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1、材料成形基础绪1绪绪 论论 工程材料成形工艺工程材料成形工艺( (也称为材料成形技术；也称为材料成形技术；传统名称传统名称金属工艺学；简称：金工金属工艺学；简称：金工) )： 即从选择材料到毛坯或成品的成形工艺即从选择材料到毛坯或成品的成形工艺。 通过本课的学习，可以通过本课的学习，可以了解掌握常用工程材了解掌握常用工程材料及其成形工艺的基础知识料及其成形工艺的基础知识。 材料社会进步的物质基础与先导，是人类进材料社会进步的物质基础与先导，是人类进步的里程碑步的里程碑。而任何材料在被制造成有用物品。而任何材料在被制造成有用物品( (无论是生活用品或是生产工具等无论是生活用品或是生产工具等) )

2、的过程中，都的过程中，都材料成形基础绪2 要经过成形加工，显然材料成形工艺是人类生产要经过成形加工，显然材料成形工艺是人类生产活动中始终不可缺少的活动中始终不可缺少的基础性技术基础性技术。 一一. .材料成形工艺的发展史材料成形工艺的发展史 材料成形工艺是伴随着人类使用材料的历史材料成形工艺是伴随着人类使用材料的历史而发展的。而发展的。 在人类使用材料之初，用过兽骨，还通过将在人类使用材料之初，用过兽骨，还通过将天然材料石头、陶土打制成石器和烧制成陶器天然材料石头、陶土打制成石器和烧制成陶器（瓷器），在烧陶过程中（瓷器），在烧陶过程中 人们掌握了金属（青人们掌握了金属（青铜）冶炼技术及金属成形

3、工艺。铜）冶炼技术及金属成形工艺。 在成形技术的发展中，中华民族对此做出过在成形技术的发展中，中华民族对此做出过材料成形基础绪3 极其重大的贡献。极其重大的贡献。 我国在原始社会后期开始有陶器，在仰韶文我国在原始社会后期开始有陶器，在仰韶文化和龙山文化时期制陶技术已相当成熟。化和龙山文化时期制陶技术已相当成熟。 我国是世界上应用铜、铁最早的国家，远在我国是世界上应用铜、铁最早的国家，远在40004000年前就已经开始使用铜合金，至商周时代年前就已经开始使用铜合金，至商周时代( (公公元前元前1616世纪一公元前世纪一公元前8 8世纪世纪) )达到了青铜文化的鼎达到了青铜文化的鼎盛时期。盛时期。

4、 公元前六七世纪的春秋时期，我国已开始使公元前六七世纪的春秋时期，我国已开始使用铁器，这比欧洲国家早了用铁器，这比欧洲国家早了18001800多年。多年。战国时期战国时期, ,我国就发明了炼钢技术，创造了多种在当时比较我国就发明了炼钢技术，创造了多种在当时比较材料成形基础绪4 先进的炼钢方法先进的炼钢方法, ,并将其用于制造农具和兵器等并将其用于制造农具和兵器等. . 铸造技术在我国源远流长，并达到了很高的铸造技术在我国源远流长，并达到了很高的水平，形成了水平，形成了闻名于世的以闻名于世的以泥范泥范( (砂型砂型) )、铁范铁范 ( (金属型金属型) )和和失蜡铸造失蜡铸造为代表的中国古代三大

5、铸造为代表的中国古代三大铸造技术技术。 据考证据考证, ,早在早在3 0003 000年前的商周时期年前的商周时期, ,我国已发我国已发明了古代明了古代失蜡铸造法失蜡铸造法；战国中期，出现了金属型战国中期，出现了金属型铸造铸造；隋唐以后，我国已掌握了大型铸件的生产；隋唐以后，我国已掌握了大型铸件的生产技术。技术。 河南安阳武官村出土的商代司母戊鼎河南安阳武官村出土的商代司母戊鼎，重，重材料成形基础绪5 875 kg875 kg，体积庞大，花纹精巧，造型精美。，体积庞大，花纹精巧，造型精美。 湖北江陵楚墓中发现的越王勾践青铜宝剑湖北江陵楚墓中发现的越王勾践青铜宝剑，地下埋藏了地下埋藏了2 000

6、2 000多年，但依然刃口锋利，寒光闪多年，但依然刃口锋利，寒光闪闪，可一次割透叠在一起的十多层纸张。闪，可一次割透叠在一起的十多层纸张。 西汉时期曾大量使用的西汉时期曾大量使用的“透光透光”铜镜，被西铜镜，被西方人称为方人称为 “ “中国魔镜中国魔镜”，就是我国古代工匠们，就是我国古代工匠们巧妙地利用了因铸件壁厚不同形成的铸造应力及巧妙地利用了因铸件壁厚不同形成的铸造应力及变形的原理而制成的。变形的原理而制成的。 现存于北京大钟寺内的明朝永乐年间铸造的现存于北京大钟寺内的明朝永乐年间铸造的材料成形基础绪6 大铜钟，重大铜钟，重46465 t5 t，钟身内外遍铸经文，钟身内外遍铸经文2020余

7、万字，余万字，是世界上铸字最多的大钟，其钟声浑厚虽在悦耳，是世界上铸字最多的大钟，其钟声浑厚虽在悦耳，远传百里。远传百里。 我国河北沧州的五代铁狮、湖北当阳的北宋我国河北沧州的五代铁狮、湖北当阳的北宋铁塔等，都是世界著名的巨型铸件。铁塔等，都是世界著名的巨型铸件。 北京故宫、颐和园内精美的铜狮、铜鹤、铜北京故宫、颐和园内精美的铜狮、铜鹤、铜龟和铜亭构件等，则是我国明清时期失蜡铸造的龟和铜亭构件等，则是我国明清时期失蜡铸造的代表作。代表作。 我国锻造和焊接技术也有着悠久的历史。我国锻造和焊接技术也有着悠久的历史。 在河北藁城出土的商朝铁刃铜钺在河北藁城出土的商朝铁刃铜钺( (越越) )是我国是我

8、国材料成形基础绪7 发现的最早的锻件。发现的最早的锻件。( (距今距今3 0003 000多年多年) ) 在河南辉县战国墓中发掘出的殉葬铜器在河南辉县战国墓中发掘出的殉葬铜器, ,其其耳和足是用钎焊方法与本体连接的。耳和足是用钎焊方法与本体连接的。 我国还是最早使用我国还是最早使用粘接技术粘接技术的国家，在陕西的国家，在陕西临潼临潼秦始皇陵陪葬坑发现的铜车马秦始皇陵陪葬坑发现的铜车马中，金银饰件中，金银饰件的固定用的就是一种无机粘接剂。的固定用的就是一种无机粘接剂。 我国明朝科学家我国明朝科学家宋应星宋应星著著天工开物天工开物一书一书中，记载了中，记载了冶铁、炼铜、铸钟、锻铁、焊接、淬冶铁、炼

9、铜、铸钟、锻铁、焊接、淬火等多种金属成形和改性方法及生产经验火等多种金属成形和改性方法及生产经验, ,是世是世界上有关界上有关金属加工工艺金属加工工艺最早的科学著作之一。最早的科学著作之一。材料成形基础绪8 我国的我国的瓷器瓷器制造自古以来就享有盛名，宋制造自古以来就享有盛名，宋代时已形成陶瓷业的代时已形成陶瓷业的“八大名窑八大名窑”，即，即定窑、磁定窑、磁州窑、均窑、耀窑、景德镇窑、越窑、龙泉窑和州窑、均窑、耀窑、景德镇窑、越窑、龙泉窑和建窑，建窑，其风格各具特色，技术各领风骚。其风格各具特色，技术各领风骚。 近年来近年来，仅，仅材料科学材料科学的发展极为迅速。的发展极为迅速。 以钢铁工业为

10、例，以钢铁工业为例，20032003年，我国钢产量年，我国钢产量2.22.2亿亿吨，是世界钢产量吨，是世界钢产量9.69.6亿吨的亿吨的2323. . 从从18901890年年张之洞张之洞创办创办汉阳铁厂汉阳铁厂, ,直到直到19491949年的年的半个多世纪，中国产钢总量只有半个多世纪，中国产钢总量只有760760万吨万吨, ,不足现不足现在一个大型钢铁厂的年产量。在一个大型钢铁厂的年产量。 材料成形基础绪9 19491949年年, ,全国产钢量全国产钢量15.815.8万吨，占世界钢产量万吨，占世界钢产量的的0.10.1，只相当于现在全国半天的产量。只相当于现在全国半天的产量。 19961

11、996年至今，我国钢产量年年超过年至今，我国钢产量年年超过1 1亿吨亿吨, ,成成为为世界第一产钢大国。世界第一产钢大国。 从从60006000万吨增长到万吨增长到1 1亿吨钢，经过亿吨钢，经过7 7年。年。 这对于我国立足于工业化、现代化的世界，这对于我国立足于工业化、现代化的世界，意义重大。意义重大。 但是我国又是一个钢的消费大国，但是我国又是一个钢的消费大国，20032003年我年我国钢消费国钢消费2.672.67亿吨。亿吨。 我国钢厂结构不合理，我国钢厂结构不合理，1010以上的钢是由以上的钢是由材料成形基础绪10 规模不到规模不到5050万吨的小型钢铁企业完成的，万吨的小型钢铁企业完

12、成的，7070以以上的生产能力是由上的生产能力是由150150万吨以下的中小钢铁企业万吨以下的中小钢铁企业完成的。完成的。 因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附加值的优质钢材仍需进口，高，许多高附加值的优质钢材仍需进口，20032003年年就进口了就进口了37173717万吨的优质钢材。万吨的优质钢材。 所以，新一代钢铁材料的主要探索目标是提所以，新一代钢铁材料的主要探索目标是提高钢材强度和使用寿命。高钢材强度和使用寿命。 研究证明，研究证明，纯铁的理论强度应能高于纯铁的理论强度应能高于8000 8000 MPaMPa，而目前碳素钢为而目前碳

13、素钢为200 MPa200 MPa级级，低合金钢低合金钢( (如如材料成形基础绪11 Q345)Q345)约约400MPa400MPa级，合金结构钢也只有级，合金结构钢也只有800 MPa800 MPa级。级。 日本拟于日本拟于20102010年将年将钢的强度和寿命各提高钢的强度和寿命各提高1 1倍倍，20302030年再翻一番年再翻一番( (即即1t 1t钢可相当于现在的钢可相当于现在的4 t)4 t)，这个计划展示了材料挖潜的前景。这个计划展示了材料挖潜的前景。 我国已是制造大国，仅次于美、日，要取代我国已是制造大国，仅次于美、日，要取代德国而位居世界第三。德国而位居世界第三。 近年，我国

14、的材料成形技术有了突飞猛进的近年，我国的材料成形技术有了突飞猛进的发展发展, ,如三峡水利建设中如三峡水利建设中, ,440 t440 t不锈钢转轮不锈钢转轮、750 t750 t蜗壳和蜗壳和300 t300 t的闸门的闸门都是世界上最重的钢铁结构。都是世界上最重的钢铁结构。 材料成形基础绪12 最近建成的最近建成的3030万吨超级大型油轮万吨超级大型油轮( (长长333 m333 m，宽宽58 m)58 m)、1 0001 000吨级的大型热壁加氢反应器吨级的大型热壁加氢反应器( (壁厚壁厚280 mm280 mm) )、空间环境模拟装置空间环境模拟装置( (直径直径18 m18 m、高、高

15、22 m22 m的大型不锈钢真空容器的大型不锈钢真空容器) )等都是材料及材料成形等都是材料及材料成形工艺的重大成就。工艺的重大成就。 材料成形加工是制造业的重要组成部分。材料成形加工是制造业的重要组成部分。 据统计，据统计，全世界全世界7575的钢材经塑性加工，的钢材经塑性加工，4545的金属结构用焊接得以成形的金属结构用焊接得以成形。 我国铸件年产量超过我国铸件年产量超过14001400万吨，成为世界铸万吨，成为世界铸件生产第一大国。件生产第一大国。材料成形基础绪13 汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。 以以汽车生产汽车生产为例，为例，1953-1

16、9921953-1992年年4040年间，年间，我国我国共生产汽车共生产汽车100100万辆，万辆，而而20032003年年- -年全国就生产汽年全国就生产汽车车207207万辆万辆，( (20072007年上半年产量超过年上半年产量超过450450万辆万辆) )预预计到计到20102010年，年产量将达到年，年产量将达到10001000万辆左右万辆左右，成为，成为世界汽车生产第二大国。世界汽车生产第二大国。 据统计，据统计，20002000年全球年全球汽车用材总质量的汽车用材总质量的6565由由钢材钢材( (约约4545) )、铝合金、铝合金( (约约1313) )及铸铁及铸铁( (约约7

17、7) )通通过锻压、焊接和铸造成形过锻压、焊接和铸造成形，并通过热处理及表面，并通过热处理及表面改性获得最终所需的实用性能。改性获得最终所需的实用性能。材料成形基础绪14二二. .本课程的学习要求本课程的学习要求 本课程是机械类专业的（技术基础课）本课程是机械类专业的（技术基础课）主干主干课程之一。课程之一。 同学们在学完本课程之后，应达到以下基本同学们在学完本课程之后，应达到以下基本要求：要求： 1. 1.掌握各种成形方法掌握各种成形方法的基本原理、工艺特点的基本原理、工艺特点和应用场合，了解常用成形设备的结构和用途，和应用场合，了解常用成形设备的结构和用途，具有进行材料成形工艺分析和合理选

18、择毛坯具有进行材料成形工艺分析和合理选择毛坯( (或或零件零件) )成形方法的初步能力。成形方法的初步能力。 材料成形基础绪15 2. 2.具有综合运用工艺知识，分析零件结构工具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力艺性的初步能力。 3. 3.了解与材料成形技术有关的了解与材料成形技术有关的新材料、新工新材料、新工艺及其发展趋势。艺及其发展趋势。 本课程的特点：本课程的特点： 是融多种工艺方法为一体，以叙述性内容为是融多种工艺方法为一体，以叙述性内容为主，涉及面广，信息量大，实践性强。主，涉及面广，信息量大，实践性强。 多因素，逻辑性强，必须博闻强记。多因素，逻辑性强，必须博闻强记。

19、 因而在学习方法上应当进行适当的调整，以因而在学习方法上应当进行适当的调整，以求获得良好的学习效果。求获得良好的学习效果。材料成形基础绪16 旧石器时代晚期，残长8.2厘米，北京周口店出土。骨 针材料成形基础绪17 ( (新石器时新石器时代代山东龙山文山东龙山文化，约化，约48004800年年) ) 高高29.729.7厘米，厘米， 19601960年山东潍年山东潍坊市出土，坊市出土， 现藏山东省博现藏山东省博物馆物馆。 白白 陶陶材料成形基础绪18 旧石器时旧石器时代早期，北京代早期，北京市房山区周口市房山区周口店第一地点出店第一地点出土土石锤、石钻石锤、石钻材料成形基础绪19 石镰 长20

20、.6厘米 新石器时代晚期 距今7000年材料成形基础绪20人人面面鱼鱼纹纹彩彩陶陶盆盆 (新石器时代仰韶文化，约5000年) 高16.5厘米,口径39.5厘米。20世纪50年代陕西省西安市半坡村出土,现藏中国历史博物馆。 材料成形基础绪21材料成形基础绪22越王勾践剑，春秋晚期，距今2400多年材料成形基础绪23 青花牡丹纹水注材料成形基础绪24 秦始皇陵出土的铜车马(公元前200多年),车通长3.17米，高1.06米，相当于真车马的一半,总重量为1241公斤。材料成形基础绪25 永乐大钟通高永乐大钟通高5.55.5米，口径米，口径3.33.3米，重约米，重约4646吨，以吨，以“五绝五绝”荣

21、获荣获“钟王钟王”之誉：之誉： 1. 1.形大量重、历史悠久、历形大量重、历史悠久、历史内涵最为丰富；史内涵最为丰富； 2. 2.钟身内外整齐地铸有钟身内外整齐地铸有2323万万多字的汉文、梵文佛经铭文，是多字的汉文、梵文佛经铭文，是铭文字数最多的大钟；铭文字数最多的大钟； 3. 3.有世界第一流的声学特性有世界第一流的声学特性, ,轻击，圆润、深沉，重击，纯厚、轻击，圆润、深沉，重击，纯厚、洪亮洪亮, ,钟声悠雅感人钟声悠雅感人, ,益寿延年益寿延年, ,钟钟声可传声可传40405050公里；公里； 4. 4.钟体力学结构设计合理。钟体力学结构设计合理。 5. 5.铸造工艺精美绝伦而又朴实铸造工艺精美绝伦而又朴实无华，天人合一，是中华民族精无华，天人合一，是中华民族精神的象征神的象征, ,中华民族的骄傲。中华民族的骄傲。材料成形基础绪26材料成形基础绪27 沧州铁狮铸造于公元沧州铁狮铸造于公元953953年。年。 铁狮子通高铁狮子通高5.785.78米，身长米，身长6.56.5米，体宽米，体宽3.173.17米，米，重约重约4040吨吨材料成形基础绪28商晚期，是我国现已发现的较大的方尊，高五十八点六厘米，重近三十四点五公斤。整个器物用块范法浇铸，一气呵成，鬼斧神工，显示了高超的铸造水平。