材料成型概论 第一章 概述 new

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1、授课教师： 曹 燕E-mail: ,材料成型概论,课程的目的和任务,材料成型概论是一门关于材料成型工艺及技术的专业课，通过本课程的学习，使学生系统掌握材料成型的基本方法及原理、特点，材料成型过程、成型设备和成型工艺，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。 教材： 金属压力加工概论 李生智编参考书：材料塑性成型概论 卢秉林编 工程材料及成形技术基础 吕广庶编,材料成型概论*,第一章 概述(材料与材料成型) 第二章 材料塑性成型的基础 第三章 轧制成型 第四章 挤压成型 第五章 锻造成型 第六章 冲压成型 第七章 拉拔成型,第一章 材料与材料成型概述,1.1 材料的发展与分类1.1.1 材料的发展1

2、.1.2 材料的分类1.2 材料成型1.2.1 材料成型的方法1.2.2 材料的关键要素1.2.3 金属塑性成型的方法1.2.4 材料成型的发展趋势,1.1.1 材料的发展,材料是人类生产和社会发展的重要物质基础，也是我们日常生活中不可分割的一个组成部分。 人类社会的发展伴随着材料的发明和发展，人类的文明史是按材料发展阶段划分的。 材料对社会、经济、技术发展有巨大的影响。,新型材料 信息技术 新技术革命的主要标志 生物技术,60年代,70年代,材料在社会与社会发展中的地位,1.1.1 材料的发展,石器时代经历了200300万年。 人类使用材料是始于对工具尤其猎杀工具的需求。 人类最先使用的工具

3、是石器，是用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。 新石器时代（公元前6000 5000年）用粘土烧制成陶器。,铜器时代经历了25003000年 人类寻找石器工具过程中发现和认识了天然金属，在新石器时代后期开始使用天然金属，首先是铜。 然后发现和认识了金属矿石尤其铜矿石（孔雀石）；并在烧制陶器生产中创造了冶金技术。 铜器时代大约始于公元前3800年。公元前3000 前2500在两河流域出现青铜。,1.1.1 材料的发展,1.1.1 材料的发展,铁器时代经历了约3000年 陨铁不如天然铜容易识别，约公元前3000年开始使用天然陨铁。 铁的冶炼大约始于公元前1250年，

4、人类的发展进入铁器时代。 我国春秋战国时期（公元前770 221年）已开始大量使用人工铁器。 16世纪以前铁的冶炼是经验型的。,1.1.1 材料的发展,16世纪中叶，欧洲出现比林古桥的火法技艺和阿格里科拉的论冶金冶金文献。 1740年炼钢和铸钢技术被突破后，钢铁开始蓬勃发展，伴随产业革命发展为人类社会的支柱工业。 这标志着18世纪前是铁的时代，18世纪后是钢的时代，也是冶金学形成的时代。 这一时期钢铁工业的中心在欧洲，英国为代表。 以后，随着冶金理论不断发展，新的技术、方法和装备不断被发明直至上世纪80年代。,现 代 化 大 型 高 炉,转 炉 炼 钢,1.1.1 材料的发展,新材料时代在当代

5、，科学技术和生产飞跃发展。材料、能源和信息作为现代社会和现代技术的三大支柱，发展格外迅猛。材料的发展呈现出合成化、多元化、复合化，正向纳米化发展。,1.1.1 材料的发展,20世纪20年代出现人工合成高分子材料，到70年代中期有机合成材料与钢的体积产量相等。 20世纪60年代半导体材料（晶体管、集成电路等）的出现，引发了计算机及信息产业的革命。 20世纪90年代后期，开始新一代钢铁材料即超细化钢铁材料的研究。 21世纪将是纳米材料时代。,材料成形的学科体系与重点,1.1.2 材料的分类 (按属性分),金属,无机非金属,材 料,钢铁,有色,重金属,轻金属,稀有金属,有机高分子,黑色,贵金属,特种

6、陶瓷,传统陶瓷,塑料,橡胶,合成纤维,半金属,传统陶瓷、水泥、玻璃、耐火 材料、搪瓷、砖瓦、琉璃、 铸石、碳素材料，非金属矿,先进陶瓷、非晶态材料、人 工晶体、磨料、无机涂层、 无机纤维及其他们的复合材 料等,1.1.2 材料的分类,半金属: Si As Se 等,砷，硒,1.1.2 材料的分类 (按属性分),金属: 一般是由金属元素组成的材料，金属往往是较好的导热体和导电体，具有高的强度和好的延展性，抛光后具有金属光泽。陶瓷:一般是由金属元素和非金属元素或非金属元素之间组成的化合物，如氧化物、氮化物、碳化物，具有高的硬度但很脆，很好的耐高温性能等，且大多是电的绝缘材料；,1.1.2 材料的分

7、类,高分子:又称为高聚物一般是基于C、H元素的有机化合物，具有非常大的分子结构，往往具有很低的密度，而且在高温时不稳定。高聚物根据机械性能和使用状态可分为:塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类。,1.1.2 材料的分类,复合材料: 由两个或两个以上类型的材料组成的复合体，按基体类型可分为：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子基复合材料。其它材料: 如半导体材料等电子材料，等等。,应用多,应用多,1.1.2 材料的分类,1.1.2 材料的分类,在轻量化的推动下，铝合金材料应用技术发展很快，在近年来出现的全铝车身以铝密集型汽车(如福特P2000)中，铝的比例更高达37%,1.1.2 材料的分

8、类,材 料,结构材料以力学性能为主 用于结构和建筑工程。,功能材料以物理化学性能为主用于电子、信息、能源等,1.1.2 材料的分类 (按使用性能分),1.1.2 材料的分类 (按使用性能分),物理性能 : 密度, 熔点, 电性能, 磁性能, 光学性能, 导热性等. 化学性能 :指材料在不同条件下抵抗各种化学作用的性能. 耐腐蚀性能, 高温抗氧化性能, 抗老化性能, 降解性能等. 力学性能 :指材料在力的作用下表现出来的各种性能. 抗拉强度, 断裂韧性, 疲劳强度, 抗蠕变强度, 硬度等.,1.2.1 材料成型的方法,材料成型就是把不定形或初定形的原材料按一定方法加工成形状、尺寸和性能满足要求的

9、产品。 按材料的变化 金属材料成型分为： 1. 切削成型（机械加工）体积和质量减小；即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。如：车、刨、铣、磨等。,1.2.1 材料成型的方法,2. 塑性成型体积和质量不变；即金属本身不分离出多余的质量，也不积累增加质量的成型方法。即利用金属的塑性，对金属施加一定的外力作用使金属产生塑性变形，获得一定形状、性能和尺寸的产品金属塑性（压力）加工。,1.2.1 材料成型的方法,3. 液态成型（铸造）、连接成型（铆、焊）、电解沉积、涂镀、粉末冶金等体积或质量增大。即由小质量的金属逐渐积累成大质量的产品。如铸造、铆焊等。 4. 组合成型上述几种成型

10、方法的联合使用。如液态铸轧方法，是铸造与轧制方法的联合；辊锻加工是轧制和锻造方法的联合。,1.2.1 材料成型的方法,金属材料的成型方法主要有：铸造、塑性成型、焊接、切削和粉末冶金等。 陶瓷材料的成型方法主要有：铸造、压力加工和烧结等。 高分子材料的成型方法主要有：铸造（如注塑）、压力加工、切削等。,1.2.2 材料的关键要素,结构、性能与加工方法三者之间的关系,1.2.2 材料的关键要素,(1) 加工工艺,在材料塑性加工成型时，一方面改变了材料外部形状，内部组织结构发生了变化，另一方面也改变了材料性能。 例如，一根金属丝当它通过模具拉拔时，它的直径减小了，同时本身也强化和变硬了。在一般作为导

11、电体用的铜丝中是不希望这种硬化的；而在生产子午线轮胎中的钢丝时恰恰是利用这个过程来实现材料的强化。,1.2.2 材料的关键要素,(2) 成分/组织结构,1.2.2 材料的关键要素,(2) 成分/组织结构,材料的性能取决于材料的成分和内部结构. 组织结构：表示材料微观特征的。组织是相的形态、分布的 图象；结构是指材料中原子或分子的排列方式。 宏观组织 用肉眼或用放大几十倍的放大镜所观察到的组织； 显微组织 100-2000倍显微镜观察到的组织； 电镜组织 用放大几千倍到几十万倍的电子显微镜所观察到的组织.,1.2.2 材料的关键要素,(3) 性能 Properties,材料的性能包括使用性能和工

12、艺性能。 使用性能 : 是指金属材料在使用条件下，表现出来的性能， 它包括机械(力学)性能、物理性能、化学性能等。 金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围 与使用寿命 .,1.2.2 材料的关键要素,(3) 性能 Properties,工艺性能 : 是指金属材料在塑性加工过程中，在所定具体的冷 热加工条件和环境下表现出来的性能。金属材料 工艺性能的好坏，决定了它在塑性加工中加工成形 的适应能力. 包括铸造性能, 锻造性能, 切削性能, 焊接性能, 热处理性能, 冲压性能等.,1.2.2 材料的关键要素,铸造性能 : 铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的能力。对金属

13、材料而言，铸造性主要包括流动性、收缩率、偏析倾向等指标。流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也好。 锻造性能 : 锻造性能是指材料是否易于进行压力加工的性能。锻锻造 性能的好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。一般来 说，钢的可锻性较好，而铸铁不能进行任何压力加工。,1.2.2 材料的关键要素,切削性能 : 切削性能是指材料是否易于切削加工的性能。它与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。有利切削的硬度为HB160230，切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。金属和塑料相比，切削工艺有不同的要求。 焊接性能 : 焊接性能是指材料是否易于焊接在

14、一起并能保证焊缝质量 的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳 钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差。,1.2.2 材料的关键要素,冲压性能 :冲压性能是指板料对各种冲压成形加工的适应能力，它涉及两个主要方面：一是成形极限，希望尽可能减少成形工序；另一是要保证冲压件质量符合设计要求。,1.2.3 金属塑性成型的方法,金属塑性成型是指利用金属的塑性借助工具(模具)对金属铸锭或坯料施加外力，迫使其发生塑性变形，获得预期形状、尺寸和性能成品或制品的加工过程。 又称金属塑性压力加工，简称塑性加工或压力加工。,1.2.3 金属塑性成型的方法,材料利用率高。无削加工，节省金属。一般的

15、塑性成形方法的材料利用率可达到60一70，先进的塑性成形方法现已达到8590，采用连铸坯轧制成品材的利用率可达95%以上。,特 点,1.2.3 金属塑性成型的方法,生产效率高。线材轧制速度已超过100 ms，在120000 kN机械压力机上每小时能生产汽车发动机曲轴90件。 产品质量高,性能好,缺陷少* 改善组织和性能 加工精度和板料冲压时成形极限有限。 模具、设备费用昂贵。,特 点,塑性加工工艺相对于铸造、焊接工艺有产品内部组织 致密、力学性能好且稳定的优点。,1.2.3 金属塑性成型的方法, 对于形状复杂，尺寸精确，表面十分光洁的产品尚不及切削加工； 在成本及形状复杂方面不及铸造； 只能用

16、于生产具有塑性的金属。,不 足,1.2.3 金属塑性成型方法,轧制：生产率高、生产过程的连续性强、易于实现机械化和自动化。 约90%以上的钢材是通过轧制成形的。,加工成型不仅仅是为了 满足材料实际使用对制 品形状、尺寸、精度的 要求，同时对材料的 力学性能、物理性能和 微观组织结构的改善也 有十分重要的作用。,1.2.3 金属塑性成型的方法,1 轧制,轧制成型是指金属轧件通过旋转的轧辊受到压缩产生塑性变形，横断面积减小，长度增加，从而获得要求的断面形状和尺寸，并同时改善金属性能的压力加工方法。轧制的方式：(可实现连续轧制)纵轧、横轧、斜轧。,（1）纵轧轧辊的轴线相互平行或在同一平面内，上下工作辊转动方向相反，轧制时轧件沿与轧辊轴线垂直方向作直线运动且延伸的轧制方式。,