工程材料及工艺教案.doc

.造型工程材料及工艺教案赵越超机械工程学院2006.6第一次课：1教学内容了解产品造型设计与材料的关系。2讲授重点及要求：了解和掌握。3时间安排：小节10分钟。第一章 概 论第一节 产品造型设计与材料一、材料与造型 材料:人们思想意识之外的所有物质,为人类制造有用器材的物质。 分为石器时代;铜器时代;铁器时代;人工合成材料新时代.二、造型材料的种类及性能(一)造型材料分类1.按结合键性质分：（1）金属材料(以金属键为基)； （2）陶瓷材料(离子键为主,存在一定成分共价键)；（3）高分子材料(大分子为共价键,大分子间物理键)；（4）复合材料(结合键复杂)。 2.按用途分类：结构材料 ；功能材料。 3.按构造分：晶体材料；非晶体材料 ；混合材料。 4.按组合分类：单一材料；复合材料。（二）材料的基本性能：(1)参量：性能须量化。例如冲击韧性的单位是KJ/cm ， 即单位面积消耗的功。(2)外界条件：不同外界条件会得到相同的性能。 例如:强度，高温，抗力，屈服，反复交变载荷，化学介质。再例如含锌30%的黄铜,在室温下抗拉强度是313MPa.。1.金属材料的性能包括：使用性能：力学性能(强度,弹性,塑性,韧性,硬度,疲劳强度)：物理性能；化学性能。工艺性能：切削加工性；铸造，焊接，可锻性. .。（1）金属材料的力学性能主要有强度,弹性,塑性,韧性,硬度,疲劳强度1） 强度：材料在静载荷条件下抵抗外力产生塑变和破坏的能力。 通过拉伸试验来测其屈服强度和抗拉强度。 s= Ps/Fo(MPa) b=Pb/Fo 0.2 =P0.2 /Fo -抗压强度; =抗弯强度2） 弹性：在外力作用下产生变形，外力消失变形恢复变形。变形与外力成正比。 e =Pe /Fo (MPa) 弹性模量：承受外力抵抗弹性变形的能力。 E=/ 相对变形量 。E越大，刚性越好 3） 塑性：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。 断面收缩率：=(Fo Fk )/Fo100% 延伸率： =(LkLo)/Lo100 % 常用的规定尺寸L=5d , 10d。4） 硬度：材料抵抗塑性变形和断裂的能力。抵抗其他物体（压头）压入的能力。按实验方法不同分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度。工程上常用布氏硬度和洛氏硬度。 布氏硬度 HB=Po/F凹 ，压头淬火钢球直径Do=2.5 或 5 或10。 简单,准确。适于软金属。洛氏硬度 HRA 120金刚石压头，载荷为60kg，适用于 硬金属，硬质合金。 HRB =1.588淬火钢球，载荷为 100kg，适用于相对软金属。 HRC 120金刚石压头，载荷为 150kg，适用于调质钢,淬火钢。简便，压痕小，不准确，适于硬金属。5） 冲击韧性：在冲击载荷下抵抗变形和断裂的能力。 k =(mgH1 mgH2)/F F为冲击试样断口截面积88,长度为55mm的缺口试样6） 疲劳强度：抵抗反复载荷而不发生断裂的能力。 -1 =P(N 次）/Fo 黑色金属N =10-7 ,有色金属10-8(2)金属材料的物理，化学性能：1） 密度：质量与体积之比。2） 熔点：固态变液态的温度。3） 导热系数:维持单位温度梯度时单位时间流经物体单位面积的热量 线膨胀系数:温度每升高一摄氏度材料的长度增量与原长度的比值。4） 传导电流的能力。 用电阻率，电导率表示。 银铜铝 ;纯金属合金。5）磁性：材料在磁场中被磁化呈现磁性强弱的能力。 铁磁性材料：Fe Ni. .。 顺磁性材料：Mn Cr Mo. .。 抗磁性材料：Cu Ag Pb Zn . .。6）耐磨性：以磨损量为标准衡量。7）耐腐蚀性：抵抗周围介质腐蚀破坏的能力。8）抗氧化性：在室温，高温抵抗氧化的能力。（3)金属材料的工艺性金属材料在加工过程中的难易程度。1) 铸造性：熔化后注入铸型制成铸件的难易程度。a. 流动性是充填铸型的能力.受化学成分，浇注温度，充型能力的影响。b. 收缩是凝固和冷却过程中其体积尺寸减少的现象。 分液态收缩、凝固收缩、固态收缩三种.受化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型的影响。2) 可煅性：在压力作用下塑性变形的能力。受金属本质（化学成分、内部组织)和加工条件（变形温度，变形速度，应力状态)影响。3) 可焊性：指材料被焊接的难易程度。受焊接方法、材料因素、工艺因素、使用条件影响。4) 切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。受切削抗力、表面质量、排屑的影响。5) 热处理工艺性：淬硬性，淬透性，变形，裂纹。前者硬度与含碳量有关，后者与合金元素有关。2.非金属材料的性能（1)物理性能（包括容重，密度，孔隙，材料胀缩）1) 容重:材料在自然状态下,单位体积的质量(包括孔隙和空隙密度:材料在绝对密实状态下单位体积的质量。2) 孔隙:孔隙率-内部孔隙体积占总体积的百分比。 P=(V0-V)/V0100%3) 材料的胀缩:因温度变化而发生胀缩开裂变形。(2)力学性能 1)强度:特别是脆性材料,要用弯曲试验 确定。单位相同。 2)变形:除了弹性,塑性,还有蠕变和松弛。(3)与水相关性: 水对强度,抗腐蚀,耐久性, 1) 亲水性-水滴表面与材料表面夹角90度为亲水材料。 2) 吸水性:材料吸收水分的能力。 3) 耐水性:在水作用下,其强度不明显降低。 4) 抗渗性:抵抗压力水渗透的能力。 (4)与热有关的性能 1) 导热性:相同。 2) 热容:加热时能吸收热量,冷却时能放出热量。 3) 耐热性:长期在热环境下,抵抗热破坏的能力。 4) 耐燃性:对火和高温的抵抗能力。 5) 耐火性:抵抗高热而不熔化的能力。 6) 耐久性:使用过程中受载荷及大气等正常工作,不破坏不失去原有性质。 三、造型材料应具备的性能 工业造型材料除应具备通用性能外,还要具备造型设计特征性能(包括感觉物性,加工成型性,表面工艺性及环境耐候性等)。(一) 感觉物性:通过人的感觉器官对材料的综合印象。这种感觉包括自然质感和人为质感。例如:木材,天然大理石,铝合金。 (二)加工成型性:选定材料应是容易加工成型的。青铜加工成型性不好；钢铁加工成型好,应多用；工程塑料成型性好。 (三)表面工艺性 表面处理改变表面状态,防腐,防化学,提高寿命,美观. .。 表面精加工,表质层改质处理,表面覆盖装饰,表面着色. .。(四)环境耐候性：适应环境条件经得起环境因素变化的能力。 着色铝-阳极氧化 电解铝着色(适于户外) 室内易用有机染色 钢铁加保护层四、造型材料的应用和发展 (一)基础材料向高质量,低成本方向发展。 (二)新型结构材料向高温高比强度方向发展。 (三)复合材料是高性能材料的一个重要发展趋势。 (四)信息功能材料及其他新材料。 信息材料包括半导体材料,信息记录材料,光纤材料。 新材料-立体集成电路,智能传感器,光集成电路,显示材料,敏感材料,超导材料。第二次课：1教学内容（1）了解工业造型材料的美学基础。（2）掌握产品造型设计与工艺性的关系2讲授重点及要求：了解1。掌握2。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。第二节 工业造型材料的美学设计基础 工业造型材料美学是研究材料的审美特性和创美规律及材料的加工方法和使用方法的学科。材料美学具体化就是质感设计。一、质感的概念(一)质感的定义 是用来标志人对物体材质的生理,心理活动的。 是物体表面由内因外因形成的结构特征对人的触觉视觉产生的综合印象。 质感是工业造型设计三大感觉要素之一,即形态感,色彩感,材质感,色和物相依存的。 包括两个不同层次的概念:形式要素机理,物面的几何细部特征;内容要素质地,物面的理化类别特征。 两个基本属性:生理属性,如软硬,干湿,冷暖,凹凸. .;物理属性,如材质,类别,性质,机能,功能. .。(二)机理:人的感觉产生于表面,机理作用突出。 触觉机理:凹凸,粗细;视觉机理:氧化表面,木纹,图案。(三)质感与产品: 是紧密联系在一起的,产品设计对材料进行加工处理形成具有物质功能又具有精神功能的产品。 当不同材料加工成产品,人的质感就不仅停留在材料表面上升华到整体的质感上。如青铜塑像。(四)触觉质感 手,皮肤接触感知物体表面特征。 1.触觉的生理构成:由视觉,压觉,痛觉,位置觉,振动觉. . ; 盲人靠触觉认识世界。 2.触觉心理构成。此外,物面质感分为自然质感和人为质感。二、造型质感设计形式与原则: 质感设计是工业产品设计的重要方面.设计中规范是认材-选材-配材-理材-用材。质感设计基本原则如下:(一)配比原则 用材上有总体与局部,局部与局部的配比关系,按形式美基本法则进行配比,获得美的质感效果。 1.调和法则-使整体各部位物面质感统一和谐。 例如:塑料不与木材搭配,机床上不与木材搭配。 2.对比法则-整体各部位物面质感有对比的变化,形成材质对比,工艺对比。例如:金属与非金属,人造材料与天然材料,机床油漆,精加工床面。(二)主从原则 产品设计要有重点,主辅分开,主体在造型中起决定作用。 在整体设计中对可见部位,主要部位,常触部位要有良好视觉触觉质感,其他部位从简。(三)适合原则 要考虑材质的功能和价值,质感应与适用性相符。如体育金质奖杯配檀香基座好。器不在料,功不在细,独到设计贵胜金 。三、质感设计在造型设计中的作用(一)提高适用性 良好质感设计可提高整体设计适用性,如在方向盘上包上一层柔软造革。开关压成凹凸细纹易拨动。(二)增加装饰性 良好视觉质感设计可提高整体设计的装饰性补充形态和色彩不能代替的形式美。如家电,汽车的涂装工艺。(三)达到多样性和经济性 良好人为质感设计可代替和祢补自然质感,达到总体设计多样性和经济性。如材料表面装饰-塑料贴面板代替木材。(四)表现真实性和价值性 良好质感设计往往决定整体设计的真实性和价值性。第三节 产品造型设计与工艺性一、造型设计与加工工艺 产品造型设计要满足加工工艺要求。(一)工艺方法 如手工弯钢板不如机器弯钢板 。再如门结构，采用铸造方法造型的门,厚度大,表面平整性和边缘直线性都较差,且生产周期长。用角钢做骨架,点焊钢结构制作简单,周期短,但平整性差,变形大,边缘结合不平整,欠美观。采用卷板方式,内有加强筋，制作简便,周期短外观平直,棱线分明,外观效果好，图1-2。(二)工艺水平 结构,材料和工艺方法相同,但工艺水平不同,其效果也不同。如机床上铸件倒角。(三)新工艺的采用 先进工艺不断出现,如精密铸件,精密模锻,挤压,轧制,. .使毛坯接近产品,电火花,激光,超声波加工。(四)工艺方法综合运用 运用多种工艺方法是增加造型外观设计,丰富造型艺术的有效方法。同种材料运用不同处理方法可得到不同效果。依据位置要求不同,镀普通镍,亮镍,黑镍,发蓝,发黑。二、造型设计与装配工艺 工业产品由零件装配而成,要求零件要符合装配工艺。(一)避免机械加工 切削加工延长工时, 要用顶丝固定,装配好后加工螺孔,改进后先加工好，图1-3。(二)应使装配方便，表1-2。（三）应使拆卸方便，表1-3。（四）应有正确的装配基面，表1-4。(五)选合适的调整补偿环 相对尺寸高的尺寸链应设补偿环，图1-4。(六)应便于起吊 考虑起吊安装运输的方便,大型零部件必须设置起吊孔，图1-5。(七)自动装配对零件结构的要求：1.易于定位，表1-5；2.避免工件互相缠结，表1-6；3.避免零件相互错位，图1-6。三、造型设计与装饰工艺(一)线形装饰1.明线装饰采用立体材料不同装饰材料(色彩,材质)，装饰条宽度20mm,中部及底部装饰条宽度 35mm-45mm。 多采用铝合金材质，图1-7，图1-8，图1-9。2.暗线装饰色彩与主体完全一致，图1-10，图1-11，图1-12。(二)色带装饰常用色带装饰方法:1.喷涂装饰色带。2.单色带贴装。3.印刷色带的贴装。(三)面板装饰面板位置明显,重要,要简洁,大方,美观。1.面板构图规律(1)要避免单调和呆板的对称性分割，图1-13a。(2)采用非对称性分割, 图1-13b,c,d。(3)利用斜线分割, 图1-13e。(4)应用曲线分割, 图1-13f。2.面板功能表现形式(1)用线包围区分, 图1-14。(2)用括线区分，图1-15。(3)用空格区分，图1-16。(4)用色区区分，图1-17。3.面板材质色彩选择(1)铝合金板。(2)工程塑料。(3)贴塑铝板(钢板)。第三次课：1教学内容（1）金属特性及分类（2）钢铁材料2讲授重点及要求：了解1。掌握2。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。第二章 金属材料及其加工技术2-1 常用金属材料及其特性一、金属材料的特性及分类(一)金属材料的特性 金属键结合起来的晶体为金属晶体。 a.具有良好的反射能力,金属光泽及不透明性。 b.具有良好塑性变形能力.轧制, 拉拔,挤压,锻造。 c.具有良好的导电性,导热性和正电阻温度系数。 (二)常用金属材料分类 有色金属: 轻金属材料(密度4500kg/m，如 Cu、Zn、Pb）。 黑色金属：纯铁；钢；铸铁二、钢铁材料 工业用的最多,占90%以上的金属材料。(一)铁碳合金:C+Fe,黑色金属, 钢和生铁。（二）工业纯铁 C0.02%，塑性好(=30-50%,=70-80%),但强度低 (=180-230MPa)。（三）钢 C=0.02%-2.11% 。 碳钢 ， Fe+C。 合金钢，Fe+C+Me 。Me包括Cr 、 Mo 、Mn、 Ti、 V 、W 、Ni.。 1.钢的分类: (1)按化学成分分有碳钢（低碳钢C0.25%；中碳钢C=0.25-0.6%；高碳钢 C=0.6-1.4%）；合金钢（低合金钢 Me10%）。 (2)按质量分:钢中杂质S ,P ,Si, 普通钢 P0.045% S0.05% 优质钢 P0.04% S0.04% 高级优质钢 P,S0.03% (3)按用途分 结构钢:工程构件和机械零件用钢C0.9%时,随着C增加,HB增大;,减小。 杂质的影响: P增多;,减小,低温脆性; S增多,FeS+Fe共晶体熔点987,热脆。(2)普通碳素结构钢 C=0.06-0.38%之间,多为轧制成钢板,型钢,棒钢。要求不高的零件,保证机械性能,不保证化学成分。Q235, s=235MP，表2-1、表2-2。(3)优质碳素结构钢:保证机械性能和化学成分。 以钢中含碳量的万分之几表示,用两位数表示。含碳量在0.05%-0.9%.如08,10,15,.45.85 45表示含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。 随着含碳量的增加,增大,HB增大,减少。 08-20低碳钢适于冲压,焊接,渗碳; 30-50中碳钢，调质钢，制造机械零件,齿轮,轴。 50-80弹簧及高强度轴。 含锰较高的优质碳素钢机械性能高,如20Mn,45Mn，表2-3。(4)碳素工具钢 含碳量为0.8-1.2%, 牌号表示方法是在T后加数字,用含碳量千分之几来表示。如T7,T8,.T13。 1）T7,T7A适于制造锻模,凿子,顶尖,大锤 ; 2）T8,T9适于制造切软金属刀具,木工刀具; 3）T10,T11A适于制造冲冷模,拉拔模,板牙,丝锥,螺纹刀;4）T12适于制造丝锥,车刀,铣刀;5）T13适于制造锉刀,锯条,绞刀,剃刀，表2-4。3.合金钢 往碳钢中加入Cr,Ni,Ti,Mn,W,V,Mo. .，固溶或形成化合物。提高淬透性,回火抗力,热硬性,耐高温,耐磨,抗腐蚀。(1)合金元素在钢中的作用: 溶入固溶体中或碳化物中,固溶强化,提高合金钢的硬度,强度和耐磨性。改善热处理工艺;提高淬透性和回火稳定性,细化晶粒,提高性能;改变钢的平衡状态,会使奥氏体区加大减小消失。(2)合金结构钢 加Si,Mn,Cr,Ni,B,W,Mo,V,Ti,Nb. .。 牌号采用数字+化学符号+数字,前面数字是含碳量万分之几,后面是含合金元素的百分之几,含量低于1.5%不注。 低合金结构钢：C0.25%。结构件，桥梁， 09Mn2 、16Mn。 合金渗碳钢： C1%。 GCr15，Cr=1.5%。(3)合金工具钢 分为刀具钢,模具钢,量具钢。碳素工具钢加合金元素。 牌号为数字+元素符号+数字,前面数字是含碳量的千分之几,当含碳量大于1%不注,后面合金元素百分之几。 9SiCr含C=0.9% ，Si,Cr各1%；W18Cr4V含 W18%，Cr4% ，V=1%的合金刀具钢；CrMn、 CrWMn量具钢。(4)特殊性能钢 特殊的物理化学性能合金钢，含碳量低，用千分之几表示；当C0.03-0.08% 时,前面用0 表示。如0Cr13 C1% ，Mn=13。用于制造 道叉,铲斗。第四次课：1教学内容（1）钢铁材料（2）有色金属及合金2讲授重点及要求：掌握1、2。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。(四)铸铁: 一种重要的工程材料,机床占90%以上,以铁代钢。 1.铸铁的成分,组织和性能 铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，C=2.5-4%、Si=1-3% 、Mn=0.5-1.4%。碳以三种方式:一种固溶极少量,一种游离,一种化合态。 石墨(G)和渗碳体(Fe3C)均可析出,一定条件下Fe3C 3Fe+G。 常用铸铁为共晶成分,熔点低,流动性好。2.铸铁的分类 (1)按碳存在不同形式分: 白口铸铁-碳主要以化合态存在,又脆又硬,不能加工.断口银白色。可作可锻铸铁生坯,耐磨件,轧辊,锤头。 灰口铸铁-碳主要以石墨态存在。断口灰色.应用广。 麻口铸铁-基体+G+Fe3C. 断口灰白色,界在两者之间。 (2)按石墨形态 灰口铸铁-碳以片状石墨存在,应用广。 球墨铸铁-碳以球状石墨存在,用于高性能曲轴。 可锻铸铁-碳以絮状石墨存在,高强度高韧性。3.铸铁的牌号性能和用途 (1)灰铸铁: 钢的基体+片状石墨。灰铸铁的组织 1)铁素体灰铁F+G粗片 ，、HB低,切削性好,要求不高的件。 2)铁素体,珠光体灰铁F+P+G，、HB较低,切削性好,铸造好。 3)珠光体灰铁P+G细片， 、HB高,重要机械零件。灰铸铁的性能 1）机械性能：G ( =20MPa =0, =0) , =120-250Mpa， 极低，抗压与钢相似。 2）工艺性能:共晶成分,铸造性能好。切削加工性好,不能压力加工,焊接性能差。 3）减震性好，大量G片阻碍震动传播。 4）耐磨性好，G干润滑剂；G坑储油池。 5）缺口敏感性低。灰铸铁牌号:灰铁性能取决成分和冷速。常用力学性能表示。 如 HT200，灰铁，b=200Mpa, HT20-40。(2)球墨铸铁 球铁牌号和性能：钢基体+G球。 QT45010，球铁，b=450Mpa，=10%。 分为铁素体球铁,珠光体球铁,铁素体,珠光体球铁。 球铁基体b利用70-90%，灰铁利用30-50%。球状石墨对基体割裂作用小,应力不易集中,性能提高,以铁代钢。 球铁生产 1) 化学成分与灰铁相近，s0.07 ， p0.1%。 2）球化剂 ,Mg-稀土合金，去硫、气。球化剂1-1.6%。 3）孕育剂，Si-Fe ，孕育剂细化石墨片。 4）球化处理工艺-包底冲入法 。 5）球铁热处理。(3)可锻铸铁 C=2.4-2.8%；Si=0.4-1.4%，浇注成白口,经长时间石墨化高温退火， Fe3C 至900以上,时间为40-70小时。 Fe3C Fe+G团,耗能大,成本高。用于汽车后桥,管接头,阀门. .。 有珠光体可锻铸铁,铁素体可锻铸铁。还有蠕墨铸铁,耐磨铸铁,耐热铸铁,耐蚀铸铁。 加一些合金元素 Si Mn Cr Mo. .。(五)铸钢 铸钢综合性能高于铸铁,焊接性能好,性能稳定,便于生产耐磨、耐蚀、耐热铸件。1.铸钢分类: (1)铸造碳钢:低碳铸钢C0.25%；中碳铸钢 C=0.25-0.45% ；高碳铸钢C=0.5-0.6%。 牌号: ZG200-400，s=200MPa，b=400MPa ，ZG15(含碳量)。(2)铸造合金钢:为提高钢的力学性能,使其具有耐磨、耐蚀、耐热及物理 化学性能,加一些合金元素。 低合金铸钢 Me10% ，ZGMn13。 2.铸钢工艺特点: 流动性差， 8mm 。 收缩大 ，体10-14%，线1.8-2.5% ，易于产生缩孔、加冒口。 熔点高 ，1500，易氧化粘砂。铸铁用冲天炉熔化，而铸钢用电弧炉、感应电炉。三、有色金属及合金 主要有铝及铝合金,铜及铜合金,滑动轴承合金。 (一) 铝及铝合金 1.纯铝，d=2.7，轻金属，T 熔 =660，导电导热性好 ,塑性好，易形成Al2O3，氧化保护膜。 分为工业纯铝：L1 L2.L4 ， 数字越大纯度越低 工业高纯铝：L01 L02.L04 ，纯度99.93%，数字越大纯度越高。 2.铝合金 (1)铝合金的分类 不可热处理强化的变形铝合金。 可热处理强化的变形铝合金。 变形铝合金。 铸造铝合金。图2-1。(2)形变铝合金1）不可热处理强化的变形铝合金有防锈铝合金。 防锈铝合金Al-Mn耐蚀性强度好,可焊性和塑性好。 Al-Mg强度更高,相当好的耐蚀性。 防锈铝合金牌号用铝 防的汉字拼音LF和顺序号表示，表2-5。2）热处理强化铝合金例如硬铝合金LY1。 超硬铝合金LC4 ，牌号用铝 、 超的拼音。用来制飞机件。 锻铝合金，适于锻造，LD2、LD10。(3)铸造铝合金 良好的铸造性能，如:1）铝硅合金ZL101，用于仪表泵壳；2）铝镁合金 ZL301；3）铝铜合金 ZL201； 4）铝锌合金ZL401。(二) 铜及铜合金 1.纯铜 T=1083，d=8.9kg/cm，=50%，=70% 。导电,导热,抗腐蚀性好。 牌号 T1,T2,T3,T4， 数字越大,纯度越低。 2.黄铜 是以锌为主合金元素的铜合金。 (1)普通黄铜 如H62的黄铜-铜62%,锌38%，。用于铆钉,散热片。 (2)特殊黄铜 在普通黄铜中加入合金元素(如Sn,Pb,Al,Si,.)组成。 如HPb59-1表示含铜59%,铅1%的铅黄铜。 3.青铜 Cu+Sn,Al,Si,Mn,Pb,.。 (1)锡青铜 如QSn6.5-0.1表示含Sn6.5%,含P0.1%用于制轴承,轴套。 ZQSn10铸造锡青铜,含 Sn10%。 (2)特殊青铜 铝青铜 ZQAl94， 铸造铝青铜 ，含Al9%,含Fe4% ,用于轴承,轴套,蜗轮。4.轴承合金 用于制轴瓦及内衬的合金称为轴承合金。耐磨,抗咬合性好。耐蚀性,工艺性好。 ChSnSb91，含铅9%,铜7%,锡84%，锡基。还有铅基,铝基,铜基。第五次课：1教学内容（1）造型设计中的金属材料选用2讲授重点及要求：掌握1。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。四、在造型设计中金属材料的选用 材料设计包括选用和材料加工。金属材料是重要内容。对产品质量,可靠性,寿命,外观起决定作用。选用依据有以下几点:(一)依据使用性能选材 根据产品的工作条件失效形式提出对使用性能的要求,作为选材的主要依据。1.变形失效: 在外力作用下产生过度弹性及塑性变形,失去正常工作所必须的形状尺寸精度称为变形失效。如轴,齿轮,弹簧.易产生变形失效。 对此应选屈服强度,屈强比,弹性极限,弹性模量高的材料。2.断裂失效:(1)塑性断裂失效:塑性变形后断裂。是构件承受的应力超过了材料的强度极限引起的。应选高强度的材料。(2)低应力脆性断裂: 高强度材料如转子轴,锤杆存在裂纹源,在低应力下不发生塑变即断裂。应选强韧性好的材料。(3)疲劳断裂:交变应力作用下,疲劳裂纹扩展而成。是零部件主要失效形式。如轴,齿轮,弹簧。应选用疲劳强度较高的材料。3.表面损伤失效 (1)磨损失效: 因接触物相对摩擦磨损,不能继续工作称为磨损失效。如齿轮齿面,刀具刃口。为此选用与配合件性质不同且表面硬度高摩擦系数小或有自润滑能力的材料。(2)表面腐蚀失效:因化学或电化学作用,构件表面被腐蚀,形状尺寸发生变化。对此防腐处理。(3)表面疲劳损伤失效:因交变接触应力引起。应减少构件的表面粗糙度和表面强化处理。(二)根据工艺性能选材(1)铸造性:对受力不大,结构复杂的选择铸造成型。 铸造性好的合金有铸铁,铸钢,铸造铝合金。(2)锻造性:受力大,复杂。进行锻造成型。 低碳钢好;中碳钢次之;高碳钢较差。铝合金可锻性不好,铜合金可锻性较好。(3)焊接性:体积大,要求气密性好的采用焊接成型。如容器,管道,锅炉。 低碳钢焊接性好。(三)选材的经济性第六次课：1教学内容（1）铸造加工及工艺2讲授重点及要求：掌握1。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。2-2金属材料成型与工艺性常见成型方法:铸造,锻造,焊接,切削加工. .。一、 铸造加工及工艺性把液态金属浇注到铸型中的工艺过程，表2-6。分类 ： 砂型铸造 金属型铸造 特种铸造 压力铸造 熔模铸造 离心铸造(一)铸造生产特点:1.适应性广-不受零件大小形状及结构复杂程度限制。不受合金种类限制。2.成本低廉-原材料便宜,切削加工余量少,设备投资少,工艺简单。3.但力学性能低,晶粒粗大,有缩孔缩松,工人劳动强度大。(二)铸造合金的铸造性常见铸造合金有铸铁,铸钢和铸造有色合金。除必要力学性能,物理性能,化学性能,还应有良好的铸造性能。铸造生产中表现的工艺性能。选择合金的重要依据是保证铸件质量的重要因素。包括流动性,收缩,偏析,吸气等。1.液态合金的流动性(1)合金的流动性能:浇注时液体金属充填铸型的能力。与合金种类,结晶特点,粘度有关。 流动性好,充填能力强,可得到形状复杂轮廓清晰的铸件。缺陷少,补缩好;否则易产生冷隔,浇不足。 黄铜,铸铁流动性最好;铸钢最差。(2)影响合金流动性因素1）化学成分:层状结晶、纯金属、共晶合金好。 磷能降低粘度和表面张力,提高流动性。2）浇注温度:温度升高粘度降低增加流动性。温度太高,收缩大,吸气增加,氧化性增加,粘砂增加。3）充型能力:流动阻力增加,降低流动性; 光滑,流动性好；直浇口高,压力大,流动性好;含水少,透气性好,流动性好; 金属型不如砂型,干型不如湿型。2.铸造合金的收缩(1)合金收缩及影响因素:合金的收缩-冷却凝固过程中体积减少的现象。分为三阶段。液态收缩-产生缩孔原因之一。 凝固收缩-产生缩孔缩松的原因。 固态收缩-产生应力变形裂纹的主要原因。影响因素:1）化学成分:钢中碳含量增加,凝固收缩增加;铸铁中C ,G ,收缩；Si、 G ,S 、G 。Mn ，S ，G。2）浇注温度:温度增加,收缩增加。3）铸件结构与铸型:收缩受阻（芯子阻力）,收缩减小。(2)铸造缩孔缩松的形成及防止缩孔:纯金属,共晶合金易形成。缩松:结晶区间宽的合金易形成。防止措施-安放冒口控制凝固顺序,缩孔移出体外;安放冷铁,调整冷速。3.铸造内应力及防止固态收缩受阻会产生内应力,甚至变形与裂纹。(1)热应力的产生:铸件厚薄不同,冷速不同。同一时刻收缩不同而引起内应力。以T型杆为例。 机械应力:铸件固态收缩受阻(铸型 型芯)。(2)变形及防止铸件壁厚要尽量均匀,对称;尽量同时凝固,用冒口、冷铁调整冷速;反变形法;时效处理(人工,自然)。(3)裂纹及防止热裂:高温裂纹。短,宽,形状曲折。成分合理,减少芯子阻力。冷裂:低温裂纹。细小,直线,无氧化。降低内应力, P。(三)砂型铸造1.手工造型 2.机器造型(普通机器造型,高压造型)。(四)特种铸造 除砂型铸造以外的其他铸造方法。熔模,金属型,离心,压力,连续,陶瓷,真空,瓷丸铸造. .图2-2。1.熔模铸造是在蜡模表面包以造型材料,待其硬化,将其中的蜡模熔去,获得无分型面的铸件的铸造方法。熔模铸造特点: 精度高,光洁度好;适于各种合金,尤其是高熔点难加工的;可生产形状复杂的结构件;生产中小构件一般小于25千克。2.金属型铸造 把液态金属浇到金属模中。又称永久型铸造。金属型由灰铁,钢制造。特点:生产效率高,省工时和型砂;力学性能好;铸件精度高;成本高透气性差,不适于薄件。3.离心铸造 把液态金属浇入高速旋转的铸型中,在离心力作用下填充铸型并凝固成型。分为立式和卧式离心铸造机。特点:工艺简单、省金属、省芯;力学性能好,组织致密,无气孔,无缩孔,无夹杂;适于双金属铸造;内径尺寸差,粗糙,偏析。适于铸铁管,汽缸套,铜套。除此外还有压力铸造,连续铸造,陶瓷铸造.。(五)铸造方法选择各种铸造方法各有优缺点。砂型铸造应用广，表2-7。试选铸造方法：床身,活塞，汽轮机叶片,汽缸套，摩托车汽缸体，齿轮铣刀，大口径污水管。(六)铸件的结构工艺性: 除满足使用要求外,还要考虑铸件结构工艺,将影响铸件质量及成本。 1.铸造方法对铸件结构的要求(1)对铸造结构复杂的要求 与起模方式和铸型的退让性有关。砂型铸造可用两箱,多箱,活块,砂芯,生产复杂形状。熔模铸型无分型面,可复杂;金属型和压力型铸造要形状简单些。(2)对铸件尺寸精度和表面粗糙度的要求砂型铸件尺寸精度和表面粗糙度差;压力铸造和熔模铸造的铸件比砂型铸件的尺寸精度和表面质量高。(3)对铸型重量和壁厚的要求砂型铸件大小不受限,熔模铸件要小于25千克;金属型铸造和压力铸造的铸件和型芯不能太大。2.各种铸造合金对铸件结构的要求不同铸造合金铸造性能不同,对结构要求不同。球墨铸铁的铸造性稍差,有较大缩孔倾向,设计铸型要壁厚均匀，图2-3。3.砂型铸件的结构设计(1)减少分型面,力求外形简单，图2-4。(2)减少型芯或不用型芯,装配清理,排气方便，图2-5。（3)结构斜度:不加工面应设计结构斜度，图2-6，表2-8。（4)铸件应有合理的壁厚，表2-9，图2-7。对每种合金来说,在一定铸造条件下,都存在一个使液态合金能充满铸型的最小允许壁厚,称为该合金的最小壁厚。如果铸件的壁厚小于最小壁厚,则因充型能力不足,易产生冷隔,浇不足等缺陷。如果壁厚太大，则心部粗大,易产生缩孔,缩松。应选择合理的截面形状(弓字形,槽形,箱形)或带加强筋，以减少壁厚。(5)铸件壁厚应力求均匀:不同壁厚要圆角过渡。应避免壁与壁的交叉和锐角连接，图2-8，表2-10。(6)应尽量避免铸件有过大水平面，图2-9、图2-10。第七次课：1教学内容（1）压力加工及工艺2讲授重点及要求：掌握1。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。二、压力加工及其工艺性 是在外力作用下,使金属产生塑性变形,获得一定形状尺寸的原材料及毛坯,零件的加工方法。适于大多数金属材料。 消除铸造缺陷(气孔,缩松)；细化晶粒,提高力学性能。(一)塑性变形的实质:1.塑性变形的实质(1)单晶体塑性变形-是外力足够大沿晶面移动一个或几个原子距离。剪应力消失,回复正常,滑移完成。(2)多晶体塑性变形:除晶内滑移还有晶间变形极小。2.冷变形后金属组织与性能组织:晶粒拉长;晶格扭曲;晶粒间产生碎晶。性能:强度硬度增加,塑性韧性下降。为加工硬化,增加滑移阻力,使材料强化。建筑钢筋,冷冲压,制钉。3.回复与再结晶 加工硬化是一种内部能量转高不稳定状态,具有回复到稳定状态趋势。(1)回复:加热到某温度T回=(0.25-0.3)T熔点,原子获得热能,消除晶格扭曲和内应力.组织性能变化不大。(2)再结晶:温度继续升高,原子获得更多热能,开始以杂质和碎晶为核心渐渐长大,生成正常晶格,晶粒。从而消除加工硬化。T再=0.4T熔(二)压力加工方法简介型材、板材、线材如轴,齿轮,连杆等都是压力加工。1.轧制:在上下轧辊之压力下产生连续塑性变形，图2-11。主要生产型材,圆钢,角钢,T字钢,钢轨.。 2.挤压:在挤压模内用大的压应力使之变形。 挤压方式有正挤压；反挤压；复合挤压；径向挤压挤压，图2-12。适于低碳钢,有色金属及合金,各种型材或零件。3.拉拔:用拉力把坯料从拉拔模中拉过而成型材，图2-13。生产各种线材,薄管,适于低碳钢,有色金属及合金。4.自由锻:利用冲击力或压力使金属坯料在上下砥铁之间,施以冲击力和静压力使其产生变形的加工方法。分手工自由锻和机械自由锻，图2-14a自由锻工序-墩粗,冲孔,拔长,弯曲。特点:设备通用性强,简单;生产率低,劳动强度大;锻件精度低,消耗金属多;适于各种合金。5.模锻:在外力作用下使坯料在模型内成型,从而获得与模膛形状一致的锻件, 图2-14b。(1)锤上模锻特点:生产效率高;尺寸精确,余量小,光洁度高;形状复杂,敷料少,成本低。 适于汽车,飞机,拖拉机(2)胎膜锻造:在自由锻设备上,使用简单锻模进行生产模锻件。特点-与自由锻相比,质量好,节省金属,生产率高,成本低。 与模锻相比,不要贵设备。锻模简单,劳动强度大。6.板料冲压:利用冲模使板料产生分离或变形获得所需零件和毛坯的压力加工方法, 图2-14c。板料冲压工序:落料冲孔；变形工艺：拉深弯曲,成型。特点-形状复杂,废料少;精度,光度高,互换性好;重量轻,强度刚度高;操作简便生产率高;适于低碳钢,高塑性合金钢,有色金属,汽车,拖拉机. .。(三)金属材料可锻性: 金属材料的可锻性指材料进行压力加工的难易程度。由塑性和变形抗力来衡量。塑性好,变形抗力小,可锻性好。 影响可锻性的因素:1.化学成分和组织结构 (1)化学成分-纯金属塑性好,可锻性好;铁合金中随含碳量的增加使塑性下降,可锻性变差;S、P的增加使可锻性变差。 (2)金属组织结构-单一组织可锻性好; 固,纯机械混合物; AF+P; 面心立方体心立方; 碳化物弥散好于网状; 细晶粗晶。2.变形条件 (1)变形温度- 提高变形温度可增大金属材料的塑性并降低变形抗力。但要避免过热和过烧。加工硬化严重会造成裂纹。 (2)变形速度:单位时间内变形程度。当小于Va时,随着v 塑性抗力 可锻性；当大于Va时,机械能转成热能,塑性， v 塑性 抗力 可锻性，图2-15。 (3)应力状态: 拉拔时变形材料呈两向压应力和一向拉应力状态。模锻时金属材料呈三向压应力状态。 变形中三向应力状态中的压应力数目越多,塑性越好,抗力稍大,可锻性好。(四)压力加工零件结构工艺性 不仅要有良好使用性能,还要考虑加工工艺特点,使零件便于加工,降低成本,提高生产率。1 自由锻的结构工艺性 （1）应避免斜面和圆锥面。 (2)不能圆弧连接。 (3)不能有凸台,加强筋。 (4)复杂件可由组合件完成。表2-11。 2.模锻件结构工艺性1）为保证锻件取出,要选合理分模面。2）加工面留有余量,