的是熔化钎料、润湿母材。8如图4-1所示为汽车传动轴，由锻件(45钢)和钢管(Q235钢)焊接而成。大批量生产时，合适的焊接方法为CO2气体保护焊 ；使用的焊接材料为焊丝H08Mn。,9汽车车轮由轮圈和辐板组成，材料均为Q235钢，如图4-2所示。大批量生产时，轮圈由卷板机卷成，再经手工电弧焊焊接而成；而轮圈与辐板则用CO2气体保护焊焊接连为一体，焊接材料为焊丝H08Mn 。,10焊接时一般都要对被焊区域进行保护，以防有害气体的侵入。手工电弧焊采用熔渣保护；埋弧自动焊采用焊剂 保护；氩弧焊的保护措施是氩气保护；而在钎焊过程中则利用熔剂来进行保护。,
25、图4-2 汽车车轮,二、简答题与应用题,1. 减少焊接应力的工艺措施有哪些？如何消除焊接应力？,1）减少焊接应力的工艺措施：（1）合理选择焊接顺序；（2）锤击或碾压焊缝；（3）采用小能量、多层焊；（4）焊前预热、焊后缓冷。,2）消除焊接应力：焊后去应力退火,2. 试分析焊接工人在焊接厚焊件时，为什么有时用园头小锤对处于红热状态的焊缝进行敲击？,答：因为厚大焊件强度大，在焊接过程中不易变形，焊接应力较大，致使工件产生裂纹的倾向较大。所以在焊接过程中，常用园头小锤对处于红热状态的焊缝进行敲击，使其产生塑性变形，以减小应力，减小其产生裂纹的倾向。,3. 焊接热影响区的宽窄对焊接接头的性能有什么影响？
26、如何减少和消除焊接热影响区？,答：1）焊接接头包括焊缝和焊接热影响区。热影响区的宽窄对焊接接头的质量起着决定性的作用。热影响区越宽，焊接接头产生裂纹的倾向越大，承载能力越差。 2）减小和消除热影响区的方法有： 小电流、快速焊接； 采用先进的焊接方法； 焊前预热、焊后热处理（正火）,4. 钎焊与熔化焊相比，其焊接过程的实质有什么不同？钎焊时所用的熔剂起什么作用？,答：1）熔焊是将被焊工件局部加热到熔化状态，彼此产生原子间的结合形成共同的接头，实现永久的连接。而钎焊是用低熔点的金属做钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点而低于母材熔点的温度，利用液态钎料湿润母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，冷却凝
27、固后实现连接，其两被焊工件之间无原子间的结合。2）钎焊时所用熔剂的作用： 清理作用去除表面氧化皮 降低表面张力改善液态钎料对焊件的湿润性，增强毛细管作用。 保护作用,5简述熔焊冶金过程特点及保证焊接质量的措施。,（1）熔焊冶金过程特点,a. 熔池金属温度高于一般冶金温度；,b. 熔池金属冷却快，处于液态的时间短；,c. 空气对焊缝的影响严重。,（2）保证焊接质量的工艺措施,a. 减少有害气体进入熔池；,b. 渗入合金元素；,c. 清除已进入熔池的有害元素。,6. 铝及铝合金、铜及铜合金等有色金属焊接的主要问题是什么？在生产中常采取哪些措施解决这些问题？,（1）铝及铝合金的焊接特点： 1）易氧化
28、； 2）易产生气孔； 3）易变形开裂； 4）接头易软化。采用氩弧焊、气焊、钎焊、电阻焊。（2）铜及铜合金的焊接特点 1）难熔合； 2）易氧化； 3）易产生气孔； 4）易变形开裂；采用氩弧焊、气焊、钎焊、碳弧焊。,7在焊接如图4-3所示的T字形截面梁时，由于焊缝位置分布不对称，该件焊后易产生弯曲变形，请在原图上用虚线画出该图可能弯曲后的焊件轮廓（即焊件的弯曲方向）。现拟用火焰加热法矫正该变形，试在原图上标注出加热部位。,8现有厚4mm，长1200mm，宽800mm的钢板3块，需拼焊成一块长1800mm、宽1600mm的矩形钢板，问如图3-2所示的结构设计是否合理？若不合理，请予以改正。为减小焊接
29、应力与变形，其合理的焊接次序应如何安排？,焊接次序：1 2 3,9用30mm厚的16Mn钢板焊接一直径为5m的容器。16Mn的化学成分如下：wc=0.12%0.20%； wSi=0.20%0.55%；wMn=1.20%1.60%；wP、S0.045。 (1)计算16Mn的碳当量； (2)判断16Mn的焊接性； (3)在常温下焊接时是否需要预热？预热温度应为多少?,（1）16Mn的成分取上限时：Ce=0.2+1.6/6=0.47（2）16Mn焊接性较差。（3）由于16Mn的焊接性较差，焊件厚度又较厚，需焊前适当预热，以防止裂纹的产生。预热温度150250 。,10什么是焊接电弧？试画出焊接电弧的结构，并指出各部分的名称、温度及热量分布。,（1）焊接电弧是在具有一定电压的电极与焊件之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。（2）电弧的构造及温度、热量分布,2400K 占36%,2600K 占42%,50008000K 占21%,11判断下列各种焊件的结构是否合理？若不合理，请在原图上修改。,
