材料成型复习整理

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塑料的基本力学性质固态塑料的第一个力学特性是蠕变特性。固态塑料的第二个力学特性是应力松弛。固态塑料的第三个力学特性是应变速率保持为常数时的拉伸特性塑料在注塑机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔，其过程可以分为充模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。型腔充填过程可以分为三个阶段，但为了避免和程序注塑中采用的阶段相混淆，习惯上不叫阶段，而称为相。（１）充填相在充填相中，注塑机的柱塞以稳定的速度向前运动，将塑料熔体注入型腔。充填相一直继续到型腔恰好充满为止。（２）增压相(或称压缩相)在增压相，注塑机柱塞仍继续向前运动。塑料熔体仍不断注入型腔，一直到模具承受到一定压力为止。在增压相开始时，塑料熔体己将型腔充满，柱塞向前运动的速度也已下降，但仍要向前移动一段距离，这是因为塑料熔体有很大的可压缩性，在此相中约有15％的额外材料在压力作用下进入型腔。（３）补偿相塑料由熔态冷却至固态时体积变化约有25％，而在增压相最多只补充了约15％的材料，故补偿相总是必须的。所谓粉末(Powder)成形，是指将金属粉末或非金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合粉末)通过挤压、注射和烧结等固结方法，制成具有一定形状、尺寸、强度的各种金属或金属－非金属或非金属材料和制品的工艺技术。粉末成形技术主要具有以下一些特点。（1）可使互不相溶金属—金属或金属—非金属或非金属混合料组合成具有特殊性能的材料。（2）通过控制制品的孔隙度，可生产多孔材料。（3）能够制备高合金粉末冶金材料，如粉末高速钢、粉末超合金材料，可避免成分偏析，组织均匀，晶粒细小，性能稳定，因而热加工性能也大为改善。（4）可生产各种复合材料。　（5）能够生产难熔材料或制品。（6）粉末成形法可直接将金属粉末制成成品或接近成品的最终形状和尺寸的制品，因而不需要或只需要很少的切削加工，可节约金属材料，提高劳动生产率。生产方法简 要 说 明应用举例机械法固体粉碎球磨通过滚动或振动筒的运动，使磨球撞击物料，粉碎成粉末。Fe-Cr合金,Cr,Mn,Al2O3研磨利用气流或液流，带动物料颗粒相互碰撞摩擦而成粉末。Fe、Al，Fe-Ni合金液体粉碎雾化法利用高压气体、高压液体或高速旋转的叶片，将熔融金属打散成雾状液滴，冷却后成粉末。Sn，Pb，Cu,Cu-Sn合金物理化学法还原法用还原剂还原金属氧化物或盐类，产物为粉末Fe,W,Mo,Nb电解法在溶液或熔盐中通入直流电，使金属离子重新获得外层电子，形成粉末。Ni,Cu,Fe,Ta-Nb合金12 化学置换法用活性（电负性）大的金属，置换活性小的金属离子制得粉末。Ag,Cu,Au固态物质按其分散程度的不同可分为致密体、粉末体和胶体。通常尺寸在1mm以上的固体物质称为致密体或块状固体，尺寸在0.1mm以下称为胶体，尺寸介于这两者之间的称为粉末体，简称为粉末。  颗粒形状 粉末生产方法 颗粒形状 粉末生产方法球形气相沉积，液相沉积树枝状水溶液电解近球形气体雾化，置换（溶液）不规则形水雾化，机械粉碎，化学沉积多角形机械粉碎多孔海绵状金属氧化物还原片状塑性金属机械研磨碟形金属漩涡研磨粉末的流动性是指50g粉末从标准流速漏斗流出所需的时间，单位为s/50g。　　粉末流动的阻力是由粉末颗粒相互直接或间接接触而阻碍其他颗粒自由运动引起的。　　粉末的湿度对流动性影响也很大，粉末湿度大，流动性差。因此，吸潮的粉末应烘干。粉末的压制性是压缩性和成形性的总称。粉末模压成形及注射成形粉末的纯度由于制粉的工艺不同，粉末的纯度也不相同，粉末中都含有一定量的杂质。粉末中的杂质多以金属氧化物的形式存在。而金属氧化物粉末多是硬而脆的，并主要分布于金属粉末表面，这就使得压制时压制阻力增加，压制性能变坏。12 在粉末成形中添加剂主要是指润滑剂和成形剂。润滑剂是为降低粉末颗粒与模壁和模冲之间的摩擦而填加的物质，通常有硬脂酸、硬脂酸锌、二硫化铜、石墨粉等。成形剂是为改善粉末成形性而添加的物质，通常有合成橡胶、淀粉、石蜡等。不同的粉末所添加的润滑剂和成形剂是不同的。粉末注射成形1）可制备形状复杂、尺寸精度较高的零件，零件各部位的密度和性能一致，即各向同性。（2）烧结相对密度可达95%以上，力学性能优良，可与锻造材料相媲美。（3）可以制取微观复合材料或宏观复合材料的零件，充分发挥不同材料的性能优势。（4）可方便地采用一模多腔模具，成形效率高，模具使用寿命长，特别适合于大批量生产。2低于主要组分熔点的温度*固相烧结—烧结温度低于所有组分的熔点*液相烧结—烧结温度低于主要组分的熔点，但高于次要组分的熔点第三篇　金属塑性加工力学基础什么是塑性变形-材料产生一定的永久变形又不破坏其完整性的能力塑性加工是利用材料塑性而获得所需形状与尺寸的工件的一种加工方法金属塑性成形五个基本假设各向同性的均匀连续体体积力为零变形体在表面力作用下处于平衡状态初始应力为零体积不变假设内力：因外力作用面在物体内部产生的力内力的特点：1.随外力的变化而变化，是“附加内力”2.内力是分布力系，常用其主矢量和主矩表示应力：单位面积上的内力xyzsxsztxytyx应力表示内力的强度，作用于物体质点之间目的：确定物体处于弹性或塑性阶段的强度问题或屈服条件问题都很重要，是建立在复杂应力状态下强度准则和屈服准则条件所必须的基础知识应力状态表示应力状态一般用单元体表示单元体：材料内的质点，包围质点的无限小的几何体，常用的是正六面体单元体的性质任一面上，应力均布平行面上，应力相等斜面上的应力斜截面外法线单位向量N=(lmn)l=cos(N,x)n=cos(N,z)m=cos(N,y)12 主平面:当向量v在某方向时应力总矢量垂直于ABC曲面，且在该面上的剪应力为零。向量v称为主轴主应力:作用在主平面上ABC的法向应力sv应力状态特征方程应力张量不变量I1、I2、I3分别称为应力张量的第一、第二、第三不变量主应力：应力状态特征方程的三个实根一般用s1、s2、s3表示，即三个主应力12 应力状态特征方程与坐标系的选取无关，应力张量的第一、第二、第三不变量I1、I2、I3也不随坐标而变化。应力张量的第一、第二、第三不变量I1、I2、I3还可以表示为塑性与柔软性的区别是什么？塑性反映材料产生永久变形的能力。柔软性反映材料抵抗变形的能力。塑性指标概念：金属在破坏前产生的最大变形程度，即极限变形量。表示方法：断面收缩率延伸率冲击韧性最大压缩率扭转角（或扭转数）弯曲次数影响金属塑性的因素1．化学成分（1）杂质（2）合金元素对塑性的影响2．组织结构1．变形温度2．变形速度3．变形程度4．应力状态5．变形状态提高塑性的主要途径有以下几个方面：(1)控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；(2)采用合适的变形温度—速度制度；(3)选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；(4)避免加热和加工时周围介质的不良影响。12-2　屈服准则屈服准则描述不同应力状态下变形体内某点由弹性状态进入塑性状态，并使塑性变形状态持续进行所必须遵守的条件屈服准则也称为塑性条件或屈服条件12 对于单向拉伸问题，变形体由弹性变形状态进入塑性变形状态，此时屈服准则为s=ss对于任意应力状态，描述变形体应力状态需要6个应力分量（或3个主应力分量），应力状态非常复杂，因此描述材料由弹性变形状态进入塑性变形状态的判据只是一种假设本构关系与本构方程本构关系:反映材料特定性质的数学模型，是反映物质宏观性质的数学模型。最熟知的反映纯力学性质的本构关系有胡克定律、牛顿粘性定律、圣维南理想塑性定律等；反映热力学性质的有克拉珀龙理想气体状态方程、傅里叶热传导方程等。本构方程：把本构关系写成具体的数学表达形式就是本构方程。1.弹性应力应变关系的特点应力与应变完全呈线性关系，应力主轴与应变主轴重合。弹性变形是可逆的，应力与应变单值对应。弹性变形时，应力球张量使物体产生体积变化，泊松比υ＜0.52.塑性应力应变关系的特点塑性变形时的应力与应变之间不存在单值一一对应关系，而是与加载历史和加载路线有关。原因：（１）塑性变形是不可逆的。（２）对于应变硬化材料，与加载路线有关。（３）塑性变形可认为体积不变，应变球张量为零，故泊松比υ=0.5（４）应力与应变之间呈非线性关系。全量应变主轴与应力主轴一般不重合。材料塑性应力与应变关系称为材料塑性本构关系，其数学表达式称为本构方程，也称为物理方程材料塑性变形时，应力不仅与应变有关，还与材料变形历史、组织结构等因素有关材料塑性变形时的应力与应变关系，可以归结为等效应力与等效应变之间的关系4.材料的等效应力——等效应变曲线实验结果表明，按不同应力组合得到的等效应力——等效应变曲线基本相同通常可以假设，对于同一种材料，在变形条件相同的条件下，等效应力与等效应变曲线是单一的，称为单一曲线假设可以采用最简单的实验方法来确定材料的等效应力——等效应变曲线等效应力——等效应变简化模型一般由实验得到的真应力—真应变曲线（等效应力—等效应变曲线）比较复杂，不能用简单的函数形式来描述，在应用方面也不方便。因此通常都将实验得到的曲线处理成可以用某种函数表达的形式主要等效应力—等效应变简化模型理想弹塑性材料模型理想刚塑性材料模型12 幂指数硬化（强化）材料模型刚塑性非线性硬化材料模型弹塑性线性硬化材料模型刚塑性线性硬化材料模型13-2塑性变形的增量理论在塑性变形范围内，材料应力与应变的关系是非线性的，与加载历史或应变路径有关。因此用增量理论近似地描述加载历史和复杂的应变路径由于塑性变形比较复杂，历史上有许多学者提出了各种不同的本构理论应用广泛的有Levy-Mises（列维一密席斯）理论和Prandtl-Reuss（普朗特-罗伊斯理论）理论增量本构理论又称为流动理论Levy—Mises理论：列维一密席斯理论材料为理想刚塑性材料，即弹性应变增量为零，塑性应变增量就是总应变增量；材料服从Mises屈服准则，即；塑性变形时体积不变，即应变增量张量就是应变增量偏张量；Prandtl-Reuss理论：普朗特-罗伊斯理论Levy—Mises（列维一密席斯）理论没有考虑弹性变形的影响，仅适用于大塑性变形问题。对于塑性变形量较小，弹性变形不可忽略，以及求解弹性回复和残余应力问题时不宜采用Levy—Mises理论Prandtl于1924年提出了平面应变情况下理想弹塑性材料的本构关系Reuss在1930年也独立提出了该理论，并将其推广到一般情况通常将它称为Prandtl-Reuss理论12 第七章　焊缝及其热影响区的组织和性能焊接（welding)的实质借助加热或加压，或者同时实施加热和加压以实现材料之间的原子结合。加热：电弧电弧焊等离子弧焊化学热氧－乙炔焊电子束电子束焊光束（包括激光束）光束焊激光焊加压：冷焊加压/加热：锻焊、电阻焊、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊焊接接头=焊接热过程（局部受热熔化）+焊接化学冶金（氧化、还原、脱硫、脱磷、合金化）+焊接物理冶金（冷却、凝固结晶、气孔、裂纹、脆化等）熔化焊的本质:在焊接条件下的小熔池熔炼和冷凝，金属熔化和结晶的冶金过程。焊接接头（weldedjoint）的组成：母材（basemetal）热影响区（heataffectzone）熔合线（bondline）焊缝（weld）熔化焊的冶金特点：1）反应区的温度高于一般的冶炼温度2）熔池小冷却速度快，液态金属高温停留时间短3）冶金条件差影响焊接温度场的因素：（1）热源性质：焊接方法（热源种类）不同→热效率及最高温度、热源加热面积、加热功率密度不同→温度场不同（2）焊接线能量：焊接规范：有效输入功率q、焊接速度v，焊接线能量E=q/v（3）金属的热物理性质（热导率、比热容、容积比热容、热扩散率、比热焓、表面散热系数）（4）焊件的形状及尺寸（厚大焊件、薄板、细棒）另外，接头形式、坡口形状、间隙尺寸还有具体的焊接工艺等都对焊接温度场有不同程度的影响。(1)焊接熔池的特征：1）熔池的体积小、冷却速度快2）.焊接熔池金属处于过热状态：温差大、过热温度高由于过热温度高，非自发形核的原始质点数大为减少，这也促使焊缝柱状晶的发展。3）.焊接熔池金属处于运动状态：动态凝固过程4）熔池界面的导热条件好熔池中的流体动力学状态及其对焊缝质量的影响熔池中的金属是强烈运动着的：1）热源产生的机械力的搅拌作用（如熔滴落下的冲击力、电弧气流的吹力；电磁力、离子的轰击力以及熔池金属蒸发所产生的反作用力等）；2）温差引起的表面张力的变化，强迫金属发生对流；3）温差引起的液态金属密度变化造成的对流；熔池中的化学冶金反应以及生成的气泡和熔渣的上浮；有利作用：1）使母材和焊条金属的成分充分混合，帮助形成成分和组织均匀的焊缝；2）加速了金属和气体及熔渣的反应速度，有利于有害气体和非金属夹杂物的逸出；12 3）避免焊接缺陷的产生，提高焊接质量。(2)熔池凝固的特点1）联生结晶（交互结晶、外延结晶）{在熔池中存在两种现成固相表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点（在正常情况下所起作用不大）；另一种就是熔池边界未熔母材晶粒表面，非自发形核就依附在这个表面，在较小的过冷度下以柱状晶的形态向焊缝中心生长，称为联生结晶(也称外延生长)。}2)焊缝凝固:择优生长3）凝固线速度(3)凝固金属的组织形态柱状晶+少量等轴晶柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶等轴晶内：树枝晶与熔池凝固过程密切相关。浓度梯度、成分过冷随着成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占主导地位，在到达熔池尾端结束凝固时，成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。结晶形态主要决定于合金中的溶质的浓度C0、结晶速度R和液相中温度梯度G的综合作用。其关系如图所示。1）低碳钢焊缝金属的室温组织a、先共析铁素体b、针状铁素体c、珠光体（2）低合金钢焊缝金属的显微组织a、先共析铁素体b、针状铁素体c、珠光体d、马氏体f、贝氏体熔池结晶组织的细化通过提高形核率和抑制晶粒长大两个方面1．变质处理通过焊接材料向熔池加入一定量的合金元素(如B、Mo、V、Ti、Nb等),作为熔池中非自发晶核的质点,从而使焊缝晶粒细化。2．振动结晶采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，增大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。振动方式主要有机械振动、超声振动和电磁搅拌。3．焊接工艺12 采用恰当的焊接工艺措施，也可改善熔池凝固结晶。主要方法是小线能量、多层焊和锤击焊道表面等。焊接热影响区的组织与性能焊接热循环(weldthermalcycle)焊接热循环：焊接加热过程中，焊缝金属附近某点的温度由低到高，再由高到低的过程。由加热速度vh，最高温度θm，相变以上高温停留时间th，冷却速度vC或冷却时间tc四个参数组成。2、焊接热影响区的组织转变特点焊接热循环的特点（1）加热温度高（2）加热速度快（3）高温停留时间短（4）局部加热焊接加热过程中奥氏体化的特点焊接热影响区的组织分布第八章成形过程中的冶金反应原理（1）药皮反应区造渣反应区。焊条端部加热到200-1200℃（熔点）的区域。主要发生水的蒸发、固态药皮成分中的相互作用及分解反应：(2)熔滴反应区特点：1）温度高1800-2400℃2）比表面积大极大的液态金属-气体/熔渣相界面大大加速了冶金反应3）反应时间短(熔滴存在时间小于1s）4）熔滴金属与熔渣发生强烈的混合：化学反应激烈、充分进行(3)熔池反应区1）平均温度较低：1600-1900℃前后部温差大，反应方向不同。2）比表面积小，但存在（反应）时间较长。3）熔池中金属、熔渣不断更新(renewing)。平方根定律/西华特定律Sivert’slaw理想气体溶解度S的平方根定律：2）氮的影响：1)形成氮气孔(Nporosity)2)时效脆化（ageingembrittlement)3)形成针状Fe4N，（3）氢的影响1）氢脆(hydregenembrittlement)2）白点(fisheye)3）氢气孔4）冷裂纹扩散氢(diffusiblehydrogen)，在室温下仍有较大的扩散能力，如在20℃时，[H]的扩散速度比[N]、[C]高1012倍！占氢总量的80%以上。残余氢(residualH），余下少量[H]残存于夹杂物、微孔等微缺陷中，2H→H2，不能再扩散。氧在铁液中以原子氧和FeO两种形式存在。熔渣作用：（1）机械隔离保护（2）冶金处理：脱氧、脱硫、合金化（3）改善焊接工艺性能：引弧(arc-striking)、稳弧（arc-stabilizing）等熔渣也有不利的作用，如强氧化性熔渣可以使液态金属增氧，可以侵蚀炉衬；密度大或熔点过高的熔渣易残留在金属中形成夹渣。12 熔炼金属时，常用的熔渣可以分为酸性和碱性两大类。主要成分：SiO2、CaO、Al2O3【CaO多，碱性；SiO2多，酸性】。熔渣的碱度：R<0.8为酸性渣；R>1.2为碱性渣；R=0.8~1.2为中性渣焊接时根据熔渣的成分和性能可分为三类1）氧化物型：应用得最多的一种焊接渣系，有一定的氧化性MnO-SiO2-FeO-CaO-TiO2（2）盐型熔渣：无氧化性CaF2,NaF,BaCl2（3）盐-氧化物型：上述两种类型的复合型CaO-SiO2-CaF2（1）熔渣的粘度（viscosity）η液体内部相对运动的摩擦力。长渣（longslag）凝固温度范围大；短渣（shortslag）凝固温度范围小。短渣有利于全位置焊接。（2）熔渣的熔点（3）熔渣的表面张力（1）金属中硫的危害及控制1）硫的危害：主要是形成低熔点共晶(lowmeltingpointeutectic)FeS-Fe和FeS-FeO2）控制硫的措施：限制硫的来源；冶金方法脱硫：CaO、Mn1）磷的危害：主要是形成低熔点共晶(lowmeltingpointeutectic)Fe2P-Fe和Fe3P-Fe、Fe3P-Fe2）控制磷的措施：限制磷的来源；冶金方法脱磷合金化：将所需的合金元素加入到金属中去的过程（1）合金化的目的：对于液态成形：主要是改善金属的组织性能。对于焊接成形：补偿在高温下金属由于蒸发或氧化等造成的损失；消除焊接缺陷，改善焊缝金属的组织与性能，或获得特殊性能的堆焊金属层。1)通过合金焊丝或带极2）通过药芯焊丝或药皮（或焊剂）3）通过合金粉末合金元素的过渡系数：熔敷金属中的实际含量与它原始含量之比。熔合比：Θ或r熔合比:焊接领域中，是指熔焊时，被熔化的母材在焊道金属中所占的百分比,可以以焊道金属中母材金属熔化的横截面积F母或AP与整个焊道横截面积F母+F填或AP+Ad之比值来计算。材料成形(铸造、焊接时)的温度改变，导致“热胀冷缩”，而且非均匀的温度变化（如局部的加热、冷却）导致金属内部不均匀的“热胀冷缩”从而产生应力。称为内应力（internalstress)。不均匀加热冷却过程产生的应力称为热应力。（因材料的弹-塑性）在不均匀温度场的作用下，被加热到较高温度的区域的金属受到压缩应力，当此应力达到材料在该温度下的屈服限时，局部区域内受到压缩塑性变形，由于塑性变形不可逆，此区域的材料在冷却之后即产生收缩，而周围未受热的金属会限制它的收缩，于是在压缩塑性变形的区域内产生拉应力，而周围区域产生压应力。这种内部应力在温度均匀后残存在物体内部，固称为残余应力。相变应力（transformationstress）机械阻碍力3.减少焊接残余应力的措施（1）结构设计（2）工艺措施3）残余应力的消除：热处理法、机械加载法、机械振动法1.焊接变形的基本形式（1）纵向横向收缩变形2）角变形（3）弯曲变形（4）波浪变形（失稳变形）（5）扭曲变形影响因素：1）材料热物理性能：膨胀系数、导热性2）工艺因素：焊接热输入、焊接顺序防止方法：（1）结构设计；合理地选择焊缝的尺寸和形式（2）工艺：1）反变形法2）刚性固定法3）采用合理的工艺4）焊接变形的矫正焊接热裂纹（hotcracking）主要指凝固裂纹(solidificationcracking)焊接热裂纹的形成原因：焊接热裂纹是一种高温沿晶断裂而形成的裂纹。(3)焊接热裂纹的影响因素a.硫的偏析b.焊缝的组织c.焊缝冷却的速度（层间温度、热输入量）d.焊缝的形状（成形系数e.拘束度材料焊接冷却到室温附近产生的一种裂纹，它是焊接缺陷中最普遍而又极危险的一种。延迟裂纹（氢致裂纹）12 冷裂纹与任何断裂过程的产生一样，总是受到外力或内应力的作用才得以产生的。a.热应力b.相变组织应力c.结构拘束应力焊接冷裂纹的控制：a.控制组织硬化,降低HAZ组织淬硬程度：b.限制扩散氢：c.控制拘束应焊缝中的气孔分类(1)析出型气孔　1)氢气孔　2)氮气孔(2)反应型气孔1)CO气孔[C]+[O]=CO[FeO]+[C]=CO+[Fe]2)H2O气孔影响焊缝形成气孔的因素（1)冶金因素的影响1)熔渣氧化性的影响2)焊条药皮和焊剂成分的影响3)铁锈及水分的影(2)工艺因素的影响1)焊接工艺参数的影响2)电流种类和极性的影响3)工艺操作方面的影防止焊缝中形成气孔的措施(1)消除气体来源(2)正确选用焊接材料(3)控制焊接工艺条件常见的夹杂物有以下三种：(1)氧化物夹杂(2)氮化物夹杂(3)硫化物夹杂焊缝中常见的偏析有以下三种。1、显微偏析2、层状偏析3、区域偏析第十章　特种连接成形原理与方法金属超塑性是指在一些特定条件下，如一定的化学成分、特定的显微组织、特定的变形温度和应变速率等，金属会表现出异乎寻常的高塑性状态，即所谓超常的塑性变形行为，具有均匀变形能力，其伸长率可以达到百分之几百、甚至几千，这就是金属的超塑性。超塑性变形的特点：1、大伸长率2、无缩颈、低流动应力3、对应变速率的敏感性、易成形超塑性变形的类型1、细晶超塑性2、相变超塑性目前有这样几种解释：①晶界滑移的作用；②扩散蠕变的作用；③动态回复和动态再结晶的作用超塑成形/扩散连接(SuperplasticForming/DiffusionBonding,简称SPF/DB)，是一种利用材料的超塑性，采用吹胀或模锻法将超塑成形与扩散连接结合在一起形成高精度大型零件的近无余量加工方法。扩散连接过程三阶段：A.物理接触阶段B.接触表面的激活阶段C.形成可靠接头阶段12