材料成型发展史-1

材料成型技术发展史材料成型1191,1192材料成型1291机械工程学院吴安如

材料成型及其应用

人类社会发展——材料为主要标志——人类社会进化的里程碑——人类生活和生产的物质基础——人类认识自然和改造自然的工具（人类一出现就使用材料）——人类进化的标志之一——材料的历史与人类史一样久远。人类文明曾被划分为：旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等——任何材料加工技术都离不开材料的设计和制造工艺材料大致经历了以下五个发展阶段：（一）使用纯天然材料的初级阶段在原古时代，人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、草叶、石块、泥土等）当于人们通常所说的旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的，在这一阶段的后期，虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，但是都只是纯天然材料的简单加工。（二）人类单纯利用火制造材料的阶段

这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜器时代和铁器时代，也就是距今约10000年前到二十世纪初的一个漫长的时期，并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁。这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。例如人类用天然的矿土烧制陶器、砖瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料。（三）利用物理与化学原理合成材料的阶段二十世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现，人类一方面从化学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性，就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题。由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料科学。在此基础上，人类开始了人工合成材料的新阶段。这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，而且仍将继续下去。人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而且能利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。并且根据需要，人们可以在对以往材料组成、结构及性能间关系的研究基础上，进行材料设计。使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原料。而材料合成及制造方法更是多种多样。

20世纪60年代中期，开始汽车零件塑料化，已广泛用于汽车内饰、外装和结构件。目前一台富康轿车塑料制品用量达91.5公斤。以下这些汽车外形覆盖件都是工程塑料制品。3)PC（聚碳酸酯）具有特别高的强度和尺寸稳定性，对其片材可进行冲压甚至拉伸加工。部分塑料挤压产品PU/PVC人造革

皮革服装

PVC产品

注塑成型过程陶瓷是一种无机非金属材料。可将陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。普通陶瓷是以天然粘土等材料成形、烧结而成，主要用来制造日用品。特种陶瓷是以人工化合物制成的陶瓷。比如，用六方晶系的Si3N4陶瓷制造纤维活塞、气门、摇臂等耐高温摩擦的燃烧室零件。日本日野已开发出陶瓷绝热发动机，大大提高了发动机的热效率。当代世人还开发出不少具有各式功能的特种陶瓷，已成为近代尖端科学技术的重要组成部分。－嵌银青铜器(a)铝合金汽车轮毂(b)通信光纤（四）材料的复合化阶段

二十世纪五十年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料，都是复合材料的典型实例。它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的。到这时，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计独特性能的材料。现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成3加3等于6，而是要想办法使他们变成3乘以3等于9，乃至更大。严格来说，复合材料并不只限于两类材料的复合。只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料。

复合材料的历史及发展现状历史悠久的复合材料

草增强泥复合材料

西安半坡村的原始公社遗址（七千多年前，）房屋墙体是用草和泥砌筑的。---称作为草增强泥复合材料，受了燕雀筑巢的启发，是仿生学的早期实例之一。

漆器

四千多年前，夏朝时代就有了使用漆器的记载。它以固化生漆为基体，麻布为增强材料的一种复合材料。

弓

12～13世纪，成吉思汗的蒙古大军所使用的弓不仅短而轻，而且射程远，由动物的腱、角和木片贴成的复合材料。现代的弓身是层合的纤维强化塑料，把手处是树脂含浸塑料

近代复合材料层合板

19世纪后半叶，出现了层合板，是随着木板薄板加工技术和粘结剂的发展形成的。钢筋混凝土

19世纪中叶，随着水泥制造和炼钢轧钢技术的发展出现了钢筋混凝土。纤维增强橡胶

1893年提出了纤维增强橡胶用做轮胎的技术原型。它使用过的增强材料有棉线、钢丝、尼龙丝、聚酯纤维、玻璃纤维、芳纶纤维。现代复合材料及发展现状第一代复合材料

从1942年出现了玻璃纤维增强环氧树脂、尼龙、聚苯乙烯等纤维增强复合材料。第二代复合材料

1960～1970年，研究和发展了许多新型的纤维与晶须，如炭纤维及氧化铝晶须等。用这些纤维(晶须)作增强材料制成的复合材料当时被叫做先进复合材料（ACM)。第三代复合材料

1970年后，出现了用高模量高强度纤维与金属基体或陶瓷基体复合可以得到耐热性良好的复合材料。（五）材料的智能化阶段

自然界中的材料都具有自适应、自诊断合资修复的功能。如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料目前还不能做到这一点。但是近三四十年研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能。这就是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等。尽管近十余年来，智能材料的研究取得了重大进展，但是离理想智能材料的目标还相距甚远，而且严格来讲，目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构。智能材料仿生手臂机器狗机器人“9.11”世贸大夏---结构材料/programs/view/BReg0TuGGFA/geometryjetfuelcorevisualizationfirevisualizationerosionaffectdustandglass材料的性能强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。s0.2低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力=P/F0应变=(l-l0)/l0塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。

指标为：

伸长率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象说明：①用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。②直径d0相同时，l0，。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。当l0=10d0时，伸长率用表示；当l0=5d0时，伸长率用5表示。显然5>③

>时，无颈缩，为脆性材料表征

<时，有颈缩，为塑性材料表征冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度HB布氏硬度计洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。

符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕冷凝器管汽车机油泵衬套黄铜棒挤压轧制的黄铜制品铸造产品铸造钱币及其人体铜像FunctionalclassificationofmaterialsFunctionalclassificationofmaterialsaerospaceBiomedical(生物医学)ElectrinicmaterialsEnergytechnologyandenviromentaltechnologyMagneticmaterialsSmartmaterialsStructuralmaterialsopticalmaterials航空材料ThehistoricfirstflightoftheWrightbrothersin1903.80年代俄罗斯图-160战略轰炸机F117挑战者号事件结构材料—金属及其塑料钢及其钢结构制品陶瓷材料★人工心脏瓣膜－－耐磨、耐蚀★颅骨修复材料－－强度、导热性★齿科修复材料－－硬度、耐磨、导热性★血管修复材料－－柔性、化学稳定性★骨修复材料－－硬度、强度、弹性模量---生物相容性生物医学材料及其性能要求

作业1.用什么方法可以测试材料的强度？用什么方法可以测试材料的塑性？列出强度和塑性的计算公式.2测试低碳钢退火后的硬度有哪些方法？为什么？3简述冲击韧性原理和测试方法.4列表比较纯铜、纯铝、低碳钢的强度、塑性和冲击韧性.5分别列举日常生活中见过的砂型铸件、焊接件、挤压型材的例子.材料加工技术的发展—铸造加工

熔模铸造（也叫消失模铸造）在腊模表面包以造型材料从而获得无分型面铸型的铸造方法。用以铸造各种造型精美、带有花纹和文字的钟鼎和器皿。用易熔材料做成模型，在模型表面图挂耐火材料后硬化，反复多次，将模型熔出下图为熔模铸造的产品金属型铸造（也叫永久型铸造）金属模型可以反复多次使用——永久模优点：表面光洁度和尺寸精度均优于砂型；铸件由于致密力学性能高；抗腐蚀性和硬度高。缺点：制造成本高；周期长；铸型透气性差；冷却快而易产生冷隔、浇不足、裂纹；铸件熔点不能太高等。压力铸造（简称压铸，使用金属型和型芯）用压射活塞以较高的压力和速度将压室内的金属液压射到模腔中，并在压力作用下使金属液迅速凝固。优点：尺寸精确；表面光洁；组织致密；铸件力学性能高；生产效率高，主要用于铝、镁、锌、铜等合金的生产，适合于小型、薄壁、带镶嵌件的复杂产品。缺点：铸件内部有大量气体而形成气孔，铸型制造成本高，不适合大型铸件，形状要求简单离心铸造

将金属液浇人高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下填充铸型并凝固成型的铸造方法。立式：生产高度小于直径的圆环类铸件卧式：生产长度大于直径的套类和管类铸件（离心铸造的铸型：金属型、熔模壳砂型等）缺点：内表面粗糙，孔的尺寸难以保证特种铸造-压力铸造2/2/202363特种铸造-离心铸造2/2/202364特种铸造-挤压铸造2/2/202365

铸造方法的选择

各种铸造方法都有其优缺点，如何选择？产量、合金种类（如合金熔点等）、铸件质量要求、形状、尺寸精度要求、表面粗糙度，铸件后续加工成本、车间现场条件等砂型铸造方法有许多缺点，但适应性强，设备简单特种铸造也有许多优点，但不是任何情况下都适用。塑性加工能使产品的功能性和美观性达到高度的协调统一生产效率高、质量好、重量轻、成本低，在飞机、汽车等重要零部件上应用普遍。变形方向母材变形过程回复再结晶大变形金属塑性加工金属在热挤压作用下形状及组织的变化塑性加工能使产品的功能性和美观性达到高度的协调统一生产效率高、质量好、重量轻、成本低，在飞机、汽车等重要零部件上应用普遍。（1）塑性加工的原理及特点★外力作用下，金属坯料产生预期的塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能毛坯或零件的加工方法★塑性好的材料才适宜进行塑性加工★强度高、性能好、生产效率高、材料消耗少（2）塑性加工方法分类轧制、挤压、拉拔、自由锻造、模型锻造、板料冲压锻造分为自由锻造、模型锻造，手工和机械手工自由锻造是一种古老的金属加工工艺，小型工艺品的加工，手工模锻用于大中型金属工艺品加工自由锻工具简单、产品的形状、尺寸精度取决于工人的操作水平，锻件形状不宜复杂；圆锥体及斜面体不易锻出、两圆柱体垂直相接不能锻出；加强筋及表面凹凸结构不能锻出；椭圆形及工字形切面不易锻出!!!模锻要易于从模型中取出，即要有合理的分型面；加工面要有余量；拔模斜度要留；简单、平直、对称，避免面积差别过大；避免深孔或多孔结构轧制冷轧热轧挤压正挤压——反挤压——复合挤压——坯料一部分金属的流动方向与凸模运动方向相同，而另一部分金属的流动方向与凸模运动方向相反径向挤压——金属的流动方向与凸模运动方向成90度角的挤压径向角挤压示意图正挤压示意图复合挤压拉拔用于制造各种细线材、薄壁管或各种特殊几何形状的型材冲压金属板料在冲压模之间受压产生分离或产生塑性变形的加工方法。分为热冲压和冷冲压自由锻金属的冷热加工模锻自由锻轧制正挤压反挤压拉拔冲压热轧与冷轧锻压设备蒸汽-空气锤金属的焊接加工（1）金属焊接加工原理及特点将分离的金属用局部加热或加压等手段，借助于金属原子的结合与扩散作用牢固地结合起来，形成永久性接头的过程。焊接与铆接的比较（2）金属焊接加工方法分类①熔焊气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊、真空电子束焊②压焊③钎焊兰州黄河铁桥焊接：是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使焊接件达到原子结合的一种方法。焊接方法：熔化焊、压力焊、钎焊等。焊接的主要特点是：（1）节省材料，减轻质量；（2）简化复杂零件和大型零件的制造；（3）适应性好；可实现特殊结构的生产；（4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连接成型；（5）降低劳动强度，改善劳动条件。焊接方法的应用：（1）制造金属结构件；（2）制造机器零件和工具；（3）修复。焊接方法压力焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊钎焊及封粘软钎焊硬钎焊封接粘接熔焊电弧焊电渣焊等离子弧焊电子束焊激光焊手弧焊气体保护焊埋弧焊电阻焊气门芯熔焊原理及过程熔焊的本质及特点熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。熔化焊的三要素热源

能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。熔池的保护

可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。填充金属保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。焊接电弧

电弧是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象。电弧放电电压最低，电流最大，温度最高，发光最强。将电弧放电用作焊接热源，既安全，加热效率也高。电弧的三个区

阴极区、阳极区和弧柱区焊接电弧的温度ºC和热量分布

温度ºC热量分布阳极区：260043％弧柱区：6000～800021％阴极区：240036％由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异，在使用直流电焊机焊接时，有两种接线方法：直流正接：焊件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条）直流负接：焊件接负极，焊条接正极（薄板、碱性低氢焊条、低合金钢和铝合金）电弧焊的焊接过程：手工电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件熔化而进行焊接的。电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件（基本金属）和焊条同时熔化成为熔池，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中。电弧热还使焊条的药皮熔化或燃烧。药皮燃烧后与液体金属起物理化学作用，所形成的熔渣和气体可防止空气中氧、氮的侵入，其保护熔化金属的作用。电弧焊的冶金过程特点：电弧和熔池金属温度高于一般的冶炼温度。使金属元素强烈蒸发，并使电弧区的气体分解成原子状态，增大了气体的活泼性，导致金属烧损或形成有害杂质。金属熔池体积小，熔池四周是冷金属，熔池处于液态的时间很短，一般在１０秒左右。导致各种化学反应难以达到平衡状态，化学成分不够均匀，气体和杂质来不及浮出易产生气孔和夹杂等缺陷。熔池不断更新，有害气体容易进入熔池，形成氧化物、气孔杂质等缺陷。焊剂是由SiO2，MnO、MgO及CaF等组成的硅酸盐。焊剂保护的效果形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹渣的析出。熔池的保护渣保护

为了使熔池与空气隔离，可在熔池上覆盖一层熔渣一方面防止金属氧化和吸气另一方面向熔池过渡合金元素，提高焊缝性能同时，还可以减少散热，提高生产率，防止强光辐射气保护用于保护熔池和溶滴的气体应是惰性气体，并在高温下不分解，或是低氧化性的不溶于金属液体的双原子气体(如Ar或CO2)。喷嘴结构应尽可能使气体以层流流出。CO2气体CO2为无色无味气体，密度是空气的1.5倍，在常温下很稳定，但在高温下易分解。CO2气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池和电弧方面，效果良好。但CO2气体为氧化性气体，在高温下将分解为CO和O2：CO2＝CO+O2所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。氩气氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反应，因此，氩气是一种理想的保护气体。由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度可达99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会影响焊缝质量。渣-气联合保护利用渣的良好的冶金反应和焊缝成型特点以及气体的优良电弧热效率和稳弧作用，可获得良好的熔池保护效果。如焊条的药皮及二氧化碳加药芯。填充金属填满焊缝，提高焊缝性能，使焊缝与母材等强度，用焊丝和焊芯（填充金属）过渡合金元素。常用的焊条钢芯为碳素钢丝、合金钢丝和不锈钢丝。H代表焊接用钢丝，其后的两位数字代表含碳量的万分之几；A为高级优质钢；E代表特级优质钢。电焊条电焊条的组成及作用组成：焊芯和药皮作用：焊芯—填充金属药皮—稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、粘结等。药皮必须含有造气剂和造渣剂。药皮中还应含有稳弧剂和合金化剂，以及脱氧剂、脱硫剂和去氢剂等。焊条的种类和编号种类：结构钢焊条、钼及铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、钛及钛合金焊条、铝及铝合金焊条、铜及铜合金焊条、特殊用途焊条。编号：以结构钢焊条为例：Ｊ422

其中：Ｊ——结构钢焊条４２——焊缝金属抗拉强度大于等于４２０ＭＰ２——药皮类型（钛钙型）和电源种类（交直流）Ｊ5077——低氢，直流

焊接热循环的特点是加热和冷却速度很快，对易淬火钢，易导致马氏体相变；对其它材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。埋弧焊埋弧焊的原理及特点埋弧自动焊是用焊剂进行渣保护，焊丝为一电极在焊剂层下引燃电弧燃烧。因电弧在焊剂包围下燃烧，所以热效率高；焊丝为连续的盘状焊丝，可连续馈电；焊接无飞溅，可实现大电流高速焊接，生产率高；金属利用率，焊接质量好，劳动条件好。埋弧焊适于平直长焊缝和环焊缝的焊接。埋弧自动焊气体保护焊氩弧焊

利用氩气保护电弧热源及焊缝区进行焊接。钨极氩弧焊

以钨钍合金和钨铈合金为阴极，利用钨合金熔点高，发射电子能力强，阴极产热少，钨极寿命长的特点，形成不熔化极氩弧焊二氧化碳气体保护焊

以CO2为保护气体，用焊丝为电极引燃电弧，实现半自动焊或自动焊。CO2气体

CO2气体密度大，高温体积膨胀大，保护效果好。但CO2在高温下易分解为CO和O，导致合金元素的氧化，熔池金属的飞溅和CO气孔。焊接用CO2纯度要大于99.8%。电渣焊利用电流通过熔渣时产生的电阻热加热和熔化焊丝和母材来进行焊接的一种熔化焊方法。分为丝极（单丝、双丝、多丝）、板极、熔嘴和熔管电渣焊电渣焊的结晶特点

电渣焊的线能量大，加热和冷却速度低，高温停留时间长，所以电渣焊焊缝的一次结晶晶粒为粗大的树枝状组织，热影响区也严重过热。在焊接低碳钢时焊缝和近缝区产生粗大的魏氏组织。为了改善焊接接头的力学性能，焊后要进行（正火）热处理。电渣焊方法等离子弧焊接与切割

等离子弧是经过压缩的高能量密度的电弧特点：高温（可达24000～50000K）高速（可数倍于声速）高能量密度（可达105～106W/cm2）

等离子弧的形成利用机械压缩效应（电弧通过喷嘴细小孔道时的被迫收缩）、热压缩效应（在冷气流的强迫冷却下，带电粒子流〈离子和电子〉往弧柱中心集中）和电磁收缩效应（弧柱带电粒子的