金属工艺学第一单元

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1、第一单元高级工程材料 材料的类型 材料可以按多种方法分类。科学家常根据状态将材料分为：固体、液体或气体。他们 也把材料分为有机材料(曾经有生命的)和无机材料 (从未有生命的)organic (once living) and inorganic (never living) materials. 。 就 工 业 效用 而 言 ， 材 料 被 分为 工 程 材 料 和 非 工程 材 料engineering materials or nonengineering materials. 。那些用于加工制造并成为产品组成部分的就是工程材料。 非工程材料则是化学品、燃料、润滑剂以及其它用于加工制造过程

2、但不成为产品组成部分的 材料。 工程材料还能进一步细分为：金属材料 陶瓷材料 复合材料聚合材料 Metal Ceramics Composite Polymers,，等等。 金属和金属合金 金属就是通常具有良好导电性和导热性electrical and thermal conductivity. 的元素。许多 金属具有高强度、高硬度以及良好的延展性ductility. 。某些金属能被磁化，例如铁、 钴和镍 iron, cobalt and nickel, 。在极低的温度下，某些金属和金属化合物intermetallic compounds 能 转变成超导体superconductors。 合金

3、与纯金属pure metal 的区别是什么？纯金属是在元素周期表periodic table.中占据 特定位置的元素。例如电线electrical wires 中的铜和制造烹饪箔及饮料罐的铝。合金包含 不止一种金属元素。合金的性质能通过改变其中存在的元素而改变。金属合金的例子有：不 锈钢 stainless steel 是一种铁、镍、铬的合金，以及金饰品gold jewelry 通常含有金镍合金。 为什么要使用金属和合金？许多金属和合金具有高密度densities，因此被用在需要较 高质量体积比mass-to-volume ratio. 的场合。 某些金属合金， 例如铝基合金，其密度低， 可用

4、 于航空航天以节约燃料。许多合金还具有高断裂韧性，这意味着它们能经得起冲击并且是耐 用的。 金属有哪些重要特性？ 密度Density 定义为材料的质量与其体积之比。大多数金属密度相对较高，尤其是和 聚合物相比较而言。高密度材料通常由较大原子序数原子构成，例如金和铅。 然而， 诸如铝 和镁之类的一些金属则具有低密度，并被用于既需要金属特性又要求重量轻的场合。 断裂韧性Fracture toughness 可以描述为材料防止断裂特别是出现缺陷时不断裂的能 力。金属一般能在有缺口和凹痕的情况下不显著削弱，并且能抵抗冲击。橄榄球运动员据此 相信他的面罩不会裂成碎片。 塑性变形Plastic defor

5、mation 就是在断裂前弯曲或变形的能力。作为工程师，设计时通 常要使材料在正常条件下不变形。没有人愿意一阵强烈的西风过后自己的汽车向东倾斜。然 而，有时我们也能利用塑性变形。汽车上压皱的区域在它们断裂前通过经历塑性变形来吸收 能量。 金属的原子连结对它们的特性也有影响。在金属内部， 原子的外层阶电子由所有原子共 享并能到处自由移动。由于电子能导热和导电，所以用金属可以制造好的烹饪锅和电线。 因为这些阶电子吸收到达金属的光子，所以透过金属不可能看得见。没有光子能通过金属。 合金是由一种以上金属组成的混合物。加一些其它金属能影响密度、强度、断裂韧性、 塑性变形、导电性以及环境侵蚀。例如，往铝里

6、加少量铁可使其更强。同样，在钢里加一些 铬能减缓它的生锈过程，但也将使它更脆。 陶瓷和玻璃 陶瓷通常被概括地定义为无机的非金属材料。照此定义， 陶瓷材料也应包括玻璃；然而 许多材料科学家添加了“ 陶瓷 ” 必须同时是晶体物组成的约定。 玻璃是没有晶体状结构的无机非金属材料。这种材料被称为非结晶质材料。 复合材料 复合材料由两种或更多材料构成。例子有聚合物/陶瓷和金属 /陶瓷复合材料。之所以使用复 合材料是因为其全面性能优于组成部分单独的性能。例如：聚合物/陶瓷复合材料具有比聚 合物成分更大的模量，但又不像陶瓷那样易碎。 复合材料有两种：纤维加强型复合材料和微粒加强型复合材料。 第二单元金属的热

7、处理 对热处理heat treatment 的理解包含于对冶金学metallurgy.较广泛的研究。冶金学是物 理学、化学和涉及金属从矿石提炼到最后产物final product. 的工程学。热处理是将金属在 固态 solid state 加热和冷却以改变其物理性能physical properties.的操作。按所采用的步骤， 钢可以通过硬化来抵抗切削cutting action 和磨损 abrasion,，也可以通过软化来允许机加工。 使用合适的热处理可以去除内应力internal stresses 、细化晶粒grain size 、增加韧性或在柔 软材料上覆盖坚硬的表面。因为某些元素(尤

8、其是碳 )的微小百分比极大地影响物理性能，所 以必须知道对钢的分析。 合金钢Alloy steel 的性质取决于其所含有的除碳以外的一种或多种元素，如镍、铬、 锰、钼、钨、硅、钒和铜。由于合金钢改善的物理性能，它们被大量使用在许多碳钢不适用 的地方。 下列讨论主要针对被称为普通碳钢carbon steels 的工业用钢commercial steels 而言。热 处理时冷却速率是控制要素controlling factor, ，从高于临界温度快速冷却rapid cooling 导致 坚硬的组织结构，而缓慢冷却则产生相反效果。 淬火 淬火就是把钢件加热到或超过它的临界温度范围critical r

9、ange ， 然后使其快速冷却的过 程。如果钢的含碳量heat-quench 已知，钢件合适的加热温度可参考铁碳合金状态图得到。 然而当钢的成分不知道时，则需做一些预备试验来确定其温度范围。要遵循的合适步骤是 将这种钢的一些小试件specimens 加热到不同的温度后淬火（即热淬heat-quench ） ，再通 过硬度试验或显微镜检查观测结果。一旦获得正确的温度，硬度和其它性能都将有明显的变 化。 在任何热处理作业中，加热的速率都是重要的。热量以一定的速率从钢的外部传导到内 部。如果钢被加热得太快，其外部比内部热就不能得到均匀的组织结构。 如果工件形状不规则，为了消除翘曲和开裂最根本的是加热

10、速率要缓慢。截面越厚， 加热的 时间就要越长才能达到均匀的结果。 即使加热到正确的温度后，工件也应在此温度下保持足够时间以让其最厚截面达到相同温 度。 通过给定的热处理所得到的硬度取决于淬火速率、含碳量和工件尺寸。除了非淬硬钢 或部分淬硬钢外，合金钢中合金元素的种类及含量仅影响钢的淬透性(工件被硬化到深层的 能力 )而不影响硬度。 第三单元铸造工艺 铸造是一种将熔化的金属molten metal 倒入或注入合适的铸模腔并且在其中固化的制 造工艺过程manufacturing process。在冷却期间或冷却后，把铸件cast part 从铸模腔mold cavity. 中取出，然后进行交付。

11、铸造工艺Casting processes和铸造材料技术从简单到高度复杂变化很大。材料和工艺 的选择取决于零件的复杂性和功能、产品的质量要求以及成本预算水平。 通过铸造加工，铸件可以做成很接近它们的最终尺寸。回溯dating back6,000 年历史， 各种各样的铸造工艺就如同科技进步一样处于一个不断改进refinement 和发展evolution a 的状态。 砂型铸造Sand Casting 砂型铸造用于制造大型零件(具有代表性是铁，除此之外还有青铜、黄铜和铝)。将熔 化的金属倒入由型砂(天然的或人造的) 做成铸模腔。本节讨论砂型铸造工艺，包括型模 patterns,、浇注口sprue

12、s 、浇道 runners, 、设计考虑因素design considerations 及铸造余量 casting allowance. 。 砂型里的型腔是采用型模(真实零件的近似复制品)构成的，型模一般为木制，有时也 用金属制造。 型腔整个包含在一个被放入称为砂箱flask.的箱子里的组合体内。砂芯 Core 是 插入铸模mold 的砂型，用于生成诸如孔或内通道passages 之类的内部特征。砂芯安放在 型腔里形成所需形状的孔洞。砂芯座Core print 是加在型模、砂芯或铸模上的特定区域，用 来在铸模内部定位和支撑砂芯。冒口riser 是在铸模内部增加的额外空间，用于容纳过多的 熔化金

13、属。 其目的是当熔化金属凝固和收缩时往型腔里补充熔化金属，从而防止在主铸件中 产生孔隙。 在典型砂型铸造的两箱铸模中，上半部分(包括型模顶半部、砂箱和砂芯)称为上型箱 cope ，下半部分称为下型箱drag,，见图 3.1 所示。分型线或分型面是分离上下型箱的线或 面。 首先往下型箱里部分地填入型砂和砂芯座、砂芯，并在靠近分型线处放置浇注系统gating system。然后将上型箱与下型箱装配在一起，再把型砂倒入上型箱盖住型模、砂芯和浇注系 统。型砂通过振动和机械方法压实。然后从下型箱上撤掉上型箱，小心翼翼地取出型模。其 目的是取出型模而不破坏型腔。通过设计拔模斜度型模垂直相交表面的微小角度偏

14、移量 来使取出型模变得容易。拔模斜度最小一般为1.5mm(0.060in.) ，只能比此大。 型模表面越粗 糙，则拔模斜度应越大。 一般而言，砂型铸造作业的典型阶段包括(如图 3.2 所示 )： 1. 制作型模。做成用于在型砂中形成型腔的形状。 2. 同时还要制作砂芯。这些砂芯用粘结砂做成，等铸件完成后将被打碎取出。 3. 型砂与膨润土之类的添加剂充分地混合以增强连接及整体强度。 4. 型砂在型模周围成形，并根据需要安放闸道、浇道、冒口、排放口和浇注杯等。通常要 采取压紧步骤来保证良好的覆盖和坚固的铸型。安放砂芯来制成铸件的凹形结构或内部特 征。 为了以后铸模匹配还要用到定位销。对大质量铸件可

15、能需要加入冷却物来使其较快冷却。 5. 取走型模，将铸模烘焙以增加强度。 6. 匹配上下铸模，做好浇铸金属的准备。 7. 金属在熔炉或坩埚中预热到高于液化温度的一个合适范围内( 不希望金属在浇铸完成前 凝固 )。确切的温度要根据应用场合严格控制。 在此期间还要进行排气和其它处理步骤，例如去除杂质(即熔渣 )。可以加入一定量原先是这 种金属铸件的废料再融化10%是适当的。 8. 将金属缓慢而连续地注满型模。 9. 随着熔化金属的冷却(几分钟到几天 )，金属收缩体积减小。在此期间熔化金属可能从冒口 回流供给零件以保持其形状不变。 10. 在零件开始凝固其内部形成固态金属的小型树枝状结晶期间金属性能

16、被确定，同时也产 生了内应力。如果零件以恒定速率冷却得足够缓慢，最终零件将相对均质并释放内应力。 11. 一旦零件在共析点以下完全凝固，可以不考虑金属的最后性能而将其取出。这时可以简 单地打碎砂型并取出零件，但零件表面会有大量型砂粘附着，内部还有实心的砂芯。 12.大量的剩余型砂和砂芯要通过机械敲击零件来去除。其它的选择还有采用振动台、喷砂/ 喷丸机、手工作业等等。 13. 最后零件要用刀具、喷枪等切掉浇道闸道系统，这样就接近最终形状了。再用磨削作业 去除多余的部分。 14. 通过机加工将零件切削到最终形状。可能还要用清洗作业去除氧化物等。 第四单元锻造工艺 Forging Processes 引言 锻造是一种重要的热成型工艺hot-forming process. 。它能用于生产各种形状和尺寸、 从很小到重量数吨的零件。 在 锻造 过 程 中先 将 金 属 加热 ， 然 后 施加 合 适 的压 力 使 其 塑性 变 形 （压 力 捶 打 compressive force. ） 。通常压力都是以由如图4.1 所示的动力锤power hammer 或压力机提供 的