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1、材料加工工程绪论 Materials Processing Engineering,一、课程的性质和任务,材料是人类赖以生存的重要物质基础，材料加工则又是使材料成为对人类具有使用价值产品的必经之路，自然界及人工合成的绝大多数材料需经加工而成形。因此，学习、研究和掌握材料加工的基本原理和方法是十分重要的。,一、课程的性质和任务,材料加工工程是随人类社会进步而不断发展的一门学科，与之相应的材料成形工业也成为人类社会赖以生存的基础工业，并且不断产生出新兴的产业分支。,一、课程的性质和任务,涉及到的基本原理类问题有： 1.如何选择材料加工方式，才能最经济、快捷地生产所需的产品？ 2.如何控制宏观生产工
2、艺，使产品的外形尺寸、精度满足要求？ 3.如何控制材料微观组织，使产品内在质量和性能满足用户要求？ 4.如何控制材料的宏微观缺陷，以便大幅度提高产品的使用寿命？ 5.如何正确计算和确定成形过程的工艺参数，正确选择生产设备？,一、课程的性质和任务,为使对材料加工工程学科有兴趣的同学了解材料加工工程学科的基本概念和工艺方法，特设立“材料加工工程”选修课。其基础是材料力学、金属学、机械原理与设计等，所研究的核心问题是材料结构性能加工工艺之间的关系。,材料加工工程的内涵,一、课程的性质和任务,材料：材料的主要性能及评价方法，主要的工程材料钢铁材料、有色金属材料、高分子材料、无机非金属材料、复合材料；
3、加工：材料成形的主要工艺方法铸造、轧制、锻造、板料成形、挤压、拉拔、焊接的原理，以及外在尺寸形状和内部质量控制的基础。 工程：主要的加工工艺装备、工艺方法选择与经济性分析、自动控制，以及组件乃至装备的制造。了解材料加工工程新工艺、新技术及其发展趋势。,材料增值过程,二、材料加工的主要工艺方法,材料加工的工艺方法种类繁多，各种具体工艺技术自身也在不断地发展进步。特别是随着新材料技术的发展，新兴的成形加工技术不断涌现，本课程难于全部包容，但其成形工艺原理则大致相通。因此，本课程重点讨论“材”成形的主要工艺方法铸造、轧制、锻造、拉拔和挤压，以及“零件”成形的主要工艺方法锻造、板料成形、焊接。,BMW
4、 汽车制造过程,二、材料加工的主要工艺方法,1 铸造工艺 是将液态金属借助外力充填到型腔中，使其凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的工艺。 铸造,二、材料加工的主要工艺方法,铸造工艺的特点： 1）适应性广。适应铸铁，碳钢，有色金属等材料；铸件大小，形状和重量几乎不受限制；壁厚1mm到1m 。 2）可复杂成形。适合形状复杂，尤其是有复杂内腔的毛坯或零件。 3）成本较低。 4）但也存在一些不足，如组织缺陷，力学性能偏低，质量不稳定，工作环境较差。因此，铸件多数做为毛坯用。,二、材料加工的主要工艺方法,2 轧制工艺 在轧机上旋转的轧辊之间改变金属的断面形状和尺寸，同时控制其组织状态和性能的固态
5、成形加工方法称之为轧制。轧制是一种使材料发生连续塑性变形的工艺过程。轧制工艺的生产效率高，因此是应用最广泛的固态成形加工方法。90以上金属“材”的一次成形需经轧制工序完成。钢铁、有色金属、某些稀有金属以及它们的合金均可以采用轧制进行加工。轧制除能改变材料形状及尺寸外，还可以改善铸锭/坯的初始铸态组织，细化晶粒，改善相的组成和分布状态，因而能提高产品性能。但难变形材料、形状特别复杂的和特长特细的产品不宜采用轧制方法生产，而需采用其他固态成形加工方法如锻造、拉拔、挤压等方式生产。,热连轧生产,二、材料加工的主要工艺方法,按照轧机上轧辊配置方式和旋转方向、轧件的运动方式以及产品形状、轧制主要有纵轧、
6、横轧和斜轧。根据轧制过程中材料加工硬化、回复和再结晶的程度不同，轧制分为热轧、冷轧和温轧。按轧制品种不同，轧制可分为坯料轧制，板带箔材轧制、型材和线材轧制、管材轧制以及特殊形状材的轧制如周期断面轧制、车轮轮箍轧制等。,二、材料加工的主要工艺方法,轧制是生产钢材和有色金属材的主要加工方法。钢材主要产品有厚板、带材、薄板、箔材，常用型材如方钢、圆钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢等，专用型材如钢轨、钢桩、球扁钢、窗框钢等，异形断面型材；周期断面或特殊断面型材、管材包括圆管及部分异形钢管及变断面管。有色金属材主要有板带箔材及各种管、棒、型、线材等。,二、材料加工的主要工艺方法,轧制工艺是在十五世纪后期发展
7、起来的，基本的加工是平板轧制，其产品则是平板或薄板。板带钢按规格一般可分为厚板(包括中板和特厚板)、薄板和极薄带材或箔材。我国一般称厚度在4.0mm以上者为中厚板(其中4-20mm者为中板，20-60mm者为厚板，60mm以上者为特厚板)，4-0.2mm者为薄板，而0.2mm以下者为极薄带材或箔材，目前箔材最薄可达0.001mm，而特厚板最厚已达500mm以上，最宽可达5350mm，最重已达250t。中厚板常应用于做结构件，如船壳、锅炉、桥梁、大梁、机器机身、核反应堆堆芯等，其中0.3m的厚板可做为大锅炉的底座，150mm可做为反应堆的堆芯，100125mm可用于战列舰或坦克。薄板、极薄带材或
8、箔材常用于汽车车身、设备装置、食品或饮料罐、厨房或办公设备，商业飞机机身通常使用的最小厚度是1mm的铝合金薄板。为便于将薄板更进一步加工成产品，薄板常以平板或带卷方式提供。,宝钢热连轧,二、材料加工的主要工艺方法, 锻造成形 用锤击或压制的方法对坯料施加压力，使之产生塑性变形的固态成形加工方法称之为锻造。轧制工艺的产品是板带、结构型钢等半成品，锻造则生产机器设备的零部件。锻造加工的优点是，适应性强，能生产各种材质、形状和尺寸的锻件；在保证设计强度的情况下可以减轻零件的重量，节约金属材料和机械加工。可进行大批量生产，生产效率高。由于锻造生产可以控制金属流动及晶粒组织，锻造产品有较高的强韧性。锻造
9、的缺点是，设备庞大复杂，能耗大，效率低，成本高。,自由锻造,二、材料加工的主要工艺方法, 锻造成形 锻造加工的生产方法，在机械、交通运输、冶金和采矿等工业部门中起着重要的作用。在机械制造业中，各种机床、发电机和电动机的主轴、齿轮和涡轮叶片等都需经过锻造制成，在交通输业方面，各种汽车、火车、拖拉机和船舶的曲轴、连杆等重要零件都儒要锻造制坯，冶金、采矿工业中，锻造生产用于合金钢，钛合金的开坯，以提高合金的组织和性能，轧钢机的轧辊，矿山设备的主轴、凿岩用的钎头等也需锻造成形；国防工业的兵器、飞机、运载火箭等也离不开锻造加工，在轻工机械和日用品中的锻造产品随处可见，如刀、剪、锤头、钳子、锹和镐等。,二
10、、材料加工的主要工艺方法, 锻造成形 锻造根据锻造温度的不同可分为冷锻和高温锻造，其中高温锻造有可分为热锻和温锻。由于冷锻时金属的变形抗力比较大，需要较高的镣造力，因此工件在室温下必须有较高的塑性。冷锻件表面光洁度和尺寸精确度较高。热锻锻造力比较低，但表面光洁度和尺寸精确度不如冷锻好。锻造通常需要后续的精加工工序，如利用热处理来改善锻件的性能，利用机械加工以提高成品的尺寸精确度。,二、材料加工的主要工艺方法, 锻造成形 有些可用锻造生产的产品也可以经济地用其它方法进行生产，如连铸、机加工、粉末冶金等。但是，每种加工方法生产的产品都有其优越性及局限性，最主要表现在强度、韧性、尺寸精确度、表面光洁
11、度、表面和内部缺陷等方面。,二、材料加工的主要工艺方法, 板料成形 在压力机上用凹模和凸模将金属薄板成形为具有立体造型和符合质量要求制件的固态成形加工方法称之为板料成形。 板料成形工艺过程包括板料选择、坯料设计、成形工序制定、模具设计、模具制造、设备选择、成形操作、后续处理(热处理、校形、整修、表面保护、质量检验)等。按成形时的受力和变形特点，成形方法可分为伸长类变形和压缩类变形两类。,二、材料加工的主要工艺方法, 挤压成形 用挤压杆将放在挤压筒中的坯料压出挤压模孔而成形的材料固态成形加工方法称之为挤压。用挤压方法可以生产管、棒、型、线材以及各种机械零件。挤压方法生产的典型产品有：门框、窗框、
12、滑门的围栏，各种不同截面形状的管制品以及结构型钢和建筑型钢。挤压产品可切成所需的长度，从而成为不透气的部件。如门把手支架和齿轮。通常挤压用的材料有铝、铜、钢、镁和铅。其它金属和合金可用不同难度水平的挤压方法生产。,二、材料加工的主要工艺方法, 挤压成形 挤压按金属流动及变形特征分类，有正向挤压、反向挤压和特殊挤压。特殊挤压包括静液挤压、连续挤压、侧向挤压、联合挤压、复合挤压、包套挤压、脱皮挤压、水封挤压、舌模挤压、粉末挤压、半熔融挤压、液态挤压等。按挤压温度分类，有热挤压、温挤压和冷挤压。热挤压和冷挤压是挤压的两大分支，在冶金工业系统主要应用热挤压，即通称的挤压，机械工业系统主要应用冷挤压，冷
13、挤压有许多重要用途，包括用于生产汽车、自行车、摩托车、重型机械和传输设备上的紧围件和零件。温挤压发展比较晚，应用范围也窄。,挤压成形工艺特点 1) 具有比轧制更为强烈的三向压应力状态，金属可以一次承受很大的塑性变形，为加工难变形的低塑性材料提供了途径； 2)可以生产断面极其复杂的以及变断面的管材和型材，这些产品用其他加工方法很难加工，甚至不可能； 3)具有极大的生产灵活性，用一台设备可以生产出很多种品种和规格的产品，并且产品更换容易； 4)产品尺寸精确，表面质量高； 5)比较容易实现生产过程自动化； 6)生产效率较低，废料损失大，工具的消耗较大，制品性能不均匀。挤压法适合于批量小、品种与规格繁
14、多的有色金属管、棒、型材和线坯的生产，对于断面复杂的或薄壁的管材和型材、直径与壁厚之比趋近于2的超厚壁管材，以及用于脆性的有色金属和特殊钢铁材料则更显示出无比的优越性。,二、材料加工的主要工艺方法, 拉拔成形 坯料靠拉力通过锥形模孔使断面缩小以获得尺寸精确、表面光洁制品的固态成形加工方法。拉拔棒材可用于制造手柄，杆和和活塞以及用作诸如铆钉、螺栓、螺丝等紧固件的原材料。除圆棒外，多种外形的棒料也能通过拉拔生产。与挤压过程不同，材料在拉拔过程中材料受到拉应力作用，而在挤压过程中坯料受到压力的作用。拉拔通常在室温下进行，属于冷加工。在高于室温、低于再结晶温度下的拉拔叫温拔，属于温加工。拉拔是金属塑性
15、加工方法中除轧制以外的主要加工方法，用于轧制产品如线材、管材和型材的深加工。,二、材料加工的主要工艺方法, 拉拔成形 一般而言，直径小于5mm的金属丝只能靠拉拔加工。小直径的管材常用热轧管经拉拔减径减壁生产冷拔成品。型材的冷拔在于提高产品的尺寸精度、降低表面粗糙度、增加强度和节约金属。工业上，线材一般指至少经过次模拉拔的棒材。线拉拔可生产比棒拉拔更小直径的产品。线拉拔生产的磁线可达0.01毫米，低电流保险丝尺寸可更小。线材和金属线制品有广泛的用途，例如用于制造电线、电缆、屏幕、纱窗、承载拉力的结构件、电焊条、弹簧、纸夹、自行车的辐条和乐器的弦等。,人类社会的发展史，始终伴随着材料加工工程技术的
16、发展。从远古时代，人类就开始利用固态成形方法对一些天然材料进行加工，如岩石、骨骼、兽皮、木材、贝壳等。由此逐渐形成了这样一种理念，即对大自然赋予的材料可以进行成形加工，为人类的生存服务。通过长期的生产实践活动，以实践和经验为基础，逐渐积累了关于材料性能、加工工艺和使用特性的丰富知识。但是，由于人类的知识水平和研究手段的限制，材料固态成形加工技术长期处于“技艺”的水平。,小 结,产业革命以后，尤其是近50年来，材料固态成形理论研究与应用技术开发迅速走上了科学发展的道路。到目前为止，仍在发展中的材料固态成形加工体系和研究范畴，实际上涵盖了从材料微观结构研究到工业生产工程基础理论和基本方法的十分广泛的范围。其研究成果不仅促进了材料生产技术的发展，也对基础理论研究提供了很好的平台，并对促进学科交叉研究和学科沟通起到了十分重要的作用。,在今后的岁月中，人类不可避免地会受到越来越大的、与材料技术有关的压力。人类地球上居住的空间将继续相对缩小，由于不断增长的在住房、食物、材料、能源和知识方面的激烈竞争，人们将会对材料固态成形技术从可持续发展角度不断提出越来越高的要求，材料固态成形加工技术也必将日
