材料成型基本原理课件_3
材料成型原理与工艺
04
材料成求极高，需要具备轻质、高强度、 耐高温等特性。材料成型原理与工艺的发展为航空航天领域 提供了更多的选择，如钛合金、复合材料等。
这些新型材料的应用有助于减轻飞机和航天器的重量，提高 其性能和安全性。
汽车工业领域的应用
随着环保意识的提高和新能源汽车的 兴起，汽车工业对轻量化材料的需求 越来越大。
件。
锻造工艺
01
02
03
04
自由锻造
利用自由锻锤或压力机对坯料 进行锻打，形成所需形状和尺
寸的锻件。
模锻
利用模具对坯料进行锻打，使 坯料在模具中形成所需形状和
尺寸的锻件。
热锻
将坯料加热至高温后进行锻打 ，使材料易于塑性变形。
冷锻
在常温下对坯料进行锻打，适 用于塑性较差的材料。
焊接工艺
熔化焊
压力焊
材料成型原理与工艺的发展使得汽车 零部件的制造更加高效、精确，如铝 合金、镁合金等轻质材料的广泛应用 ，有助于降低汽车能耗和排放。
能源领域的应用
能源领域如核能、太阳能等需要大量的特殊材料，如耐高 温、耐腐蚀的材料。
材料成型原理与工艺的进步为能源领域提供了可靠的材料 解决方案，如高温合金、耐腐蚀涂层等，有助于提高能源 利用效率和安全性。
材料成型原理与工艺
• 材料成型原理概述 • 材料成型工艺介绍 • 材料成型原理与工艺的发展趋势 • 材料成型原理与工艺的应用前景
01
材料成型原理概述
材料成型的基本概念
材料成型是通过物理或化学手 段改变材料的形状，以达到所 需的结构和性能的过程。
材料成型涉及多种工艺和技术， 如铸造、锻造、焊接、注塑等。
泡沫金属
通过在金属基体中引入孔洞，制备 出具有轻质、高比强度的泡沫金属 材料。
材料成型PPT课件
3、铸型填充条件
• （1）铸型导热能力 铸型材料导热系数和比容↑，对合金的激冷
作用越强，合金的充型能力↓。 • （2）铸型温度
铸型温度↑，充型能力↑。 • （3）铸型的阻力
阻力↑，则充型能力↓。 （型腔越狭窄、复杂，铸型材料发气量大）
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二、合金的收缩性
1、合金收缩的概念
• 定义：合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程 中
变量与深度。 柔性最好，不受复杂程度的限制。
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第一篇 金属的铸造成形工艺
第一章 铸造成形工艺理论基础
12
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§1.1 铸造成形工艺的特点和分类
• 定义：将液态金属浇入到具有与零件形状、尺寸 相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，以获得 毛坯、或零件的工艺方法，称为“铸造”。 铸件：通过铸造成形得到的毛坯、零件。
4
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板料成形
Sheet-Metal Forming Processes
1 应用背景
5
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焊接 Welding
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铸造
Casting
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非金属材料成形
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锻造 Forging
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3、发展趋势：
（1）精密的材料成形
近无余量成形。
精铸、精密压力加工、精密焊接与切割等。
• 铸件结构复杂↑ ，铸型硬度↑ ，芯骨粗大↑ ，则收
缩阻力↑ ，收缩率↓
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3、铸件中的缩孔与缩松 （1）缩孔与缩松的形成 液态收缩和凝固收缩、容积得不到补足。 ①缩孔的形成
液态金属充满铸型铸件外壳液面下降最后凝固部位
金属塑性成形课件
2023-11-06•金属塑性成形概述•金属塑性成形工艺•金属塑性成形设备•金属塑性成形技术的发展趋势•金属塑性成形过程中的缺陷与质量控制目•金属塑性成形实例分析录01金属塑性成形概述金属塑性成形是一种使金属材料发生塑性变形，以获得所需形状、尺寸和性能的加工方法。
金属塑性成形广泛应用于机械制造、航空航天、汽车、电子等领域，是一种重要的材料加工技术。
金属塑性成形的定义金属塑性成形可以制造出复杂形状的零件，并且能够获得较高的精度和表面质量。
与切削加工相比，金属塑性成形具有更高的材料利用率和更低的能耗。
金属塑性成形过程中材料的变形是均匀的，因此可以避免应力集中和裂纹等缺陷。
金属塑性成形的特点03金属塑性成形的基本原理包括应力状态、屈服准则、塑性流动规律等。
金属塑性成形的基本原理01金属塑性成形的原理是基于金属的塑性变形规律，即在外力作用下，金属材料会发生形状和尺寸的变化。
02在金属塑性成形过程中，材料的变形受到应力状态、变形温度、变形速度等因素的影响。
02金属塑性成形工艺自由锻工艺自由锻是利用冲击力或静压力使金属坯料变形，并施加外力将其锻造成所需形状和尺寸的锻造方法。
定义特点流程应用自由锻具有较大的灵活性，可以生产形状各异的锻件，但生产效率较低，适用于单件或小批量生产。
自由锻的流程包括坯料准备、加热、变形和锻后冷却。
自由锻主要用于大型锻件和难变形材料的加工，如轴、轮毂、法兰等。
模锻工艺模锻是利用模具使金属坯料变形，并施加外力将其锻造成所需形状和尺寸的锻造方法。
定义模锻具有较高的生产效率，且能获得较为精确的形状和尺寸，但模具制造成本较高。
特点模锻的流程包括坯料准备、加热、放入模具、变形、锻后冷却和修整。
流程模锻广泛应用于中小型锻件的生产，如齿轮、轴套、法兰等。
应用板料冲压工艺板料冲压是利用冲压机将金属板料变形，并施加外力将其冲制成所需形状和尺寸的加工方法。
定义板料冲压具有较高的生产效率，且能获得较为精确的形状和尺寸，但模具对材料的厚度和硬度有一定要求。
材料成型原理
材料成型原理1.焊接方法分为：熔焊、压焊、钎焊2.焊接接头的形成过程包括：焊接热过程、焊接化学冶金过程、焊接物理冶金过程3.焊接热循环：在焊接中，焊件上某点温度由低到高，达到最大值后，又由高到低的过程4.焊接温度场：焊件上各点在瞬时的温度分布称为“温度场”，也称为焊接温度场5.HAZ:在焊接进行过程中，焊缝周围未熔化的母材在加热和冷却过程中，发生了显微组织和力学性能变化的区域称为“热影响区”，简称HAZ6.熔焊的焊接接头由：焊缝、热影响区、母材，此外，焊缝与热影响区之间有一层过滤区称为：熔合区7.低碳钢HAZ组织性能的分布：①熔合区（成分与组织不均匀分布，过热严重，塑形差，是焊接接头的薄弱环节）②过热区（晶粒严重长大，又称“粗晶区”，晶粒粗化使塑形、韧性下降，慢冷时还会出现魏氏足知，薄弱环节）③相变重结晶区（奥氏体晶粒细小，空冷后得到细小而均匀的珠光体和铁素体，相当于热处理的正火组织，塑形和韧性很好）④不完全重结晶区（晶粒大小、组织分布不均匀，虽然受热不严重，但性能不如相变重结晶区）8.焊缝中气孔分为：⑴析出型气孔因气体在液、固态金属中的溶解度差造成过饱和状态的气体析出所形成的气孔，包括①氢气孔②氮气孔；⑵反应型气孔熔池中由于冶金反应产生不溶于液态金属的CO、H2O而生成的气孔，包括：①CO气孔②H2O气孔9.焊缝气孔的消除方法：⑴消除气体来源⑵正确选用焊接材料⑶控制焊接工艺条件10.熔焊的定义：通过局部加热使连接处达到熔化状态，然后冷却结晶形成共同晶粒11.易淬火钢与不易淬火钢热影响区组织分布：⒈不易淬火钢焊接热影响区组织分布：⑴熔合区：最高温度处于固相线与液相线之间，晶界与晶内局部熔化，成分与组织不均匀分布，过热严重，塑性差⑵过热区：峰值温度：固相线以下到晶粒开始急剧长大的温度，一般为1100°C，韧性很低，常产生脆化或裂纹⑶相变重结晶区：峰值温度：在Ac3以上到晶粒开始急剧长大的温度范围内⑷不完全重结晶区：峰值温度：处于Ac1～Ac3之间，组织不均匀，力学性能也不均匀⒉易淬火钢焊接热影响区组织：⑴完全淬火区：该区的加热温度处于固相线到Ac3之间，相当于低碳钢的过热区和正火区，得到淬火M，有时可出现B ⑵ 不完全淬火区：该区的加热温度在Ac1～Ac3之间，相当于不完全重结晶区，形成M-F组织、[C]、合金含量不高或冷速较小时可能出现S和P ⑶ 回火区（Ac1>Tm>悍前调质回火温度）强度下降，塑形、韧性上升，回火软化12.化学冶金与炼钢的区别：在熔焊条件下，焊接冶金过程是优质金属的局部超高温快速熔化，和随后伴随的凝固，化学成分上，与母材有相当明显的差别（1）原材料不同：普通冶金材料的原材料主要是矿石、废钢铁和焦炭等；而焊接化学冶金的原材料主要是焊条、焊丝和焊剂等。
金属材料成型基础PPT课件
切削加工方 法
机械零件 结构工艺性
机械加工 工艺过程
车削加工；钻、扩、铰、镗削加工； 刨、拉削加工；铣削加工；磨削加 工；特种加工方法；零件加工表面 方法的选择 。
零件结构设计的基本原则、切削加 工对零件结构工艺性的要求。
机械加工工艺过程的基本概念、工 件的安装与夹具的基本知识；机械 加工工艺规程的制定，典型零件工 艺过程。
课程教学 改革思路
结合地方工科高校培养应用型高级 专门人才目标和社会需求，紧紧抓 住课程内容广、实践性强、授课学 生多的课程特征，以拓宽基础知识、 优化教学内容为核心，以教学方法、 教学手段改革为抓手，“产学研” 合作强化学生工程实践和创新精神 培养，构建完备的课程教学体系， 形成覆盖面广、灵活的教学模式， 积极开展教育教学改革与实践，全 面提高课程教学质量。
初期建设阶段（1959～1977年） 恢复建设阶段（1978～1988年） 稳定发展阶段（1989～1999年） 高速发展阶段（2000年至今）
2.课程建设
教学内容
金属冷、热加工方法 金属冷、热加工方法+工程材料 金属冷、热加工方法+工程材料 +金属成形的新技术、新工艺
教学手段
黑板+粉笔+挂图 黑板+粉笔+幻灯片 黑板+粉笔+多媒体 多媒体+网络课堂
建造了内容丰富、形象生动的课 程陈列室。
以省级实验教学示范中心、工程 训练中心为基础搭建了学生工程 实践平台，强化学生基础工程实 践能力培养
以省部级重点实验室为依托，与 大型企业、科研院所密切合作建 立学生创新基地，搭建学生创新 实践平台，以课外科技制作竞赛 为途径进行创新精神培养。
四、教学设计
材料成形理论基础
yx y
xy
O
x xz
p x l x m yx n zx
p y l xy m y n zy
yz
px A x
zy
zx z
pz l xz m yz n z
斜面上的应力
全应力
2 2 2 p2 px py pz
斜面上的正应力 为全应力p在法线N方向的投影， 它等于 px、py、pz 在N方向上的投影之和，即
假设材料是连续的，即在材料内不存在任何缺 陷； 假设材料各质点的组织、化学成分相同； 假设材料在各方向上的物理性能和力学性能相 同；
金属塑性成形基本假设
体积力为零
成形过程中的外力可分为两类：表面力和体积 力； 表面力：集中力、分布载荷； 体积力是作用在物体质点上的力，与物体的质 量成正比，例如重力、磁力和惯性力等等； 对于塑性成形来说，除了高速锤锻造、爆炸成 形等少数情况，体积力相对于表面力很小，可 以忽略不计；
应力定义
应力状态表示 应力状态一般用单元体表示
单元体：材料内部的质点，是包围质点的无限
小的几何体，常用的是正六面体 单元体的性质
y
y
yx
xy
x
x
任一面上，应力均布
平行面上，应力相等
z
z
应力定义
在直角坐标系中，假设有一承受任意力系的变 形体，过变形体内任意一点切取一个其棱边分 别平行于三个坐标轴的微小六面体作为单元体。 在单元体的互相垂直的微分面上的全应力都可 以按坐标轴方向分解成一 个正应力和二个剪应 力分量，这样，在三个互相垂直的微分面上就 有三个正应力分量和六个剪应力分量，这九个 应力分量可以完整地描述一点的应力状态。
材料成形原理
材料成形原理
材料成形原理是指在材料加工过程中，通过施加外力和热力，使材料发生形状、尺寸和性能的变化，从而得到所需的工件或半成品的过程。
材料成形原理是材料加工工程中的重要基础理论，对于提高产品质量、降低生产成本、提高生产效率具有重要意义。
材料成形原理的基本原理是利用外力使材料发生塑性变形，从而获得所需形状
和尺寸的工件。
材料成形的基本方式包括压力成形、拉伸成形、弯曲成形、剪切成形等。
在这些成形过程中，材料会受到各种不同的力的作用，从而发生塑性变形，最终得到所需的工件。
在材料成形过程中，材料的塑性变形是通过应力和应变的作用来实现的。
应力
是单位面积上的力，而应变是材料单位长度上的变形量。
在材料成形过程中，通过施加外力，使材料受到应力作用，从而产生应变，最终实现材料的塑性变形。
材料成形原理的实现需要考虑材料的性能和成形工艺的匹配性。
材料的性能包
括硬度、韧性、塑性等，而成形工艺包括成形温度、成形速度、成形压力等。
只有在材料性能和成形工艺相互匹配的情况下，才能实现材料的有效成形。
材料成形原理在实际应用中具有广泛的意义。
在金属加工领域，通过材料成形
原理可以实现金属的锻造、冲压、拉伸等加工工艺，从而获得各种不同形状和尺寸的金属工件。
在塑料加工领域，材料成形原理可以实现塑料的注塑、挤压、吹塑等加工工艺，从而获得各种不同形状和尺寸的塑料制品。
总之，材料成形原理是材料加工工程中的重要理论基础，对于实现材料的有效
成形具有重要意义。
通过对材料成形原理的深入理解和研究，可以不断提高材料加工工艺的水平，实现产品质量的提高和生产效率的提升。
材料成形原理 华科 第五章_铸件凝固组织的形成及控制PPT课件
Ti:0.15; Zr:0.2； 复合:Ti0.01 B或C0.05; ≥0.02
加入方法
铁合金
铁合金
Al-Ti, Al-Zr,Al-Ti-B, Al-Ti-C中间合金 Al-P，Cu-P，Fe-P 中间合金
0.02~0.04
纯金属或中间合金 碳化物粉末
表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况
激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
在浇注的过程中及 凝固的初期激冷,等 轴晶自型壁脱落与 游离促使等轴晶形 成, 浇注温度低可 以使柱状晶区变窄 而扩大等轴晶区 。
图5-5 型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离 a) 晶体密度比熔体小的情况; b) 晶体密度比熔体大的情况
溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈”，具有 “脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固 壳, 另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断 “脖颈”，使晶体脱落并游离出去。
对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多 的甚至是全部细小的等轴晶组织；
对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止 晶界降低蠕变抗力。
2、铸件宏观组织的控制途径和措施
•等轴晶组织的获得和细化
强化非均匀形核 促进晶粒游离 抑制柱状晶区
（1）加入强生核剂——孕育处理
孕育——向液态金属中添加少量物质以达到增加晶核数、细 化晶粒、改善组织之目的的一种方法。Inoculation
一、合理地控制浇注工艺和冷却条件 二、孕育处理 三、动力学细化
合理的浇注工艺 冷却条件的控制
浇注温度 浇注方式
合理的浇注工艺
合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得 及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇 注温度将降低液态金属的流动性，导致 浇不足和冷隔等缺陷的产生。
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k 2
2 1 r r
p
2 r
2kVsTm 2Vs Tm V T p s m H m H m r H m
上式表明： 当固相表面曲率k >0，会引起实际凝固温度降低，这种现象称之为
“曲率过冷”。固液界面的曲率越大（晶粒半径r越小），实际凝固温度 越低。 当固液界面为平直界面时，曲率过冷度为零。 另外，当系统的外界压力升高时，物质熔点必然随着升高。但压力 改变所引起熔点温度的改变很小，约为10-2 oC/大气压。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
第一节 凝固热力学
第二节 均质形核 第三节 非均质形核
第四节 晶体长大
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
第一节
凝固热力学
一、 液-固相变驱动力 二、 曲率、压力对物质熔点的影响
三、 溶质平衡分配系数（K0）
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
产中均质形核是不太可能的，如对经过区域精炼的钢铁来说，每1cm3 的 液相中也有约106个边长为103个原子的氧化物、氮化物、碳化物等高熔点 微小杂质颗粒）。
非均质形核：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生
核过程，亦称“异质形核”或“非自发形核”。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
r＜ r*时，r↑→ΔG↑ r = r*处时，ΔG达到最大值ΔG*
r ＞r*时，r↑→ΔG↓
液相中形成球形晶胚时自由能变化
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
令：
G / r 0
得临界晶核半径 r*：
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三、溶质平衡分配系数（K0）
* K0定义为恒温T*下固相合金成分浓度Cs 与液相 T
合金成分浓度C*L 达到平衡时的比值。
C K0 C
K0 的物理意义：
S L
K 0＜ 1
T
*
C 0K 0
C
* S
C
* L
C 0 /K 0
对于K0＜1， K0 越小，固相线、液相线张开程
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
二.
曲率、压力对物质熔点的影响
G ΔG
由固相曲率引起 的自由能升高。
由于表面张力σ的存在，固相曲率k引起固 相内部压力增高，这产生附加自由能：
G1 VS p VS
1 r1
r1 2VS k 2
GS
ΔTr
＞
L
G T P
S
即：液相自由能G随温度上升而下降的斜率大于固相G的斜率。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
G = H- ST，所以：ΔGV =GS-GL =（HS- SST ）-（HL- SLT ） =（HS- HL ）-T（SS- SL ）
即
ΔGV = ΔH - TΔS
G S , T P
G V P T
等压时，dP=0，
由于熵恒为正值 → 物质自由能G随温度上升而下降 又因为SL＞SS，所以：
G T P
G dG SdT dT T P
△G2
欲保持固相稳定，必须有一相应过冷度ΔTr （曲率过冷度）使自由能降低与之抵消。
G2
H m Tr
Tm
GL
T
Tr
Tm
温度
H m Tr 即G1 G2 2Vsk 0 Tm
2kVsTm H m
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对球形颗粒
一、形核功及临界半径 二、形核率
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一、形核功及临界半径
晶核形成时，系统自由能变化由两部分组成， 即作为相变驱动力的液-固体积自由能之差 （负）和阻碍相变的液-固界面能（正）：
G V
对于球形晶核
GV A SL VS
4 3 GV G r 4r 2 SL 3 VS
度越大，固相成分开始结晶时与终了结晶时差
别越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。因 此，常将∣1- K0∣称为“偏析系数”。
C0
C， %
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第二节
均质形核
均质形核 ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从
液相自身发生形核的过程，所以也称“自发形核” （实际生
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
凝固是物质由液相转变为固相的过程，是液态成形技术的核
心问题，也是材料研究和新材料开发领域共同关注的问题。 严格地说，凝固包括：
（1）由液体向晶态固体转变（结晶）
（2）由液体向非晶态固体转变（玻璃化转变） 常用工业合金或金属的凝固过程一般只涉及前者，本章主 要讨论结晶过程的形核及晶体生长热力学与动力学。
一、 液-固相变驱动力
从热力学推导系统由液体向固体转变的相变驱动力ΔG 由于液相自由能G 随温度上升而下降的斜率大于固相G的斜率 当 T ＜ Tm 时，
有：ΔGV = Gs － GL＜ 0 即：固-液体积自由能之差为相变驱动力 进一步推导可得：
GV
H m T Tm
Tm 及ΔHm 对一特定金属或合金为定值，所以过冷度ΔT 是影响相变驱
动力的决定因素。过冷度ΔT 越大，凝固相变驱动力ΔGV 越大。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
由麦克斯韦尔热力学关系式： dG SdT VdP 根据数学上的全微分关系得： 比较两式可知：
G G dP dG dT T P P T
当系统 的温度 T 与平衡凝固点 Tm 相差不大时， ΔH ≈-ΔHm（此处，ΔH 指凝固潜热，ΔHm 为熔化潜热） 相应地，ΔS ≈ -ΔSm = -ΔHm / Tm，代入上式得：
GV H m T H m T H T ) H m T Tm Tm