材料与成形技术_6剖析
材料成型技术解析
第一章 金属材料与热处理1、常用的力学性能有哪些？各性能的常用指标是什么？答：刚度：弹性模量E 强度：屈服强度（屈服极限）和抗拉强度（强度极限）塑性：断后伸长率δ和断面收缩率ψ 硬度：布氏硬度（HB ）、洛氏硬度(HRA 、HRB 、HRC 、HRD)、维氏硬度(HV) 冲击韧性：摆锤式冲击试验，冲击韧性值2k k A J/cm F α=（） 疲劳强度：疲劳强度（疲劳极限）1σ- 2、0.2σ的意义是什么？能在拉伸图上画出0.2σ吗？答：工程上规定以生产0.2%残留伸长的应力作为屈服强度，又称条件屈服强度，以σ0.2表示。
金属材料中只有低碳钢等少数金属有屈服现象，大多数金属材料拉伸时没有明显的屈服现象有些材料的拉伸曲线上没有明显的屈服点s σ，难于确定开始塑性变形的最低应力值，因此，测定式样产生0.2%残余应变时的应力值为该材料的条件屈服强度。
4、金属结晶过程中采用哪些措施可以使其晶粒细化？为什么？答：过冷细化：采用提高金属的冷却速度，增大过冷度T ∆细化晶粒。
变质处理：在生产中有意向液态金属中加入多种难溶质点（变质剂），促使其非自发形核，以提高形核率，抑制晶核长大速度，从而细化晶粒。
附加震动：在金属结晶过程中，采用各种振动，可使正在生长的树枝状晶体被打断，破碎的细小晶体成为新的晶核，增大了形核率，从而细化晶粒。
另外采用压力加工和热处理等方法也能细化固态金属的晶粒。
7、根据3Fe Fe C -相图，（1）试分析0.45%C 、0.8%C 和1.2%C 合金的结晶过程，画出冷却曲线，并写出各个温度下不同的组织。
（2）试分析含碳量对钢的组织和性能的影响，并定性比较45钢、T8钢、T12钢的b σ、HB 和δ。
答：（1）0.45%C 为亚共析钢，结晶过程：3()L L A A A F F P F Fe C →+→→+→++0.8%C 为共析钢，结晶过程：3()L L A A P F Fe C →+→→+1.2%C 为过共析钢, 结晶过程33L L A A A Fe C P Fe C →+→→+→+（2）当碳含量C ω增高，渗碳体数量增加，对亚共析钢来说，组织中的珠光体数量增加，刚的硬度、强度呈直线上升，而塑性则相应降低。
工程材料与成形技术基础总结
工程材料与成形技术基础主要内容1、工程材料的分类工程材料一般可分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等几大类。
2、金属材料的主要性能（1）力学性能是金属材料重要的使用性能，主要有：弹性、塑性、刚度、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等，要求掌握各种性能的定义。
（2) 常用的力学性能指标有：弹性极限（σe ）、屈服强度（σs ，σ0.2 ）、抗拉强度（σb ）、延伸率（δ）、断面收缩率（φ）、冲击韧性（αk ）、硬度（HB ，HRC ，HV ）和疲劳强度（σ-1）等。
3、掌握金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能的概念。
4、名词解释：（1）、合金（2）组元（3）固溶体（4）相图（5）金属化合物（6）结晶（7）晶体（8）晶格（9）晶面（10）晶胞（11）固溶强化（12）金属热处理（13）退火（14）正火（15）淬火（16）回火（17）调质处理5、铁碳合金的基本组织：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。
6、掌握铁碳合金相图中的特性点和特性线的含义,要求默画铁碳合金相图。
7、了解铁碳合金中典型合金的结晶过程分析。
8、掌握铁碳合金的成分、组织和性能的变化规律。
9、掌握金属热处理的定义及作用。
10、重点掌握常用的金属热处理工艺方法的定义、目的、特点及应用。
常用热处理工艺包括退火、正火、淬火、回火及表面热处理和表面化学热处理。
11、了解钢在加热和冷却时的转变过程。
12、掌握常用金属材料的分类。
重点掌握碳钢的分类（按质量、用途、含碳量）、铸铁的分类（两种分类法）和合金钢的分类。
13、掌握碳钢、铸铁、合金钢的编号方法、成分、性能和应用。
能正确选用螺栓、齿轮、轴、床身、箱体、弹簧、模具、刀具等典型零件的相关材料（名称和编号)。
14、了解机械零件选材的一般原则。
第二部分材料成形工艺基础一、铸造1、了解合金的铸造性能及相关影响因素。
2、了解常见铸件缺陷及产生的主要原因。
3、掌握砂型铸造的工艺过程及应用范围。
材料成形技术
合金在铸造过程中所表现出来的工艺性能，称为合金的铸造性能。 主要指流动性、收缩性、偏析和吸气性等。
铸件的质量与合金的铸造性能密切相关。
1.1 合金的流动性和充型能力
1．流动性
液态合金本身的流动能力，叫做合金的流动性。 流动性好的合金，充型能力强，易于获得轮廓清晰、形状复杂的铸 件。液态金属中的气体和夹杂物易于上浮，利于铸件补缩。 流动性差的合金，铸件容易产生浇不足、冷隔、气孔和夹杂缺陷。 液态合金的流动性，通常用螺旋形试样的长度来衡量。 浇出的试样愈长，流动性愈好。 灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，而铸钢最差.
(3)中间凝固
大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。
铸件质量与其凝固方式密切相关：
逐层凝固时，合金充型能力强，利于防止缩孔和缩松。例灰铸铁、铝硅合金。 糊状凝固时，难以获得结晶紧实的铸件。例球墨铸铁、锡青铜、铝铜合金。为 获得紧实致密铸件常需采用适当的补缩工艺措施。
图1-2 铸件的凝固方式
（1）热应力：
因铸件壁厚不均，各部分冷速不同，同一时期各部分收缩不一致。
应力形成动画
（2） 相变应力
合金在弹性状态下发生相变引起体积变化而产生的应力。
（3）机械应力：
合金的线收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力。 机械应力在铸件落砂之后，便自行消除。
铸造应力是热应力、机械应力和相变应力三者的代数和。
表1-1 几种铁碳合金的体积收缩率 表1.2 常用铸造合金的线收缩率
3．缩孔和缩松
(1)缩孔和缩松的形成
液态合金在铸型内冷凝过程中，若液态收缩和凝固收缩所缩减的容 积得不到及时补充，在铸件的最后凝固部位形成孔洞。据孔洞的大小和分 布，可分为缩孔和缩松两类。
材料成型技术
材料成型技术
材料成型技术是一种用特定的手段将材料从一个形状转变成另一个形状的技术。
材料成型技术的应用十分广泛，包括注塑成型、压力成型、挤压成型、压缩成型、粘接成型等多种方法。
以下将从注塑成型、挤压成型和粘接成型三个方面进行介绍。
注塑成型是一种常用的材料成型技术，其原理是将熔融态的材料注入到模具中，然后在模具中冷却硬化得到所需要的成品。
注塑成型具有生产效率高、成型精度高、成本相对较低等特点。
它广泛应用于塑料制品、橡胶制品、陶瓷制品等领域。
注塑成型的缺点是模具制造成本高，适用于大批量生产，不适用于小批量生产。
挤压成型是一种将熔融态的材料通过模具挤压出来，从而得到所需要的成品的技术。
挤压成型主要适用于材料为熔融态的情况，例如金属、塑料等。
挤压成型可以得到复杂形状的材料，生产效率高，成型精度高。
它广泛应用于汽车制造、机械制造、建筑材料等领域。
粘接成型是一种利用胶水或其他粘接剂将两块材料黏合在一起的技术。
粘接成型具有成本低、加工简单、生产效率高等优点。
它被广泛应用于纸板制品、橡胶制品、电子产品等领域。
粘接成型的缺点是胶水的质量和粘结强度受到很多因素的影响，需要进行严格的控制和检测。
综上所述，材料成型技术是一种将材料从一个形状转变成另一个形状的技术，包括注塑成型、挤压成型和粘接成型等多种方
法。
这些方法具有各自的优缺点，应根据实际需求选择合适的成型技术。
材料成型技术的应用广泛，对于现代工业的发展至关重要。
材料成形技术基础知识点总结
材料成形技术基础知识点总结1.材料成形的基本原理：材料成形是通过施加外力使材料发生形状和/或尺寸改变的过程。
常见的成形方法包括压力成形、热成形、热力复合成形等。
不同的成形方法有不同的原理和适用范围，可以选择最适合的方法进行成形。
2.压力成形技术：压力成形是指通过施加压力使材料发生形状和/或尺寸改变的成形方法。
常见的压力成形技术包括锻造、压力铸造、挤压、拉伸、冲压等。
这些技术可以用于加工金属材料和非金属材料，具有高效率和高精度的特点。
3.热成形技术：热成形是指通过加热材料使其变软，然后进行形状和/或尺寸改变的成形方法。
常见的热成形技术包括热压缩、热拉伸、热挤压、热转锻等。
热成形可以用于加工高温材料和难塑料材料，可以提高材料的可塑性和改善成形效果。
4.热力复合成形技术：热力复合成形是指通过加热和施加压力使两个或多个材料发生结合的成形方法。
常见的热力复合成形技术包括焊接、热压焊、热胶合等。
这些技术可以用于加工复合材料，可以获得更强的接合强度和更好的接合效果。
5.材料成形工艺的设计：材料成形工艺的设计是指根据产品的要求和材料的性能选择合适的成形方法，并确定合理的工艺参数。
工艺参数包括温度、压力、速度等，对成形效果和产品质量具有重要影响。
工艺设计需要考虑材料的可塑性、成形难度、成形精度等因素，可以通过实验和数值模拟来优化设计。
6.材料成形工具的设计与制造：材料成形工具是实现成形过程的重要设备，需要根据产品的形状和尺寸设计相应的工具。
工具设计包括毛坯设计、凸模设计、模具结构设计等。
材料成形工具的制造需要精密的加工工艺和高质量的材料，可以采用数控加工、电火花等先进技术来提高工具的精度和寿命。
7.材料成形过程的监测与控制：材料成形过程需要对温度、压力、力量、速度等进行监测和控制，以确保成形效果和产品质量的稳定。
常用的监测和控制技术包括传感器、自动控制系统等。
这些技术可以实时监测成形过程的参数，并根据需求调整工艺参数，以达到最佳的成形效果。
《材料成型技术》课件
锻造
通过对金属进行加热和冷却，使其在压力下改变形 状，常用于制造零件和工具。
挤压
将材料穿过模具的缝隙，使其变形成所需形状，常 用于制造管道、线材等。
铸造
将液态材料注入模具中，待冷却后得到所需形状， 广泛应用于汽车、航空等行业。
成型
通过热塑性材料的加热和压力，将其形成所需形状， 常见于塑料制品生产。
常见的材料成型技术
局限性
• 材料限制 • 工艺复杂性 • 有限的成型尺寸
材料成型技术的发展趋势
1
智能化制造
通过引入自动化和智能化技术，提高生产效率和质量。
2
新材料应用
开发和使用新型材料，提高产品性能和使用寿命。
3
环保节能
减少能源消耗和废弃物产生，实现可持续发展。
总结和展望
材料成型技术在各个领域都扮演着重要角色，随着科学技术的进步，我们可以期待在未来看到更多创新和突破。
《材料成型技术》PPT课 件
材料成型技术是一门研究材料加工和加工工艺的学科，涵盖了大量不同类型 的材料和方法，对各个领域的工业和科研都具有重要的意义。
什么是材料成型技术
材料成型技术是通过加热、压力、变形等方式将原材料转变为所需形状和尺寸的工艺。它包括了常见的加工方法， 如锻造、铸造、挤压等。
不同类型的材料成型技术
航空航天领域对高强度和轻质的材料需求较高， 成型技术为其提供了多种解决方案。
3 电子产品
4 建筑领域
成型技术在电子产品制造中的应用包括电路板、 塑料外壳等部件的生产。
通过材料成型技术可以生产建筑中常见的构件， 如钢结构、玻璃幕墙等。
材料成型技术的优势与局限性
优势
• 高效生产 • 多样化的产品形状 • 成本效益
工程材料与成型技术概述
材料发展的历程示意图
本课程的作用
1、认识工程材料的各种（物理、化学、力学）性 能及应用。
钢：强度高 铝：比重小 铜：导电好 陶瓷：硬、耐蚀
2、能正确选择、使用材料及相应的材料改性工艺及 成形方法和工艺。
用什么材料，
如何加工？ 铜
钢 花岗岩 铝合金
复合材料
数 控 机 床
洲
际
导
协和客机
弹
本课程的基本内容
人 造
冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学
卫 星
与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了
及 其
陶瓷和高分子聚合物材料。可见，高技术 运
需要先进材料的支持。
载 火
箭
材料成形工艺的发展史
材料成形工艺是伴随着人类使用材料的 历史而发展的。
在人类使用材料之初，用过兽骨，还通 过将天然材料石头、陶土打制成石器和烧制成 陶器（瓷器），在烧陶过程中人们掌握了金属 （青铜）冶炼技术及金属成形工艺。
1932年发明了电 子显微镜，把人们带 到了微观世界的更深 层次（10-7m）
光镜下
电镜下
透射电子显微镜
扫描电子显微镜
1934年位错理论的提 出，解决了晶体理论计 算强度与实验测得的实 际强度之间存在的巨大 差别的矛盾，对于人们 认识材料的力学性能及 设计高强度材料具有划 时代的意义。
金属钛中的位错
反光镜座椅等座椅等一个工程可以通过这样几个步骤来实现一个工程可以通过这样几个步骤来实现矿石化合物矿石化合物冶炼合成冶炼合成炼钢铸造化工工艺炼钢铸造化工工艺铸件型材非金属半成品毛坯铸件型材非金属半成品毛坯毛坯毛坯机加工机加工零件成品零件成品零件零件装配装配调试试车调试试车销售销售材料是指人类用以制造各种有用器件的物质
工程材料与成形技术基础
工程材料与成形技术基础一、工程材料的定义和分类1.1 工程材料的定义工程材料是指在各种工程项目中使用的各种物质，包括金属、非金属、有机材料等。
1.2 工程材料的分类工程材料可以根据其组成、用途、特性等不同方面进行分类。
常见的工程材料分类包括： 1. 金属材料 2. 粘土材料 3. 混凝土材料 4. 高分子材料 5. 玻璃材料 6. 陶瓷材料 7. 复合材料二、工程材料的性能与选用2.1 力学性能工程材料的力学性能包括强度、刚度、韧性、硬度等指标，这些指标对于工程结构的安全性和可靠性至关重要。
2.2 耐久性工程材料的耐久性是指其在不同环境下长期使用的能力，包括耐热性、耐寒性、耐腐蚀性等。
2.3 加工性能工程材料的加工性能包括可塑性、可焊性、可锻性等指标，这些指标影响着工程材料的成形过程和成形性能。
三、工程材料的成形技术3.1 塑性成形技术塑性成形技术是指通过对工程材料的塑性变形来实现其形状的改变，常见的塑性成形技术包括挤压、拉伸、冲压、滚压等。
3.2 焊接技术焊接技术是将两个或多个工程材料通过加热或加压的方式连接在一起，常见的焊接技术包括电弧焊、气体焊、激光焊等。
3.3 铸造技术铸造技术是将熔化的工程材料倒入铸型中，通过凝固形成所需的形状，常见的铸造技术包括砂型铸造、压力铸造、熔模铸造等。
3.4 热处理技术热处理技术是通过对工程材料的加热或冷却处理来改变其组织和性能，常见的热处理技术包括淬火、回火、退火等。
四、工程材料与成形技术的应用4.1 汽车制造工程材料与成形技术在汽车制造中起着重要作用，如汽车车身的制造和焊接、发动机零件的铸造等。
4.2 建筑工程工程材料与成形技术在建筑工程中广泛应用，如混凝土构件的浇筑、钢结构的焊接、玻璃幕墙的制作等。
4.3 电子产品制造工程材料与成形技术在电子产品制造中也有重要应用，如电路板的制造和焊接、塑料外壳的注塑成形等。
4.4 航空航天工程材料与成形技术在航空航天领域扮演着重要角色，如航空发动机的制造、航天器的结构成形等。
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图6-4 传统加工与快速成形
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6.2.3 快速成形的工艺流程
快速成形工艺流程如下： (1) 三维模型构造 由于RP系统只接受计算机构造的产品三维模型(立体图)，然 后才能进行切片处理，因而首先应在PC机或工作站上用CAD软件（如UG、Pro/E、 I-DEAS等），根据产品要求设计三维模型；或将已有产品的二维三视图转换成三维 模型；或在逆向工程中，用测量仪对已有的产品实体进行扫描，得到数据点云，进行 三维重构。 (2) 三维模型的近似处理 由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，加工前必 须对其进行近似处理。经过近似处理获得的三维模型文件称为STL格式文件，它由一 系列相连空间三角形组成。典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口，但 有时输出的三角形会有少量错误，需要进行局部修改。 (3)三维模型的分层(Slicing)处理 由于RP工艺是按一层层截面轮廓来进行加工的， 因此加工前须将三维模型上沿成形高度方向离散成一系列有序的二维层片，即每隔一 定的间距分一层片，以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定。间 隔越小，精度越高，但成形时间越长。间隔范围为0.05～0.5 mm，常用0.1 mm，能 得到相当光滑的成形曲面。层片间隔选定后，成形时每层叠加的材料厚度应与其相适 应。各种成形系统都带有Slicing处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。
6.2 快速成形技术原理及工艺 6.2.1 快速成形技术原理
现代成形理论是研究将材料有序地组织成具有确定外形和一定功能的三维实体 的科学。笼统地讲，RP属于堆积成形，严格地讲，RP应属于离散/堆积成形。通过离 散获得堆积的路径、限制和方式，通过堆积材料叠加起来成形三维实体。
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世界上目前有334个快速成形技术服务中心、27个快速成形设备制造商、12家 材料供应商、14家专门软件供应商、23家咨询机构和51家教育科研机构。在发达国 家，快速成形已成为一个新兴的产业分支，前景十分诱人。按Pratt and W.hitney 1994年的报告，他们用新技术制备2 000件铸模花费是60万美元，而且节省时间70 ％～90％。若用传统方法，估计的费用是700万美元。 目前，新的RP工艺不断产生、功能不断完善、精度不断提高、成形速度不断提 高。例如随固态激光技术的突破，高达1 000 MW的紫外激光器应用在STL设备中， 使其速度大大提高，激光器的寿命也由最初的2 500 h延长到上万小时。新型高性能 光敏树脂的出现，解决了STL的收缩变形和强度等问题。EOS公司的EOSINT-M激光 金属粉末烧结快速成形设备可直接成形金属零件或注塑模具。在软件方面STL文件的 处理软件不断专业化，使各种文件的转换和STL文件的修复、处理、操作功能等日臻 完善，形成了基于STL的CAD平台。
6.2.2 快速成形方式分类
根据成形学的观点，从物质的组织方 式上，可把成形方式分为去除成形 (dislodge forming)、堆积成形（stacking forming）、受迫成形（forced forming） 和生长成形（growth forming）四类。RP 属于堆积成形，即是运用合并与连接的方 法，把材料（气、液、固相）有序地合并 堆积起来的成形方法。堆积成形是在计算 机控制下完成的，其最大特点是不受成形 零件复杂程度的限制。
其他 1.5% 亚太地区 27.6%
图6-1 从1988年至2000年RP机器全球销售量
其他 13% 汽车运输 13% 航空航天 13% 商用机器 13%
北美 45.3%
欧洲24.6%
用户产品 12%
医学 12% 政府/军事 12% 学术科研 12%
图6-2 全球各地区RP机器拥有量
图6-3 快速成形应用领域的分布比例
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6 prototyping，简称RP）又称快速原型制造技术， 是近年来发展起来的一种先进制造技术。快速成形技术20世纪80年代起源于 美国，很快发展到日本和欧洲，是近年来制造技术领域的一次重大突破。快 速成形是一种基于离散堆积成形思想的数字化成形技术；是CAD、数控技术、 激光技术以及材料科学与工程的技术集成。它可以自动、快速地将设计思想
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(4) 截面加工 根据分层处理的截面轮廓，在计算机控制下，RP系统中的成形 头（如激光扫描头或喷头）由数控系统控制，在x-y平面内按截面轮廓进行扫描，固 化液态树脂（或切割纸，烧结粉末材料，喷射粘结剂、热熔剂和热熔材料），得到一 层层截面。 (5) 截面叠加 每层截面形成之后，下一层材料被送至已成形的层面上，然后进 行后一层的成形，并与前一层面相粘结，从而将一层层的截面逐步叠合在一起，最终 形成三维产品。 (6) 后处理 成形机成形完毕后，取出工件，进行打磨、涂挂，或者放进高温炉 中烧结，进一步提高其强度（如3D-P工艺）。对于SLS工艺，将工件放入高温炉中 烧结，使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属（如渗铜）处理。 RP工艺流程如图6-5所示。
物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可对产品设计进
行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能力。快速成形技术 的出现，反映了现代制造技术本身的发展趋势以及激烈的市场竞争对制造技
术发展的重大影响。
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在全世界，北美占据使用快速成 形技术的统治地位。至2000年年底， 45％的快速成形机都是安装在这一地 区，如图6-2所示。 虽然快速成形技术问世不久，但 由于它给制造业带来的巨大效益，使 其应用日益广泛。快速成形技术在工 业、医学、军事、汽车、航空和航天 等领域的应用情况如图6-3所示。
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RP将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一 体，依据由CAD构造的产品三维模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。 按照这些轮廓，激光束选择性地喷射，固化一层层液态树脂（或切割一层层的纸，或 烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形 成各截面，逐步叠加成三维产品。它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的 组合。 RP与传统的去除成形的区别如图6-4所示。