四章节机械制造基础.ppt

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1、第四章 机械制造基础,第四章 机械制造基础,任何机械或器件都是由零件构成的，而零件又是由各类材料经过加工制成的。通过对大量机械零件失效的机理分析发现，材料选择合适与否与零件加工过程的好坏是影响机械零件寿命和使用可靠性的最重要的两个因素。材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能，通常指其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等；使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,材料是用来制造器件、构件和其它使用物质的总称，是人类生产和生活必需的物质基础，是科学技术

2、进步的基础。材料技术的不断发展，为整个科学技术的进步提供了坚实的基础，而科学技术整体的进展，对材料的品种和性能提出了更高的要求，从而又刺激了材料技术的高速发展。历史学家曾把材料及其器具作为划分时代的主要标志：石器时代、青铜器时代、铁器时代等,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,材料是用来制造器件、构件和其它使用物质的总称，是人类生产和生活必需的物质基础，是科学技术进步的基础。材料技术的不断发展，为整个科学技术的进步提供了坚实的基础，而科学技术整体的进展，对材料的品种和性能提出了更高的要求，从而又刺激了材料技术的高速发展。历史学家曾把材料及其器具作为划分时代的主要标志：石器时代、青铜器时代、

3、铁器时代等,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,我们常常使用“工程材料”这个词。工程材料在较广的定义上与“材料”相差无几，但它还有一个比较专门的定义，指那些具有专门设计的结构、专门的性能、专门用于某一领域的材料。从事材料，尤其是工程材料的开发、研究工作的学科领域称为材料科学与工程。材料科学着重于发现材料的本质，并由此对结构与组成、性质、使用性能之间的关系作出描述与解释；而材料工程则是应用材料科学的知识，对材料进行开发、制造、修饰并实现其具体应用。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,为开发新的工程材料，材料学家们先是设计出新的材料结构，再开发出新的制造方法，使材料的种类呈几何级数增长。

4、,图4-1 材料成熟曲线,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,飞机结构材料的发展 世界上第一架金属飞机是德国 Hans Reissner公司于1912年设计制造并试飞成功的，它的机翼材料是纯铝。到30年代初期，出现了合金铝的机身和机翼，如波音757的材料就是80%的合金铝，12%钢铁，3%的复合材料。以铝为主的材料结构延续了很长时间，到超音速时代就不得不改变了。因为铝的强度只能维持到195。目前的超音速客机协和式和SR71式侦察机的机身都采用了钛合金。麦道公司于70年代设计的Harrier式飞机，率先将铝合金全部换成了碳纤维与环氧树脂的复合材料。Voyager式飞机由于大量采用复合材料，一

5、次加油就能够绕地球一周。目前已经出现了除发动机外全部用复合材料制造的的飞机。,图4-2波音757飞机,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,所谓新材料或者新型材料，是指那些新近发展或正在发展中的、具有优异性能和特殊功能，对加速科学技术进步、促进国民经济的发展、增强国防实力具有重大推动作用的材料。新型材料是相对于传统材料而言的，两者之间并没有截然的分界，新型材料的发展往往以传统材料为基础，传统材料的进一步发展也可成为新型材料。各国都将新材料研究开发工作置于特殊地位，竞相制订发展规划，采取各种措施，力争抢占新材料技术的“制高点”，以推动本国在各个高技术领域持续稳定发展。,图4-3法拉利跑车,图4

6、-4 太阳能发电站(澳大利亚),第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.1 金属材料 在所有的材料里，金属王国地盘最大，历史最久。在人类已经发现的107种元素中，和“金”字“沾边”的竟多达84种。金属材料分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。金属材料技术也就分为黑色冶金、有色冶金以及相关的加工成型技术。,图4-5各类金属制品,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.1 金属材料1 黑色金属材料 各种钢铁材料都属于黑色金属材料，它包括单独冶炼的铁金属，也包括铁、铬、锰等金属和碳、硅、硫、磷等非金属元素混合冶炼所得的材料。现在狭义上的黑色金属仅指铁及其合金。铁在地壳中的含量为4.7

7、5%，在地壳中的含量仅次于铝，它是当前应用最广，用量最大的金属。根据其铁碳合金中含碳量不同，分为碳钢和铸铁。含碳量小于2.11的称为碳钢，含碳量大于2.11的称为铸铁。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.1 金属材料1.黑色金属材料 以钢铁为代表的黑色金属材料是100多年来的基本结构材料，近代工业基本上是在钢铁材料的基础上发展起来的。钢铁产量往往成为衡量一个国家工业水平和生产力的尺度。世界钢的年产量增长很快，1700年10万吨；1800年为80万吨；1900年增至4190万吨；1980年世界钢产量已达7.4亿吨以上；2000年为16-17亿吨。2006年仅中国钢产量就超过了4.6

8、亿吨。目前，在整个结构材料中，钢材应用的比例大约占66%，仍占主导地位。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.1 金属材料2.有色金属材料 有色金属是指除了钢铁等黑色金属以外的其它金属。常用的有铝、铜、钛、镍、钴、钨、钼、锡、铅、锌、金、银、铂等。它们的耗用量虽比钢铁少得多，据统计，世界钢产量和有色金属产量之比约为100：5，但却是现代工业所不可缺少的。它们有许多特殊的优良性能，如导电、导热性能好，比重小、化学性质稳定，耐热、耐腐蚀，工艺性好等，因此，有色金属被广泛用于电气、机械、化工、电子、轻工、仪器仪表和航空、航天技术领域。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.1

9、金属材料2.有色金属材料 在常规武器制造方面，铜、铅及其合金用于制造子弹及炮弹镁用于制造照明弹和燃烧弹；铝、镁及其合金用于制造飞机，战车和坦克。含镍合金钢用于制造各种武器的结构件等。在火箭、导弹、航天飞机的制造方面，主要以铝，其次是镁、钛及其合金作为结构材料；铍用于大型运输机的圆盘制动器，可使重量减轻26，稀有高熔点金属是火箭发动机的关键材料。如美国“大力神”洲际导弹的燃烧室就是用Ti6Al4V合金制造的，一艘载一个人的宇宙飞船，总重力4.5t，而高熔点金属就有1.13t。在原子反应堆、核潜艇等方面，除放射性金属是原料外，锂-6可用于制造氢弹，美国1970年有70以上的锂用于生产氢弹。锆可作为

10、核反应堆的包套材料，铪可作为核反应堆的控制棒。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.1 金属材料2.有色金属材料 在有色金属中用途最广泛的是铝。铝制品几乎深入到我们生活的各个角落。家家户户使用的烹饪器皿，厨房用具大都是铝制品，铝还可以制造各种家具、电器用品、船舶、建筑材料、电缆、管道、机械、储油罐等。铝在地壳中的含量差不多比铁多一倍，约占地壳总重量的7.5%，在金属中占首位。只要加入铜、镁，即可炼成坚韧的铝合金，强度高、重量轻、用途广、导电性能良好，外表氧化铝层保护膜还可抗腐蚀，现已成为第二位广泛应用的金属。铝的得来却不容易，直至1854年法国化学家德维尔才成功地利用金属钠把氧化铝

11、还原为金属铝，当时金属钠的售价相当惊人，比黄金还要昂贵。1884年，美国的霍尔第一次用电解法得到铝，这才使铝得到广泛运用。世界铝产量1905年才1万吨，1943年年即达到200万吨，1973年已达1093万吨，2006年约为3200万吨。2006年中国的铝产量约935万吨。,图4-6 各类铝制品,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.1 金属材料2.有色金属材料 铜及其合金也是被广泛使用的有色金属。铜是人类最早知道并用于生产的第一种金属。铜在自然界储量非常丰富，在地壳中的含量约为0.01%，并且加工方便。最初人们使用的只是存在于自然界中的天然单质铜，用石斧把它砍下来，便可以锤打成多种

12、器物。含铜的矿物比较多见，可以煅烧后用碳还原。目前高纯铜多采用电解法生产，故常称为电解铜，纯度可达99.99。纯铜因其强度低使其工业应用受到限制，实际使用广泛的是铜合金。迄今为止，世界上已开发并定型生产的铜合金有余种。最常见的是黄铜、青铜和白铜。,图4-7 纯铜制作的管子,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.1 金属材料2.有色金属材料 纯净的铜是紫红色的金属，俗称“紫铜”、“红铜”或“赤铜”。纯铜富有延展性。象一滴水那么大小的纯铜，可拉成长达两公里的细丝，或压延成比床还大的几乎透明的箔。纯铜的导电性和导热性很高，仅次于银，但比银要便宜得多。因此成了电气工业的“主角”。纯铜的用途比

13、纯铁广泛得多，每年有50的铜被电解提纯为纯铜，用于电气工业。黄铜是铜与锌的合金，因色黄而得名。黄铜的机械性能和耐磨性能都很好，可用于制造精密仪器、船舶的零件、枪炮的弹壳等。青铜是铜与锡的合金，因色青而得名。青铜一般具有较好的耐腐蚀性、耐磨性、铸造性和优良的机械性能。用于制造精密轴承、高压轴承、船舶上抗海水腐蚀的机械零件以及各种板材、管材、棒材等。青铜还有一个反常的特性“热缩冷胀”，用来铸造塑像，冷却后膨胀，可以使眉目更清楚。白铜是铜与镍的合金，其色泽和银一样，银光闪闪，不易生锈。常用于制造电器、仪表和装饰品。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.2 无机非金属材料 人类在远古时代就

14、开始使用无机非金属材料陶瓷。玻璃的使用也在数千年前。随着近代工业和科学技术的进步，无机非金属材料更有新的发展。所谓无机非金属材料主要指含有SiO2的材料，故又称硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.2 无机非金属材料1.陶瓷 陶瓷是比金属还要古老的材料，是人类最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。旧石器时代的先民们只会把采集的天然石料加工成器皿和工件。经历了很长的发展和演变过程，以黏土、石英、长石等矿物原料配制而成的瓷器才登上了历史的舞台。从陶器发展到瓷器，是陶瓷发展史上的重大飞跃。由于低熔点的长石和黏土等成分配合，在焙烧过程中形成

15、了流动性很好的液相。冷却后成为玻璃态，形成釉，使瓷器更加坚硬、致密和不透水。从传统陶瓷发展到先进陶瓷，是陶瓷发展史上的第二次重大飞跃，这一过程始于20世纪40-50年代，目前仍在不断发展。陶瓷除了具有耐高温、抗腐蚀、不生锈等优点外，还具有美丽的釉色，中国的景德镇和唐三彩陶器都曾誉满天下。,图4-8 氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.2 无机非金属材料1.陶瓷 现代技术又创造出了一批新型陶瓷，按其使用性能来看，新型陶瓷大致分为先进结构陶瓷和先进功能陶瓷两大类。前者是发挥陶瓷材料的优点，并力图攻克陶瓷的致命弱点脆性问题。后者主要利用材料的电磁、光

16、、热、弹性等方面直接的或耦合的效应来实现某种使用功能。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.2 无机非金属材料2.玻璃 玻璃与陶瓷并无不可逾越的界限，陶瓷可以同玻璃一样透明，玻璃是一种特殊的陶瓷材料。它既有耐酸耐腐蚀的化学稳定性，又有仅次于金刚石的硬度，还有很好的透光性，它内部的分子结构像液体一样杂乱无章，是一种具有类似液体性质的固体材料。普通玻璃是用石英石（SiO2）作主体，加入助熔剂纯碱和起稳定作用的石灰石，在1500左右的温度下烧制而成的。在烧制过程中，原料被熔化成液体后，再在比较短的时间内快速冷却，这样内部的分子还没有来得及结晶就在液体状态下凝固了，成为透明的玻璃。,第四章

17、 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.2 无机非金属材料2.玻璃 现代技术更发展了具有特殊色散的光学玻璃，在原子能工业中作为观察窗，可以吸收电子流或射线等。还出现一些新型微晶玻璃可用于机械零件、化工用品、结构材料、烹饪餐具，玻璃碳用于自转式热交换器、车辆的涡轮发动机。此外，还有导电玻璃，半导体玻璃，磁性玻璃等，都有特殊性能和很高的应用价值。玻璃纤维更常被用作复合材料的增强材料，尤其是光导纤维的出现，意义更非寻常。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.2 无机非金属材料3.水泥 水泥是一种水硬性材料，石灰石等建筑材料遇水就会松懈，而水泥着水后能逐渐硬结。水泥和沙子，碎石掺在一起加

18、水搅拌，就是混凝土。混凝土具有很好的抗压性能，但是抗拉的能力很差。由于水泥可以和钢筋很好的黏结，被水泥包住的钢筋可以避免生锈，因此可用钢筋弥补混凝土在抗拉方面的不足。自从钢筋混凝土问世，建筑业的面貌就大为改观。普通的水泥是硅酸盐水泥，是用黏土和石灰石做原料制成的，这种水泥的耐磨、耐高温等性能还不能令人十分满意。如果在普通水泥里掺入20-85%高炉矿渣，就成为耐高温的矿硅酸盐水泥。在普通水泥里掺加混合材料，如砂石、矿渣等，不仅可以在某些方面提高水泥的性能或经济效益，而且便于综合利用，变废为宝。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.2 无机非金属材料4.耐火材料 耐火材料指能耐1580

19、以上高温的材料，它在工业建筑中处于很重要的地位。钢铁工业和有色金属工业的冶炼炉、蒸汽机、发电厂和铁路机车的锅炉、炼焦工业的炼焦炉以及制造水泥、玻璃、陶瓷、砖瓦的窑炉，都少不了耐火材料。它的主要成分是氧化铝和氧化硅，可耐1700 高温，广泛用作锅炉的内衬砖。其它还有可耐1800-2000的高温高铝氧砖、耐碱性强的镁砖等，能满足对耐火材料的不同需要。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.3有机高分子材料 高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物，它的分子量可高达数百万。这种高分子化合物一般具有长链结构。人们日常食用的大米，白面和穿用的毛、皮、丝、棉、麻等，都

20、是天然的高分子材料。人工合成有机高分子材料是材料科学技术的一个重大突破。从1930年高分子科学概念建立至今虽然不到一个世纪，但由于高分子材料具有许多优良性能，适合工业和人民生活各方面的需要，而且它的原料丰富，适合现代化生产，且不受地域、气候的限制，因而高分子材料工业取得了突飞猛进的发展。1970 年高分子材料约4000万吨，1980 年约8000万吨，1990年已超过1.4亿吨。如今高分子材料已经不再是金属、木、棉、麻、天然橡胶等传统材料的代用品，而是国民经济和国防建设中的基础材料之一。高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等，其中塑料、合成纤维和合成橡胶被称为现代高分子三大合成材

21、料。,图4-9 聚丙烯制作的各类产品,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.3有机高分子材料 高分子材料的迅速发展和广泛应用，其重要原因在于高分子材料的生产有很多优点：第一，它的原料极其丰富多样，资源广、价格低。可以从煤、天然气、农副产品等原料中制造，而自从石油化工发展以来，高分子材料更有了大量廉价的原料石油。第二，从原料制造成高分子材料，只需要经过单体合成、精制与聚合两三道工序，简单方便、效率高。第三，把高分子材料加工为成品，又远比金属方便，比如制造齿轮，只要把塑料粉装在模子里加热，一压就制成了，并且尺寸准确，表面光洁，省工省料。如用金属来制造，就要经过浇铸，切削等多道工序。第四，

22、生产高分子材料能耗低。以单位体积计，如制造塑料（聚苯乙烯等）耗能为100，则水泥为108，玻璃为201，钢为1061，铝为1961。高分子材料的这些特性使它能迅速地应用于工业、农业、国防、新技术及日常生活的各个方面。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.4新型复合材料 金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料都有各自的特点，能满足人们多方面的需要。但在很多条件下这类材料难以单独满足某些特殊的需要。比如说，空间技术需要耐高温、防辐射、质轻而强度大的材料；造船工业需要耐腐蚀、强度大的船体结构材料等。然而，在目前的技术条件下，很难克服三大类材料本身的弱点如金属材料大多不耐腐蚀，无机非金属

23、材料性脆，有机高分子材料不耐高温。唯一行之有效的办法，就是把两种或多种材料复合起来，制出具有某一种或两种以上优异性能的材料来满足需要。复合材料就是在这种需要下研制出来的。复合材料可根据基体分为聚合物基、陶瓷基、金属基等几类。也可根据复合的结构分为层合型、纤维型与颗粒型三类。,图4-10(a)层合复合材料；(b)纤维复合材料；(c)颗粒复合材料,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.4新型复合材料 实际上，在自然界就存在着许多天然的复合物。例如天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强复合材料；人类肌肉/骨骼结构也是复合材料结构原理。我们的祖先也早就创造和使用了复合材料。6000年

24、前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑材料砌建房屋墙壁。在现代，复合材料的应用更比目皆是，如由沙石、钢筋和水泥构成的水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用；玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）更是一种广泛应用的较现代化复合材料。,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.4新型复合材料 现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如就航天、航空飞行器减轻结构重量这点而言，喷气发动机结构重量减1kg，飞机结构可减重4 kg，升限可提高10m；一枚小型洲际导弹第三级结构重量减轻1kg，整个运载火箭的起飞重量就可减轻50 kg，地面设备的结构重量就可减轻100 kg，在有效载荷

25、不变的条件下，可增加射程15 20km；而航天飞机的重量每减轻1kg，其发射成本费用就可以减少15000美元。因此，现代航空、航天领域对飞行器结构的减重要求已经不是“斤斤计较”，而是“克克计较”。现已公认，新型复合材料的研制是当代科技发展的重大关键技术之一，对重大科技项目的成败往往具有举足轻重的意义。近年来，发展比较快的新型复合材料有玻璃钢、碳纤维复合材料、陶瓷复合材料等。21世纪将是复合材料的新时代。,图4-11 美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料,图4-12 硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件,第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.4新型复合

26、材料1.玻璃钢 玻璃钢是一种玻璃纤维增强塑料，它的强度可以与钢相媲美，是目前产量高、用途广的一种复合材料。玻璃钢的生产近十多年来发展很快，它的用途日益广泛，涉及国防、航空、宇航、机械、化工、造船、建筑、交通运输和人民生活各个方面。由于玻璃钢具有瞬时耐高温性能，它被用作人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐烧蚀层）。玻璃钢不反射无线电波，微波透过性好，因而是制造雷达罩的理想材料。用玻璃钢做电机、电器及仪表的绝缘零部件，不仅能提高电气设备的可靠性，而且在高频电作用下仍能保持良好的介电性能因为它耐腐蚀，所以用它来制造各种管道、泵、阀门、容器、贮罐、农机配件和船艇等。玻璃纤维增强的水泥板，强度超过钢筋水泥板，

27、且重量极轻，同时耐久性和抗冲性能都有增强，成为一种很受欢迎的先进建筑材料。,图 4-13 玻璃钢制品：桌椅(左)，快艇(右),第四章 机械制造基础,4.1 工程材料,4.1.4新型复合材料2.碳纤维复合材料 碳纤维并不是用碳为原料来制造的，它是用聚丙烯腈（人造羊毛）等纤维，在隔绝氧气下经高温处理制得的。因为它的基本组成元素是碳，所以称为碳纤维。碳纤维的强度不仅比玻璃纤维高6倍，比铜大4倍，而且重量只有钢的1/4，比铝还要轻。一根手指粗的碳纤维绳可以吊起重几十吨的火车头。碳纤维的最大特点是刚性好，它抵抗变形的能力要比钢大两倍多。因此，用碳纤维制成的复合材料，性能要比玻璃钢要好。用碳纤维作增强材料

28、是复合材料发展的新方向。碳纤维增强塑料已开始在化工、机电、造船，特别是航空工业中得到广泛应用。例如用碳纤维和高温陶瓷复合材料制成的燃气轮机叶片，可超过金属叶片的高温极限，承受1400高温，且重量轻、耐冲击，可使热机效率由目前的25-30，提高到50。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,所谓的成型加工就是指把原材料经各种不同方法加工成所需形状从而满足实际的需要。成型加工主要是改变被加工材料的形状和尺寸，在加工的过程中尽可能地使材料的性能也能满足使用要求。大部分的加工方法即可以改变材料的形状也可以改变材料的性能如塑性成型。部分加工方法如热处理主要是改变被加工材料的性能。还有部分加工

29、方法如焊接主要是简化零件的生产等。常用的成型加工方法有液态成型、塑性成型、连接成型、切削加工成型、热处理及表面处理技术等，它们是机械制造过程中必不可少的部分。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,根据加热温度与材料再结晶温度之间的关系，还可以把成型加工分为热加工和冷加工两类。热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于再结晶温度以上还是以下来划分的。热加工是在高于再结晶温度的条件下，使金属材料同时产生塑性变形和再结晶的加工方法。热加工通常包括铸造、锻造、焊接、热处理等工艺。热加工能使金属零件在成形的同时改善它的组织或者使已成形的零件改变既定状态以改善零件的

30、机械性能。冷加工是指在低于再结晶温度下使材料产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷拔、冷锻、冷挤压、冲压等。冷加工在材料成形的同时提高了金属的强度和硬度。冷加工通常是指切削加工。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,我国早在4干多年前就开始使用了铸造铸铜技术，成为最早进入青铜器时代的文明古国之。在公元前1600年前我国已能铸造出非常精美的青铜器如铜鼎。在古代埃及，同在公元前4千年前后、他们已能用青铜制造精美实用的铜针。在欧洲美索不达米亚，公元前3500年就能创造用于建筑的铜钉和光洁照人的铜镜。所制造的含锡的青铜剑比任何石斧都要锋利得多，并非常轻巧。比起铜的冶炼技术，炼铁术要困难得多，

31、不但要用更多的燃料，而且浇铸困难、锈蚀快，所以直到公元前1200年前后，当人们掌握了减少铁中的碳元素炼出钢后，铁的加工才得以流行起来。钢和铁的冶炼技术逐渐发展后，人们便将越来越便宜的钢和铁用于后来发展起来的机械工业、交通工业等各方面，使人类的科技文明不断地向前发展。,图4-14 司母戊鼎,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,随着科学技术的发展，材料成型方法不仅具备了现代化手段，而且巳经形成成熟的科学理论。材料成型技术也不仅限于金属材料，已扩展到无机非金属材料及高分子材料的领域。材料成型也不仅限于机械零件的毛坯生产上，随着少切削、无切削成型技术的出现，材料成型技术在很多情况下，已可

32、作为机械零件的最终制造工序。随着自动化技术及计算机应用的发展，材料成型已不再是手工操作、单件生产的工艺，各种成型机械均设备已形成机电一体化的产品，使成型技术及成型件向着自动控制的方向发展。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,机械工业中，材料的表面处理技术也是十分重要的，它直接关系到零件乃至整个机器的质量、寿命、性能、造价等。材料表面技术就是通过某种工艺手段赋予表面不同于基体材料的组织结构、化学组成，因而具有不同于基体材料的性能。经过表面处理的材料，既具有基体材料的机械强度和其它力学性能，又能由新形成的表面获得所需要的各种特殊性能(如耐磨、耐腐蚀、耐高温，对各种射线的吸收、辐射、

33、反射能力，超导、润滑、绝缘、储氢等)。金属材料表面工程技术是材料科学的一个重要领域，近几十年来得到迅速发展。其主要体现是：传统表面处理工艺被革新，多种新工艺方法被发明。这些新技术在工业上的应用，使得金属制品的质量得到大幅度提高，为社会带来极大的经济效益，因而愈来愈受到各个国家的重视。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,材料的生产和加工工艺是极其繁多和复杂的。如随着新材料的出现，仅仅依靠传统的比被加工材料更硬的刀具进行切削加工的方式已不能满足生产的需要，出现了许多利用诸如电能、光能、化学能、声能、电化学能或与机械能组合等形式的加工方法（也就是所谓的特种加工）将被加工坯件上多余的材

34、料去除，以获得所需要的几何形状。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.1金属冶炼与质量控制 质量问题包括的项目是多方面的，但概括起来一句话，是如何发挥现有金属材料潜力的问题。不考虑产品的尺寸规格，单从金属学的角度来看，是如何根据要求充分保证成分、结构和组织，从而保证和提高性能的问题，最终归结到材料制品的使用寿命问题。在金属材料由冶炼、铸造、加工、热处理到制作成工件，并使用乃至报废的整个历程中，每个环节的各种外界条件，大多都在或大或小、或多或少地影响着那些决定其性能的内在基本因素。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.1金属冶炼与质量控制 材料的化学成

35、分(包括所谓杂质和夹杂物等)主要是由冶炼和铸造，特别是由冶炼来保证的，冶炼和铸造条件的任何变化都会影响到成分的改变。现代一些新的冶炼和浇注技术如真空熔炼、真空浇注、氩气保护、电炉重熔以及各种自动化装置和设备的应用，其目的都在于(或主要在于)首先保证材料的规定成分和纯洁度，而后再在这个前提下提高产量和生产率。成分的保证还不只限于此，除冶炼和浇注外，在某些情况下，后步工序如各种加工和处理条件，有时也会或多或少地改变表层成分。材料的性能不仅取决于材料的成分，也取决于材料的内部组织和结构。对某一具体应用材料来说，当其成分确定时，它的一些对结构组织不敏感的性能也就保证了。但是，成分给定时，组织结构仍然可

36、以随条件而变化，所以成分并不能确保材料的实际结构和实际组织，因而也就不能确定它的最终性能，特别是那些对其结构组织敏感的性能。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.1金属冶炼与质量控制 冶炼的目的在于获得合格的成分及气体、夹杂物尽量少的液态金属或合金。冶炼过程是极为复杂的物理化学变化，冶炼系统是炉气、炉渣、炉壁、液态合金等组合的多相系统。金属冶炼方法及其设备相当复杂，分为火法冶金、湿法冶金和电冶金。所谓火法冶金就是利用高温从矿石中提取金属及其化合物。湿法冶金是在常温或稍高于常温下利用溶剂从矿石中提取和分离金属。电冶金是利用电能提取和精炼金属。钢铁冶金属于火法冶金，包括高炉炼

37、铁、转炉炼钢、电炉炼钢、电渣重熔、真空技术。有色金属冶炼火法、湿法兼有，还可以采用电解法或粉末冶金等。,图4-15 钢的冶炼,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.1金属冶炼与质量控制 钢主要是用氧气碱性转炉法和电弧炉法生产的。钢的生产过程大致为；采矿选矿炼铁炼钢连铸轧钢钢材。冶炼的关键在于成分、气体与夹杂的控制以及组织结构的控制。总之，现代化的冶金生产技术必须使高速度与高质量相结合，忽视高质量的高速度造成的损失将更大，这是不能允许的；当然，也不能走到另一极端，而不顾产量。多、快、好、省才是正确方向，控制或提高质量，必须着眼于内在因素，它是决定材料性能和使用寿命的根本。,第

38、一章 机械工程概述,4.2 金属材料的成型加工,4.2.2铸造 铸造是机械制造中毛坯成形的主要工艺之一。在机械制造业中，铸造零件的应用十分广泛，并且在一些行业中所占的比重也很大。如在机床、内燃机中，铸件的质量往往要占机器总质量的70%80%；在一些重型机械中，铸件的总重往往可达90以上。我国铸造生产有着悠久的历史。早在3000年前，青铜铸器已有应用，2500年前，铸铁工具已经相当普遍。例如，始建于公元856年的河北正定隆兴寺内的铜佛菩萨，高22米余，42臂，重120吨，是我国古代最大的佛像，且造型生动逼真，是一尊难得的佛教艺术珍品；再如制造于公元953年的河北沧州铁狮子，身高5.4米，长6.5

39、米，宽3米，重40吨，颈下及体外铸有“狮子王”、“大周广顺三年铸”等字样，腹内还铸有金刚经文，雄伟壮观，具有极高的艺术价值，充分体现了我国古代劳动人民精湛的铸造技艺。大量历史文物显示出我国古代劳动人民在世界铸造史上做出的卓越贡献，如泥型、金属型、石蜡型三大铸造技术就是我国的创造。,图4-16 河北沧州铁狮子,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.2铸造 铸造的目的在于从液态金属或合金获得质量合格的铸件。在冶金厂或机械制造厂的车间内，铸造是紧随金属冶炼之后的工艺过程。铸锭在随后的重熔或压力加工过程中失去了原来的形状；而铸件虽然有时还有随后的切削加工，但基本上仍然保持原来的形状

40、。何为铸造？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和性能铸件的成形方法，称为铸造。铸造过程包括自浇注温度的液态金属直至冷却到室温的铸锭或铸件的整个过程，在这个过程中，发生了如下变化：(1)液态金属的冷却。牵涉到液态金属性质的影响。(2)液固结晶。液固结晶是合金在相图中液固相线间的变化。(3)固态金属的冷却。会发生固相线以下的相变、几何尺寸的变化以及这些转变所导致的内应力的变化。,图4-17 常见的铸造产品,图4-18 砂型铸造示意图,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.2铸造 铸造性能是一种工艺性能，它的高低是用铸锭或铸件质量的好坏来衡量的。对于这些

41、产品的最起码要求是其具备所要求的形状。铸造是利用液态金属的流动能力来成形的，因而液态金属的流动性便是铸造性能中的一个重要方面。流动性也是一种工艺性能，与铸模的吸热和散热能力有关。例如金属在金属型中的流动，低于在砂型中的流动性，而在湿砂型中的流动性又低于在干砂型中的流动性，预热铸型和铸型绝热都能改善流动性。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.2铸造 铸锭或铸件的凝固是一种复杂的液固结晶过程。液固结晶必须通过散热才能继续进行，因而是一种不平衡的过程。在凝固过程中会同时发生如下三种过程：(1)继续析出溶质浓度逐渐变化的合金晶体；(2)已析出晶体中溶质的扩散；(3)未凝固液体中

42、溶质的扩散。如果合金的冷却速度较快，也就是溶质的扩散不能充分进行，则铸锭或铸件中，溶质的分布是不均匀，就会形成所谓的成分偏析。,图4-19 砂型铸造过程,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.2铸造 铸造分为砂型铸造和特种铸造两大类。将液体金属浇入用型砂紧实成的铸型中，待凝固冷却后，将铸型破坏，取出铸件的铸造方法称为砂型铸造。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。普通砂型铸造以外的的其它铸造方法通称为特种铸造。每种特种铸造方法，在提高铸件精度和表面质量、改善合金性能、提高劳动生产率、改善劳动条件和降低铸造成本等方面，各有其优越之处。特种铸

43、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、质量、材料种类往往受到一定限制。,图4-20 熔模铸造,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.3 锻压或压力加工 锻压是利用外力(冲击力或静压力)使金属坯料产生局部或全部的塑性变形，获得所需尺寸、形状及性能的毛坯或零件的加工方法。锻压是锻造和冲压的总称。它是金属压力加工的主要方式，也是机械制造中毛坯生产的主要方法之一。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.3 锻压或压力加工 锻压加工与其他加工方法相比，具有以下特点。(1)改善金属的组织、提高力学性能。

44、(2)材料的利用率高。(3)较高的生产率。锻压加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的。例如，利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍以上。(4)毛坯或零件的精度较高。(5)锻压所用的金属材料应具有良好的塑性，以便在外力作用下，能产生塑性变形而不破裂。常用的金属材料中，铸铁属脆性材料，塑性差，不能用于锻压。钢和非铁金属中的铜、铝及其合金等可以在冷态或热态下压力加工。(6)不适合成形形状较复杂的零件。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.3 锻压或压力加工 由于锻压具有上述特点，因此承受冲击或交变应力的重要零件(如机床主轴、齿轮、曲轴、连杆等)，

45、都应采用锻件毛坯加工。所以锻压加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到广泛应用。例如，飞机上的塑性成形零件的质量分数占85%；汽车，拖拉机上的锻件质量分数约占6080%。,(a)自由锻(b)模锻(c)板料冲压,(d)挤压(e)轧制(f)拉拔,图4-21 常用的压力加工方法,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.3 锻压或压力加工 金属的锻造性能(又称可锻性)是用来衡量压力加工工艺性好坏的主要工艺性能指标。金属的可锻性好，表明该金属适用于压力加工。衡量金属的可锻性，常从金属材料的塑性和变形抗力两个方面来考虑，材料的塑性越好，变形抗力越小，则材料的锻造性能越好，越适

46、合压力加工。在实际生产中，往往优先考虑材料的塑性。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.3 锻压或压力加工 金属的锻造性能既取决于金属的本质，又取决于变形条件。在压力加工过程中，要根据具体情况，尽量创造有利的变形条件，充分发挥金属的塑性，降低其变形抗力，以达到塑性成形加工的目的。金属的本质主要是指构成材料的成分和组织。通常纯金属及单相固溶体的合金具有良好的塑性，其锻造性能较好。金属的加工条件一般指金属的变形温度、变形速度和变形方式等。实际的生产过程显示在保证不出现过烧和过热的情况下尽可能地提高变形温度，并选择适当的变形速度和应力条件，有利于提高金属的锻造性能。,第四章 机

47、械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.4 切削加工 所谓的切削加工是指用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)从毛坯上去除多余的金属，以获得具有所需的几何参数(尺寸、形状和位置)和表面粗糙度的零件的加工方法。它只改变被加工材料的形状基本上不改变其组织和性能。切削加工能获得较高的精度和表面质量，对被加工材料、零件几何形状及生产批量具有广泛的适应性。机器上的零件除极少数采用精密铸造和精密锻造等无切屑加工的方法获得以外，绝大多数零件都是靠切削加工来获得。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.4 切削加工 虽然机器零件的形状千差万别，但分析起来都是由下列几种简单的表面组成的，

48、即外圆面、内圆面(孔)、平面和成形面。因此，只要能对这几种表面进行加工，就基本上能完成所有机器零件表面的加工。外圆面和内圆面(孔)是以某一直线或曲线为母线，以圆为轨迹，作旋转运动时所形成的表面。平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移运动时所形成的表面。成形面是以曲线为母线，以圆、直线或曲线为轨迹，作旋转或平移运动时所形成的表面。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.4 切削加工 零件的不同表面，分别由相应的加工方法来获得，而这些加工方法是通过零件与不同的切削刀具之间的相对运动来进行的。我们称这些刀具与零件之间的相对运动为切削运动。以车床加工外圆柱面为例来研究切削的

49、基本运动，如下图所示。切削运动可分为主运动和进给运动两种类型。,图4-22 车削运动,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.4 切削加工 使零件与刀具之间产生相对运动以进行切削的最基本运动，称为主运动。主运动的速度最高，所消耗的功率最大。在切削运动中，主运动只有一个。它可由零件完成，也可以由刀具完成；可以是旋转运动，也可以是直线运动。不断地把被切削层投入切削，以逐渐切削出整个零件表面的运动，称为进给运动。进给运动一般速度较低，消耗的功率较少，可由一个或多个运动组成。它可以是连续的，也可以是间断的。,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.4 切削加工 组成

50、机器的零件大小不一，形状和结构各不相同，金属切削加工方法也多种多样。常用的有车削、钻削、镗削、刨削、拉削、铣削和磨削等。尽管它们在加工原理方面有许多共同之处，但由于所用机床和刀具不同，切削运动形式不同，所以它们有各自的工艺特点及应用范围。材料经过一系列的切削加工，最后成为机械零件或构件。,图4-23 车削加工,第四章 机械制造基础,4.2 金属材料的成型加工,4.2.4 切削加工 零件经切削加工后的质量包括加工精度和表面质量，它直接影响着产品的使用性能、可靠性和寿命。(1)加工精度。是指零件在加工之后，其尺寸、形状等几何参数的实际数值同它们理想几何参数的符合程度。而它们之间不符合的程度称为加工