第一章 金属的成型及金属压力加工基本知识

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1、金属压力加工概论,冶金07,课程内容及基本要求,(1) 熟悉常用的金属材料及性能 (2) 熟悉塑性加工的金属学和塑性力学的相关基础知识； (3) 掌握轧制理论基础，轧材的成形工艺的制定，了解其加工设备； (4) 掌握挤压加工、拉拔加工的原理、特点、成形工艺的制定，了解相应的成型设备。,课程主要参考文献,1. 齐克敏，材料成形工艺学，冶金工业出版社，2006年 2. 庞玉华，金属塑性加工学，西北工业大学出版社，2005年 3、王延溥，金属塑性加工学轧制理论与工艺，冶金工业出版社，2001年,第一章 金属的成型及金属压力加工基本知识,第一节 常用的金属材料 第二节 金属材料的性能 第三节 金属的成

2、型方法 第四节 金属压力加工过程的实质及主要方法,第一节 常用的金属材料,金属材料的定义是什么？ 金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料，统称为金属材料。,一、钢铁材料,习惯上，把碳含量2.11%的归类于钢，碳含量2.11%的归类于铸铁。,1、钢 （1）、钢的分类 按化学成分 分为碳素钢（简称碳钢）和合金钢两大类。,碳素钢按含碳量的高低可分为四类： 工业纯铁（又称熟铁） （碳含量0.04%）、 低碳钢（0.04%碳含量0.25%）、 中碳钢（0.25%碳含量0.6%）、 高碳钢（碳含量0.6%）。,合金钢按合金元素总含量的高低可分为三类： 低合金钢（合金元素总含量10%）。,按品质分

3、 根据钢中的S、P等有害杂质的含量的多少来评定。 普通钢S含量0.050%，P含量0.045%； 优质钢S含量0.035%，P含量0.035%； 高级优质钢S含量0.020%，P含量0.030%；, 按用途 分三大类。 结构钢：工程构件用钢（如锅炉钢、钢筋等）机械制造用钢，按其组织和性能特点可分为：渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等。 工具钢：要求具有高的硬度和耐磨性以及足够的强度和韧性。按用途可分为：刃具钢、模具钢、量具钢。 特殊性能钢：指具有某种特殊物理或化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工用钢。,2、铸铁,（1）、铸铁的成分和性能 以Fe-C-Si为主的多元铁基合金。 铸铁的铸造性

4、能优良，因而通常采用铸造的方法制造成铸件使用，故称之为铸铁（又称生铁）。虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的性能。如良好的耐磨性、高的消振性、低的缺口敏感性以及优良的切削加工性。此外，铸铁的铸造性能优于钢。,（2）、铸铁的分类 铸铁的碳有以化合态的渗碳体Fe3C析出,也有以游离态的石墨析出。根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断口颜色的不同，状态可分为三大类：白口铸铁；麻口铸铁；灰口铸铁。,（3）、灰口铸铁的分类 灰口铸铁的性能与成分及基体组织有关外，还取决于石墨的形状、大小、数量及分布。,灰口铸铁按石墨的形状和大小又可分为： 灰铸铁 石墨为片状；(

5、常被称为灰口铸铁) 球墨铸铁石墨为球状； 可锻铸铁石墨为团絮状； 蠕墨铸铁石墨为蠕虫状。,二、有色金属,1、铝及铝合金 工业纯铝纯铝呈银白色，是一种轻金属，面心立方晶格、无同素异晶转变，熔点低（660）、密度小（2.72g/cm3），具有优良的加工工艺性能、导电性、导热性和耐大气腐蚀能力。 工业纯铝是WAl=99.0099.80%的纯铝，主要用来制作电线、电缆、散热片、配置合金等。 纯铝的强度和硬度很低，但塑性很高，可进行冷、热变形加工。, 铝合金 根据铝合金的化学成分及加工方法的不同，分类如下：,变形铝合金主要分为以下四类： 防锈铝合金（代号LF）：属Al-Mn或Al-Mg系合金。 硬铝合金

6、（代号LY）：属Al-Cu-Mg系合金。 超硬铝合金（代号LC）：属Al-Cu-Mg-Zn系四元合金。其抗拉强度可达600MPa，其比强度已相当于超高强度钢。 锻造铝合金（代号LD）：多数为Al-Cu-Mg-Si系四元合金。,2、铜及铜合金, 纯铜又称紫铜，密度为8.96g/cm3，熔点为1083，无磁性。纯铜具有优良的导电性、导热性及抗大气腐蚀性，是重要的导电材料及传热体（如锅炉、制氧机中的冷凝器、热交换器等）。 纯铜的强度低，塑性很好，具有良好的压力加工和焊接性能，易于冷、热加工成形。, 铜合金 黄铜 以锌为主要添加元素的铜合金。 通常把铜锌二元合金称为普通黄铜；若加入了某些其它元素，则称

7、复杂黄铜或特殊黄铜。特殊黄铜可分为锡黄铜、铅黄铜、铝黄铜等。青铜 人类最早应用的青铜是一种铜-锡合金。不以锌为主加元素的铜合金统称为青铜，有锡青铜、铝青铜、铅青铜、铍青铜等。,第二节 金属材料的性能,使用性能：金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能。 工艺性能：指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。,一、力学性能,力学性能（机械性能）：指金属材料在外力（载荷）作用下表现出来的各种性能。 1、强度：材料在外力（载荷）作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。根据载荷作用方式的不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等五种。,工程上常用零件受拉伸时的屈服强度s（或

8、0.2）和抗拉强度b为强度指标。 材料单位面积受载荷称应力，单位是MPa。,屈服强度（s）：指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L时应力值。又称屈服点或屈服极限。 表征了金属材料抵抗微量塑性变形的能力。 抗拉强度（b）：指材料在拉断前承受的最大应力值。也叫强度极限。 表征了金属材料抵抗断裂的能力。,断裂伸长率（）：试样在拉断后标距的残余伸长量与原始标距长度的百分比。断面收缩率（）：试样在拉断后横断面的最大缩小面积与原始断面积百分比。,2、塑性：金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏其完整性的能力。在拉伸试验中的塑性指标有断裂伸长率和断面收

9、缩率。,3、硬度,指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力或材料表面抵抗局部塑性变形的能力。压入法测硬度的常用方法：布氏硬度（HBS、HBW）洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）维氏硬度（HV）等。,4、韧性,指金属在断裂前吸收变形能量的能力，即抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。 指标有：冲击韧性、断裂韧性等。 冲击韧性（k） 通过在摆锤式冲击试验机上利用一次摆锤冲击试验来测定。Ak为试样在冲断过程中吸收的能量。 单位：J/cm2,另外，测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功时， 常采用10mm10mm55mm的无缺口试样。,5、疲劳,交变载荷：大小、方向随时间作周期性变化的载荷。,疲劳：零件在

10、低于材料屈服强度的交变应力作用下发生突然断裂的现象。疲劳曲线：交变应力与断裂循环周次之间的关系曲线。,-1表示光滑试样对称弯曲疲劳极限。“-1”表示最小应力与最大应力的比值。 疲劳强度：指金属材料承受无限次交变载荷作用而不破裂的最大应力。（也称疲劳极限）,试验规定，钢的循环周次为106107次，有色金属107108次。,二、物理、化学性能,物理性能：指金属固有的属性，如密度、比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。化学性能：指金属材料与周围介质接触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。 耐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 高温抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。,三、工

11、艺性能,1、铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能。主要包括流动性、收缩性、偏析等。2、焊接性能：指金属材料通过加热或加压，或两者并用的焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。3、 压力加工性能：压力加工时塑性成形的难易程度。 如：冷弯性能、 冲压性能、锻造性能等。,4、热处理性能 热处理是通过对固态下的材料进行加热、保温、冷却，从而获得所需要的组织和性能的工艺。 钢的热处理性能包括淬透性、晶粒长大倾向、回火稳定性、变形与开裂倾向等5、切削加工性能 指材料接受各种切削加工的难易程度。如车削加工、铣削加工、刨削加工、磨削加工等,第三节 金属的成型方法,

12、金属成型方法归纳起来有以下3类：,(1) 减少质量的成型方法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。 例如：车、刨、铣、磨、钻等金属切削加工；把金属局部去掉的冲裁与剪切、气割与电切；蚀刻加工。优点：能得到尺寸精确，表面光洁，形状复杂的产品； 缺点：原料消耗多，能量消耗大，成本高、生产率较低，对金属结构和性质没有改善。,(2) 增加质量的成型方法由小质量的金属逐渐积累成大质量的产品。 例如：沉积、焊接（压焊、熔焊、钎焊）与铆接、胶结等。优点：能获得形状更为复杂的产品，成型过程中除技术因素外没有产生废品的条件，原料消耗少，故较为经济。,(3) 质量恒定的成型方法 金属本身不分离

13、出多余质量，也不积累增加质量的成型方法。 例如：凝固成形、塑性成形、粉末压制成形。塑性成形是利用金属的塑性，对金属施加一定的外力作用使金属产生塑性变形，改变其形状和性能而获得所要求的产品。,第四节 金属压力加工过程的实质及主要方法,一、金属压力加工过程的实质在于利用金属的塑性。金属压力加工：对具有塑性的金属施加外力(压力或拉力)的作用，使其产生塑性变形，改变金属的形状、尺寸和性能而获得所要求的产品的加工方法。（故又称塑性加工、塑性成形）,金属压力加工具有下列特点： 提高了金属的机械性能。 有些压力加工方法具有较高的生产率。如挤压、模型锻造、轧制、冲压等加工方法均有较高的生产率，比机械加工的生产

14、率高出几倍或十几倍。 节省材料。经压力加工的零体除自由锻造以外，尺寸精度和表面粗糙度至少能达到粗切削加工的水平，部分可直接作为成品使用。要求较高时也只需经过少量的切削加工。 适用范围较广。例如许多薄壁件只能用冲压的方法生产。从简单形状的螺栓、螺钉到形状较复杂的多拐曲轴，从重量不到克的表针到重达数百吨的大轴都可制造。与焊接、铸造等加工方法相比较，压力加工产品的形状比较简单，若要生产外形和内腔复杂的零件较为困难，甚至是不可能的。,二、 金属压力加工的主要方法,金属压力加工的主要方法：,1轧制 轧制：坯料通过旋转的轧辊受到压缩，使其横截面积减小、形状改变、长度增加的加工方法。钢板轧制、型材轧制等。,

15、三种轧制方式：纵轧、斜轧和横轧。,2、锻造锻造：用锻锤的冲击力或压力机的压力使金属进行塑性变形。 锻造是机械零件毛坯生产的重要工艺之一。,锻造通常分为自由锻造和模型锻造。,3、挤压 挤压：将坯料放入挤压机的挤压筒内，以一端施加压力使金属从一定形状和尺寸的模孔中挤出。挤压产品多为型材、管材等。,4、拉拔 拉拔：用拉拔机的夹钳把成形材料从一定形状和尺寸的模孔中拉出。,可生产各种断面的型材、线材和管材。,5、冲压 冲压：靠压力机的冲头把板料冲入凹模中进行拉延。可生产有底的薄壁空心制品，其产品如子弹壳、各种杯件和壳体（如汽车外壳）等。,根据成形时工件的受力和成形方式，分为：主要靠压力作用使金属变形的方式：轧制、锻造和挤压。 主要靠拉力作用使材料成形的方式：拉拔、冲压（拉深等成形工序）、拉形等。 主要靠弯矩作用使材料变形的方式：弯曲（如板带弯曲、金属材的矫直）。 主要靠剪力作用使材料变形的方式：剪切（如板料在模具中的冲孔、落料、冲剪和金属的剪切等）,组合的成形方法，如： 锻造和纵轧组合的辊锻工艺，可生产各种变断面零件(如连杆等)， 锻造和横轧组合的楔横轧工艺，可生产各种阶梯轴和锥形轴， 锻造扩孔和横轧组合的辗环工艺，可生产各种环形件(如轴承环，火车轮箍、齿轮坯等)， 冲压和轧制组合的旋压工艺，可生产各种薄壁空心回转体零件。,