1、材料成型方法. 材料成型方法 绪 论 “材料成型方法”是材料成型及控制工程专业学生的一门重要的技术基础课程，主要研究机器零件的常用材料和材料成形方法，即从选择材料到毛坯或零件成形的综合性课程。通过本课程的学习，可获得常用工程材料及材料成形工艺的知识，培养学生工艺分析的能力，了解现代材料成形的先进工艺、技术和发展趋势，为后续课程学习和工作实践奠定必要的基础。 材料是科学与工业技术发展的基础。先进的材料已成为当代文明的主要支柱之一。人类文明的发展史，是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。如果查看一下诺贝尔物理、化学奖的获得者，不难发现20世纪的物理学家和化学家们曾对材料科学做过一系列的贡献
2、。Laue（1914）发现X光晶体衍射，Guillaume（1920）发现合金中的反常性质，Bridgeman（1946）发现高压对材料的作用，Schockley、Bardeen、Brattain（1956）三人发现了半导体晶体管，Landau（1962）的物质凝聚态理论，Townes（1964）发现导致固体激光的出现，Neel（1970）发现材料的反铁磁现象，Anderson、Mott、van Vleck（1977）研究了非晶态中的电子性状，Wilson（1982）对相变的研究成功，Bednorz、Mller（1987）发现了30K的超导氧化物，Smaller、Kroto（1996）发现C-
3、60，Kilby（2000）发明第一块芯片，上述物理领域的诺贝尔获奖者的不少工作是直接针对材料的。至于化学家们，可以举出Giauque（1949）研究低温下的物性，Staudinger（1953）研究高分子聚合物，Pauling（1954）研究化学键，Natta、Ziegler（1963）合成高分子塑料，Barton、Hassel（1969）研究有机化合物的三维构象，Heegler、Mcdermild、白川英树（2000）三人发现导电高分子。 近年来，材料科学的发展极为迅速。以钢铁工业为例，2003年，我国钢产量2.2亿t，是世界钢产量9.6亿t的23，从1890年张之洞创办汉阳铁厂，直到19
4、49年半个多世纪，中国产钢总量只有760万t，不足现在一个大型钢铁厂的年产量。1949年，全国产钢15.8万t，占世界钢产量的0.1，只相当于现在全国半天的产量。1996年至今，我国钢产量年年超过1亿t，成为世界第一产钢大国。从6000万t增长到1亿t钢，美国经过13年，日本经过6年，中国为7年。这对于我国立足于工业化、现代化的世界，意义重大。但是我国又是一个钢的消费大国，2003年我国钢消费2.67亿t。我国钢厂结构不合理，10%以上的钢是由规模不到50万t以下的小型钢铁企业完成的，70%以上的生产能力是由150万t以下的中小钢铁企业完成的。因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附
5、加值的优质钢材仍需进口，2003年就进口了3717万t的优质钢材。为此，新一代钢铁材料的主要目标是探索提高钢材强度和使用寿命。经研究证明，纯铁的理论强度应能高于8000MPa，而目前碳素钢为200MPa级，低合金钢（如16Mn）约400MPa级，合金结构钢也只有800MPa级。日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1倍，2030年再翻一番（即1t钢可相当于现在的4t），这个计划展示了材料挖潜的前景。 类比钢铁，其他材料也有很大潜力可挖。现代材料逐步向高比强度、比模量方向发展。20世纪上半叶，材料科学家利用合金化和时效硬化两个手段，把铝合金的强度提高到700MPa，这样，铝的比强度（强度/密度
6、）达到2.64106cm，是钢的比强度（0.64106cm）的4倍有余。要达到同样的强度，铝合金的用量只有钢的1/4，这就是铝合金作为结构材料的极大优势。 美国1980年汽车平均质量为1500kg，1990年则为1020kg。每台车的铸铁用量由225kg降至112kg，铸铁的比例由15减至11；而铝合金由4增至9；高分子材料由6增. . 至9。汽车重量减轻10%可使燃烧效率提高7%，并减少10%的污染。为了达到这个目标，要求整车重量要减轻40%50%，其中，车体和车架的重量要求减轻50%，动力及传动系统必须减轻10%。美国福特公司新车型中使用的主要材料，黑色金属用量将大幅减少，而铝、镁合金用量
7、将大幅增加。 在航天航空工业上，材料减重获得的效益更大，卫星减重1kg，可减少发射推力5kg。一枚小型洲际导弹，减轻结构质量1kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15km左右，可减轻导弹起飞质量约50kg。 在过去30年，燃气轮机叶片的工作温度平均每年提高6.67。而工作温度每提高83，就可使推力提高20。在1960年以前，主要用锻造镍基高温合金，20世纪60年代初，美国采用在真空下的精密铸造，并铸出多冷却孔，提高工作温度50，70年代中期采用单晶合金（PWA1442），工作温度又提高50100，目前采用第二代单晶（PWA1484），进一步改进冷却技术，再加上热障涂层，涡轮进口温度达到16
8、50。推重比达1520的叶片材料要能承受19302220的高温，所以涡轮叶片实际上是材料与制造工艺的结合，不仅要求高性能的材质，而且要求高度精确的成形技术。 材料成形技术一般包括铸造成形、锻压成形、焊接成形和非金属材料成形等工艺技术。材料成形技术是一门研究如何用热或常温成形的方法将材料加工成机器部件和结构，并研究如何保证、评估、提高这些部件和结构的安全可靠度和寿命的技术科学。它属于机械制造学科。材料成形过程与金属切削过程不同，在大部分成形过程中，材料不仅发生几何尺寸的变化，而且会发生成分、组织结构及性能的变化。因此材料成形学科的任务不仅是要研究如何使机器部件获得必要的几何尺寸，而更重要的是要研
9、究如何通过过程控制获得一定的化学成分、组织结构和性能，从而保证机器部件的安全可靠度和寿命。 我国已是制造大国，仅次于美、日、德，位居世界第四。20世纪末和21世纪初，我国的材料成形技术有了突飞猛进的发展，如三峡水利建设中，440t不锈钢转轮、750t蜗壳和300t的闸门都是世界上最重的钢铁结构。最近建成的30万t超级大型油轮（长333m ，宽58m）、1000t级的大型热壁加氢反应器（壁厚280mm）、空间环境模拟装置（直径18m、高22m的大型不锈钢真空容器）等都是材料及材料成形工艺的重大成就。 材料成形加工是制造业的重要组成部分。据统计，全世界75%的钢材经塑性加工，45%的金属结构用焊接
10、得以成形。我国铸件年产量超过1400万t，成为世界铸件生产第一大国。汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。以汽车生产为例，19531992年40年间，我国共生产汽车100万辆，而2003年一年全国就生产汽车207万辆，预计到2010年，年产量将达到1000万辆左右，成为世界汽车生产第二大国。据统计，2000年全球汽车用材总重量的65%由钢材（约45%）、铝合金（约13%）及铸铁（约7%）通过锻压、焊接和铸造成形，并通过热处理及表面改性获得最终所需的实用性能。 对国防工业而言，由于现代武器装备性能提高很快，相应的结构、材料和成形制造工艺就成为关键。以航空航天工业为例，中国航空业40余年来共生产交
11、付了各种类飞机14000余架，各种类发动机50000余台，海防和空-空战术导弹14000余枚，目前已能成批生产第二代军用飞机，正在研制相当于国际水平的第三代军用飞机，从“九五”开始开展了第四代军用飞机的预研。现代飞机要求超音速巡航、非常规机动性、低环境污染、低油耗、全寿命成本等性能，很大程度上是依靠发动机性能的改进和提高来实现的。发动机性能提高的目标是提高推重比、功率重量比、增压比和涡轮前温度，国外现役机推重比78，在研机910，预研机1520，我国相应为5.5、6.57.5、810。要实现上述指标，要不断发展先进涡轮盘材料和这些材料的精密成形和加工技术。因此，材料精密成形和加工技术成为关系国
12、防安全的一种关键技术。 材料成形技术在21世纪发展过程中，逐步形成“精密”、“优质”、“快速”、“复合”、“绿. . 色”和“信息化”的特色。 1. 精密的材料成形特征 随着材料资源和能源的日益紧缺，材料的少无切削加工已作为制造技术发展的重要方向。材料成形加工的精密化，从尺度上看，已进入亚微米和纳米技术领域。表现为零件成形的尺寸精度正在从近净成形(Near Net Shape Forming)向净成形（Net Shape Forming），即近无余量成形方向发展。毛坯与零件的界线越来越小。采用的主要方法是多种形式的精铸（如熔模铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、挤压铸造、充氧压铸、流变铸造、触变铸造
13、等）、精密压力加工（如精锻、零件精轧、精冲、粉末冶金温压成形、冷温挤压、超塑成形、反压力液压成形、铸锻工艺、同步成形工艺、变压力压胀形技术等）、精密焊接与切割（如等离子弧焊、电子束焊、激光焊、脉冲焊、窄间隙焊、激光和电弧复合加热焊、等离子弧切割、激光切割、水射流切割等）等。 2. 优质的成形技术特征 反映成形加工的优质特征是产品近无缺陷、零缺陷。此缺陷是指不致引起早期失效的临界缺陷的概念。采取的主要措施有：采用先进工艺、净化熔融金属、增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术、优化工艺技术，实现一次成形及试模成功，保证质量；加强工艺过程控制及无损检测，及时发现超标零件；
14、通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。美国GM公司采用CAE技术，每年节省试制费用数百万美元。 3. 快速的成形技术特征 表现在各种新型高效成形工艺不断涌现，新型铸造、锻压、焊接方法从不同角度提高生产率。采取的主要措施有，将逆向设计 (RE)、快速成形(RP)、快速制模（RT）技术相结合，建立起快速制造平台；应用数值模拟技术于铸、锻、焊和热处理等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统结合来确定工艺参数、优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷及防止措施，控制和保证成形工件的质量。波音公司采用的现代产品开发系统，将新产品研制周期从8年缩短到5年，工程返工量减少了50。日本丰田公司在研
15、制2002年嘉美新车型时缩短了研发周期10个月，减少了试验样车数量65。德国RIVAGE公司以一辆旧保时捷跑车作基础，以逆向工程和快速制造为手段，7个月造出一辆概念新车。 4. 复合的材料成形特征 激光、电子束、离子束、等离子束等多种新能源和能源载体的引入，形成多种新型成形方法与改性技术，其中以各种形式的激光成形技术发展最迅速。一批新型复合工艺的诞生，如超塑成形/扩散连接技术、爆炸焊/热轧复合成形技术等造就了一些特殊材料如超硬材料、复合材料、陶瓷等的应用。此外，复合的特征还表现在冷热加工之间、加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限趋向淡化、消失，而复合、集成于统一的制造系统之中。 5
16、. 绿色的材料成形特征 成形加工向清洁生产方向发展，其主要的技术意义在于： 高效利用原材料，对环境清洁；以最小的环境代价和能源消耗来获取最大的经济效益； 符合持续发展和生态平衡。美国在展望2020年的制造业时，把材料净成形工艺发展为“无废弃物成形加工技术（Waste-free Process），即加工过程中不产生废弃物，或产生的废弃物能被整个制造过程中作为原料而利用，并在下一个流程中不再产生废弃物。由于无废物加工减少了废料、污染和能量的消耗，成为今后推广的重要绿色制造技术。 6. 信息化特征 成形工艺逐步向柔性、集成系统发展，大量应用了各种信息和控制技术，如柔性压铸系统，轧、锻柔性生产线、搅拌
17、摩擦焊机器人柔性生产线、弧焊/压焊焊接机器人生产线等；使用远程控制和无人化成形工厂，质量控制向控制过程智能化方向发展等等，都使材料成形技术注入自动化 、信息化特征。 综上所述，现代科学的发展使材料成形技术的内容远远超出了传统的热加工范围。现代材料成形技术可拓展为：一切用物理、化学、冶金原理制造机器部件和结构，或改进机器部件化学成分、微观组织及性能，并尽可能采用复合制造、绿色制造、信息化制造获得优质毛. . 坯或零件的现代制造方法。 所有的零件加工工艺在成形学上按对材料的操作方式可归结为三类，即受迫成形、去除成形和堆积成形。 （1）受迫成形 利用材料的流动性和塑性在特定外力或边界的约束下成形的方
18、法。铸造、锻压以及注塑成形工艺都属于受迫成形。在这种成形方式中，能量的使用体现在使零件发生形态变化或塑性形状变化上；零件的制造信息（几何信息、工艺信息和控制信息等）经预处理后以形状信息的形式物化于工具之中，如模具、型腔等。这种信息处理过程与物理制造过程的结合形式，具有较好的刚性，即制造零件时重复性好，但其柔性较差。零件信息的任何改变都将导致工具的重新制造，因而较适用于定型产品的大批量生产方式或毛坯制造。 （2）去除成形 运用材料的可分离性，把一部分材料（裕量材料）有序地从基体分离出去而成形的方法。传统的车、铣、刨、磨等机加工工艺和激光、电火花加工工艺均属于去除成形。在这种成形方式中，零件制造信
19、息体现在去除材料的顺序和每一步材料的去除量上，即信息通过控制刀具（激光、电火花等也可看作去除刀具）与待加工工件的相对运动，实现材料的有序去除。与受迫成形相比，这种信息过程与物理过程的结合方式具有较大的柔性，实际上，可以把刀具与工件的相对运动看作是一种易于修改、易于编程和易于控制的“动态模具”。但这种零件加工方式由于受到刀具与工件相对运动的条件限制，难以加工形状极为复杂的零件。 （3）堆积成形 利用材料的可连接性，将材料有序地合并堆积起来而成形的方法。快速成形是堆积成形的典型方法，其次，一些焊接和喷镀也可视为堆积成形。快速成形的特点是从无到有，从小到大有序进行，零件的制造信息体现在材料结合的顺序
20、以及每一次材料转变量与深度的控制上，即信息通过控制每个单元的制造和各个单元的结合而实现对整个成形过程的控制。在堆积成形过程中，信息过程与物理过程的结合达到比较高级的阶段，没有“模具”、“卡具”和“切削加工”的概念，成形零件不受复杂程度的限制，它提供了一种直接地并完全自动地把三维CAD模型转换为三维物理模型或零件的制造方法。 第1章 液态金属铸造成形工艺 1.1概述 铸造是液态金属成形的方法，铸造过程是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属在重力、压力、离心力、电磁力等外力场的作用下充满铸型，凝固后获得一定形状与性能铸件的生产过程，是生产金属零件和毛坯的主要形式之一。 与其他零件成形工艺相比，铸造成形
21、具有生产成本低，工艺灵活性大，几乎不受零件尺寸大小及形状结构复杂程度的限制等特点。铸件的质量可由几 克到数百吨，壁厚可由0.3mm到1m以上。现代铸造技术在现代化大生产中占据了重要的位置。铸件在一般机器中占总质量的4080，但其制造成本只占机器总成本的2530。 铸件的生产工艺方法按充型条件的不同，可分为重力铸造、压力铸造、离心铸造等。按照形成铸件的铸型分可分为砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、磁型铸造等。传统上，将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统称为“特种铸造”。砂型铸造应用最为广泛，世界各国用砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的80以上。砂型铸造可分为手工造型
22、和机器造型两种。 铸件的质量(品质)直接影响到机械产品的质量(品质)。提高铸造生产工艺水平是机械产品更新换代、新产品的开发的重要保证，是机械工业调整产品结构、提高生产质量(品质)和经济效益、改变行业面貌的关键之一。 在材料成形工艺发展过程中，铸造是历史上最悠久的一种工艺，在我国已有6000多年. . 历史了，目前我国铸件年产量已超过1000万t。由于历史原因，长期以来，我国的铸造生产处于较落后状态。与当前世界工业化国家先进水平相比，我国的铸造生产的差距不是表现在规模和产量上，而是集中在质量和效率上。国内外铸造生产技术水平的比较见表1-1。 国内外铸造生产技术水平的比较表1-1 比较项目 国 外
23、 能力又小时，体 铸型内的气体国 内 铸型中的气体压力增大，尺寸精度 汽缸体和汽缸盖：一般为CT8CT9 阻碍金属液的流动CT10，与国外差24级 表面粗糙度 m 汽缸体和汽缸盖：50使用寿命 5 汽缸套为600010000h 强，金属液于其中保持液态的时间就存吸取并铸型的蓄热金属6000h 3000铸件废品率 2% 美、英、法、日约为热愈短，充型能力下降 储在本身中系数15% 8 耗能/吨铸件 应 用360370kg标准煤(合格铸件) 量的能力 t /年（1997） 增长速度（1997） 650kg标准煤% 增长速度（2000）% 劳动生产率 6 轿车人年 65t/时温度愈高，液态金属与铸型
24、的温差就 铸型在浇注铸型温度82.697 13 人年8t/52 熔炼技术 载货汽车 富氧送风，铁水温度1500愈小，充型能力愈强的温度 44 5.110 1400 232 造型工艺 7 8 造船广泛采用流水线，采用高压造型、射压造型、和气冲造型 结构愈复杂，流动阻力愈大，充型能构的结各浇注系统的浇道 力愈差复杂情况 结构 折算厚度大，散热慢，充型能力好与表铸件的折算铸件体积65 8.463 除汽车等行业中少数厂采用半自动、自动化流水线外，多数厂普遍采用40年代造型技术 43 铸造工 艺装备 9 造型机精度和精度保持能力很高。造型线精度可保持12年，设备综合开工率80%，装备全部标准化、系列化、
25、商品化 面积之比厚度 结构复杂，流动阻力大，铸型充填困杂构复铸件复杂程铸件结 难度 状况精度低，精度保持能力差(半年)。设备综合开工率50%。装备标准化、系列化、商品化程度很低 铸造用 工艺材料 质量很高，如日本硅砂都经水洗，含泥量小于0.2% 质量很差，砂只作筛分，含泥量在2%以上 1.2 铸件形成理论基础 1.2.1金属的充型 液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件，取决于充型能力。在液态合金充型过程中，一般伴随结晶现象，若充型能力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。浇不足使铸件未能获得完整的形状；冷隔时，铸件
26、虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。 充型能力首先取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等因素的影响。 影响充型能力的因素有：合金的流动性、铸型的蓄热系数、铸型温度、铸型中的气体、浇注温度、充型压力、浇注系统的结构、铸件的折算厚度、铸件的复杂程度等，如表1-2所示。 表1-2 影响充型能力的因素和原因 序号 影响因素 定 义 影 响 原 因 流动性好，易于浇出轮廓清晰，薄而1 合金的流动液态金属本身复杂的铸件；有利于非金属夹杂物和性 的流动能力 气体的上浮和排除；易于对铸件的收缩进行补缩 浇注时金属液浇注温度愈高，充型能力愈强 2
27、 浇注温度 的温度3 流体属 充型压力金液在压力愈大，充型能力愈强。但压力过. . 大或充型速度过高时，会发生喷射、所受动方向上 飞溅和冷隔现象的压力能在金属液与铸型间产生气膜，减小型因铸浇注时摩擦阻力，但发气太大，铸型的排气铸型中的气4 成在气而形发 1.2.2 铸件的温度场铸件上各点的温度随时间 金属液在铸型中的凝固和冷却过程是一个不稳定的传热过程， 铸件在凝固过程中不断释放出而铸型温度随时间上升；铸件大部分为三维传热问题；下降，在金属型凝固时还可其断面上存在固态外壳、液固态并存的凝固区域和液态区，结晶潜热，铸型和铸件的热能出现中间层。因此，铸件与铸型的传热是通过若干个区域进行的。此外，采
28、用数学分析法研究铸型温度物理参数是随温度而变化的。由于这些因素的多样性和变化， 场的变化必须要对问题进行合理的简化处理。）中凝固时湿型断面上的温8%厚度30mm的平板铸铁件在湿砂型（铸型的初始水分为 铸型热量由型腔表面向内层砂型转移，随时间推移，度场。可见，湿砂型被金属液急剧加热，含水铸型的温度场在任何时刻都可以划分为三个高温表面层中的水分会向低温的里层迁移，（湿型的原始水分）m0100、水分（质量分数）由特征区。I区为干砂区；II区是温度为降至及m1IIIII区的温度和水分分别由相邻区的100增至m1（凝聚区水分）的高水区； m0。这三个区是逐渐地由型腔表面向铸型内部延伸扩展的。室温t0和
29、1.2.3 金属的凝固 1金属的凝固方式其在很大程度上决定了铸件的铸是铸件形成过程的关键问题， 液态合金的结晶与凝固， 起决定性的作特别是铸件力学性能，态组织及某些铸造缺陷的形成，冷却凝固对铸件质量， 用。方式 一般将铸件的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式、体积凝固（或称糊状凝固） 和中间凝固方式。铸件的“凝固方式”是依据凝固区的宽窄来划分的。 ）1 逐层凝固方式在恒温下结晶的金属，和T1T2是铸件断面上两个不同时刻的温度场。是结晶温度， tc（凝固前凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度等于零，断面上的固相和液相由一条界线沿）清楚地分开。随温度的下降，固体层不断加厚，逐步达到铸件中心，这种情
30、况称为“逐。如果合金结晶温度范围很小或断面温度梯度很大时，铸件断面的凝固区域很窄，层凝固”. . 也属于逐层凝固方式。 2）体积凝固方式 如果合金的结晶温度范围很宽，或因铸件断面温度场较平坦，铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件断面，而表面温度尚高于ts，这种情况称为“体积凝固方式”，或称“糊状凝固方式”。 3）中间凝固方式 如果合金的结晶温度范围较窄，或因铸件断面的温度梯度较大，铸件断面上的凝固区域宽度介于前二者之间时，则属于“中间凝固方式”。 决定凝固区域宽度的因素 铸件断面凝固区域的宽度是由合金的结晶温度范围和温度梯度两个量决定的。铸件的温度梯度主要取决于： (1)
31、合金的性质 合金的凝固温度愈低、导热率愈高、结晶潜热愈大，铸件内部温度均匀化能力愈大、而铸型的激冷作用变小，故温度梯度小（如多数铝合金）； (2) 铸型的蓄热能力 铸型蓄热能力愈强，激冷能力愈强，铸件温度梯度愈大； (3) 浇注温度 浇注温度愈高，因带入铸型中热量增多，铸件的温度梯度减小。 1.2.4 合金的收缩、应力及变形 1. 合金的收缩及影响因素 1) 收缩 金属从浇注温度冷却到室温要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个互相联系的收缩阶段。固态收缩将引起铸件外部尺寸的变化，故称尺寸收缩或线收缩。线收缩对铸件形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。 2)影响收缩
32、的因素 化学成分、浇注温度和铸件结构和铸型条件对收缩产生影响 3)缩孔及缩松 铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞，大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物理化学性能大大降低，以至成为废品，是极其有害的铸造缺陷之一。 2. 缩孔、缩松的防止方法 (1) 使缩松转化为缩孔的方法 ： 尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固； 对凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温度梯度办法。 (2) 防止缩孔的方法 要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，可采用“定向凝固原则”。 定向凝固的优点：冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密。对于凝固收缩大，结晶温度范围较小的
