材料工艺学（第二章）ppt课件.ppt

1,材料工艺学,第二章,2,第二章 金属材料与工艺,21 金属材料概述 22 金属材料的性能 23 产品设计中常用的黑色金属24 产品设计中常用的有色金属25 金属的热加工工艺26 金属冷加工工艺 27 金属材料在产品设计中的应用,3,第二章 金属材料与工艺,2 1 金属材料概述,金属是由原子按一定规则排列的，金属是由金属元素组成的单质。在已知的100多种元素中，金属元素约80余种。金属在常温条件下都是晶体、由于它们从熔融状态凝固后，一般都是由许多小晶体组成的集合体，又称为多晶体。多晶体的晶粒越细小，对于机械产品设计来说，其性能就越好。 在日常生活和工业生产中能接触到的生活用品，大到机器设备、交通工具、大型建筑物等，都离不开金属。所以，通常把金属的生产和作用作为衡量一个国家工业水平的标志。金属在工业产品材料中占据着中心的地位。,4,第二章 金属材料与工艺,211 金属的造型特征 金属材料除了来源丰富、价格也较便宜外，还具有许多优良的造型特征，主要有： l具有特有的颜色，良好的反射能力，不透明性及金属光泽 金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到金属表面上的光能，所以纯净的金属表面能反光。有良好的反射能力，肌理细密并且呈现各种颜色。（表2-1） 2.具有良好的延展性（塑性变形能力） 由于金属键没有方向性，金属表现出良好的承受塑性变形的能力。可以加工成很薄的箔，或者加工成板材和丝材。金属可以通过铸造、锻造等成型，可进行深冲加工成型，还可进行各种切削加工而达到产品造型的目的。,5,第二章 金属材料与工艺,3.表面工艺性好 在金属表面可进行各种装饰工艺获得理想的质感。如在金属表面上进行涂装、电镀、金属氧化着色，可获得各种色彩。 4.其他性能 金属还具有良好的导电性和导热性，许多金属（约30种）具有超导性。金属材料特别是黑色金属的环境耐候性好，可变复合性优良，可回收利用等综合性能高。,6,表2-1 部分金属的色泽,7,第二章 金属材料与工艺,212 金属的种类 金属材料包括金属和以金属为主的合金。金属及其合金数目繁多，为了便于使用，工业上常把全部金属及其合金分成两大部分： 一是黑色金属铁和以铁为基础的合金（钢、铸铁和铁合金）； 二是有色金属及其合金。 其中应用最广的是黑色金属。以铁为基础的合金材料占整个结构材料和工具材料的90以上，黑色金属的工程性能比较优越，价格也比较便宜。,8,第二章 金属材料与工艺,碳钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢 黑 纯铁 按化学成分分 色 钢 合金钢：低合金钢、中合金钢、 金 高合金钢 金 属 按用途分：建筑钢、结构钢、工具钢、特殊钢 属 铸铁 ：灰口铸铁、白口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 材 料 有 铜及铜合金：纯铜、黄铜、青铜、白铜等 色 铝及铝合金：工业纯铝、防锈铝合金、硬铝合金、锻铝合 金 金、超硬铝合金、铸铝合金 属 其他合金：镁合金、锌合金、铅合金、锡合金、钛合金、镍合金、硬质合金等,9,第二章 金属材料与工艺,22 金属材料的性能 工业产品均在各种不同条件下使用，因此，用来制造机器零件的金属材料，应具有优良的机械性能和工艺性能以及较好的化学稳定性和一定的物理性能。 在产品设计时，必须首先熟悉金属材料的各种主要性能，才能根据零件的技术要求，合理地选用所需的金属材料。 金属的性能包括机械、物理、化学和工艺性能。 主要阐述金属材料的机械性能和工艺性能。,10,第二章 金属材料与工艺,2.2.1 金属的机械性能 金属材料的机械性能主要是指力学性能即受外力作用时所反映出来的性能。主要有强度、塑性、硬度、韧性等。 1.强度 强度是金属材料抵抗外力荷载而不致失效的能力，也就是金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的一种性能。按作用力性质的不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。 2.塑性 塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。具有良好塑性的材料，有利于锻压、冷冲和冷拔等压力加工成型工艺。 3.硬度 硬度是金属材料抵抗穿透和划伤的能力。一般情况下金属的硬度愈高，耐磨性也愈好。,11,12,第二章 金属材料与工艺,4.韧性 金属材料抵抗塑性变形而不破坏的能力。实践证明，冲击力要比静力具有更大的破坏性。因此，设计制造在冲击载荷下工作的零件时，必须考虑材料的韧性。 5.疲劳强度 疲劳强度是指材料经受无数次应力循环时的最大应力。影响疲劳强度的因素很多，其中主要有循环应力特性、温度、材料的成分和组织，表面状态、残余应力等。 金属材料的各种机械性能并非相互孤立，而是有一定联系的，通常提高金属材料的强度、硬度往往会降低其塑性、韧性。为了提高塑性、韧性，有时就会削弱其强度。,13,14,应变是指材料在延长或收缩时的变形。弹性变形是指材料在产生变形之后取消应力，恢复到原来形状的能力。塑性变形是指材料在产生变形之后，取消应力，不会恢复到原来的形状。抗拉强度是指材料在破裂（拉断）前所能承受的最大负载。屈服强度是指材料产生永久变形时的应力。,15,第二章 金属材料与工艺,16,第二章 金属材料与工艺,2.2.2 工艺性能 在选用金属材料时，除了按零件工作要求考虑必要的机械性能外，还必须同时考虑其工艺性能。金属材料的工艺性能是指其经受各种加工方法的难易程度，实质上是物理、化学、机械性能的综合。 按照工艺方法的不同可分为铸造性、锻压性、焊接性和切削加工性等。,17,第二章 金属材料与工艺,l.铸造性金属材料的铸造性包括流动性、收缩性和偏析倾向等。流动性是指液态金属充满铸型的能力，流动性好的金属，可铸出细薄精致的铸件。收缩性是指金属凝固时和凝固后体积收缩的程度，金属的收缩不仅会使铸件体积缩小，还会引起铸件产生缩孔、缩松、收缩应力、弯曲变形和开裂等缺陷。偏析倾向是指金属在凝固过程中，因结晶的先后差异而造成金属内部组织上和化学成分上的不均匀现象，从而导致铸件各处性能上的差异，降低了零件的质量，尤其在大型铸件上易于出现。一般灰口铸铁具有良好的铸造性。,18,第二章 金属材料与工艺,2.锻压性 锻压性是金属能否用锻压方法制成优良锻压件的性能锻压性一般与材料的塑性及其塑性变形抗力有关。普通低碳钢由于其塑性指标较高而具有良好的可锻性，塑性低的金属（如铸铁等），则难以进行压力加工。,19,第二章 金属材料与工艺,3.焊接性 焊接性是指金属材料易于用焊接方法连接起来，而且不需附加特殊措施即能获得优良焊接质量的性能。一种材料的可焊性除了与材料本身各种性能相关外，又与焊接工艺方法有关，某些新工艺的出现往往会改变人们对某些金属材料焊接性的认识。 例如通常认为铝及铝合金的焊接性较差，但由于氩弧焊的应用，使铝合金的焊接并不显得十分困难。因此，用氩弧焊接铝合金时，铝合金的焊接性并不太差。 总的说来低碳钢、低合金钢具有良好的焊接性，铸铁的焊接件较差。,20,第二章 金属材料与工艺,4.切削加工性 金属材料是否易于被刀具切削的性能，称为切削加工性 切削加工性能好的金属对使用的刀具磨损量小，切削用量大，加上表面也比较光洁。它与金属材料的硬度、韧性、导热性等许多因素有关。硬度高的材料固然难以切削，但韧性高的材料切削加工性也不好。 一般钢材来说，其硬度在HB200左右的具有良好的切削加工性。就金属材料种类来说，铸铁、黄铜、铝合金等切削加工性良好，而纯铜，不锈钢的切削加工性则较差。,21,第二章 金属材料与工艺,23 产品设计中常用的黑色金属 钢铁在产品设计中获得了广泛的应用，它的产量大约占金属材料总产量的90以上。钢铁根据含碳量可分为三大类：纯铁钢（含碳2.ll以下）铸铁（含碳2.ll以上）,22,23,24,第二章 金属材料与工艺,黑色金属从熔融状态凝结的时候，它的原子有序地排列成若干结构，形成晶体。这些晶体排列的布局是由金属从液态冷却到固态（相变）的速率决定的，这种冷却速率也决定了金属是否易碎和有内应力，或者是否柔软并有延展性。金属在制造过程中的行为和应用中的性质取决于他们的化学组成、原子结构和热处理过程。钢的后期热处理是一种用来增加机械性能的最常用的方法。,25,第二章 金属材料与工艺,晶体排列的布局是由金属从液态冷却到固态（相变）的速率决定的，这种冷却速率也决定了金属是否易碎和有内应力，或者是否柔软并有延展性。,26,第二章 金属材料与工艺,为均质和细化晶粒进行的碳钢和合金钢的热处理：退火：生成柔软的结构，具有良好的延展性和可锻性。正火：生成了均质的结构，具有良好的延展性，并且使得晶粒细化。淬火：将零件加热到一定温度后快速冷却的热处理称为淬火。回火：淬火后再将零件加热到某个温度，保温一定时间后冷却，这种热处理叫回火。回火的目的是消除淬火后的内应力，避免变形或裂纹，并降低硬度，以求得要求的强度、硬度、韧性和塑性的组合。,27,第二章 金属材料与工艺,2.3.1 纯铁质软、价格昂贵，不能作构造材料使用。纯铁 ( 或通常称为工业纯铁 ) 的特点是 : 强度低 , 硬度低 , 塑性好 。纯铁有极好的铁磁性，主要用于制造磁铁或磁极的铁心，通常不用来制造具有强度要求的结构和外观材料。,28,第二章 金属材料与工艺,2.3.2 钢钢的品种很多，有不同的分类方法。按照合金元素的有无可分为普通碳钢和合金钢。按含碳量的多少分为：低碳钢（0.25C ）中碳钢（0.250.6C）高碳钢（0.6C）,29,第二章 金属材料与工艺,在工业中应用更多的是按用途分为三类： 结构钢（0.6C ）、工具钢（0.71.5C）和特种用途钢，这种分类适用于碳钢和合金钢。 钢按用途分类： 结构用碳钢：一般结构用压延钢；机械结构零件用碳素钢； 结构钢 钢板、型材；钢丝；铸钢 结构用合金钢：低合金高强度钢；强韧钢 钢 工具钢：碳素工具钢；合金工具钢；高速钢 特殊用途钢：易切削钢；弹簧钢；轴承钢；量具钢；不锈钢；耐热钢,30,第二章 金属材料与工艺,l.结构钢 结构钢包括建筑工程、桥梁、汽车、铁路车辆、船舶、压力容器、器具及各种机械等的结构部分所使用的板、带、管材以及各种型钢等，这是产品设计中应用最为广泛的一类钢。 结构钢的特点是，除要求所用钢材具有一定的强度外，还必须有足够的塑性和韧性。结构钢分为结构用碳钢和结构用合金钢。 （1）结构用碳钢 1）一般结构用压延钢材 在结构用钢中，使用范围最广，广泛用作自行车、家具等。 2）机械结构零件用碳素钢 重要的机械零件使用杂质（S、P等）含量少的优质碳素钢。,31,第二章 金属材料与工艺,3）钢（铁）板 这类钢材在产品设计中应用广泛。钢（铁板包括镀锌铁板和镀锡铁板。它的加工性好，广泛应用于家庭器具。其他的热轧薄钢板、冷轧薄钢板等在船舶、建筑、车辆及机械制造工业中被广泛采用。 近年来，出现了经各种表面处理的钢板（表22）。例如彩色涂层钢板，用它作外观造型材料，产品成型后不需再进行涂装和其他表面处理。 4）钢（铁）丝 有软钢（铁）丝和硬钢丝两类，另外还有钢琴丝。 5）铸钢 形状较复杂的零件一般采用铸造方法成形，这时所用的钢叫铸钢。,32,第二章 金属材料与工艺,33,第二章 金属材料与工艺,（2）结构用合金钢 1）低合金高强度钢 桥梁、船舶等结构钢用量很大，且无法进行热处理，所以一般在压延或锻造状态使用。连接方法多采用焊接。 2）强韧钢 通过淬火与回火处理使钢具有很好的强韧性。,34,第二章 金属材料与工艺,2.工具钢 工具钢在冶炼过程中是”纯净的“、高合金的钢，用于工具、冲模以及那些需要耐磨性、热稳定性，在高温环境下需要强度或韧性的零件。工具钢常用于那些要求极高的强度和耐磨性的场合。为了达到最佳的性能，工具钢都要进行热处理。,35,第二章 金属材料与工艺,（l）碳素工具钢 在淬火和低温回火之后有很高的硬度和耐磨性，常用于制造刃具、量具、模具或其他工具。 碳素工具钢的钢号用（T）及其后的数字表示，共有T7，T8，T8Mn，T9，T10， Tll，T12 ，T13等8个钢号。高级优质碳素工具钢，则在数字后加有“A”字。所以从碳素工作钢的钢号即可了解其含碳量，钢号越大钢含碳量高，强度和硬度高，耐磨性好，而塑性及韧性低。 （2）合金工具钢 为了提高淬透性，减少产生淬火变形、裂纹的倾向，提高耐磨性，研制出了合金工具钢。 （3）高速钢 高速钢主要用作切削工具，刀刃温度达6000C仍不软化。,36,第二章 金属材料与工艺,3. 特殊用途钢 特殊用途钢在产品设计中的应用越来越广泛，这类钢含有多量的合金元素，属高合金钢范畴。最常用的有不锈钢、耐热钢、热切削钢、弹簧钢、轴承钢、量具钢等。不锈钢按组织分为三类：马氏体型不锈钢铁素体型不锈钢奥氏体型不锈钢,37,第二章 金属材料与工艺,（l）马氏体型不锈钢 多用于制造机械性能要求高，耐腐蚀性要求相对较低的零件。广泛应用了家庭器具和板材、螺钉、螺帽之类，还可作为结构零件，如汽轮机叶片、医疗器械等。通过淬火硬化制作刀具等。（2）铁素体型不锈钢 钢质较易于加工、塑性好、强度低，主要用于汽车排气系统化工热传输设备的容器、管道等。（3）奥氏体型不锈钢 目前产品造型设计中应用最广的不锈钢。在化学工业中用于管道、阀、螺栓、泵、化工容器等；在建筑业中用于室内装饰金属制品、家具用品等。另外，还可做为汽车散热器、飞机零件以及医疗器械等。,38,第二章 金属材料与工艺,233 铸铁 铸铁在产品造型设计中应用非常广泛，大量地作为各种机床的床身、床脚、箱体以及一些机电产品主要承受压力的壳体、箱体、基座等的工业产品材料。 铸造性优于钢，而且价格低廉，制作方便，因此在产品造型上获得广泛的应用。它用来制造强度、韧性要求不太高的、有良好消振性、耐磨性的零件，甚至较重要的零件。 工业上使用的铸铁种类很多，接石墨的形态和组织、性能，可分为灰铸铁、球墨铸铁、蠕虫状石墨铸铁和可锻铸铁等。,39,第二章 金属材料与工艺,1.灰铸铁 它通常是指具有片状石墨的铸铁，它的断口呈灰色。灰铸铁生产工艺简单，成品率高，成本低，是产品造型中应用最广泛的铸造材料。 2.球墨铸铁 球墨铸铁按基体组织的不同，可分为珠光体球墨铸铁、铁素体球墨铸铁和贝氏体球墨铸铁三大类。 主要用于制造汽车、拖拉机底盘等多种零件以及机夹具、零件和阀门，电力线路零件等。在国外则大量用于铸管，如上下水管道及输气管道等。,40,第二章 金属材料与工艺,3.蠕虫状石墨铸铁 简称蠕铁，可代替高强度灰口铸铁、合钢铸铁、黑心可锻铸铁、低延伸率的铁素体球墨铸铁等，制造大马力柴油机缸盖、电机外壳、机座、驱动箱箱体、掣动器鼓轮、生铁模、钢绽模、阀体等零件以及机床零件等。 4.可锻铸铁 目前已广泛地应用于汽车、铁道、建筑、电力、纺织、家具、国防、机械制造等各个部分。,41,第二章 金属材料与工艺,24 产品设计中常用的有色金属 有色金属的机械性能和物理性能的范围很宽，熔点的温度范围很大，成本和性能的差异也很大。 许多用于黑色金属的加工方法同样也用于有色金属。然而有色金属对这些成型工艺的反应往往更强烈，铸造和锻压成型后的相同合金的机械性能也许变化很大。应用最广的有色金属材料如下： 铝及铝合金 铜及铜合金,42,43,第二章 金属材料与工艺,241 铝及铝合金 铝及铝合金是工业造型材料中用量最大的有色金属。纯铝的比重小（2.7g/cm），导电性好，耐蚀性强，强度高，因此在航空、电器和机械工业中应用很广。另外，铝作为装饰材料广泛应用于建筑、家具、工业产品中。 1.纯铝 纯铝分为高纯铝和工业纯铝两类。高纯铝主要用于科学研究及制造电容器。工业纯铝可制作电线、电缆和器皿等。,44,第二章 金属材料与工艺,2.铝合金 纯铝的强度很低，不能作为结构材料使用，但在铝中加人铜、镁、锰、硅等合金元素后，所组成的铝合金具有较高的强度，能作为工业造型材料。 铝合金的分类： 一般可将铝合金分为铸造铝合金、可热处理强化的变形铝合金和不可热处理强化的变形铝合金三种，后两种属变形铝合金。,45,第二章 金属材料与工艺,（1）铸造铝合金 铸造铝合金分为铝硅铸造铝合金、铝铜铸造铝合金、铝镁铸造合金等。 适于制造形状复杂但强度不高的零件，例如仪器仪表、抽水机动性壳体等。特殊硅铝常用作承受低载荷的零件和形状复杂的铸件，如气缸体、电机壳体等。 （2）变形铝合金 变形铝合金主要有不可热处理强化的变形铝合金（防锈铝合金）和可热处理强化的变形铝合金（硬铝、超硬铝及银铝合金）。,46,第二章 金属材料与工艺,l）防锈铝合金 主要用于焊接零件、构件、容器、管道、蒙皮以及需要深冲、弯曲的零件和制品等。防锈铝合金经抛光后能较长期地保持光亮表面，在仪表盘、灯具及装饰材料中应用效果很好。 2）硬铝合金 低合金硬铝：主要用作铆钉、常称为铆钉硬铝。 标准硬铝：主要用作中等强度的构件和零件；如骨架、螺旋桨叶片、大型铆钉、螺栓等。 高合金硬铝：主要用作重要的高强度构件，如航空模锻件和重要的销、轴、梁等。 3）超硬铝合金 主要用作受力大的重要构件及高级零件，例如飞机大梁、加强框、桁条、起落架、电器柜骨架等。 4）锻铝合金 主要用于制造外形复杂的锻件和模锻件。,47,第二章 金属材料与工艺,242 铜及铜合金 铜及铜合金是历史上应用最早的有色金属，目前作为工业造型材料使用的主要有工业纯铜、黄铜、青铜等。 l.纯铜 纯铜是玫瑰红色金属，常呈紫红色，故又名紫铜。纯铜的耐蚀性优良，可制作各种实用品及工艺美术用品。纯铜一般不宜于制造受力的结构零件。 2.黄铜 黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。黄铜的机械性能比纯铜好，价格较低；不易生锈腐蚀，易于加工。金色的铸黄铜含铅、铁，光彩如金、金碧辉煌、高贵、华丽、常用作灯具等装饰材料。,48,第二章 金属材料与工艺,（l）普通黄铜 普通黄铜的强度和韧性随含锌量的增加而提高。含锌量为510的是所谓红铜，由于锌使铜由紫红色变为金黄色，可替代用作金箔、镶金，在建筑、家具、工艺美术品中使用。,49,第二章 金属材料与工艺,（2）特殊黄铜 为了提高黄铜的机械性能、切削性能、耐蚀性等，在铜锌合金中加入硅、锡、铝等元素，即形成特殊黄铜。 3.青铜 （l）锡青铜 它具有良好的耐磨性，常用于制造轴套、轴瓦、阀门、泵体、齿轮、轴等零件。其外观历感显得十分古朴、庄重、颜色褐中透绿。 （2）其他青铜 包括铝青铜、铍青铜等。,50,第二章 金属材料与工艺,4.其他铜合金 （1）钱币合金 钱币合金的基体金属主要有金、银、铜、铝、镍等，添加的金属多为锡、铅、锰、镁、铬、锌等。机械性能是非常优越，加工性、耐蚀性、耐热性均很高,一般呈黄色或白色。 （2）白铜 以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，有金属光泽。其耐蚀性、加工性均较好，可做家庭用品及工艺品等。,51,第二章 金属材料与工艺,243 其它有色金属 1.镁及镁合金 镁是工业用金属中最轻的一种。低密度和良好的机械强度，良好的耐冲击性和耐疲劳性。对应力集中较为敏感，零件设计避免凹槽、尖角以及截面积突变。镁合金的应用在宇航工业上较多。如：镁锰合金主要用于制造中等载荷的零件，飞机蒙皮、壁板等。 2.钛及钛合金 钛的耐蚀性极好，对海水的抗蚀性与白金相同，熔点高，耐热性能好，常用于航空工业，火箭导弹化学用耐蚀零部件也有应用。 3.轴承合金 轴承合金是制造滑动轴承的轴瓦及轴衬的耐磨材料，统称为白金属。锡基和铅基轴承合金为巴比特合金（或巴氏合金）。还有铜基合金、铝基合金、银基合金、镍基合金、镁基合金和铁基合金等。 4.锡 锡是软质，富有延展性的白色金属，用锡电镀铁板可制造罐头盒和各种容器等。,52,第二章 金属材料与工艺,5.活字合金 活字合金又称印刷合金，铅锡锑合金。这种合金中的锑能提高合金的硬度、减少凝固时收缩率，保证浇铸的字笔划丰满；锡可降低合金的熔点，增加合金液体的流动性，保证字面光洁和提高印刷时传墨性能，此外，还能消除锑所引起的合金脆性。 6.低熔点合金 铋（Bi）、镉（Cd）、铅（Ph）、锡（Sn）等元素经适量配置，能得到熔点在1000C以下的低凝固点含金。这种合金可作保险丝、消火栓弹簧、各种安全阀及装置、牙科用合金及镶嵌式样等。 7.粉末合金 不经熔炼和铸造，而用金属粉末或金属与非金属粉末作原料，用压制和烧结的工艺方法，直接在模具中制成的合金，称为粉末合金，也称陶瓷冶金。,53,第二章 金属材料与工艺,金属成型方法：液体状态成型（铸造）：是一种获得金属工件的有效方法，适用于复杂零件。塑性状态成型（锻造）：预成型零件加热到接近熔点的温度，提高零件强度，大批量成型能够实现自动化。固体状态成型：通常局限于板料、棒料和管材。,54,第二章 金属材料与工艺,2-5 金属的热加工工艺 金属成形 铸造（液态成形） 金属压力加工（塑性成形、固态成形） 焊接,55,56,第二章 金属材料与工艺,2.5.1 铸造 将熔化的液体金属浇注入铸形空腔中，待冷却后获得零件或毛坯制品的工艺过程，称为铸造。 在铸造生产中，基本方法是砂型铸造。其生产过程可归纳如下： （1） 根据零件图制造模型的芯盒。 （2）制备型砂及芯砂。 （3）利用模型及芯盒进行造型及制芯。 （4）烘干型芯或铸型。 （5）合箱浇注。 （6）出砂和清理铸件。 除了砂型铸造，还有特种铸造方法，如：冷硬铸造、压力铸造、离心铸造、熔模铸造和壳型铸造、陶瓷型铸造等,57,第二章 金属材料与工艺,58,第二章 金属材料与工艺,1 底箱（下半型）2 盖箱（上半型）4 直浇道5 横浇道6 补缩冒口7 内浇口9 型芯10 型腔,59,第二章 金属材料与工艺,铸造生产具有以下优点： （l）可以铸成外形和内腔十分复杂的毛坯，如各种箱体、床身、机架等。 （2）适用范围较广，工业上常用的材料都可用来做铸造。有些材料，如铸铁，只能用铸造方法制取零件。铸件的重量可以从几克到 200吨以上。 （3）原材料来源广泛，还可直接利用报废的机件或切削，工艺设备费用小，成本较低。 （4）铸件的形状与零件尺寸较接近，可节省金属的消耗，减少切削加工工作量。,60,第二章 金属材料与工艺,特种铸造特种铸造是指不同于砂型铸造的其他铸造方法。常用的特种铸造方法，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造和离心铸造等。,61,第二章 金属材料与工艺,一、熔模铸造熔模铸造又称失蜡铸造或精密铸造。它是用易熔材料（如蜡料）制成模样并组装成蜡模组，然后在模样表面上反复涂覆多层耐火涂料制成模壳，待模壳硬化和干燥后将蜡模熔去，模壳再经高温焙烧后浇注获得铸件的一种铸造方法。,62,第二章 金属材料与工艺,二、金属型铸造将液态金属浇入用金属材料制成的铸型而获得铸件的方法，称为金属型铸造。金属铸型可反复使用，又称为永久型铸造或硬模铸造。金属型一般用耐热铸铁或耐热钢做成。,1浇口 2砂芯 3型腔 4金属型芯图2 金属型的结构和类型,63,第二章 金属材料与工艺,三、压力铸造金属液在高压下高速充填铸模型腔，并在压力下凝固成形，称为压力铸造，简称压铸。压力铸造是在压铸机上进行的。压力铸造的充型压力一般在几MPa到几十MPa。铸型材料一般使用耐热合金钢。,图3压铸机工艺过程示意图,64,第二章 金属材料与工艺,四、低压铸造金属液在一定压力下充填铸模型腔，并在该压力下凝固成形的方法称为低压铸造。低压铸造的充型压力一般在2060kPa。铸型一般采用金属型、或金属型与砂芯组合型。,图4 低压铸造示意图,65,第二章 金属材料与工艺,五、离心铸造将金属液浇入旋转的铸型中，使之在离心力作用下充填铸型并凝固成形的铸造方法，称为离心铸造。常用的离心铸造机有立式和卧式两类。铸型绕垂直轴旋转的称为立式离心铸造，铸型绕水平轴旋转的称为卧式离心铸造。,图5 离心铸造及铸件成形过程,66,第二章 金属材料与工艺,2.5.2 金属压力加工 金属压力加工是在外力作用下使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法。 压力加工是以材料的塑性为基础的，各种钢和大多数有色金属都具有不同程度的塑性，因此它们可在冷态或热态下进行压力加工。但脆性材料，如铸铁则不能。 压力加工的加工方式较多，其中主要的有锻造、轧制、板料冲压、滚制、挤压等。,67,68,69,70,第二章 金属材料与工艺,金属压力加工具有如下特点： （1）改善金属内部组织。材料经压力加工后，金属组织的内部缺陷，如微小裂纹、结构缩松，经过微小气孔的整合、焊合而提高了金属的机械性能。 （2）采用快速锻造等加工 （3）使用压力加工新工艺可减少金属的加工损耗 （4）适用范围广,71,第二章 金属材料与工艺,2.5.3 焊接 所谓焊接，就是在两块金属之间，用局部加热或冲压等手段，借助于金属内部原子的结合力，使金属边接成牢固整体的加工方法。 焊接过程中，工件和焊料熔化形成熔融区域，熔池冷却凝固后便形成材料之间的连接。这一过程中，通常还需要施加压力。焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。,72,第二章 金属材料与工艺,焊接在工程上占有很重要的地位，广泛应用于桥梁、建筑、船舶、化工和机械制造等工业部门，以及航空、宇宙飞行等空间技术部门。 焊接的特点如下： （1）减轻结构重量，节约大量金属材料。 （2）生产率高，生产周期短，劳动强度低。 （3）可以保证高的气密性，提高产品质量。 （4）产品成本低。 （5）便于实现机械化，自动化。,73,第二章 金属材料与工艺,焊接方式的种类很多，按照焊接过程的特点，可以归纳为：熔化焊、压力焊和钎焊。 利用金属的局部加热并附加压力或只加压不加热使其结合的方法，称为压力焊。 利用某些熔点低于被连接金属的熔化金属、钎料作连接媒介物，在连接界面上流散浸润，然后冷却结晶而获得结合的方法称为钎焊。,74,第二章 金属材料与工艺,26 金属冷加工工艺 利用刀具和工件作相对运动，从毛坯上切去多余的金属以获得所需几何形状、尺寸精度和表面粗糙度的零件，这种加工方法称金属切削加工，也称冷加工。金属切削加工的形式很多，一般可分为车、刨、钻、铣、磨、齿轮加工及钳工等。,75,第二章 金属材料与工艺,76,第二章 金属材料与工艺,2.6.1 车削加工 机械产品中有很多零件都是回转体，如轴、齿轮、螺栓等，这类零件大部分都要在车床上进行切削加工，所以车床比其他类型的机床应用得更为普遍。 车床的种类很多，工厂中常用的有：普通车床、六角车床、立式车床、仿形及多刀车床、自动和半自动车床等。 车刀的种类很多，按它的用途可分为外圆车刀、左右偏刀、镗孔刀、切断刀、螺纹车刀，样板刀等，如图24所示。,77,第二章 金属材料与工艺,78,第二章 金属材料与工艺,79,第二章 金属材料与工艺,80,第二章 金属材料与工艺,81,第二章 金属材料与工艺,2.6.2 刨削与拉削 用刨刀在刨床上对工件进行切削加工的工艺过程，称为刨削。 按照切削时刀具与工件相对运动方向的不同，刨削可分为水平刨削和垂直刨削两种。水平刨削通称刨削，垂直刨削称为插削。 刨削主要用于加工各种平面、沟槽和成型表面。刨削为间接刨削，刀具容易损坏，切削速度受到限制，结构较简单，机床的调整和操作比较容易，刨刀的构造简单，刃磨方便。刨削加工可以得到较高的加工精度和细的表面粗糙度。,82,83,第二章 金属材料与工艺,263 钻削与镗削 在机器制造中，孔加工占有很大的比重。孔加工的方法很多，用钻头在整体材料上加工孔称为钻孔。钻孔精度较低，为了提高精度和降低表面粗糙度，钻孔后还要继续进行扩孔和铰孔。对直径较大的孔，当尺寸精度及位置精度要求较高时，应进行镗孔。,84,第二章 金属材料与工艺,264 铣削 使用旋转的多刃刀具即铣刀加工工件的过程称为铣削。铣削加工也是由两个基本运动组成，铣刀的旋转是主体运动。 铣削使用多刃刀具间断切削，由于同时参加切削的刀齿数较多，所以生产率高。刀刃的散热条件不好，使铣削生产率的进一步提高受到限制，同时也影响到铣削加工的精度和表面粗糙度。,85,第二章 金属材料与工艺,265 磨削 用砂轮或其地磨具加工工件表面的工艺过程，称为磨削。磨削加工可以获得高精度和表面粗糙度细的表面。在大多数情况下，它是机械加工最后一道精加工或光整加工工序。 根据切削方法的不同，磨削可分为轮磨、研磨、珩磨、旋磨、抛光等，其中以轮磨用得最普遍。,86,第二章 金属材料与工艺,266 钳工加工 钳工是利用各种手工工具和钻床对金属进行加工或进行机器及部件装配等的操作方法。 机器的装配和修理，尤其单件生产时不宜采用特殊设备，形状复杂精度要求高的量具、样板、模具、夹具等的制造也离不开钳工。,87,第二章 金属材料与工艺,27 金属材料在产品设计中的应用 在各个工程领域中，金属材料是所有材料中最主要和最基本的结构材料，从构成现代工业产品外观质量的角度来分析，金属材料也是最主要和应用最广泛的结构材料。由于金属及其合金在力学、物理学、化学和加工工艺等方面的一系列特殊的优异性能，使得它不仅可以保证产品使用功能的实现，而且可以赋予产品一定的美学价值，使产品呈现出现代风格的结构美、造型美和质地美。,88,第二章 金属材料与工艺,褶皱花瓶 由荷兰设计师马丁.布鲁尔（Martin Bruhl）设计，由一整片不锈钢制作而成，经冲压、敲打、弯曲而成。,89,第二章 金属材料与工艺,“猫鱼”剪子 由意大利设计师富兰西斯克.菲利普（Fancesco Filippi）设计，将鱼和猫的形象组合成一把剪刀，由两片不锈钢绞合而成。不锈钢表面镀钛。,90,第二章 金属材料与工艺,“孔洞”椅 由设计师皮耶特罗.阿柔索（Pietro Arosio）设计，采用整块铝板制成，椅子的前后腿与椅面为一个整体，铝合金板（厚3mm）采用切割弯曲成型，椅子的孔洞是为了外观造型和减轻重量。,91,第二章 金属材料与工艺,由荷兰设计师帕特.荷恩.艾克（Piet Hein Eek）和诺伯.荣格科（Nob Ruijgrok）设计。椅子由7部分组成，采用2mm厚的阳极氧化铝板，板材切割后经电脑打孔和压弯机弯曲成型，各部分采用固定螺栓（或铆钉）组装在一起。,92,第二章 金属材料与工艺,不锈钢材料具有亚光的效果，通过研磨、喷砂和化学处理等工艺达到。在这款设计中，研磨工艺的应用，使得眼镜盒的设计更加朴素，简洁。整个设计的理念在材料、造型和功能之间达到完美的和谐。,93,第二章 金属材料与工艺,设计师： 塞尔希.德维萨.伊.巴杰特（西班牙）这款灯具显示了一种神秘的效果，两个对称灯体采用锌基合金材料铸造成型，灯体采用圆销和销孔结合成一体，金属表面经抛光处理。加强了灯具的艺术性。使金属的闪烁和温暖的灯光融合在一起。,94,第二章 金属材料与工艺,设计师： 仓右四郎（日）该设计像一个闪着光的幻想。设计者通过采用能引起人们好奇心的网状材料和对部件的巧妙使用，向人们传达了精致的空间感和轻盈感。椅子由9部分镀镍钢丝网焊接而成。,95,第二章 金属材料与工艺,设计师： SIGG瑞士AG针对铝这种有延展性的金属，设计采用了冲压这个冷加工工艺。瓶的内壁喷涂一层搪瓷，既保证饮料存储的安全，又防止了饮料中的酸对瓶身的腐蚀。最后，对瓶身进行了独具个性的磨砂效果涂层。使得这个功能瓶更加精制和高档次。,96,第二章 金属材料与工艺,钛金属质轻坚韧、具有极佳的耐蚀性，因此主要应用在航太工业与生医工程。Nokia 8910拿钛金属来作手机外壳有点大材小用，却能够衬托旗舰机种的极致与稀有。,Nokia 8910,