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金属材料及其加工技术第三章•第一节常用金属材料及其特性•第二节金属材料成型与工艺性•第三节金属表面处理与装饰技术第一节常用金属材料及其特性•2.1.1金属材料的特性及分类•2.1.2钢铁材料•2.1.3有色金属及其合金•2.1.4造型设计中金属材料的选用2.1.1金属材料的特性及分类•金属的微观特性–结合键：晶体的结合力。固体状态下，原子（离子或分子）聚为晶体，原子之间产生较强的相互作用力–金属晶体中，价电子弥散在整个体积内，所有金属离子皆处于相同的环境之中–结合键没有饱和性、方向性和选择性2.1.1金属材料的特性及分类•金属的宏观特性–①良好的导电性和导热性；–②正的电阻温度系数；且绝大多数金属具有超导性；–③良好的反射能力、不透明性及金属光泽；–④良好的塑性变形能力（延展性）•反映出金属的本质：–有特殊光泽–优良的导电性和导热性–是良好的塑性变形固体物质2.1.1金属材料的特性及分类•金属材料的性能–①使用性能使用过程中表现出来的性能•机械(力学)性能：强度、塑性、弹性、刚度等•物理性能：导热性、导电性、热膨胀性、磁性等•化学性能：抗蚀性、抗氧化等–②工艺性能制造和加工过程中表现出来的性能•如铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等2.1.1金属材料的特性及分类•常用金属材料的分类第一节常用金属材料及其特性•2.1.1金属材料的特性及分类•2.1.2钢铁材料•2.1.3有色金属及其合金•2.1.4造型设计中金属材料的选用2.1.2钢铁材料•钢铁材料可分为三大类：–纯铁(c=0.02%)•塑性好、强度低，主要用于制造磁铁–钢(0.02%=c2.11%)–铸铁(c=2.11%)2.1.2钢铁材料钢(0.02%=c2.11%)碳钢按含碳量：低碳钢、中碳钢、钢碳钢按品质：普通碳素钢、优质碳素钢按用途：碳素结构钢、碳素工具钢合金钢合金结构钢：合金弹簧钢、合金轴承钢等合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢特殊用途钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢铸铁(0.02%=c2.11%)按碳存在的不同形式灰口铸铁：碳以石墨形式存在，断口呈灰色白口铸铁：碳以渗碳体形式存在，断口白色麻口铸铁：按用途：碳素结构钢、碳素工具钢按石墨的形态：灰口铸铁：钢基+片状石墨，强度、塑性、韧性不如钢，减震性好、缺口敏感性低，适于制各种承受压力和要求消震的床身、机架、箱体、缸体、壳体可锻铸铁：铸态白口铸铁热处理成，高强度、塑性、冲击韧性，制汽车后桥外壳、管接头、低压阀门球墨铸铁：铁水+球化剂，铸造性优良，取代了可锻铸铁，制造受力复杂、负荷大、耐磨的铸件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、蜗轮蜗杆、活塞、工作缸等第一节常用金属材料及其特性•2.1.1金属材料的特性及分类•2.1.2钢铁材料•2.1.3有色金属及其合金•2.1.4造型设计中金属材料的选用2.1.3有色金属及其合金铝及铝合金铜及铜合金铝及铝合金•纯铝：纯度98%~99.996%，密度小、导电、导热性优良；主要用于科研及制造电容器•铝合金：纯铝强度低，加入合金以提高强度–变形铝合金•1.防锈铝合金：含锰、镁等，不可热处理强化，耐蚀性好，用于制造高耐蚀性薄板容器•2.硬铝：含铜、镁等，强度、硬度高（与高强钢相近），塑性低、韧性差，用于制造飞机大梁、螺旋桨、铆钉等•3.超硬铝合金：含锌、铜等，强度接近超高强度钢•4.锻铝：含镁、硅、铜等，热塑性、耐蚀性好，适于锻造，用于航空等形状复杂、要求强度较高的锻件–铸造铝合金：要求有良好的铸造性能，分为铝硅、铝铜、铝镁、铝锌四系。铜及铜合金•1.纯铜（紫铜）：纯度99.5%~99.95%,极好的塑性,抗蚀、导电、导热性、抗磁性极好，用于电工导体和防磁器械•2.黄铜：含锌50%–普通黄铜：含锌32%,极好的变形能力，用于弹壳等；含锌32%：热加工黄铜(含锌40%),强度较高，含铜量少，价格低、用于制作电器上的导电、耐蚀及有一定强度的结构件–特殊黄铜：加入锡、铅、铝等元素•3.青铜–锡青铜：一般含锡3%~14%,强度、塑性增加–特殊青铜：指不含锡的青铜，如铝青铜、铍青铜等，比锡青铜具有更高的力学性能、耐磨性与耐蚀性。（1）镁及镁合金镁是一种对于产品设计非常重要的金属，因为它是日常应用中最轻的结构金属。镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金，广泛用于携带式的器械和汽车行业中，达到轻量化的目的。其它有色金属及合金3.1金属材料（2）锌及锌合金锌具有中等强度和延展性。因为具有极好的抗腐蚀性，锌被应用与钢铁的涂层，被称为镀锌钢。锌合金是以锌为基加入其他元素组成的合金。锌合金熔点低，流动性好，易熔焊，钎焊和塑性加工，在大气中耐腐蚀，残废料便于回收和重熔。其它有色金属及合金（3）钛及钛合金钛的资源丰富，在地球中的储藏量位于铝、铁、镁三类常用金属之后居第四位。钛的突出优点是比强度高、耐热性好、抗蚀性能优异。钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛合金具有强度高，抗蚀性好，低温性能好，导热系数小等优良性能，是航空、船舶、化工等工业中常用的一种材料。其它有色金属及合金返回第一节常用金属材料及其特性•2.1.1金属材料的特性及分类•2.1.2钢铁材料•2.1.3有色金属及其合金•2.1.4造型设计中金属材料的选用2.1.4造型设计中金属材料的选用•金属材料设计是造型设计的重要组成部分，它包括：–材料的选用–材料加工工艺的制定•造型设计中，金属材料的选用是一个复杂的决策问题，它需要：–首先要掌握金属材料理论及其应用知识–明确目标及限制条件–进行必要的试验和选材方案对比如何进行金属材料的选材？•先掌握几个基本的选材原则造型设计中金属的选材原则•根据使用性能选材–变形失效：弹性变形和塑性变形影响形状、尺寸精度•重要螺栓、弹簧、精密丝杠等，应选高弹性模量材料–断裂失效：•塑性断裂：明显塑性变形后断裂，应选高强度材料•低应力脆性断裂：无宏观塑性变形下断裂，如高强度的锤杆，应选强韧性材料•疲劳断裂：交变应力作用下的裂纹形成、扩展造成断裂，如齿轮，应表面强化处理–表面损伤失效：磨损、腐蚀、表面疲劳•选材的经济性原则：材料价格、加工费用等•其他因素：环保、市场等根据工艺性能选材•铸造性能–金属构件承载不大，受力简单而结构复杂，尤其是具有复杂内腔结构–铸造性能：铸造铝合金和铜合金灰口铸铁铸铁铸钢•锻造性能–承载较大、受力复杂的构件–热锻性：低碳钢中碳钢高碳钢•焊接性能–体积较大，要求气密性好，能承受一定压力，如输气管道、蒸汽锅炉等–钢材最适合焊接，含碳和合金元素越多，焊接性能越差；铝合金、铜合金焊接性较差，灰口铸铁基本不能焊接第二节金属材料成型与工艺性•2.2.1铸造加工及其工艺性•2.2.2压力加工及其工艺性•2.2.3焊接技术及其工艺性•2.2.4切削加工（机械加工）及其工艺性•2.2.5特种加工及其工艺性后母辛方鼎家用缝纫机机架2.2.1铸造加工及其工艺性•铸造——将熔融的金属液体浇注到与零件形状相对应的铸造模型腔中，待冷却后得到实体毛坯或零件的工艺过程•铸造加工的特点：–适应性强：不受零件体积、重量大小、形状、结构复杂程度的限制，不受合金种类限制–成本低廉：原材料消耗及切削加工费低、动力消耗少、接近成品零件–铸造组织存在一定缺陷：缩孔、疏松、气孔、沙眼等导致力学性能不如锻件；–工艺过程较难控制：废品率较高，工人劳动强度大等2.2.1铸造加工及其工艺性•铸件性能：•合金性能•铸型性能•工艺控制•铸造方法分类–砂型铸造：用型砂做铸型的铸造方法，使用率90%–特种铸造：砂型铸造以外的其他铸造方法，包括熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造等铸造方法分类•凝固方式：•重力场凝固•非重力场凝固»压力铸造»离心铸造»挤压铸造»电磁场•快速凝固2.2.1铸造加工及其工艺性•无论哪种铸造，其工艺过程中的基本内容和成型原理都是相同的，只是过程的方法依不同铸造而有所不同。•各种铸造的基本过程：砂型铸造造型制芯——金属液态砂型成形最基本的工序，通常分为：手工造型：机器造型：利用简单的器械进行砂型（芯）的制作利用造型机和制芯机进行砂型（芯）的制作砂型成形方法手工造型的特点：操作方便灵活，适应性强生产率低劳动强度大铸件质量不易保证适用于单件小批量生产砂型成形方法机器造型的特点：生产效率高劳动条件好劳动强度低铸件的表面质量好、尺寸精度高适用于成批大量生产•砂型铸造砂型铸件的结构设计应注意：•力求外形简单，轮廓平直，只需一个分型面•力求铸件的内腔铸造时，型芯数目最少，方便装配、清理、排气•起模方向应设计结构斜度•铸件应有合理的壁厚•力求铸件壁厚均匀，防止局部积聚变形，造成裂纹、缩孔、缩松等缺陷•尽量避免铸件中有过大的水平面，防止由于横截面突然增大，导致金属液面上升缓慢，致使型腔顶部受到长时间烘烤，造成夹砂缺陷、产生气孔等；将平面改为倾斜面•金属型铸造金属型铸造特点•可以“一型多铸”•铸件的力学性能提高–因为金属型铸件的冷却速度较快、组织比较致密•铸件精度较高，可以少加工或不加工•但是，成本高、周期长；铸造透气性差、无退让性，易产生冷隔、浇不足、裂纹等缺陷；铸件熔点不宜太高，重量也不宜太大•主要用于：大批量的有色金属铸件，如内燃机的铝活塞、气缸体、缸盖、油泵壳体等熔模铸造（失蜡铸造）•在蜡模表面包以造型材料，待其硬化，将其中的蜡模熔去，从而获得无分型面的铸型的铸造方法•蜡模制造→结壳→脱蜡→造型→焙烧→浇铸→落砂清理–蜡模制造：包括压型制造、蜡模压制和蜡模组装三步–结壳：在腊模上涂挂耐火材料，制成一定强度的耐火型硬壳–脱腊：将附有型壳的蜡模组浸泡于85-95℃的热水中，蜡料熔化–造型：加固型壳，防止浇注时变形或破裂，将脱蜡后的型壳置于铁箱之中，周围用粗砂填充–焙烧：为进一步去掉水分、残余蜡料及杂质，浇注前必须将型壳送入热炉内加热800-1000℃进行焙烧，可增强强度，型腔更干净–浇铸：焙烧出炉后趁热（600-700℃）进行浇注，可提高合金充型能力，防止浇不足，冷隔等缺陷。–落砂清理：冷却后将型壳破坏取出铸件，去掉浇口毛刺等。•熔模铸造（失蜡铸造）钢水浇注方向熔模铸造（失蜡铸造）的特点•铸件的精度高且表面光洁•适用于各种铸造合金铸件，尤其是高熔点及难切削的合金的铸造•熔模铸件的形状可以比较复杂，最小孔径0.5mm，壁厚0.3mm•铸件的重量不宜太大，一般=25kg,最大80kg左右•工艺过程复杂，不易控制，使用和消耗的材料较贵，适用于形状复杂、精度较高或难以机加工的小型零件，如发动机叶片和叶轮等压力铸造•在高压下(比压约为500一1500N／cm2)快速地(充型时间约为0.001～0.2s)将液态或半液态合金压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的方法。•工作流程：–注入金属：先闭合铸型，用手工将定量勺内金属液通过压室上的注液孔向压室内注入．–压铸：压射冲头向前推进，金属液被压入铸型中。–取出铸件：铸件凝固后，抽芯机构将型腔两侧型芯同时抽出，铸型开型，铸件借助冲头的前伸动作离开压室，在继续开型中，顶杆顶出铸件。•优点：铸件表面质量高，可铸出复杂形状薄壁件或镶嵌件，生产率高。主要适合于有色金属合金，如锌合金、铝合金、镁合金。压力铸造•低压铸造：介于重力铸造和压力铸造之间的一种方法，所用压力为2-7N/cm2。主要用于生产质量高的铝镁合金铸件•离心铸造：将液态合金浇入高速旋转（250-1500r/min）的铸型中，使金属液在离心力作用下充填铸型并结晶。主要用于生产圆筒形铸件。材料的可铸性铸造质量的好坏主要决定于合金的充型能力，影响合金充型能力的主要因素是合金的流动性、浇注条件和铸型的结构。材料的可铸性决定某材料是否可铸造成型，应考虑材料的波动性，收缩性和偏析性，是否合乎要求．•流动性：指材料熔融后易于流动，不粘滞的性能。流动性好的材料易于充满砂型，能铸成较薄、较细，形状复杂的铸件•收缩性：指材料经冷却后，体积收缩程度的大小，收缩性小的材料拎却后体积变化小，不易出现疏松、变形、裂纹等缺陷，灰口铸铁最好•偏析性：材料冷