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1、材料成形技术基础（机械类各专业） 杨 沁,1.概述采用适当方法，将原材料变成一定形状、尺寸及功能的毛坯或成品。,性质：是技术性很强的专业技术基础课；是工程训练有关内容的深化和延续；是联系设计和制造的桥梁。,内容：工程材料的成形方法和加工工艺，及对零件结构和材料的工艺性要求。,特点：内容多、概念多、跳动大、理论推导少 要求：定材料、定工艺、定结构 学习经验：易学、易懂、易忘、难用,原材料,毛坯,成形加工,2.机械制造工艺过程,机械加工、特种加工,热处理、表面处理,零件,成品,原材料：金属材料、非金属材料、复合材料,毛坯成形加工：铸、锻、冲、焊等,机械加工、特种加工：切削、磨削、特种加工,热处理、
2、表面处理：材料的改性与处理,检测与质量监控：保证质量的措施,装配：零件的固定、连接、调整、检验和产品试验。,装配,3材料成形中的基本要素及其流动,材料、能量和信息三个基本要素的流动及其相互作用形成物质流、能量流和信息流,使毛坯和零件的成形得以实现,(1) 物质流,质量不变过程: 铸造、塑性成形、表面处理等,质量减少过程 :切削加工、热切割、板料冲裁等,质量叠加过程 : 焊接、胶接和机械连接等,(2)能量流 各种能量的消耗和转化过程称为能量流,(3)信息流,形状信息流 性能信息流,将生产过程中的物质流、能量流和信息流系统化,即“机械制造技术系统” ,具有“自动化、柔 性化、高效化”的综合效果特征
3、,(1) 优化常规工艺(2) 新型加工方法不断出现(3) 高新技术与工艺紧密结合,4材料成形技术的发展趋势,(1) 重大技术装备主要依赖进口70%轿车工业设备、数控机床、纺织机械、胶印设备80%石油化工设备，85%集成电路芯片制造设备90%大型发电设备、95%光纤制造设备(2) 缺乏总体设计、系统集成和系统服务的能力美国GE、IBM，德国SIEMENS，日本三菱重工，法国阿乐斯通，提供成套系统服务、解决方案(3) 人才培养、使用模式与发达国家有一定差距,5我国制造业现状与地位,第1章 机械工程材料概论,1.1 金属材料的主要性能 性能：金属材料在各种情况下的反映,1.1.1 金属材料的力学性能
4、金属材料的力学性能指材料在外力作用下表现出来的特性 力学性能判据可通过相应的金属力学试验进行测定,O,P, l,( =P/F0),(= l/L0),1、静拉伸试验弹性、塑性和强度,O,P,e,S,b,k, l,( =P/F0),(= l/L0),O,P,e,S,b,k, l,( =P/F0),(= l/L0),结论 1弹性: 即物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外力卸除后物体又回复到其原始形状和尺寸的特性。,弹性极限:即金属材料不产生塑性变形时所能 承受的最大应力 eFe / S0 Mpa,2刚度: 即材料抵抗弹性变形的能力以弹性模量E来衡量 E=/ Mpa,3强度 即金属抵抗永久变形和断裂
5、的能力,(1) 屈服点：试样在试验过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力s （ 0.2） =Fs / S0 Mpa,(2) 抗拉强度：即试样拉断前承受的最大标称拉应力 b=Fb / S0,零件选材的基本依据,4塑性 即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力,(1)伸长率：即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比,(2) 断面收缩率：即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,良好的塑性是材料塑性加工的必要条件,5硬度 即材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力,(1) 布氏硬度试验：,(2) 洛氏硬度试验,HBS（HBW)= 0.102,HRA（HR
6、C）= 100- (h2-h1)/0.002,布氏硬度试验测定的硬度值较准确，但不能测薄片材料，也不宜测成品，主要用于较软的金属材料及半成品的硬度测定。,洛氏硬度试验测量简便迅速，压痕小而不损伤工件表面，且可测薄试样和硬材料，常用于成品检验。,布氏硬度值和洛氏硬度值之间可通过硬度换算表进 行比较 。 通常可用 1HRC=10HBS（HBW）估算,布氏硬度HBS值和强度值有如下粗略换算关系碳素钢 b0.35HBS 黄铜及青铜： b0.4HBS（冷变形）硬 铝： b0.37HBS 灰铸铁：b0.1HBS,6韧性 金属在断裂前吸收变形能量的能力,常用的韧性判据是冲击韧度ak ak= Ak /A= m
7、（h1h2）/ A,通常将ak值低的材料称为脆性材料，反之称为 韧性材料,冲击韧度一般仅作为选材的参考 ,但ak对材料的组织缺陷十分敏感，能够灵敏地反映出材料质量的变化,1.1.2 金属材料的物理、化学性能,机械零件的用途不同，对材料的物理、化学性能要求也不同 。金属材料的物理、化学性能对制造工艺也有影响 。,1.1.3 金属材料的工艺性能,金属材料对加工工艺的适应性称为工艺性能 。,1.2 金属的晶体结构与结晶,晶体内部的原子是按一定的次序作有规则排列的 ， 非晶体内部的原子则是作无规则排列的 。,1.2.1 金属的晶体结构,体心立方晶格 有较好的塑性和较大的强度,面心立方晶格 有较好的塑性
8、,密排六方晶格 塑性均较差,1.2.2 金属的结晶过程,1金属的结晶 即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成晶体的过程,2过冷,过冷度 T = ToTn,过冷是结晶的必要条件,3金属的结晶过程,形核,晶核长大,均质形核,非均质形核,结晶过程,4晶粒度及其控制,(1) 金属的晶粒越细，力学性能越好。,(2) 细化晶粒的方法,加入形核剂 增大过冷度 动力学法,热处理、塑性变形也可细化金属晶粒,1.2.3 金属的同素异构转变 金属在固态下随着温度变化改变其晶格类型的过程称为金属的同素异构转变,纯铁加热和冷却时会产生体积变化，并引起内应力,纯铁的同素异构转变性质是钢能够进行热处理的重要理论依据,1
9、.2.4 合金的晶体结构,合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成的金属材料,1固溶体,间隙固溶体,置换固溶体,固溶强化:溶剂的晶格发生畸变，使金属材料的塑性下降，而强度、硬度提高,2金属化合物 由两组元的原子按一定的数量比相互化合而形成的一种新的具有金属特性的物质,通常具有较高的熔点和硬度，且脆性较大,3机械混合物 由纯金属、固溶体或化合物按一定的重量比组成的物质。一般表现为混合均匀，分层而立；且各部分必同时出现在金属中力学性能通常取决于各组元的含量、性能、分布和形态,固溶体 金属化合物 机械混合物,1.3 铁碳合金,1.3.1 铁碳合金的基本组织,铁素体(F或) -Fe铁
10、中溶入碳元素构成的固溶体 强度、硬度低，塑性、韧性好,奥氏体 (A或) -Fe中溶入碳元素构成的固溶体 具有一定的强度，塑性很好,渗碳体 化学式为Fe3C的金属化合物硬度很高、塑性极差,珠光体(P) 铁素体薄层(片)与渗碳体薄层(片)交替重 叠组成的共析组织 强度较高，塑性较差,莱氏体(Ld) 铸铁或高碳高合金钢中由奥氏体(或其转变产物)与渗碳体组成的共晶组织硬 度很高，塑性极差,铁碳合金的组织和性能随着碳含量和温度的变化而变化，其变化规律反映在铁碳相图中。,1.3.2 铁碳相图铁碳相图是用实验方法作出的，是研究钢和铸铁的成分、温度与组织之间关系的重要工具，是选材和制定钢铁材料铸造、锻造和热处
11、理等热加工工艺的基本依据。,1、图中主要特性点的含义,三个主要点：,C: 1148 W(C) = 4.30 共晶点 L Ld（A+Fe3C） 共晶：从液态中同时结晶出两种组织、成份完全不一样的固态组织,S: 727 W(C) = 0.77 共析点 A P（F+Fe3C） 共析：从原来的固态中同时生成另外两种组织、成份完全不一样的固态组织,E: 1148 W(C) = 2.11 碳在r-Fe中的最大溶解度 钢和铁的成份分界点,2相图中主要线的含义： ACD线液相线，合金液冷却到此线时开始结晶，此线以上的区域为液相。 (2) AECF线固相线，合金液冷却到此线时结晶终止，此线以下合金为固态。 (3
12、) ECF线共晶线，合金液冷却到此线时发生共晶反应，从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物（莱氏体）。 (4) GS线冷却时从奥氏体中析出铁素体的开始线，又称A3线。 (5) ES线冷却时从奥氏体中析出二次渗碳体的开始线，又称Acm线。 (6) PSK线共析线，当奥氏体冷却到此线时发生共析反应，同时析出铁素体和渗碳体的混合物（珠光体），又称A1线。,四条主要线：,ECF线 共晶线 产物：机械混合物 Ld（A+ Fe3C ),GS线 奥氏体 铁素体 又称A3线,ES线 奥氏体 Fe3C 又称Acm线,PSK线共析线 产物：机械混合物 Ld （F+ Fe3C )又称A3线,铁碳相图上的线都是组织
13、转变线，成份在此线范围内的铁碳合金，凡是加热或冷却经过此线时必将发生组织转变,4典型铁碳合金的平衡结晶过程,0.77%C LL+AAP,0.3%C LL+AAA+FP+F,1.2%C LL+AAA+Fe3CP+ Fe3C,共晶白口铸铁：,亚共晶白口铸铁：,过共晶白口铸铁：,3铁碳合金的分类及室温组织,铁碳合金,工业纯铁 w（C）0.0218% (F+ Fe3C ),钢,亚共析钢 w（C）= 0.0218 0.77% (F和P) 共析钢 w（C）= 0.77% (P) 过共析钢 w（C）= 0.77 2.11 % (P+ Fe3C）,白口铸铁,亚共晶白口铁,w（C）= 2.11 4.3% (P+
14、 Fe3C+Ld）,共晶白口铸铁,w（C）=4.3% （ Ld）,过共晶白口铁,w（C）= 4.36.69% （ Ld+ Fe3C）,1.3.3 碳对铁碳合金组织和力学性能的影响,当w(C)0.9%时，随碳含量 增加，钢的强度和硬度不断提高，而塑性不断下降,当w（C）0.9%时，随碳含量增加，钢的硬度仍不断上升，但强度和塑性不断下降,在白口铸铁部分，随着碳 含量增加，硬度不断增加，强度不断下降，而塑性则几乎为零,1.4 金属材料1.4.1 钢,1化学成分对钢的力学性能的影响,(1) 杂质元素的影响 C、Si、Mn、S、P通常称为含铁金属的五大元素锰和硅在钢中大部分溶于铁素体，有利于提高钢的强度
15、和硬度，但也使塑性、韧性降低。硫可使钢引起热脆性磷可使钢引起冷脆性 故硫、磷都必须限制含量，通常均0.045,(2) 合金元素的影响 为改善钢的某些性能在钢中特意加入的元素,大部份合金元素使钢的强度、硬度提高 ，如C、Si、Mn 、N、Cr、 Nb、V、Al、Ti 等,Nb、V等元素可细化晶粒，显著提高钢的韧性,大部份合金元素在提高钢的强度、硬度的同时，一般都使钢的塑性和韧性降低,2钢的分类(1) 按化学成分分类 (2) 按主要质量等级分类 (3) 按使用特性分类,3钢的牌号和应用 (1) 非合金钢：,1）碳素结构钢 Q 如:Q235AF 表示屈服点值 主要用来制造一般工程结构和普通机械零件,2）优质碳素结构钢 如:45,60 表示钢中平均碳的质量分数（万分数） 主要用来制造一般工程结构和普通机械零件,3）碳素工具钢 T 如:T8,T10A 一位或两位数字平均碳的质量分数（千分数） 用于制造不受冲击、高硬度、耐磨的工具,
