材料成型概论-第一讲-概述.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,授课教师,：,张龙,E-mail:,laxn,材料成型概论,1,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、新设备,。,2,课程的性质和任务,课程任务,1.,了解金属材料的一般知识；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。,3,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,学习方法：,平时作业、课堂讨论、课后复习、,期末考试,4,材料成型概论,第一讲 材料成型概述,第二讲 炼钢炼铁生产,第三讲 材料塑性成型的基础,第四讲 钢坯型钢生产,第五讲 线棒材生产,第六讲 板带钢生产,第七讲 钢管生产,第八讲 挤压拉拔生产,第九讲 锻压冲压生产,第十讲 材料成型的发展及应用,5,第一讲 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,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,金属塑性成型的方法,和特点,1,.2.3,金属成型需考虑的基本原则,1.1,1.2,6,1,.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,。,材料与现代社会生活密切相关：,从黑白电视到现在的,LED,显示屏；,手机也是越来越好；,航空航天领域，一代材料一代飞机等；,都跟材料的进步有关。,7,1,.1.1,材料的发展,材料是人类社会进步的,里程碑,。,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。,手锤,8,新材料是根据我们特定的需要设计和加工而成的。,因此，,材料是社会进步的基础和先导。,金属的使用标志着社会生产力的发展，人类开始逐渐进人文明的社会。,石器时代,青铜器时代,铁器时代,钢时代的来临，引起世界范围的工业革命。,硅时代是信息技术革命的时代对当今世界产生了深远的影响,钢时代,硅时代,新材料时代,材料对社会进步的重要性,9,材料对社会进步的重要性,10,材料对社会进步的重要性,11,汽车钢铁等行业企业兼并重组目标出台,日前,工信部、财政部、发改委,等部门联合发布,关于加快推进,九大,重点行业企业兼并重组的指导意见,:,明确指出,（汽车、钢铁、水泥、船舶、电解铝、稀土、电子信息、医药、农业产业化龙头企业）,钢铁行业,到,2015,年，前,10,家钢铁企业集团产业集中度达到,60%,左右，形成,3-5,家具有核心竞争力和较强国际影响力的企业集团，,6-7,家具有较强区域市场竞争力的企业集团。,大幅减少企业数量，提高钢铁产业集中度。,12,1,.1.1,材料的发展,材料是现代工业发展的基石，是现代高新技术发展的基础和先导，推动着人类文明的进步,新材料是现代高科技的：,物质基础；,发展支撑；,未来引领。,13,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,7.16,亿吨,14,1996,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,37.7,2012,年,：,7.16,亿吨，世界钢产量,15.3,亿吨，占,46.3,钢材,9.52,亿吨,近年来中国钢产量在世界的位置,15,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,中国,日本,美国,欧洲,近年来中国钢产量在世界的位置,16,1,.1.2,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,17,1,.1.2,材料的分类,(,按成分分,),18,金属材料,黑色金属,有色金属,金 属,重金属,:,Cu,Pb Zn,Ni,Co,等,轻金属：,Al,Mg,K Na Ca,等,稀有金属,:,V Nb,Ti,等,Fe,Mn Cr,及其 合金,贵金属,:,Au Ag Pt,等,钢铁占全部金属总,重的,94,(86,种,),(3,种,),(83,种,),半金属,:,Si As Se,等,砷，硒,3.5g/cm,3,19,金属材料,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。,20,陶 瓷 材 料,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,。,21,高分子材料,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。,22,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。,23,1,黑色金属,铁（钢）,分子式：,Fe,密 度：,7.86g/cm,3,熔 点：,1538,Fe+(C,，,Si,，,S,，,P,，,Mn),Fe,铁,钢,铸铁,工业纯铁,碳钢,合金钢,24,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：,F,e,、,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%,）,25,各元素对钢材机械性能影响,元素符号,有益或有害影响,产物,来源,性能,碳,C,形成碳化物,炼铁还原剂：焦炭,强度高,塑性韧性低,焊接性能差,硅,Si,有益,形成含硅铁素体,炼钢脱氧剂,提高钢的强度和硬度,锰,Mn,有益,溶于铁素体和渗碳体形成,M,n,S,炼钢脱氧剂,提高钢的强度和硬度,硫,S,有害,生成化合物,Fe,3,S,生铁带入,形成热淬性，降低钢的强度,磷,P,有害,形成化合物,Fe,3,P,生铁带入,塑性和韧性急剧下降,26,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,27,汽车主要使用的材料,28,各种材料在先进汽车中占的重量百分比,材料,占汽车净重比,Al,Fe,塑料,其它,橡胶,磁材料,玻璃,聚碳酸酯,Ti,碳纤维,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%,29,30,波音,767,飞机所用的各种材料比例,31,材料用途,结构材料,以力学性能为主用于结构和建筑工程。,如机械零件，工程构件等,功能材料,以物理化学性能为主用于电子、信息、能源等。,如：磁性材料，超导材料等,1,.1.2,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,32,1,.1.2,材料的分类,(,按用途分,),功能材料,结构材料,33,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,34,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,35,钢铁生产过程总揽,锻件,管材,型材,线材,板带材,36,现 代 化 大 型 高,炉,37,38,39,转 炉 炼 钢,40,轧 钢 系 统,41,1,.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。,42,减少质量的成型方法,增加质量的成型方法,质量保持,不变,的成型方法,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,组合成型方法,43,1,.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,44,1,.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。,45,1,.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。,46,1,.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。,47,1,.2.2,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。,48,1,.2.2,金属塑性成型的方法和特点,锻造,轧制,拉拔,挤压,深冲,拉伸,弯曲,剪切,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。,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,成型方法,49,1,.,轧制,轧制：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。,轧制是冶金生产中应用最为广泛的一种金属塑性成型方法，约占金属材料生产总量的90%。,50,轧制方法划分：,按,轧件与轧辊的相对运动,关系或轧件在变形区内变形特点划分：,纵轧、斜轧和横轧,。,按,轧制温度,划分：,热轧、冷轧、温轧,。,轧制成型的方法,51,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,。,纵 轧,图,3-1,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,。,52,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,。,斜 轧,图,3-2,二辊斜轧简图,l,轧辊,2,坯料,3,毛管,4,顶头,5,顶杆,斜轧过程金属主要沿轧件纵轴线方向延伸。,斜轧是轧制管材的主要工艺方法，也用于轧制球体等变断面零部件。,53,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,。,横 轧,54,轧制（板带材）：,镀锡板，彩涂板，中厚板,55,轧制（管材）：,无缝管，不锈钢管，方管,56,轧制（型材）：,重轨，,H,型钢，线材，螺纹钢,57,2.,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。,正挤,反挤,复合挤压,举例：管、棒、型；,其它：异型截面。,58,卧式挤压机,挤 压,59,3.,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。,60,拉 拔,61,4.,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。,A.,自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或压力而,产生塑性变形的加工。,B.,模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲 击力或压,力而产生塑性变形的加工。,62,飞机大梁 火箭捆挷环,4.,锻造,万吨级水压机,63,5.,冲压,金属板料在冲模中受压产生塑性变形或分离，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。,64,2,3,4,1,1-,凸模；,2-,板料固定器；,3-,凹模；,4-,铝合金杯形件；,-,总冲压力；,-,板料压边力；,汽车覆盖件,家用餐具,冲 压,65,1,.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,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,成型方法,66,金属的冷变形和热变形,热变形,将金属加热到金属相图固相线以下再结晶温度以上的高温，施加作用力使之塑性变形达到预期的形状和尺寸的塑性加工方法。,钢的再结晶温度一般在,(0.35,0.4)T,M,450,600,67,1),变形抗力小，能耗少,在高温时，原子的运动及热振动增强，加速了扩散过程和溶解过程，使金属的临界切应力降低；使加工时金属抵抗能力减弱而降低了能量的消耗。,2),塑性升高,变形温度升高后，完全再结晶使加工硬化消除,3),性能均匀性较差,热加工结束由于冷却等原因，使产品各处的温度难于保持均匀一致，温度偏高处的晶粒尺寸要比低处的大一些。,4),表面质量、尺寸精度较差,产品的表面光洁度与尺寸精确度较差，这是因为在加热时，金属的表面要生成氧化物,(,如氧化铁皮等,),，在加工时，这些氧化物不易清除干净，造成加工表面的质量缺陷，且尺寸的精度不如冷加工好；另外在冷却时的收缩，也能使表面质量和尺寸精度降低,.,热变形特点,68,金属的冷变形和热变形,只有加工硬化作用而无回复与再结晶现象的变形过程叫冷变形。加工温度低于材料的再结晶回复温度的塑性加工方法。,冷变形特点如下：,冷变形后的产品尺寸精度高，表面光洁，可以生产极细的丝、极薄的箔和细薄的管；,材料经冷变形变形后呈现加工硬化，变形抗力增高，塑性下降，加工过程中需退火，增加能耗；,（,0.25,0.3,）,T,M,69,金属的冷变形和热变形,采用不同的变形程度可以控制金属材料的加工硬化量，来得到不同性能的产品；,利用加工硬化可以得到强度极高的琴钢丝，弹性极高的磷青铜弹簧片等。,70,温变形,将金属加热到再结晶温度以下而高于回复温度的加工方法。,对于变形抗力过大且塑性较低、冷变形非常困难的金属与合金，例如高速钢、某些奥氏体不锈钢、难熔金属及其合金等，采用温变形可以显著降低变形力，提高塑性，获得表面质量、尺寸精度与性能都近于冷加工的优良产品。,钢的回复温度一,般在,(0.25,0.3)T,M,71,加工硬化过程,多晶体塑性变形将导致金属的力学、物理和化学性能的改变。随着变形程度,，,则有：,.,变形抗力,（,S,b,硬度）,.,塑性,（,伸长率,压缩率,）,.,同时使电阻升高、抗腐蚀性和导热性,加工过程中的硬化和软化,72,加工软化过程,.,回复,依靠对变形金属的加热，而使其原子运动的动能增加，借以增加其热振动，使偏离稳定位置的原子恢复到稳定位置。,.,再结晶,经冷变形后的金属加热到再结晶温度时，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒而性能也发生明显变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称之为再结晶。,加工过程中的硬化和软化,73,1,.2.2,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。,2,特 点,74,1,.2.2,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。,75,1,.2.2,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,76,使用性能：高强、高韧、耐蚀等,工艺性能：轧、挤、拉、锻、冲等,环保性能：放射性、毒气、,“,三废,”,等,经 济 性：成本、性价比等,1,.2.3,金属成型,需考虑的基本原则,77,第,1,讲,复习,与,思考题,1,.,材料按成分不同一般分为几类？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.,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？,4.,热加工、冷加工的定义及特点是什么？,5.,冷、热变形对金属组织、性能产生哪些影响？,78,