第3章-金属材料的制备与加工

金属材料导论材料科学与工程学院金属材料科学与工程系王刚

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电子信箱：msgwang@2课程目录第一章绪论第二章金属材料的结构与性能第三章金属材料的制备与加工第四章钢铁材料第五章有色金属材料第六章金属功能材料第七章新型金属材料及技术33.1金属材料制备流程3.2金属材料制备与加工技术3.2.1铸造3.2.4轧制3.2.7机加工3.3金属材料制备加工过程中的组织性能变化第三章金属材料的制备与加工3.2.2锻压3.2.5挤压3.2.8粉末冶金3.2.3焊接3.2.6拉拔43.1金属材料制备流程探矿（地质学）采矿（资源学）选矿（资源学）提炼（冶金学）材料制备与加工成型（材料学）选材制备毛坯预先热处理机械加工最终热处理检验应根据金属零件的性能要求、受载情况、服役条件、工作环境等：选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。金属零件生产工艺过程：5金属零件生产工艺过程：6毛坯制备机械加工传统方法现代方法液态成形塑性成形连接成形粉末冶金成形型材等毛坯车削、刨削、铣削、拉削、镗削、磨削等数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法制备与加工：一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。金属零件生产工艺过程：7热处理退火：加热至某一温度，然后缓慢冷却（炉冷）正火：加热至某一温度，然后中速冷却（空冷）淬火：加热至某一温度，然后快速冷却（水冷或油冷）回火：淬火后重新加热至某一温度预先热处理：为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。最终热处理：使材料的性能达到要求。“四把火”！！！！8金属零件生产工艺过程：冶炼原材料铸件机加工零件铸锭热锻热轧机加工零件板、型、管、线材焊接冷轧、拔、冲机加工零件93.2金属材料制备与加工技术铸造锻压焊接轧制挤压拉拔机加工粉末冶金103.2.1铸造定义：将熔化好的液态金属注入铸型获取铸件的方法叫铸造，它是零件毛坯最常用的生产工艺之一。分类：砂型铸造特种铸造熔模铸造熔模石膏型铸造金属型铸造压力铸造铸造11铸造的优点：适于做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯。对材料的适应性广，铸件的大小几乎不受限制。成本低，原材料来源广泛，价格低廉，一般不需要昂贵的设备。是某些塑性很差的材料（如铸铁等）制造毛坯或零件的唯一成型工艺。①②③④12铸造的缺点：工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制。零件内部组织的均匀性、致密性一般较差。易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品质量不够稳定。由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形件要低。①②③④13砂型铸造：砂型铸造工艺流程定义：在砂型中生产铸件的铸造方法。14砂型铸造：砂型铸造示意图15砂型铸造：型砂（最常用的是硅砂+粘土）砂型与铸件实物图砂型的制备钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。16熔模铸造（失蜡铸造）：定义：是指将易熔材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方案。由于模样广泛采用蜡质材料来制造，故常将熔模铸造称为“失蜡铸造”。优点：熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度，可大量节省机床设备和加工工时，大幅度节约金属原材料。可以铸造各种合金的复杂铸件，如喷气式发动机的叶片，以及各种镂空件等。17熔模铸造（失蜡铸造）：18熔模石膏型铸造：定义：将熔模组装，并固定在专供灌浆用的砂箱平板上，在真空下把石膏浆料灌入，待浆料凝结后经干燥即可脱除熔模，再经烘干、焙烧成为石膏型，在真空下浇注获得铸件。工艺特点：石膏浆料的流动性很好，又在真空下灌注成型，其充型性优良，复模性优异，型精确、光洁，可灌注大型复杂铸件用型。石膏型的热导率很低，充型时合金液流动保持时间长，适宜生产薄壁复杂件。但铸型激冷作用差，当铸件壁厚差异大时，厚大处容易出现缩松、缩孔等缺陷。石膏型透气性极差，铸件易形成气孔、浇不足等缺陷，应注意合理设置浇注及排气系统。19金属型铸造（硬模铸造）：定义：将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。优缺点：其机械性能比砂型铸件高，耐蚀性和硬度也显著提高铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定铸件的液体金属耗量减少，一般可节约15～30%不用砂或者少用砂，一般可节约造型材料80～100%金属型铸造制造成本高金属型不透气，而且无退让性，易造成铸件浇不足、开裂等缺陷工艺要求高，对铸件质量影响甚为敏感，需要严格控制20压力铸造：定义：在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型（压铸模具）型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。优缺点：产品质量好生产效率高经济效果优良易产生气孔对内凹复杂的铸件较为困难

对于高熔点合金，压铸型寿命较低

不宜小批量生产213.2.2锻压定义：是锻造和冲压的合称，利用锻压机械的锤头、砧块、冲头或通过模具对坯料施加压力，使之产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的制件的成形加工方法。分类：热锻压：金属再结晶温度以上锻压温锻压：常温和再结晶温度之间锻压锻压冷锻压：常温锻压等温锻压：锻压时坯料温度保持恒定值22锻压的特点：锻压可以改变金属组织，提高金属性能。锻压可使金属塑性流动而制成所需形状的工件，且锻压出的工件尺寸精确，有利于组织批量生产。铸锭经过热锻压后，原来的铸态疏松、孔隙、微裂等被压实或焊合；原来的枝状结晶被打碎，使晶粒变细；同时改变原来的碳化物偏析和不均匀分布，使组织均匀，从而获得内部密实、均匀、细微、综合性能好、使用可靠的锻件。锻件经热锻变形后，金属是纤维组织；经冷锻变形后，金属晶体呈有序性。23锻压现场图：2009年5月18日，中国二重集团，用世界最大的1.6万吨级自由锻造水压机，成功锻造出CPR1000核电机组1150MW半转速汽轮发电机转子。该转子直径2050毫米，总长16400毫米，毛坯重310吨，采用国内第一支实重560吨特大型钢锭锻制。110万千瓦以上级核电机组特大型半速整锻转子，是当前世界大型锻件和极限制造领域高难产品，以前全世界只有日本制钢所（JSW）一家能够生产。24253.2.3焊接定义：是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料的制造工艺及技术。分类：熔焊钎焊焊接压焊在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。26焊接工艺：电弧焊激光焊熔焊电渣焊电子束焊等离子弧焊手弧焊气体保护焊埋弧焊电阻焊扩散焊压焊摩擦焊爆炸焊超声波焊高频焊软钎焊（T<450℃）钎焊硬钎焊（T>450℃）27焊接接头与焊缝：28焊接现场图：293.2.4轧制定义：将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙，因受轧辊的压缩成型作用使材料截面减小、长度增加的压力加工方法。应用：是生产钢材最常用的生产方式，主要用来生产板材、型材、管材。分类：冷轧：在再结晶温度以下进行的轧制轧制热轧：在再结晶温度以上进行的轧制30轧制示意图：31轧机与轧辊：32热轧的特点：

热轧时金属塑性高，变形抗力低，大大减少了金属变形的能量消耗。热轧能改善金属及合金的加工工艺性能，即将铸态组织转变为变形组织，提高合金的加工性能。热轧生产效率高，而且为提高轧制速度、实现轧制过程的连续化和自动化创造了条件。热轧钢材内部的非金属夹杂物被压成薄片，出现分层（夹层）现象，降低厚度方向拉伸性能。不均匀冷却造成残余应力，组织和性能不够均匀。

尺寸较难控制，表面粗糙，往往作为冷轧加工的坯料。33冷轧的特点：

通常冷轧是指在热轧板卷的基础上进行再次加工轧制，一般流程是热轧——酸洗——磷化——皂化——冷轧。冷轧成品为轧硬卷，由于连续冷变形引起的冷作硬化使轧硬卷的强度、硬度上升、韧塑指标下降，因此冲压性能将恶化，只能用于简单变形的零件。

由于冷轧产品的硬度很高（HRB>90），机械加工性能极差，因此往往后续还需要进行退火处理。34轧制现场图：353.2.5挤压定义：用冲头或凸模对放置在凹模中的坯料加压，使之产生塑性流动，从而获得相应于模具的型孔或凹凸模形状的制件的一种压力加工方法。应用：广泛用于生产铝铜等有色金属的管材和型材等。分类：冷挤压：常温下进行的挤压挤压热挤压：在再结晶温度以上进行的挤压温挤压：在室温和再结晶温度之间进行的挤压36挤压示意图：挤压示意图（a）正挤压法；（b）型、棒材反向挤压法；（c）管材正挤压法；（d）管材反向挤压法挤压模具与挤压型材373.2.6拉拔定义：用外力作用于被拉金属的前端，将金属坯料从小于坯料断面的模孔中拉出，以获得相应的形状和尺寸的制品的一种塑性加工方法。由于拉拔多在冷态下进行，因此也叫冷拔或冷拉。特点：尺寸精确，表面光洁工具、设备简单连续高速生产断面小的长制品道次变形量与两次退火间的总变形量有限长度受限制38拉拔现场图：铜管拉拔机及其产品393.2.7机加工定义：是机械加工的简称，是指通过机械精确加工去除材料的加工工艺。分类：主要有手动加工和数控加工两大类。具体包括：车、铣、钻、刨、磨、剪、锯等。磨床40机加工设备：铣床车床车刀413.2.8粉末冶金定义：采用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业技术。优点：粉末冶金技术具备显著节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一系列优点，非常适合于大批量生产。另外，部分用传统铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和复杂零件也可用粉末冶金技术制造。应用：铁石刀具、硬质合金、磁性材料等。42粉末冶金生产工艺流程图：433.3金属材料制备加工过程中的组织性能变化性能组织结构制备加工使役行为44铸态组织：金属材料凝固过程示意图（形核+长大）铸锭三晶区组织形成过程示意图45铸态组织特点及对性能的影响：组织特点：组织不均匀，存在三晶区，即外层细晶区、中间柱状晶区和中心粗大等轴晶区往往会有缩孔、气孔、夹杂物等铸造缺陷性能特点：强度、硬度低塑性较好耐腐蚀性较差46焊接组织：奥氏体不锈钢的焊接接头组织47焊接组织特点及对性能的影响：组织特点：焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区性能特点：焊缝强度不低于母材，但易产生裂纹熔合区很窄，但组织性能最差，强度低，塑性差，是产生裂纹及局部脆断的发源地热影响区组织不均匀，紧靠熔合区的过热区晶粒粗大，塑形和韧性均下降，也易产生裂纹；正火区力学性能优于母材；最靠近母材的部分相变区力学性能比正火区稍差48冷加工组织：冷加工变形前（左）后（右）组织示意图49冷加工组织特点及对性能的影响：组织特点：晶粒被拉长，呈纤维状或竹节状位错缠结，形成胞状组织和亚结构，使一个晶粒分割成许多位向差很小的亚晶粒，晶粒尺寸减小出现变形织构（择优取向，即位向有序化）性能特点：晶格畸变，强度硬度提高（冷作硬化），塑性下降呈各向异性，沿纤维方向力学性能优于垂直方向导电导热性下降，化学活性提高，耐蚀性降低50冷加工变形金属的加热：冷加工变形金属在加热过程中组织变化示意图51回复的定义与机理：定义：原子回到稳定的平衡位置的过程。机理：低温回复：空位消失中温回复：位错的滑移、对消高温回复：位错的滑移和攀移，形成多边化亚晶粒多边化前（左）后（右）刃型位错排列情况示意图52回复过程中金属材料组织性能变化：组织变化：晶粒外形、位向不变消除大部分内应力，弹性应变基本得以消除（去应力退火），但晶间、晶内微裂纹未予修复性能变化：力学性能变化不大恢复部分物理化学性能，电阻率下降，耐蚀性提高53再结晶的定义与机理：定义：随加热温度升高，在形变金属的基体上出现无应变的新晶粒，直至全部基体都被这些新晶粒所取代的过程。机理：形核+长大（应变能转化成界面能）再结晶过程示意图54再结晶过程中金属材料组织性能变化：组织变化：纤维状的变形晶粒全部转变为细小的等轴晶内应力全部消除，化学成分均匀化，修复了显微裂纹性能变化：强度下降，塑性提升消除了各向异性55正常晶粒长大的定义与机理：定义：在晶粒界面曲率的驱动下，金属依靠晶界的移动，大晶粒吞并小晶粒，而使得晶粒尺寸均匀变大的过程。机理：晶界能是晶粒长大的推动力。正常晶粒长大过程示意图56反常晶粒长大的定义与机理：定义：有时候会有少数晶粒吞并周围其他小晶粒而急剧长大，而其他晶粒仍保持细小，最后小晶粒被大晶粒吞并，整个金属的晶粒都变得十分粗大，超过原始晶粒尺寸几十倍甚至上百倍，这称为反常晶粒长大或者二次再结晶。机理：存在杂质或第二相粒子阻碍晶界运动反常晶粒长大示意图57晶粒长大过程中金属材料组织性能变化：组织变化：正常晶粒长大：晶粒尺寸均匀增大（抛物线定律）反常晶粒长大：晶粒尺寸变得不均匀，出现大晶粒，但平均晶粒尺寸存在