2023年工程材料及成形技术基础课程

课程名称：工程材料及成形技术基础

总学时：64/48学时（理论学时56/40）

适用专业：机械设计制造及其自动化、机械电子工程/汽车服务工程

一、课程的性质与任务

《工程材料及成型技术基础》是研究机械零件的材料、性能及成形方法的综合性课程，

是高等工科师范院校机械工程专业必修的专业基础课，其内容包括工程材料和成形技术基础

两部分。

本课程是在修完高等数学、大学物理（含实验）和机械制图等课程的基础上开设的。其

任务是使学生掌握工程材料及成形技术的基本知识，为后继学习机械设计、模具制造工艺、

先进制造技术和毕业设计等课程，培养专业核心能力；为今后从事职业学校机械类专业相关

课程的教学，奠定必要的专业基础。

本课程教学开设了实验教学。通过实验教学，在巩固和验证课程的基本理论知识的同时，

拓展学生的创新思维，着重培养学生实践动手能力和创新能力。

二、课程教学基本要求

1、获得有关材料学的基本理论与工程材料的一般知识，掌握常用工程材料的成分、热

加工工艺与组织、性能及应用之间的相互关系，熟悉常用工程材料的种类、牌号与特点，使

学生具备合理选用工程材料、热处理方法、妥善安排热处理工艺路线的基本能力。

2、初步掌握工程材料主要成形方法的基本原理与工艺特点，获得具有初步选择常用工

程材料、成形方法的能力和进行工艺分析的能力。

3、具有综合运用工艺知识，初步分析零件结构工艺性的能力。

4、初步了解新材料、新技术、新工艺的特点和应用。

四、本课程的教学内容

绪论

一、材料科学的发展与地位：材料科学的发展通常是和人类文明联系在一起的。

古代文明：人类的发展史上，最先使用的工具是石器；新石器时代（公元前6000年〜公元

前5000年）烧制成陶器；东汉时期发明了瓷器;到了西汉时期，炼铁技术又有了很大的提高，

采用煤作为炼铁的燃料，这要比欧洲早1700多年。在河南巩县汉代冶铁遗址中，发掘出20

多座冶铁炉和锻炉•炉型庞大，结构复杂，并有鼓风装置和铸造坑。可见当年生产规模之壮

观。

三次产业革命：

产业经济迅猛发展是以新材料的发现为依托的。如：半导体材料等。

知识经济时代：

进入21世纪，被称为现代科学技术四大支柱领域的材料、值思、能源和生物工程得

到了前所未有的重视和发展。材料作为人类生产和社会发展的物质基础，占有十分重要的地

位。

度钢.卫星材料分类：运载火箭飞船歼10战斗机

材料按工业工程来分类：机械工程材料，土建工程材料，电子材料等等；

本课程主要涉及的是机械工程材料

三、金属材料及其学习方法金属材料的性能均其化学成分、显微组织及加工工艺之间的

关系.四、这门课的主要内容：

工程材料:金属材料（主要）、非金属材料（次要）

主线：性能与化学成分、组织和热处理工艺之间关系

成型技术:铸、锻、焊；非金属材料

实验：性能测试、材料热处理

第一章工程材料结构与性能

1.1材料原子（或分子）的相互作用

各种工程材料是由各种不同的元素组成，由不同的原子、离子或分子结合而成。原子、

离子或分子之间的结合力称为结合键。一般可把结合键分为离子键、共价健、金属键和分子

键四种。

一、离子键

当周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时，前者失去最外层价电

子变成带正电荷的正离子，后者获得电子变成带负电荷的满壳层负离子。正离子和负离子由

静电引力相互吸引；同时当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。

NaCl、CaO、AI2O3等由离子键组成。

离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系统小，都是良好的绝

缘体。在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固地被束缚，可见光的能量一般不足以

使其受激发，因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是无色透明的。

二、共价键

处于周期表中间位置的三、四、五价元素，原子既可能获得电子变为负离子，也可能丢

失电子变为正离子。当这些元素原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时，以共用价电

子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由共用价电子对产生的结合键叫共价键。

最具有代表性的共价晶体为金刚石。金刚石由碳原子组成，每个碳原子贡献出4个价电

子与周围的4个碳原子共有，形成4个共价犍，构成正四面体：一个碳原子在中心，与它共

价的另外4个碳原子在4个顶角上。硅、铭、锡等元素也可构成共价晶体。属于共价晶体的

还有SiC、SbN4、BN等化合物。

三、金属键

周期表中I、II、III族元素的原子在满壳层外有一个或几个价电子。原子很容易丢失其

价电子而成为正离子。被丢失的价电子不为某个或某两个原子所专有或共有，而是为全体原

子所公有。这些公有化的电子叫做自由电子，它们在正离子之间自由运动，形成所谓电子气。

正离子在三维空间或电子气中呈高度对称的规则分布。正离子和电子气之间产生强烈的静电

吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。

在金属晶体中，价电子弥漫在整个体积内，所有的金属离子皆处于相同的环境之中，全部离

子（或原子）均可被看成是具有一定体积的圆球，所以金属键无所谓饱和性和方向性。

金属由金属键结合，因此金属具有下列特性：

1.良好的导电性和导热性。

金属中有大量自由电子存在，当金属的两端存在电势差或外加电场时，电子可以定向地

流动，使金属表现出优良的导电性。金属的导热性很好，一是由于自由电子的活动性很强，

二是依靠金属离子振动的作用而导热。

2.正的电阻温度系数。

即随温度升高电阻增大。绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度时电

阻突然下降，趋近于零。

3.不透明并呈现特有的金属光泽。

金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。

4.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。

金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而发生原子位置的相

对移动时，结合键不会遭到破坏。

四、分子键

原子或分子之间是靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键。

在含氢的物质，特别是含氢的聚合物中，一个氢原子可同时和两个与电子亲合能力大的、

半径较小的原子（如F、0、N等）相结合，形成所谓氢键。氢健是一种较强的、有方向性的范

特瓦尔斯键。其产生的原因是由于氢原子与某一原子形成共价健时，共有电子向那个原子强

烈偏移，使氢原子几乎变成一半径很小的带正电荷的核，因而它还可以与另一个原子相吸

引。

1.2晶体材料的原子排列

1.2.1理想晶体结构

常见的金属晶体结构：

（b）晶胞（C）晶胞原子数

（1）体心立方晶格：体心立方晶胞示意图

纯铁（912度以下）

Cr、M。、W、V、K等。⑵面心

Cu、A1、Au、

（3）排六方晶格

•Be、Mg^Zn（a）模型（b）

1.2.2实际晶体结构面心立方国

1.单晶体与多晶体

单晶体：结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”：（a）模型（b）晶胞⑹晶胞原子数

单晶体具有各向异性多晶体：实际金属结构是:密排六方晶胞示意图

成的晶体结构称为多晶体。多晶体呈现各向同性

2.晶体缺陷（I）点缺陷：间隙原子；置换原子；（2）线缺陷：即位错，在晶体中，有一列或

若干列原子发生了有规律的错排现象。

（3）面缺陷：金属中的晶界和亚晶界1.3合金的晶体结构

1.3.1合金的相、组织及其关系

相是指合金中具有相同的物理、化学性能，并与其余部分以界面分开的物质部分

固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物

组织：将一小块金属材料用金相砂纸磨

光后进行抛光，然后用侵蚀剂侵蚀，即

获得一块金相样品。在金相显微镜下观

察，可以看到金属材料内部的微观形貌。

这种微观形貌称做显微组织（简称组织）。

是合金的微观形态。

・潜质原子

1.3.2固溶体

o溶剂原子

置换固溶体

a）置换圈潜体b）画璇固冷凝

间隙固溶体

1.3.3金属间化合物：

金属化合物一般熔点较高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物时，强度、硬度和

耐磨性提高，而塑性和韧性降低。

Fe3c是钢铁中的一种重要的间隙化合物，又称为渗碳体.具有复杂的斜方晶格，它作

为强化相对钢铁材料的性能有重大的影响。

1.3.4合金性能

实际金属的强化机制

1固溶体与固溶强化-------点缺陷

2位错强化----------------线缺陷

3细晶强化----------------面缺陷

4化合物与第二相强化-----体缺陷

1.4高聚物的结构

1.4.1大分子链的结构

线型结构：线型结构是由许多链节联成

一条长链

体型结构：体型结构是分子链与分子链

之间有许多链节相互交联在一起，形成网状或

立体结构a)线型

1.5陶瓷的结构

1.7.工程材料的力学性能

常见的有强度(屈服强度、断裂强度、疲劳强度等)、硬度、塑性、冲击韧性和断裂韧性

等。

强度：是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力，是材料最重要、最基本的力学性能指

标之一。

屈服强度：表示材料抵抗微量塑性的能力抗

拉强度：反映了材料产生最大均匀变形的抗

力

塑性：材料在外力作用下，产生塑性变形而

不断裂的性能称为塑性。

旌£1^x100%=x100%

图1.21低碳钢的应力一应变曲线

硬度：在外力作用下材料抵抗局部

形的能力。

(1)布氏硬度：HB/HBS

⑵洛氏硬度：HRC/HRB/HRA

(3)维氏硬度：HV

国1.24洛氏便度酬定

国1.23布氏硬筐试验用理图

SI.J5维氏硬度测试麻理

性能指标工程意义：结合材料的拉伸试验引出材料的抗拉强度和屈服强度的概念，这两

个指标在工程设计中的意义。一个是设计机械零件的强度指标，一个是安全性指标（配合延

伸率）。硬度是材料局部强度的指标。疲劳是材料在循环作用下的安全指标。断裂韧性也是

材料安全性指标，这一指标更注重材料缺陷方面的安全性。

第二章金属材料的凝固与固态相变

2.1纯金属的结晶

2.1.1凝固的基本概念

结晶：原子由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。

过冷度概念：理论结晶温度To与开始结晶

温度Tn之差叫做过冷度，用AT表示。

结晶的必要和充分条件是具有一定的过冷

度

2.1.2金属的结晶

金属的结晶过程：形核和长大两个过程。

自发形核（均质形核）、非自发形核（异质形核）影响形核和长大的因素：（1）过冷度的影响

⑵难熔杂质的影响晶粒大小及控制方法。

1）增大过冷度

2）变质处理2.1.3材料的同素异构现象

晶体的同素异构：有些晶体随着外界条件（如温度、压力）

的变化而具有不同类型的晶体结构，称为同素异构现象。

1的4t912f

5-Fe1»­..........'y-Fe-a~Fe

（体心立方）（面心立方）（体心立方）

铁发生同素异构转变，不仅晶体结构发生变化，而且体积

也发生改变，这是钢铁可进行热处理主要原因。

2.2合金的凝固

2.2.1二元合金相图与凝固时间

纯铁的同素异构转变

时间

b）

Cu-Ni合金匀晶相图

1.匀晶相图；

两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图。

杠杆定律：

设合金的质量为Q合金，其中Ni质量分数为b%,在T1温度时,L相中的Ni质量分数

为a%,a相中的Ni质量分数为c%。

则合金中含Ni的总质量4相中含Ni的质

量+a相中含Ni的质量

因为。令金+2

所以b%=QtQac%(a)

Qi_c-b

化简后得&b-a

c-b为线段be的长度；b-a为线段ab的长度。

故得:

Qa.反

或Qt^-Q^bc

这个式子与力学中的杠杆定律相似，因而亦被称作杠杆定律。由杠杆定律不难算出

合金中液相和固相在合金中所占的质量分数（即相对质量）分别为：

—=£%=—；-%-==—

acac

运用杠杆定律时要注意，它只适用于相图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。杠

杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，而支点为合金的成分点。

2.共晶相图：

两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解（或不溶），并在结晶时发生共晶转变所构成的

相图称为二元共晶相图

3

27

232

S金<>&c+凤

怅共晶反应式

照

pb102030405060708090Sn

Sn(%)----------►

2.2.2合金的性能与相图的关系

1.合金的使用性能与相图的关系；2.合金的工艺性能与相图的关系

2.2.3铸锭（件）的凝固

2.3铁碳合金平衡态的相变基础

2.3.1Fe—Fe3c相图

1.铁碳合金的相结构与性能

2.相图分析

3.相图中重要三条水平线

2.3.2铁碳合金在平衡状态下的相变；

2.4钢在加热时的转变

2.4.1钢在实际加热时的转变点

2.4.2奥氏体的形成过程及影响因素

1.奥氏体的形成过程；2.奥氏体形成的影响因素

2.5钢在冷却时的转变

钢在奥氏体化后的冷却过程决定了冷却后钢的组织类?

热处理时常用的冷却方式有两种：

一是等温冷却；二是连续冷却。

过冷奥氏体的转变可分为三种基本类型，即珠光体型转变（扩

散型转变）、贝氏体型转变（过渡型或半扩散型转变）和马氏体型转

变（无扩散型转变）。

2.5.1过冷奥氏体等温转变图

C曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线,右边一条线为

过冷奥氏体转变终了线。该曲线下部还有两条水平

线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线和转变结束温时间（s）

b）共折碳弱

度Mf线。

1.含碳量的影响

2.合金元素的影响

3奥氏体化温度和保温时间的影响

2.5.2过冷奥氏体连续冷却转变图

2.5.3过冷奥氏体的转变产物及性能

珠光体类型组织、贝氏体类型组织和马氏体类型

第三章金属材料的塑性变形

3.1单晶体和多晶体的塑性变形

3.1.1单晶体的塑性变形

单晶体的塑性变形有两种，即滑移和季生。

滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于

另一部分发生的滑动。

滑移是通过位错的运动来实现的。

挛生是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（挛晶面）和晶向（挛晶方向）

相对于另一部分所发生的切变表现为各向同性特性

3.1.2多晶体金属塑性变形的特点

1.晶粒取向对塑性变形的影响2.晶界对塑性变形的影响

细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。表现为各向异性特性。大量的图标见讲稿。

3.2金属的形变强化

3.2.1形变强化现象

金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化，最明显的特点强度随塑性变形的

增加而大为提高，其塑性却随之有较大的降低：这种现象称为“形变强化”,也称为加工硬化

或冷作硬化。

3.2.2塑性变形后金属的组织结构变化

3.2.3塑性变形产生的残余应力

3.3塑性变形金属在加热时组织和性能的变化

3.3.1回复

加工硬化后的金属，在加热到一定温度后.原子获得热能，使原子得以恢复正常排列，

消除了晶格扭曲.可使加工硬化得到部分消除。这一过程称为“回复”，这时的温度称为回复

温度。

3.3.2再结晶

当温度继续升高到该金属熔点热力学温度的04倍时，金属原子获得更多的热能，则开始以

某些碎晶或杂质为核心结晶成新晶粒，从而消除了残余应力和加工硬化现象。这个过程称为

再结晶，这时的温度称为最低再结晶温度

利用金属的形变强化可提高金属的强度，这是工业生产中强化金属材料的一种手段。在塑性

加工生产中，加工硬化给金属继续进行塑性变形带来困难，应加以消除。常采用加热的方法

使金属发生再结晶，从而再次获得良好塑性。

3.3.3晶粒长大

3.3.4冷变形和热变形

凡在金属的再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷加工；而在再结晶温度以上进行的塑

性变形称为热加工。热加工通常不会带来强化效果。

3.5金属纤维组织及其应用

为了获得具有最好力学性能的零件，在设计和制造零件时，都应使零件在工作中产生的

最大正应力方向与纤维方向一致，最大切应力方向与纤维方向垂直，并使纤维分布与零件的

轮廓相符合，尽量使纤维组织不被切断。

3.4塑性加工性能及影响因素

3.4.1塑性加工性能及其指标

塑性加工性能常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。

3.4.2塑性加工性能的影响因素

1.金属的本质：2,加工条件：

第四章金属材料热处理

金属材料的热处理是金属材料在固态下，通过适当的方式进行加热、保温和冷却.改变

材料内部组织结构，从而改善材料性能的一种工艺方法，也称之为金属材料的改性处理。

4.1退火与正火

在机械零件或工具的加工制造过程中，退火与正火常作为预备热处理。

4.1.1退火

退火是将钢加热到预定温度，保温一定时间后缓慢冷却（通常随炉冷却），获得接近于平

衡组织的热处理工艺。

1.完全退火28

2.球化退火Io2

3.扩散退火（均匀化退火）IO2o

4.去应力退火P9oo

S8oo

4.1.2正火

7oo

正火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（共析

6oo

和过共析钢）5oo

以上30—50℃，保温适当时间后在静止空气中冷却4OO

的热处理工艺。

4.2钢的淬火

淬火是将钢加热到Ac3或Acl以上30~50度,经过保温后在冷却介质中迅速冷却的热处

理工艺。

目的：淬火可以使钢件获得马氏体和贝氏体组织，以提高钢的力学性能。

淬火是强化钢件的最主要的而且是最常用的热处理方法。

亚共析钢的淬火加热温度为加热到Ac3以上

30~50度。淬火后的组织为均匀细小的马氏

体。过共析钢的淬火加热温度为Acl以上

30~50度,淬火后的组织为均匀细小的马氏

体和粒状二次渗碳体，有利于增加钢的硬度

和耐磨性。

4.2.2淬火冷却介质

4.2.3淬火冷却方法

1.单介质淬火法

2.双介质淬火

3马氏体分级淬火

4.贝氏体等温淬火

5.冷处理

4.3钢的表面淬火

表面淬火方法是将淬火零件表层金属迅速加热至相变温度以上.而心部末被加热.然后

迅速冷却，使零件表层获得马氏体而心部仍为原始组织的“外硬内韧”状态。

表面淬火法所用零件材料的含碳量：0.40%—0.50%。

4.3.1感应加热表面淬火

感应加热是将钢件置于通人交变电流的线圈中，由于电磁感应，钢件产生频率相同、方

向相反的交变电流。由于集肤效应，集中在钢件表层的高密度电流.在具有较大电阻的钢件

表层呈涡旋流动并产生热效应，将钢件表层迅速加热至淬火温度.而钢件中心电流几乎为

零.温度变化很小，这时经喷水冷却.钢件表面快冷淬火，得到一定深度的马氏体层。低温

回火。

4.3.2火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火法是用乙快一氧或其他可燃气体燃烧时形成的高温火焰将工件表面

加热到相变温度以上，然后立即喷水淬火冷却的方法。

4.4钢的回火

回火就是把经过淬火的零件重新加热到低于Acl,的某一温度，适当保温后，冷却到室

温的热处理工艺。

4.4.1回火目的

4.4.2回火组织转变及性能变化

1.钢在回火时的组织转变

2.回火后的组织和性能

(1)回火马氏体(250°C以下)是由淬火马氏体分解的极细小的高度弥散的e碳化物分布在

针状的低过饱和固溶体基体上，并保持共格关系。(2)回火托氏体(350、450℃)是由高度弥

散的渗碳体分布在铁索体基础上（3）回火索氏体（500~650°C）是由较细的渗碳体颗粒分布

在铁索体基体上。

硬度和强度随回火温度升高而下降.其塑性和韧性随回火温度升高而提高。其原因是由于

回火温度的提高，产生马氏体分解.渗碳体析出和聚集长大，固溶强化消失，弥散强化减弱，

内应力消除。

4.4.3回火工艺及应用

1.低温回火2.中温回火3.高温回火

4.4.4回火脆性

第一类回火脆性；第二类回火脆性

4.5钢的淬透性

钢的淬透性；

淬透层的深度；

钢的淬硬性

钢的淬透性的影响因素：影响钢的淬透性主要是钢的临界冷却速度

淬透性与选材的关系。

4.7钢的化学热处理

化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子

渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进表面性能，满足技术要求的

热处理工艺。

化学热处理基本过程：

①化学介质的分解即活性原子的产生；②活性原子被钢件表面吸收和溶解；③活性原子由

表面向内部扩散，形成一定的扩散层。

4.7.1渗碳

将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。注意

和表面淬火的区别

1.渗碳方法；2.渗碳工艺参数

渗碳时主要工艺参数是加热温度和保温时间。加热温度高可以使渗碳速度加快，但温度过

高会使钢件品粒粗大，渗碳温度一般在900~950度。而渗碳后零件表面含碳量最好在

0.85%,〜1.05%范围内。

渗碳后的组织常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如20.20Cr.20CrMnTi,12CrNi3

等。渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织（珠光体+碳化物）、共析组织（珠光

体）、亚共析组织（珠光体+铁素体）的过渡区，直至心部的原始组织。

3.渗碳后的热处理

渗碳后的工件表面为过共析钢组织，其硬度和耐磨性满足不了零件要求，必须进行淬火和

低温回火。

渗碳件在淬火后必须要进行低温回火，回火温度为150〜200度，以减少应力和脆性。回

火后零件表面组织为回火马氏体和渗碳体

4.7.2渗氮

渗氮是在一定温度下（一般在Ac1,温度下）使活性氯原子渗人工件表面的化学热处理工艺

4.8热处理零件的结构工艺性及技术条件标注

第六章金属材料

6.1工业用钢概述

6.1.1钢中杂质

镭、硅、硫、磷在钢中的分布、对性能的影响。

6.1.2钢的分类与编号

1.钢的分类：（lOmin）

1）.按化学成分分类；2）.按质量分类；3）按用途分类

2.钢的编号（20min）

按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号:

1.普通碳素结构钢Q253-A.F

2.优质碳素结构钢45、40Mn

3.碳素工具钢T8或T10A

4.铸造碳钢

3.合金钢的编号

1）.低合金结构钢Q353-C

2）.合金结构钢60Si2Mn

3）.合金工具钢5CrMnMo

4）.特殊性能钢

6.2合金元素在钢中的作用

6.2.1合金元素对钢中基本相的影响（15min）

1.形成合金铁素体

2.形成碳化物

6.2.2合金元素对铁碳相图的影响（lOmin）

6.2.3合金元素对热处理及性能的影响（15min）

1.对钢在加热时奥氏体化的影响

2.对过冷奥氏体分解的影响

3.对回火转变的影响

6.3结构钢

6.3.1普通结构钢（lOmin）

普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢

1.成分特点

2.热处理特点

普通结构钢使用时一般不进行热处理，大多数是在热轧状态下或热轧后正火状态下使用。

其组织为铁素体和少量珠光体

普通碳素结构钢：一般工程用热轧钢板、钢带、型钢、棒钢等

低合金高强度结构钢：这类材料是用来制造桥梁、船舶、大型钢结构

6.3.2优质结构钢（40min）

硫、磷含量均控制在0.035%以下

1.性能要求

2.成分特点

3.热处理特点

幡机器零件制造工艺流程一般为：下料毛坯成形（通常为锻造）一►预备热处理

粗加工—►最终热处理—>精加工—装配。

6.4工具钢

6.4.1性能要求

6.4.2成分特点

6.4.3锻造及热处理特点

6.5特殊性能钢

特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢和耐磨钢等

6.5特殊性能钢

特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢和耐磨钢等.

6.6铸铁

6.6.1铸铁的石墨化（20min）

6.6.2常用铸铁（50min）

1.铸铁的组织、分类与牌号

铸铁的性能除了与成分及基体组织有关外，更主要的是取决于石墨的形态（形状、大小、数

量、分布等），因此，工业铸铁一般根据石墨的形态来进行分类。

2.成分特点

3.铸铁性能特点

4.热处理特点

5.铸铁的应用

6.6.3合金铸铁（20min）

1.耐磨铸铁

2.耐热铸铁

3.耐蚀铸铁

6.7铝及其合金

6.7.1纯铝

6.7.2铝合金的分类

形变铝合金和铸造铝合金两大类

形变铝合金又可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金。

铝硅铸造铝合金：又称为硅铝明

6.8铜及其合金

6.8.1纯铜

6.8.2黄铜

黄铜是以锌作为主要合金元素的铜合金.通常把铜锌二元合金称为普通黄铜，用“黄”字汉语

拼音字首“H”表示，其后附以数字表示平均含铜量。

6.8.3青铜

6.9轴承合金

锡基轴承合金

6.10新型金属材料

形状记忆合金

第七章铸造（金属液态成形）

7.1砂型铸造（60min）

砂型铸造的工艺过程包括：混砂、造型和造芯、烘干、合箱、熔化与浇注、铸件的清理

和检验等工序。

液态成形（铸造）的优点：

（1）适应性广，工艺灵活性大（材料、大小、形状几乎不受限制）

（2）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等

（3）成本较低（铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近）

主要问题：组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸

件力学性能，特别是冲击性能较低。

分类：铸造从造型方法来分，可分为砂型铸造和特种铸造两大类。

其中砂型铸造工艺如图7-1所示。

图7-1砂型铸造工艺流程图

7.1.1造型方法

造型是砂型铸造的重要工序，有手工造型和机器造型两类。

1.手工造型

手工造型特点：操作方便灵活、适应性强，模样生产准备时间短。但生产率低，劳动强

度大，铸件质量不易保证。只适用于单件小批量生产。

各种常用手工造型方法的特点及其适用范围见下表：

表常用手工造型方法的特点和应用范围

造型方法主要特点适用范围

适用于各种生产

铸型由上型和下型组成，造型、

批量，各种大、中、

起模、修型等操作方便

小铸件

铸型由上、中、下三部分组成,

主要用于单件、

中型的高度须与铸件两个分型面的

小批量生产具有两

间距相适应。三箱造型费工，应尽

个分型面的铸件

量避免使用

在车间地坑内造型，用地坑代

常用于砂箱数量

替下砂箱，只要一个上砂箱，可减

不足，制造批量不大

少砂箱的投资。但造型费工，而且

的大、中型铸件

要求操作者的技术水平较高

收福遭T套0

铸型合型后，将砂箱脱出，重

新用于造型。浇注前，须用型砂将主要用在生产小

脱箱后的砂型周围填紧，也可在砂铸件，砂箱尺寸较小

i,fb；3；'TTrr型上加套箱

底悔

修■值型

模样是整体的，多数情况下，

适用于一端为最

檄建慧派?型腔全部在下半型内，上半型无型

大截面，且为平面的

腔。造型简单，铸件不会产生错型

铸件

缺陷

模样是整体的，但铸件的分型

面是曲面。为了起模方便，造型时用于单件或小批

用手工挖去阻碍起模的型砂。每造量生产分型面不是

一件，就挖砂一次，费工、生产率平面的铸件

低

为了克服挖砂造型的缺点，先

用于成批生产分

将模样放在一个预先作好的假箱

型面不是平面的铸

按上，然后放在假箱上造下型，省去

件

模用入，他的成5!底悔〈保两〉挖砂操作。操作简便，分型面整齐

样分・原皇

特

将模样沿最大截面处分为两

征常用于最大截面

半，型腔分别位于上、下两个半型

区在中部的铸件

内。造型简单，节省工时

分

活缺毒量

铸件上有妨碍起模的小凸台、

主要用于单件、

肋条等。制模时将此部分作成活块,

小批量生产带有突

在主体模样起出后，从侧面取出活

出部分、难以起模的

块。造型费工，要求操作者的技术

铸件

水平较高

用刮板代替模样造型。可大大主要用于有等截

降低模样成本，节约木材，缩短生面的或回转体的大、

产周期。但生产率低，要求操作者中型铸件的单件或

的技术水平较高小批量生产

2.机器造型：机器造型是指用机械设备实现幽和起摸的造型方法。

机器造型特点：

大批量生产砂型的主要方法，能够显著提高劳动生产率，改善劳动条件，并提高铸件的

尺寸精度、表面质量，使加工余量减小。

1).基本原理图7-2所示为顶杆起模式震压造型机的工作过程。

图7-2震压造型机的工作过程

填砂一震击紧砂一辅助压实一起模

2).工艺特点机器造型工艺是采用模底板进行两箱造型。

模底板是将模样、浇注系统沿分型面与底板联结成一个整体的专用模具。造型后，底板

形成分型面，模样形成铸型空腔。

3.造芯

用途：当制作空心铸件，或铸件的外壁内凹，或铸件具有影响起模的外凸时，经常要用

到型芯，制作型芯的工艺过程称为造芯。型芯可用手工制造，也可用机器制造。形状复杂的

型芯可分块制造，然后粘合成形。

注意：为了提高型芯的刚度和强度，需在型芯中放入芯骨；为了提高型芯的透气性，需在型

芯的内部制作通气孔；为了提高型芯的强度和透气性，一般型芯需烘干使用。

7.1.2砂型铸造工艺

目的：为了获得健全的合格铸件，减小铸型制造的工作量，降低铸件成本，在砂型铸造

的生产准备过程中，必须合理地制订出铸造工艺方案，并绘制出铸造工艺图。

铸造工艺图：在零件图中用各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形，其中包括：铸件

的浇注位置；铸型分型面；型芯的数量、形状、固定方法及下芯次序；加工余量；起模斜度；

收缩率；浇注系统；冒口；冷铁的尺寸和布置等。铸造工艺图是指导模样(芯盒)设计、生

产准备、铸型制造和铸件检验的基本工艺文件。依据铸造工艺图，结合所选造型方法，便可

绘制出模样图及合箱图。图7-3为支座的铸造工艺图、模样图及合箱图。

。）零件出•）令箱用

图7-3支座的铸造工艺图、模样图及合型图

a）零件图b）铸造工艺图（左）和模样图（右）c）合型图

（-）浇注位置的选择

浇注位置：浇注时铸件在铸型中所处的位置，选择原则如下：

1.铸件的重要加工面应朝下或位于侧面

图7-4所示为车床床身铸件的浇注位置方案。由于床身导轨面是重要表面，不允许有明

显的表面缺陷，而且要求组织致密，因此应将导轨面朝下浇注。

图7-4车床床身的浇注位置

图7-5为起重机卷扬筒的浇注位置方案。采用立式浇注，由于全部圆周表面均处于侧立

位置，其质量均匀一致、较易获得合格铸件。

上

x-、

中

▲

▼下

图7-5卷扬筒的浇注位置

1.铸件的大平面应朝下

型腔的上表面除了容易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷外，大平面还常容易产生夹砂缺陷。

因此，对平板、圆盘类铸件的大平面应朝下。

2.面积较大的薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置

可以有效防止铸件产生浇不足或冷隔等缺陷。图7-6为油盘铸件的合理浇注位置。

图7-6薄壁件的浇注位置

3.对于容易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放在分型面附近的上部或侧面

以便在铸件厚壁处直接安置冒口，使之实现自下而上的定向凝固。如前述之铸钢卷扬筒,

浇注时厚端放在上部是合理的；反之，若厚端在下部，则难以补缩。

(-)铸型分型面的选择

铸型分型面的选择恰当与否会影响铸件质量，使制模、造型、造芯、合箱或清理等工序

复杂化，甚至还可增大切削加工的工作量。

分型面的选择原则：

1.便于起模，使造型工艺简化尽量使分型面平直、数量少，避免不必要的活块和型

芯。

图7-7为一起重臂铸件，按图中所示的分型面为一平面，故可采用较简便的分模造型;

如果选用弯曲分型面，则需采用挖砂或假箱造型，而在大量生产中则使机器造型的模底板的

制造费用增加。

图7-7起重臂的分型面

应尽量使铸型只有一个分型面，以便采用工艺简便的两箱造型。多一个分型面，铸型就

增加一些误差，使铸件的精度降低。图7-8a所示的三通，其内腔必须采用一个T字型芯来

形成，但不同的分型方案，其分型面数量不同。当中心线ab呈垂直时（图7-8b）,铸型必须

有三个分型面才能取出模样，即用四箱造型。当中心线cd呈垂直时（图7-8c）,铸型有两个

分型面，必须采用三箱造型。当中心线ab和cd都呈水平位置时（图7-8d）,因铸型只有一

个分型面，采用两箱造型即可。显然，图7-8d是合理的分型方案。

图7-9所示支架分型方案是避免用活块的例子。按图中方案I,凸台必须采用四个活块

制出，而下部两个活块的部位较深，取出困难。当改用方案H时，可省去活块，仅在A处

稍加挖砂即可。

图7-9支架的分型方案

铸件的内腔一般是由型芯形成的，有时可用型芯简化模样的外形，制出妨碍起模的凸台、

侧凹等。但制造型芯需要专门的工艺装备，并增加下芯工序，会增加铸件成本。因此，选择

分型面时应尽量避免不必要的型芯。

如图7-10所示的轮形铸件，由于轮的圆周面外侧内凹，在批量不大的生产条件下，多

采用三箱造型。但在大批量生产条件下，采用机器造型，需要改用图中所示的环状型芯，使

铸型简化成只有一个分型面，这种方法尽管增加了型芯的费用，但可通过机器造型所取得的

经济效益得到补偿。

图7-10使用型芯减少分型面

2.尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件精度如图7-11所示。

3.尽量使型腔及主要型芯位于下型这样便于造型、下芯、合箱和检验铸件壁厚。但

下型型腔也不宜过深，并尽量避免使用吊芯和大的吊砂。如图7-12所示。

注意：选择分型面的上述诸原则，对于某个具体的铸件来说难以全面满足，有时甚至互

相矛盾。因此，必须抓住主要矛盾、全面考虑，至于次要矛盾，则应从工艺措施上设法解决。

（三）工艺参数的确定

在铸造工艺方案初步确定之后，还必须选定铸件的机械加工余量、起模斜度、收缩率、

型芯头尺寸等具体参数。

1.加工余量和最小铸出孔在铸件上为切削加工而加大的尺寸称为机械加工余量。

数值取决于：铸件生产批量、合金的种类、铸件的大小、加工面与基准面之间的距离及

加工面在浇注时的位置等。采用机器造型，铸件精度高，余量可减小；手工造型误差大，余

量应加大。铸钢件因表面粗糙，余量应加大；非铁合金铸件价格昂贵，且表面光洁，余量应

比铸铁小。铸件的尺寸愈大或加工面与基准面之间的距离愈大，尺寸误差也愈大，故余量也

应随之加大。浇注时铸件朝上的表面因产生缺陷的机率较大，其余量应比底面和侧面大。灰

铸铁的机械加工余量见下表。

灰铸铁的机械加工余量（mm）

铸件最大浇注时加工面与基准面之间的距离

尺寸位置<5050-120120~260260~500500-800800~1250

顶面3.5~4.54.0~4.5

<120

顶面4.0〜5.04.5~5.05.0~5.5

120〜260

顶面4.5〜6.05.0~6.06.0〜7.06.5~7.0

260-500

7.5~9.0

顶面5.0〜7.06.0〜7.06.5~7.07.0〜8.0

500〜800

6.5~7.0

顶面6.0~7.06.5~7.57.0-8.07.5~8.08.0~9.08.5-10

800-1250

铸件的孔、槽：一般来说，较大的孔、槽应当铸出，以减少切削加工工时，节约金属材

料，并可减小铸件上的热节；较小的孔则不必铸出，用机加工较经济。最小铸出孔的参考数

值见下表。对于零件图上不要求加工的孔、槽以及弯曲孔等，一般均应铸出。

表铸件毛坯的最小铸出孔（mm）

最小铸出孔的直径d

生产批量

灰铸铁件铸钢件

大量生产12-15一

成批生产15〜3030〜50

单件、小批量生产30〜5050

2.起模斜度为了使模样（或型芯）易于从砂型（或芯盒）中取出，凡垂直于分型面

的立壁，制造模样时必须留出一定的倾斜度，此倾斜度称为起模斜度，如图7-13所示。

在铸造工艺图上，加工表面上的起模斜度应结合加工余量直接表示出，而不加工表面上

的斜度（结构斜度）仅需用文字注明即可。

3.收缩率铸件冷却后的尺寸比型腔尺寸略为缩小，为保证铸件的应有尺寸，模样

尺寸必须比铸件放大一个该合金的收缩率。铸造收缩率K表达式为：

K=G二"x100%

4

式中上横——模样或芯盒工作面的尺寸，单位为mm；

%---铸件的尺寸，单位为mm。

通常，灰铸铁的铸造收缩率为0.7%~1.0%,铸造碳钢为1.3%~2.0%,铸造锡青铜为

1.2%~1.4%«

4.型芯头型芯头可分为垂直芯头和水平芯头两大类，如图7-14所示。

图7-14型芯头的构造

a）垂直芯头b）水平芯头

（四）铸造工艺设计的一般程序

铸造工艺设计：在生产铸件之前，编制出控制该铸件生产工艺的技术文件。铸造工艺设

计主要是画铸造工艺图、铸件毛坯图、铸型装配图和编写工艺卡片等，它们是生产的指导性

文件，也是生产准备、管理和铸件验收的依据。因此，铸造工艺设计的好坏，对铸件的质量、

生产率及成本起着决定性的作用。

一般大量生产的定型产品、特殊重要的单件生产的铸件，铸造工艺设计订得细致，内容

涉及较多。单件、小批生产的一般性产品，铸造工艺设计内容可以简化。在最简单的情况下，

只须绘制一张铸造工艺图即可。

铸造工艺设计的内容和一般程序见表。

表铸造工艺设计的内容和一般程序

项目内容用途及应用范围设计程序

①产品零件的技术条件

和结构工艺性分析

在零件图上用规定

②选择铸造及造型方法

的红、兰等各色符号表

铸是制造模样、模底板、芯盒

示出：浇注位置和分型

造等工装以及进行生产准备和验③确定浇注位置和分型面

面，加工余量，收缩率，

工收的依据

起模斜度，反变形量，

④选用工艺参数

浇、冒口系统，内外冷

图适用于各种批量的生产

铁，铸肋，砂芯形状、

⑤设计浇冒口、冷