材料成型概论 第一讲 概述

授课教师 张龙E mail laxn 材料成型概论 1 课程的性质和任务 课程性质 材料成型概论 是一门关于材料成型工艺及技术的专业课 通过本课程的学习 使学生系统掌握金属塑性成型的理论基础和各种成型方法原理 特点 成型工艺和成型设备 了解相关的新工艺 新技术 新设备 2 课程的性质和任务 课程任务1 了解金属材料的一般知识 常用金属材料的分类和牌号 2 掌握影响金属性能的主要因素及原理 3 掌握金属塑性成型时的金属流动规律和变形特点 4 掌握各种成型方法的原理 特点 成型工艺和成型设备 3 课程的性质和任务 教材 金属压力加工概论李生智编参考书 材料塑性成型概论卢秉林编工程材料及成形技术基础吕广庶编学习方法 平时作业 课堂讨论 课后复习 期末考试 4 材料成型概论 第一讲材料成型概述第二讲炼钢炼铁生产第三讲材料塑性成型的基础第四讲钢坯型钢生产第五讲线棒材生产第六讲板带钢生产第七讲钢管生产第八讲挤压拉拔生产第九讲锻压冲压生产第十讲材料成型的发展及应用 5 第一讲材料成型概述 材料的发展与分类1 1 1材料的发展1 1 2材料的分类 材料成型的方法和特点1 2 1材料成型的方法和特点1 2 2金属塑性成型的方法和特点 1 2 3金属成型需考虑的基本原则 1 1 1 2 6 1 1 1材料的发展 材料是人类用来制造各种机器 构件和产品的物质 是人类生产和生活的物质基础 材料与现代社会生活密切相关 从黑白电视到现在的LED显示屏 手机也是越来越好 航空航天领域 一代材料一代飞机等 都跟材料的进步有关 7 1 1 1材料的发展 材料是人类社会进步的里程碑 人类社会的发展伴随着材料的发明和发展 人类的文明史是按材料发展阶段划分的 手锤 8 材料对社会进步的重要性 9 材料对社会进步的重要性 10 材料对社会进步的重要性 11 汽车钢铁等行业企业兼并重组目标出台 日前工信部 财政部 发改委等部门联合发布 关于加快推进九大重点行业企业兼并重组的指导意见 明确指出 汽车 钢铁 水泥 船舶 电解铝 稀土 电子信息 医药 农业产业化龙头企业 钢铁行业到2015年 前10家钢铁企业集团产业集中度达到60 左右 形成3 5家具有核心竞争力和较强国际影响力的企业集团 6 7家具有较强区域市场竞争力的企业集团 大幅减少企业数量 提高钢铁产业集中度 12 1 1 1材料的发展 材料是现代工业发展的基石 是现代高新技术发展的基础和先导 推动着人类文明的进步新材料是现代高科技的 物质基础 发展支撑 未来引领 13 鞍钢 新中国成立后 先后建起了鞍钢 马钢 宝钢等大型钢铁基地 粗钢产量由49年的15 8万吨上升到2011年粗钢产量的7 16亿吨 14 1996年 1亿吨2003年 2亿吨2008年 5 02亿吨 世界钢产量13 3亿吨 占37 7 2012年 7 16亿吨 世界钢产量15 3亿吨 占46 3 钢材9 52亿吨 近年来中国钢产量在世界的位置 15 当前的任务是 担负起世界钢铁生产中心的责任 从钢铁生产大国迈向钢铁技术强国 中国 日本 美国 欧洲 中国 日本 美国 欧洲 近年来中国钢产量在世界的位置 16 1 1 2材料的分类 按成分分 金属 无机非金属 材料 钢铁 有色 重金属 轻金属 稀有金属 有机高分子 黑色 贵金属 特种陶瓷 传统陶瓷 塑料 橡胶 合成纤维 半金属 传统陶瓷 水泥 玻璃 耐火材料 搪瓷 砖瓦 琉璃 铸石 碳素材料 非金属矿 先进陶瓷 非晶态材料 人工晶体 磨料 无机涂层 无机纤维及其他们的复合材料等 复合材料 金属陶瓷 17 1 1 2材料的分类 按成分分 18 金属材料 半金属 SiAsSe等 砷 硒 3 5g cm3 3 5g cm3 19 金属材料 良好的导电性 导热性 强度 延展性 焊接性能好 耐热耐蚀性好和金属光泽 用量最大 应用最广泛 20 陶瓷材料 由金属元素和非金属元素或非金属元素之间组成的化合物 如氧化物 氮化物 碳化物 熔点高 硬度高 耐腐蚀 脆性大 好的绝缘材料分为传统陶瓷 特种陶瓷和金属陶瓷三类 21 高分子材料 基于C H元素的有机化合物 具有非常大的分子结构 塑性好 耐蚀性 电绝缘性 减振性好 密度小 分塑料 橡胶 合成纤维 胶粘剂和涂料等五类 22 复合材料 包括 金属基复合材料应用多陶瓷基复合材料 高分子复合材料应用多 是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料 23 1 黑色金属 铁 钢 分子式 Fe密度 7 86g cm3熔点 1538 Fe C Si S P Mn Fe 铁 钢 铸铁工业纯铁 碳钢合金钢 24 钢中的化学成分 工业纯铁含碳量在C 0 02 钢是含碳量在0 02 2 11 的铁碳合金 钢中基本元素 Fe C Si Mn S P N O 铁是含碳量在2 11 C 6 69 的铁碳合金 普通碳素钢中 Fe占99 其余元素占1 在低合金钢中 除了上述元素外 还有一定合金元素 镍 钒 钛等 含量低于5 25 各元素对钢材机械性能影响 26 钒和钛 是钢中的合金元素 能提高钢的强度和抗腐蚀性能 又不显著降低钢的塑性 铜 可显著提高钢的抗腐蚀性能 也可以提高钢的强度 但对焊接性能有不利影响 钢中的化学成分 27 汽车主要使用的材料 28 各种材料在先进汽车中占的重量百分比 在轻量化的推动下 铝合金材料应用技术发展很快 在近年来出现的全铝车身以铝密集型汽车 如福特P2000 中 铝的比例更高达37 29 30 波音767飞机所用的各种材料比例 31 1 1 2材料的分类 按用途分 按领域分类 机械工程材料 建筑工程材料 能源工程材料 信息工程材料 生物工程材料等 32 1 1 2材料的分类 按用途分 功能材料 结构材料 33 现代钢铁工业是个庞大的工业部门 包括采矿 选矿 烧结 焦化 耐火材料 炼铁 炼钢 轧钢等一系列生产部门与相关辅助服务部门 其中最主要的部门为炼铁 炼钢与轧钢 钢铁生产过程总揽 34 冶炼 还原 脱碳脱硫 氧化 浇注连铸 成型 轧制 变形过程 矿石 铁水 钢水 钢坯 机加工 钢材 钢铁生产过程总揽 35 钢铁生产过程总揽 锻件 管材 型材 线材 板带材 36 现代化大型高炉 37 38 39 转炉炼钢 40 轧钢系统 41 1 2 1材料成型的方法和特点 材料成型就是把不定形或初定形的原材料按一定方法加工成形状 尺寸和性能满足要求的产品 42 车 铣 刨 削 磨 钻 铸造 焊接 铆接 电解沉积 涂镀 轧制 锻造 冲压 拉拔 挤压 尺寸精确 表面光洁 耗料 能耗高 成本高 生产效率低 无法改善组织 原料消耗少 能制备复杂形状产品 缩孔 砂眼 偏析 机械性能差 无屑加工 产量高 效率高 改善产品组织 性能好 产品形状相对简单 设备投入较大 大多需要成型 1 2 1材料成型的方法和特点 43 1 2 1材料成型的方法和特点 1 切削成型 机械加工 体积和质量减小 即由大质量的金属上面去除一部分质量而获得一定形状及尺寸的工件 如 车 铣 刨 削 磨 钻等 44 1 2 1材料成型的方法和特点 2 铸造 连接成型 焊接 铆接 电解沉积 涂镀 粉末冶金等 体积或质量增大 即由小质量的金属逐渐积累成大质量的产品 如铸造 铆焊等 45 1 2 1材料成型的方法和特点 3 塑性成型 体积和质量不变 即利用金属的塑性 对金属施加一定的外力作用使金属产生塑性变形 获得一定形状 性能和尺寸的产品 金属塑性 压力 加工 如 轧制 挤压拉拔 锻造 冲压 46 1 2 1材料成型的方法和特点 4 组合成型上述几种成型方法的联合使用 如液态铸轧方法 是铸造与轧制方法的联合 辊锻加工是轧制和锻造方法的联合 47 1 2 2金属塑性成型的方法和特点 金属塑性成型是指利用金属的塑性借助工具 模具 对金属铸锭或坯料施加外力 迫使其发生永久塑性变形 获得预期形状 尺寸和性能成品或制品的加工过程 又称金属塑性压力加工 简称塑性加工或压力加工 48 1 2 2金属塑性成型的方法和特点 轧制 生产率高 生产过程的连续性强 易于实现机械化和自动化 加工成型不仅仅是为了满足材料实际使用对制品形状 尺寸 精度的要求 同时对材料的力学性能 物理性能和微观组织结构的改善也有十分重要的作用 按变形方式分 1成型方法 49 1 轧制 轧制 指金属轧件通过旋转的轧辊受到压缩产生塑性变形 横断面积减小 长度增加 从而获得要求的断面形状和尺寸 并同时改善金属性能的压力加工方法 轧制的方式 可实现连续轧制 纵轧 横轧 斜轧 轧制是冶金生产中应用最为广泛的一种金属塑性成型方法 约占金属材料生产总量的90 50 轧制方法划分 按轧件与轧辊的相对运动关系或轧件在变形区内变形特点划分 纵轧 斜轧和横轧 按轧制温度划分 热轧 冷轧 温轧 轧制成型的方法 51 轧辊的轴线相互平行或在同一平面内 上下工作辊转动方向相反 轧制时轧件沿与轧辊轴线垂直方向作直线运动且延伸的轧制方式 纵轧 图3 1纵轧示意图1轧辊2轧件3行进方向 金属轧制最常用的方式 是冶金生产主要的加工方法 主要用于初轧开坯 板带材轧制 型材轧制和棒线材轧制 52 上下两个轧辊的轴线倾斜互成一定角度 各工作辊旋转方向相同 轧制时轧件沿轧辊夹角平分线作螺旋运动且延伸的轧制方式 斜轧 图3 2二辊斜轧简图l轧辊2坯料3毛管4顶头5顶杆 斜轧过程金属主要沿轧件纵轴线方向延伸 斜轧是轧制管材的主要工艺方法 也用于轧制球体等变断面零部件 53 上下两个轧辊的轴线相互平行 各工作辊旋转方向相同 轧制时轧件沿轧辊轴线方向作螺旋运动且延伸的轧制方式 横轧 54 轧制 板带材 镀锡板 彩涂板 中厚板 55 轧制 管材 无缝管 不锈钢管 方管 56 轧制 型材 重轨 H型钢 线材 螺纹钢 57 2 挤压 挤压就是采用挤压轴 凸模 将放在挤压筒 凹模 内的坯料压出模孔或流入特定的孔隙而成型的塑性加工方法 正挤 反挤 复合挤压 举例 管 棒 型 其它 异型截面 58 卧式挤压机 挤压 59 3 拉拔 金属坯料在外加拉力的作用下 通过模孔以获得与模孔形状和尺寸相同的实心或空心制品的塑性成型方法称之为拉拔 60 拉拔 61 4 锻造 锻造就是坯料经加热后用锻锤锤击或压力机施加压力 使其塑性变形以获得一定形状 尺寸和性能锻件的塑性成型方法 A 自由锻 金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或压力而产生塑性变形的加工 B 模锻 金属在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而产生塑性变形的加工 62 飞机大梁火箭捆挷环 4 锻造 万吨级水压机 63 5 冲压 金属板料在冲模中受压产生塑性变形或分离 以获得所要求形状和尺寸壳体或腔体制品的成型方法称为冲压成型 简称冲压 64 汽车覆盖件 家用餐具 冲压 65 1 2 3金属塑性成型的方法和特点 根据成形时金属的温度分热变形 指再结晶温度以上所完成的压力加工过程冷变形 指再结晶温度以下所完成的压力加工过程温变形 介于冷 热加工之间的压力加工过程 1成型方法 66 金属的冷变形和热变形 热变形 将金属加热到金属相图固相线以下再结晶温度以上的高温 施加作用力使之塑性变形达到预期的形状和尺寸的塑性加工方法 钢的再结晶温度一般在 0 35 0 4 TM450 600 67 1 变形抗力小 能耗少在高温时 原子的运动及热振动增强 加速了扩散过程和溶解过程 使金属的临界切应力降低 使加工时金属抵抗能力减弱而降低了能量的消耗 2 塑性升高变形温度升高后 完全再结晶使加工硬化消除3 性能均匀性较差热加工结束由于冷却等原因 使产品各处的温度难于保持均匀一致 温度偏高处的晶粒尺寸要比低处的大一些 4 表面质量 尺寸精度较差产品的表面光洁度与尺寸精确度较差 这是因为在加热时 金属的表面要生成氧化物 如氧化铁皮等 在加工时 这些氧化物不易清除干净 造成加工表面的质量缺陷 且尺寸的精度不如冷加工好 另外在冷却时的收缩 也能使表面质量和尺寸精度降低 热变形特点 68 金属的冷变形和热变形 只有加工硬化作用而无回复与再结晶现象的变形过程叫冷变形 加工温度低于材料的再结晶回复温度的塑性加工方法 冷变形特点如下 冷变形后的产品尺寸精度高 表面光洁 可以生产极细的丝 极薄的箔和细薄的管 材料经冷变形变形后呈现加工硬化 变形抗力增高 塑性下降 加工过程中需退火 增加能耗 0 25 0 3 TM 69 金属的冷变形和热变形 采用不同的变形程度可以控制金属材料的加工硬化量 来得到不同性能的产品 利用加工硬化可以得到强度极高的琴钢丝 弹性极高的磷青铜弹簧片等 70 温变形 将金属加热到再结晶温度以下而高于回复温度的加工方法 对于变形抗力过大且塑性较低 冷变形非常困难的金属与合金 例如高速钢 某些奥氏体不锈钢 难熔金属及其合金等 采用温变形可以显著降低变形力 提高塑性 获得表面质量 尺寸精度与性能都近于冷加工的优良产品 钢的回复温度一般在 0 25 0 3 TM 71 加工硬化过程多晶体塑性变形将导致金属的力学 物理和化学性能的改变 随着变形程度 则有 变形抗力 S b硬度 塑性 伸长率 压缩率 同时使电阻升高 抗腐蚀性和导热性 加工过程中的硬化和软化 72 加工软化过程 回复依靠对变形金属的加热 而使其原子运动的动能增加 借以增加其热振动 使偏离稳定位置的原子恢复到稳定位置 再结晶经冷变形后的金属加热到再结晶温度时 在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒而性能也发生明显变化