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工程认识讲稿

工程认识第三讲

地壳中含量─铝人体中含量─钙世界年产量─铁（14.14亿吨，中国大陆6.267亿吨，44.3%）

导电、热性─银硬度最高──铬熔点最高──钨密度最大──锇22.48

密度最小──锂0.534延展性4000米

一、工程材料的发展历史

（1）石器时代

在人类的发展史上，最先使用的工具是石器。

中华民族的祖先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。

（2）陶器时代（新石器时代）

中国名扬四海的时代（公元前6000年～公元前5000年），中华民族的先人们用粘土（主要成分为SiO2，Al2O3）烧制成陶器。

马家窑（甘肃）文化时期的陶器表面彩绘有条带纹、波纹和舞蹈纹等，到东汉时期发明了瓷器。

我国是最早生产瓷器的国家。

（3）铜器时代

中国人最骄傲的时代公元前二千多年的夏代，我国就掌握了青铜冶炼术；到距今三千多年前的殷商、西周时期，技术达到当时世界高峰，用青铜制造的生产工具、生活用具、兵器和马饰，得到普遍应用，从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎重达875公斤，是迄今世界上最古老的大型青铜器。

（4）铁器时代

中国人最辉煌的时代春秋战国时期（公元前770年～公元前221年）开始大量使用铁器。

西汉时期炼铁技术有很大的提高，比欧洲早1700多年。

与此同时，铸造、锻造、锡焊、银焊等成形技术相继出现并广泛应用

创造了三种炼钢方法：

自然钢百炼钢灌钢

两步炼钢技术：

先炼铁后炼钢，比其它国家早1600多年

热处理技术：

制剑技术达到登峰造极地步，天下第一剑1965年冬天出土于湖北省荆州市附近的望山楚墓群中

（5）新材料时代

中国大发展的时代（金属、高分子、陶瓷及复合三分天下）

航空、航天材料迅速崛起：

1966年我国成功发射人造卫星；

99年11月21日我国载人航天工程第一艘试验飞船“神舟”一号飞行成功；

2008年9月25日中国第一艘载人飞船“神舟”7号飞行成功。

飞机制动片（F－16）。

黄伯云高性能粉末冶金飞机刹车材料制造、张立同耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术

863-973

（6）总结

古代，中国在金属材料方面的贡献大；现代，落后，贡献大的是英国。

二、金属加工方法简介

我们今天面对的加工对象：

金属

金属分为纯金属和合金。

一种金属元素与其它金属元素或非金属元素通过熔炼或其它方法而合成的具有金属特性的材料，称为合金。

日常生活中常用的金属材料都是合金。

没有金属材料，就没有现代社会，现代生活。

（1）冲压加工

机械工程（一级学科）；锻压（二级学科）；冲压（三级学科）

冲压stamping；pressing使板料经分离或成形而得到制件的工艺。

冲压设备：

主要有剪床和冲床两大类。

剪床是完成剪切工序，为冲压生产准备原料的主要设备。

冲压加工的应用：

工业（汽车、空调）、民用（日常用品）。

全世界的钢材中，有60～70％是板材，其中大部分经过冲压制成成品。

据有关调查统计，自行车，缝纫机，手表里有80%是冲压件；电视机，收录机，摄像机里有90%是冲压件；电脑的硬件。

板料冲压：

利用冲模在压力机上使板料分离或变形，从而获得冲压件的加工方法称为板料冲压。

板料冲压的坯料厚度一般小于4mm，通常在常温下冲压，故又称为冷冲压。

冲压的特点：

冲压生产操作简单，生产率高，易于实现机械化和自动化。

冲压件的尺寸精确，表面光洁，质量稳定，互换性好，一般不再进行机械加工，即可作为零件使用。

金属薄板经过冲压塑性变形获得一定几何形状，并产生冷变形强化，使冲压件具有质量轻、强度高和刚性好的优点。

冲模是冲压生产的主要工艺装备，其结构复杂，精度要求高，制造费用相对较高，故冲压适合在大批量生产条件下采用。

冲压设备：

主要有剪床和冲床两大类。

剪床是完成剪切工序，为冲压生产准备原料的主要设备。

剪板机应用

压弯机应用

（2）锻造

锄头、镰刀、轿车底盘（一汽）、飞机大梁（101厂给波音生产，3万吨油压机），两者区别是什么？

自由锻：

利用冲击力或压力，使金属在上、下砧铁之间，产生塑性变形而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的一种加工方法。

自由锻分类：

手工锻造和机器锻造两种。

手工锻造只能生产小型锻件，生产率也较低。

机器锻造是自由锻的主要方法。

自由锻的特点：

工具简单、通用性强，生产准备周期短。

自由锻件的质量范围可由不及一千克到二、三百吨，对于大型锻件，自由锻是唯一的加工方法，这使得自由锻在重型机械制造中具有特别重要的作用，例如水轮机主轴、多拐曲轴、大型连杆、重要的齿轮等零件在工作时都承受很大的载荷，要求具有较高的力学性能，常采用自由锻方法生产毛坯。

由于自由锻件的形状与尺寸主要靠人工操作来控制，所以锻件的精度较低，加工余量大，劳动强度大，生产率低。

自由锻主要应用于单件、小批量生产，修配以及大型锻件的生产和新产品的试制等。

模锻具有如下优点：

生产效率较高。

模锻时，金属的变形在模膛内进行，故能较快获得所需形状。

能锻造形状复杂的锻件，并可使金属流线分布更为合理，提高零件的使用寿命。

模锻件的尺寸较精确，表面质量较好，加工余量较小。

节省金属材料，减少切削加工工作量。

在批量足够的条件下，能降低零件成本。

模锻操作简单，劳动强度低。

（3）焊接

什么是焊接？

焊接技术就是高温或高压条件下，使用焊接材料（焊条或焊丝）将两块或两块以上的母材（待焊接的工件）连接成一个整体的操作方法。

焊接技术是随着金属的应用而出现的，古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊。

中国商朝制造的铁刃铜钺，就是铁与铜的铸焊件，其表面铜与铁的熔合线蜿蜒曲折，接合良好。

春秋战国时期曾侯乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙，是分段钎焊连接而成的。

经分析，所用的与现代软钎料成分相近。

战国时期制造的刀剑，刀刃为钢，刀背为熟铁，一般是经过加热锻焊而成的。

据明朝宋应星所著《天工开物》一书记载：

中国古代将铜和铁一起入炉加热，经锻打制造刀、斧；用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上，分段煅焊大型船锚。

焊接技术主要应用在金属母材上，常用的有电弧焊，氩弧焊，CO2保护焊，氧气-乙炔焊，激光焊接，电渣压力焊等多种，塑料等非金属材料亦可进行焊接。

金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。

电弧焊

a）手工电弧焊

20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用，同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧焊进入实用阶段，电弧焊从1920年起成为一种重要的焊接方法。

被焊材料选择：

碳钢、低合金钢、铸铁、铜及铜合金、铝及铝合金

应用选择：

各类中小型结构

电弧组成：

阴极区、阳极区、弧柱区三部分，如图3-1所示。

图3-1　电弧的构造

1-电极2-直流电源3-弧柱区4-工件5-阳极区6-阴极区

阴极区发射电子，因而要消耗一定的能量，所产生的热量占电弧热的36%左右；在阳极区，由于高速电子撞击阳极表面并进入阳极区而释放能量，阳极区产生的热量较多，占电弧热的43%左右。

用钢焊条焊接钢材时阴极区平均温度为2400K，阳极区平均温度为2600K。

弧柱区的长度几乎等于电弧长度，热量仅占电弧热的21%，而弧柱区的温度可达6000K～8000K。

焊条直径是由焊丝直径来表示的，一般为1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0、6.0、8.0mm等规格，长度为300～450mm。

焊条的种类根据熔渣化学性质的不同，焊条可分为酸性焊条和碱性焊条。

J422（结422）：

“J”（“结”）表示结构钢焊条，“42”表示熔敷金属的抗拉强度（σb）不低于420MPa（43kgf/mm2），“2”表示氧化钛钙型药皮，交流、直流电源均可使用。

b）气体保护电弧焊

气体保护电弧焊：

用气体将电弧、熔化金属与周围的空气隔离，防止空气与熔化金属发生冶金反应，以保证焊接质量。

保护气体主要有Ar、He、CO2、N2等。

CO2气体保护焊

被焊材料选择：

碳钢、低合金钢、不锈钢

应用选择：

致密、耐蚀、耐热的焊件

CO2气体保护焊的优点：

CO2气体保护焊的成本仅为手工电弧焊和埋弧焊的40%～50%；

CO2电弧穿透能力强，熔深大，生产率比手工电弧焊高1～4倍；

焊缝氢含量低，焊丝中Mn含量高，脱硫作用好，因而焊接接头的抗裂性好。

气焊

利用可燃气体在氧气中燃烧时所产生的热量，将母材焊接处熔化而实现连接的一种熔焊方法。

可燃气：

乙炔、液化石油气等。

以乙炔为例，其在氧气中燃烧时的火焰温度可达3200℃。

气焊火焰温度低，加热速度慢，加热区域宽，焊接热影响区宽，焊接变形大，且焊接过程中，熔化金属受到的保护差，焊接质量不易保证，因而其应用已很少。

但气焊又具有无需电源、设备简单、费用低、移动方便、通用性强等特点，因而在无电源场合和野外工作时有实用价值。

目前，主要用于薄钢板（厚度0.5～3mm）、铜及铜合金的焊接和铸铁的补焊。

激光焊

激光的产生:

物质受激励后，产生的波长、频率、方向完全相同的光束。

激光的特点:

具有单色性好、方向性好、能量密度高的特点，激光经透射或反射镜聚焦后，可获得直径小于0.01mm、功率密度高达1013W/cm2的能束，可以作为焊接、切割、钻孔及表面处理的热源。

产生激光的物质有固体、半导体、液体、气体等，其中用于焊接、切割等工业加工的主要是钇铝石榴石（YAG）固体激光和CO2气体激光。

激光器产生激光束，通过聚焦系统聚焦在焊件上，光能转化为热能，使金属熔化形成焊接接头。

激光焊有点焊和缝焊两种。

点焊采用脉冲激光器，主要焊接0.5mm以下的金属薄板和金属丝，缝焊需用大功率CO2连续激光器。

（4）铸造foundry;founding;casting

熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸、成分、组织和性能铸件的成形方法。

所属学科机械工程（一级学科）；铸造（二级学科）

铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。

中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。

中国商朝的重875公斤的司母戊方鼎，战国时期的曾侯乙尊盘，西汉的透光镜，都是古代铸造的代表产品。

早期的铸件大多是农业生产、宗教、生活等方面的工具或用具，艺术色彩浓厚。

那时的铸造工艺是与制陶工艺并行发展的，受陶器的影响很大。

中国在公元前513年，铸出了世界上最早见于文字记载的铸铁件－晋国铸型鼎,重约270公斤。

欧洲在公元八世纪前后也开始生产铸铁件。

铸铁件的出现，扩大了铸件的应用范围。

例如在15～17世纪，德、法等国先后敷设了不少向居民供饮用水的铸铁管道。

18世纪的工业革命以后，蒸汽机、纺织机和铁路等工业兴起，铸件进入为大工业服务的新时期，铸造技术开始有了大的发展。

铸造业的发展，铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一，因此铸造业的发展标志着一个国家的生产实力。

据2010年统计，我国年产铸件5000万吨，是世界铸造第一大国。

汽车零部件中有众多产品就是铸件产品，例如：

汽车发动机缸体、缸盖、变速箱壳体、进气歧管、排气岐管、曲轴、凸轮轴、活塞、车轮轮毂等等。

不过，与发达工业国家相比，我国汽车铸件产品占铸件总产量的比例仍不足。

据统计，美国汽车铸件占铸件总产量的33％，而我国汽车铸件只占铸件总产量的20%不到。

铸造种类很多，按造型方法习惯上分为①普通砂型铸造，又称砂铸，翻砂②特种铸造

砂型铸造是传统的铸造方法，它适用于各种形状、大小及各种常用合金铸件的生产。

特种铸造：

铸型用砂较少或不用砂、采用特殊工艺装备进行铸造的方法，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造和实型铸造等。

特种铸造特点：

特种铸造具有铸件精度和表面质量高、铸件内在性能好、原材料消耗低、工作环境好等优点。

但铸件的结构、形状、尺寸、重量、材料种类往往受到一定限制。

实型