5金属材料性能及加工工艺
材料加工的工艺和性能分析
材料加工的工艺和性能分析材料加工是指将原材料或半成品经过一系列工艺操作，加工成具有一定形状和性能的工件或零部件的过程。
在现代工业生产中，材料加工是非常重要的环节，它直接影响到产品的质量和性能。
本文将对常见的材料加工工艺和其对应的性能进行分析。
一、铸造工艺铸造是将熔融状态的金属或合金倒入铸型中，经凝固和冷却而形成所需形状的工艺。
铸造工艺主要有砂型铸造、金属型铸造、压铸等。
该工艺具有以下特点：1. 成本低廉：铸造工艺适用于大批量生产，成本相对较低；2. 产品形状复杂：通过铸造，可以制造出各种形状复杂、内部结构复杂的零部件；3. 结构致密度低：铸造的工件内部可能存在气孔、夹杂物等缺陷，对于一些要求结构致密度高的零件不太适用。
二、锻造工艺锻造是通过加热金属至一定温度后，施加外力使金属发生塑性变形并得到所需形状的工艺。
锻造工艺包括冷锻、热锻、自由锻等。
它的特点如下：1. 精度较高：锻造可以获得尺寸精度较高、表面质量较好的工件；2. 机械性能优良：经过锻造的工件具有良好的力学性能，尤其是耐热、耐磨性能；3. 高能耗：由于锻造过程需要加热金属至高温，需要消耗较多能量。
三、机械加工工艺机械加工是通过机床对金属材料进行切削、磨削、钻孔等工艺操作以得到所需形状和尺寸的工件。
常见的机械加工工艺包括车削、铣削、钻削、磨削等。
该工艺的特点如下：1. 精度高：机械加工可以获得高精度、高表面质量的工件；2. 加工适应性强：机械加工适用于各种材料、形状的加工，加工工件范围广；3. 耗时较长：相对于其他加工工艺而言，机械加工需要较长的加工周期。
四、焊接工艺焊接是通过加热或施加压力使材料相互黏结的工艺，常用于连接金属材料。
焊接工艺包括电弧焊、激光焊、气焊等。
焊接的特点如下：1. 连接牢固：焊接可以实现材料的牢固连接，焊缝强度高；2. 热影响区大：焊接会产生较大的热输入，导致焊接接头周围材料发生组织变化，热影响区较大；3. 操作复杂：焊接操作技术要求较高，需要熟练的技术人员进行操作。
金属材料的加工工艺性能
7 难切削材料 0.15～0.5
8 很难切削材料 ＜0.15 不同级织，不同硬度对不同切削加工操作（如车，铣，刨，镗，拉等）切削加工性是不同的。 如回火索氏体的中碳钢，车削加工性较好，钻削加工性中等，拉，拨加工性较差。 14.4.3. 热处理工艺性能 机床主轴 在选用机床主轴的材料和热处理工艺时，必须考虑以下几点： （1） 受力的大小。不同类型的机床，工作条件有很大差别，如高速机床和精密机床主轴的工作条件与重型机床主轴的要作条件相比，无论在弯曲或扭转疲劳特性方面差别都很大。 （2） 轴承类型。如在滑动轴承上工作时，轴颈需要有高的耐磨性。 （3） 主轴的形状及其可能引起的热处理缺陷。结构形状复杂的主轴在热处理时易变形甚至开裂，因此在选材上应给予重视。 主轴是机床中主要零件之一，其质量好坏直接影响机床的精度和寿命。因此必须根据主轴的工作条件和性能要求，选择用钢和制定合理的冷热加工工艺。 1、 机床主轴的工作条件和性能要求。该主轴的工作条件如下： （1） 承受交变的弯曲应力与扭转应力，有时受到冲击载荷的作用； （2） 主轴大端内锥孔和锥度外圆，经常与卡盘、顶针有磨擦； （3） 花键部分经常有碰撞或相对滑动。 由此定出技术条件： （1） 整体调质后硬度应为HB200～230，金相组织为回火索氏体； （2） 内锥孔和外圆锥面处硬度为HRC45～50，表面3～5mm内金相组织为回火屈氏体和少量回火马氏体； （3） 花键部分的硬度为HRC48～53，金相组织同上。 2、 选择用钢 C515车床属于中速，中负荷，在滚动轴承中工作的机床，因此选用45钢。 3、 主轴工艺路线 下料——锻造——正火——粗加工（外圆余留4～5mm）——调质——半精车外圆（余留2.5～3.5mm），钻中心孔，精车外圆（余留0.6～0.7mm，锥孔留余0.6～0.7mm），铣键槽——局部淬火（锥孔及外锥体）——车定刀槽，粗磨外圆（余留0.4～0.5mm），滚铣花键——花键淬火——精磨。 4、 热处理工序作用 正火处理是为了得到合适的硬度（HB170～230），以便机加工，改善锻造组织，为调质作准备。 调质处理是为了主轴的综合机械性能和疲劳强度，调质后硬度为HB200～230，组织为回火索氏体。 内锥孔和外圆锥面部分经盐浴局部淬火和回火后得到所要求的硬度，以保证装配精度和耐磨性。 5、 热处理工艺 调质中淬火时由于主轴各部分的直径不同，应注意变形问题。调质后变形虽可用校直来修正，但校直时的附加应力对主轴精加工后的尺寸稳定性是不利的。为减小变形，应注意淬火操作方法。可采取预冷淬火和控制水中冷却时间来减小变形。 花键部分高频淬火以减小变形和达到硬度要求。 经淬火后的内锥孔和外圆锥面部分需经260～300℃回火，花键部分需经240～250℃回火，以消除淬火应力并达到规定的硬度值。
金属材料的性能和加工工艺
金属材料的性能和加工工艺金属材料是广泛应用于制造行业的一类材料，其性能和加工工艺的研究和掌握对于制造业的发展至关重要。
本文将从金属材料的性能和加工工艺两个方面入手，探讨其相关问题。
一、金属材料的性能金属材料的性能包括热力学性能、物理性能和化学性能等方面。
其中，热力学性能指的是金属材料在热力学条件下的性质，如热膨胀系数、熔点、凝固温度等；物理性能则指的是金属材料在物理条件下的性质，如弹性模量、导电性、磁性等；化学性能则指的是金属材料在化学条件下的性质，如耐腐蚀性、氧化性等。
这些性能决定了金属材料的使用范围和作用效果。
以铝材料为例，其热力学性能表现为优良的导热性和热膨胀性，因此广泛应用于建筑和汽车制造行业；其物理性能表现为轻质、坚固、易加工，因此也被广泛应用于航空航天和电子行业；其化学性能表现为耐腐蚀性强，可以在海水和酸雾等腐蚀环境中长期使用。
二、金属材料的加工工艺金属材料的加工工艺包括铸造、锻造、轧制、拉拔、冲压、深孔加工等多种方式。
每一种加工工艺都有其特定的应用范围和加工效果。
铸造是一种常见的金属成型工艺，适用于生产各种大型、复杂形状的铸件，如汽车发动机缸体、船舶螺旋桨等。
锻造则是利用材料的塑性变形来制造各种金属件，其优点在于可以提高材料的强度和耐用性。
轧制和拉拔是常用的金属板材和线材成型工艺，可以生产各种规格的金属板、管、线和条等产品。
冲压则是应用于生产大批量的金属件的一种高效率工艺，如汽车身板、家具金属部件等。
对于不同的金属材料和加工对象，选择合适的加工工艺可以最大限度地保持材料性能和提高产品质量。
三、金属材料的加工应用金属材料的加工应用广泛，包括建筑、制造业、医疗、电子、航空航天等多个领域。
其中，建筑和制造业是金属材料的主要应用领域，例如在建筑中，常用的铝型材、不锈钢材料、钢材等可以用于窗户、门、墙板、屋顶、栏杆等部件制造中，这些部件具有耐风、耐水、耐火和耐腐蚀等特性。
在制造业中，金属材料被用于生产汽车、机械、船舶、航空器、卫星等多种产品，其中不锈钢、铝合金、钢等材料都有其主要应用场景。
金属材料生产工艺
金属材料生产工艺金属材料生产工艺是指将金属原料经过一系列加工和处理步骤，最终制成各种金属产品的过程。
它是现代工业生产的重要组成部分，广泛应用于汽车制造、建筑工程、电子设备等领域。
本文将介绍金属材料的加工方法、热处理技术以及表面处理工艺等内容。
一、金属材料的加工方法金属材料的加工方法主要包括锻造、压力加工、铸造、焊接和切削等。
锻造是将金属材料加热至一定温度后，通过锤击或压力使其形成所需的形状。
压力加工是通过施加压力使金属材料变形，例如挤压、拉伸和冲压等。
铸造是将熔化的金属注入模具中，冷却后得到所需形状的零件。
焊接是将两个或多个金属材料通过热源熔化并连接在一起。
切削是通过刀具对金属材料进行切割，常用于制造零件和零件的加工。
二、金属材料的热处理技术热处理是通过加热和冷却的方式改变金属材料的组织和性能。
常见的热处理技术包括退火、淬火、回火和固溶处理等。
退火是将金属材料加热至一定温度，然后缓慢冷却，以消除应力和改善材料的可加工性。
淬火是将金属材料加热至临界温度，然后迅速冷却，以使材料获得高硬度和强度。
回火是在淬火后将金属材料加热至较低温度，然后冷却，以减轻淬火时产生的内应力。
固溶处理是将金属材料加热至固溶温度，然后快速冷却，以改善材料的硬度和强度。
三、金属材料的表面处理工艺金属材料的表面处理工艺主要包括防锈处理、电镀和喷涂等。
防锈处理是通过涂覆防锈剂或进行化学处理，以保护金属材料免受氧化和腐蚀。
电镀是将金属材料浸入电解液中，通过电流的作用，在材料表面形成一层金属镀层，以增加材料的耐腐蚀性和美观性。
喷涂是将涂料喷洒在金属材料表面，形成一层保护层，以增加材料的耐候性和装饰效果。
总结金属材料生产工艺是现代工业生产的重要环节。
通过锻造、压力加工、铸造、焊接和切削等加工方法，可以将金属材料制成各种形状的零件和产品。
通过热处理技术，可以改变金属材料的组织和性能，以满足不同的工程要求。
通过表面处理工艺，可以保护金属材料免受腐蚀和氧化，并增加其美观性和装饰效果。
金属材料基础知识
金属的冷热弯曲性能也取决于材料的塑性和强度。材料承受 弯曲而不出现裂纹的能力，称为弯曲性能。一般用弯曲角度 或弯心直径与材料厚度的比值来衡量弯曲性能。
电厂锅炉管道弯头和输粉管道弯头是经过冷热弯曲成型的。
(三)焊接性能
• 金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，优质焊 接接头的能力，称为金属的焊接性。
适用范围
HRC
120°金刚石圆 锥
150
HRB Φ1.588mm钢球
100
HRA
120°金刚石圆 锥
60
一般淬火钢等硬度较大材料
退火钢和有色金属等软材料
硬而薄的硬质合金或表面淬 火钢
3．维氏硬度（HV） 维氏硬度是用一定的载荷将锥面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头压入试 样表面，保持一定时间后卸除载荷，试样表面就留下压痕，测量压痕对角线 的长度，计算压痕表面积，载荷F除以压痕面积S所得值即为维氏硬度。维氏 硬度用符号HV表示，计算公式如下：
1．拉伸试样
2．拉伸曲线
• 拉伸曲线表示试样拉伸过程中力和变形关系，可用应力－延伸率曲线表 示，纵坐标为应力R，R=F/S0，横坐标为延伸率ε，ε＝ΔL/L0。
拉伸曲线的形状与材料有关， 由图可见，在载荷小的oa阶 段，试样在载荷F的作用下 均匀伸长，伸长量与载荷的 增加成正比。如果此时卸除 载荷，试样立即回复原状， 即试样产生的变形为弹性变 形。当载荷超过b点以后， 试样会进一步产生变形，此 时若卸除载荷，试样的弹性 变形消失，而另一部分变形 则保留下来，这种不能恢复 的变形称为塑性变形。
(四)切削性能 金属材料承受切削加工的难易程度，称为切削性能。
金属的切削性能与材料及切削条件有关，如纯铁很பைடு நூலகம்易切削，但难以获得较高的光洁度； 不锈钢可在普通车床上加工，但在自动车床上，却难以断屑，属于难加工材料。通常，材 料硬度低时切削性能较好，但是对于碳钢来说，硬度如果太低时，容易出现“粘刀”现象， 光洁度也较差。一般情况下金属承受切削加工时的硬度在HB170一230之间为宜。
金属材料加工工艺
08
(2)轧制
金属塑性加工工艺之一。如图6—8所示，利用两个旋转轧辊印压力
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
2
状并同时改变其组织性能。通过轧制可将钢坯加工成不同截面形状的
3
原材料，如圆钢、方钢、角钢、下字钢、工字钢、槽钢、z字钢、钢轨
等。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。
热处理
01
04
02
03
通过加热和冷却的方法，改变金属内部或表面的绢织结构， 以获得预期性能的工艺方法。根据热处理时加热冷却规范的基本特点及其对组织性能的影响，金属热处理可分为普通热处理、表面热处理和特殊热处理。1. 普通热处理
普通热处理包括退火、正火、淬火和回火处理
退火是将金属加热到临界温度(Ac3：或Ac1，)以上，保温一段时间后度冷却，使其组织结构接近均衡状态，从而消除或减少内应力，均化组织和成分，有利于加工作业。
04
3．切削加工
又称为冷加工。利用切削刀具在切削机床上(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、磨削、钻削、镗削及钳工等，是最常见的金属加工方法。
4．焊接加工
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。
第六章 金属材料及加工工艺
正火是将金属加热保温后，在室温下空气中进行冷却，是一种特殊的退火处理。
淬火是将金属加热至临界温度以上，保温后快速冷却至室温，以达到强化金属组织，提高金属的强度、硬度等机械性能。
回火是将淬火后的金属重新加热，再进行保温冷却。其目的是为了消除淬火应力，以达到所要求的组织和性能。
金属材料及其热处理
㈡ 热处理工艺
工艺
目的
加热温度
组织
退火
1.调整硬度,便于切削加工。 2.细化晶粒,为最终热处理作组织准备。
亚共析钢Ac3+30~50℃ 共析钢 Ac1+30~50℃ 过共析钢Ac1+30~50℃
F+P P P球
正火
1.低中碳钢同退火。 2.过工析钢：消除网状二次渗碳体。 3.普通件最终热处理
三、组织
㈠ 纯金属的组织 1、结晶：金属由液态转变为晶体的过程 ⑴ 结晶的条件——过冷：在理论结晶温度以下发生结晶的现象。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。 ⑵ 结晶的基本过程——晶核形成与晶核长大 形核——自发形核与非自发形核 长大——均匀长大与树枝状长大
⑶ 结晶晶粒度控制方法：①增加过冷度；②变质处理；③机械振动、搅拌 2、纯金属中的固态转变 同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。 固态转变的特点：①形核部位特殊；②过冷倾向大;③伴随着体积变化。
2、冷却时的转变
⑴ 等温转变曲线及产物
650℃
600℃
550℃
350℃
A1
MS
Mf
时间
P
S
T
B上
B下
M
M+A’
A→P
A→S
A→T
A→B上
A→B下
1.2 金属材料的物理性能、化学性能及工艺性能
金属材料的物理性能、化学性能及工艺性能黄丰讲师表示某种材料单位体积的质量。
材料由固态转变为液态时的熔化温度。
材料传导热量的能力。
材料传导电流的能力。
材料随温度变化体积发生膨胀或收缩的特性。
（1）密度（2）熔点（3）导热性（4）导电性 （5）热膨胀性包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。
物理性能在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀的能力。
化学性能 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸汽等化学介质腐蚀破坏作用的能力。
材料抵抗氧化作用的能力。
金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。
（1）耐腐蚀性 （2）抗氧化性（3）化学稳定性工艺性能是材料对各种加工工艺的适应能力。
包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。
工艺性能的好坏直接影响零件的加工质量和生产成本，所以也是选材和制定零件加工工艺必须考虑的因素之一。
工艺性能是材料对各种加工工艺的适应能力。
铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩及偏析倾向等。
锻造性能主要是指金属进行锻造时，其塑性的好坏和变形抗力的大小。
塑性高、变形抗力小，则锻造性能好。
是材料对各种加工工艺的适应能力。
工艺性能焊接性能主要是指在一定焊接工艺条件下，零部件获得优质焊接接头的难易程度。
焊接性能受到材料本身特性和工艺条件的影响。
工艺性能是材料对各种加工工艺的适应能力。
切削加工性能主要是指工件材料接受切削加工的难易程度。
热处理工艺性能包括淬透性、热应力倾向、加热和冷却过程中裂纹形成倾向等。
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5.2.1 金属材料的成型加工
2.塑性加工
煅造 轧制 挤压 拔制 冲压
5.2.1 金属材料的成型加工
2.塑性加工
煅造
自由锻：锻件的形状和尺寸主要取决于锻工的操作水平 和所用设备，多为批量小且形状简单的锻件，如盘类、 轴类等毛坯工件都用自由锻完成。 模锻：优点为锻件尺寸准确、加工余量小、生产效率高， 但模具成本高，只适用于大批量生产中。
第5讲金属材料特性及加工技术
5.1金属材料的分类及特性 5.2金属材料的成型加工 5.3常用的金属材料 5.4金属材料在设计中的应用
5．1金属材料的分类及特性
1．金属材料的分类
按构成元素分：
5．1金属材料的分类及特性
1．金属材料的分类
按主要性能和用途分：金属结构材料和功能材料 按加工工艺分：铸造、变形、粉末冶金材料
5.2.2 金属材料的表面处理技术 2.表面装饰技术
（1）表面着色工艺
①化学着色：染色 ②电解着色：化学反应 ③阳极氧化着色：化学反应色域宽，但目前只适用 于铝、锌、铬、镍等。
5.2.2 金属材料的表面处理技术 2.表面装饰技术
（1）表面着色工艺
④镀覆着色：电镀、化学镀、真空蒸发沉积、气相镀
5.2.2 金属材料的表面处理技术 2.表面装饰技术
熔模铸造产品及视频
(3)压力铸造
压力铸造的优点体现在铸件表面质量高、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、镁合金的铸造。
压力铸造产品及视频
（4）离心铸造
将液态合金浇入高速旋转（2501 500r/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。
锻打、压延、冲压成各种所需要的形状，
经冲压成型的奥迪A4轿车框架 精密锻造加工的宝马轿车铝合金轮毂
5．1金属材料的分类及特性
2．金属材料的基本特性 ③ 金属具有特有的色彩、良好的反射能力、不透
明性及金属光泽。所以，可装饰产品表面。
松下数码相机
5．1金属材料的分类及特性
2．金属材料的基本特性
④ 金属具有良好的表面工艺性能，宜进行表面处 理，以获得特殊表面效果
按材料密度分：轻金属、重金属
5．1金属材料的分类及特性
2．金属材料的基本特性
① 金属具有良好的导电导热性。所以，常用在 电线、电缆以及散热器产品上。
skantherm暖炉 散热优良的钛合金外壳Thinkpad
5．1金属材料的分类及特性
2．金属材料的基本特性 ②金属具有良好的加工性能。因此，可将金属材料
5.粉末冶金
5.2.2 金属材料的表面处理技术
表面处理的作用？
5.2.2 金属材料的表面处理技术 1.前处理
机械处理：切削、喷丸、喷砂，清理锈蚀和氧化皮 化学处理：除油、清理锈蚀和氧化皮 电化学处理：除油、清理锈蚀和氧化皮
5.2.2 金属材料的表面处理技术 2.表面装饰技术
（1）表面着色工艺
（2）表面肌理
冲压
5.2.1 金属材料的成型加工
3.切削加工
车削 铣削 钻削 镗削 铰削 刨削
（1）车削
车削产品
（1）车削
车削刀具和机床
（1）车削
•圆柱面 •锥形面 •端面 •成型面 •螺纹
车削原理
（2）铣削
铣削产品
（2）铣削
铣削刀具和设备
（2）铣削
铣削原理
•平面 •曲面
（3）钻削
钻削产品
（3）钻削
（1）表面着色工艺
⑤涂覆着色：有机材料涂层
⑥珐琅着色：
④
5.2.2 金属材料的表面处理技术 2.表面装饰技术
（1）表面着色工艺
⑦热处理着色：带色氧化膜
⑧传统着色工艺： 鎏金、鎏银、 假锈、镀锡
5.2.2 金属材料的表面处理技术 2.表面装饰技术
（2）表面肌理工艺
①表面锻打
②表面抛光
芝加哥千禧公园，云门
5.2.1 金属材料的成型加工
（1）砂型铸造
工艺过程：
注意的问题：为减少铸件的内应力，尽量使各结构部分壁厚 均匀一直，过渡尽量使用圆角。
（2）熔模铸造：
用易熔材料制成模型，然后在模型上涂挂耐火材料，经 硬化之后，再将模型熔化，排出型外，从而获得无分型 面的铸型。熔模常用蜡质材料，所以又叫失蜡铸造。
刀具和设备
（3）钻削
粗加工 •深孔、 •浅孔、 •斜孔、 •阶梯孔
ห้องสมุดไป่ตู้
钻削原理
（4）镗削
镗削原理
半精加工 •扩大孔 •扩大内部圆形轮廓
（4）铰削
铰削原理
精加工 •可手动，可机器 •获得精密孔表面
（5）磨削
磨削原理
精加工 •获得精密表面
5.2.1 金属材料的成型加工
4.焊接加工
5.2.1 金属材料的成型加工
5.2.2 金属材料的表面处理技术 2.表面装饰技术
（2）表面肌理工艺
③表面研磨拉丝
④表面镶嵌
5.2.2 金属材料的表面处理技术 2.表面装饰技术
（2）表面肌理工艺
⑤表面刻蚀
5.3 常用的金属材料
5.3.1 常用钢材的品种及用途
（1）型钢
5.3 常用的金属材料
5.3.1 常用钢材的品种及用途
（2）钢板
①钢带
②覆层钢板
•镀锌板－－白铁皮 建筑、家电、日用品
5.3 常用的金属材料
5.2.1 金属材料的成型加工
2.塑性加工
煅造
5.2.1 金属材料的成型加工
2.塑性加工
轧制
5.2.1 金属材料的成型加工
2.塑性加工
轧制
5.2.1 金属材料的成型加工
2.塑性加工
挤压
5.2.1 金属材料的成型加工
2.塑性加工
冲压
5.2.1 金属材料的成型加工
2.塑性加工
电镀处理的BRIZO水龙
外壳经阳极氧化处理的索尼摄像机
5．1金属材料的分类及特性
2．金属材料的基本特性
⑤ 金属具有良好的力学性能，耐磨不易断裂。所 以，经常在一些传递大的力或承受较大强度的产品 上得到应用。
金属合页
履带式装载机
5．2金属材料的工艺特性
5.2.1 金属材料的成型加工
1.铸造 2.塑性加工 3.切削加工 4.焊接加工 5.粉末冶金
离心铸造
（5）金属型铸造
又称硬模铸造，它是将液体金属浇入金属铸型，以获得 铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使 用多次（几百次到几千次）。金属型铸造目前所能生产 的铸件，在重量和形状方面还有一定的限制，如对黑色 金属只能是形状简单的铸件；铸件的重量不可太大；壁 厚也有限制，较小的铸件壁厚无法铸出。