材料成型概论第一章概述课件.ppt

授课教师： 曹 燕 E-mail: ,材料成型概论,课程的性质和任务,课程性质： 材料成型概论是一门关于材料成型工艺及技术的专业课，通过本课程的学习，使学生系统掌握金属塑性成型的理论基础和各种成型方法原理、特点、成型工艺和成型设备，了解相关的新工艺、新技术。,课程的性质和任务,课程任务1. 了解工程材料的一般知识；常用金属材料的分类和牌号。2. 掌握影响金属性能的主要因素及原理。3. 掌握金属塑性成型时的金属流动规律和变形特点。4. 掌握各种成型方法的原理、特点、成型工艺和成型设备。,课程的性质和任务,教 材：金属压力加工概论 李生智编 参考书 ：材料塑性成型概论 卢秉林编 工程材料及成形技术基础 吕广庶编成绩评定方法：平时作业、课堂提问成绩占30% 期末考试成绩占70%随机点名，旷课三分之一本门课成绩以0分计,材料成型概论,第一章 材料成型概述第二章 材料塑性成型的基础第三章 轧制成型第四章 挤压成型第五章 拉拔成型第六章 锻造成型第七章 冲压成型第八章 陶瓷成型,第一章 材料成型概述,材料的发展与分类 1.1.1 材料的发展 1.1.2 工程材料的分类 材料成型的方法和特点 1.2.1 材料成型的方法和特点 1.2.2 材料的关键要素 1.2.3 金属塑性成型的方法和特点 1.2.4 轧制成型的发展及应用,1.1,1.2,1.1.1 材料的发展,材料是人类用来制造各种机器、构件和产品的物质，是人类生产和生活的物质基础。人类社会的发展伴随着材料的发明和发展，人类的文明史是按材料发展阶段划分的，材料是人类社会进步的里程碑。,手锤,锉刀,材料在社会与社会发展中的地位,1.1.1 材料的发展,石器时代石器是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。新石器时代（公元前6000 5000年）用粘土烧制成陶器。,铜器时代经历了25003000年在新石器时代后期开始使用天然金属，首先是铜。然后发现和认识了金属矿石尤其铜矿石（孔雀石）并在烧制陶器生产中创造了冶金技术。,1.1.1 材料的发展,1.1.1 材料的发展,铁器时代 经历了约3000年陨铁不如天然铜容易识别，约公元前3000年开始使用天然陨铁。铁的冶炼大约始于公元前1250年，人类的发展进入铁器时代。我国春秋战国时期（公元前770 221年）已开始大量使用人工铁器。,1.1.1 材料的发展,钢铁时代中国古代冶金铸造技术先进，但限于手工锻打，没有发展轧制技术。16世纪中叶，欧洲出现比林古桥的火法技艺和阿格里科拉的论冶金冶金文献。1740年炼钢和铸钢技术被突破后，钢铁开始蓬勃发展，伴随产业革命发展为人类社会的支柱工业。,1.1.1 材料的发展,这标志着18世纪前是铁的时代，18世纪后是钢的时代，也是冶金学形成的时代。这一时期钢铁工业的中心在欧洲，英国为代表。以后，随着冶金理论不断发展，新的技术、方法和装备不断被发明直至上世纪80年代。材料的品种、数量和质量代表现代化程度之一。,1.1.1 材料的发展,硅时代、新材料时代 在当代，科学技术和生产飞跃发展。材料、能源和信息作为现代技术的三大支柱，发展格外迅猛。 材料的发展呈现出合成化、多元化、复合化，正向纳米化发展。,1.1.1 材料的发展,20世纪20年代出现人工合成高分子材料，到70年代中期有机合成材料与钢的体积产量相等。20世纪60年代半导体材料（晶体管、集成电路等）的出现，引发了计算机及信息产业的革命。20世纪90年代后期，开始新一代钢铁材料即超细化钢铁材料的研究。21世纪将是纳米材料时代。,鞍钢,新中国成立后，先后建起了鞍钢、马钢、宝钢等大型钢铁基地。粗钢产量由49年的15.8万吨上升到2011年粗钢产量的6.83亿吨,1996年： 1亿吨2003年： 2亿吨2008年： 5.02 亿吨，世界钢产量13.3亿吨，占37.72011年： 6.83 亿吨，世界钢产量15.3亿吨，占44.6 钢材8.81亿吨当前的任务是：担负起世界钢铁生产中心的责任，从钢铁生产大国迈向钢铁技术强国！,中国,日本,美国,欧洲,中国,日本,美国,欧洲,近年来中国钢产量在世界的位置,材料成形的学科体系与重点,1.1.2 工程材料的分类,工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。按组成与结合键分： 1、金属材料 2、无机非金属 3、有机高分子材料 4、复合材料,1.1.2 工程材料的分类 (按成分分),金属,无机非金属,材 料,钢铁,有色,重金属,轻金属,稀有金属,有机高分子,黑色,贵金属,特种陶瓷,传统陶瓷,塑料,橡胶,合成纤维,半金属,传统陶瓷、水泥、玻璃、耐火材料、搪瓷、砖瓦、琉璃、铸石、碳素材料，非金属矿,先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、磨料、无机涂层、无机纤维及其他们的复合材料等,复合材料,金属陶瓷,1.1.2 工程材料的分类 (按成分分),金属材料,以金属键结合为主; 良好的导电性、导热性，强度、延展性，焊接性能好，耐热耐蚀性好和金属光泽; 用量最大、应用最广泛。,金属材料,半金属: Si As Se 等,砷，硒,3.5g/cm3,3.5g/cm3,陶 瓷 材 料,以共价键和离子键为主；由金属元素和非金属元素或非金属元素之间组成的化合物，如氧化物、氮化物、碳化物；熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大，好的绝缘材料 分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类。,高分子材料,以分子键和共价键为主;基于C、H元素的有机化合物，具有非常大的分子结构，塑性好、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小; 分塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类。,复 合 材 料,包括：金属基复合材料 应用多;陶瓷基复合材料;高分子复合材料 应用多.,是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。,玻璃纤维增强高分子复合材料,1,黑色金属铁（钢）,分子式： Fe密 度： 7.86g/cm3熔 点： 1538Fe + (C，Si，S，P，Mn),Fe,铁,钢,铸铁工业纯铁,碳钢合金钢,钢中的化学成分,工业纯铁含碳量在C0.02% 钢是含碳量在0.02%2.11% 的铁碳合金.钢中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。 铁是含碳量在2.11 %C6.69% 的铁碳合金。 普通碳素钢中，Fe占99 %，其余元素占1%。在低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素（镍、钒、钛等）（含量低于5 %）,各元素对钢材机械性能影响,钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度和 抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。铜 ：可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提 高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。,钢中的化学成分,汽车主要使用的材料,各种材料在先进汽车中占的重量百分比,在轻量化的推动下，铝合金材料应用技术发展很快，在近年来出现的全铝车身以铝密集型汽车(如福特P2000)中，铝的比例更高达37%,波音767飞机所用的各种材料比例,1.1.2 工程材料的分类 (按用途分),按领域分类：机械工程材料、建筑工程材料、能源工程材料、信息工程材料、生物工程材料等,1.1.2 工程材料的分类 (按用途分),功能材料,结构材料,现代钢铁工业是个庞大的工业部门，包括采矿、选矿、烧结、焦化、耐火材料、炼铁、炼钢、轧钢等一系列生产部门与相关辅助服务部门。其中最主要的部门为炼铁、炼钢与轧钢。,钢铁生产过程总揽,冶炼,还原,脱碳 脱硫,氧化,浇注 连铸,成型,轧制,变形过程,矿石,铁水,钢水,钢坯,机加工,钢材,钢铁生产过程总揽,钢铁生产过程总揽,锻件,管材,型材,线材,板带材,现 代 化 大 型 高 炉,转 炉 炼 钢,轧 钢 系 统,1.2.1 材料成型的方法和特点,材料成型就是把不定形或初定形的原材料按一定方法加工成形状、尺寸和性能满足要求的产品。,车，铣，刨，削，磨，钻,铸造，焊接，铆接，电解沉积，涂镀,轧制，锻造，冲压，拉拔，挤压,尺寸精确，表面光洁；耗料，能耗高，成本高，生产效率低，无法改善组织,原料消耗少，能制备复杂形状产品；缩孔，砂眼，偏析，机械性能差,无屑加工，产量高，效率高，改善产品组织，性能好；产品形状相对简单，设备投入较大，大多需要成型,1.2.1 材料成型的方法和特点,1.2.1 材料成型的方法和特点,1.切削成型（机械加工） 体积和质量减小； 即由大质量的金属上面去除一部分质量而获得一定形状及尺寸的工件。 如：车、铣、刨、削、磨、钻等,1.2.1 材料成型的方法和特点,2. 铸造、连接成型（焊接、铆接）、电解沉积、涂镀、粉末冶金等体积或质量增大。 即由小质量的金属逐渐积累成大质量的产品。 如铸造、铆焊等。,1.2.1 材料成型的方法和特点,3. 塑性成型体积和质量不变； 即利用金属的塑性，对金属施加一定的外力作用使金属产生塑性变形，获得一定形状、性能和尺寸的产品金属塑性（压力）加工。如：轧制、挤压拉拔、锻造、冲压。,1.2.1 材料成型的方法和特点,4. 组合成型 上述几种成型方法的联合使用。如液态铸轧方法，是铸造与轧制方法的联合；辊锻加工是轧制和锻造方法的联合。,1.2.2 材料的关键要素,结构、性能、成分与加工工艺四者之间的关系,1.2.2 材料的关键要素,1. 加工工艺,在材料塑性加工成型时，一方面改变了材料外部形状，内部组织结构发生了变化，另一方面也改变了材料性能。例如，一根金属丝当它通过模具拉拔时，它的直径减小了，同时本身也强化和变硬了。在一般作为导电体用的铜丝中是不希望这种硬化的；而在生产子午线轮胎中的钢丝时恰恰是利用这个过程来实现材料的强化。,1.2.2 材料的关键要素,2. 成分/组织结构,1.2.2 材料的关键要素,2. 成分/组织结构,材料的性能取决于材料的成分和内部结构.组织结构：表示材料微观特征的。组织是相的形态、分布的 图象；结构是指材料中原子或分子的排列方式。宏观组织 用肉眼或用放大几十倍的放大镜所观察到的 组织称低倍组织；显微组织 100-2000倍显微镜观察到的组织称高倍组织；电镜组织 用放大几千倍到几十万倍的电子显微镜所观 察到的组织称精细组织.,钢的宏观组织、显微组织和电镜组织,1.2.2 材料的关键要素,3. 性能 Properties,材料的性能包括使用性能、工艺性能、环保性能和经济性。使用性能 : 材料在使用条件下表现出来的性能，包括机械(力学)性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命 .,材料的使用性能,物理性能 :密度, 熔点, 电性能, 磁性能, 光学性能, 导热性等.化学性能 :指材料在不同条件下抵抗各种化学作用的性能.耐腐蚀性能, 高温抗氧化性能, 抗老化性能, 降解性能等.力学性能 :指材料在力的作用下表现出来的各种性能.抗拉强度, 断裂韧性, 疲劳强度, 抗蠕变强度, 硬度等.,材料的工艺性能,材料在塑性加工过程中所表现的性能。 （ 冷热加工条件和环境下）金属材料工艺性能的好坏，决定了它在塑性加工中加工成形的适应能力.包括铸造性能, 锻造性能, 切削性能, 焊接性能, 热处理性能, 冲压成形性能等.,材料的工艺性能,铸造性能 :铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的能力。对金属材料而言，铸造性主要包括流动性、收缩率、偏析倾向等指标。流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也好。锻造性能 :锻造性能是指材料是否易于进行压力加工的性能。锻造性能的好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。一般来说，钢的可锻性较好，而铸铁不能进行任何压力加工。,材料的工艺性能,切削性能 :切削性能是指材料是否易于切削加工的性能。它与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。有利切削的硬度为HB160230，切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。金属和塑料相比，切削工艺有不同的要求。焊接性能 :焊接性能是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差。,材料的工艺性能,冲压成形性能 :冲压成形性能是指板料对各种冲压成形加工的适应能力，它涉及两个主要方面：一是成形极限，希望尽可能减少成形工序；另一是要保证冲压件质量符合设计要求。,1.2.3 金属塑性成型的方法和特点,金属塑性成型是指利用金属的塑性借助工具(模具)对金属铸锭或坯料施加外力，迫使其发生永久塑性变形，获得预期形状、尺寸和性能成品或制品的加工过程。又称金属塑性压力加工，简称塑性加工或压力加工。,1.2.3 金属塑性成型的方法和特点,材料利用率高。 无削加工，节省金属，成材率较高。 一般的塑性成形方法的材料利用率可达到6070，先进的塑性成形方法现已达到8590，采用连铸坯轧制成品材的利用率可达95以上。,特 点,1.2.3 金属塑性成型的方法和特点, 生产效率高，适于大量生产。 线材轧制速度已超过100 m/s，在120000 kN机械压力机上每小时能生产汽车发动机曲轴90件。 产品质量高,性能好,缺陷少* 改善组织和性能 加工精度和板料冲压时成形极限有限。 模具、设备费用昂贵。,特 点,塑性加工工艺相对于铸造、焊接工艺有产品内部组织致密、力学性能好且稳定的优点。,1.2.3 金属塑性成型的方法和特点, 对于形状复杂，尺寸精确，表面十分光洁的 产品尚不及切削加工； 在成本及形状复杂方面不及铸造； 只能用于生产具有塑性的金属。,不 足,1.2.3 金属塑性成型的方法和特点,轧制：生产率高、生产过程的连续性强、易于实现机械化和自动化。约90%以上的钢材是通过轧制成形的。,加工成型不仅仅是为了满足材料实际使用对制品形状、尺寸、精度的要求，同时对材料的力学性能、物理性能和微观组织结构的改善也有十分重要的作用。,按变形方式分：,1. 轧制,轧制成型是指金属轧件通过旋转的轧辊受到压缩产生塑性变形，横断面积减小，长度增加，从而获得要求的断面形状和尺寸，并同时改善金属性能的压力加工方法。 轧制的方式： (可实现连续轧制)纵轧、横轧、斜轧。,轧辊的轴线相互平行或在同一平面内，上下工作辊转动方向相反，轧制时轧件沿与轧辊轴线垂直方向作直线运动且延伸的轧制方式。,(1) 纵轧,图1 纵轧示意图1轧辊 2轧件 3行进方向,金属轧制最常用的方式，是冶金生产主要的加工方法。主要用于初轧开坯、板带材轧制、型材轧制和棒线材轧制。,上下两个轧辊的轴线倾斜互成一定角度，各工作辊旋转方向相同，轧制时轧件沿轧辊夹角平分线作螺旋运动且延伸的轧制方式。,(2) 斜轧,图2 二辊斜轧简图l轧辊 2坯料 3毛管 4顶头 5顶杆,上下两个轧辊的轴线相互平行，各工作辊旋转方向相同，轧制时轧件沿轧辊轴线方向作螺旋运动且延伸的轧制方式。,(3) 横轧,轧制（板带材）：镀锡板，彩涂板，中厚板,轧制（管材）：无缝管，不锈钢管，方管,轧制（型材）：重轨，H型钢，线材，螺纹钢,2. 挤压,挤压就是采用挤压轴（凸模）将放在挤压筒（凹模）内的坯料压出模孔或流入特定的孔隙而成型的塑性加工方法。,卧式挤压机,挤 压,3. 拉拔,金属坯料在外加拉力的作用下，通过模孔以获得与模孔形状和尺寸相同的实心或空心制品的塑性成型方法称之为拉拔。金属拉拔过程动画演示,拉 拔,4. 锻造,锻造就是坯料经加热后用锻锤锤击或压力机施加压力，使其塑性变形以获得一定形状、尺寸和性能锻件的塑性成型方法。,飞机大梁 火箭捆挷环,4. 锻造,万吨级水压机,5. 冲压,借助冲压模具和冲压设备，使金属板料在由凸模与凹模组成的冲模中发生塑性变形或产生分离，以获得所要求形状和尺寸壳体或腔体制品的成型方法称为冲压成型，简称冲压。,汽车覆盖件,家用餐具,冲 压,1.2.3 金属塑性成型的方法和特点,根据成形时金属的温度分为：热变形指再结晶温度以上所完成的压力加工过程冷变形指再结晶温度以下所完成的压力加工过程温变形介于冷、热加工之间的压力加工过程,1.2.4 轧制生产新技术的发展及应用,随着金属冶炼技术的发展和自动控制及计算机等科学技术水平的发展，金属塑性成型技术也不断得到飞跃发展，以代表性的轧钢生产技术发展来看，其主要趋势是：1. 生产过程日趋连续化、高速化、自动化；2. 生产规模进入大型化、专业化；3. 采用自动控制不断提高产品精度；4. 发展合金钢种与控制轧制工艺以提高钢材性能；,1.2.4 轧制生产新技术的发展及应用,5. 不断扩大钢材品种规格及增加板带钢和钢管的产品比重；6. 连铸钢坯取代初轧钢坯；7. 大力发展新工艺、新技术，节省能源和金属消耗，降低生产成本；8. 应用CAD/CAE/CAM技术。 不仅可提高生产效率和降低成本，而且促使新技术和新工艺的不断出现。从计算机辅助工艺设计、计算机辅助制造到成形过程的计算机模拟，都极大地推动着材料成形技术的发展。,薄板坯连铸连轧(Thin Slab Cast & Rolling) 双辊铸轧薄带钢 (Twin Roll Strip Casting) 液态金属连续铸挤(Cast-Extrusion) 半固态成形 (Semi-Solid Metal Forming),(1) 近终形生产新技术,薄板坯连铸连轧的特点,连铸坯厚度减少到5070mm，节省了粗轧机组带液芯压下，减少轧制力，改善内部质量节省投资，降低生产成本适合200万吨左右的生产规模,带钢冷连轧的无头轧制技术 带钢热连轧的无头轧制技术 型材的无头轧制技术,(2) 连续化成形新技术,连续化成形的发展趋势,事故多发生在轧件头部(影响作业率、产量) 堆钢、断辊、撞导卫、咬入困难、穿带失败 影响尺寸精度主要在头尾部(影响质量) 厚度偏差、板形不良、宽度超差、性能不合(温差).切损主要在头尾部(影响成材率、成本) 舌头、鱼尾、劈头、小尺、失宽,采用无头轧制技术的意义,实现方法：前一卷的尾部与后一卷的头部焊接在一起 优 点：避免穿带、减少头尾偏差、生产高效率,全连续式冷连轧机组示意图,人工智能技术是一种新的信息处理和控制技术。它主要模拟人脑来处理现实问题。以事实和数据为依据，实现过程的优化控制。轧制中应用的智能工具： 神经网络(ANN, Artificial Neural Network) 专家系统(ES, Expert System) 模糊逻辑(FL, Fuzzy Logical) 遗传算法(GA, Genetic Algorithm),(3) 智能化轧制新技术,材料成型技术与人类文明的历史同样漫长，影响深远重大 材料成型中新技术不断涌现，推进着社会发展； 材料成型中未知领域层出不穷，需要不断探索； 未来材料成型工作者任重道远，希望努力学习，挑起重担,结 语,1 复习与思考题,1.材料按成分一般分为几类？各类材料的组成及 性质、特点是什么？2.什么是金属塑性成型？特点是什么？3.热加工、冷加工的定义及特点是什么？4.工程上主要有那些塑性成型方法？每种方法的定义及特点是什么？5.了解金属压力加工的新工艺、新设备，关注其发展趋势。,