材料成型工艺1章金属材料的基本知识

金属材料的成型工艺引言金属材料的成型工艺是指通过加热、加压和变形等手段，将金属材料由初始形状转变为目标形状的工艺过程。

金属材料的成型工艺在制造业中占据着重要地位，广泛应用于汽车制造、航空航天、电子设备等领域。

本文将介绍金属材料的成型工艺的几种常见方法。

压力成形压力成形是金属材料成型工艺中最常见的一种方法。

它通过施加压力将金属材料强制塑造成所需形状。

主要的压力成形工艺包括锻造、冲压和挤压。

锻造锻造是一种将金属材料加热到一定温度后，在冷镦机或锻压机上施加压力进行塑性变形的工艺。

锻造通常分为冷锻和热锻两种方式。

与其他成型工艺相比，锻造具有精度高、力学性能好等优点。

冲压冲压是利用冲床将板材或带材冲压成所需形状的工艺。

冲压通常包括剪切、冲孔、成形等步骤。

冲压工艺具有高效率、高精度和批量生产能力等优点。

挤压挤压是将金属材料塑性变形成为具有一定截面形状的长条材料的工艺。

它可以通过挤压机将金属材料挤压出所需形状。

挤压工艺具有高生产效率和高材料利用率等优点。

热成形热成形是指在金属材料加热至高温状态下进行塑性变形的工艺。

热成形通常包括热锻、热轧和挤压等方法。

热锻热锻是一种在金属材料达到高温时施加压力进行塑性变形的工艺。

热锻通常在1200℃以上的高温下进行，可以获得更好的塑性变形性能和力学性能。

热轧热轧是将金属材料加热到较高温度后通过轧机进行连续轧制的工艺。

热轧可以改变材料的厚度、宽度或长度，并使材料达到所需的机械性能。

热挤压热挤压是一种在金属材料达到高温时将其压入模具中进行塑性变形的工艺。

热挤压通常适用于薄壁、大截面和复杂形状的金属制品的生产。

冷成形冷成形是指在室温下进行金属材料塑性变形的工艺。

冷成形通常包括冷轧、冷挤压和冷拉伸等方法。

冷轧冷轧是将金属材料在室温下通过轧机进行塑性变形的工艺。

冷轧通常用于薄板材料的生产，可以提高材料的表面质量和机械性能。

冷挤压冷挤压是一种在室温下将金属材料通过模具进行塑性变形的工艺。

作业1 金属材料技术基础1-1 判断题（正确的画O，错误的画×）1．纯铁在升温过程中，912℃时发生同素异构转变，由体心立方晶格的α-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe。

这种转变也是结晶过程，同样遵循晶核形成和晶核长大的结晶规律。

（O ）2．奥氏体是碳溶解在γ-Fe中所形成的固溶体，具有面心立方结构，而铁素体是碳溶解在α-Fe中所形成的固溶体,具有体心立方结构。

（O ）3．钢和生铁都是铁碳合金。

其中，碳的质量分数（又称含碳量）小于0.77%的叫钢，碳的质量分数大于2.11%的叫生铁。

（×）4．珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间。

（O ）5．钢中的含碳量对钢的性能有重要的影响。

40与45钢相比，后者的强度高，硬度也高,但后者的塑性差。

（O ）6．为了改善低碳钢的切削加工性能，可以用正火代替退火，因为正火比退火周期短，正火后比退火后的硬度低，便于进行切削加工。

（×）7．淬火的主要目的是为了提高钢的硬度。

因此，淬火钢就可以不经回火而直接使用。

（×）8．铁碳合金的基本组织包括铁素体（F）、奥氏体（A）、珠光体（P）、渗碳体（Fe3C）、马氏体（M）、索氏体（S）等。

（×）1-2 选择题1．铁碳合金状态图中的合金在冷却过程中发生的（F ）是共析转变，（B ）是共晶转变。

A．液体中结晶出奥氏体；B．液体中结晶出莱氏体；C．液体中结晶出一次渗碳体；D．奥氏体中析出二次渗碳体；E．奥氏体中析出铁素体；F．奥氏体转变为珠光体。

2．下列牌号的钢材经过退火后具有平衡组织。

其中，（ C ）的σb最高，（D ）的HBS最高，（A ）的δ和a k最高。

在它们的组织中，（A ）的铁素体最多，（C ）的珠光体最多，（D ）的二次渗碳体最多。

A．25；B．45；C．T8；D．T12。

3．纯铁分别按图1-1所示不同的冷却曲线冷却。

其中，沿（ D ）冷却，过冷度最小；沿（D ）冷却，结晶速度最慢；沿（A ）冷却，晶粒最细小。

塑性变形包括晶内变形和晶间变形。

通过各种位错运动而实现的晶内一部分相对于另一部分的剪切运动就是晶内变形，常温下有滑移和孪生，当T>0.5TR时，可能出现晶间变形，高温时扩散机理起重要作用。

孪生。

孪生后结构没有变化，取向发生了变化，滑移取向不变，一般孪生比滑移困难，所以形变时首先发生滑移，当切变应力升高到一定数值时才发生孪生，密排六方金属由于滑移系统少，可能开始就形成孪晶。

扩散对变形的作用：一方面它对剪切塑性变形机理可以有很大影响，另一方面扩散可以独立产生塑性流动。

扩散变形机理包括：扩散-位错机理；溶质原子定向溶解机理；定向空位流机理。

扩散-位错机理：扩散对刃位错的攀移和螺位错的割阶运动产生影响；扩散对溶质气团对位错运动的限制作用随温度的变化而不同。

溶质原子定向溶解机理：晶体没有受力作用时，溶质原子在晶体中的分布是随机的，无序的，如碳原子在α-Fe,加上弹性应力σ（低于屈服应力的载荷）时，碳原子通过扩散优先聚集在受拉棱边，在晶体点阵的不同方向上产生了溶解碳原子能力的差别，称之为定向溶解，是可逆过程。

定向空位机理则是由扩散引起的不可逆的塑性流动机理。

屈服强度是指金属抵抗塑性变形的抗力，定量来说是指金属发生塑性变形时的临界应力。

金属的实际屈服强度由开动位错源所需的应力和位错在运动过程中遇到的各种阻力。

实际晶体的切屈服强度=开动位错源所必须克服的阻力+点阵阻力+位错应力场对运动位错的阻力+位错切割穿过其滑移面的位错林所引起的阻力+割阶运动所引起的阻力。

面心立方金属单晶体的应力-应变曲线。

1.硬化系数θ较小，一般认为在此阶段只有一个滑移系统起作用，强化作用不大，称位易滑移阶段。

2.硬化系数θ最大且大体上是常数，对于各种面心立方金属具有相同的数量级，故称为线性硬化阶段。

3.硬化系数θ随变形量的增加而逐渐减小，故称为抛物线强化阶段。

面心立方金属形变单晶体的表面现象。

1.除了照明特别好（暗场），用光学显微镜一般看不到滑移线。

材料成型工艺基础材料成形：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进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，它包括四个差不多要素：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如何得到的呢？冶炼---- 把金属从矿石中提炼出来，那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，专门关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、仪器外表、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专门大的比重。

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阻碍。

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

通过下面列举的数据，能够关心我们真切、具体地了解到成形加工对制造业和国民经济的阻碍。

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%；发电设备中的要紧零件如主轴、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。

金属材料成型工艺：基本要求与注意事项一、引言金属材料是工业制造中的重要组成部分，其成型工艺对于产品的质量、性能和外观都具有至关重要的影响。

本文将详细介绍金属材料的几种主要成型工艺，包括铸造、锻造、焊接、粉末冶金等，并阐述在金属制作成型和制作过程中需要注意的问题及工艺。

二、金属材料成型工艺1.铸造工艺：铸造是将熔融的金属倒入模具中，待其冷却凝固后形成所需形状的工艺。

铸造工艺适用于制造复杂形状的零件，但易产生气孔、缩孔等缺陷。

2.锻造工艺：锻造是将金属坯料放在砧铁上，通过冲击或压力使其变形，达到所需形状和尺寸的工艺。

锻造工艺适用于制造高强度、耐腐蚀的零件，但易产生变形和裂纹。

3.焊接工艺：焊接是通过高温或压力将两块金属连接在一起的工艺。

焊接工艺适用于制造大型或复杂的零件，但易产生热影响区和应力裂纹。

4.粉末冶金工艺：粉末冶金是将金属粉末在高温下烧结成型的工艺。

粉末冶金工艺适用于制造复杂形状、高精度和小批量零件，但成本较高。

三、金属制作成型和制作需要注意的问题及工艺1.材料选择：根据产品要求选择合适的金属材料，考虑其物理性能、化学成分、力学性能等因素。

2.模具设计：根据产品要求设计合理的模具结构，确保模具的强度、刚度和精度。

3.成型过程控制：严格控制成型过程中的温度、压力、时间等因素，确保产品达到预期的形状和尺寸。

4.质量检测：对成型后的产品进行质量检测，包括外观检查、尺寸检测、无损检测等，确保产品质量符合要求。

5.环境保护：在金属制作成型和制作过程中要注意环境保护，减少废气、废水、废渣的产生，降低能源消耗和碳排放。

6.生产效率：在保证产品质量的前提下，要尽可能提高生产效率，降低生产成本，提高市场竞争力。

四、结论金属材料成型工艺是工业制造中的重要环节，对于产品的质量、性能和外观具有决定性的影响。

在实际生产中，要根据产品要求选择合适的成型工艺，注意材料选择、模具设计、成型过程控制、质量检测、环境保护和生产效率等方面的问题，以确保产品的质量和生产的顺利进行。

材料成型原理章节复习资料第一章结构起伏：原子团与空穴的变化现象；三种起伏现象：温度起伏、结构起伏、成分起伏；这三种起伏现象影响液态金属的凝固的过程，从而对产品的质量产生重要的影响。

粘度：液态金属由于原子间作用力大为削弱，且其中存在大量的空穴，其活动性比固态金属要大得多，呈液体的性质。

表面张力：使单独出现在大气中的一小部分液体趋向球状的力。

表面张力的实质：液体或固体同空气或真空接触的界面叫表面。

表面具有特殊的性质，由此产生一些表面特有的现象-----表面现象。

流变铸造：金属或合金在凝固温度区间给以强烈的搅拌，使晶体的生长形态发生变化，有本来是静止状态的树枝晶转变梅花状或接近于球形的晶粒。

第二章流动性：液态金属本身的流动能力；影响：流动性对于排除液体金属中的气体和杂质，凝固过程的补缩、防止开裂，获得优质的液态成形产品有着重要的影响。

液态金属凝固过程中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流。

自然对流：由密度差和凝固收缩引起的流动。

强迫对流：由液体受到各种方式的驱动力而产生的流动。

传热的三种基本方式：传导传热、对流换热、辐射换热。

第三章液态金属凝固的驱动力：液态金属凝固的驱动力是由过冷度提供的，过冷度越大，凝固驱动力也就越大。

过冷度为零时，驱动力则无。

所以金属不能在无过冷度的情况下凝固。

热力学能障：由被迫处于高自由能过度状态下的界面原子所产生。

动力学能障：由金属原子穿越界面过程所引起。

均质形核：在没有任何外来界面的均匀熔体中的形核过程。

异质形核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质提供的衬底进行形核的过程。

异质核心基底形态与核心容积的关系：按晶核原子数：凸面上形成的晶核原子数最多，平面上次之，凹面上最少。

按促进异质形核能力：凹界面基底的形核能力最强，平界面基底次之，凸界面基底最弱。

影响异质形核速率的因素：过冷度、界面、液态金属的过热及持续时间的影响。

晶体宏观长大方式：当温度梯度为正时，晶体平面方式长大；当温度梯度为负时，晶体以树枝晶方式生长。

铸造：将熔融的液体浇注到与零件的形状相适应的铸型型腔中,冷却后获得逐渐的工艺方法。

1、铸造的实质利用了液体的流动形成。

2、铸造的特点A 适应性大(铸件分量、合金种类、零件形状都不受限制)；B 成本低C 工序多，质量不稳定，废品率高D 力学性能较同样材料的锻件差。

力学性能差的原因是：铸造毛胚的晶粒粗大,组织疏松, 成份不均匀3、铸造的应用铸造毛胚主要用于受力较小，形状复杂(特别是腔内复杂)或者简单、分量较大的零件毛胚。

1、铸件的凝固(1)铸造合金的结晶结晶过程是由液态到固态晶体的转变过程.它由晶核的形成和长大两部份组成。

通常情况下,铸件的结晶有如下特点：A 以非均质形核为主B 以枝状晶方式生长为主.结晶过程中，晶核数目的多少是影响晶粒度大小的重要因素，因此可通过增加晶核数目来细化晶粒. 晶体生长方式决定了最终的晶体形貌，不同晶体生长方式可得到枝状晶、柱状晶、等轴晶或者混合组织等.(2)铸件的凝固方式逐渐的凝固方式有三种类型:A 逐层凝固B 糊状凝固C 中间凝固2、合金的铸造性能(1)流动性合金的流动性即为液态合金的充型能力，是合金本身的性能。

它反映了液态金属的充型能力，但液态金属的充型能力除与流动性有关，还与外界条件如铸型性质、浇注条件和铸件结构等因素有关，是各种因素的综合反映。

生产上改善合金的充型能力可以从一下各方面着手：A 选择挨近共晶成份的趋于逐层凝固的合金,它们的流动性好；B 提高浇注温度，延长金属流动时间；C 提高充填能力D 设置出气冒口，减少型内气体，降低金属液流动时阻力。

(2)收缩性A 缩孔、缩松形成与铸件的液态收缩和凝固收缩的过程中.对于逐层凝固的合金由于固液两相共存区很小甚至没有，液固界面泾渭分明，已凝固区域的收缩就能顺利得到相邻液相的补充，如果最后凝固出的金属得不到液态金属的补充，就会在该处形成一个集中的缩孔。

适当控制凝固顺序，让铸件按远离冒口部份最先凝固，然后朝冒口方向凝固, 最后才是冒口本身的凝固(即顺序凝固方式) ,就把缩孔转移到最后凝固的部位—- 冒口中去，而去除冒口后的铸件则是所要的致密铸件。

第一章金属材料与热处理1、常用的力学性能有哪些？各性能的常用指标是什么？答：刚度：弹性模量E强度：屈服强度和抗拉强度塑性：断后伸长率和断面收缩率硬度：冲击韧性：疲劳强度：2、4、金属结晶过程中采用哪些措施可以使其晶粒细化？为什么？答：过冷细化：采用提高金属的冷却速度，增大过冷度细化晶粒。

变质处理：在生产中有意向液态金属中加入多种难溶质点（变质剂），促使其非自发形核，以提高形核率，抑制晶核长大速度，从而细化晶粒。

7、9、什么是热处理？钢热处理的目的是什么？答：热处理：将金属材料或合金在固态范围内采用适当的方法进行加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需要性能的一种工艺。

热处理的目的：强化金属材料，充分发挥钢材的潜力，提高或改善工件的使用性能和加工工艺性，并且可以提高加工质量、延长工件和刀具使用寿命，节约材料，降低成本。

第二章铸造成型技术2、合金的铸造性能是指哪些性能，铸造性能不良，可能会引起哪些铸造缺陷？答：合金的铸造性能指：合金的充型能力、合金的收缩、合金的吸气性；充型能力差的合金产生浇不到、冷隔、形状不完整等缺陷，使力学性能降低，甚至报废。

合金的收缩合金的吸气性是合金在熔炼和浇注时吸入气体的能力，气体在冷凝的过程中不能逸出，冷凝则在铸件内形成气孔缺陷，气孔的存在破坏了金属的连续性，减少了承载的有效面积，并在气孔附近引起应力集中，降低了铸件的力学性能。

6、什么是铸件的冷裂纹和热裂纹？防止裂纹的主要措施有哪些？答：热裂是在凝固末期，金属处于固相线附近的高温下形成的。

在金属凝固末期，固体的骨架已经形成，但树枝状晶体间仍残留少量液体，如果金属此时收缩，就可能将液膜拉裂，形成裂纹。

冷裂是在较低温度下形成的，此时金属处于弹性状态，当铸造应力超过合金的强度极限时产生冷裂纹。

防止措施：热裂——合理调整合金成分，合理设计铸件结构，采用同时凝固原则并改善型砂的退让性。

冷裂——对钢材材料合理控制含磷量，并在浇注后不要过早落砂。

第一章：液态金属的结构与性质1雷诺数Re：当Re>2300时为紊流，Re<2300时为层流。

Re=Du/v=Duρ/η，D为直径，u 为流动速度，v为运动粘度=动力粘度η/密度ρ。

层流比紊流消耗能量大。

2表面张力：表面张力是表面上平行于切线方向且各方向大小相同等的张力。

润湿角：接触角为锐角时为润湿，钝角时为不润湿。

3压力差：当表面具有一定的曲度时，表面张力将使表面的两侧产生压力差，该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。

4充型能力：充型过程中，液态金属充满铸型型腔，获得形状完整轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充型能力。

5长程无序、近程有序：液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性，表现出长程无序特征；而相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停游荡着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围内的近程有序。

拓扑短程序：Sn Ge Ga Si等固态具有共价键的单组元液体，原子间的共价键并未完全消失，存在着与固体结构中对应的四面体局域拓扑有序结构。

化学短程序：Li-Pb Cs-Au Mg-Bi Mg-Zn Mg-Sn Cu-Ti Cu-Sn Al-Mg Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均有化学短程序的存在。

6实际液态金属结构：实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇空穴所组成，同时也含有各种固态液态和气态杂质或化合物，而且还表现出能量结构及浓度三种起伏特征，其结构相对复杂。

能量起伏：液态金属中处于热运动的原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停的变化，时高时低，这种现象成为能量起伏。

结构起伏：由于能量起伏，液体中大量不停游动的局域有序原子团簇时聚时散，此起彼伏而存在结构起伏。

浓度起伏：游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象成为浓度起伏。