《金属材料成型》课件

金属材料成型金属材料成型是机械制造领域的核心技术，涵盖了从液态铸造到塑性变形、从连接工艺到热处理的完整工艺体系本课程将系统介绍金属材料成型的理论基础、工艺方法、质量控制和智能制造发展趋势第一章金属材料基础金属材料分类体系材料标准与规范典型应用领域包括黑色金属（钢铁）、有色金属国家标准、国际标准GB/T（铝、铜、镁等）以及特种合金、等主要标准体系，为ASTM ISO（钛合金、镍基高温合金等）的系工程应用提供技术依据和质量保证统分类金属的物理化学性能

2.7铝密度，轻量化首选g/cm³1083铜熔点°，优异导电性C401银导热系数，最高导热性W/m·K

59.6铜导电率，电气应用广泛MS/m金属的物理化学性能直接决定了其成型工艺的选择和应用场景密度影响轻量化设计，熔点决定铸造温度，导热性和导电性则关系到散热和电气性能这些基础数据为工艺参数设定和材料选择提供科学依据金属的力学性能材料类型拉伸强度屈服强度延伸率硬度%HBMPa MPa钢Q235375-50023526120-140铝60613102751295合金不锈钢30452020540200钛合金89582510334TC4力学性能是评价金属材料成型适应性的关键指标拉伸强度和屈服强度决定材料承载能力，延伸率反映塑性变形能力，硬度影响切削加工性冲击韧性测试采用夏比冲击试验，评估材料在动态载荷下的抗断裂能力金属结构与缺陷体心立方结构面心立方结构密排六方结构铁素体、铬等金属的典奥氏体、铝、铜等的晶镁、锌等金属结构，滑型结构，具有较高强度体结构，塑性和韧性优移系少，塑性成型需要但塑性相对较低异，适合塑性成型特殊工艺条件晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷对材料力学性能和成型性能产生重要影响合金化与组织控制合金元素添加碳、硅、锰、铬、镍等元素对钢铁组织和性能的调控机制相图分析相图解读，奥氏体、铁素体、珠光体等组织的形成条件Fe-C晶粒细化关系晶粒尺寸减小，屈服强度提高，改善综合性能Hall-Petch工艺优化通过控制冷却速度、变形温度等参数实现组织调控和性能优化第二章金属液态成型基础熔化工艺造型制芯金属熔化炉料准备和温度控制技术砂型制作、型芯设计与装配工艺凝固过程浇注系统金属液冷却凝固与组织形成机理浇口、冒口设计与金属液流动控制普通砂型铸造模样制作根据零件图纸制作木模或金属模样，考虑收缩余量和加工余量造型工艺在砂箱中填砂造型，形成铸型型腔，保证尺寸精度和表面质量金属浇注将熔化的金属液通过浇注系统注入型腔，控制浇注温度和速度清理后处理铸件冷却后落砂清理，去除浇冒口，进行必要的热处理和机加工砂型铸造是最经济的铸造方法，广泛应用于汽车发动机缸体、机床床身等大型复杂铸件的生产典型缺陷包括气孔、砂眼、冷隔等，需要通过工艺优化和质量控制来预防特种铸造工艺精密铸造压力铸造离心铸造采用熔模铸造工艺，表面粗糙度在高压下将金属液压入金属型，压力范利用离心力作用成型，离心加速度Ra

1.6-50-，尺寸精度级广泛围生产效率高，适合批主要用于管状、环状零件生产，

6.3μm CT4-CT715-175MPa100g应用于航空发动机涡轮叶片、燃气轮机量生产薄壁复杂零件，如汽车变速箱壳如铸铁管、铜套、钢管等，组织致密性叶片等高精度复杂零件制造体、电机壳体等好•蜡模制作与组装•冷室压铸工艺•真离心铸造•陶瓷型壳制备•热室压铸技术•半离心铸造•脱蜡与焙烧工艺•真空压铸应用•离心压铸技术铸造合金与组织灰铸铁含碳量，石墨呈片状分布抗压强度高达，减震性好，广泛用于

2.5-

4.0%1300MPa机床床身、汽车制动盘等、、等牌号应用广泛HT150HT200HT250球墨铸铁石墨呈球状，综合力学性能优异抗拉强度，延伸率420-800MPa2-18%、等牌号在汽车曲轴、齿轮等关键零件中应用QT400-15QT500-7铸钢件综合性能好，焊接性能优异、等牌号广泛用于重型机械、ZG200-400ZG230-450船舶、铁路等领域的大型结构件制造铝合金铸件密度小，耐腐蚀性好、等硅铝合金在汽车发动机、变速箱等轻量化ZL101A ZL102零件中大量应用，铸造性能优异铸造工艺缺陷与防控检测技术应用成因机理分析射线检测发现内部缺陷，检测灵敏度达X缺陷识别与分类气孔由氢气析出、型砂水分过高、浇注温到壁厚超声波检测适用于厚截面铸

0.5%气孔缺陷表现为圆形或椭圆形空洞，直径度过低造成缩孔源于凝固收缩未得到补件金相分析确定缺陷性质和分布特征缩孔呈不规则形状，多发生偿裂纹由热应力集中、合金成分不当、1-10mm在厚大截面裂纹分为热裂和冷裂，热裂冷却速度过快引起沿晶界发展，冷裂穿晶扩展铸造数字化与自动化智能决策系统算法优化工艺参数AI数值仿真技术、等软件模拟ProCAST MAGMA自动化设备造型机、浇注机器人集成打印砂型3D无模快速成型技术基础海尔集团铸造数字化工厂实现了从订单到交付的全流程智能化管理，生产效率提升，废品率降低宝钢湛江钢铁采用数字孪生技术，40%60%实时监控铸坯质量，连铸坯合格率达到以上

99.8%第三章金属材料塑性成型基础锻造基础与分类自由锻在平砧或形砧间进行，适合单件小批量生产V模锻在模具型腔中成形，精度高，适合批量生产精密锻造尺寸精度级，表面粗糙度IT9-IT11Ra

1.6-

3.2μm汽车曲轴锻造采用热模锻工艺，锻造温度℃，模锻压力机吨位1150-1200吨航空紧固件多采用精密模锻，材料利用率达以上，6300-1600095%锻后仅需少量机械加工即可满足使用要求锻造金属流线连续，疲劳强度比铸件提高30-50%锻造参数与质量控制温度控制始锻温度℃，终锻温度℃1200950变形速率应变速率⁻，影响组织均匀性

0.1-10s¹锻压力控制变形抗力，确保充型完整150-300MPa金属流线是评价锻件质量的重要指标，连续的流线分布能显著提高零件的疲劳寿命汽车连杆锻件的疲劳强度达到，比铸造400MPa连杆提高通过控制锻造工艺参数，可以实现晶粒细化和组织均匀化，提升锻件的综合力学性能60%冲压成型技术下料剪切拉深成形板料按工艺要求进行精确下料切割板料在模具中发生塑性变形成形检验包装冲孔修边质量检验合格后进行包装入库对成形件进行冲孔和边缘修整汽车覆盖件冲压是汽车制造的核心工艺，单条生产线分钟产能可达件大型多工位压力机吨位达吨，可一次完15-202500-4000成复杂零件的多道工序中国一汽、上汽等主机厂建立了世界级的冲压生产线冲压成型典型缺陷开裂缺陷由于材料塑性不足或应力集中引起的破裂现象常发生在圆角、深拉深部位预防措施包括优化模具设计、调整拉深筋阻力、选用高塑性材料起皱现象板料在受压区域失稳形成的波纹状缺陷通过增加压边力、优化润滑条件、改进模具间隙可以有效控制起皱的发生回弹问题卸载后零件形状与模具型腔的偏差采用仿真预测回弹量，通过模具补偿设计和工艺参数优化来控制回弹CAE挤压与拉伸成型1坯料准备铝合金棒料加热至℃，确保塑性充分450-5002挤压成型挤压力，挤压速度，形成复杂截面100-150MPa

0.5-5mm/s3在线淬火挤压后立即风冷或水冷，获得过饱和固溶体4时效处理℃保温小时，析出强化相提高强度150-2002-8建筑幕墙用铝合金型材通过挤压工艺生产，截面精度±，表面粗糙

60630.2mm度忠旺集团生产的高铁车体型材，单根长度达米，截面复杂度达到Ra

1.6μm28国际先进水平轧制工艺基础轧制是钢铁工业的核心工艺，全球钢材产量的以上通过轧制生产热轧温度℃，压下率冷轧在室温下90%1000-120050-80%进行，可获得高精度和优良表面质量连轧技术实现了连续化生产，单线年产能可达万吨宝钢、首钢等企业的现代化轧机代表800了世界先进水平新型塑性成型工艺超塑性成型温控成型液压成形增量成形材料在特定条件下延伸精确控制变形温度，实以液体为传力介质，成小变形量多道次成形，率可达现材料性能与成型性能形复杂中空截面零件，适合小批量个性化产品1000-，适合复杂薄的最佳匹配材料利用率高生产2000%壁件成型特斯拉的铝合金车身采用超塑性成型技术，零件减重比亚迪新能源汽车的电池包壳体采用液压成形工艺，一次成形减Model S30%少焊接工序，提高了密封性和安全性60%第四章金属连接工艺航空航天应用高速铁路建造船舶制造工艺钛合金、铝合金结构件采用电子束焊、高铁铝合金车体采用中频点焊大型船舶钢结构采用埋弧自动焊，单条CRH380激光焊等高精度连接工艺波音机和弧焊相结合的工艺车体纵向焊缝长焊缝长度可达数百米江南造船厂建造787身连接采用自动化钻铆技术，连接点超度超过米，焊接质量直接关系行车的大型集装箱船，船体重量超过万20010过万个，确保结构可靠性安全，要求焊缝无气孔、夹渣等缺陷吨，焊接工作量占船体建造的10070%•电子束焊接精度±•点焊间距•埋弧焊效率高

0.1mm100-150mm•激光焊接热影响区小•弧焊渗透深度•焊缝质量稳定3-5mm•摩擦搅拌焊无熔化•无损检测•适合厚板焊接100%焊接工艺基础熔焊工艺电弧焊、气焊、激光焊等通过局部加热熔化实现连接•焊接温度2000-6000℃熔池深度•2-20mm•适用于各种厚度压焊技术电阻焊、摩擦焊、扩散焊通过压力和热量实现固态连接•接头强度高•热影响区小•自动化程度高钎焊方法利用熔点低于母材的钎料实现连接，温度℃450-1200母材不熔化••可连接异种材料•精密元件首选现代焊接技术在汽车制造中应用广泛，每辆轿车约有个焊接点激光焊接在车身制造中占比不断提3000-5000高，焊接速度可达，比传统弧焊效率提升倍10m/min5-10常见金属焊接缺陷气孔类缺陷氢致气孔直径，由焊材含水、油污、电弧不稳定引起气

0.5-3mm CO孔呈虫蛀状，多发生在保护焊中预防措施包括焊前清理、控制焊CO2接规范参数夹杂物缺陷夹渣多出现在多层焊中，表现为焊缝中的非金属夹杂氧化物夹杂影响焊缝韧性通过选用低氢焊条、多层焊时清根彻底可以有效防止裂纹类缺陷热裂纹沿晶界发展，与硫、磷等杂质元素相关冷裂纹多为氢致裂纹，在焊后小时内产生通过焊后热处理、选用低氢焊材可48以预防连接与装配案例螺栓连接技术铆接工艺应用结构胶接技术高强度螺栓连接广泛应用于钢结构建飞机蒙皮与框架连接采用铆接技术，环氧结构胶抗剪强度可达，广35MPa筑高强螺栓抗拉强度达单架民航客机铆钉数量超过万泛用于汽车、航空复合材料连接胶M20100，预紧力可达通颗自动化钻铆设备可实现位置精度接铆接复合连接技术在大飞机1040MPa155kN+C919过扭矩控制和转角控制确保连接质±，大幅提升生产效率制造中成功应用

0.1mm量金属焊接自动化与机器人智能控制系统视觉识别和自适应控制AI六轴焊接机器人重复定位精度±工作半径

0.1mm柔性生产线多品种混线生产和快速换型传感器集成焊缝跟踪和质量监控基础上汽大众的焊接车间配置了多台机器人，焊接自动化率达到单台机器人焊接节拍时间秒，比人工焊接效率提升1200KUKA100%60通过激光视觉传感器实现焊缝实时跟踪，焊接质量稳定性显著提升300%焊接新材料与趋势超高强钢焊接钛合金焊接级别钢材激光焊接技术突破航空发动机部件氩弧焊保护技术1500MPa异种材料焊接镁合金焊接钢铝、铜铝等异质金属连接技术汽车轻量化激光焊接工艺开发中航工业西飞在支线客机制造中成功应用钛合金电子束焊接技术，焊缝强度系数达到以上北京理工大学开发的镁合金ARJ

210.95技术已在新能源汽车电池包轻量化结构中产业化应用FSW第五章金属材料热处理基础退火处理消除内应力，细化晶粒，改善切削加工性能正火处理均匀组织，提高强度和韧性，细化晶粒淬火处理获得马氏体组织，大幅提高硬度和强度回火处理调整淬火应力，获得理想的强度韧性配合热处理是改善金属材料性能的重要手段，通过控制加热温度、保温时间和冷却速度来调控材料的组织结构现代热处理技术向精密化、自动化、环保化方向发展，计算机控制已成为主流钢的热处理工艺有色金属热处理固溶处理℃保温，使合金元素充分溶解510-530淬火冷却水冷至室温，获得过饱和固溶体时效强化℃保温数小时，析出强化相150-200铝合金时效处理后抗拉强度可达，屈服强度，广泛用于航空结构件铝合金状态硬度达到2024470MPa325MPa6061T6，在汽车轻量化应用中表现优异铜合金通过时效处理可显著提高电导率和力学性能HB95表面热处理与强化方法渗碳工艺渗氮处理感应加热℃渗碳℃渗氮高频感应加热速度920-930500-520小时，表面小时，形快，加热深度可控，8-1220-50含碳量达成氮化物硬化层，适合大批量轴类零

0.8-，渗层深度表面硬度件局部淬火，效率

1.0%，表高能耗低

0.8-

1.5mm HV800-面硬度，耐磨性优HRC58-1200异62激光淬火激光功率密度104-，淬106W/cm²硬层深度

0.2-，热影响区2mm小，适合精密零件热处理缺陷及控制变形控制技术开裂预防措施过热缺陷识别淬火变形是热处理常见问题，主要由温淬火裂纹多发生在尖角、孔边等应力集过热导致晶粒粗大，力学性能下降通度梯度和组织应力引起采用分级淬中部位通过工艺改进和结构设计可有过金相检验发现魏氏组织，需重新正火火、等温淬火可减少变形量以上效预防细化晶粒50%•预应力淬火夹具设计•预热处理消除应力•温度监控系统•淬火介质温度控制•淬火温度精确控制•加热时间控制•零件几何形状优化•及时回火处理•金相组织检验热处理数字化与智能化温度自动控制工艺数据管理采用控制算法，温度控制精度建立热处理工艺数据库，实现工艺参数PID±℃，自动记录温度曲线标准化和可追溯性5智能质量控制自动化装卸在线硬度检测，实时调整工艺参数，确机械手自动上下料，减少人工操作，提保产品质量稳定高生产效率和安全性东北特钢集团建成的智能化热处理生产线，通过大数据分析优化工艺参数，产品合格率提升至河南安钢采用模糊控制技术，

99.5%实现了复杂截面钢材的精确热处理，能耗降低15%表面工程与涂层技术电镀技术镀铬层厚度，硬度，广泛用于汽车保险杠、装饰件10-50μm HV800-1000•镀锌防腐蚀处理•镀镍提升外观质量•镀铬增强耐磨性热喷涂工艺等离子喷涂温度达℃，涂层结合强度，适合大面积表面强化1500060-80MPa•陶瓷涂层耐高温•金属涂层导电性好•复合涂层功能多样物理沉积技术在真空中进行，涂层厚度，结合力强，环保无污染PVD1-10μm•TiN涂层金黄色•TiAlN涂层耐高温•DLC涂层超硬度比亚迪新能源汽车外壳采用环保电泳涂装工艺，涂层厚度±，耐盐雾试验超过小时涂装线自动化202μm1000程度达，排放比传统工艺降低95%VOC80%第六章先进成型与智能制造$

2.8T全球市场规模年智能制造市场预期值202567%效率提升智能制造相比传统制造45%成本降低通过数字化转型实现90%质量改善缺陷率降低幅度智能制造代表了制造业的未来发展方向，通过物联网、人工智能、大数据等技术实现生产过程的数字化、网络化、智能化海尔、三一重工树根互联等工业互联网平台引领行业发展中国制造战略明确提出要在年迈入制造强国行列COSMOPlat20252025粉末冶金成型1粉末制备雾化法制备铁粉，粒度，松装密度40-150μm

2.4-

2.8g/cm³2混料成型添加石墨粉，润滑剂，压制压力

0.6-

0.8%

0.75%600-800MPa3烧结处理℃保护气氛烧结分钟，密度达112020-

306.8-

7.2g/cm³4后处理加工整形、机加工、热处理，最终产品精度级IT6-IT8东睦股份生产的汽车齿轮采用粉末冶金工艺，材料利用率达，比机加工节VVT95%约材料苹果的散热器采用粉末冶金多孔材料，散热效率比传统方30%MacBook案提升40%增材制造（金属打印）3D选择性激光熔化SLM激光功率，扫描速度，层厚钛合金植入物密度200-400W

0.1-2m/s20-100μm达以上，力学性能接近锻件水平99%电子束熔化EBM真空环境下工作，预热温度℃，成形温度℃以上适合高熔点合金如钛合7001000金、镍基高温合金的复杂结构制造激光选区烧结SLS适合金属粉末预处理，烧结温度接近熔点，可制造多孔结构和梯度材料，在生物医学领域应用广泛直接能量沉积DED边送粉边熔化，适合大型结构件制造和修复激光功率可达，沉积速率10kW10-，效率较高50g/min金属材料微纳成型微成型技术是制造微小精密零件的关键工艺，特征尺寸通常小于苹果的表壳采用微冲压工艺，壁厚仅1mm AppleWatch，表面粗糙度华为智能手表的金属表链通过微注射成型，单个链节重量仅，尺寸精度±微纳成

0.3mm Ra

0.1μm

0.2g

0.01mm型在通信、医疗器械、精密仪器等领域需求快速增长5G仿生与功能梯度材料成型技术仿生结构设计模仿自然界优化结构，如鸟类骨骼的中空结构、蜂窝的六边形结构等打印钛合金人工髋关节采用多孔仿骨结构，孔隙率，弹性模量3D60%接近人体骨骼梯度材料制备通过成分或组织的连续变化实现性能的梯度分布激光熔覆技术可制备从钢基体到陶瓷表面的梯度涂层，厚度，结合强度超过

0.5-3mm80MPa功能集成制造将多种功能集成在单一零件中，如导电、散热、减震等特斯拉的结构电池包采用仿生设计，减重，成本降低Model Y10%，续航里程提升14%16%。