设计材料及加工工艺 第六章 金属材料及加工工艺

第六章金属材料及加工工艺6.1金属材料的固有特性6.2金属材料的工艺特性6.2.1金属材料的成型加工6.2.2金属材料的热处理6.2.3金属材料的表面处理技术6.3常用的金属材料6.3.1钢铁材料6.3.2有色金属材料6.3.3其他合金金属6.4金属材料在设计中的应用返回第六章金属材料及加工工艺6.1金属材料的固有特性金属的特性表现在以下几个方面：①金属材料几乎都是具有晶格结构的固体，由金属键结合而成。②金属材料是电与热的良导体。③金属材料表面具有金属所特有的色彩与光泽。④金属材料具有良好的延展性。⑤金属可以制成金属间化合物。⑥除了贵金属之外，几乎所有金属的化学性能都较为活泼，易于氧化而生锈，产生腐蚀。返回第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性6.2.1金属材料的成型加工1.铸造将熔融态金属浇入铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法。⑴砂型铸造（图6-1为砂型铸造的基本工艺过程）俗称翻砂，用砂粒制造铸型进行铸造的方法。⑵熔模铸造（图6-2为熔模制造工艺过程）又称失蜡铸造，为精密铸造方法之一，是常用的铸造方法。⑶金属型铸造用金属材料制作铸型进行铸造的方法，又称永久型铸造或硬型铸造。下一页返回返回返回第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性⑷压力铸造简称压铸。在压铸机上，用压射活塞以较高的压力和速度将压室内的金属液压射到模腔中，并在压力作用下是金属液迅速凝固成铸件的铸造方法。⑸离心铸造将液态金属浇入沿垂直轴或水平轴旋转的铸型中，在离心力作用下金属液附着于铸型内壁，经冷却凝固成为铸件的铸造方法。2.金属塑性加工（金属压力加工）在外力作用下，金属坯料发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法。上一页下一页第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性金属塑性加工的特点是：在成型的同时，能改善材料的组织结构和性能，产品可直接制取或便于加工，无切削，金属损耗小。⑴锻造（热锻）锻造是利用手锤、锻锤或压力设备上的模具对加热的金属坯料施力，使金属材料在不分离条件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能符合要求的零件。锻造按成型是否用模具通常分为自由锻和模锻，按加工方法分为手工锻造和机械锻造。常用的锻造方法是手工锻造。手工锻造是一种古老的金属加工工艺。手工锻造有两种形式：一、手工自由锻，一般用于小型金属工艺品的制作；二、手工模锻，一般用于大中型金属工艺品的制作。上一页下一页第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性⑵轧制利用两个旋转轧辊的压力使金属坯料通过一个特定空间产生塑性变形，以获得所要求的截面形状并同时改变其组织性能。按轧制方式分为横轧、纵轧和斜轧；按轧制温度分为热轧和冷轧。⑶挤压将金属放入挤压桶内，用强大的压力使坯料从模孔中挤出，从而获得符合模孔截面的坯料或零件的加工方法。常用的挤压方法有：正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压。（如图6-3）上一页下一页返回第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性⑷拔制（图6-4）用拉力使大截面的金属坯料强行穿过一定形状的膜孔，以获得所需断面形状和尺寸的小截面毛坯或制品的工艺过程。⑸冲压（又称板料冲压）（图6-5）在压力作用下利用模具使金属板料分离或产生塑性变形，以获得所需工件的工艺方法。3.切削加工（冷加工）（图6-6为铣削，图6-7为车削示意图）利用切削工具在切削机床上（或用手工）将金属工件的多余加工量切去，以达到规定的形状、尺寸和表面质量的工艺过程。按加工方式分为车削、铣削、刨削、钻削、镗削及钳工等，是最常见的金属加工方法。上一页下一页返回返回返回返回第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性4.焊接加工（图6-8为常用的焊接方法）焊接加工是充分利用金属材料在高温作用下易熔化的特性，使金属与金属发生相互连接的一种工艺，是金属加工的一种辅助手段。5.粉末冶金粉末冶金是以金属粉末或金属化合物粉末为原料，经混合、成形和烧结，获得所需形状和性能的材料或制品的工艺方法。粉末冶金法能生产用传统的熔炼或加工方法所不能或难以制得的制品，特别适合生产特殊性能或高性能的特殊材料，是现代冶金工业的重要生产方法。上一页返回返回第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性6.2.2金属材料的热处理1.普通热处理普通热处理包括退火、正火、淬火和回火处理。（图6-9位普通热处理过程示意图）2.表面热处理表面热处理包括表面淬火和化学热处理。①表面淬火是通过快速加热金属表面层至所要求的温度，然后进行淬火，以提高金属表面的硬度和耐磨性。下一页返回返回第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性②化学热处理是将金属工件置于一定活性介质中加热保温，使介质元素渗入工件表面，改变其表面的化学成分和组织结构，使表面达到预期要求的性能。3.特殊热处理上一页返回第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性6.2.3金属材料的表面处理技术1.金属材料的表面前处理金属制品表面的前处理工艺和方法很多，其中主要包括有金属表面的机械处理、化学处理和电化学处理等。2.金属材料的表面装饰技术⑴金属表面着色工艺金属表面着色工艺是采用化学、电解、物理、机械、热处理等方法，使金属表面形成各种色泽的膜层、镀层或涂层。下一页返回第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性⑵金属表面肌理工艺金属表面肌理工艺是通过锻打、刻划、大漠、腐蚀等工艺在金属表面制作出肌理效果。上一页返回第六章金属材料及加工工艺6.3常用的金属材料①按金属材料构成元素分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料包括铁和以铁为基体的合金；有色金属包括铁以外的金属及其合金。②按金属材料主要性能和用途分为金属结构材料和金属功能材料。③按金属材料加工工艺分为铸造金属材料、变形金属材料和粉末冶金材料。④按金属材料密度分为轻金属和重金属。返回第六章金属材料及加工工艺6.3常用的金属材料6.3.1钢铁材料工业上应用最广泛的金属材料是钢铁材料。工业纯铁——塑性好，强度低，很少用作结构材料和外观材料。钢——广泛应用于各个领域。铸铁——熔点低，具有良好的铸造性能，切削性能及耐磨性和减振性，生产工艺简单，成本低廉，可用来制造各种具有复杂结构和形状的零件。1.钢的分类下一页返回第六章金属材料及加工工艺6.3常用的金属材料⑴碳素钢（碳钢）碳素钢按含碳量可分为：低碳钢（含碳量0.25%以下）——低强度、高塑性、高韧性极良好的加工性和焊接性，适合制造形状复杂和需焊接的零件和构件。中碳钢（含碳量0.25%~0.6%）——有一定的强度、塑性和适中的韧性，经热处理而具有良好的综合力学性能，多用于制造要求强韧性的齿轮、轴承的机械零件。高碳钢（含碳量0.6%以上）——有较高的强度和硬度，耐磨性好，塑性和韧性较低，制造工具、刃具、弹簧及耐磨零件等。碳素钢按质量可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。碳素钢按用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。上一页下一页第六章金属材料及加工工艺6.3常用的金属材料⑵合金钢以碳素钢为基础适量加入一种或几种合金元素的钢，具有较高的综合机械性能和某些特殊的物理、化学性能。合金钢按合金元素总含量分为低合金钢（总含量5%以下）、中合金钢（总含量5%~10%）和高合金刚（总含量10%以上）。合金钢按合金元素种类分为铬钢、镍钢、锰钢、硅钢、铬镍钢、锰硅钢等。合金钢按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特种合金钢。2.常用钢材的品种及用途上一页下一页第六章金属材料及加工工艺6.3常用的金属材料⑴型钢具有一定几何形状截面，且长度和截面周长之比相当大的直条钢材。⑵钢板宽厚比很大的巨型板材。常见的钢板品种有：①钢带（带钢）：长度很长，大多成卷供应的钢板。②覆层钢板：在具有良好深冲压性能的低碳钢板表面镀覆锡、锌、铝、铬等金属保护层或涂覆有机涂层、塑料等非金属保护层的制品。镀锡钢板——表面镀有纯锡层的低碳钢板，俗称马口铁。表面金属光泽强，具有良好的耐腐蚀性、焊接性，深冲压时有润滑性，并能进行彩色印刷。上一页下一页第六章金属材料及加工工艺6.3常用的金属材料有机涂层钢板——在冷轧钢板、镀锌钢板或镀铝钢板表面涂覆有机涂料或薄膜，既有钢板的强度，又有良好的耐腐蚀性、耐久性和耐擦洗性。不锈钢板——不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐溶液或其他腐蚀介质中具有高耐蚀性的合金钢的总称。⑶钢管中空的棒状钢材，截面多为圆形，也有方形、矩形和异型。⑷钢丝用不同质量的热轧盘条冷拔拉制而成的现状钢材。上一页返回第六章金属材料及加工工艺6.3常用的金属材料6.3.2有色金属材料1.铝及铝合金铝及铝合金是工业用量最大的有色金属。铝的导电、导热性优良，仅次于铜，有很高的塑性，在大气中有良好的抗氧性，但氯离子和碱离子能破坏铝的氧化膜，不耐酸、碱、盐的腐蚀。铝合金是以铝为基加入其他合金元素而组成的合金。质轻、强度高，比强度值接近或超过钢，具有优良的导电、导热性和抗蚀性，易加工，耐冲压，并且可阳极氧化成各种颜色。⑴铝合金的分类下一页返回第六章金属材料及加工工艺6.3常用的金属材料变形铝合金又称可压力加工铝合金，塑性良好。铸造铝合金有良好的铸造性能和一定的力学性能，塑性差，不能进行塑性加工。⑵常见铝合金品种①铝合金型材②铝合金装饰板③铝箔：铝箔广泛用于各种商品的包装。铝箔的主要包装性能是防潮性、保香性、遮光性和反射性。④铝塑复合膜⑤真空镀铝膜上一页下一页第六章金属材料及加工工艺6.3常用的金属材料2.铜及铜合金铜及铜合金是历史上应用最早的有色金属。纯铜具有玫瑰色，表面氧化后呈紫色，故又称紫铜。纯铜质地柔软有极好的延展性，具有良好的加工性和焊接性，易冷、热加工成形。化学稳定性高，在大气、淡水中均有优良的抗蚀性，在非氧化性酸溶液中也能耐蚀，但在海水和氧化性酸中易被腐蚀。导电、导热性极好，仅次于银。抗磁性强。铜合金是以铜为基加入一定量的其他合金元素（锌、锡、铝、硅、镍等）而组成的合金。⑴黄铜（Cu-Zn合金）上一页下一页第六章金属材料及加工工艺6.3常用的金属材料以锌为主要合金元素的铜合金。色泽美观，导电导热性强，耐腐蚀性能、机械性能和工艺性能良好。⑵青铜除黄铜、白铜以外的其他铜基合金统称为青铜。普通青铜是以锡为主要合金元素，又称锡青铜。色泽呈青灰色，有很强的抗腐蚀性。根据成分中锡的含量，锡青铜又分为加工锡青铜和铸造锡青铜。加工锡青铜有良好的力学性能和工艺性能，耐磨。铸造锡青铜质地较为坚硬，铸造性好。上一页下一页第六章金属材料及加工工艺6.3常用的金属材料⑶白铜（Cu-Ni合金）以镍为主要合金元素的铜合金，色泽呈白色，质地较软，耐腐蚀性好。工业上白铜分为结构白铜和电工白铜。结构白铜机械性能好，易进行冷、热加工和焊接。上一页返回第六章金属材料及加工工艺6.3常用的金属材料6.3.3其他合金金属1.钛及钛合金纯钛有优良的耐蚀性和耐热性，抗氧化能力强，稳定性好，有一定的机械强度，比强度值高，塑性好，易成形加工。钛合金是以钛为基加入适量的铬、锰、铁、铝、锡等元素而形成的多元合金。2.锡和锡合金13.2℃以下为α锡，又称灰锡；13.2℃至熔点为β锡，又称白锡。锡的强度和硬度低，延展性好，易加工。锡合金熔点低，导热性好，耐蚀性和减磨性优良，易与铜、铜合金、铝合金焊接。返回第六章金属材料及加工工艺6.4金属材料在设计中的应用设计实例⑴金属椅（图6-10）⑵皱褶花瓶（图6-11）⑶”钦奇塔”茶几（图6-12）返回返回返回返回