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造型材料和工艺期末复习指导第一章 概述一、 材料和设计二、 材料分类1、按材料发展历史分类1、第一代天然材料：天然石头、木材旧石器时代,人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），以后也全部只是纯天然材料简单加工而已。 2、第二代加工材料：用矿物经过冶炼、烧结制成金属和陶瓷新石器时代、铜器时代和铁器时代，是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工时代，关键材料有：陶、铜和铁。 3、第三代合成材料：将石油、天然气和煤等经过化学方法制成高分子材料人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料出现，加上已经有金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）组成了现代材料（除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料全部是这一阶段杰出代表）。 4、第四代复合材料：有机、无机非金属及金属等复合而成只要是由两种不一样相组成材料全部能够称为复合材料 5、第五代智能材料或应变材料：随环境条件改变含有应变能力和潜在功效高级形式复合材料如形状记忆合金、光致变色玻璃等等全部是多年研发智能材料（自然界中材料全部含有自适应、自诊疗和自修复功效，而现在研制成功智能材料还只是一个智能结构）memory metal-记忆合金关键是镍钛合金材料 利用一些合金在固态时其晶体结构随温度发生改变规律。2、按材料物理状态、化学性质及用途分类按物理状态分气体：氢、氧、氮固态材料：最常使用液态材料：有机材料（油脂、涂料）按材料化学结构分类金属材料：金属键无机材料：离子键有机材料：共价键半导体：介于金属材料和无机材料之间按材料用途分类建筑材料、电工材料、结构材料、电子材料、研磨材料光学材料、耐火材料、感光材料、腐蚀材料、包装材料等3、按材料起源分类 天然材料矿物：石材、粘土、矿石、宝石、熔岩、火山灰、金刚石、煤、水晶大气、海水：气、水蒸气、水、冰、海水动物质：皮、羽毛、骨、毛发、角、牙、油脂植物质：果实、茎、树皮、花、分泌物、蔓藤 加工材料 纸、混凝土、合板、木棉、颜料、绢合成材料 塑料、橡胶、硅酸盐、合成纤维 4 、按材料成份分类 有机材料：塑料、橡胶、有机纤维 无机材料：金属、硅酸盐、玻璃 复合材料：玻璃纤维增强树脂 其它：石墨、金刚石、碳纤维5、 按材料结构分类晶质材料金刚石、岩盐（单晶体）、金属、陶瓷（多晶体） 非晶质材料6、按材料形态分类线材、板状材料、块状材料本课程着重介绍材料金属材料、高分子材料陶瓷材料、玻璃、木材、涂料三、 材料通常性质1、密度 = m/ V材料密度(kg/m3)m干燥材料质量(kg)V材料在绝对密实状态下体积（m3） 容重：又称表观密度 (Apparent Density) 有也称毛体积密度，表观密度是指材料在自然状态下，单位体积所含有质量，按下式计算： =m/V0 V0材料在自然状态下体积，或称表观体积（cm3或m3）。 材料在自然状态下体积是指材料实体积和材料内所含全部孔隙体积之和。对于外形规则材料，其测定很简便，只要测得材料重量和体积，即可算得表观密度。不规则材料体积要采取排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防水分渗人材料内部而影响测定值。 三、 材料通常性质2、熔点熔点：纯金属由固态转变为液态时温度，低于700为易熔金属高分子材料：高于glass transition温度 Tg 为高粘度液体或橡胶状材料热塑性塑料 熔点TmTg；热固性塑料无 Tm、Tg3、比热容（Sepcific Heat Capacity）单位质量材料温度升高1 所需要热量J/(KgK)水比热较大，金属比热更小部分c铝c铁c钢c铅 (1)不一样物质有不一样比热，比热是物质一个特征；(2)同一物质比热通常不随质量、形状、温度而改变，如一杯水和一桶水，冷水和热水，它们比热相同；(3)对同一物质，比热值和物体状态相关，同一物质在同一状态下比热是一定，但在不一样状态时，比热是不相同，如，水比热和冰比热不一样。4、热导率（coefficient of heat conductivity）：相正确两个面给单位温差，在单位时间内传导热量称为热导率（导热系数）W/mK5、热膨胀系数（coefficient of heat expansion） ：材料两点之间单位距离在温度升高1 时改变为线膨胀系数，单位体积改变为体胀系数6、强度（strength）：R材料极限强度（Pa） P材料破坏最大载荷（N） F材料受力截面积（cm2）7、弹性和塑性（elasticity and plasticity )在外力除去后能恢复原来形状能力称材料弹性材料能承受永久变形能力称材料塑性8、脆性和韧性(brittleness and toughness)材料承受外力无显著变形忽然破坏性质称脆性承受冲击载荷或振动载荷而不破坏性能称为材料韧性 材料通常性质9、硬度(hardness)：表面抗塑性变形或破坏能力布氏硬度：金属材料、塑料、橡胶负荷P（18753000N） 钢球直径D（2.510mm） 压入被测金属表面保持1060s后测压痕直径洛氏硬度：以硬质压头压痕深度来表示材料硬度HR（A、B、C）维氏硬度：和布氏硬度测量原理相同，所加载荷较小，压头为1360顶角金刚石棱锥，测出压痕两对角线平均长度。HV适合极薄零件和表面渗碳、渗氮层硬度，精度高。补充金属材料几点性质（1）导电性：金属材料传导电流能力称导电性。 衡量导电性好坏参数 电阻率：计算和衡量金属材料在常温下(200C)电阻值大小性能指标 导电性：银铜和铝 合金10% 塑性较差，适于铸造加工，称为铸造青铜特殊青铜 例：铝青铜 含铝5%7% 塑性最好 适于冷加工含铝10% 强度最高含铝12% 塑性很差例：铍青铜 以铍为主加元素铜合金 工业用含铍量1.72.5% (3)白铜白铜是以Ni为关键合金元素合金。Ni和Cu在固态下能完全互溶，所以各类铜镍合金均为单相固溶体，含有很好冷热加工性能，不能进行热处理强化，只能用固溶强化和加工硬化来提升强度。按用途可分为结构白铜和电工白铜。白铜用途各类铜镍合金均为单相固溶体，含有很好冷热加工性能，不能进行热处理强化，只能用固溶强化和加工硬化来提升强度。白铜含有高抗蚀性和优良冷热加工成形性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中关键材料。（二）轴承合金 1、锡基轴承合金 要求在工作温度下有一定承载能力和抗疲惫能力，有足够塑性和韧性、较低耐摩擦系数、良好导热性。常见轴承合金按其化学成份能够分为锡基、铅基、铝基、铜基和铁基等数种。最常见是锡基和铅基合金巴氏合金ZCh+基础元素（锡或铅）符号+主加元素符号+主加元素百分含量+辅加元素百分含量例：ZChSnSb 11-6用于高速、重载下工作关键轴承，变载荷下易于疲惫，价贵用高速重载蒸汽透平机、透平发动机、功率大于750kw发动机、内燃机轴承2、铅基轴承合金 在铅锑合金基础上添加锡和铜,用于中速轻载或静载例：ZChPbSb 16-16-2ZCh轴承合金 Pb基础元素铅 Sb主加元素锑 16主加元素锑16% 16辅加元素锡16% 2辅加元素铜2% 其它为基础元素Pb3、铜基轴承合金铅青铜、锡青铜 关键高速重载轴承ZQPb 30 用于高速、重载轴承，能承受变载和冲击ZQSn 10-1 用于中速、重载及受变载荷轴承用于不变载荷工作条件下透平机、电动机、发动机离心泵、压缩机等机器轴承（三）粉末合金（陶瓷冶金）金属或非金属在模具中压制或烧结成产品 适于制造：硬度和热硬性很高硬质合金，减摩材料优点：各成份相互不熔合、比重、熔点相差很大全部可制成均匀合金 缺点：原料成本较高，压力大，对合金模具要求很高，不适合形状复杂零件 粉末冶金烧结炉 关键用于压制成型粉末冶金件在气氛保护下烧结采取推送式传送连续作业式电阻炉，由电炉、液压系统、控制系统三部分组成。（四）钛及钛合金 钛在地壳中储量居第四位纯钛是纯白色轻金属，含有耐蚀性和耐热性，有一定强度和高塑性,密度为4.507g/cm3，介于Al和Fe之间，熔点1668，高于铁，在882.5发生同素异构转变，882.5以上为-Ti（体心立方晶格），882.5以下为-Ti（密排六方晶格）钛合金密度也较小，也有同素异构转变。钛合金：以钛为基加入适量铬、锰、铁、钒、铝和钼五、金属材料成型和工艺性 （一）铸造加工及其工艺性 1、铸造基础概念：熔化金属溶液浇注到含有和零件形状相适应铸型空腔中，待溶液凝固并冷却后取得毛坯或零件工艺过程称为铸造。2、常见铸造金属铸铁：铁碳-硅为主多元铁基合金一般铸铁含碳2.11%4.0% Si13% Mn 0.41.5% P 0.010.5% S 0.020.2%铸钢 ZG4535铸铝：外观装饰效果最好 Al-Si Al-Cu Al-Mg Al-Zn铸铜：经过表面处理后可仿制成各式各样古代工艺品3、铸造特点 适应性强 成本低廉 4、铸造工艺种类 (1)砂型铸造砂型铸造：用型砂制做铸型铸造方法，是现在铸造使用其本方法 A 手工造型 B 机器造型 :一般机器造型 高压造型(2)熔模铸造 又称“失蜡铸造”，它是在蜡模表面包以造型材料，从而取得无分型面铸型铸造方法。和砂型铸造比较熔模铸造有以下特点铸件精度高且表面光洁能够铸造多种铸造合金铸件，尤其适适用于那些高熔点及难切削加工合金铸造。熔模铸件形状可比较复杂，铸件上可铸出最小孔径为0.5mm，铸件最小壁厚为0.3mm铸件重量不宜太大，通常不超出25Kg，现在生产最大熔模铸件为80kg左右 (3)金属型铸造 将液态金属浇入金属铸型，从而取得铸件铸造方法称为金属型铸造，因为金属型能够使用数次，所以又称为永久型铸造。 (4)离心铸造 将液态金属浇入高速旋转铸型中，使金属在离心力作用下填充铸型并凝固成型铸造方法称为离心铸造。 特点：工艺过程简单、机械性能很好、便于铸造“双金属”铸件 (5)压力铸造 在高压（5-150MPa）下，将液态合金高速（50-100m/s）压入高精度型腔内，并在压力下，快速凝固而取得铸件方法。 5、铸造方法选择 考虑生产批量 铸造合金种类 铸件重量、形状、尺寸精度及表面粗糙度要求等铸件本身原因考虑还要和后续加工成本及生产现场条件等同素一起综合考虑 6、铸件结构工艺性比较7、砂型铸件结构设计注意关键点（1）努力争取使铸件外形简单，轮廓平直，造型时只需一个分型面（2）努力争取使型芯数目最少，装配、清理方便，排气轻易 （3）结构斜度：便于脱摸（4）铸件应有合理壁厚、壁厚尽可能均匀（5）应尽可能避免铸件中有过大水平面 （二）压力加工及其工艺性 1、压力加工概念及方法（1）压力加工概念 在外力作用下，使金属坯料产生塑性变形，从而取得含有一定形状、尺寸和力学性能原材料、毛坯或零件加工方法 （2）压力加工方法及设备 轧制 挤压 拉拔 自由锻 自由锻是将加热好金属坯料放在铸造设备上、下砥铁之间，施加冲击力或压力，直接使坯料产生塑性变形，从而取得所需锻件一个加工方法。自由锻因为锻件形状简单、操作灵活，适适用于单件、小批量及重型锻件生产。自由锻分手工自由锻和机器自由锻。手工自由锻生产效率低，劳动强度大，仅用于修配或简单、小型、小批锻件生产，在现代工业生产中，机器自由锻已成为铸造生产关键方法，在重型机械制造中，它含有尤其关键作用。模锻模型铸造将加热后坯料放置在固定于模锻设备上锻模内铸造成形。模锻能够在多个设备上进行。在工业生产中，锤上模锻大全部采取蒸汽-空气锤，吨位在5KN300KN（0.530t）。压力机上模锻常见热模锻压力机，吨位在25000KN63000KN。模锻锻模结构有单模堂锻模和多模膛锻模。图所表示为单模堂锻模，它用燕尾槽和斜楔配合使锻模固定，预防脱出和左右移动；用键和键槽配合使锻模定位正确，并预防前后移动。单模膛通常为终锻模膛，铸造时常需空气锤制坯，再经终锻模膛数次锤击一次成形，最终取出锻件切除飞边。 模锻生产率和锻件精度比自由铸造高，可铸造形状较复杂锻件，但要有专用设备，且模具制造成本高，只适适用于大批量生产。 板料冲压 工序种类：分离工序：剪裁、冲孔、落料、修边变形工序：弯曲、压延、翻边、胀形复合：以上两类工序集中于同一模具中完成其它工序：备料、修饰、辅助工序等板料冲压选择设备基础标准零件生产类型零件几何尺寸大小及结构形式零件材料性能及精度要求2、冲压材料 （1）冲压性能 压弯、拉延、成型、翻边要求较低屈服极限s分离工序期望稍高，以取得良好剪截面好冲压性能要求：延伸率40% 硬度45HRB s/B（屈强比）0.65顶压深度符合要求范围 铁素体晶粒度67级（2）化学成份影响C、Si、Mn、P、S含量增加会使材料塑性降低，脆性增加造成材料冲压性能变坏。含碳量在0.05%0.15%低碳钢有很好拉延性能。（3）金相组织 晶粒大小均匀拉延性能好 晶粒大小不均裂纹深拉延用冷轧薄板晶粒度68级 晶粒过大粗糙表面（桔皮）深拉延用冷轧中板晶粒度57级 晶粒过小塑性降低，易冷作硬化钢板轧制成后残留带状组织，炼钢时残留在铁素体晶粒之间游离碳化物和非金属夹杂物对冲压时塑性变形不利（4）厚度公差、表面质量 材料厚薄 影响 厚度不稳定 影响（5）表面质量 表面气泡、裂纹、结疤、缩孔、分层等缺点在冲压变形中可能扩大裂痕、应力集中、断裂表面粗糙板在拉延、压弯、成型中会使冲模和钢板摩擦力增加，降低冲模寿命2、选择材料标准 （1）考虑产品设计和冲压工艺关系 （2）提升效率（3）确保工艺前提，以廉价材料替换珍贵材料，以薄料代用厚料，以黑色金属替换有色金属（4）考虑板材尺寸规格标准，注意排样，预防浪费4、压力加工工艺性 (1)自由锻件结构工艺性 (2)模锻件结构工艺性 锻件要有一个分模面 加工面上应留有机械加工余量非加工面及和锤击方向平行面应设计模锻斜度，转角要圆角过渡尽可能简单、避免凹凸、薄壁等结构 尽可能避免深孔或多孔结构 复杂件采取先锻后焊方法(3)冲压件结构工艺性 落料冲孔零件 落料外形尽可能简单对称、有规则，排样时尽可能将废料降低到最少冲孔时，孔径、孔距不得小于材料厚度；零件外缘凸起或凹进尺寸不得小于厚度1.5倍轮廓转角要有圆角半径弯曲零件 弯曲半径不能小于材料许可最小弯曲半径 平直部分H2t孔位置离边缘距离L（1.52）t 拉深零件拉深件高度不宜过大，凸缘不宜过宽，底部转角应有圆角过渡 （三）金属焊接技术及其工艺性 1、金属焊接方法 采取焊接工艺优点 采取焊接工艺和铆接相比能够节省金属材料、节省制造工时 接头密封性好对，一些结构能够采取铸焊或锻焊联合结构，替换整铸或整锻结构，从而做到以小拼大，以简拼繁它不仅节省金属材料，还简化了坯料准备工艺，从而降低了制造成本，便于制造双金属结构 2、金属材料焊接性 （1）概念工艺焊接性 使用焊接性