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1、第六章 金属材料及加工工艺 金属概述 金属指的是由金属元素组成的单质，它以 质地坚硬、良好金属光泽感、强度高、导 电、导热等特点，成为现代工业设计中的 主流设计材料之一。 61 金属材料的固有特性 金属材料是金属及其合金的总称。金属的特性是由金属结合键的性 质所决定的。金属的特性表现在以下几个方面： 金属材料几乎都是有晶格结构的固体由金属键结合而成。 金属材料是电与热的良导体。 金属材料表面具有金属所特有的色彩与光泽。 金属材料具有良好的展延性。 金属可以制成金属间化合物，可以与其他金属或氢、硼、碳、 氮、氧、磷与硫等非金属元素在熔融态下形成合金，以改善金属的 性能。合金可根据添加元素的多少，
2、分为二元合金、三元合金等。 除了贵金属之外，几乎所有金属的化学性能都较为活泼，易于氧 化而生锈，产生腐蚀。 金属的机械性能 金属的机械性能也称之为力学性能，它是指金属材 料在外力作用下所表现的抵抗能力，包括强度、硬 度、刚度、塑性、弹性、延伸率、断面收缩率、冲击 韧性和疲劳与疲劳强度等方面。 1强度 强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂 的能力。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、 剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、 抗弯强度、抗剪强度等。 2硬度 硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能 力。目前生产中测定硬度的方法最常用的是压入硬度 法，它是用一定几何形状的压头在一
3、定载荷下压入被 测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度 值。常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等方 法。 3刚度 金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。 4塑性 塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不 断裂的能力。 5弹性 弹性是指金属材料受外力作用时产生变形，当外力 去除后能恢复其原来形状的性能。 6延伸率 材料在拉伸断裂后，总伸长与原始长度的百分比称 为延伸率。 7断面收缩率 金属的断面收缩率指的是金属材料在拉伸断裂后、断 面最大缩小面积与原断面积的百分比。 8冲击韧性 以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属 在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。 9疲
4、劳与疲劳强度 疲劳是指在循环加载下，发生在材料某点处局部的、 永久性的损伤递增过程。经足够的应力或应变循环后， 损伤累积可使材料产生裂纹，或使裂纹进一步扩展至完 全断裂。出现可见裂纹或者完全断裂称为疲劳破坏。 疲劳强度是指材料反复经受循环应力也不发生断裂的最 大应力值。 6.2 金属的工艺性能 所谓金属的工艺性能是指制件在加工制造 过程中，金属材料在一定的冷、热加工条件下 表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏， 决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。 由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同 ，如可焊性、可锻性、铸造性能、切削加工性 能等。 6.2.1 金属的成型加工 1铸造 金属铸造是指
5、将金属熔化成液体，浇注于具有特定型腔的铸型中 凝固成形的金属材料成型方法。铸造是液态金属充填铸型型腔并 在其中凝固和冷却的过程，液态金属的流动特性和凝固收缩特性 直接影响着铸件的形成。与其他工艺方法相比，铸造成型生产成 本低，工艺灵活性大，适应性强，适合生产不同材料、形状和重 量的铸件，并适合于批量生产。但它的缺点是公差较大，容易产 生内部缺陷。铸造的方法有许多，常用的有砂型铸造、熔模铸 造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造等。 常用的铸造材料有铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等，通常根据不同的 使用目的、使用寿命和成本等方面来选用铸件材料。 (1)砂型铸造 砂型铸造为铸造生产中的最基本方法，砂型铸造的生
6、产 工序主要包括：制模、配砂、造型、造芯、合型、熔炼、 浇注、落砂、清理和检验。 砂型铸造适应性强，几乎不受铸件形状、尺寸、重量及所用 金属种类的限制，工艺设备简单，成本低，为铸造业广泛使 用。 （2）熔模铸造 熔模铸造是用易熔材料制成模样，然后再模样上涂耐火材料 ，经硬化之后，再将模样熔化，排出型外，获得无分型面的 铸型，浇注即可获得铸件。也称失蜡铸造，是发展较快的一 种精密铸造方法。 制作母模：母模是铸件的基本模样，用于制造压型。可 根据设计方案用适当的材料制作母模。 制作压型：压型是制造蜡模的特殊铸型。压型常用钢或 铝合金加工而成，小批量时可采用易熔合金、石膏或硅 橡胶制作。用硅橡胶制作
7、压型时，将母模均匀的刷上一 层硅橡胶，然后贴一层纱布，如此反复五六次，视铸件 的大小决定。外层用石膏固定，待硅橡胶模固化后，取 出母模，即翻制得硅橡胶膜压型。 制作蜡模：制造蜡模的材料有石蜡、蜂蜡、硬脂酸和松 香等，常用50%石蜡和硬脂酸的混合料。将熔化好的蜡料倒 入压型内，同时不断的翻转压型，使蜡料均匀形成蜡模，待 蜡模冷却后便可从压型中取出，修毛刺后即得蜡模。批量生 产时则将多个蜡模组装成蜡模组。 使用蜡棒粘接蜡模制作浇注流道，浇注流道要有浇注口和出 口。 制作型壳：在蜡模上均匀地刷一层耐火涂料（如水玻璃 溶液），洒一层耐火砂，使之硬化成壳。如此反复涂三四次 ，便形成具有一定厚度的由耐火材
8、料构成的型壳（洒耐火砂 先细后粗）。 脱蜡：将制作好的型壳放入炉中烘烤，将蜡模 熔化流出并回收，从而得到一个中空的型壳。 焙烧和造型：将型壳进行高温焙烧，以增加型 壳强度。为进一步提高型壳强度，防止浇注时型 壳变形或破裂，可将型壳放在箱体中，周围用干 砂填充。 ；浇注：将型壳保持一定温度，浇注金属溶 液。 脱壳：待金属液凝固后，去除型壳，切去浇口 ，清理毛刺，获得所需铸件。 熔模铸造优点： 没有分型面，型腔表面极光洁，故铸件的精度和表 面质量均优；型壳是由耐火材料制成，可以适应各 种高熔点合金；生产批量不受限制。熔模铸件的形 状可以比较复杂，铸件上可铸出的最小孔径为 1.5mm，铸件的最小壁厚
9、为0.3mm。 熔模铸造缺点： 材料昂贵、工序多、生产周期长、不易生产大件。 用金属材料制作铸型进行铸造的方法，又称为永久型 铸造或硬型铸造。适用于中小型有色金属（如铝、 铜、镁及其合金等）铸件和铸铁铸件的生产。 金属型铸造优点： 可承受多次浇铸，实现了“一型多铸”，节省工序， 生产效率高；铸件精度及机械性能高。 金属型铸造缺点： 成本高，周期长，工艺要求严格，对铸件的形状和尺 寸有一定限制。 （4） 压力铸造 压力铸造简称压铸，它是在高压作用下使液态或半液 态金属以较高的速度填充铸型型腔，并在压力下凝固 而获得铸件的方法。 压力铸造优点：精度及表面质量高，强度及硬度高， 生产率比其他方法均高
10、，可铸形状复杂的零件。 压力铸造缺点：投资大，周期长，不宜进行大余量的 切削加工等。 （5）离心铸造（永久型铸造） 是指将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离 心力的作用下充填型腔并凝固成形的铸造方法。 优点： 1）组织致密、力学性能好、气孔夹渣缺陷少，简化 了中空圆柱形铸件的生产过程； 2）可以加工出外表面纹理细致的产品。 (1)锻造 锻造是将固态金属坯料加热到再结晶温度以上，然 后利用锻造工具或设备对其进行锻打加工，使其在不 分离条件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能 符合要求的制件的金属压力加工方法。常用的锻造方 法有自由锻、模锻和胎模锻造。 自由锻是将金属配料放在上下砥铁之间，
11、施以冲击压 力和静压力，使其产生变形的加工方法。 模锻是将金属配料放在具有一定形状的锻模模膛内， 是以冲击压力或静压力而使金属胚料产生变形的加工 方法。 手工锻造有两种形式，一种是手工自由锻，一般用于小型金属工艺品 的制作，另一种是手工模锻，一般用于大中型金属工艺品的制作。 手工自由锻:是指在金属板上自由锻造成型，具体过程是(以紫铜浮雕 为例): 首先将铜皮用汽油喷灯进行加温烧至红色，这一过程称为退火，目 的是使铜的分子结构重组使之变软。 将设计好的图案画在铜皮上，用錾子将轮廓錾出。 根据预先的设计，将铜皮放在沙袋上，用锤子和錾子锻出大的凹凸 起伏。 将铜皮用胶固定在一张平板上，用各种型号和形
12、状的錾子錾出一些 ，精细的造型，期间需要多次退火。 将制作好的作品放在铁垫板上找平，然后整理好边缘。 将作品需要抛光的地方进行抛光，然后进行电镀化学着色防腐等后 处理。 手工模锻是指先做好母模再进行锻造成型，具体过程 是，以紫铜浮雕为例： 首先按设计构思，制作好浮雕泥胚。 将泥胚，翻制成玻璃钢。 将铜皮用汽油喷灯过火，烧至红色进行退火。 将浮雕按区域分成几个大块面。 将锻好的块面焊接在一起找平然后抛光。 将作品进行或电镀或化学着色或防腐等后处理。 (2)轧制 轧制是将金属坯料通过一对旋 转轧辊间的间隙（间隙可以按要求 设计成不同形状），因受轧辊的压 缩使材料产生塑性变形，截面减小 ，长度增加，
13、同时获得一定截面形 状的压力加工方法，这是生产钢材 最常用的生产方式，主要用于生产 型材、板材、管材。按轧制方式分 为横轧、纵轧、斜轧、楔横轧等， 按轧制温度则可分为热轧和冷扎。 热轧是将材料加热到再结晶温度以上进行轧制，热轧变形抗 力小，变形量大，生产效率高，适合轧制较大断面尺寸，塑性 较差或变形量较大的材料。 冷轧则是在室温下对材料进行轧制。与热轧相比，冷扎产品 尺寸精确，表面光洁， 机械强度高。冷扎 变形抗力大，变形 量小，适于轧制塑 性好，尺寸小的线 材、薄板材等。 (3)拉拔 拉拔是将金属坯料拉拔通过具有一定形状的模孔 从而获得具有所需断面形状和尺寸的小截面毛坯或制 品的工艺过程。由
14、于拉拔多在冷态下进行，因此也常 被称为冷拔或冷拉。 拉拔主要用于各类金属细线材、薄壁管及各种特 殊几何形状的型材的生产。拔制产品尺寸精确，表面 光洁并具有一定机械性能。低碳钢和多数有色金属及 合金都可拔制成型，多用于生产管材、棒材、线材和 异型材等。 (4)挤压 挤压是指将金属坯料放入挤压筒内，在压力作用 下使坯料从模孔中挤出，从而获得符合模孔截面的坯 料或制件的加工方法。按照金属流动方向和凸模运动 的方向不同，挤压可分为正挤压、反挤压、复合挤 压、径向挤压四种。 适合于挤压加工的材料主要有低碳钢、有色金属 及其合金。通过挤压可以得到多种截面形状的型材或 零件。 (5)板料冲压 板料冲压是利用
15、装在压力机上的冲模，对板料加压，使 其产生分离或变形，从而获得所需制件的一种压力加工 方法。分为热冲压和冷冲压（薄板加工）。 按冲压加工 功能分为分离加工和成型加工。 分离工序又称冲裁工序，主要是通过冲压工艺将冲压件 与板料按一定的轮廓线进行分离，主要包括冲孔、落 料、剪切和修整等。 成型工序是在保持板料完整性的条件下使之产生塑性变 形而形成所需形状与尺寸的工件。其特点是通过塑性变 形达到加工目的，且变形过程中不发生破坏或不失去稳 定性，常用的成型工序有弯曲、扭曲、拉深、翻边、翻 孔、胀形、卷圆、卷边、旋压等。 3金属切削加工 又称为冷加工。金属切削加工是利用刀具和工件作相对运动 ，从毛坯（铸
16、件、锻件、条料等）上切去多余的金属，以获得 符合尺寸、形状、位置和表面粗糙度等要求的金属制件的加工 方法。 金属切削加工是现代制造工业中所占比重最大、用途最广和 最基本的金属加工方法，主要可分为钳工和机械加工两部分。 钳工一般是通过工人手持工具进行切削加工的。钳工加工方 式多种多样，使用的工具简单、方便灵活，是装配和修理工作 中不可缺少的加工方法。 机械加工简称机工，主要是通过机床等机械设备来完成切削 加工的。其主要加工方法有车削、钻削、铣削、刨削、磨削、 镗削等。 4. 金属的连接 许多情况下，通过不同方式成型加工后的金属制 件需要被连接在一起才能成为最终的制品或进行进 一步的加工。金属制件的连接方式很多，通常可分 为焊接、机械连接和胶接三大类。各种连接方法在 连接强度、外观质量、可靠性及经济性等方面都有 所不同，也各有各的特点。 (1)焊接 金属焊接是通过加热、加压等手段，使金属件间产生 原子间结合的加工工艺和连接方式。金属焊接方法有很 多，主要分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。 焊接加工通
