材料成型概论概述

第一讲 材料成型概述
1.1材料的发展与分类 1.1.1 材料的发展 1.1.2 材料的分类 ☆☆
1.2材料成型的方法和特点 1.2.1 材料成型的方法和特点 1.2.2 金属塑性成型的方法和特点 ☆☆ 1.2.3 金属成型需考虑的基本原则
1.1.1 材料的发展
材料是人类用来制造各种机器、构件和产品的物 质，是人类生产和生活的物质基础。
轧制成型的方法
轧制方法划分：
❖ 按轧件与轧辊的相对运动关系或轧件在变形区内变 形特点划分：纵轧、斜轧和横轧。
❖ 按轧制温度划分：热轧、冷轧、温轧。
纵轧
轧辊的轴线相互平行或在同一平面内，上下工作辊 转动方向相反，轧制时轧件沿与轧辊轴线垂直方 向作直线运动且延伸的轧制方式。
金属轧制最常用的方式， 是冶金生产主要的加工方 法。
现代钢铁工业是个庞大的工业部门，包括采矿、选 矿、烧结、焦化、耐火材料、炼铁、炼钢、轧钢等 一系列生产部门与相关辅助服务部门。其中最主要 的部门为炼铁、炼钢与轧钢。
钢铁生产过程总揽
矿石
铁水
钢水
钢坯
钢材
钢铁生产过程总揽
锻 件 管 材
型 材
线 材
板 带 材
现 代 化 大 型 高 炉
转 炉 炼 钢
图3-2 二辊斜轧简图
l轧辊 2坯料 3毛管 4顶头 5顶杆
横轧
上下两个轧辊的轴线相互平行，各工作辊旋转方 向相同，轧制时轧件沿轧辊轴线方向作螺旋运动 且延伸的轧制方式。
轧制（板带材）：
镀锡板，彩涂板，中厚板…
轧制（管材）：
无缝管，不锈钢管，方管…
轧制（型材）：
重轨，H型钢，线材，螺纹钢…
2. 挤压
1.2.1 材料成型的方法和特点
4. 组合成型 上述几种成型方法的联合使用。如液态铸轧方法， 是铸造与轧制方法的联合；辊锻加工是轧制和锻造 方法的联合。
1.2.2 金属塑性成型的方法和特点
金属塑性成型是指利用金属的塑性借助工具(模具) 对金属铸锭或坯料施加外力，迫使其发生永久塑 性变形，获得预期形状、尺寸和性能成品或制品 的加工过程。
用量最大、应用最广泛。
陶瓷材料
由金属元素和非金属元素或非金属元素之间组成 的化合物，如氧化物、氮化物、碳化物；
熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大，好的绝缘材 料
分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类。
高分子材料
基于C、H元素的有机化合物，具有非常大的分 子结构，塑性好、耐蚀性、电绝缘性、减振性好， 密度小;
生铁带入
形成热淬性，降 低钢的强度
形成化合物 Fe3P
生铁带入
塑性和韧性急剧 下降
钢中的化学成分
钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度和 抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。
铜 ：可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提 高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。
汽车主要使用的材料
各种材料在先进汽车中占的重量百分比
1.1.1 材料的发展
材料是现代工业发展的基石，是现代高新技术发 展的基础和先导，推动着人类文明的进步
❖ 新材料是现代高科技的：
物质基础； 发展支撑； 未来引领。
新中国成立后，先后建起了鞍钢、马钢、宝钢等大型钢铁基地。
粗钢产量由49年的15.8万吨上升到2011年粗钢产量的7.16亿吨
鞍钢
近年来中国钢产量在世界的位置
4. 锻造
锻造就是坯料经加热后用锻锤锤击或压力机施加 压力，使其塑性变形以获得一定形状、尺寸和性 能锻件的塑性成型方法。
材料对社会进步的重要性
汽车钢铁等行业企业兼并重组目标出台
日前工信部、财政部、发改委等部门联合发布《关于加快推 进九大重点行业企业兼并重组的指导意见》: 明确指出 （汽车、钢铁、水泥、船舶、电解铝、稀土、电子信息、医 药、农业产业化龙头企业） 钢铁行业到2015年，前10家钢铁企业集团产业集中度达到 60%左右，形成3-5家具有核心竞争力和较强国际影响力的 企业集团，6-7家具有较强区域市场竞争力的企业集团。 大幅减少企业数量，提高钢铁产业集中度。
学习方法：平时作业、课堂讨论、课后复习、 期末考试
材料成型概论
第一讲 材料成型概述 第二讲 炼钢炼铁生产 第三讲 材料塑性成型的基础 第四讲 钢坯型钢生产 第五讲 线棒材生产 第六讲 板带钢生产 第七讲 钢管生产 第八讲 挤压拉拔生产 第九讲 锻压冲压生产 第十讲 材料成型的发展及应用
各元素对钢材机械性能影响
元素 符号
碳C 硅Si 锰Mn
硫S
磷P
有益或有 害影响
有益 有益 有害 有害
产物
来源
性能
形成碳化物
炼铁还原剂： 强度高, 塑性韧性
焦炭
低, 焊接性能差
形成含硅铁素体 炼钢脱氧剂
提高钢的强度和 硬度
溶于铁素体和渗 碳体形成MnS
炼钢脱氧剂
提高钢的强度和 硬度
生成化合物 Fe3S
1.2.1 材料成型的方法wenku.baidu.com特点
2. 铸造、连接成型（焊接、铆接）、电解沉积、涂 镀、粉末冶金等——体积或质量增大。 即由小质量的金属逐渐积累成大质量的产品。 如铸造、铆焊等。
1.2.1 材料成型的方法和特点
3. 塑性成型——体积和质量不变； 即利用金属的塑性，对金属施加一定的外力作用使 金属产生塑性变形，获得一定形状、性能和尺寸的 产品……金属塑性（压力）加工。如：轧制、挤压 拉拔、锻造、冲压。
传统陶瓷 铸石、碳素材料，非金属矿
特种陶瓷 塑料
先进陶瓷、非晶态材料、人 工晶体、磨料、无机涂层、 无机纤维及其他们的复合材 料等
橡胶 合成纤维
金属陶瓷
1.1.2 材料的分类 (按成分分)
金属材料
金属
( 86种)
黑色金属
( 3种)
有色金属
( 83种)
Fe Mn Cr 及其 合金
钢铁占全部金属总 重的94％
功能材料——以物理化学性能为主用 于电子、信息、能源等。 如：磁性材料，超导材料等
结构材料——以力学性能为主用于结构 和建筑工程。如机械零件，工程构件等
按领域分类：机械工程材料、建筑工程材料、能源 工程材料、信息工程材料、生物工程材料等
1.1.2 材料的分类 (按用途分)
功能材料
结构材料
钢铁生产过程总揽
微观组织结构的改善也
有十分重要的作用。
1. 轧制
轧制：指金属轧件通过旋转的轧辊受到压缩产生塑 性变形，横断面积减小，长度增加，从而获得要求 的断面形状和尺寸，并同时改善金属性能的压力加 工方法。 轧制的方式(可实现连续轧制): 纵轧、横轧、斜轧。
轧制是冶金生产中应用最为广泛的一种金属塑性成型方法， 约占金属材料生产总量的90%。
挤压就是采用挤压轴（凸模）将放在挤压筒（凹模） 内的坯料压出模孔或流入特定的孔隙而成型的塑性加 工方法。
正挤
反挤
举例：管、棒、型； 其它：异型截面。
复合挤压
挤压 卧式挤压机
3. 拉拔
金属坯料在外加拉力的作用下，通过模孔以获得与 模孔形状和尺寸相同的实心或空心制品的塑性成型 方法称之为拉拔。
拉拔
石器时代
青铜器时代
铁器时代
金属的使用标志着社会生产力的发展， 人类开始逐渐进人文明的社会。
钢时代的来临，引起世 界范围的工业革命。
硅时代
硅时代是信息技术革命的时代 对当今世界产生了深远的影响
钢时代
新材料是根据我们特定的需要设计和加工而成的。
因此，材料是社会进步的基础和先导。
新材料时代
材料对社会进步的重要性
主要用于初轧开坯、板带 材轧制、型材轧制和棒线
材轧制。
图3-1 纵轧示意图 1轧辊 2轧件 3行进方向
斜轧
上下两个轧辊的轴线倾斜互成一定角度，各工作 辊旋转方向相同，轧制时轧件沿轧辊夹角平分线 作螺旋运动且延伸的轧制方式。
斜轧过程金属主要沿轧件纵 轴线方向延伸。
斜轧是轧制管材的主要工艺 方法，也用于轧制球体等变 断面零部件。
铸铁 铁 工业纯铁 Fe 钢 碳钢
合金钢
钢中的化学成分
•工业纯铁含碳量在C<0.02% •钢是含碳量在0.02%～2.11% 的铁碳合金.钢中基本元 素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。 •铁是含碳量在2.11 %＜C≤6.69% 的铁碳合金。 •普通碳素钢中，Fe占99 %，其余元素占1%。在低合 金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素（镍、 钒、钛等）（含量低于5 %）
轧 钢 系 统
1.2.1 材料成型的方法和特点
材料成型就是把不定形或初定形的原材料按 一定方法加工成形状、尺寸和性能满足要求 的产品。
1.2.1 材料成型的方法和特点
减少质量的成型方法 车，铣，刨，削，磨，钻…
尺寸精确，表面光洁；
耗料，能耗高，成本高， 生产效率低，无法改善组织
增加质量的成型方法
原料消耗少， 能制备复杂形状产品；
铸造，焊接，铆接，电解沉积，涂镀… 缩孔，砂眼，偏析， 机械性能差
质量保持不变的成型方法
组合成型方法
无屑加工，产量高， 效率高，改善产品组织，
轧制，锻造，冲压，拉拔，挤压… 性能好；
产品形状相对简单，设备 投入较大，大多需要成型
1.2.1 材料成型的方法和特点
1.切削成型（机械加工） ——体积和质量减小； 即由大质量的金属上面去除一部分质量而获得一定 形状及尺寸的工件。 如：车、铣、刨、削、磨、钻等
聚
塑
橡 胶 其
磁 材 料
玻 璃
碳 酸
酯 Ti
碳 纤 维
Al Fe 料 它
材料
在轻量化的推 动下，铝合金 材料应用技术 发展很快，在 近年来出现的 全铝车身以铝 密集型汽车(如 福特P2000)中， 铝的比例更高 达37%
波音767飞机所用的各种材料比例
1.1.2 材料的分类 (按用途分)
材料用途
钢材9.52亿吨
近年来中国钢产量在世界的位置
当前的任务是：
美国
担负起世界钢铁生产中心的责任， 欧洲
日本
从钢铁生产大国迈向钢铁技术强国！
中国
1.1.2 材料的分类 (按成分分)
黑色
钢铁
材料
金属
有色
无机非金属 有机高分子 复合材料
轻金属
重金属
稀有金属
贵金属
半金属 传统陶瓷、水泥、玻璃、耐火 材料、搪瓷、砖瓦、琉璃、
1996年： > 1亿吨
700 600 500 400 300 200 100
0 1996 1999 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
2003年： > 2亿吨
2008年： 5.02 亿吨，世界钢产量13.3亿吨，占37.7％
2012年： 7.16 亿吨，世界钢产量15.3亿吨，占46.3％
授课教师：
张龙
E-mail: laxn@foxmail.com
课程的性质和任务
课程性质：
《材料成型概论》是一门关于材料成型工艺及技 术的专业课，通过本课程的学习，使学生系统 掌握金属塑性成型的理论基础和各种成型方法 原理、特点、成型工艺和成型设备，了解相关 的新工艺、新技术、新设备。
课程的性质和任务
轻金属：Al Mg K Na Ca 等 ρ<3.5g/cm3 重金属: Cu Pb Zn Ni Co 等 ρ>3.5g/cm3 稀有金属: V Nb Ti 等 贵金属: Au Ag Pt 等 半金属: Si As Se 等
砷，硒
金属材料
良好的导电性、导热性，强度、延展性，焊接性能
好，耐热耐蚀性好和金属光泽;
又称金属塑性压力加工，简称塑性加工或压力加 工。
1.2.2 金属塑性成型的方法和特点
1 成型方法 按变形方式分
锻造
轧制
轧制：生产率高、生产过 程的连续性强、易于实现 机械化和自动化。
拉拔 拉伸
挤压 弯曲
深冲 加工成型不仅仅是为了
满足材料实际使用对制
品形状、尺寸、精度的
要求，同时对材料的
剪切
力学性能、物理性能和
材料与现代社会生活密切相关： 从黑白电视到现在的LED显示屏； 手机也是越来越好； 航空航天领域，一代材料一代飞机等； 都跟材料的进步有关。
1.1.1 材料的发展
材料是人类社会进步的里程碑。 人类社会的发展伴随着材料的发明和发展，人类
的文明史是按材料发展阶段划分的。
手 锤
材料对社会进步的重要性
课程任务
1. 了解金属材料的一般知识；常用金属材料的分 类和牌号。
2. 掌握影响金属性能的主要因素及原理。 3. 掌握金属塑性成型时的金属流动规律和变形特
点。 4. 掌握各种成型方法的原理、特点、成型工艺和
成型设备。
课程的性质和任务
教 材：金属压力加工概论 李生智编
参考书 ：材料塑性成型概论 卢秉林编 工程材料及成形技术基础 吕广庶编
分塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类。
复合材料
是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料 以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。
包括： 金属基复合材料 应用多 陶瓷基复合材料; 高分子复合材料 应用多
1 黑色金属——铁（钢）
分子式： Fe 密 度： ρ>7.86g/cm3 熔 点： 1538℃ Fe + (C，Si，S，P，Mn…)