《金属材料与加工技术》课件

金属材料与加工技术本课程探讨金属材料性能与先进加工方法，着重分析工业应用实例通过系统学习，掌握材料选择、加工工艺和质量控制关键知识金属材料的定义与分类金属定义合金定义黑色金属有色金属具有金属光泽、导电导热性由两种或多种元素组成的金铁及其合金，如钢、铸铁除铁外的金属及其合金，如好的元素属材料铜、铝金属材料的发展历程1青铜时代约公元前年，青铜器广泛应用35002铁器时代约公元前年，铁制工具出现12003工业革命世纪，大规模钢铁生产184现代发展高性能合金、纳米材料问世金属材料的主要性能力学性能强度、硬度、韧性、塑性物理性能密度、导电性、导热性、磁性化学性能耐腐蚀性、耐氧化性工艺性能铸造性、焊接性、切削性金属的晶体结构体心立方结构面心立方结构BCC FCC、钨、钼、铜、铝α-Feγ-Fe原子排列紧密度较低原子排列紧密度高六方密堆结构HCP镁、锌、钛原子排列最紧密金属的缺陷与组织宏观组织肉眼可见的金属组织特征微观组织显微镜下可见的晶粒和相结构晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷金属结晶过程液态金属冷却达到结晶温度形核晶核形成，同质或异质形核晶体生长原子按规则排列完全凝固形成多晶体组织金属合金的基本类型金属间化合物共晶组织具有特定成分和晶体结构两相交替排列的组织固溶体过饱和固溶体溶质原子分散在溶剂晶格中溶质含量超过平衡溶解度铁碳合金概述铁的同素异构转变、、三种结构α-Feγ-Feδ-Fe碳在铁中的存在形式固溶体、渗碳体、石墨铁碳平衡相图组织转变的理论基础钢的分类与性能分类方式类型典型特点化学成分碳钢含碳

0.03-

2.11%化学成分合金钢添加特定合金元素用途结构钢承重构件用途工具钢硬度高、耐磨用途不锈钢耐腐蚀用途特殊钢满足特殊要求铸铁类型与应用灰铸铁球墨铸铁白口铸铁碳以片状石墨存在碳以球状石墨存在碳以渗碳体存在减震性好，易铸造强度高，塑性好耐磨，硬度高有色金属材料综述铜及铜合金铝及铝合金镁及镁合金导电导热性优异质轻，抗蚀性好最轻的工程金属钛及钛合金比强度高，抗蚀优良铜合金特性与应用

8.96400密度导电率g/cm³IACS%铜的标准密度值接近银的导电性能108370%熔点°工业用量C纯铜熔化温度电气工业消耗比例铝合金特性与应用镁、钛、锌及其合金镁合金钛合金密度，最轻结构金属高比强度，生物相容性好

1.8应用领域锌合金航空、医疗、压铸件铸造性好，耐腐蚀贵金属材料与稀有金属贵金属金、银、铂、钯，化学稳定性高，催化、电子、装饰领域应用广泛稀有金属钨、钼、铌、钽，高熔点，电子、航空航天领域不可替代金属材料的腐蚀与防护腐蚀类型识别均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀腐蚀机理分析电化学、化学腐蚀过程防护措施实施合金化、涂层、阴极保护防护效果评估盐雾试验、电化学测试金属材料力学性能测试拉伸试验弯曲试验测量强度、延伸率评估塑性和韧性硬度测试压痕直径或深度测量金属的冲击与疲劳性能冲击韧性疲劳强度抵抗冲击载荷的能力承受循环载荷的能力使用夏比或落锤试验测定曲线表示疲劳寿命S-N断裂韧性材料抵抗裂纹扩展的能力用值表征KIC金属的硬度与耐磨性能布氏硬度洛氏硬度HB HRC/HRB大载荷，适用于铸铁等操作简便，应用广泛维氏硬度耐磨性评价HV精度高，适用于薄层磨损量测定，磨损机理分析金属加工基础及意义成品质量保证满足精度和性能要求工艺过程优化提高生产效率加工基本要素材料、工艺、设备、工装金属的基本成形方式铸造塑性加工焊接切削熔融金属浇注成型利用金属塑性变形成型通过熔合连接零部件去除多余材料获得精准尺寸铸造工艺基础制模制作型腔熔炼制备液态金属浇注金属液填充型腔凝固液态转变为固态清理去除浇冒口系统典型铸造方法详解砂型铸造金属型铸造成本低，适应性强尺寸精度高，生产效率高精密铸造压力铸造表面质量好，尺寸精确高压充型，适合复杂薄壁件塑性成形工艺概述塑性变形基本原理外力作用下材料永久变形温度影响冷加工与热加工区别主要成形方法3轧制、锻造、挤压、拉拔轧制成形技术热轧冷轧再结晶温度以上加工室温下加工变形抗力小尺寸精度高••成形能力大表面质量好••表面质量较差强化效果明显••现代轧机装备实现高精度、高效率生产锻造与挤压成形自由锻简单工具成形，灵活性高模锻模具约束成形，精度高挤压材料通过模具孔口流动成形制品特点组织致密，性能优良拉拔、深冲、弯曲工艺拉拔金属通过模具减小截面，制造线材和管材深冲平板坯料制成开口空心件，广泛用于汽车车身弯曲板材、型材、管材围绕一定轴线变形，形状多样金属切削加工基础车削铣削钻削工件旋转，刀具进给刀具旋转，多刃间歇切加工孔，切削刃旋转进削给磨削磨粒切除微量金属，高精度数控加工与自动化技术金属焊接技术基础熔焊压焊钎焊母材和填充金属熔化形成连接加压形成冶金结合填充金属熔化，母材不熔化电弧焊电阻焊硬钎焊•••气焊摩擦焊软钎焊•••激光焊超声波焊••现代焊接新工艺激光焊电子束焊自动化焊接能量密度高，变形小真空环境，适合活泼金属机器人控制，精度高金属表面处理技术表面清洁机械、化学、电化学方法去除污物表面改性热处理、喷丸、激光强化表面覆盖电镀、热喷涂、工艺PVD/CVD表面检测厚度、结合强度、耐蚀性测试热处理工艺基本原理加热控制升温速率，避免变形保温确保组织均匀转变冷却控制冷却速率，获得所需组织组织转变晶粒大小、相组成改变常用热处理方法详解°°680C860C退火温度正火温度缓慢冷却，消除应力空冷，细化晶粒°°900C200C淬火温度回火温度快速冷却，提高硬度调整硬度与韧性化学热处理工艺渗碳渗氮提高表面碳含量，增加硬度形成氮化物，提高耐磨性渗铬碳氮共渗提高耐蚀性和耐氧化性综合渗碳与渗氮优点金属粉末冶金技术粉末制备混合与造粒机械粉碎、雾化、化学法配比调整，改善流动性烧结成形颗粒结合，密度提高压制、注射成形、打印3D增材制造（打印金属）3D选区激光熔化SLM高能激光逐层熔化金属粉末电子束熔化EBM真空环境，热应力小激光沉积成形LMD修复大型零件，梯度材料应用优势复杂结构，材料高效利用金属复合材料发展颗粒增强型纤维增强型夹层结构陶瓷颗粒强化铝合金碳纤维硼纤维增强钛铝夹层航空应用/-超细晶和纳米金属材料制备方法性能特点等通道转角挤压强度大幅提高•ECAP•高压扭转低温超塑性•HPT•机械合金化耐磨性显著提升•MA•快速凝固晶粒尺寸小于•RS•100nm纳米结构提供独特性能组合金属材料检测与表征化学成分分析光谱分析、荧光分析X湿法分析、质谱分析显微组织观察光学显微镜扫描电镜、透射电镜晶体结构分析射线衍射X电子衍射、中子衍射热分析技术差热分析DTA热重分析TGA无损检测技术超声检测利用声波反射原理，发现内部缺陷射线检测利用射线穿透性，显示密度差异磁粉检测适用于铁磁性材料表面缺陷渗透检测利用毛细现象显示表面开口缺陷现代金属材料的绿色制造材料回收再节能技术减排技术利用余热回收，新废水处理，烟废料循环，减型熔炼气净化少开采清洁生产无铅焊接，水基切削液智能制造与数字化工厂数据采集传感器网络，实时监测数据分析大数据处理，智能算法智能决策优化生产参数，预测维护执行控制自动化设备，机器人协作高强度轻质金属材料前沿金属材料在汽车工业的应用40%高强钢比例现代车身中的应用占比180kg铝合金用量豪华车型平均使用量25%减重效果采用先进材料后的重量降低倍10成本差异碳纤维比钢材的成本倍数金属材料在航空航天领域发动机部件机身结构高温合金，耐热钛合金铝锂合金，钛合金航天器起落架铍合金，镁合金，钛合金超高强度钢，特种不锈钢金属材料可持续发展展望原材料获取绿色开采，减少环境破坏2生产加工节能减排，近净成形产品应用延长寿命，提高可靠性回收再利用高效分选，全流程回收全课程回顾与重点总结金属材料基础分类、结构、性能关系加工工艺技术铸造、塑性、切削、焊接新技术与应用增材制造、智能生产、行业应用课程答疑与互动交流实验室探索学术交流产业实践亲身体验金属特性与加工过程参与学术会议，了解前沿动态工厂参观，理论与实际结合。