材料成型工艺基础

绪论

材料成形：所有利用物理、化学、冶金原理使材料成形的方法，称之为材料成形加工工艺。

一、材料与材料科学

材料是用来制作有用器件的物质，是人类生产和生活所必须的物质基础。

历史学家把人类社会的发展按其使用的材料类型划分为石器时代、青铜时代、铁器时代，而今正处于人工合成材料的新时代。

材料科学的研究内容

材料科学是研究各种固体材料的成分、组织、性能和应用之间关系及其变化规律的科学，它包括四个基本要素：

材料的合成与制备，成分与组织结构，材料性能和使用性能。

材料的分类

按化学成分：

金属材料：钢、铸铁、铜、铝等

高分子材料：塑料、橡胶、胶粘剂、纤维材料等

陶瓷材料

复合材料

金属材料是怎么得到的呢？

冶炼---- 把金属从矿石中提炼出来，这个过程就叫金属的冶炼。

材料新技术

芯片

光纤

超导材料

二、材料成形技术

1、课程性质

材料成形基础是一门研究常用工程材料坯件及机器零件成型工艺原理的综合性技术基础学科。

2、材料成形加工在国民经济中的地位

材料成形加工在工业生产的各个部门和行业都有应用，尤其对于制造业来说更是具有举足轻重的作用。制造业是指所有生产和装配制成品的企业群体的总称，包括机械制造、运输工具制造、电气设备、仪器仪表、食品工业、服装、家具、化工、建材、冶金等，它在整个国民经济中占有很大的比重。

统计资料显示，在我国，近年来制造业占国民生产总值GDP的比例已超过35%。同时，制造业的产品还广泛地应用于国民经济的诸多其他行业，对这些行业的运行产生着不可忽视的影响。因此，作为制造业的一项基础的和主要的生产技术，材料成形加工在国民经济中占有十分重要的地位，并且在一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平。

通过下面列举的数据，可以帮助我们真切、具体地了解到成形加工对制造业和国民经济的影响。据统计，占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接制成构件或产品后投入使用的；在机床和通用机械中铸件质量占70~80%，农业机械中铸件质量占40~70%；汽车中铸件质量占约20%，锻压件质量约占70%；飞机上的锻压件质量约占85%；发电设备中的主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；家用电器和通信产品中60~80%的零部件是冲压件和塑料成形件。

再从我们熟悉的交通工具——轿车的构成来看，发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都是铸造而成，连杆、传动轴、车轮轴等是锻造而成，车身、车门、车架、油箱等是经冲压和焊接制成，车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等是塑料成形制件，轮胎等是橡胶成形

制品。因此，可以毫不夸张地说，没有先进的材料热加工工艺，就没有现代制造业。

我国是世界上少数的几个拥有运载火箭、人造卫星和载人飞船发射实力的国家，这些航天飞行器的建造离不开先进的加工成形工艺，其中，火箭和飞船的壳体都是采用了高强轻质的材料，通过先进的特种焊接和胶接技术制造的。

3、课程内容

作为高等工科学校机械类专业学生的一门技术基本课，本课程主要涉及的是与机械制造有关的材料成形加工工艺的基础知识。

它主要研究：

各种成型工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系；零件的成型工艺过程和结构工艺性；常用工程材料性能对成型工艺的影响；工艺方法的综合比较等。它几乎涉及机器制造中所有工程材料的成型工艺。

机械制造是将原材料制造成机械零件，再由零件装配成机器的过程。其中，机械零件的制造在整个机械制造的过程中占据了很大的比重，而成形加工又是机械零件制造的主要工作。传统上的机械大都是用金属材料加工制造的，随着科学和生产技术的发展，机械制造所用的材料已扩展到包括金属、非金属和复合材料在内的各种工程材料，因此机械产品的成形加工工艺也就不再局限于传统意义上的金属加工的范畴，而是将非金属和复合材料等的成形加工也包含进来了。

金属材料的成形一般有铸造、塑性成形、焊接、粘接和机械加工（包括切削加工和特种加工）等常用方法，非金属和复合材料则另有各自的特殊成形方法。

4、基本要求

本课程是机械类专业的主干课程之一，也是部分非机械类专业通常开设的一门课程。学生在学完本课程之后，应达到以下基本要求：

（1）掌握各种热加工方法的基本原理、工艺特点和应用场合，了解各种常用的成形设备的结构和用途，具有进行材料热加工工艺分析和合理选择毛坯（或零件）成形方法的初步能力。

（2）具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力。

（3）了解与材料成形技术有关的新材料、新工艺及其发展趋势。

第一章金属材料导论

第一节金属材料的性能

一、材料的性能

二、材料在载荷作用下的力学行为

材料在载荷(外力)作用下的表现(反应)，人们习惯称之为力学行为。材料在载荷作用下，对于塑性材料来说会产生弹性变形，塑性变形，直至断裂。

1.弹性变形

当物体受外力作用时产生了变形，若除去外力，物体发生的变形会完全消失，恢复到原始状态，这种变形称之为弹性变形。

2. 塑性变形

当外力增加到一定程度时，物体发生的变形不能完全消失而一部分被保留下来，所保留的变形称之为塑性变形或永久变形。

3. 断裂

断裂前出现明显宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂；在断裂前没有宏观塑性变形的断裂行为称之为脆性断裂。

三、材料在静载荷作用下的主要力学性能指标

静载荷是指加载方式不影响材料的变形行为，加载速率较为缓和的载荷。

材料在静载荷作用下的主要力学性能指标有弹性，刚度,强度，塑性，硬度等性能指标可通过拉伸试验和硬度试验测得。

１.弹性极限σe：材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，以σe表示,单位为ＭＰa。

２.弹性模量(E)：材料在弹性变形的阶段内，直线的斜率，即产生单位弹性应变所需要的应力值，以Ｅ表示，单位ＭＰa。其大小反映材料刚度大小。

材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。

强度：材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。

3.屈服强度（点）σs:

材料产生屈服时的最低应力值称为屈服点，以σs表示，单位为ＭＰa。它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。

4.抗拉强度σb

材料在拉断前所承受的最大应力值，称为抗拉强度，通常用σb表示，单位ＭＰa 。

它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。

抗拉强度—是脆性材料选材的依据。

5. 塑性

材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。

常用δ 和ψ 作为衡量塑性的指标。

（三）硬度

金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。

它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。材料的硬度越高其耐磨性就越好，并且材料的硬度与它的力学性能和工艺性能（如切削加工性、焊接性能等）之间存在着一定的对应关系，所以硬度是最常用的性能指标之一。在一些零件图中硬度是检验产品质量的重要指标。