材料加工原理课件 第3讲
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材料加工原理课件
• 切削力稳定，精度高 • 适用于钢、铁、铝等材料
车床
• 能够加工中小孔以及薄 壁管材
• 适用于黑心铸件、铸锭 等材料
磨床
• 将零件磨成规定的形状 和尺寸
• 适用于制作精密零件的 加工工具
案例分析
1 创新成型技术
通过引入计算机数字控制技术，创造出对计算机程序控制成型、整体车削加工等全新加 工程序。
2 高速切削技术
运用高速减摩来提高切削效率和精度，并降低温度和成本。
3 悬臂梁加工
通过悬臂的方式，增加机械加工的运动自由度和机械性能，快速完成工艺。
课程总结
观念变革
要把握知识和技术的最新变化，灵活运用创新 思维，注重产品质量与市场需求。
实践操作
不断提高自身的能力，通过实践和交流，进一 步提高自己的加工技巧和知识水平。
原理概述
材料本质
材料加工原理是连续弹性加工和塑性加工相结合的物理过程，对材料本身的特点和力学性能 有很高的要求。
成形技术
通过变形和分离来形成所需材料的几何尺寸和表面特征，成为成形加工技术。
加工方法
1
机加工
包括车、铣、刨等，能够应对不同材料的需求。
2
锻压成型
通过冲压和挤压将钢材等材料变成所需形状，广泛应用于大量生产中。
3
热加工
如高温形变，热轧，热锻等，能够改变材料的性质和结构。
加工工艺
冷拔工艺
通过金属材料的塑性变形，实现 长轴向尺寸的压缩。
炼钢工艺
将生铁和轧钢坯中的杂质去除或 控制，达到制造出优质钢铁的目 的。
铸造工艺
将熔化后的金属注入预先准备好 的铸模中，通过冷却定形为所需 要的金属制品。
加工工具与设备
铣床
车床
• 能够加工中小孔以及薄 壁管材
• 适用于黑心铸件、铸锭 等材料
磨床
• 将零件磨成规定的形状 和尺寸
• 适用于制作精密零件的 加工工具
案例分析
1 创新成型技术
通过引入计算机数字控制技术，创造出对计算机程序控制成型、整体车削加工等全新加 工程序。
2 高速切削技术
运用高速减摩来提高切削效率和精度，并降低温度和成本。
3 悬臂梁加工
通过悬臂的方式，增加机械加工的运动自由度和机械性能，快速完成工艺。
课程总结
观念变革
要把握知识和技术的最新变化，灵活运用创新 思维，注重产品质量与市场需求。
实践操作
不断提高自身的能力，通过实践和交流，进一 步提高自己的加工技巧和知识水平。
原理概述
材料本质
材料加工原理是连续弹性加工和塑性加工相结合的物理过程，对材料本身的特点和力学性能 有很高的要求。
成形技术
通过变形和分离来形成所需材料的几何尺寸和表面特征，成为成形加工技术。
加工方法
1
机加工
包括车、铣、刨等，能够应对不同材料的需求。
2
锻压成型
通过冲压和挤压将钢材等材料变成所需形状，广泛应用于大量生产中。
3
热加工
如高温形变，热轧，热锻等，能够改变材料的性质和结构。
加工工艺
冷拔工艺
通过金属材料的塑性变形，实现 长轴向尺寸的压缩。
炼钢工艺
将生铁和轧钢坯中的杂质去除或 控制，达到制造出优质钢铁的目 的。
铸造工艺
将熔化后的金属注入预先准备好 的铸模中，通过冷却定形为所需 要的金属制品。
加工工具与设备
铣床
材料加工原理课件课件
材料加工原理课件
欢迎来到材料加工原理课件！本课程将带你深入了解材料加工的基本原理和 各种工艺，展示最新的技术和行业趋势。让我们开始探索吧！
材料加工原理介绍
1
加工基础
解释什么是材料加工以及其在工业生产中的重要性。
2
物质结构
探索不同材料的结构和性质对加工过程的影响。
3
加工参数
介绍影响加工质量和效率的关键参数。
了解车削的基本原理以及用于粗加工和精加工的不同类型。
2
铣削
探索铣削的原理和用途，以及不同刀具类型的特点。
3
钻削
介绍钻削工艺及其在孔加工中的应用。
塑性加工及其原理
挤压
了解挤压工艺以及在制造连续性截面的材料中 的应用。
冲压
介绍冲压工艺及其在快速制造大批量零件中的 应用。
拉伸
探索拉伸过程中材料的行为和塑性变形的机制。
基本材料加工工艺
1 铸造
了解铸造工艺以及其在制造复杂形状和大型 件和热量改变材料的形状。
3 成型
4 切削制造
介绍常见的成型工艺，如挤压、拉伸和压缩， 以及它们的应用。
讨论切削工艺及其在制造各种形状的零件时 的作用。
热加工及其原理
焊接
了解不同类型的焊接工艺和焊接过程中的热能转化。
锻压
讨论锻压的原理和用途，以及在制造高强度零 件时的优势。
材料焊接及其原理
电弧焊接
了解电弧焊接的原理、设备和常 见应用。
激光焊接
探索激光焊接技术的原理和在高 精度制造中的应用。
摩擦焊接
介绍摩擦焊接的原理以及在异种 材料连接中的优势。
材料压缩及其原理
1 挤压
了解压缩的原理和在制造复杂形状和构件中 的应用。
欢迎来到材料加工原理课件！本课程将带你深入了解材料加工的基本原理和 各种工艺，展示最新的技术和行业趋势。让我们开始探索吧！
材料加工原理介绍
1
加工基础
解释什么是材料加工以及其在工业生产中的重要性。
2
物质结构
探索不同材料的结构和性质对加工过程的影响。
3
加工参数
介绍影响加工质量和效率的关键参数。
了解车削的基本原理以及用于粗加工和精加工的不同类型。
2
铣削
探索铣削的原理和用途，以及不同刀具类型的特点。
3
钻削
介绍钻削工艺及其在孔加工中的应用。
塑性加工及其原理
挤压
了解挤压工艺以及在制造连续性截面的材料中 的应用。
冲压
介绍冲压工艺及其在快速制造大批量零件中的 应用。
拉伸
探索拉伸过程中材料的行为和塑性变形的机制。
基本材料加工工艺
1 铸造
了解铸造工艺以及其在制造复杂形状和大型 件和热量改变材料的形状。
3 成型
4 切削制造
介绍常见的成型工艺，如挤压、拉伸和压缩， 以及它们的应用。
讨论切削工艺及其在制造各种形状的零件时 的作用。
热加工及其原理
焊接
了解不同类型的焊接工艺和焊接过程中的热能转化。
锻压
讨论锻压的原理和用途，以及在制造高强度零 件时的优势。
材料焊接及其原理
电弧焊接
了解电弧焊接的原理、设备和常 见应用。
激光焊接
探索激光焊接技术的原理和在高 精度制造中的应用。
摩擦焊接
介绍摩擦焊接的原理以及在异种 材料连接中的优势。
材料压缩及其原理
1 挤压
了解压缩的原理和在制造复杂形状和构件中 的应用。
《材料加工原理》PPT课件
5
体积凝固方式（糊状凝固方式）特点：
a）铸件断面温度平坦 b）结晶温度范围很宽——凝固动态曲线上的两相边
界纵向间距很大
6
3、中间凝固（结晶范围较窄或铸件断面温度梯度较大的合金） 如果合金的结晶范围较窄， 或因铸件断面的温度梯度 较大，铸件断面上的凝固 区域介于前两者之间时， 属于“中间凝固方式”。
26
( 二 ) 缩松的形成
27
( 二 ) 缩松的形成
28
( 二 ) 缩松的形成
29
( 二 ) 缩松的形成
30
（1）当粗大的等轴晶互相连接以后，便将尚未凝固的液态金属 分割成一个个互不沟通的溶池，最后在铸件中形成分散性的缩 松。采用普通冒口消除缩松是很困难的，往往采用其它措施， 如增加冒口的补缩压力，加速冷却等.
分类：
形壳凝固（表面凝固速率>中心）
机制：宏观S-L界面分散，界面推进方向与传热方向相同。
热量通过液相向环境散失。凝固速率取决于液相过 冷度。
形貌：等轴晶
15
三、结晶温度范围对铸件凝固过程的影响
1、窄结晶温度范围的合金 包括纯金属、共晶成分合金和其它窄结晶温度范围的合金
金属浇入铸型后，首先 在型壁处过冷，形成激冷层 ，然后按柱状晶的形势紧密 生长，固相界面前沿为平面 推进的方式.
16
由于凝固前沿直接与液态金属接触，当 液态凝固成为固态而发生体积收缩时， 可以不断地得到液体的补充，所以： （1）产生分散缩松的倾向小，而是在铸件 最后凝固部位留下集中缩孔，设置冒口 易消除，因此其合金的补缩特性良好； （2）这类合金铸件在凝固过程中当收缩受 阻而产生晶间裂纹时，也容易得到金属 液的充填，使裂纹愈合，所以铸件的热 裂倾向小。 （3）如果这类合金在充型过程中发生凝固 时，也具有较好的充型能力。
体积凝固方式（糊状凝固方式）特点：
a）铸件断面温度平坦 b）结晶温度范围很宽——凝固动态曲线上的两相边
界纵向间距很大
6
3、中间凝固（结晶范围较窄或铸件断面温度梯度较大的合金） 如果合金的结晶范围较窄， 或因铸件断面的温度梯度 较大，铸件断面上的凝固 区域介于前两者之间时， 属于“中间凝固方式”。
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( 二 ) 缩松的形成
27
( 二 ) 缩松的形成
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( 二 ) 缩松的形成
29
( 二 ) 缩松的形成
30
（1）当粗大的等轴晶互相连接以后，便将尚未凝固的液态金属 分割成一个个互不沟通的溶池，最后在铸件中形成分散性的缩 松。采用普通冒口消除缩松是很困难的，往往采用其它措施， 如增加冒口的补缩压力，加速冷却等.
分类：
形壳凝固（表面凝固速率>中心）
机制：宏观S-L界面分散，界面推进方向与传热方向相同。
热量通过液相向环境散失。凝固速率取决于液相过 冷度。
形貌：等轴晶
15
三、结晶温度范围对铸件凝固过程的影响
1、窄结晶温度范围的合金 包括纯金属、共晶成分合金和其它窄结晶温度范围的合金
金属浇入铸型后，首先 在型壁处过冷，形成激冷层 ，然后按柱状晶的形势紧密 生长，固相界面前沿为平面 推进的方式.
16
由于凝固前沿直接与液态金属接触，当 液态凝固成为固态而发生体积收缩时， 可以不断地得到液体的补充，所以： （1）产生分散缩松的倾向小，而是在铸件 最后凝固部位留下集中缩孔，设置冒口 易消除，因此其合金的补缩特性良好； （2）这类合金铸件在凝固过程中当收缩受 阻而产生晶间裂纹时，也容易得到金属 液的充填，使裂纹愈合，所以铸件的热 裂倾向小。 （3）如果这类合金在充型过程中发生凝固 时，也具有较好的充型能力。
清华大学材料加工原理课件第3-2讲
记：金属/铸型界面温度为Ti，铸件浇注温度为Tp，铸件凝固
温度为Ts，铸型初始温度为T0，
则：Tp=Ti=Ts
平方根定律
铸型温度场Tm = Ti + (Ti − T0 ) ⋅ erf ( x 2 α mt ) , x≤0 ⎛ x2 ⎞ ∂Tm 1 ⇒ = (Ti − T0 ) exp ⎜ − ⎟，即为x处的温度梯度 ∂x πα mt ⎝ 4α mt ⎠ ∂Tm 则x处单位面积通过的热流量（t时刻） : qm = λm ，单位[W m 2 ] ∂x 1 在x = 0即铸件 / 铸型界面处的热流量：q f = qm x =0 = λm (Ti − T0 ) 0 ~ t内流过界面的热流量：Q f = ∫ q f dt = 2λm (Ti − T0 )
(
)
(
)
(
)
高斯误差积分值
铸件在金属型中的凝固传热
① 铸件温度场TM：
⎧ x = 0时， TM = Ti 边界条件： ⎨ ⎩ x = ∞ 时， TM = TP
T = A + B ⋅ erf (
x 2 αt
)
得：A = Ti , B = TP − Ti
TM = Ti + (TP − Ti ) ⋅ erf (
Fourier方程的推导
∂T r ∂T r ∂T r grad (T ) = ∇T = i+ j+ k ∂z ∂x ∂y ∂T ∂T ∂T + + div(T ) = ∂x ∂y ∂z ∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T ⇒ div(∇T ) = 2 + 2 + 2 = ∇ 2T ∂x ∂y ∂z
∫∫∫ λdiv (∇T )dV = ∫∫ λ∇TdS
高分子材料加工成型原理--物料组成及混合 ppt课件
硬脂酸及其盐类、硬脂酸 硬脂酸、石蜡、矿物油及硅油 丁酯、硬脂酰胺，油酰胺 等 等
种类
“内润滑”与“外润滑”是相对的，取决于润滑剂与聚合物之间的相溶 性；大多既有外润滑性质，又有内润滑性质，仅少数具有单一性质。
润滑剂
润滑剂加入的影响：
能降低聚合物的流动温度，增加其流动性； 过多的加入，在高的剪切作用条件下会缩短聚合物在设备中的停留时间，以致产生 不均匀熔融物料，同时对材料的玻璃化温度、热变形温度、机械强度和伸长率等都 会有影响； 所以使用润滑剂时应先研究其对熔化的影响，然后再考虑它们的润滑性能。
• 过多，易由成型表面析出(常称起霜)，从而影响外观等； • 用量过少不足以起润滑作用；
润滑剂
润滑剂分类： 内润滑剂 外润滑剂 与聚合物的相溶性很小
相溶性
与聚合物相溶性的较大
作用机理
易从内部析至表面而粘附于设 减少聚合物分子间的内聚 备的接触表面 ( 或涂于设备的表 能，降低其熔体粘度，从 面上 ) ，形成一润滑剂层，降低 而削弱聚合物间的内摩擦， 了熔体和接触表面间的摩擦， 改进塑料熔体的流动性能 防止塑料熔体对设备的粘接
影响计量与操作环境
过细粒子易造成粉尘飞扬和容积计量的困难
水分及挥发物含量、结晶度、密度等的影响 对粉(粒)料的配制和制品性能有着较大影响，应很好的 加以控制
增塑剂
概念
作用
作用机理 性质要求
选用原则
使用现状
增塑剂
增塑剂
增塑剂是指增加塑料的可塑性，改善在成型加工时树脂的流动性，并使制品具有 柔韧性的有机物质。 它通常是一些高沸、难以挥发的粘稠液体或低熔点的固体，一般不与塑料发生化 学反应。
种类
“内润滑”与“外润滑”是相对的，取决于润滑剂与聚合物之间的相溶 性；大多既有外润滑性质，又有内润滑性质，仅少数具有单一性质。
润滑剂
润滑剂加入的影响：
能降低聚合物的流动温度，增加其流动性； 过多的加入，在高的剪切作用条件下会缩短聚合物在设备中的停留时间，以致产生 不均匀熔融物料，同时对材料的玻璃化温度、热变形温度、机械强度和伸长率等都 会有影响； 所以使用润滑剂时应先研究其对熔化的影响，然后再考虑它们的润滑性能。
• 过多，易由成型表面析出(常称起霜)，从而影响外观等； • 用量过少不足以起润滑作用；
润滑剂
润滑剂分类： 内润滑剂 外润滑剂 与聚合物的相溶性很小
相溶性
与聚合物相溶性的较大
作用机理
易从内部析至表面而粘附于设 减少聚合物分子间的内聚 备的接触表面 ( 或涂于设备的表 能，降低其熔体粘度，从 面上 ) ，形成一润滑剂层，降低 而削弱聚合物间的内摩擦， 了熔体和接触表面间的摩擦， 改进塑料熔体的流动性能 防止塑料熔体对设备的粘接
影响计量与操作环境
过细粒子易造成粉尘飞扬和容积计量的困难
水分及挥发物含量、结晶度、密度等的影响 对粉(粒)料的配制和制品性能有着较大影响，应很好的 加以控制
增塑剂
概念
作用
作用机理 性质要求
选用原则
使用现状
增塑剂
增塑剂
增塑剂是指增加塑料的可塑性，改善在成型加工时树脂的流动性，并使制品具有 柔韧性的有机物质。 它通常是一些高沸、难以挥发的粘稠液体或低熔点的固体，一般不与塑料发生化 学反应。
材料加工原理课件
个性化与定制化
随着个性化需求的增加，未来材料加工将更加注重个性化与定制化， 满足不同用户的需求。
THANKS
感谢观看
04
材料加工设备与、落砂机、抛丸机等，用于生产砂型铸件。
特种铸造设备
如金属型铸造机、离心铸造机、连续铸造机等，适用于特定类型的铸件生产。
焊接设备
手工焊接设备
包括焊枪和焊条，适用于手工焊接金属材料。
自动焊接设备
如焊接机器人、焊接专机等，能够实现自动化焊接，提高生产效率。
电子信息产业
医疗器械制造
材料加工在电子信息产业中广泛应用，涉 及芯片制造、电子封装、PCB板制造等领域， 是现代电子产品的核心技术之一。
材料加工在医疗器械制造中具有重要作用， 如钛合金、医用不锈钢等材料的加工制造， 对医疗技术的发展起到关键作用。
材料加工新技术与新工艺
增材制造
增材制造技术通过逐层堆积材料来制造三维实体，具有个 性化定制、高效、节能等优点，是现代制造技术的重要发 展方向。
对流换热定律
在流体流动过程中，流体与固体壁面之间的热量 交换速率与表面积、温差及流体的性质有关。
辐射换热定律
物体之间相互辐射和吸收热量，其交换速率与物 性、温度、波长等因素有关。
传质学原理
扩散定律
物质在静止或缓慢流动的流体中传递 的速率与该物质的浓度梯度和扩散系 数成正比。
对流传质定律
在流动的流体中，溶质传递的速率与 浓度梯度、流体流动的速度、扩散系 数及质量作用系数成正比。
钎焊
使用熔点低于母材的金属作为钎料，将母材连接在一起。
塑性加工技 术
轧制
01
通过旋转轧辊将金属板材轧制成各种形状和尺寸的板材和管材。
锻造
随着个性化需求的增加，未来材料加工将更加注重个性化与定制化， 满足不同用户的需求。
THANKS
感谢观看
04
材料加工设备与、落砂机、抛丸机等，用于生产砂型铸件。
特种铸造设备
如金属型铸造机、离心铸造机、连续铸造机等，适用于特定类型的铸件生产。
焊接设备
手工焊接设备
包括焊枪和焊条，适用于手工焊接金属材料。
自动焊接设备
如焊接机器人、焊接专机等，能够实现自动化焊接，提高生产效率。
电子信息产业
医疗器械制造
材料加工在电子信息产业中广泛应用，涉 及芯片制造、电子封装、PCB板制造等领域， 是现代电子产品的核心技术之一。
材料加工在医疗器械制造中具有重要作用， 如钛合金、医用不锈钢等材料的加工制造， 对医疗技术的发展起到关键作用。
材料加工新技术与新工艺
增材制造
增材制造技术通过逐层堆积材料来制造三维实体，具有个 性化定制、高效、节能等优点，是现代制造技术的重要发 展方向。
对流换热定律
在流体流动过程中，流体与固体壁面之间的热量 交换速率与表面积、温差及流体的性质有关。
辐射换热定律
物体之间相互辐射和吸收热量，其交换速率与物 性、温度、波长等因素有关。
传质学原理
扩散定律
物质在静止或缓慢流动的流体中传递 的速率与该物质的浓度梯度和扩散系 数成正比。
对流传质定律
在流动的流体中，溶质传递的速率与 浓度梯度、流体流动的速度、扩散系 数及质量作用系数成正比。
钎焊
使用熔点低于母材的金属作为钎料，将母材连接在一起。
塑性加工技 术
轧制
01
通过旋转轧辊将金属板材轧制成各种形状和尺寸的板材和管材。
锻造
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
61
3. 离心铸造应用范围
用离心铸造法生产产量很大的铸件有以下几种： (1) 铁管，世界上每年球墨铸铁管件总产量的近一半是用离心铸造法生产的； (2) 柴油发动机和汽油发动机的气缸套。 (3) 各种类型的铜套。 (4) 双金属钢背铜套、各种合金的轴瓦。 (5) 造纸机滚筒。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
冷压室卧式压铸（目前应用最多)
(3)取出铸件：铸件凝固之后，抽芯机构将型腔两侧型芯同时抽 出，动型左移开型，铸件则借冲头的前伸动作离开压室。此后， 在动型继续打开过程中，由于顶杆停止了左移、铸件在顶杆的作 用下被顶出动型(图d)。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
冷室压铸机的压室 和熔炉是分开的， 压铸时要从保温炉 中舀取金属液倒入 压室内，再进行压 铸。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
冷压室卧式压铸（目前应用最多)
(1)注入金属 先闭合压型，将勺内金属液通过压室上的注 液孔向压室内注入(图a)。 (2)压铸压射冲头向前推进，金属液被压人压型中(图b)。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
1、压力机工作原理及应用 （1）热压室压铸机
热室压铸机的压室 与合金熔化炉联成一体， 压室浸在保温坩埚的液 体金属中，压射机构装 在坩埚上面，用机械机 构或压缩空气所产生的 压力进行压铸。
图3-23为热室压铸机工作原理示意图。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
（2）冷压室压铸机
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
二、 压力铸造
定义：在高压（30～70MPa) 下将液态或半液态合金 快速( 5～100mm/s,t=0.05～0.2s))地压入金属铸型中， 并在压力下凝固，以获得铸件的方法。
61
3. 离心铸造应用范围
用离心铸造法生产产量很大的铸件有以下几种： (1) 铁管，世界上每年球墨铸铁管件总产量的近一半是用离心铸造法生产的； (2) 柴油发动机和汽油发动机的气缸套。 (3) 各种类型的铜套。 (4) 双金属钢背铜套、各种合金的轴瓦。 (5) 造纸机滚筒。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
冷压室卧式压铸（目前应用最多)
(3)取出铸件：铸件凝固之后，抽芯机构将型腔两侧型芯同时抽 出，动型左移开型，铸件则借冲头的前伸动作离开压室。此后， 在动型继续打开过程中，由于顶杆停止了左移、铸件在顶杆的作 用下被顶出动型(图d)。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
冷室压铸机的压室 和熔炉是分开的， 压铸时要从保温炉 中舀取金属液倒入 压室内，再进行压 铸。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
冷压室卧式压铸（目前应用最多)
(1)注入金属 先闭合压型，将勺内金属液通过压室上的注 液孔向压室内注入(图a)。 (2)压铸压射冲头向前推进，金属液被压人压型中(图b)。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
1、压力机工作原理及应用 （1）热压室压铸机
热室压铸机的压室 与合金熔化炉联成一体， 压室浸在保温坩埚的液 体金属中，压射机构装 在坩埚上面，用机械机 构或压缩空气所产生的 压力进行压铸。
图3-23为热室压铸机工作原理示意图。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
（2）冷压室压铸机
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
二、 压力铸造
定义：在高压（30～70MPa) 下将液态或半液态合金 快速( 5～100mm/s,t=0.05～0.2s))地压入金属铸型中， 并在压力下凝固，以获得铸件的方法。
材料与加工PPT课件
切削性 面心立方格子（FCC）的純金屬通常太軟，而易造成積屑刃口；太硬的材料，容易造成刀具磨耗；鑽石的碳容易擴散到鋼鐵材料中，造成損耗；不鏽鋼切削時容易硬化，而切屑導熱係數低，造成刀具溫度升高而加速磨耗。 低碳鋼要改善切削性有以下方法： (1)加鉛 (2)加硫或硫化鈉 (3)加磷、錳、鈣 (4)加銻
陶瓷材料
聚合材料1
聚合材料2
複合材料1
電子材料
鋼和鐵
2-1 材料的分類杜拉鋁1杜Fra bibliotek鋁2黃銅
青銅1
青銅2
2-4 材料的選用
腐蝕
高溫環境
回收
2-2 材料的規格
表2-3 SAE與AISI鋼種類
2-2 材料的規格
鋼材的顏色標示
鋼 鐵 材 料
顏 色
中碳鋼
黃
高碳工具鋼
紅
高速鋼
藍綠各半
特種冷模合金鋼
紫
特種熱壓模合金鋼
紅藍各半
表2-4 常用鋼材之顏色標示
2-2 材料的規格
鋁合金規格 AA及ASTM。 第二位數由0～9，0代表基本合金，1～9分別表示改良順序；第三、四位數在純鋁表示小數點以下二位數，合金則表示原Alcoa的編號。
2-4 材料的選用
性質與應用 1.高溫環境：高溫環境如鍋爐、射出成型模、壓鑄模…等。高溫環 境會加速氧化、潛變，降低強度、硬度。 製造加工 有些材料可以透過處理而使加工性提高。 來源與成本 丟棄與環保 使用環境
相關影片展示
2-4 材料的選用
腐蝕
高溫環境
回收
2-1 材料的分類
2-2 材料的規格
表2-1 鋼的種類或用途
2-2 材料的規格
2-2.1 鋼鐵材料的規格 (2)機械結構用鋼：機械結構用鋼與結構用合金鋼為鋼 鐵材料的例外，其符號分為5部分： 1.字母S（Steel）表示鋼； 2.主合金元素符號分為單種和複合；
第三讲 体硅加工
第四讲：体硅加工――1多晶硅有很多优点，也有非常系统深入的研究积累，但是，人们经常费力地刻蚀单晶硅以获得硅膜：选择单晶硅作为MEMS的结构材料的主要因素：1．基于IC技术的基础，硅提供了集成制造的可能性2．对单晶硅各种性质特别是物理特性的研究非常透彻3．硅相关的技术和设备可以借用IC工业的积累4．没有那一种高纯度的单晶材料能够拥有像硅材料这样高的性价比，并且可以大批量廉价提供。
5．单晶硅的许多重要特性非常适合作为微结构材料。
除了精细结构成型加工特性之外，它的机械特性、压阻效应、结构稳定性等也是吸引人的优点600度以下不会蠕变，除非破裂，否则会回复固有形状。
硅的物理特性关于脆裂（breaking），由于单晶硅晶体的完整性，一旦有任何细微裂纹产生，就没有制约的因素存在（比如晶界），在张力作用下迅速扩展，故单晶硅的断裂是它的缺点之一。
因此，即使是表面细微的损伤也会显著改变断裂强度的测试结果。
硅的压阻系数与多种因素有关，主要有掺杂水平、温度、晶格取向和电流相对于张力的走向，系数可以在＋120到－120之间变化，一般金属该数值约为2。
压阻效应相当灵敏，成为许多物理传感器检测信号的基础。
热传导系数与一般金属相当，考虑到微结构一般尺寸比较小，多数情况下足以承担散热的重任。
为什么还要研究硅的微机械加工技术？半导体工艺虽然对硅相关的基本性质和微细加工技术已经有了透彻的认识，但是与MEMS的要求尚有比较大的差距，主要表现在纵身方向大加工深度上，在半导体工艺中，即使是最深的隔离工艺，其加工深度也不会超过10微米，绝大多数在1微米之内，但是MEMS结构很多情况下加工深度与宽度相仿，相当一部分要求高深宽比结构，而且这些结构还要沟通不同的结构层次，是半导体加工难以实现的，所以必须开展针对性的研究。
体硅加工的本质就是有选择地去掉部分硅材料，使留下的硅结构满足器件构造的需求体硅加工的硅微结构，基本的形式有以下几种：各向同性刻蚀各向异性刻蚀悬臂梁等运动结构释放实现上述结构的体硅加工技术主要有三种工艺路线：湿法刻蚀、表面微机械多孔硅技术和干法刻蚀，还有一些辅助技术也是必须的，如掩膜突角补偿技术、电化学控制刻蚀、SOI衬底技术等，无论采用哪一种工艺路线，借助掩膜实现选择性是一样的，因此，关于硅刻蚀，下面一些问题是共性的：掩膜图形设计（包括可能的凸角补偿、底切量预置等）掩膜材料的选择、掩膜薄膜图形化技术、刻蚀反应的选择性、各向异性、终止层（面）、掩膜材料清除、精细结构脱水或者表面修饰等，它们针对不同的体系有不同的解决方案，也有一些惯例可以借鉴，下面将结合用途逐一加以简单介绍：湿法刻蚀湿法刻蚀分为各向同性和各向异性刻蚀两类其中各向同性刻蚀主要以含氧化性添加剂的氢氟酸为酸性刻蚀剂，各向异性以各类强碱性溶液为主，其中又以KOH、THAM、EDP等为最常用。
材料加工原理课件
研究方法： 数学－－力学模型法
化 简
真实加工过程
简单过程
建立数学模型
求解参数及分布 制品性能预测
修正
描述真实生产过程
加工原理的研究方法总结： 建立场的概念，利用数学、化学、力学、化
工原理的基本概念和理论，建立数学模型，研究 外力作用与材料形变之间的定量关系，解释材料 凝聚态结构的形成原理。从而可将工艺的“宏观 ”考虑方式与原理的“微观”具体分析相结合， 推动高分子成型技术研究的深入与创新。
天 然 胶 制 品 加 工 厂
注 压 成 型 机
二十世纪（合成高分子材料和加工技术的大发展期）
Standinger 创立了大分子的概念，合成高分子 快速发展 30～80年代 大批合成高分子（塑料、橡胶、纤维）问世 如醋酸纤维素、PVC、PP、SBR、NBR、PA、 EPDM、PE、IIR、CR等投入市场 1920年 研究内容 材料结构与性能的关系 应用理论 提出了聚合物的凝聚态结构、填充、交联、 老化、力化学改性等理论
材料的相互作用参数（扩散、相容、界面作 用等） 材料结构参数 (Tg、 Tf 、Td、Tm、粘度、M MW等） 工艺参数 ( T、P、V、σ、τ） 设备参数 （容量、转速、几何形状尺寸）
加工过程参数
之间关系 材料性能
流变响应性能（η、γ或ε、形变速率） 力学性能 热学性能 动态力学性能 功能性能（光、电、磁、声）
开创成型加工新的理论，指导开创新工艺和技
术，设计先进的设备和机台。
二、材料加工原理的研究内容及方法 1、材料加工工艺的研究 研究内容： 材料结构的特点 配备相应的工艺条件 加工设备的特征 制品的性能测定。
研究方法：采用模糊处理的方法，评经验解
决问题
现代材料加工过程的计算机模拟-第3讲不同尺度的组织模拟方法简介
第一性原理方法
第一性原理，英文First Principle，是一个计算物理或 计算化学专业名词，广义的第一性原理计算指的是一切 基于量子力学原理的计算。
我们知道物质由分子组成，分子由原子组成，原子由 原子核和电子组成。量子力学计算,就是根据原子核和电 子的相互作用原理去计算分子结构和分子能量（或离 子），然后就能计算物质的各种性质。
与MC方法一样，大多数的研究中只 考虑了与宏观传热的结合，未能有效地 耦合宏观的质量方程。
介观、微观尺度的计算材料学模型
• 模拟方法 – Monte Carlo (MC)：从统计的角度出发，采 用随机抽样的方法来解释物理模型 – Cellular Automaton (CA)：将研究整体离散 成有限个胞，将时间离散成时间步，每个胞 的状态随着时间步的变化按一定规则变化， 在变化中只受相邻胞的影响实现局部的相互 作用 – 相场法：通过相场方程，可以考虑界面的起 伏与形核等因素对组织的影响
从头算（ab initio）是狭义的第一性原理计算，它是指 不使用经验参数，只用电子质量，光速，质子中子质量 等少数实验数据去做量子计算。但是这个计算很慢，所 以就加入一些经验参数，可以大大加快计算速度，当然 也会不可避免的牺牲计算结果精度。
•
为什么称量子力学计算为第一性原理计
算？大概是因为这种计算能够从根本上计算出
来分子结构和物质的性质，这样的理论很接近
于反映宇宙本质的原理，就称为第一原理了。
•
广义的第一原理包括两大类，以Hartree-
Fork自洽场计算为基础的ab initio从头算，和密
度泛函理论（DFT）计算。也有人主张，ab
initio专指从头算，而第一性原理和所谓量子化
学计算特指密度泛函理论计算。
材料加工原理课件
材料加工技术面临的挑战
技术创新不足
当前材料加工技术的发展面临着技术创新不足的挑战。新 的材料加工技术需要不断探索和研究，需要加大科研力度 和资金投入。
人才短缺
随着材料加工技术的不断发展，人才短缺问题逐渐凸显。 培养具备专业技能和创新能力的材料加工人才成为当前的 重要任务。
成本压力
随着材料加工技术的精密化、智能化发展，生产成本不断 提高。如何在保证产品质量和性能的同时降低生产成本是 当前材料加工技术面临的重要挑战。
电子领域应用
半导体制造
半导体制造是电子领域的关键环节，其中材料加工技术如薄膜沉积、光刻和刻 蚀等是必不可少的。这些技术可以制造出高度集成的半导体芯片。
电子封装
电子封装中，材料加工技术如金属引线框架的制作和焊接等是关键。这些技术 可以确保电子产品的可靠性和性能。
建筑领域应用
钢结构制造
建筑领域中，钢结构是常见的结构形式之一。为了确保钢结构的安全性和稳定性 ，材料加工技术如切割、弯曲和焊接等是必不可少的。
案例三：高强度钢焊接工艺研究
总结词
高强度钢焊接工艺研究可以提高焊接质量和效率，降 低成本。
详细描述
高强度钢焊接工艺研究主要包括优化焊接参数、选择合 适的焊接方法和采用先进的焊接设备等。优化焊接参数 可以控制熔池温度、冷却速度和热影响区等，提高焊接 质量和效率。选择合适的焊接方法可以适应不同的材料 类型和厚度要求，例如激光焊接、电子束焊接和气体保 护焊等。采用先进的焊接设备可以实现自动化和机器人 焊接，提高生产效率和质量稳定性。此外，高强度钢焊 接工艺研究还可以涉及焊接缺陷检测和修复技术，以确 保产品质量。
推动科技进步
材料加工技术的发展不断推动着科 技进步，促进新材料、新工艺和新 设备的研发和应用。
材料加工原理课件课件
压制成型
02
将金属粉末压制成所需形状和尺寸的生坯。
烧结
03
通过加热使生坯中的粉末颗粒结合在一起，形成致密的金属材
料。
表面处理技术
电镀
利用电解原理在金属表面镀覆一层金属或合金的过程。
喷涂
通过喷枪或喷涂机将涂料喷涂在金属表面，形成保护层或装饰层。
化学转化膜技术
通过化学反应在金属表面形成一层具有保护作用的氧化膜或磷酸盐 膜。
。
加工设备与工艺不断更新
加工设备和工艺的不断更新换代，提高了材料加工的自动化和 智能化水平，减少了人工干预，提高了加工质量和效率。
材料加工面临的挑战
加工精度与表面质量要求 更高
随着产品性能的提高，对材料加工的精度和 表面质量要求也越来越高，需要不断改进加 工技术和设备。
复杂结构与异形件加工难度 大
材料加工原理课件
目录
• 材料加工概述 • 材料加工原理 • 材料加工技术 • 材料加工应用 • 材料加工发展与挑战
01 材料加工概述
材料加工的定义
定义
材料加工是将原材料转化为具有 特定形状、尺寸、组织和性能的 产品的过程。
目的
满足各种工程和产品的需求，实 现材料的高效利用和优化。
材料加工的重要性
新型加工方法与技
术
未来将不断涌现出新型的加工方 法和技术，如激光熔覆、超声波 加工等，这些新技术将为材料加 工带来更多的可能性。
复合加工与多工艺
融合
未来的材料加工将更加注重复合 加工和多工艺融合，如激光切割 与焊接、切削与磨削等工艺的结 合，以提高加工效率和精度。
THANKS FOR WATCHING
塑性加工过程
塑性加工过程包括变形、流动、 再结晶等步骤。
材料的加工性质 ppt课件
随着取向程度的提高，大分子间作用力增大， 引起聚合物粘度升高，使聚合物表现出“硬化” 倾向，形变也趋于稳定而不再发展。取向过程 的这种现象称为“应力硬化”。
当应力达到e点，材料因不能承受应力的作用 而破坏，这时的应力称为抗张强度或极限强度 。
形变的最大值称为断裂伸长率。
第二节
聚合物在加工过程中的粘弹行为
用定温下10分钟内聚合物从出料孔挤出的重量 （克）来表示
熔融指数测试仪FR-1811A 用于测定各种高聚物在粘 流状态时熔体流动速率 MFR值,它既适用于熔融温 度较高的聚碳酸酯、聚芳 砜、氟塑料、尼龙等工程 塑料,也适用于聚乙烯(PE) 、聚苯乙烯（PS）、聚丙 烯(PP)、ABS树脂、聚甲 醛（POM）、聚碳酸酯 (PC)树脂等熔融温度较低 的塑料测试,广泛地应用 于塑料生产,塑料制品、 石油化工等行业以及相关 院校、科研单位和商检部 门。
研究这些方法及所获得的产品质量与各种因素 (材料的流动和形变的行为以及其它性质、各 种加工条件参数及设备结构等)的关系，就是 聚合物加工这门技术的基本任务。
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
第一节
聚合物材料的加工性
高分子具有一些特有的加工性质，如良好的可塑性， 可挤压性，可纺性和可延性。正是这些加工性质为 高分子材料提供了适于多种多样加工技术的可能性， 也是高分子能得到广泛应用的重要原因。
根据高分子所表现的力学性质和分子热运动特征， 可将其划分为玻璃态、高弹态和粘流态，通常称这 些状态为聚集态。高分子的分子结构、高分子体系 的组成、所受应力和环境温度等是影响聚集态转变 的主要因素，在高分子及其组成一定时，聚集态的 转变主要与温度有关。不同聚集态的高分子，由于 主价健与次价健共同作用构成的内聚能不同而表现 出一系列独特的性质，这些性能在很大程度上决定 了高分子材料对加工技术的适应性，并使高分子在 加工过程表现出不同的行为
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ΔTr
Tm
GS
GL
温度
表明： 曲率对物质熔点的影响：固相表面曲率引 起熔点降低。
曲率越大（晶粒半径r越小），物质熔点 温度越低。
均质形核率
I均 f0N*
N
*
NL
exp
G均* kBT
单位体积液 相中的原子数
形核功
f0 NSp
固液界面紧邻固体
exp
GA kBT
r均*
2 CL
HV
Tm T
GV
HV T Tm
G均*
16
3
T 3 2
CL m
HV2T 2
4r 2
G*
O
r*
r
4 3
r
3GV
G
液体中存在“结构起伏”的原子集团，其统计平均尺寸 r°随温度降低（ΔT增大）而增大，r°与 r* 相交，交 点的过冷度即为均质形核的临界过冷度ΔT*（约为 0.18~0.20Tm）。
3)液态金属状态 过热对异质核心的影响
晶体长大
正温度梯度下的凝固界面形态
负温度梯度下的凝固界面形态
Jackson因子与界面形态
H0 kBTm
粗糙与光滑界面
二维和缺陷生长机制
不同生长机制的生长速度与过冷度的关系
连续生长 二维台阶生长
v1 K1 TK v2 K2 eB TK
2 LCTm
H T
• 将r*值代入△G非式，求得非均质形核的临界形核 功△G非*为
G非*
16
3
3 Lc
(
Tm H m T
)2[
2
3 cos
4
cos3
]
G均* f ( )
单位体积中液相 与非均质核心部 位接触的原子数
异质形核率
I异
f1N1*
f1
N
* L
e
0.020wt%Sr
Si相的孪晶与大角度分枝
石墨结构与生长方式
球状石墨的生长模型
球化前后的石墨组织
思考题：
1. 液态金属的主要结构信息有哪些？其表征和测定方法怎样？这些结构与性质会对液态金属 的凝固过程和凝固组织有什么影响？
2. 常用金属融化时的熵变与升华时的的熵变相大概是一个什么样的比例？这种熵变差异对金 属从液态结晶和从气相中结晶的界面形态有什么影响？
两个过程重叠交织
形核
长大 形成多晶体
生核过程
均匀形核
非均匀形核
是指完全依靠液态金属中 的晶胚形核的过程，液相 中各区域出现新相晶核的
几率都是相同的。
生核过程
均匀形核
非均匀形核
是指晶胚依附于液态 金属中的固态杂质表
面形核的过程。
均质形核
G均
4 3
r
3GV
4r 2 CL
dG均 0 dr
3. 如果液态金属的结构是均匀的，结晶将如何进行？ 4. 液态金属的冶金处理是通过哪些途径改变或控制凝固过程和凝固组织的？
研讨题：
按热力学理论估算，大多数金属当尺寸很小时（如小于2nm），其熔点将降至室温以下。 我们能在室温下拥有（制备和储存）如此小尺寸的金属粉末（颗粒）吗？为什么？
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
GV
HV
TSV
Gm Vm
凝固的热力学条件
∆GV= ∆HV−Tm ∆SV = 0
SV
HV Tm
GV HV TSV
GV
HV T Tm
H m T VmTm
液－固两相自由能与温度的关系
凝固的热力学条件
• 凝固的热力学和 动力学能障
– 界面能 – 激活能
金属结晶微观过程
r 2 SCLLVSTm HGmV T
过冷是结晶的必要条件之一
结构起伏与能量起伏
回忆：实际液 态金属结构？
结构起伏是结晶的必要条件之二
临界晶核的表面积为：
A
4 (r )2
16
2 CL
Tm H mT
2
而：
2
G
16
3
3 CL
exp 3
LC (
GA G均*
kBT
Tm )2 )
KT
3KT H T
形核率
是指单位时间内单位体积液体中形成晶 核的数量。用N＝N1*N2表示。
形核功影响
原子扩散能力
急冷
非晶态材料
异质形核
LS CS CL cos
G异 VCGV ACS CS LS ACLCL
Tm H m T
所以：
G
1 3
A CL
ΔG*的大小为临界晶核表面能的三分之一。形核功由熔体中的
“能量起伏”提供。
能量起伏是结晶的必要条件之三
气相中单个小尺寸金属的熔点
熔体中小结晶颗粒的熔点T3
Gls system
4 r3
3
Gs
Gl
4r 2 CL
核心的液体原子数
液体原子 振动频率
被固相接受 的几率
金属原子在结晶过程 液体原子扩散 中的自由能变化
激活能
均质形核率
I
均
I I
NCS peNxLpe(xpKGTAG)AkeBxTpG( 均* KTG
*
)
k1
C exp( GA ) exp( 16
（3）形成瞬时局部形核条件
Si对铸铁的孕育作用机理
孕育前后的灰铁晶粒度
影响晶粒长大的冶金处理 变质处理对Al-Si合金性能的影响
Al-7Si合金变质前后的硅相形态
Sr对亚共晶铝硅合金的变质作用
a
b
c
d
e
a
unmodified
b
0.005wt%Sr
c
0.010wt%Sr
d
0.015wt%Sr
exp
G异* kBT
f1N
* L
exp
G均* f
kBT
f1
N
* L
exp
B f
T 2
B
16 C3LTm2
3HV2 k BT
影响异质形核率的因素
1)过冷度 过冷度↑形核率↑
2)界面状况 点阵失配度、夹杂物基底形态
• 因此，形成了一个球形晶核的总自由能变化△G非为
G非 V冠GV LC SLC ( CS LS )SC S
[
4 r3
3
GV
4
r
2
LC
][
2
3
cos
4
cos3
]
G均 f ( )
• 非均质形核的临界晶核半径为
r非*
2 SC
GV
螺旋位错生长
v3 K3 TK2
不同生长机制的生长速度与过冷度的关系
2.3 液态金属的冶金处理
• 影响形核的冶金处理 • 影响生长的冶金处理
(1)引入有效的异质形核基底
共格和半共格关系
aS aC 100%
aC
（2）形成先凝固的同质核心基底
Al-Ti 和Al-B相图
细化处理前后Al-7Si合金的组织
第二章液态金属及其加工
2.2 液态金属凝固结晶的热力学与动力学
• 金属凝固结晶的热力学条件 • 均质形核 • 异质形核 • 晶体生长
凝固的热力学条件
G GL GS
HL TSL HS TSS
HL HS T SL SS
H TS
Gm Hm TSm
错配度 aC aN 100%
aN
δ越小，共格情况越好，界面张力σLC越小，越容易
进行非均质形核； δ≤5% ，为完全共格，非均质形核能力强
5% ＜ δ＜25%，为部分共格，衬底基底有一定非均 质形核能力
δ＞25%，为不共格，衬底无非均质形核能力
外来物质表面形貌
• 杂质表面的粗糙度对非均质形核的影响 凹面杂质形核效率最高，平面次之，凸面最差 。
4 3
r
3GV
4r 2 CL
4 3
r
3
HV
TSV
4r 2 CL
令：
Gls system
0
熔体中小结晶颗粒的熔点下降∆ T3
T3
1
3 CL
rHV
Tm
T3
Tm
T3
3 CLTm
rHV
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 VSp VS
1 1
r1 r2
2VS k
欲保持固相稳定，必须有一相应过冷度ΔTr使
自由能降低与之平衡（抵消）。
G2
H mTr
Tm
即G1 G2
2Vsk
H mTr Tm
0
Tr
2k VsTm
H m
G ΔG
T
由固相曲率引起 的自由能升高。