材料成型工艺基础.docx

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材料成型工艺基础

绪论

材料成形：

所有利用物理、化学、冶金原理使材料成形的方法，称之为材料成形加工工艺。

一、材料与材料科学

材料是用来制作有用器件的物质，是人类生产和生活所必须的物质基础。

历史学家把人类社会的发展按其使用的材料类型划分为石器时代、青铜时代、铁器时代，而今正处于人工合成材料的新时代。

材料科学的研究内容

材料科学是研究各种固体材料的成分、组织、性能和应用之间关系及其变化规律的科学，它包括四个基本要素：

材料的合成与制备，成分与组织结构，材料性能和使用性能。

材料的分类

按化学成分：

金属材料：

钢、铸铁、铜、铝等

高分子材料：

塑料、橡胶、胶粘剂、纤维材料等

陶瓷材料

复合材料

金属材料是怎么得到的呢？

冶炼----把金属从矿石中提炼出来，这个过程就叫金属的冶炼。

材料新技术

芯片

光纤

超导材料

二、材料成形技术

1、课程性质

材料成形基础是一门研究常用工程材料坯件及机器零件成型工艺原理的综合性技术基础学科。

2、材料成形加工在国民经济中的地位

材料成形加工在工业生产的各个部门和行业都有应用，尤其对于制造业来说更是具有举足轻重的作用。

制造业是指所有生产和装配制成品的企业群体的总称，包括机械制造、运输工具制造、电气设备、仪器仪表、食品工业、服装、家具、化工、建材、冶金等，它在整个国民经济中占有很大的比重。

统计资料显示，在我国，近年来制造业占国民生产总值GDP的比例已超过35%。

同时，制造业的产品还广泛地应用于国民经济的诸多其他行业，对这些行业的运行产生着不可忽视的影响。

因此，作为制造业的一项基础的和主要的生产技术，材料成形加工在国民经济中占有十分重要的地位，并且在一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平。

通过下面列举的数据，可以帮助我们真切、具体地了解到成形加工对制造业和国民经济的影响。

据统计，占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接制成构件或产品后投入使用的；在机床和通用机械中铸件质量占70~80%，农业机械中铸件质量占40~70%；汽车中铸件质量占约20%，锻压件质量约占70%；飞机上的锻压件质量约占85%；发电设备中的主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；家用电器和通信产品中60~80%的零部件是冲压件和塑料成形件。

再从我们熟悉的交通工具——轿车的构成来看，发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都是铸造而成，连杆、传动轴、车轮轴等是锻造而成，车身、车门、车架、油箱等是经冲压和焊接制成，车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等是塑料成形制件，轮胎等是橡胶成形制品。

因此，可以毫不夸张地说，没有先进的材料热加工工艺，就没有现代制造业。

我国是世界上少数的几个拥有运载火箭、人造卫星和载人飞船发射实力的国家，这些航天飞行器的建造离不开先进的加工成形工艺，其中，火箭和飞船的壳体都是采用了高强轻质的材料，通过先进的特种焊接和胶接技术制造的。

3、课程内容

作为高等工科学校机械类专业学生的一门技术基本课，本课程主要涉及的是与机械制造有关的材料成形加工工艺的基础知识。

它主要研究：

各种成型工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系；零件的成型工艺过程和结构工艺性；常用工程材料性能对成型工艺的影响；工艺方法的综合比较等。

它几乎涉及机器制造中所有工程材料的成型工艺。

机械制造是将原材料制造成机械零件，再由零件装配成机器的过程。

其中，机械零件的制造在整个机械制造的过程中占据了很大的比重，而成形加工又是机械零件制造的主要工作。

传统上的机械大都是用金属材料加工制造的，随着科学和生产技术的发展，机械制造所用的材料已扩展到包括金属、非金属和复合材料在内的各种工程材料，因此机械产品的成形加工工艺也就不再局限于传统意义上的金属加工的范畴，而是将非金属和复合材料等的成形加工也包含进来了。

金属材料的成形一般有铸造、塑性成形、焊接、粘接和机械加工（包括切削加工和特种加工）等常用方法，非金属和复合材料则另有各自的特殊成形方法。

4、基本要求

本课程是机械类专业的主干课程之一，也是部分非机械类专业通常开设的一门课程。

学生在学完本课程之后，应达到以下基本要求：

■

（1）掌握各种热加工方法的基本原理、工艺特点和应用场合，了解各种常用的成形设备的结构和用途，具有进行材料热加工工艺分析和合理选择毛坯（或零件）成形方法的初步能力。

■

（2）具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力。

■（3）了解与材料成形技术有关的新材料、新工艺及其发展趋势。

第一章金属材料导论

第一节金属材料的性能

一、材料的性能

二、材料在载荷作用下的力学行为

       材料在载荷（外力）作用下的表现（反应），人们习惯称之为力学行为。

材料在载荷作用下，对于塑性材料来说会产生弹性变形，塑性变形，直至断裂。

1.弹性变形

    当物体受外力作用时产生了变形，若除去外力，物体发生的变形会完全消失，恢复到原始状态，这种变形称之为弹性变形。

2.塑性变形

当外力增加到一定程度时，物体发生的变形不能完全消失而一部分被保留下来，所保留的变形称之为塑性变形或永久变形。

3.断裂

  断裂前出现明显宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂；在断裂前没有宏观塑性变形的断裂行为称之为脆性断裂。

三、材料在静载荷作用下的主要力学性能指标

静载荷是指加载方式不影响材料的变形行为，加载速率较为缓和的载荷。

材料在静载荷作用下的主要力学性能指标有弹性，刚度,强度，塑性，硬度等性能指标可通过拉伸试验和硬度试验测得。

１.弹性极限σe：

材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，以σe表示,单位为ＭＰa。

２.弹性模量（E）：

材料在弹性变形的阶段内，直线的斜率，即产生单位弹性应变所需要的应力值，以Ｅ表示，单位ＭＰa。

其大小反映材料刚度大小。

材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。

强度：

材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。

3.屈服强度（点）σs:

材料产生屈服时的最低应力值称为屈服点，以σs表示，单位为ＭＰa。

它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。

4.抗拉强度σb

　　材料在拉断前所承受的最大应力值，称为抗拉强度，通常用σb表示，单位ＭＰa。

它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。

抗拉强度—是脆性材料选材的依据。

5.塑性

材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。

常用δ和ψ作为衡量塑性的指标。

伸长率：

断面收缩率:

良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。

（三）硬度

金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。

它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。

材料的硬度越高其耐磨性就越好，并且材料的硬度与它的力学性能和工艺性能（如切削加工性、焊接性能等）之间存在着一定的对应关系，所以硬度是最常用的性能指标之一。

在一些零件图中硬度是检验产品质量的重要指标。

1.布氏硬度（HB）

（1）测试原理

    布氏硬度实验用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面，保持一定时间后，卸除试验力，在试样表面得到直径为d的压痕直径，用试验力除以压痕表面积所得的值即为布氏硬度值，用ＨＢ表示。

计算公式：

（2）测定条件

压头为淬火钢球，适于测定硬度在450以下的材料，如结构钢、铸铁及非铁合金等，以HBS表示；压头为硬质合金，以HBW表示，适于测定硬度值在450以上的材料，最高可测650HBW。

（3）表示方法例如：

120HBS10/1000/30

（4）适用范围

铸铁、铸钢、非铁金属材料及热处理后钢材毛坯或半成品。

２.洛氏硬度（HR）

⏹

（1）测试原理

⏹洛氏硬度值用主载荷作用下试样产生塑性变形压痕深度BD来确定

⏹

（2）表示方法

⏹硬度标尺：

HRA、HRB、HRC，C标尺最常用。

⏹如250HRC

⏹（3）适用范围

⏹在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用，也可测定较薄工件或表面有较薄硬化层的硬度。

常用洛氏硬度标尺的实验条件和应用

ＨＲ前面为硬度数值，后面为使用的标尺。

最常用的是：

ＨＲＡ，ＨＲＢ，ＨＲＣ三种。

其中Ｃ标尺用的最多。

３.维氏硬度（HV）

（1）测试原理

    维氏硬度试验原理和布氏硬度试验原理基本相同。

将顶角为136°的正四棱锥金刚石压头，在载荷的作用下，压头进入试件表面，保持一定的时间后，卸除载荷，测量压痕两对角线长度d1和d2，求其平均值，用于计算压痕表面积。

（2）表示方法

⏹例如：

640HV30/20

（3）适用范围

⏹用于测量金属镀层薄片材料

⏹和化学热处理后的表面硬度。

⏹*各硬度值之间大致有以下关

⏹系：

布氏硬度值在200-450范围

⏹内，HBS（HBW）=10HRC；布氏硬

⏹度值小于450HBS，HBS≈HV。

四、材料在动载荷作用下的主要力学性能指标

动载荷是指突加的、冲击性的大小、方向随时间而变化的载荷。

材料在动载荷作用下的力学性能，包括冲击韧性和疲劳强度。

1．冲击韧性:

材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。

2．疲劳强度:

指材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值，用σ-1表示，单位为Mpa。

它表现了材料抵抗疲劳断裂的能力。

疲劳断裂：

零件在循环应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后突然产生断裂的过程。

是由疲劳裂纹产生－－扩展－－瞬时断裂三个阶段组成的。

特点：

①断裂前无明显的塑性变形，很难事先察觉到，断裂突然发生。

②断裂时应力很低，大多低于σs，属于低应力脆断。

第二节金属及合金的结晶

一金属的结构

1．金属键:

由金属正离子和自由电子之间相互作用而结合的方式称为金属键。

根据金属键的结合特点可以解释金属晶体的一般性能。

由于自由电子的存在，容易形成电流，显示出良好的导电性。

自由电子的易动性和正离子的振动使金属有良好的导热性。

金属原子移动一定位置后，金属键不会遭到破坏，使金属具有很好的形变能力和强度。

自由电子可以吸收光的能量，因而金属不透明。

自由电子所吸收的能量在电子回复到原来状态时产生辐射，使金属具有光泽。

2.金属的晶体结构

所有的金属和合金都是晶体

晶格—原子排列形成的空间格子

晶胞—组成晶格最基本的单元

金属的典型晶体结构

3、晶面与晶向

晶面：

各个方位上一系列原子组成的平面。

晶向：

各个方向上的原子列。

1）晶面指数（hkl）

标定过程

2）晶向指数[uvw]

4．金属的实际晶体结构

（1）多晶体结构

晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶体为单晶体。

实际使用的金属材料包含有许多外型不规则的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向都是一致的，而各小晶体之间位向却不相同，称多晶体。

外形不规则、呈颗粒状的小晶体称为晶粒。

晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。

（2）晶体缺陷

在晶体内部及边界存在原子排列的不完整性，称为晶体缺陷。

按其几何形状的特点，晶体缺陷可分为以下三类：

1）点缺陷：

是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。

主要有空位和间隙原子。

2）线缺陷：

指三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。

属于这类缺陷主要是位错。

位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。

它又分为刃型位错、螺型位错

3）面缺陷

指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。

通常是指晶界和亚晶界。

晶界：

晶粒之间的边界称为晶界。

亚晶界：

亚晶粒之间的边界叫亚晶界。

亚晶粒：

尺寸很小、位向差也很小的小晶块。

二、金属的结晶过程

1.金属的结晶过程

（1）金属结晶的过冷