第五章 金属材料及加工工艺教材

1、第五章第五章 金属材料及加工工艺金属材料及加工工艺讲师：赵文韬长期以来，金属长期以来，金属材料材料一直是一直是最最重要的结构重要的结构材料材料和功能材料和功能材料。钢铁、铜钢铁、铜合合金、金、铝合金铝合金、镍合金镍合金等都等都是是最重要和最重要和最最广泛应用的广泛应用的传统金属材料传统金属材料，即使是即使是2121世纪，也世纪，也不能不能否定金属否定金属材料是材料是最重要的结构材料最重要的结构材料和功能材料和功能材料的地位。的地位。 在钢、铁和在钢、铁和合金为代表的现代工业社会，金属合金为代表的现代工业社会，金属材料以其优良的力学性材料以其优良的力学性能、加工性能和独特的表面特性，成为现代产品

2、设计中能、加工性能和独特的表面特性，成为现代产品设计中 的一大主流的一大主流材质材质5.1 5.1 金属材料的分类及特征金属材料的分类及特征1.1.金属的分类金属的分类 金属材料是金属及其合金的总称。金属材金属材料是金属及其合金的总称。金属材料种类繁多，按照不同的要求又有许多分料种类繁多，按照不同的要求又有许多分类方法类方法: : 按金属材料构成元素分为黑色金属材料、按金属材料构成元素分为黑色金属材料、有色金属材料和特殊金属材料。有色金属材料和特殊金属材料。 黑色金属材料包括铁和以铁为基体的合金。黑色金属材料包括铁和以铁为基体的合金。如纯铁、碳钢、合金钢、铸铁、铁合金等，如纯铁、碳钢、合金钢、

3、铸铁、铁合金等，简称钢铁材料。简称钢铁材料。 钢铁材料资源丰富、冶炼加工较方便、生钢铁材料资源丰富、冶炼加工较方便、生产率高、成本低、力学性能优良，在应用产率高、成本低、力学性能优良，在应用上最为上最为广广泛。泛。 金属材料是金属及其合金的总称。金属材金属材料是金属及其合金的总称。金属材料种类繁多，按照不同的要求又有许多分料种类繁多，按照不同的要求又有许多分类方法类方法: : 按金属材料构成元素分为黑色金属材料、按金属材料构成元素分为黑色金属材料、有色金属材料和特殊金属材料。有色金属材料和特殊金属材料。 黑色金属材料包括铁和以铁为基体的合金。黑色金属材料包括铁和以铁为基体的合金。如纯铁、碳钢、

4、合金钢、铸铁、铁合金等，如纯铁、碳钢、合金钢、铸铁、铁合金等，简称钢铁材料。简称钢铁材料。 钢铁材料资源丰富、冶炼加工较方便、生钢铁材料资源丰富、冶炼加工较方便、生产率高、成本低、力学性能优良，在应用产率高、成本低、力学性能优良，在应用上最为上最为广广泛。泛。 金属的基本特性金属的基本特性 金属材料是所有材料中最主要和最摹本的金属材料是所有材料中最主要和最摹本的结构材料，也是现代产品设计得以实现的结构材料，也是现代产品设计得以实现的重要要的物质技术条件。在现代工业设计重要要的物质技术条件。在现代工业设计活动中，几乎没有不涉及金属材料的。由活动中，几乎没有不涉及金属材料的。由于金属及其合金在理学

5、、物理学、化学和于金属及其合金在理学、物理学、化学和加工工艺等方面的一系列特殊的优异性能，加工工艺等方面的一系列特殊的优异性能，使得它不仅可以保证产品使用功能的实现，使得它不仅可以保证产品使用功能的实现，而且可以赋予产品一定的美学价位，使产而且可以赋予产品一定的美学价位，使产品呈现出现代风格的结构美、造型美和质品呈现出现代风格的结构美、造型美和质地美地美. . 金属金属材料表材料表面面只有金属所特有的色彩、只有金属所特有的色彩、良好的反射能力、不透明性及金属光泽。良好的反射能力、不透明性及金属光泽。 优优良良的力学性能的力学性能 优良的加工性能优良的加工性能 表面工艺性好表面工艺性好 金属材料

6、是电与热的良导体金属材料是电与热的良导体 金属合金金属合金 金金属属的氧化的氧化 5.2 5.2 金属材料的工艺特性金属材料的工艺特性 金属材料是现代工业的支柱，在选用金属金属材料是现代工业的支柱，在选用金属材料时，除了按产品功能要求考虑必要的材料时，除了按产品功能要求考虑必要的机械性能外，还必须同时考虑其工艺性能。机械性能外，还必须同时考虑其工艺性能。金属材料的工艺性能是指其经受各种工艺金属材料的工艺性能是指其经受各种工艺技术的难易程度，实质上是物理、化学、技术的难易程度，实质上是物理、化学、机械性能的综合。金属材料的工艺性能包机械性能的综合。金属材料的工艺性能包括金属材料的成型加工工艺特性

7、、热处理括金属材料的成型加工工艺特性、热处理工艺特性以及表面处理工艺特性。因此了工艺特性以及表面处理工艺特性。因此了解金属材料的工艺特性是设计师快速并可解金属材料的工艺特性是设计师快速并可靠地实现设计构思的一个重要途径。靠地实现设计构思的一个重要途径。 1.1.铸造铸造 铸造是一种历史悠久的金属液态成型工艺，铸造是一种历史悠久的金属液态成型工艺，是熔融态金属浇入铸型后，冷却凝固成为是熔融态金属浇入铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法。今天，铸具有一定形状铸件的工艺方法。今天，铸造已是第五大工业领域，年产数千万吨铸造已是第五大工业领域，年产数千万吨铸件。件。 2.2.金属塑性加工金属塑

8、性加工 金属塑性加工又称金属压力加工。压力技金属塑性加工又称金属压力加工。压力技术的应用使金属突然之间可以像塑料一般术的应用使金属突然之间可以像塑料一般任人揉捏而变成任何神奇的形状，进发新任人揉捏而变成任何神奇的形状，进发新的美感。由于金属键没有方向性，金属表的美感。由于金属键没有方向性，金属表现出良好的塑性变形能力，即具有良好的现出良好的塑性变形能力，即具有良好的延展性。延展性。 3.3.切削加工切削加工 切削加工又称为冷加工。利用切削刀具在切削加工又称为冷加工。利用切削刀具在切削机床上切削机床上( (或用手工或用手工) )将金属工件的多余将金属工件的多余加工量切去，以达到规定的形状、尺寸和

9、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。按加工方式分为表面质量的工艺过程。按加工方式分为车车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削及钳削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削及钳工工等，是最常见的金属加工方法。等，是最常见的金属加工方法。 4.4.焊接加工焊接加工 焊接加工是充分利用金属材料在高温作用焊接加工是充分利用金属材料在高温作用不易与金属发生相互连接的一种工艺，是不易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，焊接是用来形金属加工的一种辅助手段，焊接是用来形成水久连接的工艺方法成水久连接的工艺方法. .焊接加工具有非常焊接加工具有非常灵活的特点灵活的特点: :它能以小拼大

10、，焊件不仅强度它能以小拼大，焊件不仅强度与刚度好，吐质最小与刚度好，吐质最小: :还能进行异种材科的还能进行异种材科的焊接，材料利用率高焊接，材料利用率高: :工序简单、工艺准备工序简单、工艺准备和生产周期短和生产周期短; ;一般不需重型与专用设备产一般不需重型与专用设备产品的改型较方便。品的改型较方便。 常用的焊接方法有常用的焊接方法有熔焊、压焊和钎焊熔焊、压焊和钎焊 5.5.粉末冶金粉末冶金 粉末冶金是以金属粉末或金属化合物粉末粉末冶金是以金属粉末或金属化合物粉末为原料，经混合、成型和烧结，获得所需为原料，经混合、成型和烧结，获得所需形状和性能的材料或制品的工艺方法，其形状和性能的材料或制

11、品的工艺方法，其主要工序为主要工序为: : 粉末原料的制取和准备粉末原料的制取和准备: : 将粉末加工成所需形状的坯料将粉末加工成所需形状的坯料: : 将坯料在低于主要组元熔点下的温度进将坯料在低于主要组元熔点下的温度进行烧结，使之获得最终的性能。行烧结，使之获得最终的性能。 常用的金属粉末有铁、铜、镍、钴、钨、常用的金属粉末有铁、铜、镍、钴、钨、铬和钛等粉末铬和钛等粉末: :合金粉末有镍青铜、铝合金、合金粉末有镍青铜、铝合金、饮合金、高温合金、低合金钢和不锈钢等。饮合金、高温合金、低合金钢和不锈钢等。 5.2.2 5.2.2 金属材料的热处理金属材料的热处理 1.1.普通热处理普通热处理 普

12、通热处理包括退火、正火、淬火和回火普通热处理包括退火、正火、淬火和回火处理处理 2.2.表面热处理表面热处理 表面热处理包括表面淬火和化学热处理表面热处理包括表面淬火和化学热处理: : 表面淬火是通过快速加热金属表面层至表面淬火是通过快速加热金属表面层至所要求的温度，然后进行淬火，以提高金所要求的温度，然后进行淬火，以提高金属表面的硬度和耐磨性属表面的硬度和耐磨性 化学热处理是将金属工件置于一定活性化学热处理是将金属工件置于一定活性介质中加热保温，使介质元素渗入工件表介质中加热保温，使介质元素渗入工件表面，改变其表面的化学成分和组织结构，面，改变其表面的化学成分和组织结构，使表面达到预期要求的

13、性能。常用的化学使表面达到预期要求的性能。常用的化学热处理包括渗碳、渗氮和氮碳共渗热处理包括渗碳、渗氮和氮碳共渗( (又称氰又称氰化化) )。 3.3.特殊热处理特殊热处理 特殊热处理是利用一些特殊工艺方法进行特殊热处理是利用一些特殊工艺方法进行热处理，通常有形变热处理、磁场热处理热处理，通常有形变热处理、磁场热处理等。（图为形变热处理）等。（图为形变热处理） 5.2.3 5.2.3 金属材料的表面处理技术金属材料的表面处理技术 1.1.金属材料的表面前处理金属材料的表面前处理 机械处理足通过切削、机械处理足通过切削、研磨，研磨，喷砂等喷砂等加工清理制品表血的铸蚀及氧化皮等，将加工清理制品表血

14、的铸蚀及氧化皮等，将表面加工成平滑或具有凹凸模样表面加工成平滑或具有凹凸模样，化化学处学处理理的作用主要是清理制品表面的油污、锈的作用主要是清理制品表面的油污、锈蚀及氧化皮等蚀及氧化皮等，电化学处理则主要用以强电化学处理则主要用以强化化化化学除油和浸蚀的过程学除油和浸蚀的过程. .有时也可用于弱有时也可用于弱浸蚀时活化金属制品的表面状态。浸蚀时活化金属制品的表面状态。 2.2.金属材料的表面装饰技术金属材料的表面装饰技术 (1)(1)金属表面着色工艺金属表面着色工艺 化学化学着色着色 电解着色电解着色 阳极氧化着色阳极氧化着色 镀覆着色镀覆着色 涂覆着色涂覆着色 珐琅肴色珐琅肴色 热处理着色热

15、处理着色 传统着色技术传统着色技术 (2)(2)金属表面肌理工艺金属表面肌理工艺 金属表面肌理工艺是通过锻打、刻划、金属表面肌理工艺是通过锻打、刻划、 打磨、腐蚀等工艺在金属表面制作出肌理打磨、腐蚀等工艺在金属表面制作出肌理效果。效果。 表面锻打表面锻打: :使用不同形状的锤头在金属表使用不同形状的锤头在金属表面进行锻打，从而形成不同形状的点状肌面进行锻打，从而形成不同形状的点状肌理理. .层层叠叠，十分具有装饰性。层层叠叠，十分具有装饰性。 表面抛光表面抛光: :利用柔性抛光工具和磨料颗粒利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工。抛

16、光不能提高工件的尺寸精度或几何工。抛光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是可以得到光滑表面或镜面形状精度，而是可以得到光滑表面或镜面光泽的表面光泽的表面 表面研磨拉丝表面研磨拉丝: :利用研磨材料通过研具与利用研磨材料通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工，从而获得所需的表面肌进行的精整加工，从而获得所需的表面肌理理. . 表面镶嵌表面镶嵌: :在金属表面刻画出阴纹，嵌入在金属表面刻画出阴纹，嵌入金银丝或金银片等质地较软的金属材料，金银丝或金银片等质地较软的金属材料，然后打磨平整，呈现纤巧华美的装饰效果，然后打磨平整，呈现纤巧华美

17、的装饰效果， 5.3 5.3 常用的金属材料常用的金属材料 5.3.1 5.3.1 钢铁材料钢铁材料 钢的种类繁多，可按多种方法进行分类钢的种类繁多，可按多种方法进行分类: : 按化学组成可分为碳素钢和合金钢。按化学组成可分为碳素钢和合金钢。 按质量按质量( (含磷、硫杂质量含磷、硫杂质量) )可分为普通钢、可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。优质钢和高级优质钢。 按用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能按用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢钢( (如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等) )。 1.1.碳素钢碳素钢 碳素钢又成为碳钢，碳素钢按含碳量可分碳素钢又成为碳钢，碳素钢按含碳量

18、可分为：为： 低碳钢低碳钢( (含碳最含碳最0.25%0.25%以下以下)低碳钢具有低低碳钢具有低强度、高嫩性、高韧性及良好的加工性和强度、高嫩性、高韧性及良好的加工性和焊接性，适合制造形状义杂和需焊接的零焊接性，适合制造形状义杂和需焊接的零件和构件。件和构件。 中碳钢中碳钢( (含碳最含碳最0.25%0.25% 0.6%)0.6%)中碳钢具有中碳钢具有一定的强度、塑性和适中的韧性，经热处一定的强度、塑性和适中的韧性，经热处理而具有良好的综合力学性能，多川于制理而具有良好的综合力学性能，多川于制造要求强韧性的齿轮、轴承等机械零件。造要求强韧性的齿轮、轴承等机械零件。 高碳钢高碳钢( (含碳最含

19、碳最0.6%0.6%以上以上)高碳钢具有较高碳钢具有较高的强度和硬度，耐磨性好，塑性和韧性高的强度和硬度，耐磨性好，塑性和韧性较低，主要于制造工具、刃具、弹簧及耐较低，主要于制造工具、刃具、弹簧及耐磨零件等磨零件等. . 2.2.合金钢合金钢 以碳素钢为基础适量加入一种或几种合金以碳素钢为基础适量加入一种或几种合金元素的钢，且有较高的综合机械性能和某元素的钢，且有较高的综合机械性能和某特殊的物理、化学性能。特殊的物理、化学性能。 合金钢按合金元素的总含最可分为低合金合金钢按合金元素的总含最可分为低合金钢钢( (总含量总含量5%5%以下以下) )、中合金钢、中合金钢( (总含最总含最5% 5%

20、10%)10%)和高合和高合 2.2.常用的品种及用途常用的品种及用途 钢材是由钢坯或钢锭加工而成的产品。常钢材是由钢坯或钢锭加工而成的产品。常分为型钢、钢板、钢管分为型钢、钢板、钢管, ,钢丝四大类。可采钢丝四大类。可采用轧制、挤压、拉拔、焊接、冷弯等工用轧制、挤压、拉拔、焊接、冷弯等工 艺加工，广泛用于各工业部门。艺加工，广泛用于各工业部门。 （1 1）型刚）型刚 （2 2）钢板）钢板 （3 3）钢管）钢管 （4 4）钢丝）钢丝 常见的钢板品种有：常见的钢板品种有： 1.1.钢带钢带 2.2.覆层钢板覆层钢板 3.3.花纹钢板花纹钢板 4.4.不锈钢板不锈钢板 3.3.铸铁铸铁 铸铁是一种

21、使用较早的重要工程材料，铸铁是一种使用较早的重要工程材料，是含碳最在是含碳最在2. 2. 1 11%-9.0%1%-9.0%的一种铁碳合金的一种铁碳合金. .其熔点低其熔点低. .具有良好的铸造性能、切削性能具有良好的铸造性能、切削性能及耐磨性和减振性，生产工艺简单，成本及耐磨性和减振性，生产工艺简单，成本低廉可用来制造各种具有复杂结构和形状低廉可用来制造各种具有复杂结构和形状的零件的零件 5.3.2 5.3.2 常用的有色金属材料常用的有色金属材料 1.1.铝及铝合金铝及铝合金 铝及铝合金是工业用最量大的有色金属铝及铝合金是工业用最量大的有色金属. .是是一种常用的现代材料一种常用的现代材料

22、 2.2.铜及铜合金铜及铜合金 铜及铜合金是历史上应用最早的有色金属铜及铜合金是历史上应用最早的有色金属. .工业上常用的铜材有紫铜、黄铜、青铜、工业上常用的铜材有紫铜、黄铜、青铜、白铜等。白铜等。 5.3.3 5.3.3 其它合金金属其它合金金属 1.1.钛和钛合金钛和钛合金 纯钛为银白色高熔点轻金属，熔点纯钛为银白色高熔点轻金属，熔点16751675C C, ,密度密度4.54 g/c4.54 g/cm m，具有优良的耐蚀性和耐热，具有优良的耐蚀性和耐热性，抗氧化能力强，稳定性好，有一定的性，抗氧化能力强，稳定性好，有一定的机械强度，比强度值高，塑性好，易成型机械强度，比强度值高，塑性好，

23、易成型加工。加工。 镁和镁合金镁和镁合金 密度小是镁及其合金的主要特点。由于其密度小是镁及其合金的主要特点。由于其密度低，镁及其合金具有很高的比强度，密度低，镁及其合金具有很高的比强度，有优良的抗震性能有优良的抗震性能. .能比铝合金承受更大的能比铝合金承受更大的冲击载荷，还具有优秀的切削加工性能和冲击载荷，还具有优秀的切削加工性能和抛光性能。抛光性能。 3.3.锡和锡合金锡和锡合金锡合金的熔点低，耐热性好，耐蚀性和减磨锡合金的熔点低，耐热性好，耐蚀性和减磨 性优良，易与铜、铜合金、铝合金焊接，性优良，易与铜、铜合金、铝合金焊接，锡合金轧成片材和箔材，可用来制作电容锡合金轧成片材和箔材，可用来制作电容器、电器仪表零件以及装饰品和包装材料器、电器仪表零件以及装饰品和包装材料等。但强度较低，是良好的铸造材料。