第3章-金屬材料的制備與加工

金屬材料導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料科學(xué)與工程系王剛

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電子信箱：msgwang@2課程目錄第一章緒論第二章金屬材料的結(jié)構(gòu)與性能第三章金屬材料的制備與加工第四章鋼鐵材料第五章有色金屬材料第六章金屬功能材料第七章新型金屬材料及技術(shù)33.1金屬材料制備流程3.2金屬材料制備與加工技術(shù)3.2.1鑄造3.2.4軋制3.2.7機(jī)加工3.3金屬材料制備加工過程中的組織性能變化第三章金屬材料的制備與加工3.2.2鍛壓3.2.5擠壓3.2.8粉末冶金3.2.3焊接3.2.6拉拔43.1金屬材料制備流程探礦（地質(zhì)學(xué)）采礦（資源學(xué)）選礦（資源學(xué)）提煉（冶金學(xué)）材料制備與加工成型（材料學(xué)）選材制備毛坯預(yù)先熱處理機(jī)械加工最終熱處理檢驗(yàn)應(yīng)根據(jù)金屬零件的性能要求、受載情況、服役條件、工作環(huán)境等：選材：金屬材料種類繁多，性能不一，而且材料的發(fā)展日新月異，而零件的性能要求、服役條件各不相同，再加上材料的資源、價(jià)格等多方面考慮。金屬零件生產(chǎn)工藝過程：5金屬零件生產(chǎn)工藝過程：6毛坯制備機(jī)械加工傳統(tǒng)方法現(xiàn)代方法液態(tài)成形塑性成形連接成形粉末冶金成形型材等毛坯車削、刨削、銑削、拉削、鏜削、磨削等數(shù)控加工、電火花加工、激光加工等特種加工方法制備與加工：一個(gè)具體零件的加工往往可用多種不同的加工方法，而每種加工方法所能達(dá)到的加工精度、加工質(zhì)量、加工范圍、加工效率是不同的。金屬零件生產(chǎn)工藝過程：7熱處理退火：加熱至某一溫度，然后緩慢冷卻（爐冷）正火：加熱至某一溫度，然后中速冷卻（空冷）淬火：加熱至某一溫度，然后快速冷卻（水冷或油冷）回火：淬火后重新加熱至某一溫度預(yù)先熱處理：為使切削加工能順利進(jìn)行，可通過預(yù)先熱處理調(diào)整硬度，為切削加工做好組織準(zhǔn)備。最終熱處理：使材料的性能達(dá)到要求。“四把火”?。。?！8金屬零件生產(chǎn)工藝過程：冶煉原材料鑄件機(jī)加工零件鑄錠熱鍛熱軋機(jī)加工零件板、型、管、線材焊接冷軋、拔、沖機(jī)加工零件93.2金屬材料制備與加工技術(shù)鑄造鍛壓焊接軋制擠壓拉拔機(jī)加工粉末冶金103.2.1鑄造定義：將熔化好的液態(tài)金屬注入鑄型獲取鑄件的方法叫鑄造，它是零件毛坯最常用的生產(chǎn)工藝之一。分類：砂型鑄造特種鑄造熔模鑄造熔模石膏型鑄造金屬型鑄造壓力鑄造鑄造11鑄造的優(yōu)點(diǎn)：適于做復(fù)雜外形，特別是復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯。對材料的適應(yīng)性廣，鑄件的大小幾乎不受限制。成本低，原材料來源廣泛，價(jià)格低廉，一般不需要昂貴的設(shè)備。是某些塑性很差的材料（如鑄鐵等）制造毛坯或零件的唯一成型工藝。①②③④12鑄造的缺點(diǎn)：工藝過程比較復(fù)雜，一些工藝過程還難以控制。零件內(nèi)部組織的均勻性、致密性一般較差。易出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、夾砂、裂紋等缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定。由于鑄件內(nèi)部晶粒粗大，組織不均勻，且常伴有缺陷，其力學(xué)性能比同類材料的塑性成形件要低。①②③④13砂型鑄造：砂型鑄造工藝流程定義：在砂型中生產(chǎn)鑄件的鑄造方法。14砂型鑄造：砂型鑄造示意圖15砂型鑄造：型砂（最常用的是硅砂+粘土）砂型與鑄件實(shí)物圖砂型的制備鋼、鐵和大多數(shù)有色合金鑄件都可用砂型鑄造方法獲得。由于砂型鑄造所用的造型材料價(jià)廉易得，鑄型制造簡便，對鑄件的單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和大量生產(chǎn)均能適應(yīng)，長期以來，一直是鑄造生產(chǎn)中的基本工藝。16熔模鑄造（失蠟鑄造）：定義：是指將易熔材料制成模樣，在模樣表面包覆若干層耐火材料制成型殼，再將模樣熔化排出型殼，從而獲得無分型面的鑄型，經(jīng)高溫焙燒后即可填砂澆注的鑄造方案。由于模樣廣泛采用蠟質(zhì)材料來制造，故常將熔模鑄造稱為“失蠟鑄造”。優(yōu)點(diǎn)：熔模鑄件有著很高的尺寸精度和表面光潔度，可大量節(jié)省機(jī)床設(shè)備和加工工時(shí)，大幅度節(jié)約金屬原材料。可以鑄造各種合金的復(fù)雜鑄件，如噴氣式發(fā)動機(jī)的葉片，以及各種鏤空件等。17熔模鑄造（失蠟鑄造）：18熔模石膏型鑄造：定義：將熔模組裝，并固定在專供灌漿用的砂箱平板上，在真空下把石膏漿料灌入，待漿料凝結(jié)后經(jīng)干燥即可脫除熔模，再經(jīng)烘干、焙燒成為石膏型，在真空下澆注獲得鑄件。工藝特點(diǎn)：石膏漿料的流動性很好，又在真空下灌注成型，其充型性優(yōu)良，復(fù)模性優(yōu)異，型精確、光潔，可灌注大型復(fù)雜鑄件用型。石膏型的熱導(dǎo)率很低，充型時(shí)合金液流動保持時(shí)間長，適宜生產(chǎn)薄壁復(fù)雜件。但鑄型激冷作用差，當(dāng)鑄件壁厚差異大時(shí)，厚大處容易出現(xiàn)縮松、縮孔等缺陷。石膏型透氣性極差，鑄件易形成氣孔、澆不足等缺陷，應(yīng)注意合理設(shè)置澆注及排氣系統(tǒng)。19金屬型鑄造（硬模鑄造）：定義：將液體金屬澆入金屬鑄型，以獲得鑄件的一種鑄造方法。優(yōu)缺點(diǎn)：其機(jī)械性能比砂型鑄件高，耐蝕性和硬度也顯著提高鑄件的精度和表面光潔度比砂型鑄件高，而且質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定鑄件的液體金屬耗量減少，一般可節(jié)約15～30%不用砂或者少用砂，一般可節(jié)約造型材料80～100%金屬型鑄造制造成本高金屬型不透氣，而且無退讓性，易造成鑄件澆不足、開裂等缺陷工藝要求高，對鑄件質(zhì)量影響甚為敏感，需要嚴(yán)格控制20壓力鑄造：定義：在高壓作用下，使液態(tài)或半液態(tài)金屬以較高的速度充填壓鑄型（壓鑄模具）型腔，并在壓力下成型和凝固而獲得鑄件的方法。優(yōu)缺點(diǎn)：產(chǎn)品質(zhì)量好生產(chǎn)效率高經(jīng)濟(jì)效果優(yōu)良易產(chǎn)生氣孔對內(nèi)凹復(fù)雜的鑄件較為困難

對于高熔點(diǎn)合金，壓鑄型壽命較低

不宜小批量生產(chǎn)213.2.2鍛壓定義：是鍛造和沖壓的合稱，利用鍛壓機(jī)械的錘頭、砧塊、沖頭或通過模具對坯料施加壓力，使之產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的制件的成形加工方法。分類：熱鍛壓：金屬再結(jié)晶溫度以上鍛壓溫鍛壓：常溫和再結(jié)晶溫度之間鍛壓鍛壓冷鍛壓：常溫鍛壓等溫鍛壓：鍛壓時(shí)坯料溫度保持恒定值22鍛壓的特點(diǎn)：鍛壓可以改變金屬組織，提高金屬性能。鍛壓可使金屬塑性流動而制成所需形狀的工件，且鍛壓出的工件尺寸精確，有利于組織批量生產(chǎn)。鑄錠經(jīng)過熱鍛壓后，原來的鑄態(tài)疏松、孔隙、微裂等被壓實(shí)或焊合；原來的枝狀結(jié)晶被打碎，使晶粒變細(xì)；同時(shí)改變原來的碳化物偏析和不均勻分布，使組織均勻，從而獲得內(nèi)部密實(shí)、均勻、細(xì)微、綜合性能好、使用可靠的鍛件。鍛件經(jīng)熱鍛變形后，金屬是纖維組織；經(jīng)冷鍛變形后，金屬晶體呈有序性。23鍛壓現(xiàn)場圖：2009年5月18日，中國二重集團(tuán)，用世界最大的1.6萬噸級自由鍛造水壓機(jī)，成功鍛造出CPR1000核電機(jī)組1150MW半轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子直徑2050毫米，總長16400毫米，毛坯重310噸，采用國內(nèi)第一支實(shí)重560噸特大型鋼錠鍛制。110萬千瓦以上級核電機(jī)組特大型半速整鍛轉(zhuǎn)子，是當(dāng)前世界大型鍛件和極限制造領(lǐng)域高難產(chǎn)品，以前全世界只有日本制鋼所（JSW）一家能夠生產(chǎn)。24253.2.3焊接定義：是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料的制造工藝及技術(shù)。分類：熔焊釬焊焊接壓焊在焊接過程中將工件接口加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。在加壓條件下，使兩工件在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)原子間結(jié)合，又稱固態(tài)焊接。使用比工件熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將工件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于工件熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕工件，填充接口間隙并與工件實(shí)現(xiàn)原子間的相互擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)焊接的方法。26焊接工藝：電弧焊激光焊熔焊電渣焊電子束焊等離子弧焊手弧焊氣體保護(hù)焊埋弧焊電阻焊擴(kuò)散焊壓焊摩擦焊爆炸焊超聲波焊高頻焊軟釬焊（T<450℃）釬焊硬釬焊（T>450℃）27焊接接頭與焊縫：28焊接現(xiàn)場圖：293.2.4軋制定義：將金屬坯料通過一對旋轉(zhuǎn)軋輥的間隙，因受軋輥的壓縮成型作用使材料截面減小、長度增加的壓力加工方法。應(yīng)用：是生產(chǎn)鋼材最常用的生產(chǎn)方式，主要用來生產(chǎn)板材、型材、管材。分類：冷軋：在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的軋制軋制熱軋：在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的軋制30軋制示意圖：31軋機(jī)與軋輥：32熱軋的特點(diǎn)：

熱軋時(shí)金屬塑性高，變形抗力低，大大減少了金屬變形的能量消耗。熱軋能改善金屬及合金的加工工藝性能，即將鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃谓M織，提高合金的加工性能。熱軋生產(chǎn)效率高，而且為提高軋制速度、實(shí)現(xiàn)軋制過程的連續(xù)化和自動化創(chuàng)造了條件。熱軋鋼材內(nèi)部的非金屬夾雜物被壓成薄片，出現(xiàn)分層（夾層）現(xiàn)象，降低厚度方向拉伸性能。不均勻冷卻造成殘余應(yīng)力，組織和性能不夠均勻。

尺寸較難控制，表面粗糙，往往作為冷軋加工的坯料。33冷軋的特點(diǎn)：

通常冷軋是指在熱軋板卷的基礎(chǔ)上進(jìn)行再次加工軋制，一般流程是熱軋——酸洗——磷化——皂化——冷軋。冷軋成品為軋硬卷，由于連續(xù)冷變形引起的冷作硬化使軋硬卷的強(qiáng)度、硬度上升、韌塑指標(biāo)下降，因此沖壓性能將惡化，只能用于簡單變形的零件。

由于冷軋產(chǎn)品的硬度很高（HRB>90），機(jī)械加工性能極差，因此往往后續(xù)還需要進(jìn)行退火處理。34軋制現(xiàn)場圖：353.2.5擠壓定義：用沖頭或凸模對放置在凹模中的坯料加壓，使之產(chǎn)生塑性流動，從而獲得相應(yīng)于模具的型孔或凹凸模形狀的制件的一種壓力加工方法。應(yīng)用：廣泛用于生產(chǎn)鋁銅等有色金屬的管材和型材等。分類：冷擠壓：常溫下進(jìn)行的擠壓擠壓熱擠壓：在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的擠壓溫?cái)D壓：在室溫和再結(jié)晶溫度之間進(jìn)行的擠壓36擠壓示意圖：擠壓示意圖（a）正擠壓法；（b）型、棒材反向擠壓法；（c）管材正擠壓法；（d）管材反向擠壓法擠壓模具與擠壓型材373.2.6拉拔定義：用外力作用于被拉金屬的前端，將金屬坯料從小于坯料斷面的?？字欣?，以獲得相應(yīng)的形狀和尺寸的制品的一種塑性加工方法。由于拉拔多在冷態(tài)下進(jìn)行，因此也叫冷拔或冷拉。特點(diǎn)：尺寸精確，表面光潔工具、設(shè)備簡單連續(xù)高速生產(chǎn)斷面小的長制品道次變形量與兩次退火間的總變形量有限長度受限制38拉拔現(xiàn)場圖：銅管拉拔機(jī)及其產(chǎn)品393.2.7機(jī)加工定義：是機(jī)械加工的簡稱，是指通過機(jī)械精確加工去除材料的加工工藝。分類：主要有手動加工和數(shù)控加工兩大類。具體包括：車、銑、鉆、刨、磨、剪、鋸等。磨床40機(jī)加工設(shè)備：銑床車床車刀413.2.8粉末冶金定義：采用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制取金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工業(yè)技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：粉末冶金技術(shù)具備顯著節(jié)能、省材、性能優(yōu)異、產(chǎn)品精度高且穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，非常適合于大批量生產(chǎn)。另外，部分用傳統(tǒng)鑄造方法和機(jī)械加工方法無法制備的材料和復(fù)雜零件也可用粉末冶金技術(shù)制造。應(yīng)用：鐵石刀具、硬質(zhì)合金、磁性材料等。42粉末冶金生產(chǎn)工藝流程圖：433.3金屬材料制備加工過程中的組織性能變化性能組織結(jié)構(gòu)制備加工使役行為44鑄態(tài)組織：金屬材料凝固過程示意圖（形核+長大）鑄錠三晶區(qū)組織形成過程示意圖45鑄態(tài)組織特點(diǎn)及對性能的影響：組織特點(diǎn)：組織不均勻，存在三晶區(qū)，即外層細(xì)晶區(qū)、中間柱狀晶區(qū)和中心粗大等軸晶區(qū)往往會有縮孔、氣孔、夾雜物等鑄造缺陷性能特點(diǎn)：強(qiáng)度、硬度低塑性較好耐腐蝕性較差46焊接組織：奧氏體不銹鋼的焊接接頭組織47焊接組織特點(diǎn)及對性能的影響：組織特點(diǎn)：焊接接頭包括焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)性能特點(diǎn)：焊縫強(qiáng)度不低于母材，但易產(chǎn)生裂紋熔合區(qū)很窄，但組織性能最差，強(qiáng)度低，塑性差，是產(chǎn)生裂紋及局部脆斷的發(fā)源地?zé)嵊绊憛^(qū)組織不均勻，緊靠熔合區(qū)的過熱區(qū)晶粒粗大，塑形和韌性均下降，也易產(chǎn)生裂紋；正火區(qū)力學(xué)性能優(yōu)于母材；最靠近母材的部分相變區(qū)力學(xué)性能比正火區(qū)稍差48冷加工組織：冷加工變形前（左）后（右）組織示意圖49冷加工組織特點(diǎn)及對性能的影響：組織特點(diǎn)：晶粒被拉長，呈纖維狀或竹節(jié)狀位錯(cuò)纏結(jié)，形成胞狀組織和亞結(jié)構(gòu)，使一個(gè)晶粒分割成許多位向差很小的亞晶粒，晶粒尺寸減小出現(xiàn)變形織構(gòu)（擇優(yōu)取向，即位向有序化）性能特點(diǎn)：晶格畸變，強(qiáng)度硬度提高（冷作硬化），塑性下降呈各向異性，沿纖維方向力學(xué)性能優(yōu)于垂直方向?qū)щ妼?dǎo)熱性下降，化學(xué)活性提高，耐蝕性降低50冷加工變形金屬的加熱：冷加工變形金屬在加熱過程中組織變化示意圖51回復(fù)的定義與機(jī)理：定義：原子回到穩(wěn)定的平衡位置的過程。機(jī)理：低溫回復(fù)：空位消失中溫回復(fù)：位錯(cuò)的滑移、對消高溫回復(fù)：位錯(cuò)的滑移和攀移，形成多邊化亞晶粒多邊化前（左）后（右）刃型位錯(cuò)排列情況示意圖52回復(fù)過程中金屬材料組織性能變化：組織變化：晶粒外形、位向不變消除大部分內(nèi)應(yīng)力，彈性應(yīng)變基本得以消除（去應(yīng)力退火），但晶間、晶內(nèi)微裂紋未予修復(fù)性能變化：力學(xué)性能變化不大恢復(fù)部分物理化學(xué)性能，電阻率下降，耐蝕性提高53再結(jié)晶的定義與機(jī)理：定義：隨加熱溫度升高，在形變金屬的基體上出現(xiàn)無應(yīng)變的新晶粒，直至全部基體都被這些新晶粒所取代的過程。機(jī)理：形核+長大（應(yīng)變能轉(zhuǎn)化成界面能）再結(jié)晶過程示意圖54再結(jié)晶過程中金屬材料組織性能變化：組織變化：纖維狀的變形晶粒全部轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶內(nèi)應(yīng)力全部消除，化學(xué)成分均勻化，修復(fù)了顯微裂紋性能變化：強(qiáng)度下降，塑性提升消除了各向異性55正常晶粒長大的定義與機(jī)理：定義：在晶粒界面曲率的驅(qū)動下，金屬依靠晶界的移動，大晶粒吞并小晶粒，而使得晶粒尺寸均勻變大的過程。機(jī)理：晶界能是晶粒長大的推動力。正常晶粒長大過程示意圖56反常晶粒長大的定義與機(jī)理：定義：有時(shí)候會有少數(shù)晶粒吞并周圍其他小晶粒而急劇長大，而其他晶粒仍保持細(xì)小，最后小晶粒被大晶粒吞并，整個(gè)金屬的晶粒都變得十分粗大，超過原始晶粒尺寸幾十倍甚至上百倍，這稱為反常晶粒長大或者二次再結(jié)晶。機(jī)理：存在雜質(zhì)或第二相粒子阻礙晶界運(yùn)動反常晶粒長大示意圖57晶粒長大過程中金屬材料組織性能變化：組織變化：正常晶粒長大：晶粒尺寸均勻增大（拋物線定律）反常晶粒長大：晶粒尺寸變得不均勻，出現(xiàn)大晶粒，但平均晶粒尺寸存在