《金属材料加工原理》 辽宁科技大学课件

金属材料加工原理本课程是辽宁科技大学材料与冶金学院开设的金属材料专业核心课程，旨在为学生提供系统全面的金属材料加工理论基础和实践技能课程涵盖从基础理论到先进工艺的完整知识体系，培养学生的工程实践能力和创新思维课程概述理论基础专业导向深入学习金属材料加工的基础面向材料科学与工程专业学理论与核心技术，建立完整的生，与冶金工程、材料工程等知识框架体系相关专业紧密结合实践结合学习目标掌握基本原理深入理解金属材料加工的基本原理和理论基础理解性能关系全面掌握材料加工工艺对材料性能的影响规律熟悉工艺技术系统学习各种加工工艺及其在不同领域的应用培养创新能力提升工程实践能力和技术创新思维第一部分金属材料基础材料分类组织结构系统介绍黑色金属、有色金深入分析金属材料的晶体结属、贵金属及特种金属材料构、相图关系和显微组织特的分类方法和基本特性，为征，理解结构与性能的内在后续加工工艺学习奠定材料联系基础基本性能全面掌握金属材料的物理性能和机械性能，为加工工艺设计和优化提供理论支撑金属材料分类黑色金属有色金属以铁为基础的钢铁及其合金材料，包括碳钢、合金钢、铸铁除铁以外的所有金属及其合金，主要包括铝、铜、镁、钛等等这类材料具有良好的机械性能和加工性能，是工业生产轻金属和重金属这类材料具有优异的导电、导热、耐腐蚀中应用最广泛的金属材料等特殊性能•碳素钢与合金钢•轻金属铝、镁、钛合金•铸铁材料系列•重金属铜、锌、铅合金•特种钢材•稀有金属材料金属材料组织结构晶体结构原子排列的基本模式晶格类型面心立方、体心立方等基本结构相图分析合金相平衡关系与组织预测显微组织微观结构观察与分析方法金属材料的物理性能密度特性金属材料的密度和比重是材料选择的重要参数，直接影响构件的重量和成本轻金属如铝、镁合金具有低密度优势，适用于航空航天等对重量敏感的应用领域热学性能包括导热系数、热膨胀系数、比热容等参数这些性能决定了材料在热加工过程中的行为，对制定合理的加工工艺参数具有重要指导意义电磁性能电阻率、电导率和磁学性能是金属材料的重要物理特性这些性能不仅影响材料的应用领域，还对某些特殊加工工艺如电火花加工等产生直接影响金属材料的机械性能强度与硬度塑性与韧性抗拉强度、屈服强度和硬度值延伸率、断面收缩率和冲击韧性疲劳性能弹性与刚度疲劳强度和断裂韧性指标弹性模量和剪切模量参数第二部分金属塑性变形理论变形基础学习塑性变形的基本概念，区分弹性变形与塑性变形的本质差异，掌握单晶与多晶体的变形机制流变学理论深入研究金属材料的流变学基础，建立应力-应变关系模型，分析流变应力的影响因素变形机理探讨变形抗力计算方法，理解加工硬化与再结晶过程，为工艺设计提供理论依据塑性变形基本概念变形机制位错理论塑性变形是金属材料在外力作用下产生永久变形的过程与位错是晶体中原子排列的线缺陷，是塑性变形的载体位错弹性变形不同，塑性变形在外力移除后不能完全恢复，这种在外力作用下的运动导致了宏观的塑性变形不可逆性是金属成形加工的基础位错密度的增加会导致材料强度提高，这就是加工硬化现象单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种机制实现，而多的微观机理理解位错理论对优化加工工艺具有重要意义晶体材料还需考虑晶界对变形的影响金属流变学基础弹性阶段应力与应变成正比，遵循胡克定律，材料可完全恢复屈服阶段材料开始产生塑性变形，应力基本不变而应变增加强化阶段材料加工硬化，应力随应变增加而上升断裂阶段应力达到极限，材料发生颈缩现象直至断裂金属塑性变形的影响因素温度效应温度升高会降低材料的流变应力，提高材料的塑性热变形时材料软化，变形抗力减小，同时可能发生动态回复和再结晶应变速率影响应变速率增加通常会提高材料的流变应力，这种现象称为应变速率强化效应高速变形时还需考虑绝热温升效应应力状态三向压应力状态有利于材料塑性变形，而拉应力状态容易导致材料断裂应力状态的不同直接影响材料的成形极限4组织状态材料的初始组织状态，包括晶粒大小、相组成和位错密度等，都会显著影响材料的塑性变形行为和加工性能变形抗力与变形功σs平均变形抗力反映材料在变形过程中的平均流变应力水平W变形功计算材料塑性变形消耗的总能量η能量利用率有效变形功与总变形功的比值Q变形热效应塑性变形过程中产生的热量变形抗力是材料在塑性变形过程中对外力的阻抗能力，直接影响加工设备的选择和工艺参数的确定变形功的计算对于优化加工工艺、降低能耗具有重要意义加工硬化与再结晶塑性变形回复过程位错密度增加，材料强度提高，塑性低温加热时位错重排，内应力部分释下降放晶粒长大再结晶再结晶完成后晶粒继续长大，强度略高温下形成新的无畸变晶粒，性能完有下降全恢复第三部分金属热处理原理基础理论退火正火淬火回火相变动力学与热处理曲线软化处理与组织均匀化强化处理与性能调控热处理是通过加热、保温和冷却的方式改变金属材料内部组织结构，从而获得所需性能的工艺方法本部分将系统介绍各种热处理工艺的原理、特点和应用热处理基础相变理论工艺参数金属热处理的核心是相变过程的控制通过控制加热温度、热处理工艺参数包括加热温度、保温时间、冷却速度和冷却保温时间和冷却速度，可以获得不同的组织结构和性能介质等这些参数的选择直接决定了最终组织和性能工艺参数的设计需要综合考虑材料成分、工件尺寸、性能要TTT曲线和CCT曲线是描述钢铁材料相变动力学的重要工求和经济性等多个因素，实现技术与经济的最佳平衡具，为制定合理的热处理工艺提供科学依据退火工艺完全退火加热到Ac3以上，获得均匀的奥氏体组织，缓慢冷却得到平衡组织不完全退火加热温度在Ac1-Ac3之间，主要用于改善切削加工性能等温退火奥氏体化后快速冷却到珠光体转变温度，等温保持完成转变球化退火使碳化物球化，提高材料的塑性和切削加工性能正常化处理工艺特点组织性能应用范围正常化是将钢件加热到Ac3或Acm以上正常化可以细化晶粒，均匀组织，提广泛应用于结构钢件的预备热处理，30-50℃，保温后在空气中冷却的热处高材料的强度和韧性对于低碳钢，也可作为某些工件的最终热处理常理工艺冷却速度比退火快，比淬火正常化后的组织比退火组织更细小均用于消除铸造、锻造等热加工产生的慢匀组织缺陷淬火工艺奥氏体化加热到淬火温度，形成均匀奥氏体快速冷却超过临界冷却速度，抑制扩散型转变马氏体转变形成高硬度的马氏体组织淬火是获得马氏体组织、提高材料硬度和强度的重要工艺淬火介质的选择、淬火方式的设计对防止淬火缺陷、保证工件质量具有关键作用常见的淬火缺陷包括淬火裂纹、变形过大和氧化脱碳等回火工艺低温回火150-250℃温度范围，主要消除内应力，保持高硬度适用于工具钢、量具等要求高硬度的工件回火组织为回火马氏体中温回火350-500℃温度范围，获得良好的弹性极限主要用于弹簧钢等要求高弹性的零件回火组织为回火屈氏体高温回火500-650℃温度范围，获得强度与韧性的良好配合广泛用于重要结构件淬火+高温回火称为调质处理第四部分金属成形加工方法压力成形利用外力使金属产生塑性变形轧制锻造大变形量的体积成形工艺挤压拉伸定向流动的塑性成形方法冲压成形板材的分离与成形加工轧制原理与工艺轧制机理工艺特点轧制是金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙时，受到轧辊的压轧制具有生产效率高、产品精度好、表面质量优良等优点缩和摩擦作用而产生塑性变形的加工方法轧制过程中金属根据轧制温度可分为热轧和冷轧，根据产品形状可分为板带的流动规律复杂，涉及压下量、前滑、后滑等参数轧制、型材轧制等•轧制力与轧制力矩计算•热轧工艺及其特点•轧制变形区几何关系•冷轧工艺及其优势•金属流动与速度分布•轧制产品规格范围锻造原理与工艺自由锻造模锻工艺工具简单，适用于单件小批量生产精度高，适用于批量生产复杂零件热锻工艺精密锻造变形抗力小，适用于大型复杂锻件近净成形，减少后续机械加工挤压原理与工艺正向挤压金属与凸模运动方向相同，挤压力较大但制品质量好反向挤压金属与凸模运动方向相反，挤压力较小但设备复杂复合挤压正向与反向挤压同时进行，提高材料利用率连续挤压实现连续生产，适用于大批量生产长型材拉伸原理与工艺拉伸变形金属在拉应力作用下通过模孔产生塑性变形，截面减小，长度增加拉伸力计算考虑变形抗力、摩擦力和后张力等因素，确定最佳工艺参数多道次拉伸大变形量需要多道次完成，合理分配各道次变形量产品应用广泛用于生产丝材、管材、棒材等精密产品冲压与钣金加工冲裁工艺利用冲裁模将板料分离成所需形状的工艺包括冲孔、落料、修边等工序冲裁质量主要取决于模具间隙、材料性能和工艺参数的合理匹配弯曲成形使板料在弯曲模中产生塑性变形获得一定角度和形状的工艺需要考虑回弹、最小弯曲半径和弯曲力计算等关键技术问题拉深工艺将平板毛坯制成开口空心件的塑性加工方法工艺设计需要控制起皱、破裂等缺陷，合理确定压边力和拉深系数胀形工艺利用模具或液体压力使板料产生塑性变形的成形方法适用于制造复杂曲面零件，如汽车覆盖件等第五部分铸造成形技术技术应用工艺设计了解各种铸造方法的特点和适用范围，掌理论基础学习铸件结构设计原则，掌握浇注系统和握铸造缺陷的形成机理和预防措施，提高掌握金属液体流动、传热和凝固结晶的基冒口系统设计方法，实现铸件质量和生产铸件质量水平本理论，理解铸造过程中的物理化学现效率的最佳平衡象，为工艺设计提供科学依据铸造基础理论流动与传热凝固理论金属液体在型腔中的流动遵循流体力学规律，需要考虑粘金属凝固过程包括形核和长大两个阶段过冷度大小决定了度、表面张力和重力等因素的影响流动速度过快会产生紊晶粒的细化程度，适当的过冷度有利于获得细小均匀的组流，导致卷气等缺陷织传热过程决定了凝固速度和组织形成铸件与铸型之间的传定向凝固和顺序凝固是铸造工艺设计的重要原则，通过控制热系数直接影响冷却速度，进而影响晶粒大小和组织性能凝固方向可以有效防止缩孔、缩松等缺陷的产生铸造工艺设计结构设计浇注系统冒口系统铸件结构设计需要遵循浇注系统包括浇口杯、冒口的作用是补缩和排工艺性原则，包括壁厚直浇道、横浇道和内浇气冒口设计需要保证均匀、避免尖角、设置道等部分设计时需要其凝固时间晚于铸件，合理的拔模斜度等良保证平稳充型，避免金同时具有足够的补缩能好的结构设计是获得优属液冲击型壁，同时便力，有效防止缩孔缺质铸件的前提条件于排气和清理陷常见铸造方法砂型铸造金属型铸造使用砂型作为铸型的铸造方法，采用金属材料制作铸型的铸造方具有工艺灵活、成本低廉的优法，具有尺寸精度高、表面质量点适用于单件小批量生产，可好、生产效率高的特点主要用以铸造各种复杂形状的铸件型于有色金属铸件的批量生产，模砂性能对铸件质量有重要影响具成本较高压力铸造在高压作用下使金属液充填型腔并凝固成形的铸造方法具有生产效率高、铸件精度高、表面光洁的优点，主要用于有色金属合金的大批量生产铸造缺陷分析气孔缺陷充型过程卷气或析气形成缩孔缩松凝固收缩得不到有效补偿裂纹缺陷热应力或收缩应力过大引起尺寸偏差模具精度或工艺参数控制不当第六部分焊接原理与技术焊接冶金焊接方法理解焊接热循环和熔池冶金过程掌握各种焊接技术的原理和特点结构设计工艺设计优化焊接结构减少应力集中合理选择焊接材料和工艺参数焊接冶金学基础热循环特点熔池冶金焊接过程中母材经历急剧的加热和冷却循环，形成特殊的温焊接熔池是一个复杂的冶金反应器，发生熔化、混合、冶金度场分布焊缝中心温度最高，向两侧递减，形成融合区、反应和结晶等过程熔池中的对流传热传质对焊缝组织形成热影响区和母材区三个典型区域有重要影响热循环参数包括峰值温度、加热速度、冷却速度和高温停留保护气体、焊剂等对熔池冶金过程起到重要作用，影响焊缝时间等，这些参数直接影响焊接接头的组织和性能的化学成分、纯净度和组织性能常见焊接方法电弧焊接利用电弧热源进行焊接，包括手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等方法2气体焊接利用可燃气体燃烧产生的火焰作为热源，主要用于薄板和有色金属焊接电阻焊接利用电流通过接触电阻产生的热量进行焊接，包括点焊、缝焊、对焊等特种焊接激光焊、电子束焊、摩擦焊等高能束焊接和固相焊接技术焊接工艺参数设计I焊接电流影响熔深和熔宽的主要参数U电弧电压控制电弧长度和熔池形状v焊接速度决定热输入和焊缝成形质量Q热输入量影响热影响区组织和性能焊接工艺参数的合理选择对焊接质量至关重要需要根据母材性质、接头形式、焊接位置等因素综合确定最佳参数组合，实现优质高效的焊接生产焊接结构设计原则接头形式选择根据受力情况和结构要求选择合适的接头形式对接接头承载能力强，角接头制造简单，搭接接头适用于薄板连接接头设计应考虑焊接可达性和质量检验要求焊缝布置合理安排焊缝位置，避免焊缝集中和交叉主要受力焊缝应布置在受力较小的部位，尽量使焊缝受力方向与其强度方向一致，减少应力集中变形控制通过预变形、反变形、合理的焊接顺序等措施控制焊接变形对称焊接、分段焊接和跳焊等工艺可以有效减少焊接残余应力和变形工艺性改进设计时应考虑焊接工艺性，如设置合理的坡口角度、根部间隙，预留焊接空间，便于焊工操作和质量检验第七部分表面处理技术表面分析理解表面性能要求和失效机理热处理技术2表面淬火和化学热处理方法涂覆技术电镀、喷涂等表面涂层技术改性技术激光、离子束等先进表面改性表面处理基础表面特征工艺选择表面处理的目的是改善材料表面的耐磨性、耐腐蚀性、装饰表面处理工艺的选择应综合考虑基体材料性质、使用环境、性和其他功能性能表面层的组织结构、化学成分和残余应性能要求和经济性等因素不同的表面处理方法具有各自的力状态直接影响表面性能特点和适用范围表面粗糙度、表面硬度、表面残余应力等是重要的表征参表面预处理对最终效果有重要影响，包括清洁、除锈、粗化数，需要通过适当的测量方法进行评价和控制等工序，必须严格控制预处理质量表面热处理技术感应加热淬火火焰淬火化学热处理利用高频感应加热快采用氧-乙炔火焰加包括渗碳、渗氮、碳速加热工件表面，然热工件表面进行淬火氮共渗等工艺通过后快速冷却获得硬化的方法设备简单、在一定温度下向钢件层具有加热速度操作灵活，适用于大表面渗入碳、氮等元快、热影响区小、变型工件的局部淬火，素，改变表面化学成形小等优点，广泛用但加热均匀性相对较分，获得高硬度的化于轴类零件的表面强差合物层化表面涂覆技术电镀技术化学镀电流驱动的金属沉积过程化学还原反应形成镀层气相沉积热喷涂物理或化学气相沉积薄膜高温熔化材料喷射沉积表面改性技术激光表面改性利用激光束的高能量密度对材料表面进行熔化、合金化或相变强化处理，具有加热速度快、热影响区小、可精确控制等优点离子注入将具有一定能量的离子注入到材料表面层，改变表面的化学成分和组织结构，提高表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性机械强化通过喷丸、滚压等机械方法在表面产生压应力，细化表面晶粒，提高疲劳强度和耐磨性纳米化处理通过各种物理或化学方法在材料表面形成纳米尺度的组织结构，显著提高表面的力学性能和功能性能第八部分特种加工技术电加工技术高能束加工利用电能进行材料去除的特种加采用激光、电子束等高能密度热工方法，包括电火花加工、电解源进行加工的先进技术，具有精加工等适用于难加工材料和复度高、热影响区小、可加工各种杂形状零件的精密加工材料等优点超声波加工利用超声振动能量进行材料去除或连接的加工方法，在硬脆材料加工和精密装配方面具有独特优势电加工技术电火花加工利用工具电极与工件间脉冲放电产生的电蚀现象进行材料去除电解加工基于电化学反应原理，阳极材料发生电化学溶解而被去除电火花线切割使用移动的金属丝作为工具电极进行放电切割加工电化学抛光通过电化学反应选择性溶解表面不平整处获得光滑表面激光加工技术激光切割利用高功率密度激光束熔化或汽化材料实现切割的加工方法具有切缝窄、精度高、速度快、热影响区小等优点，广泛应用于钣金加工和精密零件制造激光焊接采用激光束作为热源的焊接方法，具有能量密度高、焊接速度快、变形小等特点特别适用于精密器件和异种材料的连接激光表面处理包括激光淬火、激光熔覆、激光合金化等技术，可以显著改善材料表面性能，提高耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度激光微加工利用激光的高精度特性进行微小尺度的加工，在微电子、生物医学等领域有重要应用，可实现亚微米级的加工精度超声波加工技术超声波加工工具在超声频率下振动进行材料去除超声辅助加工在传统加工中叠加超声振动提高效率超声波焊接利用超声振动能量实现材料连接超声表面强化超声冲击处理改善表面性能第九部分材料加工质量控制缺陷识别系统分析各种加工缺陷的形成机理和特征检测技术掌握无损检测等先进质量检测方法工艺优化运用现代技术手段优化加工工艺参数质量控制是确保金属材料加工产品满足设计要求和使用性能的关键环节通过建立完善的质量管理体系，采用先进的检测技术和工艺优化方法，可以显著提高产品质量和生产效率。