機(jī)械制造基礎(chǔ)全冊(cè)電子教案模塊1-9完整版教學(xué)設(shè)計(jì)PAGE17PAGE1第頁(yè)教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：熟悉工程材料的種類、性能指標(biāo)和牌號(hào)表示方法；熟悉金屬晶體結(jié)構(gòu)；掌握鐵碳合金相圖的相關(guān)知識(shí)；熟悉熱處理的理論基礎(chǔ)，掌握常見(jiàn)的熱處理工藝方法。能力目標(biāo)：根據(jù)零件的使用條件，選擇力學(xué)性能指標(biāo)；根據(jù)材料的牌號(hào)，判斷其所屬種類、性能特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合；根據(jù)材料的性能要求，選擇合適的熱處理工藝。素質(zhì)目標(biāo)：教學(xué)重點(diǎn)各種工程材料的應(yīng)用領(lǐng)域教學(xué)難點(diǎn)各種工程材料的性能教學(xué)手段理實(shí)一體實(shí)物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時(shí)16教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)注釋模塊一工程材料基礎(chǔ)〖任務(wù)描述〗減速器是機(jī)械設(shè)備中的常用裝置，它是原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要。減速器主要由傳動(dòng)零件(齒輪或蝸桿)、軸、軸承、箱體及其附件（軸承蓋、定位銷、螺栓、螺釘?shù)龋┙M成。試確定這些零部件都是由哪些材料制作而成的。〖任務(wù)分析〗減速器的各零部件在工作時(shí)受力情況各不相同，對(duì)材料的性能要求也有所差異，需要區(qū)別對(duì)待?！枷嚓P(guān)知識(shí)〗學(xué)習(xí)情境一材料的分類和金屬材料的性能一、材料的分類工程材料是指在機(jī)械、船舶、化工、建筑、車輛、儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中用于制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件的材料。按材料的組成和結(jié)合鍵的特點(diǎn)，可將工程材料分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料。二、金屬材料的性能1.使用性能1）力學(xué)性能力學(xué)性能是指材料在載荷（外力）作用下所表現(xiàn)出的抵抗產(chǎn)生塑性變形或斷裂的能力。彈性和剛度。材料力學(xué)性能的指標(biāo)是通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定制作標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，如圖1-1所示。圖1-1標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣為消除試樣幾何尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，將拉伸過(guò)程中試樣所受的拉伸力轉(zhuǎn)化為試樣單位截面積上所受的力（稱為應(yīng)力），試樣伸長(zhǎng)量轉(zhuǎn)化為試樣單位長(zhǎng)度上的伸長(zhǎng)量（稱為應(yīng)變），得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其形狀與拉伸曲線完全一致。低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖1-2所示。圖1-2低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線強(qiáng)度。工程材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力稱為強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度。在圖1-2中，當(dāng)曲線超過(guò)A點(diǎn)后，若卸去外加載荷，則試樣會(huì)留下不能恢復(fù)的殘余變形，這種不能隨載荷去除而消失的殘余變形稱為塑性變形。在金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間發(fā)生塑性變形而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)，其所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度稱為屈服強(qiáng)度，應(yīng)區(qū)分為上屈服強(qiáng)度ReH和下屈服強(qiáng)度ReL，單位為MPa。抗拉強(qiáng)度。材料在斷裂前所承受的最大應(yīng)力值稱為抗拉強(qiáng)度或強(qiáng)度極限，用Rm表示，單位為MPa。（3）塑性。塑性是指材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力。常用的塑性指標(biāo)有斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率，在拉伸試驗(yàn)中，可以通過(guò)把試樣拉斷后將其對(duì)接起來(lái)進(jìn)行測(cè)量而得到。斷后伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率Z越大，材料的塑性越好。兩者相比，用斷面收縮率表示塑性比斷后伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。（4）硬度。硬度是反映材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)，它表示材料表面局部區(qū)域內(nèi)抵抗其他物體壓入的能力。測(cè)量硬度的常用指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。使用不同方法所測(cè)得的硬度值不能直接比較，可通過(guò)硬度對(duì)照表?yè)Q算。（5）沖擊韌性。材料抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力稱為沖擊韌性，用ak表示。一般采用一次沖擊彎曲試驗(yàn)測(cè)定材料的沖擊韌性。（6）疲勞。①疲勞的概念。許多機(jī)械零件（如齒輪、軸、彈簧）是在重復(fù)或交變載荷下工作的。交變載荷是指大小或方向隨時(shí)間而變化的載荷。在交變載荷作用下，即使零件所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度，長(zhǎng)時(shí)間作用后也會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。②疲勞強(qiáng)度。在測(cè)定材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)要用較多的試樣，在不同循環(huán)應(yīng)力作用下進(jìn)行試驗(yàn)，作出疲勞曲線（材料所受交變應(yīng)力S與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nf的關(guān)系曲線），如圖1-8所示。圖1-8疲勞曲線示意圖2）物理性能和化學(xué)性能（1）物理性能。工程材料的物理性能包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。各種機(jī)械零件由于用途不同，對(duì)材料的物理性能要求也有所不同。（2）化學(xué)性能。金屬及合金的化學(xué)性能指它們?cè)谑覝鼗蚋邷貢r(shí)抵抗各種介質(zhì)化學(xué)侵蝕的能力，主要有耐蝕性和抗氧化性。2.工藝性能工藝性能是指材料適應(yīng)加工工藝要求的能力。按加工方法的不同，可分為鑄造性、可鍛性、焊接性、切削加工性及熱處理工藝性能等。在設(shè)計(jì)零件和選擇工藝方法時(shí)，都要考慮材料的工藝性能，以降低成本，獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的零件。學(xué)習(xí)情境二金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念1.晶格如果把組成晶體的原子（或離子、分子）看做剛性球體，那么晶體就是由這些剛性球體按一定規(guī)律周期性地堆積而成，如圖1-9（a）所示。不同晶體的堆積規(guī)律不同。為了研究方便，假設(shè)將剛性球體視為處于球心的點(diǎn)，稱為結(jié)點(diǎn)，用假想的直線將這些結(jié)點(diǎn)連接起來(lái)所形成的三維空間格架稱為晶格，如圖1-9（b）所示。晶格能夠直觀地表示晶體中原子（或離子、分子）的排列規(guī)律。2.晶胞從微觀上看，晶體是無(wú)限大的。為了便于研究，常從晶格中選取一個(gè)能代表晶體原子排列規(guī)律的最小幾何單元來(lái)進(jìn)行分析，這個(gè)最小的幾何單元稱為晶胞，如圖1-9（c）所示。晶胞在三維空間中重復(fù)排列便可構(gòu)成晶格和晶體。圖1-9簡(jiǎn)單立方晶體示意圖3.常見(jiàn)純金屬的晶格類型1）體心立方晶格體心立方晶格的晶胞示意圖如圖1-10所示，具有體心立方晶格的金屬有α-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。圖1-10體心立方晶胞示意圖2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞示意圖如圖1-11所示，屬于這類晶格的金屬有γFe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。圖1-11面心立方晶胞示意圖3）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞示意圖如圖1-12所示，屬于這類晶格的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。圖1-12密排六方晶胞示意圖二、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.單晶體和多晶體在研究金屬的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，是把晶體看成由原子按一定幾何規(guī)律作周期性排列而成，晶體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的，這種晶體稱為單晶體。每一個(gè)晶粒相當(dāng)于一個(gè)單晶體。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體，如圖1-13所示。圖1-13多晶體結(jié)構(gòu)示意圖2.晶體缺陷按晶體缺陷的幾何形狀，可將晶體缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三種。三、純金屬的結(jié)晶金屬自液態(tài)經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程是原子從排列不規(guī)則的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕幸?guī)則的晶態(tài)的過(guò)程，此過(guò)程稱為金屬的結(jié)晶過(guò)程。純金屬在緩慢冷卻時(shí)，由于結(jié)晶時(shí)放出的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了冷卻時(shí)向外散失的熱量，故冷卻過(guò)程中溫度不變化，此時(shí)的溫度稱為理論結(jié)晶溫度。四、合金及合金中的相結(jié)構(gòu)1.合金的基本概念1）組元組成合金最基本的、獨(dú)立的單元稱為組元，簡(jiǎn)稱為元。例如，黃銅的組元是銅和鋅，碳鋼的組元是鐵和碳，或者是鐵和金屬化合物Fe3C。由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金，由三個(gè)組元組成的合金稱為三元合金。2）相固態(tài)合金中的相是合金組織的基本組成部分，它具有一定的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，具有均勻的化學(xué)成分。3）合金系由給定的組元可以配制成一系列成分不同的合金，這些合金組成一個(gè)合金系統(tǒng)，稱為合金系。4）組織組織是指用肉眼或借助各種不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬材料內(nèi)部的情景，包括晶粒的大小、形狀、種類以及各種晶粒之間的相對(duì)數(shù)量和相對(duì)分布。2.固態(tài)合金中的基本相1）固溶體合金結(jié)晶時(shí)，組元之間相互溶解所形成固相的晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元相同，這種固相稱為固溶體。2）金屬化合物金屬化合物是合金組元按一定比例發(fā)生相互作用而形成的一種新相，又稱為中間相。3.合金相圖的基礎(chǔ)知識(shí)1）二元?jiǎng)蚓鄨D兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無(wú)限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖稱為二元?jiǎng)蚓鄨D。二元?jiǎng)蚓鄨D是最簡(jiǎn)單的二元相圖，Cu-Ni、Ag-Au、Fe-Cr、Fe-Ni、Cr-Mo、Mo-W等合金都形成二元?jiǎng)蚓鄨D。在這類合金中，結(jié)晶時(shí)都由液相結(jié)晶出單相的固溶體。這種從液相中結(jié)晶出單一固相的過(guò)程稱為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)。Cu-Ni二元?jiǎng)蚓鄨D如圖1-18所示。圖1-18Cu-Ni二元?jiǎng)蚓鄨D2）二元共晶相圖組成合金的兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，固態(tài)時(shí)有限互溶，結(jié)晶時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的合金系所形成的二元合金相圖稱為二元共晶相圖。PbSn、PbSb、AgCu、AlSi合金相圖均屬于這類相圖。PbSn二元共晶相圖如圖1-19所示。圖1-19PbSn二元共晶相圖學(xué)習(xí)情境三鐵碳合金純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵在結(jié)晶后繼續(xù)冷卻至室溫的過(guò)程中，將發(fā)生兩次晶格轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變過(guò)程如圖1-20所示。圖1-20純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變冷卻曲線鐵碳合金的基本組織鐵碳合金在固態(tài)下會(huì)出現(xiàn)以下幾種基本組織。1.鐵素體2.奧氏體3.滲碳體4.珠光體5.萊氏體三、Fe-Fe3C相圖鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的基礎(chǔ)。wC＞6.69%的鐵碳合金脆性極大，沒(méi)有使用價(jià)值，而Fe3C可以作為一個(gè)獨(dú)立的組元，因此，所研究的鐵碳合金相圖實(shí)際上是簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖，如圖1-21所示。圖1-21簡(jiǎn)化后的FeFe3C相圖及其室溫組織圖Fe-Fe3C相圖中的特征點(diǎn)2.Fe-Fe3C相圖的特征線（1）ACD線。ACD線為液相線，該線以上的合金為液態(tài)，合金冷卻至該線以下便開(kāi)始結(jié)晶。（2）AECF線。AECF線為固相線，該線以下合金為固態(tài)，加熱時(shí)溫度達(dá)到該線，合金開(kāi)始熔化。(3)PSK線。PSK線為共析線，也稱為A1線，即具有共析成分（wC＝0.77%）的奧氏體在共析溫度727℃時(shí)，要同時(shí)析出鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，其反應(yīng)方程式為AS恒溫F＋Fe3C（4）ES線。ES線為碳在奧氏體中的固溶線，通常稱為Acm線。從該線可以看出，奧氏體的最大溶碳量在1148℃時(shí)為2.11%，而在727℃時(shí)僅為0.77%。（5）GS線。GS線是冷卻時(shí)由奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線，通常稱為A3線。（6）GP線。GP線是冷卻時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體的終了線。（7）PQ線。PQ線是碳在鐵素體中的固溶線。3.Fe-Fe3C相圖中的特征相區(qū)（1）三個(gè)單相區(qū)。（2）五個(gè)兩相區(qū)。（3）兩個(gè)三相區(qū)。四、典型合金的結(jié)晶過(guò)程分析1.共析鋼的結(jié)晶過(guò)程分析其結(jié)晶過(guò)程如圖1-23所示。圖1-23共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖2.亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程分析

結(jié)晶過(guò)程如圖1-25所示。圖1-25wC=0.4%的亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程示意圖3.過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程分析結(jié)晶過(guò)程如圖1-27所示。圖1-27過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程示意圖4.共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程分析結(jié)晶過(guò)程如圖1-29所示。圖1-29共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程示意圖5.亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程分析結(jié)晶過(guò)程如圖1-31所示。圖1-31wC=3.0%的亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程示意圖6.過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程分析結(jié)晶過(guò)程如圖1-33所示。圖1-34wC=5.0%的過(guò)共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織五、含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響1.含碳量對(duì)鐵碳合金組織的影響2.含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響3.含碳量對(duì)工藝性能的影響1）鑄造性2）可鍛性3）焊接性4）切削加工性學(xué)習(xí)情境四鋼的熱處理一、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼加熱到Ac1以上時(shí)會(huì)發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，加熱到Ac3和Accm以上，保溫足夠時(shí)間便會(huì)全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。熱處理加熱的目的是獲得均勻的奧氏體組織，因此，這種加熱轉(zhuǎn)變的過(guò)程稱為鋼的奧氏體化。1.奧氏體化過(guò)程鋼加熱時(shí)奧氏體的形成遵循形核和長(zhǎng)大的基本規(guī)律。以共析鋼（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為077%）為例，奧氏體的轉(zhuǎn)變過(guò)程可分為四個(gè)階段，即奧氏體晶核形成、奧氏體晶核長(zhǎng)大、殘余滲碳體溶解以及奧氏體成分均勻化，如圖1-36所示。圖1-36共析鋼的奧氏體化過(guò)程示意圖影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素加熱溫度、保溫時(shí)間和加熱速度加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒越粗大。加熱速度越快，過(guò)熱度越大，形核率越高，奧氏體晶粒越細(xì)。2）含碳量在碳的一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，隨著奧氏體中含碳量的增加，碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度增大，使奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向增大。3）化學(xué)成分鋼中的大多數(shù)合金元素（除Mn以外）都有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。其中能形成穩(wěn)定的碳化物的元素（如Cr、W、Mo、Ti、Nb等）和能生成氧化物、氮化物、有阻礙晶粒長(zhǎng)大作用的元素（如適量的Al），其碳化物、氧化物、氮化物在晶界上彌散分布，強(qiáng)烈地阻礙了奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，使晶粒保持細(xì)小。二、鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變冷卻過(guò)程是熱處理的關(guān)鍵工序，其冷卻轉(zhuǎn)變溫度決定了冷卻后的組織和性能。實(shí)際生產(chǎn)中采用的冷卻方式主要有等溫冷卻（如等溫淬火）和連續(xù)冷卻（如爐冷、空冷、水冷等），兩種冷卻方式的示意圖如圖1-37所示。圖1-37兩種冷卻方式示意圖1.過(guò)冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變 圖1-38共析鋼的C曲線1）過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能據(jù)過(guò)冷奧氏體不同溫度（A1線以下）下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的不同，奧氏體的變化可分為三種不同類型的轉(zhuǎn)變，即高溫珠光體轉(zhuǎn)變、中溫貝氏體轉(zhuǎn)變和低溫馬氏體轉(zhuǎn)變。2)影響C曲線的因素（1）含碳量。在正常加熱條件下，亞共析鋼的C曲線隨含碳量的增加而右移，過(guò)共析鋼的C曲線隨含碳量的增加而左移。奧氏體中的含碳量越高，Ms點(diǎn)越低。（2）合金元素。除Co、Al以外的幾乎所有合金元素溶入奧氏體后，都會(huì)增加奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線不同程度地右移。當(dāng)某些合金元素達(dá)到一定量時(shí)，還會(huì)改變C曲線的形狀。絕大多數(shù)合金元素均會(huì)使Ms溫度降低。（3）加熱溫度和保溫時(shí)間。隨著加熱溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，晶界面積減小，奧氏體成分更加均勻，這些都不利于過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變，但提高了奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。2.過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變1）過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線在實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)熱處理工藝都是在連續(xù)冷卻過(guò)程中進(jìn)行的，因此，鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（也稱為CCT曲線）更有實(shí)際意義。CCT曲線是由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定的，圖1-39所示為共析鋼的CCT曲線，它與C曲線的區(qū)別在于CCT曲線位于曲線的右下側(cè)，且沒(méi)有等溫轉(zhuǎn)變曲線的下部分，即共析鋼在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)得不到貝氏體組織。圖1-39共析鋼的CCT曲線2）共析鋼CCT曲線和C曲線的比較和應(yīng)用三、鋼的退火與正火1.鋼的退火退火是將工件加熱到臨界點(diǎn)以上或在臨界點(diǎn)以下某一溫度保溫一定時(shí)間后，以十分緩慢的冷卻速度（一般為隨爐冷卻）進(jìn)行冷卻的一種方法。根據(jù)鋼的成分、組織狀態(tài)和退火目的的不同，退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火和去應(yīng)力退火等。2.鋼的正火將工件加熱到Ac3或Accm以上30℃～50℃，使鋼轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，保溫后從爐中取出在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火主要應(yīng)用于以下方面。（1）正火用于普通結(jié)構(gòu)零件，作為最終熱處理，細(xì)化晶粒，提高力學(xué)性能。（2）正火用于低、中碳鋼，作為預(yù)備熱處理，獲得合適的硬度，便于切削加工。（3）正火用于過(guò)共析鋼，消除網(wǎng)狀Fe3CⅡ，有利于球化退火的進(jìn)行。四、鋼的淬火1.淬火工藝1）淬火溫度通常亞共析鋼的淬火溫度應(yīng)在Ac3以上30℃～50℃，共析鋼和過(guò)共析鋼的淬火溫度為Ac1以上30℃～50℃。2）保溫時(shí)間為了使工件各部分均完成組織轉(zhuǎn)變，需要在淬火加熱溫度下保溫一定的時(shí)間，通常將工件升溫和保溫所需的時(shí)間計(jì)算在一起統(tǒng)稱為加熱時(shí)間。3）淬火冷卻淬火冷卻是決定淬火質(zhì)量的關(guān)鍵，為了使工件獲得馬氏體組織，淬火冷卻速度必須大于臨界冷卻速度vk，而快速冷卻會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，容易引起工件的變形和開(kāi)裂。2.淬火方法為保證淬火效果，減少淬火變形和開(kāi)裂，應(yīng)根據(jù)鋼的材料、大小和種類，合理選擇淬火方法。常用的淬火方法有單介質(zhì)淬火法、雙介質(zhì)淬火法、分級(jí)淬火法和等溫淬火法四種，如圖1-42所示。圖1-42常用淬火方法3.鋼的淬透性和淬硬性五、鋼的回火1.回火的目的（1）改善淬火鋼的性能，達(dá)到要求的力學(xué)性能。（2）穩(wěn)定工件尺寸。（3）消除或減小淬火內(nèi)應(yīng)力，降低馬氏體脆性，防止工件的變形和開(kāi)裂。2.回火的分類淬火鋼回火后的組織與性能由回火溫度決定，鋼的回火按回火溫度不同可分為低溫回火、中溫回火、高溫回火。六、鋼的表面熱處理1.鋼的表面淬火目前生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。1）感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火是在工件中引入一定頻率的感應(yīng)電流（渦流），使工件表面層快速加熱到淬火溫度后立即噴水冷卻的方法。2）火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是用乙炔—氧或煤氣—氧的混合氣體燃燒的火焰噴射至零件表面，快速加熱，當(dāng)達(dá)到淬火溫度時(shí)立即噴水冷卻，從而獲得預(yù)期的硬度和淬硬層深度的一種表面淬火方法。鋼的化學(xué)熱處理1）鋼的滲碳（1）滲碳的目的及滲碳用鋼。滲碳的目的是提高工件表層含碳量。經(jīng)過(guò)滲碳及隨后的淬火和低溫回火，可提高工件表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而心部仍保持良好的塑性和韌性。工業(yè)生產(chǎn)中滲碳鋼一般是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%～0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼，如15鋼、20鋼和20Cr等。滲碳層深度一般為0.5～2.5mm。（2）滲碳方法。根據(jù)所采用的滲碳劑不同，滲碳可分為氣體滲碳、液體滲碳、固體滲碳。目前常用的是氣體滲碳，其次是固體滲碳。不論是氣體滲碳還是固體滲碳，滲碳后的零件都要進(jìn)行淬火和低溫回火處理，只有這樣才能達(dá)到所要求的使用性能。近年來(lái)，滲碳工藝有了很大的進(jìn)展，出現(xiàn)了高溫滲碳、真空滲碳、高頻滲碳等，有的已經(jīng)開(kāi)始用于生產(chǎn)，滲碳過(guò)程也在逐漸采用自動(dòng)化和機(jī)械化來(lái)控制。2）鋼的滲氮與滲碳相比，滲氮工件具有以下特點(diǎn)。（1）滲氮前需經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，以使心部組織具有較高的強(qiáng)度和韌性。（2）表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度及熱硬性均高于滲碳層。（3）滲氮表面形成由致密氮化物組成的連續(xù)薄膜，具有一定的耐蝕性。（4）滲氮處理溫度低，滲氮后不需再進(jìn)行其他熱處理，因此工件變形小。3）碳氮共滲碳氮共滲是向鋼的表面同時(shí)滲入碳和氮，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝，習(xí)慣上又稱為氰化。目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氮化）應(yīng)用較為廣泛。學(xué)習(xí)情境五常用金屬材料一、碳鋼1.碳鋼的分類1）按照冶煉時(shí)脫氧程序的不同根據(jù)冶煉時(shí)脫氧程序的不同，碳鋼可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。2）按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。3）按鋼的用途分類（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各類工程構(gòu)件（如橋梁、船舶、建筑物等）及各種機(jī)器零件（如齒輪、螺釘、螺母、連桿等）。它多屬于低碳鋼和中碳鋼。（2）碳素工具鋼。碳素工具鋼主要用于制造各種刃具、量具和模具。這類鋼中碳的含量較高，一般屬于高碳鋼。（3）特殊性能鋼。特殊性能鋼包括不銹鋼、耐磨鋼、耐熱鋼等。4）按鋼中有害雜質(zhì)的含量分類碳鋼主要按鋼中有害雜質(zhì)硫、磷含量分為以下幾種：普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼。2.碳鋼的牌號(hào)、性能及主要用途1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼主要保證力學(xué)性能，故其牌號(hào)體現(xiàn)其力學(xué)性能。牌號(hào)用“Q＋阿拉伯?dāng)?shù)字”表示，其中,“Q”為屈服強(qiáng)度，是“屈”字的漢語(yǔ)拼音首字母，數(shù)字表示屈服強(qiáng)度值。2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以萬(wàn)分之幾計(jì)。3）碳素工具鋼鋼號(hào)前面的“T”表示碳素工具鋼，其后的數(shù)字為碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以千分之幾計(jì)。4）鑄鋼以強(qiáng)度表示的鑄鋼牌號(hào)是由鑄鋼兩字的漢語(yǔ)拼音首字母“ZG”與表示力學(xué)性能的兩組數(shù)字組成，第一組數(shù)字代表最低屈服強(qiáng)度，第二組數(shù)字代表最低抗拉強(qiáng)度。二、合金鋼1.合金鋼的分類1）按用途分類（1）合金結(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼可分為機(jī)械制造用鋼和工程結(jié)構(gòu)用鋼等，主要用于制造各種機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu)件等。（2）合金工具鋼。合金工具鋼可分為刃具鋼、模具鋼、量具鋼三類，主要用于制造刃具、模具、量具等。（3）特殊性能鋼。特殊性能鋼可分為抗氧化用鋼、不銹鋼、耐磨鋼、易切削鋼等。2）按合金元素含量分類（1）低合金鋼。低合金鋼合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%。（2）中合金鋼。中合金鋼合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%。（3）高合金鋼。高合金鋼合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%。2.合金結(jié)構(gòu)鋼1）合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)我國(guó)規(guī)定合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由“兩位數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字+…”組成。2）普通低合金結(jié)構(gòu)鋼普通低合金結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，加入少量的合金元素發(fā)展起來(lái)的。從成分上看其為低碳低合金鋼種，滿足大型工程結(jié)構(gòu)（如大型橋梁、壓力容器及船舶等）減輕結(jié)構(gòu)重量，提高可靠性及節(jié)約材料的需要。3）合金滲碳鋼常用滲碳鋼按照淬透性大小可分為三類：低淬透性滲碳鋼、中淬透性滲碳鋼、高淬透性滲碳鋼。4）合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼是指經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后使用的合金結(jié)構(gòu)鋼，廣泛用于制造汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床和其他機(jī)器上的各種重要零件，如齒輪、軸類件、連桿、螺栓等。5）合金彈簧鋼有代表性的彈簧鋼有以下幾種。（1）65Mn、70鋼。這兩種鋼可用于制造截面直徑小于15mm的小型彈簧，如坐墊彈簧、發(fā)條、彈簧環(huán)、剎車彈簧、離合器簧片等。（2）55Si2Mn、60Si2Mn。這類鋼中加入了Si、Mn元素，提高了鋼的淬透性，可用于制造直徑為20～25mm的彈簧，如汽車、拖拉機(jī)、機(jī)車上的減振板簧和螺旋彈簧、汽缸安全閥簧（工作溫度小于230℃）。（3）50CrVA。50CrVA不僅淬透性高，還有較高的熱強(qiáng)性，適于制造工作溫度在350℃～400℃下的重載大型彈簧，如閥門彈簧、氣門彈簧。6）滾動(dòng)軸承鋼用來(lái)制造各種滾動(dòng)軸承零件如軸承內(nèi)外套圈、滾動(dòng)體（滾珠、滾柱、滾針等）的專用鋼稱為滾動(dòng)軸承鋼。7）易切削鋼易切削鋼是指在鋼中加入一種或幾種易切削元素，使其切削加工性能得到明顯改善的結(jié)構(gòu)鋼，簡(jiǎn)稱為易切鋼。2.合金工具鋼1）合金工具鋼的牌號(hào)合金工具鋼牌號(hào)的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相似，基本組成為“一位數(shù)字（或無(wú)數(shù)字）+元素符號(hào)+數(shù)字+…”，其平均含碳量是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍表示，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC≥1.0%時(shí)，鋼號(hào)中不標(biāo)出。2）合金刃具鋼合金刃具鋼有兩類：一類是低合金刃具鋼，用于低速切削，其工作溫度低于300℃；另一類是高速鋼，用于高速切削，工作溫度高達(dá)600℃。3）合金模具鋼模具鋼可分為兩大類：一類是用于冷成形的冷作模具鋼，工作溫度不超過(guò)300℃；另一類是用于熱成形的熱作模具鋼，模具表面溫度可達(dá)600℃。4）合金量具鋼用于制造各種測(cè)量工具如游標(biāo)卡尺、千分尺、塊規(guī)、塞規(guī)等的合金鋼稱為合金量具鋼。量具在使用過(guò)程中必須保持自身尺寸的穩(wěn)定性，因此，量具鋼必須具有高硬度、高耐磨性、較高的尺寸穩(wěn)定性、良好的耐蝕性。3.特殊性能鋼1）不銹鋼不銹鋼是指在大氣和一般介質(zhì)中具有很高耐蝕性的鋼種。不銹鋼主要包括兩類，即耐大氣腐蝕的鋼（稱為不銹鋼）和耐化學(xué)介質(zhì)（如酸類）腐蝕的鋼（稱為耐酸不銹鋼）。前者不一定耐酸性介質(zhì)，而耐酸不銹鋼在大氣中也有良好的耐蝕性。2）耐熱鋼在發(fā)動(dòng)機(jī)、化工、航空等設(shè)備中有很多零件是在高溫下工作，制造這些零件所用的要求具有高耐熱性的鋼稱為耐熱鋼。3）耐磨鋼從廣泛的意義上講，表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和滾動(dòng)軸承鋼等具有高耐磨性的鋼種都可稱為耐磨鋼，但這里所指的耐磨鋼主要是指在強(qiáng)烈沖擊載荷或高壓力的作用下發(fā)生表面硬化而具有高耐磨性的高錳鋼，如車輛履帶、挖掘機(jī)鏟斗、破碎機(jī)顎板和鐵軌分道叉等。三、鑄鐵鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%（一般為2.5%～5.0%），并且含有較多的Si、Mn、S、P等元素的多元鐵碳合金。它與鋼相比，抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性較低，但具有優(yōu)良的鑄造性。鑄鐵可以分為以下幾類。（1）普通灰鑄鐵。普通灰鑄鐵中石墨呈片狀。（2）可鍛鑄鐵。可鍛鑄鐵中石墨呈團(tuán)絮狀。（3）球墨鑄鐵。球墨鑄鐵中石墨呈球狀。（4）蠕墨鑄鐵。蠕墨鑄鐵中石墨呈蠕蟲(chóng)狀。四、鋁及鋁合金鐵碳合金以外的其他金屬及合金，如鋁、銅、鎂、鈦、錫、鉛、鋅等金屬及其合金稱為有色金屬。有色金屬具有許多特殊性能，在機(jī)電、儀表，特別是在航空、航天及航海等工業(yè)中具有重要的應(yīng)用。1.純鋁純鋁是一種銀白色的輕金屬，熔點(diǎn)為660℃，具有面心立方晶格，沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鋁按純度可分為工業(yè)純鋁、工業(yè)高純鋁、高純鋁。2.鋁合金1）鋁合金的分類鋁合金一般具有圖1-43所示的相圖。圖1-43鋁合金分類相圖鋁合金的代號(hào)、牌號(hào)表示方法五、銅及銅合金1.純銅純銅呈玫瑰紅色，但容易與氧反應(yīng)，在表面形成氧化銅薄膜，外觀呈紫紅色。純銅具有面心立方晶格，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，密度為8.96g/cm3，熔點(diǎn)為1083℃。純銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，其導(dǎo)電性僅次于銀，故主要用做導(dǎo)電材料。2.銅合金的分類純銅的強(qiáng)度不高，用加工硬化方法雖可提高銅的強(qiáng)度，但卻會(huì)使其塑性大大降低，因此,常用合金化的方法來(lái)獲得強(qiáng)度較高的銅合金。常用的銅合金可分為黃銅、青銅、白銅三類。六、滑動(dòng)軸承合金1.錫基軸承合金錫基軸承合金是一種在軟基體分布硬質(zhì)點(diǎn)的軸承合金。它是以錫、銻為基礎(chǔ)，并加入少量其他元素的合金。常用的牌號(hào)有ZSnSb11Cu6、ZSnSb8Cu4、ZSnSb4Cu4等。2.鉛基軸承合金鉛基軸承合金是以PbSb為基體的合金，但二元PbSb合金有密度偏析，同時(shí)銻顆粒太硬，基體又太軟，只適用于制造速度低、載荷小的次要軸承。為改善其性能，要在合金中加入其他合金元素，如Sn、Cu、Cd、As等。常用的鉛基軸承合金為ZPbSb16Sn16Cu2，表示錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～17%，銻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～17%，銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～2.0%，余量為鉛的鉛基軸承合金。3.鋁基軸承合金鋁基軸承合金是以Al為基本元素，Sb或Sn等為主加元素的軸承合金。它具有密度小、導(dǎo)熱性好、疲勞強(qiáng)度高和耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。鋁基軸承合金原料豐富，價(jià)格便宜，廣泛用于制造高速高載荷條件下工作的軸承。按化學(xué)成分將鋁基軸承合金分為鋁錫系、鋁銻系和鋁石墨系三類。4.銅基軸承合金銅基軸承合金是以Pb為基本合金元素的銅基合金，也稱為鉛青銅。由于固態(tài)下Pb不溶于Cu，所以鉛青銅在室溫時(shí)的組織是在硬基體銅上均勻分布著軟的鉛顆粒，極有利于保持潤(rùn)滑油膜，使合金具有優(yōu)良的耐磨性。此外，鉛青銅比巴氏合金更能耐疲勞、抗沖擊，承載能力也更強(qiáng)，所以銅基軸承合金可用于制造高速、高載荷下的發(fā)動(dòng)機(jī)軸承和其他高速重載軸承。〖拓展訓(xùn)練〗某小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1-44所示，其主要支承件是缸體和缸蓋。缸體內(nèi)有汽缸，汽缸內(nèi)有活塞、連桿、曲軸及軸承，缸體的右側(cè)面有凸輪軸，背面有離合器殼、飛輪（圖中未畫出），缸體底部為油底殼，缸蓋頂部有進(jìn)氣門、排氣門、挺桿、搖臂，右上部為配電器，左上部為化油器及火花塞。試為該小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)各主要零件選定合適的材料。圖1-44小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖明確任務(wù)，在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始教學(xué)。教師講解屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的含義，學(xué)生結(jié)合圖1-2分析，加深理解。學(xué)生分組討論斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率與塑性的關(guān)系。學(xué)生結(jié)合實(shí)際思考物理性能和化學(xué)性能對(duì)于材料的影響。結(jié)合圖片，理解晶體、晶胞的含義。掌握常見(jiàn)純金屬的晶格類型，并知道哪種金屬屬于此類晶格。掌握單晶體和多晶體的概念。掌握晶體的三種缺陷及其形成。組織決定合金的性質(zhì)。結(jié)合圖講解二元?jiǎng)蚓鄨D和二元共晶相圖。結(jié)合圖1-20講解純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。結(jié)合圖片講解Fe-Fe3C相圖，學(xué)生找出Fe-Fe3C相圖的特征線結(jié)合圖片講解典型合金的結(jié)晶過(guò)程。講解含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響。結(jié)合示意圖，掌握共析鋼的奧氏體化過(guò)程。學(xué)生分組討論各因素如何影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大。學(xué)生結(jié)合圖片分析C曲線的變化，教師總結(jié)。學(xué)生分組討論CCT曲線與C曲線的區(qū)別，教師總結(jié)。學(xué)生分組討論退火與正火的區(qū)別，教師總結(jié)。結(jié)合圖1-42，分析各淬火方法的特點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際討論各種回火的應(yīng)用領(lǐng)域。比較鋼的滲碳、鋼的滲氮及碳氮共滲各自的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。講解鋼的分類，并結(jié)合實(shí)際情況講解不同鋼的不同應(yīng)用領(lǐng)域。比較普通低合金結(jié)構(gòu)鋼和低碳鋼的不同點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際討論各種鋁及鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合實(shí)際討論各種銅的應(yīng)用領(lǐng)域。

教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：掌握鑄造成型的定義、種類及其優(yōu)缺點(diǎn)；熟悉鑄造工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容及原則、鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則；了解鑄造成型工藝基礎(chǔ)理論知識(shí)。能力目標(biāo)：根據(jù)零件的具體形狀和加工要求，確定澆注位置、分型面及加工余量和起模斜度等。素質(zhì)目標(biāo)：教學(xué)重點(diǎn)鑄造成型的定義、種類及其優(yōu)缺點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)鑄造工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容及原則教學(xué)手段理實(shí)一體實(shí)物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時(shí)16教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)注釋模塊二鑄造成型〖任務(wù)描述〗箱體是減速器的重要組成部件，它是傳動(dòng)零件的基座，其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜。試確定如何制造減速器箱體的毛坯。〖任務(wù)分析〗因?yàn)橄潴w是內(nèi)腔結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的零件，所以要采用鑄造的方法來(lái)生產(chǎn)毛坯，在鑄造時(shí)要根據(jù)零件圖先畫出鑄造工藝圖，包括澆注位置、分型面、加工余量和起模斜度等?！枷嚓P(guān)知識(shí)〗學(xué)習(xí)情境一鑄造成型理論基礎(chǔ)一、合金的流動(dòng)性和充型能力1.合金的流動(dòng)性液態(tài)合金本身的流動(dòng)能力稱為合金的流動(dòng)性。鐵碳合金的流動(dòng)性與碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系如圖2-1所示。圖2-1鐵碳合金的流動(dòng)性與碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系2.合金的充型能力1）合金的澆注條件提高合金的澆注溫度和澆注速度，增大靜壓頭的高度都會(huì)使合金的充型能力提高，但澆注溫度太高，將使合金的收縮量增加，吸氣增多，氧化嚴(yán)重，鑄件會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的黏砂和脹砂缺陷。因此，每種合金都有一定的澆注溫度范圍。一般鑄鋼為1520℃～1620℃，鑄鐵為1230℃～1450℃，鋁合金為680℃～780℃。2）合金的鑄型特點(diǎn)鑄型材料的導(dǎo)熱性越好，液態(tài)合金的冷卻速度越快，合金的流動(dòng)性越差。當(dāng)鑄型的發(fā)氣量大、排氣能力較低時(shí)，合金的流動(dòng)受到阻礙，會(huì)使合金的充型能力下降。澆注系統(tǒng)和鑄型的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，合金在充型時(shí)的阻力越大，充型能力也會(huì)下降。二、鑄件的凝固和收縮1.鑄件的凝固在鑄件的凝固過(guò)程中，其斷面上一般存在三個(gè)區(qū)域，即固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)。2.鑄件的收縮合金從澆注到凝固直至冷卻到常溫的過(guò)程中產(chǎn)生的體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮。三、縮孔和縮松的形成及防止1.縮孔的形成圖2-2為縮孔形成過(guò)程示意圖。液態(tài)合金充滿鑄型型腔，見(jiàn)圖2-2（a）。由于鑄型吸熱使液態(tài)合金溫度下降，靠近型腔表面的金屬凝固形成一層外殼，見(jiàn)圖2-2（b）。溫度進(jìn)一步降低，凝固層加厚，內(nèi)部的剩余液體由于液態(tài)補(bǔ)縮和補(bǔ)充凝固層的收縮體積縮減，液面下降，鑄件內(nèi)出現(xiàn)了空隙，見(jiàn)圖2-2（c）；溫度繼續(xù)下降，外殼繼續(xù)加厚，液面不斷下降，到合金全部凝固后，則在鑄件上部形成容積較大的縮孔，見(jiàn)圖2-2（d）；冷卻到室溫時(shí)，隨著鑄件的固態(tài)收縮，鑄件外形尺寸稍有縮小，見(jiàn)圖2-2（e）。圖2-2縮孔形成過(guò)程示意圖3.縮孔和縮松的控制1）合理選擇鑄造合金鑄造生產(chǎn)中應(yīng)盡量選擇共晶成分附近的合金和結(jié)晶溫度范圍窄的合金。2）控制鑄件的凝固順序所謂順序凝固，是在鑄件可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位，通過(guò)安放冒口（為避免鑄件出現(xiàn)缺陷而附加在鑄件上方或側(cè)面的補(bǔ)充部分）等工藝措施，使鑄件上遠(yuǎn)離冒口的部位最先凝固(圖2-3中的Ⅰ區(qū))，接著是靠近冒口的部位凝固(圖2-3中的Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū))，冒口本身最后凝固。圖2-3順序凝固3）控制澆注條件應(yīng)在滿足充型能力的前提下，盡量降低澆注溫度和澆注速度，尤其是在澆注終止前盡量采用慢的澆注速度，是防止產(chǎn)生縮孔的有效措施之一。四、鑄造應(yīng)力、變形和裂紋1.鑄造應(yīng)力1）熱應(yīng)力熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚不均勻，各部分冷卻速度不同，以致在同一時(shí)期鑄件各部分收縮不一致而引起的。圖2-5熱應(yīng)力的形成過(guò)程2）機(jī)械應(yīng)力金屬冷卻到彈性狀態(tài)后，因收縮受到鑄型、型芯、澆冒口、箱擋等的機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力，稱為機(jī)械應(yīng)力。形成應(yīng)力的原因一旦消失（如鑄件落砂或去除澆冒口后），機(jī)械應(yīng)力也就隨之消失，所以機(jī)械應(yīng)力是臨時(shí)應(yīng)力，如圖2-6所示。圖2-6機(jī)械應(yīng)力3.鑄件的裂紋與防止1）熱裂熱裂的防止措施包括以下幾個(gè)方面。（1）設(shè)計(jì)合理的鑄件結(jié)構(gòu)。（2）改善鑄型和型芯的退讓性。（3）減少鑄造合金中的有害雜質(zhì)，以提高其高溫強(qiáng)度。2）冷裂鑄件凝固后在較低溫度下形成的裂紋稱為冷裂。五、合金的偏析和吸氣1.合金的偏析枝晶偏析產(chǎn)生的原因是：鑄件在凝固時(shí)，與型壁接觸部分（包括底部）的液態(tài)金屬最先凝固，于是靠近型壁部分高熔點(diǎn)的成分含量較多，而中心和上部容易集聚熔點(diǎn)較低的雜質(zhì)，其結(jié)果是在鑄件同一斷面上出現(xiàn)化學(xué)成分和性能的不一致。2.合金的吸氣在鑄造過(guò)程中，氣體被液態(tài)金屬所吸收的現(xiàn)象稱為吸氣。學(xué)習(xí)情境二砂型鑄造砂型鑄造的基本工藝流程如圖2-9所示。一、手工造型全部由手工或手動(dòng)工具完成的造型工序稱為手工造型。手工造型時(shí)，填砂、緊實(shí)和起模都用手工來(lái)完成。手工造型操作方便靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、模樣生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短，但生產(chǎn)率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、鑄件質(zhì)量不易保證。故手工造型只適用于單件或小批量生產(chǎn)。二、機(jī)器造型按緊實(shí)方式不同，機(jī)器造型可分為壓實(shí)造型、震壓造型、拋砂造型和射砂造型。三、型芯制作當(dāng)制作空心鑄件、鑄件的外壁內(nèi)凹，或鑄件具有影響起模的外凸時(shí)，經(jīng)常要用到型芯，制作型芯的工藝過(guò)程稱為制芯。學(xué)習(xí)情境三特種鑄造一、熔模鑄造1.熔模鑄造的工藝過(guò)程熔模鑄造的工藝過(guò)程如圖2-10所示。圖2-10熔模鑄造的工藝過(guò)程2.熔模鑄造的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍與普通砂型鑄造相比，熔模鑄造具有以下特點(diǎn)。（1）熔模鑄造的鑄型無(wú)分型面，不需要起模斜度，也不必另裝型芯，型腔光滑，所以鑄件精度高（IT14～I(xiàn)T11），表面粗糙度低（Ra為12.5～1.6μm），熔模鑄造是重要的無(wú)切削加工方法。（2）由于液態(tài)金屬是在鑄型處于高溫時(shí)澆注，提高了液態(tài)金屬的流動(dòng)性，故可鑄出輪廓清晰的薄壁鑄件。（3）型殼經(jīng)過(guò)硬化、焙燒后發(fā)氣性小，透氣性、退讓性和出砂性較好，鑄件廢品率低。（4）熔模鑄造可用于鑄造各種合金鑄件，包括鋁、銅等有色金屬、合金鋼及熔點(diǎn)高、難加工的特種合金等，對(duì)于耐熱合金的復(fù)雜件鑄造，熔模鑄造幾乎是唯一的生產(chǎn)方法。二、金屬型鑄造1.金屬型的結(jié)構(gòu)與材料根據(jù)分型面位置不同，金屬型可分為垂直分型式、水平分型式和復(fù)合分型式三種結(jié)構(gòu)，其中垂直分型式金屬型開(kāi)設(shè)澆注系統(tǒng)和取出鑄件比較方便，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，應(yīng)用較廣泛。圖2-11鑄造鋁合金活塞用的垂直分型式金屬型2.金屬型鑄造工藝措施1）加強(qiáng)金屬型的排氣2）在表面噴刷涂料3）預(yù)熱金屬型4）開(kāi)型3.金屬型鑄造的特點(diǎn)（1）鑄件尺寸精度高，尺寸公差等級(jí)為IT14～I(xiàn)T12，表面質(zhì)量好，表面粗糙度Ra值為12.5～6.3μm，機(jī)械加工余量小。（2）鑄件的晶粒較細(xì)，力學(xué)性能好。（3）金屬型鑄造可實(shí)現(xiàn)“一型多鑄”，提高了生產(chǎn)率，且節(jié)約造型材料。三、壓力鑄造1.壓鑄機(jī)和壓鑄工藝過(guò)程工作原理如圖2-12所示。圖2-12臥式冷壓室壓鑄機(jī)的工作原理2.壓力鑄造的特點(diǎn)及應(yīng)用（1）壓鑄件尺寸精度高，表面質(zhì)量好。（2）壓力鑄造可以壓鑄壁薄、形狀復(fù)雜以及具有很小的孔和螺紋的鑄件。（3）壓鑄件的強(qiáng)度和表面硬度較高。（4）壓力鑄造生產(chǎn)率高，可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化及自動(dòng)化生產(chǎn)。四、低壓鑄造1.低壓鑄造工藝過(guò)程低壓鑄造的工作原理如圖2-13所示。圖2-13低壓鑄造原理圖2.低壓鑄造的特點(diǎn)和應(yīng)用五、離心鑄造1.離心鑄造的類型心鑄造機(jī)的工作原理如圖2-14所示。臥式離心鑄造的鑄型繞水平軸旋轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖2-14（a），適合澆注長(zhǎng)徑比較大的各種管件；立式離心鑄造的鑄型繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖2-14（b），適合澆注各種盤、環(huán)類鑄件。圖2-14離心鑄造機(jī)工作原理示意圖2.離心鑄造的特點(diǎn)及應(yīng)用六、各種鑄造方法的比較各種鑄造方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，因此，在決定某鑄件究竟采用哪種鑄造方法時(shí)，必須結(jié)合生產(chǎn)的具體情況綜合考慮，如鑄件的形狀、大小、合金種類、生產(chǎn)批量、精度和質(zhì)量要求，以及車間現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)條件等，要進(jìn)行全面的分析比較，才能正確選擇合適的鑄造方法。學(xué)習(xí)情境四鑄造工藝設(shè)計(jì)一、鑄件澆注位置和分型面的選擇1.確定澆注位置的原則（1）鑄件的重要加工面或主要工作面應(yīng)盡可能置于鑄型的下部或側(cè)立位置，避免氣孔、砂眼、縮孔等缺陷出現(xiàn)在工作面上。（2）平板、圓盤類鑄件的大平面應(yīng)朝下，以防止產(chǎn)生氣孔、夾砂等缺陷。（3）鑄件的薄壁部分應(yīng)朝下或傾斜，以免產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。（4）鑄件的厚壁部分應(yīng)放在上面或接近分型面，以便安裝冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。2.確定分型面的原則（1）鑄件應(yīng)盡可能放在一個(gè)砂箱內(nèi)，或?qū)⒅匾庸っ婧图庸せ鶞?zhǔn)面放在同一砂箱中，以保證鑄件的尺寸精度。如圖2-20所示為管子塞頭的分型方案，根據(jù)本原則，圖2-20（b）比圖2-20（a）的方案合理。（2）應(yīng)盡量減少分型面的數(shù)量，并力求用直分型面代替特殊形狀的分型面。如圖2-21所示。（3）應(yīng)盡量減少型芯或活塊的數(shù)目，并注意降低砂箱高度。如圖2-23所示。（4）為方便下芯、合型及檢查型腔尺寸，通常把主要型芯放在下型中。如圖2-24所示。圖2-20管子塞頭的分型方案圖2-21繩輪鑄件的分型方案圖2-22起重臂鑄件的分型方案圖2-23端蓋鑄件的分型方案圖2-24機(jī)床支柱的分型方案二、工藝參數(shù)的確定1.確定機(jī)械加工余量2.確定鑄件收縮率3.確定起模斜度4.確定型芯頭的構(gòu)造5.最小鑄出孔及槽學(xué)習(xí)情境五砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、鑄造工藝對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求1）避免外部側(cè)凹鑄件在起模方向上若有側(cè)凹，必將增加分型面的數(shù)量，增加砂箱數(shù)量和造型工時(shí)，鑄件也容易產(chǎn)生錯(cuò)型，影響鑄件的外形和尺寸精度。如圖2-27（a）所示的端蓋，由于上下法蘭的存在，使鑄件產(chǎn)生側(cè)凹，鑄件具有兩個(gè)分型面，所以必須采用三箱造型，或增加環(huán)狀外型芯，造型工藝復(fù)雜。若改為如圖2-27（b）所示的結(jié)構(gòu)，取消上部法蘭，使鑄件只有一個(gè)分型面，則可采用兩箱造型，可以顯著提高造型效率。圖2-27端蓋的設(shè)計(jì)2）凸臺(tái)、肋板的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)鑄件側(cè)壁上的凸臺(tái)、肋板時(shí)，考慮到起模方便，應(yīng)盡量避免使用活塊和型芯。如圖2-28（a）、（b）所示的凸臺(tái)均妨礙起模，應(yīng)將相近的凸臺(tái)連成一片，并延長(zhǎng)到分型面。如圖2-28（c）、（d）所示凸臺(tái)就不需要活塊和型芯，便于起模。圖2-28凸臺(tái)的設(shè)計(jì)2.合理設(shè)計(jì)鑄件內(nèi)腔1）盡量避免出現(xiàn)或減少型芯如圖2-29（a）所示懸臂支架采用方形中空截面，為形成其內(nèi)腔，必須采用懸臂型芯，型芯的固定、排氣和出砂都很困難。若改為如圖2-29（b）所示工字形開(kāi)式截面，則可省去型芯。如圖2-30（a）所示結(jié)構(gòu)帶有向內(nèi)的凸緣，則必須采用型芯形成內(nèi)腔，若改為如圖2-30（b）所示的結(jié)構(gòu)，則可通過(guò)自帶型芯形成內(nèi)腔，使工藝過(guò)程大大簡(jiǎn)化。圖2-29懸臂支架2）型芯要便于固定、排氣和清理型芯在鑄型中的支承必須牢固，否則型芯會(huì)因無(wú)法承受澆注時(shí)液態(tài)金屬的沖擊而產(chǎn)生偏心缺陷，造成廢品。3）應(yīng)避免出現(xiàn)封閉空腔如圖2-32（a）所示鑄件為封閉的空腔結(jié)構(gòu)，其型芯安放困難、排氣不暢、無(wú)法清砂、結(jié)構(gòu)工藝性極差。若改為如圖2-32（b）所示結(jié)構(gòu)，則可避免上述問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。圖2-32鑄件內(nèi)腔設(shè)計(jì)方案3.分型面盡量平直分型面如果不平直，造型時(shí)必須采用挖砂造型或假箱造型，導(dǎo)致生產(chǎn)率很低。若將圖2-33（a）的杠桿鑄件改為圖2-33（b）所示的結(jié)構(gòu)，則分型面變?yōu)槠矫?，方便了制模和造型，故圖2-33（b）的分型方案更合理。圖2-33杠桿鑄件結(jié)構(gòu)的分型方案4.鑄件應(yīng)有結(jié)構(gòu)斜度鑄件垂直于分型面的非加工表面應(yīng)設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)斜度，如圖2-34（b）所示的結(jié)構(gòu)在造型時(shí)容易起模，不易損壞型腔，這樣的設(shè)計(jì)是合理的。而圖2-34（a）為無(wú)結(jié)構(gòu)斜度的不合理結(jié)構(gòu)。圖2-34鑄件的結(jié)構(gòu)斜度二、合金鑄造性對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求1.合理設(shè)計(jì)鑄件的壁厚當(dāng)鑄件壁厚不能滿足鑄件力學(xué)性能要求時(shí)，可采用加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)，而不是用單純?cè)黾颖诤竦姆椒ǎ鐖D2-35所示。圖2-35采用加強(qiáng)肋減小鑄件壁厚2.壁厚應(yīng)盡可能均勻3.鑄件壁的連接方式要合理1）鑄件壁之間的連接應(yīng)有結(jié)構(gòu)圓角2）鑄件壁厚不同的部分連接時(shí)過(guò)渡要平緩3）鑄件壁連接處應(yīng)避免集中交叉和銳角4.避免大的水平面鑄件上大的水平面不利于液態(tài)金屬的充填，易產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷；而且大的水平面上方的砂型受高溫液態(tài)金屬的烘烤容易掉砂而使鑄件產(chǎn)生夾砂等缺陷；液態(tài)金屬中氣孔、夾渣上浮滯留在上表面，產(chǎn)生氣孔、渣孔。如將圖2-39（a）所示的水平面改為如圖2-39（b）所示的斜面，則可減少或消除上述缺陷。圖2-39避免大水平面的結(jié)構(gòu)5.避免鑄件收縮受阻鑄件在澆注后的冷卻凝固過(guò)程中，若其收縮受阻，鑄件內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致變形和裂紋。因此鑄件在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使其能夠自由收縮。如圖2-40所示的輪形鑄件，輪緣和輪轂較厚，輪輻較薄，鑄件冷卻收縮時(shí)，極易產(chǎn)生熱應(yīng)力。若輪輻對(duì)稱分布，見(jiàn)圖2-40（a），雖然制作模樣和造型方便，但因收縮受阻易產(chǎn)生裂紋；若改為圖2-40（b）所示的結(jié)構(gòu)，則可利用鑄件微量變形來(lái)減少內(nèi)應(yīng)力。圖2-40輪輻的設(shè)計(jì)方案學(xué)習(xí)情境六鑄造新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)一、造型技術(shù)的發(fā)展1.氣體沖擊造型氣體沖擊造型是近年發(fā)展起來(lái)的一種新的造型工藝方法，包括空氣沖擊造型和燃?xì)鉀_擊造型兩類。2.真空實(shí)型鑄造真空實(shí)型鑄造又稱為氣化模鑄造、消失鑄造。它是采用聚苯乙烯發(fā)泡塑料模樣代替普通模樣，將刷過(guò)涂料的模樣放入可抽真空的特制砂箱內(nèi)，填干砂后，震動(dòng)緊實(shí)，抽真空，不取出模樣就澆入液態(tài)金屬，在高溫液態(tài)金屬的作用下，塑料模樣燃燒、氣化、消失，液態(tài)金屬取代原來(lái)塑料模樣所占據(jù)的空間位置，冷卻凝固后獲得所需鑄件的鑄造方法。二、快速成型鑄造技術(shù)快速成型鑄造（rapidprototypingmanufacturing，RPM）技術(shù)也稱為快速原型鑄造技術(shù)，是以分層合成工藝為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)快速立體模型制造系統(tǒng)。快速成型鑄造技術(shù)集現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)以及新型材料于一體，突破了傳統(tǒng)的加工模式，可以自動(dòng)、快速地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零件，從而對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評(píng)價(jià)、修改。目前，正在應(yīng)用與開(kāi)發(fā)的快速成型鑄造技術(shù)有激光立體光刻技術(shù)、激光粉末選區(qū)燒結(jié)成型技術(shù)、熔絲沉積成型技術(shù)、疊層輪廓制造技術(shù)等多種工藝方法。各種工藝方法原理相同，只是技術(shù)有所差別。（1）激光立體光刻技術(shù)（SLA）。采用SLA成型方法生產(chǎn)金屬零件的最佳技術(shù)路線為SLA原型（零件型）—熔模鑄造—鑄件。SLA主要用于生產(chǎn)中等復(fù)雜程度的中小型鑄件。（2）激光粉末選區(qū)燒結(jié)成型技術(shù)（SLS）。采用SLS成型方法生產(chǎn)金屬零件的最佳技術(shù)路線為SLS原型（陶瓷型）—鑄件或SLS原型（零件型）—熔模鑄造—鑄件。SLS主要用于生產(chǎn)中小型復(fù)雜鑄件。（3）熔絲沉積成型技術(shù)（FDM）。采用FDM成型方法生產(chǎn)金屬零件的最佳技術(shù)路線為FDM原型（零件型）—熔模鑄造—鑄件。FDM主要用于生產(chǎn)中等復(fù)雜程度的中小型鑄件。三、計(jì)算機(jī)在鑄造中的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)也在鑄造生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在鑄造工藝設(shè)計(jì)方面，計(jì)算機(jī)可模擬液態(tài)金屬的流動(dòng)性和收縮性，預(yù)測(cè)與鑄件溫度直接相關(guān)的鑄件的宏觀缺陷，如縮孔、縮松、熱裂紋、偏析等；可進(jìn)行鑄造工藝參數(shù)的計(jì)算；可繪制鑄造工藝圖、木模圖、鑄件圖；還可用于生產(chǎn)控制。近年來(lái)應(yīng)用的鑄造工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)協(xié)助生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)者分析鑄造方法、優(yōu)化鑄造工藝、估算鑄造成本、確定設(shè)計(jì)方案并繪制鑄造圖等，將計(jì)算機(jī)的快速性、準(zhǔn)確性與設(shè)計(jì)者的思維、綜合分析能力結(jié)合起來(lái)，從而極大地提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和速度。明確任務(wù)，在任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下學(xué)習(xí)。思考合金流動(dòng)性好壞產(chǎn)生的影響。學(xué)生分組討論影響鑄件凝固和收縮的化學(xué)成分。結(jié)合示意圖，講解縮孔形成過(guò)程。結(jié)合示意圖講解熱應(yīng)力的形成過(guò)程。理解機(jī)械應(yīng)力是臨時(shí)應(yīng)力的原因。學(xué)生分組討論防止冷裂的措施，教師總結(jié)。思考手工造型、機(jī)器造型、型芯制作的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。根據(jù)圖片講解熔模鑄造的工藝過(guò)程。結(jié)合實(shí)際情況，學(xué)生分組討論熔模鑄造的應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合金屬型鑄造的特點(diǎn)，學(xué)生分組討論金屬型鑄造在實(shí)際中的應(yīng)用。結(jié)合壓力鑄造的特點(diǎn)，學(xué)生分組討論壓力鑄造在實(shí)際中的應(yīng)用。教師講解低壓鑄造工藝過(guò)程，學(xué)生根據(jù)工藝過(guò)程思考其特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，教師總結(jié)。結(jié)合圖片講解確定分型面的原則。結(jié)合圖片講解鑄造工藝對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。學(xué)生分組討論圖2-29所示合理及不合理的情況，總結(jié)原因。學(xué)生分組討論圖2-32所示合理及不合理的情況，總結(jié)原因。學(xué)生分組討論圖2-34所示合理及不合理的情況，總結(jié)原因。學(xué)生分組討論圖2-35所示合理及不合理的情況，總結(jié)原因。學(xué)生分組討論氣體沖擊造型的優(yōu)缺點(diǎn)，教師總結(jié)。了解計(jì)算機(jī)在鑄造中的應(yīng)用。教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：掌握塑性成形的定義及種類；掌握塑性成形的理論基礎(chǔ)；熟悉自由鍛的工藝過(guò)程及常見(jiàn)自由鍛工序，自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性；熟悉模鍛的特點(diǎn)、鍛模的結(jié)構(gòu)及模鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性；熟悉沖壓的基本工序、沖模的結(jié)構(gòu)及沖壓件的結(jié)構(gòu)工藝性；了解塑性成形新工藝。能力目標(biāo)：根據(jù)自由鍛件的形狀特點(diǎn)，確定自由鍛的工序；根據(jù)零件圖，制定冷鍛件圖和熱鍛件圖；根據(jù)沖裁件的形狀特點(diǎn)、生產(chǎn)要求，確定排樣圖和沖裁工序。素質(zhì)目標(biāo)：教學(xué)重點(diǎn)自由鍛的工藝過(guò)程及常見(jiàn)自由鍛工序教學(xué)難點(diǎn)自由鍛的工藝過(guò)程教學(xué)手段理實(shí)一體實(shí)物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時(shí)16教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)注釋模塊三塑性成形〖任務(wù)描述〗曲軸是機(jī)械裝置里常見(jiàn)的零件，它和滑塊、連桿一起構(gòu)成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)能對(duì)運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的曲軸主要用在曲柄壓力機(jī)中，將往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的曲軸主要用在發(fā)動(dòng)機(jī)中。本模塊主要介紹用何種方法提供曲軸的毛坯，從而進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)加工得到最終的符合要求的零件?！既蝿?wù)分析〗曲軸形狀較復(fù)雜，在工作過(guò)程中受力情況也比較復(fù)雜，既承受彎矩，又承受扭矩，并且是周期性的交變載荷。這就要求曲軸有非常好的綜合力學(xué)性能才能滿足使用性能的要求，通常對(duì)力學(xué)性能要求高的零件都通過(guò)鍛造的方法提供毛坯，并且由于曲軸形狀復(fù)雜，故通常選擇模鍛的方法提供曲軸的毛坯?！枷嚓P(guān)知識(shí)〗學(xué)習(xí)情境一塑性成形理論基礎(chǔ)一、金屬的冷變形金屬冷變形的重要特點(diǎn)之一是加工硬化。加工硬化的結(jié)果是使金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性降低。冷變形時(shí)低碳鋼的力學(xué)性能與變形程度的關(guān)系如圖3-1所示。圖3-1冷變形時(shí)低碳鋼的力學(xué)性能與變形程度的關(guān)系1.加工硬化從試驗(yàn)觀察得知，金屬由于塑性變形，滑移面的晶格產(chǎn)生強(qiáng)烈的晶格歪扭和晶粒變形甚至破碎，增大了滑移阻力，使得滑移難以繼續(xù)進(jìn)行下去，在力學(xué)性能上表現(xiàn)為強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性下降。這種隨變形程度增大，變形金屬的強(qiáng)度、硬度上升，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。2.回復(fù)與再結(jié)晶當(dāng)加熱溫度不高時(shí)，內(nèi)應(yīng)力有明顯下降，而顯微組織無(wú)明顯變化，此時(shí)各種性能有不同程度的恢復(fù)，此過(guò)程稱為回復(fù)。當(dāng)加熱溫度繼續(xù)升高時(shí)，破碎拉長(zhǎng)的晶粒通過(guò)重新結(jié)晶變成細(xì)而均勻的粒狀晶粒，性能得以恢復(fù)，加工硬化消除，塑性提高，此過(guò)程稱為再結(jié)晶。二、金屬的熱變形主要表現(xiàn)如下。（1）熱變形可以消除鑄錠中的某些缺陷，如使氣孔、縮松等被壓合，組織致密度得到改善。（2）熱變形可使鑄態(tài)金屬中的粗大枝晶和柱狀晶破碎，使晶粒細(xì)化，力學(xué)性能得以提高。（3）熱變形時(shí)，金屬中的夾雜物一般難以發(fā)生再結(jié)晶，因此，變形后仍沿著金屬變形的方向拉長(zhǎng)（或壓扁），形成熱變形纖維組織。熱變形纖維組織在宏觀檢驗(yàn)時(shí)稱為流線，變形程度越大，纖維組織越明顯。三、金屬的可鍛性1.化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)1）化學(xué)成分不同化學(xué)成分的金屬其可鍛性不同，純金屬的可鍛性優(yōu)于合金，低碳鋼的可鍛性優(yōu)于中碳鋼和高碳鋼，碳鋼的可鍛性優(yōu)于合金鋼。為什么在鋼中低碳鋼的可鍛性最好？2）組織結(jié)構(gòu)金屬內(nèi)部的組織不同，其可鍛性有很大差別。純金屬及單相固溶體的合金具有良好的塑性，其可鍛性較好；鋼中有碳化物和多相組織時(shí)，可鍛性變差；具有均勻細(xì)小等軸晶粒的金屬的可鍛性比晶粒粗大的鑄態(tài)柱狀晶組織好；鋼中有網(wǎng)狀二次滲碳體時(shí)，鋼的塑性將大大下降。2.加工條件1）變形溫度如圖3-4所示為碳鋼的鍛造溫度范圍。2）變形速度如圖3-5所示為變形速度對(duì)金屬可鍛性的影響圖3-4碳鋼的鍛造溫度范圍圖3-5變形速度對(duì)金屬可鍛性的影響3.應(yīng)力狀態(tài)用不同的鍛造方法使金屬變形時(shí)，其內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力大小和應(yīng)力性質(zhì)（拉或壓）是不同的。甚至在同一變形方式下，金屬內(nèi)部不同部位的應(yīng)力狀態(tài)也可能是不同的。如圖3-6所示，擠壓時(shí)坯料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)為三向受壓；拉拔時(shí)徑向受壓，軸向受拉；鐓粗時(shí)，坯料內(nèi)部存在三向壓應(yīng)力，而側(cè)表面層水平方向的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。圖3-6金屬變形時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)學(xué)習(xí)情境二塑性成形方法一、自由鍛1.自由鍛的工序1）基本工序基本工序是使金屬坯料實(shí)現(xiàn)變形的主要工序，主要有以下幾個(gè)工序。（1）鐓粗。鐓粗是使坯料高度減小、橫截面積增大的工序。（2）拔長(zhǎng)。拔長(zhǎng)是使坯料橫截面積減小、長(zhǎng)度增大的工序。（3）沖孔。沖孔是使坯料具有通孔或不通孔的工序。（4）彎曲。彎曲是使坯料軸線產(chǎn)生一定曲率的工序。（5）扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)是使坯料的一部分相對(duì)于另一部分繞其軸線旋轉(zhuǎn)一定角度的工序。（6）錯(cuò)移。錯(cuò)移是使坯料的一部分相對(duì)于另一部分平移錯(cuò)開(kāi)的工序。（7）切割。切割是分割坯料或去除鍛件余量的工序。2）輔助工序輔助工序是指進(jìn)行基本工序之前的預(yù)變形工序，如壓鉗口、倒棱、壓肩等。3）精整工序精整工序是修整鍛件的最后形狀與尺寸，消除表面的不平整，從而使鍛件達(dá)到要求的工序，主要有修整、校直、平整端面等。2.自由鍛的特點(diǎn)及應(yīng)用（1）自由鍛工藝靈活，工具簡(jiǎn)單，設(shè)備和工具的通用性強(qiáng)，成本低。（2）自由鍛應(yīng)用范圍較為廣泛，可鍛造的鍛件質(zhì)量為1~300000kg。在重型機(jī)械中，自由鍛是生產(chǎn)大型和特大型鍛件的唯一成形方法。（3）自由鍛件精度較低，加工余量較大，生產(chǎn)率低，故一般只適合于單件小批量生產(chǎn)。3.自由鍛的工藝規(guī)程1）鍛件圖鍛件圖是工藝規(guī)程的核心部分，它是以零件圖為基礎(chǔ)，結(jié)合自由鍛造工藝特點(diǎn)繪制而成的。2）計(jì)算坯料質(zhì)量及尺寸坯料的質(zhì)量可按下式計(jì)算m坯料＝m鍛件+m燒損+m料頭（3-1）式中，m坯料為坯料質(zhì)量（kg）；m鍛件為鍛件質(zhì)量（kg）；m燒損為加熱時(shí)坯料表面因氧化而燒損的質(zhì)量（kg），第一次加熱取被加熱金屬質(zhì)量的2%～3%，以后各次加熱m燒損均取被加熱金屬質(zhì)量的1.5%～2%；m料頭為在鍛造過(guò)程中，沖掉或被切掉的那部分金屬的質(zhì)量（kg）。3）確定變形工序確定變形工序的依據(jù)是鍛件的形狀、尺寸、技術(shù)要求、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)條件等。4.自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性二、模鍛錘上模鍛所用設(shè)備為模鍛錘，模鍛錘產(chǎn)生的沖擊力使金屬變形，圖3-8為一般常用的蒸汽—空氣模鍛錘的示意圖，它的砧座3比相同噸位自由鍛錘的砧座增大約1倍，并與錘身2連成一個(gè)剛性整體，錘頭7與導(dǎo)軌之間的配合也比自由鍛精密，因錘頭的運(yùn)動(dòng)精度較高，使上模6與下模5在錘擊時(shí)對(duì)位準(zhǔn)確。圖3-8蒸汽-空氣模鍛錘1）鍛模結(jié)構(gòu)錘上模鍛生產(chǎn)所用的鍛模如圖3-9所示。圖3-9錘上模鍛鍛模示意圖2）模膛的類型根據(jù)模膛作用的不同，模膛可分為制坯模膛和模鍛模膛兩種。（1）制坯膜膛。常見(jiàn)的制坯模膛有以下幾種，如圖3-10所示。圖3-10常見(jiàn)的制坯模膛（2）模鍛模膛。由于金屬在模鍛模膛中發(fā)生整體變形，故作用在鍛模上的抗力較大。模鍛模膛又分為終鍛模膛和預(yù)鍛模膛兩種。3）模鍛件圖的制定（1）確定分模面。（2）確定加工余量和鍛造公差。（3）模鍛斜度。（4）模鍛圓角半徑。（5）沖孔連皮。如圖3-14所示。圖3-14分模面的選擇比較示意圖4）模鍛工序的確定（1）長(zhǎng)軸類鍛件。長(zhǎng)軸類鍛件有曲軸、連桿、臺(tái)階軸等，如圖3-17所示。（2）盤類鍛件。盤類鍛件是指在分模面上的投影為圓形或長(zhǎng)度接近寬度的鍛件，如齒輪、法蘭盤等，如圖3-18所示。圖3-17長(zhǎng)軸類鍛件圖3-18盤類鍛件5）模鍛件的精整提高模鍛件成形后精度和表面質(zhì)量的工序稱為精整，包括切邊、沖孔連皮、校正等。6）模鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性（1）必須具有一個(gè)合理的分模面。（2）考慮模鍛斜度和圓角，模鍛件上與分模面垂直的非加工表面應(yīng)設(shè)計(jì)出模鍛斜度。（3）只有與其他機(jī)件配合的表面才須進(jìn)行機(jī)械加工，由于模鍛件尺寸精度較高和表面粗糙度值低，因此，在零件上其他表面均應(yīng)設(shè)計(jì)為非加工表面。（4）模鍛件外形應(yīng)力求簡(jiǎn)單、平直和對(duì)稱，為了使金屬容易充滿模膛而減少工序，應(yīng)盡量避免模鍛件截面間差別過(guò)大，或具有薄壁、高筋、高臺(tái)等結(jié)構(gòu)。如圖3-19所示。圖3-19結(jié)構(gòu)不合理的模鍛件（5）模鍛件應(yīng)避免深孔或多孔結(jié)構(gòu)，以便于模具制造和延長(zhǎng)模具使用壽命。如圖3-20所示。圖3-20多孔齒輪（6）對(duì)復(fù)雜鍛件，為減少余塊、簡(jiǎn)化模鍛工藝，在可能條件下，應(yīng)盡量采用鍛—焊或鍛—機(jī)械連接組合工藝。2.其他設(shè)備模鍛1）曲柄壓力機(jī)上模鍛曲柄壓力機(jī)上模鍛的特點(diǎn)如下。（1）曲柄壓力機(jī)上模鍛工作時(shí)無(wú)振動(dòng)，噪聲小。它作用于金屬上的變形力是靜壓力，且變形力由機(jī)架本身承受，不傳給地基。（2）曲柄壓力機(jī)上模鍛的滑塊行程固定。每個(gè)變形工序在滑塊的一次行程中即可完成。（3）曲柄壓力機(jī)上模鍛精度高、生產(chǎn)率高。曲柄壓力機(jī)具有良好的導(dǎo)向裝置和自動(dòng)頂件機(jī)構(gòu)，鍛件的余量、公差和模鍛斜度都比錘上模鍛的小，且生產(chǎn)率高。（4）曲柄壓力機(jī)上模鍛使用鑲塊式模具。這類模具制造簡(jiǎn)單，更換容易，節(jié)省貴重的模具材料。如圖3-22所示。圖3-22曲柄壓力機(jī)所用鍛模（5）曲柄壓力機(jī)價(jià)格高，因而這種模鍛方法只適用于大批量生產(chǎn)條件下鍛制中、小型鍛件。2）摩擦壓力機(jī)上模鍛摩擦壓力機(jī)的傳動(dòng)原理如圖3-23所示。圖3-23摩擦壓力機(jī)的傳動(dòng)原理3）胎模鍛在自由鍛設(shè)備上使用可移動(dòng)模具生產(chǎn)模鍛件的鍛造方法稱為胎模鍛。它是一種介于自由鍛和模鍛之間的鍛造方法。4）平鍛機(jī)上模鍛平鍛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與曲柄壓力機(jī)相同，因滑塊是水平方向運(yùn)動(dòng)的，故稱為平鍛機(jī)。如圖3-25所示為平鍛機(jī)傳動(dòng)圖。圖3-25平鍛機(jī)傳動(dòng)圖圖3-27所示為平鍛機(jī)上模鍛過(guò)程。圖3-27平鍛機(jī)上的模鍛過(guò)程三、板料沖壓板料沖壓與其他加工方法相比具有以下特點(diǎn)。（1）板料沖壓所用原材料必須有足夠的塑性，如低碳鋼、高塑性的合金鋼、不銹鋼和銅、鋁、鎂及其合金等。（2）板料沖壓件尺寸精度高，表面光潔，質(zhì)量穩(wěn)定，互換性好，一般不需進(jìn)行機(jī)械加工，可直接裝配使用。（3）板料沖壓可加工形狀復(fù)雜的薄壁零件。（4）板料沖壓生產(chǎn)率高，操作簡(jiǎn)便，成本低，工藝過(guò)程易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。（5）板料沖壓可利用塑性變形的加工硬化提高零件的力學(xué)性能，在材料消耗少的情況下獲得強(qiáng)度高、剛度大、質(zhì)量好的零件。1.沖壓設(shè)備1）剪床圖3-28剪床2）沖床圖3-29可傾斜式開(kāi)式?jīng)_床外形和傳動(dòng)示意圖2.沖裁1）變形與斷裂分離過(guò)程沖裁使板料變形與分離的過(guò)程如圖3-30所示。圖3-30沖裁變形過(guò)程2）沖裁間隙沖裁間隙不僅嚴(yán)重影響沖裁件的斷面質(zhì)量，也影響模具使用壽命。當(dāng)沖裁間隙合理時(shí)，上下剪裂紋會(huì)基本重合，獲得的沖裁件斷面較光潔，毛刺最??；沖裁間隙過(guò)小，上下剪裂紋比正常間隙時(shí)向外錯(cuò)開(kāi)一段距離，在沖裁件斷面會(huì)形成毛刺和夾層；沖裁間隙過(guò)大，材料中拉應(yīng)力增大，塑性變形階段過(guò)早結(jié)束，剪裂紋向里錯(cuò)開(kāi)，光亮帶小，毛刺和剪裂帶均較大。沖裁間隙的大小一般為板料厚度的3%~8%。3）刃口尺寸凸模和凹模刃口的尺寸取決于沖裁件尺寸和沖裁間隙。4）沖裁力沖裁力是選用沖床噸位和校驗(yàn)?zāi)＞邚?qiáng)度的重要依據(jù)。平刃沖模的沖裁力的計(jì)算公式為F=KLtτ式中，F(xiàn)為沖裁力(N)；L為沖裁件周邊長(zhǎng)度（m）；t為板料厚度（m）；τ為材料抗剪強(qiáng)度（MPa）；K為系數(shù)，一般取1.3。5）排樣排樣是指落料件在板料上進(jìn)行合理布置的方法，排樣可以提高材料利用率。落料件的排樣有兩種，即無(wú)搭邊排樣和有搭邊排樣，如圖3-31所示。圖3-31有搭邊和無(wú)搭邊排樣6）修整修整是利用修整模沿沖裁件外緣或內(nèi)孔刮削一層薄層金屬，以切掉沖裁件上的剪裂帶和毛刺。修整的機(jī)理與切削加工相似。對(duì)于大間隙沖裁件，單邊修整量一般為板料厚度的10%；對(duì)于小間隙沖裁件，單邊修整量在板料厚度的8%以下。3.拉深拉深是利用模具沖壓坯料使平板沖裁坯料變形成開(kāi)口空心零件的工序，也稱為拉延，如圖3-32所示。圖3-32拉深過(guò)程示意圖1）拉深系數(shù)拉深件直徑d與坯料直徑D的比值稱為拉深系數(shù)，用m表示。拉深系數(shù)是衡量拉深變形程度的指標(biāo)。拉深系數(shù)越小，表明拉深件直徑越小，變形程度越大，坯料越難被拉入凹模，易產(chǎn)生拉穿而成為廢品。2）拉深缺陷及預(yù)防措施4.彎曲彎曲是利用模具或其他工具將坯料一部分相對(duì)另一部分彎曲成一定的角度和圓弧的變形工序。彎曲過(guò)程及典型彎曲件如圖3-33所示。圖3-33彎曲過(guò)程及典型彎曲件彎曲過(guò)程中須注意以下幾個(gè)問(wèn)題。（1）考慮彎曲的最小半徑rmin。彎曲半徑越小，其變形程度越大。為防止材料彎裂，應(yīng)使rmin不小于板料厚度的25%，材料塑性好，相對(duì)彎曲半徑可小些。（2）考慮材料的纖維方向。彎曲時(shí)應(yīng)盡可能使彎曲線與坯料纖維方向垂直，使彎曲時(shí)的拉應(yīng)力方向與纖維方向一致，如圖3-34所示。（3）考慮回彈現(xiàn)象。圖3-34彎曲線方向5.板料沖壓件的結(jié)構(gòu)工藝性1）沖壓件的幾何形狀2）沖壓件的尺寸3）沖壓件的精度和表面質(zhì)量6.沖模1）簡(jiǎn)單沖模在沖床的一次沖程中只完成一道工序的沖模稱為簡(jiǎn)單沖模，如圖3-35所示，它適用于小批量生產(chǎn)。圖3-35簡(jiǎn)單沖模2）復(fù)合沖模在沖床的一次沖程中，在模具的同一部位上同時(shí)完成數(shù)道沖壓工序的模具稱為復(fù)合沖模。如圖3-36所示。圖3-36落料及拉深復(fù)合沖模3）連續(xù)沖模連續(xù)沖模實(shí)際上是把兩個(gè)以上的簡(jiǎn)單沖模安裝在一塊模板上，如圖3-37所示，以便在一次沖壓中連續(xù)完成兩個(gè)以上的基本工序。圖3-37連續(xù)沖模學(xué)習(xí)情境三其他塑性成形工藝及發(fā)展趨勢(shì)一、精密模鍛保證精密模鍛件質(zhì)量的主要措施如下。（1）精確計(jì)算原始坯料的尺寸，否則會(huì)增大鍛件尺寸公差，降低精度。（2）精鍛模膛的精度必須比鍛件精度高兩級(jí)，精鍛模應(yīng)有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，以保證合模準(zhǔn)確。（3）精密模鍛應(yīng)采用無(wú)氧化或少氧化加熱法，盡量減少坯料表面形成的氧化皮。（4）仔細(xì)清理坯料表面，除凈坯料表面的氧化皮、脫碳層及其他缺陷等。（5）模鍛過(guò)程中要很好地冷卻鍛模和進(jìn)行潤(rùn)滑。二、擠壓擠壓是使坯料在擠壓模內(nèi)受壓被擠出?？锥冃蔚募庸し椒?。1.擠壓的分類1）按金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向的不同分類按金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向的不同，擠壓可分為正擠壓、反擠壓、復(fù)合擠壓和徑向擠壓，如圖3-38所示。圖3-38擠壓成形2）按金屬坯料變形溫度的不同分類按金屬坯料變形溫度的不同，擠壓可分為冷擠壓、熱擠壓和溫?cái)D壓。2.擠壓工藝特點(diǎn)（1）擠壓時(shí)金屬坯料處于三向受壓狀態(tài)，可提高金屬坯料的塑性，擴(kuò)大金屬材料的塑性加工范圍。（2）擠壓可制出形狀復(fù)雜、深孔、薄壁和異型斷面的零件。（3）擠壓件的精度高，表面粗糙度值小。（4）擠壓變形后，零件內(nèi)部的纖維組織基本上是沿零件外形分布而不被切斷，從而提高了零件的力學(xué)性能。（5）擠壓材料利用率可達(dá)70%，生產(chǎn)率比其他鍛造方法提高幾倍。（6）擠壓是在專用擠壓機(jī)（有液壓式、曲軸式、肘桿式等）上進(jìn)行的，也可在適當(dāng)改造后的通用曲柄壓力機(jī)或摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行。三、超塑成形利用金屬的超塑性成形的方法稱為超塑成形。目前常用的超塑性成形材料主要是鋅鋁合金、鋁基合金及高溫合金等。金屬超塑性成形是一項(xiàng)新工藝，具有以下特點(diǎn)。（1）超塑成形材料塑性高，可比一般塑性成形提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。（2）超塑成形材料變形抗力小，通常只有常規(guī)塑性成形的1/5左右。（3）超塑成形材料尺寸穩(wěn)定。（4）對(duì)于復(fù)雜形狀的零件，超塑成形材料可以一次成形，表面粗糙度值低及尺寸精度高，特別是對(duì)難變形的合金尤為有效。（5）超塑成形生產(chǎn)率低，需要耐高溫的模具材料及專用加熱裝置，因而只有在一定范圍內(nèi)使用才是經(jīng)濟(jì)的。四、塑性加工的發(fā)展趨勢(shì)1.先進(jìn)成形技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用1）發(fā)展省力成形工藝2）提高成形精度3）復(fù)合工藝和組合工藝2.計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用1）塑性成形過(guò)程的數(shù)值模擬2）CAD/CAE/CAM的應(yīng)用3）增強(qiáng)成形柔度3.實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品—工藝—材料的一體化4.配套技術(shù)的發(fā)展1）模具生產(chǎn)技術(shù)2）坯料加熱方法〖拓展訓(xùn)練〗如圖3-39所示的零件，材料為08鋼，厚度t=1mm，大批量生產(chǎn)。試確定拉深工藝，設(shè)計(jì)拉深模。圖3-39拉深零件圖明確任務(wù)，在任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下學(xué)習(xí)。思考加工硬化現(xiàn)象在生產(chǎn)中具有的實(shí)際意義。思考為什么再鋼中低碳鋼的可鍛性最好。結(jié)合圖3-4討論變形溫度對(duì)金屬可鍛性的影響。結(jié)合圖3-5討論變形速度對(duì)金屬可鍛性的影響。教師講解自由鍛的特點(diǎn)，學(xué)生分組討論其在實(shí)際生活中的應(yīng)用。教師講解自由鍛的工藝規(guī)程。學(xué)生分組討論制坯模膛和模鍛模膛的異同點(diǎn)及在實(shí)際生活中的應(yīng)用。結(jié)合圖3-14，討論確定分模面的基本原則。結(jié)合模鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性要求，學(xué)生分組套路圖3-19結(jié)構(gòu)不合理的原因。教師講解摩擦壓力機(jī)的傳動(dòng)原理，學(xué)生結(jié)合原理思考摩擦壓力機(jī)上模鍛的特點(diǎn)。學(xué)生分組討論胎模鍛與自由鍛的異同點(diǎn)。學(xué)生分組討論日常生活中接觸到的哪些物品是用沖壓的方法生產(chǎn)的。結(jié)合實(shí)物認(rèn)識(shí)剪床和沖床，掌握兩者的傳動(dòng)原理。學(xué)生分組討論防止拉深時(shí)起皺和拉裂的措施。學(xué)生分組討論彎曲過(guò)程中須注意的問(wèn)題，教師總結(jié)。結(jié)合圖片講解簡(jiǎn)單沖模、復(fù)合沖模及連續(xù)沖模。學(xué)生分組討論精密模鍛在實(shí)際生活中的應(yīng)用。掌握擠壓的分類。掌握超塑成形的特點(diǎn)，分組討論其在實(shí)際生活中的應(yīng)用。教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：掌握焊接的基本概念及種類；熟悉焊接成形的理論基礎(chǔ)，重點(diǎn)是焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因及控制措施；熟悉焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、接頭的設(shè)計(jì)原則；了解焊接成形新工藝。能力目標(biāo)：根據(jù)焊接件的要求與特點(diǎn)選擇合適的焊接方法；根據(jù)零件的形狀及性能要求，進(jìn)行合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；選擇合理的接頭、坡口形式。素質(zhì)目標(biāo)：教學(xué)重點(diǎn)焊接方法的選擇教學(xué)難點(diǎn)常用焊接方法的特點(diǎn)教學(xué)手段理實(shí)一體實(shí)物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時(shí)8教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)注釋模塊四焊接成形〖任務(wù)描述〗三峽水利工程受到世人的廣泛關(guān)注，其水電站的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑10.7m，高5.4m，質(zhì)量達(dá)440t，是目前世界上最大、最重的不銹鋼焊接轉(zhuǎn)輪。如此龐大的工程又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？〖任務(wù)分析〗焊接生產(chǎn)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是可以以小拼大，三峽水電站的水輪機(jī)就是一個(gè)典型的例子。三峽水電站的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪分別由上冠、下環(huán)和多個(gè)葉片焊接而成。而焊接方法多種多樣，這就要求掌握常用焊接方法的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍?！枷嚓P(guān)知識(shí)〗學(xué)習(xí)情境一焊接成形理論基礎(chǔ)一、熔焊的冶金特點(diǎn)（1）焊接熱源和金屬熔池的溫度高，因而使金屬元素強(qiáng)烈蒸發(fā)、燒損，并使焊接熱源高溫區(qū)的氣體分解為原子狀態(tài)，提高了氣體的活潑性，使得發(fā)生的物理、化學(xué)反應(yīng)更加激烈。（2）金屬熔池的體積小，冷卻速度快，熔池處于液態(tài)的時(shí)間很短（以秒計(jì)），致使某種化學(xué)反應(yīng)難以達(dá)到平衡狀態(tài)，造成焊縫化學(xué)成分不夠均勻。有時(shí)金屬熔池中的氣體及雜質(zhì)來(lái)不及逸出，在焊縫中會(huì)產(chǎn)生氣孔及其他缺陷。二、焊接接頭金屬組織與性能的變化 1.焊縫的組織與性能焊縫是由熔池金屬結(jié)晶而成的，結(jié)晶首先從熔池底壁開(kāi)始，沿垂直于熔池和母材的交界線向熔池中心長(zhǎng)大，形成柱狀晶，如圖4-1所示。圖4-1焊縫的柱狀晶示意圖2.熔合區(qū)和熱影響區(qū)的組織與性能1）熔合區(qū)熔合區(qū)是焊縫與基體金屬的交界區(qū)，也稱為半熔化區(qū)。2)熱影響區(qū)熱影響區(qū)是指在焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫兩側(cè)因焊接熱而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。低碳鋼的焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)組織變化如圖4-2所示。由于各點(diǎn)溫度不同，組織和性能變化特征也不同，其熱影響區(qū)一般包括過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)。圖4-2低碳鋼焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)組織變化示意圖3.影響焊接接頭性能的主要因素影響焊接接頭組織和性能的因素有焊接材料、焊接方法、焊接工藝參數(shù)、焊接接頭形式和坡口等。三、焊接應(yīng)力與變形1.焊接應(yīng)力形成的原因和變形形式常見(jiàn)的焊接變形的基本形式有橫向和縱向收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形和波浪變形共五種，如圖4-3所示。圖4-3焊接變形的基本形式2.減小和消除應(yīng)力的措施1）合理選擇焊接順序合理選擇焊接順序，盡量使焊縫能較自由地收縮，減少殘余應(yīng)力，如圖4-4所示。圖4-4焊接順序?qū)附討?yīng)力的影響2）使用錘擊法3）使用預(yù)熱法4）進(jìn)行熱處理3.變形的預(yù)防與矯正1）預(yù)防焊接變形的方法（1）反變形法。反變形法是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)組焊時(shí)，先使工件進(jìn)行一定的反向變形，以抵消焊接變形，如圖4-5所示。（2）剛性固定法。剛度大的結(jié)構(gòu)焊后變形一般較小，當(dāng)構(gòu)件的剛度較小時(shí)，利用外加剛性拘束以減小焊接變形的方法稱為剛性固定法，如圖4-6所示。（3）選擇合理的焊接方法。選用能量比較集中的焊接方法，如采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、等離子弧焊代替氣焊和焊條電弧焊，以減小薄板的焊接變形。（4）選擇合理的裝配焊接順序。如圖4-7所示。圖4-5反變形法圖4-6剛性固定法圖4-7預(yù)防焊接變形的焊接順序2）矯正焊接變形的措施矯正焊接變形的方法主要有機(jī)械矯正法和火焰矯正法兩種。如圖4-8、4-9所示。圖4-8機(jī)械矯正法示意圖圖4-9火焰矯正法示意圖學(xué)習(xí)情境二常用焊接方法焊接的種類很多，按照焊接過(guò)程的特點(diǎn)，焊接可分為熔焊、壓焊和釬焊。焊條電弧焊焊條電弧焊焊接過(guò)程示意圖如圖4-10所示。圖4-10焊條電弧焊焊接過(guò)程示意圖1.焊接電弧1）焊接電弧的產(chǎn)生焊接電弧產(chǎn)生的過(guò)程是先將焊條與工件相接觸，瞬間有強(qiáng)大的電流流經(jīng)焊條與焊件接觸點(diǎn)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電阻熱，并將焊條與工件表面加熱到熔化，甚至蒸發(fā)、汽化。電弧引燃后，弧柱中充滿了高溫電離氣體，放出大量的熱和光。2