材料成型概论 第一章 概述 2009金属.ppt

1、授课教师： 曹 燕 E-mail: ,材料成型概论,课程的性质和任务,课程性质 关于材料成型工艺及技术的专业基础课。使学生系统掌握材料成型的基本方法及原理、特点，材料成型过程、成型设备和成型工艺，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。,课程的性质和任务,课程任务 了解工程材料的一般知识； 建立材料化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系。 了解常用材料的用途和加工工艺。 初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺路线的能力。,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 成绩评定方法：平时作业成绩占20% 期

2、末考试成绩占80% 随机点名，三次旷课，本门课成绩以0分计,材料成型概论*,第一章 材料与材料成型概述 第二章 材料塑性成型的基础 第三章 轧制成型 第四章 挤压成型 第五章 锻造成型 第六章 冲压成型 第七章 拉拔成型 第八章 陶瓷成型,第一章 材料与材料成型概述,1.1 材料的发展与分类 1.1.1 材料的发展 1.1.2 材料的分类 1.2 材料成型 1.2.1 材料成型的方法 1.2.2 材料的关键要素 1.2.3 金属塑性成型的方法 1.2.4 材料成型的发展趋势,1.1.1 材料的发展,材料,材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。,哥伦比亚号航天飞机,材料是人类生产和生活所必须的

3、物质基础。,手锤,锉刀,“神舟”七号飞船成功返回,国产涡喷-7涡轮喷气发动机,石器,铁器,象形尊(西周),石器时代 青铜器时代 铁器时代,材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要 性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。,材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。,材料的发展与人类社会简图,没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。,没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。,在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片,没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。,二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。,前苏联在1957年把第

4、一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，高技术需要先进材料的支持。,前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭,1.1.1 材料的发展,1.1.1 材料的发展,16世纪中叶，欧洲出现比林古桥的火法技艺和阿格里科拉的论冶金冶金文献。 1740年炼钢和铸钢技术被突破后，钢铁开始蓬勃发展，伴随产业革命发展为人类社会的支柱工业。 这标志着18世纪前是铁的时代，18世纪后是钢的时代，也是冶金学形

5、成的时代。 这一时期钢铁工业的中心在欧洲，英国为代表。 以后，随着冶金理论不断发展，新的技术、方法和装备不断被发明直至上世纪80年代。,现 代 化 大 型 高 炉,转 炉 炼 钢,新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由49年的15.8万吨上升到现在的五亿吨。,原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。,中国的航天事业-“神舟”号飞船,1.1.2 工程材料的分类,工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。 按组成与结合键分： 1、金属材料 2、高分子材料 3、陶瓷材料 4、复合材料,1.1.

6、2 工程材料的分类 (按成分分),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,金属材料,以金属键结合为主 良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽 用量最大、应用最广泛,1.1.2 工程材料的分类,半金属: Si As Se 等,砷，硒,铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量2008年已达13亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。,带材,异形材,板材,管材,金属材料制品,陶瓷材料,以共价键和离子键为主 熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大 分为

7、传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类,传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。,高分子材料,以分子键和共价键为主 塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小 包括塑料、橡胶及合成纤维等,高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。,烯丙酰氯-苯乙烯,复合材料,包括： 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子复合材料,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。,玻璃

8、纤维增强高分子复合材料,现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度高等优点。,1.1.2 工程材料的分类 (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,1.1.2 工程材料的分类 (按用途分),物理性能 : 密度, 熔点, 电性能, 磁性能, 光学性能, 导热性等. 化学性能 :指材料在不同条件下抵抗各种化学作用的性能. 耐腐蚀性能, 高温抗氧化性能, 抗老化性能, 降解性能等. 力学性能 :指材料在力的作用

9、下表现出来的各种性能. 抗拉强度, 断裂韧性, 疲劳强度, 抗蠕变强度, 硬度等.,工程材料的应用和发展,工程材料的使用：材料种类繁多、性能各异，能符合设计者要求主要性能的材料是最合适的材料。 钢材具有较高的强度、较好的塑性，常用于制造受力的普通机器零件； 而制造飞机的结构件，那就不合适，这时选用质轻的铝合金或钛合金、复合材料更合适； 在高温下使用最好选用高熔点的陶瓷材料； 塑料具有良好的耐腐蚀性，可用在需要抗大气腐蚀的地方，但大多数塑料暴露在阳光下会严重老化，所以在室外长期使用时，选用塑料就不太合适。,工程材料的应用和发展,随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料

10、向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。,新材料在不断地涌现。,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%,波音767飞机所用的各种材料比例,机械工业是材料应用的重要领域。,随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。 在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。 要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。,铸造一级涡轮盘,材料成形的学科体系与重点,1.2.1

11、材料成型的方法,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。 按材料的变化 金属材料成型分为： 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、刨、铣、磨等。,1.2.1 材料成型的方法,2. 塑性成型体积和质量不变； 即金属本身不分离出多余的质量，也不积累增加质量的成型方法。 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。,1.2.1 材料成型的方法,3. 液态成型（铸造）、连接成型（铆、焊）、电解沉积、涂镀、粉末冶金

12、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。 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。,1.2.1 材料成型的方法,金属材料的成型方法主要有： 铸造、塑性成型、焊接、切削和粉末冶金等。 陶瓷材料的成型方法主要有： 铸造、压力加工和烧结等。 高分子材料的成型方法主要有： 铸造（如注塑）、压力加工、切削等。,1.2.2 材料的关键要素,结构、性能与加工方法三者之间的关系,工艺-组织-性能之间关系的例子,Steel with 0.4%C,1.2.2 材料的关键要素,(1) 加工工艺,在材料塑

13、性加工成型时，一方面改变了材料外部形状，内部组织结构发生了变化，另一方面也改变了材料性能。 例如，一根金属丝当它通过模具拉拔时，它的直径减小了，同时本身也强化和变硬了。在一般作为导电体用的铜丝中是不希望这种硬化的；而在生产子午线轮胎中的钢丝时恰恰是利用这个过程来实现材料的强化。,1.2.2 材料的关键要素,(2) 成分/组织结构,1.2.2 材料的关键要素,(2) 成分/组织结构,材料的性能取决于材料的成分和内部结构. 组织结构：表示材料微观特征的。组织是相的形态、分布的 图象；结构是指材料中原子或分子的排列方式。 宏观组织 用肉眼或用放大几十倍的放大镜所观察到的 组织称低倍组织； 显微组织

14、100-2000倍显微镜观察到的组织称高倍组织； 电镜组织 用放大几千倍到几十万倍的电子显微镜所观 察到的组织称精细组织.,钢的宏观组织、显微组织和电镜组织,结构：材料中各原子的具体组合状态。一般通过X-射线衍射或透射电镜研究。,Al的高分辨透射电镜象,1.2.2 材料的关键要素,(3) 性能 Properties,材料的性能包括使用性能和工艺性能。 使用性能 : 材料在使用过程中所表现的性能，包括机械(力学)性能、物理性能、化学性能等。 金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围 与使用寿命 .,1.2.2 材料的关键要素,(3) 性能 Properties,工艺性能 : 材料在塑性加工过程

15、中所表现的性能。 （ 冷热加工条件和环境下） 金属材料工艺性能的好坏，决定了它在塑性加工中加工成形的适应能力. 包括铸造性能, 锻造性能, 切削性能, 焊接性能, 热处理性能, 冲压性能等.,1.2.2 材料的关键要素,铸造性能 : 铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的能力。对金属材料而言，铸造性主要包括流动性、收缩率、偏析倾向等指标。流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也好。 锻造性能 : 锻造性能是指材料是否易于进行压力加工的性能。锻锻造 性能的好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。一般来 说，钢的可锻性较好，而铸铁不能进行任何压力加工。,1.2.2 材料

16、的关键要素,切削性能 : 切削性能是指材料是否易于切削加工的性能。它与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。有利切削的硬度为HB160230，切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。金属和塑料相比，切削工艺有不同的要求。 焊接性能 : 焊接性能是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量 的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳 钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差。,1.2.2 材料的关键要素,冲压性能 : 冲压性能是指板料对各种冲压成形加工的适应能力，它涉及两个主要方面：一是成形极限，希望尽可能减少成形工序；另一是要保证冲压件质

17、量符合设计要求。,1.2.3 金属塑性成型的方法,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。,1.2.3 金属塑性成型的方法,材料利用率高。 无削加工，节省金属。 一般的塑性成形方法的材料利用率可达到60一70，先进的塑性成形方法现已达到8590，采用连铸坯轧制成品材的利用率可达95%以上。,特 点,1.2.3 金属塑性成型的方法,生产效率高。高速线材轧制速度已超过100 ms。 操作简单，便于实现连续化和自动化，可实现批量生产和大规模生产。 产品质量

18、高,性能好,缺陷少* 改善组织和性能 加工精度和板料冲压时成形极限有限。 工模具、设备费用昂贵。,特 点,塑性加工工艺相对于铸造、焊接工艺有产品内部组织 致密、力学性能好且稳定的优点。,1.2.3 金属塑性成型的方法, 对于形状复杂，尺寸精确，表面十分光洁的 产品尚不及切削加工； 在成本及形状复杂方面不及铸造； 只能用于生产具有塑性的金属。,不 足,1.2.3 金属塑性成型方法,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。 约90%以上的钢材是通过轧制成形的。,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

19、构的改善也 有十分重要的作用。,1.2.3 金属塑性成型的方法,1 轧制,轧制成型是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。,（1）纵轧 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。,1.2.3 金属塑性成型的方法,图1 纵轧示意图 1轧辊 2轧件 3行进方向,（2）斜轧 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

20、式。,1.2.3 金属塑性成型的方法,图2 二辊斜轧简图 l轧辊 2坯料 3毛管 4顶头 5顶杆,（3）横轧 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。,1.2.3 金属塑性成型的方法,1.2.3 金属塑性成型的方法,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。,1.2.3 金属塑性成型的方法,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。 金属拉拔过程有限元模拟,1.2.3 金属塑性成型的方法,4

21、 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。,1.2.3 金属塑性成型的方法,5 冲压,借助冲压模具和冲压设备，使金属板料在由凸模与凹模组成的冲模中发生塑性变形或产生分离，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。 金属冲压过程动画演示,1.2.3 金属塑性成型的方法,按原料类型可分为：锭坯料、块状料和板料成型。 锭坯料成型主要指：轧制、挤压、拉拔等。 块状料成型主要是指锻造成型方法。 板料成型主要包括：冲压、弯曲以及旋压、液电、爆炸、电磁等特殊板成形的加工方法。,1.2.3 金属塑性成型的方法,

22、根据成形时金属的温度可分为： 半液态成形、热成形、温成形和冷成形（加工） 1）半液态加工 当金属的温度处于液相线以下和固相线以上时，即已有部分液态金属凝结为固态结晶时，对其施加作用力，使其边凝固边变形的加工方法，如半熔融挤压、连续铸轧、液芯轧制等。 半液态加工具有某些优点：较一般固态加工可显著降低加工变形力和能耗；生产率比铸造高；可以得到内部结构致密的细晶粒组织和优良的表面质量等。,1.2.3 金属塑性成型的方法,2）热加工 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。 其特点如下： 使晶粒细化、组织致密、夹杂物和成分偏析分散和

23、均匀化，从而改善组织结构、提高性能；,钢的再结晶温度一般在 (0.350.4)TM 450600,1.2.3 金属塑性成型的方法,2）热加工 塑性好变形抗力小，以较少的工序即可得到成品或接近成品形状和尺寸的半成品，是经济的； 表面质量和尺寸精度不如冷加工； 需加热坯料，能耗较冷加工高。,高温下钢的表面易生 氧化铁皮，使表面粗 糙，尺寸波动大。,1.2.3 金属塑性成型的方法,3）冷加工 加工温度低于材料的再结晶回复温度的塑性加工方法。 其特点如下： 冷加工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； 材料经冷加工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

24、火，增加能耗；,（0.250.3）TM,1.2.3 金属塑性成型的方法,3）冷加工 采用不同的变形程度可以控制金属材料的加工硬化量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。,1.2.3 金属塑性成型的方法,4）温加工 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、冷加工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，采用温加工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(0.250.3 )TM ,1.2.4 金属塑性成型的发展趋

25、势,随着金属冶炼技术的发展和自动控制及计算机等科学技术水平的发展，金属塑性成型技术也不断得到飞跃发展，以代表性的轧钢生产技术发展来看，其主要趋势是： 1. 生产过程日趋连续化、高速化、自动化； 2. 生产规模进入大型化、专业化； 3. 采用自动控制不断提高产品精度； 4. 发展合金钢种与控制轧制工艺以提高钢材性能；,1.2.4 金属塑性成型的发展趋势,5. 不断扩大钢材品种规格及增加板带钢和钢管的产品比重； 6. 连铸钢坯取代初轧钢坯； 7. 大力发展新工艺、新技术，节省能源和金属消耗，降低生产成本 8. 应用CAD/CAE/CAM技术 不仅可提高生产效率和降低成本，而且促使新技术和新工艺的不

26、断出现。从计算机辅助工艺设计、计算机辅助制造到成形过程的计算机模拟，都极大地推动着材料成形技术的发展。,薄板坯连铸连轧(Thin Slab Cast & Rolling) 双辊铸轧薄带钢 (Twin Roll Strip Casting) 液态金属连续铸挤(Cast-Extrusion) 半固态成形 (Semi-Solid Metal Forming),(1) 近终形生产新技术,钢铁生产过程总揽,锻件,管材,型材,线材,板带材,薄板坯连铸连轧的特点,连铸坯厚度减少到5070mm，节省了粗轧机组 带液芯压下，减少轧制力，改善内部质量 节省投资，降低生产成本 适合200万吨左右的生产规模,带钢冷连轧的无头