金屬加工工藝學 第一篇

第一章 工程材料的性質 第一節(jié) 材料的種類與主要性能 1-1 材料的種類 材料是工業(yè)和科學技術的物質基礎，是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要條件，是衡量一個國家經濟實力與技術水平的重要標志，它與信息、能源并列為現(xiàn)代化技術的三大支柱，而能源和信息的發(fā)展又依托于材料材料。因此世界各國都把對材料的研究開發(fā)放在突出的地位。 工程材料 金屬材料 高分子材料 無機非金屬材料 復合材料 功能材料 鋼鐵合金 有色合金 纖維：天然纖維、合成纖維 橡膠：通用橡膠、特殊橡膠 塑料：通用塑料、工程塑料、特種塑料 水泥 玻璃 耐火材料 陶瓷：普通陶瓷、特殊陶瓷 樹脂基 金屬基 陶瓷基 ：力學功能材料、物理功能材料、化學功能材料、生物功能材料、智能功能材料等 鋼：碳鋼、合金鋼、特殊性能鋼 鑄鐵：白口鑄鐵、灰口鑄鐵等 銅及其合金 鋁及其合金 其它：軸承合金、鈦合金、鎂合金等 2.工藝性能 材料的主要性能是指 : 1.使用性能 （ 1）力學性能 （ 2）物理性能 （ 3）化學性能 加工成形的性能 1-2 材料的主要性能 力學性能 材料在外力作用下所表現(xiàn)出的特性 。 （一）外力作用下材料的變形與失效 作用在機件上的外力 載荷 F F F = F （ MPa） 外力 內力 應力 F F 靜載荷 動載荷 = F /S SFSF 一、材料的力學性能 （ 1）彈性變形： 材料受外力作用時產生變形，當外力去除后恢復其原來形狀，這種 隨外力消失而消失的變形 ，稱為 彈性變形 。 1.兩種基本變形 （ 2）塑性變形 : 材料在外力作用下 產生永久的不可恢復的變形 ，稱為 塑性變形 。 2 變形的三個階段 彈性變形 3. 常見的幾種失效形式 （ 1）斷裂 （ 2）塑性變形 （ 3）過量彈性變形 （ 4）磨損 （ 5）腐蝕 塑性變形 斷裂 拉伸實驗 k b b 極限載荷點 （二）材料的力學性能 0lkl0dF e e 彈性極限點 s S 屈服點 K 斷裂點 拉伸曲線 F F L kd l應力 應變曲線 0SF0ll縮頸 sFeFbFo 1 強度 ： 當材料單位面積上所受的應力 e時 ， 材料將產生塑性變形 。 材料在外力作用下，抵抗變形和斷裂的能力。 （ 1） 彈性極限強度 （ e） 與彈性模量 E 指材料在彈性變形階段的最大應力。 e =Fe/S0 （ MPa） 它表征了材料抵抗塑性變形的能力。 在彈性變形階段 ： lF EE所以： 當材料單位面積上所受的應力 es時 ， 材料將產生明顯的塑性變形 。 E 表征了材料在外力作用下產生彈性變形的難易程度，在工程上稱為材料的剛度。 （ 2） 屈服強度 （ S） 指材料在外力作用下，產生屈服現(xiàn)象時的應力。 S =Fs/S0 （ MPa） 它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。 E 材料抵抗彈性變形的能力越大。 k b F e s l0ll0SF2.0s100% 0.2% 2.0Fb b =Fb/S0 （ MPa） （ 3）抗拉強度 （ b ） 抗拉強度是材料在拉斷前承受最大載荷時的應力。 它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應力 。 抗拉強度 是脆性材料選材的依據(jù)。 條件屈服強度 : 0.2=F 0.2/S0 （ MPa） 屈服強度 是塑性材料選材和評定的主要依據(jù)。 2. 塑性 常用 和 作為衡量塑性的指標 。 伸長率： 材料在外力作用下 ， 產生永久變形而不引起破壞的能力 。 斷面收縮率 : %1 0 000 lll k%10000 sss k0lkl0dF F L kd良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件。 )(21 0 2.022 dDDDFmmSNFH B W）（）（(2)洛氏硬度（ HRC） 1： 10 3 硬度 是材料抵抗局部變形的能力 。 是衡量材料軟硬程度的指標 。 (1)布氏硬度（ HB）： 特別是指材料抵抗塑性變形壓痕 、劃痕的能力 。 是材料塑性與彈性的綜合反映 4沖擊韌性 AK = G（ H1 H2）（ J） ak = AK /S （ J/m2） 低碳鋼： b3.6HB 高碳鋼： b3.4HB 調質合金鋼： b3.25HB 材料抵抗沖擊載荷作用下斷裂的能力。 1H2H在沖擊載荷下工作的零件，很少是受大能量一次沖擊而破壞的；往往是受小能量多次重復沖擊而破壞的。 5疲勞強度 1n材料在無數(shù)次重復或交變載荷作用下不引起破壞的最大應力。 循環(huán)基數(shù) 鋼 ： 受交變載荷作用的零件，在其所受應力遠遠低于該材料的屈服強度時，會發(fā)生突然的斷裂。而且是脆性斷裂。 據(jù)統(tǒng)計，約 80%的機件失效為疲勞破壞。 0n0n70 10n80 10n有色金屬： 6斷裂韌性 (K1C) 材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴張能力的性能指標。 由于金屬材料內部不可避免的存在著各種宏觀缺陷，這些缺陷在材料中的作用相當于裂紋。當材料受外力作用時，這些裂紋的尖端附近便出現(xiàn)應力集中，應力不斷增大，裂紋自動擴張，直到最終斷裂。 在外力作用下，裂紋擴展的難易程度用斷裂韌性表示。 斷裂韌性是材料本身的一種力學性能指標，主要取決于材料本身的成分、組織和結構。 力學性能 b s 強度 塑性 剛度 硬度 韌性 疲勞強度 斷裂韌性 （三）力學性能與失效形式的關系 失效形式 斷裂 塑性變形 過量彈變 磨損 （ 三 ） 材料的工藝性能：加工性能 二、 材料的物理、化學及工藝性能 （一）材料的物理性能： 比重、密度、熔點、導電性、導熱性、磁性、 熱膨脹系數(shù)。 （二）材料的化學性能： 耐酸性、耐堿性、抗氧化性。 2-1 金屬的晶體結構 第二節(jié) 金屬及合金的結構與結晶 原子作無序排列 ； 沒有固定的熔點；各向同性。 所有的金屬和合金都是晶體 晶格 原子排列形成的空間格子 晶胞 組成晶格最基本的單元 晶體： 非晶體： 原子作有序排列 ； 有固定的熔點；各向異性。 一、金屬的理想晶體結構 Cr、 Mo、 W、 V、 -Fe Cu、 Ni、 Ag、 Au Mg、 Be、 Zn、 -Ti、 -Cr 金屬的典型晶體結構 體心立方晶格： 面心立方晶格： 密排六方晶格： 二、金屬的實際晶體結構 1點缺陷 空位和間隙原子 空位：是指未被原子占 據(jù)的晶格節(jié)點。 間隙原子： 是指位于原 子間隙中的原子。 2線缺陷 位錯 位錯：是指在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 3面缺陷 晶界 晶界：是指在位向不同、相鄰晶粒之間的過渡層。 合金 以一種金屬為基礎，加入其它金屬或非金 屬，所形成的具有金屬特性的物質。 合金是由兩種以上的元素組成的。 固態(tài)合金的結構是由組元在結晶時彼此之間所起的作用所決定的。 合金的晶體結構 固溶體 金屬化合物 三、合金的晶體結構 1、固溶體 溶質原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體。 據(jù)溶質原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的不同 固溶體 固溶體的性能特點： 具有良好的塑性和韌性，強度、硬度較低。 F： b = 250MPa = 4550% HB = 80 置換固溶體 間隙固溶體 溶質原子 溶劑原子 溶質原子 溶劑原子 2、金屬化合物 合金各組成元素之間相互作用而生成的一種新的具有金屬特性的物質。 金屬化合物各元素之間呈整數(shù)比關系。 如： Fe3C、 WC、 TiC 等 金屬化合物的性能特點： 脆性大、硬度高；強度低；塑性、韌性差；高的熔點。 Fe3C： HB=800； b =30MPa ； 0% 一、 金屬的結晶過程 1 金屬結晶的過冷現(xiàn)象 溫度時間 T0 Tn T nTTT 0 2-2 金屬的結晶與同素異晶轉變 冷卻曲線 過冷度 2 金屬的結晶過程 結晶 形核 長大 過冷度 =理論結晶溫度 -實際結晶溫度 自發(fā)形核 非自發(fā)形核 晶粒 晶界 金屬 是由許多大小、形狀、晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體 。 一般金屬的晶粒越細小，其力學性能越好。 3 細化晶粒的方法 1）變質處理 2）增大過冷度 3）機械的 振動 和攪拌 4）熱處理 5）壓力加工再結晶 Fe FeFe同素異晶轉變 在固態(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體結構從一種晶格類型轉變?yōu)榱硪环N晶格類型的過程。 L 1538 1394 912 一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質 稱為同素異晶性。 Fe、 Sn、 Ti、 Mn 溫度時間 1538 1394 912 體心 面心 體心 FeFeFeFe 二、金屬的同素異晶轉變 鐵素體 碳（ C） 溶入 -Fe中 所形成的 固溶體 。 727 0.02% C 第三節(jié) 鐵碳合金 一、鐵素體（ F） 力學性能： b = 250MPa = 4550% HB = 80 二 、 奧氏體 （ A） 奧氏體 碳（ C） 溶入 -Fe中所形成的 固溶體。 1148 2.11%C 、 727 0.77% 力學性能： b = 250 350MPa = 4045% HB = 160200 3-1 鐵碳合金的基本組織 四 、 珠光體 （ P） 力學性能： b = 750MPa =25% HB = 180-200 五 、 萊氏體 （ Ld） 力學性能： b = 30MPa = 0 HB = 700 珠光體 是 鐵素體 和 滲碳體 組成的 機械混合物。 727 0.77% 萊氏體 是 奧氏體 和 滲碳體 組成的 機械混合物 。 1148 4.3%C 三 、 滲碳體 （ Fe3C） 滲碳體 是 金屬化合物。 6.69%C 力學性能： b = 30MPa = 0 HB = 800 機械混合物 合金的組成在固態(tài)下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物質。 機械混合物既可以是純金屬、固溶體或金屬化合物各自的混合物，也可以是它們之間的混合物。 性能特點： 性能介于各組成物的性能之間。 一般具有良好的綜合力學性能。 P： b = 750MPa =25% HB = 180-200 F： b = 250MPa = 4550% HB = 80 Fe3C： HB=800； b =30MPa ； 0% 相圖 表示合金系的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間關系的圖表。 3-2 鐵碳合金相圖 一 、 什么是相圖 （ 狀態(tài)圖 ） 溫度時間 1538 1394 912 體心 面心 體心 二 、 相圖的作用 是研究合金的 成分、溫度、組織、狀態(tài) 之間 變化規(guī)律的工具 。 A E S P Q G K D 4.3 2.11 0.77 0.02 C% 1148 1538 727 P L A F 三 、 鐵碳合金相圖 溫度912 C Fe3C 6.69 F A 純鐵的熔點。 D Fe3C的熔點。 1. 相圖上點的意義 E C在 -Fe中的最大溶解度點。1148 2.11%C 鋼和鐵的分界點 。 Ld C 共晶點 ， 1148 4.3%C 共晶點 發(fā)生共晶反應的點。 共晶反應 在 一定的溫度 下，由 一定成分的液體 同時結晶出 一定成分的 兩個固相 的反應 。 共晶反應的產物 共晶體 機械混合物 L（ 4.3%C） A（ 2.11%C ） + Fe3C （ 6.69%C ） 1148 Ld G 純鐵的同素異晶轉變點。 912 P C在 -Fe中的最大溶解度點。 727 0.02% C S 共析點 。 727 0.77% 共析點 發(fā)生共析反應的點。 共析反應 在 一定的溫度 下，由 一定成分的固相 同時結晶出 一定成分的 另外兩個固相 的反應。 共析反應的產物 共析體 機械混合物 A（ 0.77%C） F（ 0. 02%C ） + Fe3C（ 6.69%C ） 727 P 2. 相圖上線的意義 A E S P Q G K D 4.3 2.11 0.77 0.02 C% 1148 1538 Ld 727 P L A F 溫度912 C Fe3C 6.69 F AECF線 固相線 ACD線 液相線 AE A析出終了線 ECF 共晶線 1148 AC 析出 A CD 析出 Fe3C A L+ Fe3C L+ Fe3C F +A A+ A+Ld Ld + Fe3C ES線 C在 -Fe中的溶解度曲線。析出二次 Fe3C （ 1） 單相區(qū)： L、 F、 A、 Fe3C （ 2） 兩相區(qū)： L+A、 L+ Fe3C、 A+F、 F+ Fe3C （ 3） 三相區(qū)： L+A+ Fe3C、 A+F+ Fe3C GS線 溶解度曲線 A F GP線 F析出終了線。 PSK線 共析線 727 PQ線 碳在 -Fe中的溶解度曲線。 E S Q G K D 4.3 2.11 0.77 0.02 C% 1148 1538 727 P L A F 溫度912 C Fe3C 6.69 A P Ld F A L+ Fe3C L+ Fe3C F+A 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 4 4 4 1 L 1 L 1 L 1 L A A A A A+ L+ L+ L+ L+ A+ A+ Ld P+F P F+P P+Fe3C P+Fe3C P+Fe3C+Ld A+Ld + 4 2 3 3 3 3 2 2 2 2 A A A F Fe3C Ld Ld Ld Fe3C Fe3C Fe3C+ Fe3C+Ld P+Fe3C+Ld 2 Ld Fe3C +Ld Fe3C +Ld 2 3 1 L A A L+ P 1 L A A L+ A+ P+F 4 3 2 F 4 1 L L+ A+ P+Fe3C 2 3 A A Fe3C 1 L 2 Ld Ld 1 L A+ L+ Ld P+Fe3C +Ld A+Ld + 3 2 A Fe3C 3 1 L 2 L+ Fe3C Fe3C + Fe3C +Ld Ld 1 鋼 2 生鐵 共析鋼 : 亞共析鋼 : 過共析鋼 : 共晶生鐵 : 亞共晶生鐵 : 過共晶生鐵 : 四、鐵碳合金的結晶過程及組織轉變 溫度/。 CAE CFPSKDG室溫0 0. 77 2. 11 4. 3 6. 67 C%LL+AFe C3AA+FP+ Fe C3+Le+LeA+F e C3 F+ Fe C3 F+PP+ Fe C3A+F e C+LeFe C3 +LeLeLe91272715381600114 7P工業(yè)純鐵亞共析鋼共析鋼過共析鋼 亞共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵3L+ Fe C3工業(yè)純鐵 共析鋼 亞共析鋼 過共析鋼 亞共晶白口鑄鐵 過共晶白口鑄鐵 共晶白口鑄鐵 五含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響 F F+P P P+ Fe3C P+ Fe3C +Ld Ld Ld+ Fe3C C% 0 0.77 2.11 4.3 6.69 0.02 F P Ld Fe3C Fe3C 0.91.0 bHB C% bHB 1選擇材料 2確定各種工藝參數(shù) 六 相圖的作用 4-1 鋼的分類和應用 1 按化學成分分類 一 、 鋼的分類 （ 1）低合金鋼 Me 10% 1）碳素鋼 2） 合金鋼 （ 1）低碳鋼 C 0.6% 第四節(jié) 常用金屬材料 2. 按質量分類 P、 S 0.035% 1）普通鋼 2） 優(yōu)質鋼 : 3） 高級優(yōu)質鋼 S： 使合金產生熱裂、熱脆缺陷 P： 使合金產生冷裂、冷脆缺陷 P 0.045% S 0.050% P 0.030% S 0.020% 4） 特級優(yōu)質鋼 P 0.025% S 0.015% （ 1）平爐鋼 （ 2）轉爐鋼 （ 3）電爐鋼 3 按用途分 彈簧鋼、軸承鋼、耐熱鋼、耐蝕鋼等 。 1）結構鋼 2）工具鋼 3）特殊性能鋼 : （ 1）工程結構鋼 （ 2）機械制造用鋼 （ 1）刃具鋼 （ 2）模具鋼 （ 3）量具鋼 4按冶煉方法 二、鋼的牌號及應用 碳素結構鋼的 鋼號用屈服強度 表示 。 這類鋼主要用于制造一般的機械零件和工程構件 。 1結構鋼 Q195（ 0.06-0.12%C）、 Q215（ 0.09-0.15%C）、 Q235（ A（ 0.14-0.22%C）、 B（ 0.12-0.20%C）、 Q255（ 0.18-0.28%C）、 Q275（ 0.28-0.38%C） Q195 屈 s 1） （ 普通 ） 碳素結構鋼 2）優(yōu)質碳素結構鋼 08、 10、 15 沖壓件、焊接件。 15、 20、 25 滲碳淬火。 30、 35、 40、 45、 50、 55 調質處理。制造齒輪、連桿、凸輪和軸類零件。 60、 65、 70 淬火 +中溫回火，制造彈簧。 這類鋼的有害雜質 P、 S含量較低，鋼的質量較好，主要用于制造各種較重要的機械零件。 鋼號用兩位數(shù)字表示 ，數(shù)字表示含碳量的萬分之幾。 45 表示含碳量是萬分之 45（ 0.45%） 低合金高強度結構鋼是在低碳鋼的基礎上加入少量合金元素制得 ， 其合金因素總量不超過 5%， 以 Mn為主要合金因素 。 這類鋼一般在熱軋或正火狀態(tài)下使用 ， 不需再進行熱處理 。 廣泛用于建筑 、 石油 、 化工 、 鐵道 、 橋梁 、造船等工業(yè)部門 。 牌號有 Q295、 Q345、 Q460 3）合金結構鋼 合金結構鋼種類繁多 ， 其鋼號的表示方法為： 兩為數(shù)字+元素符號 +數(shù)字 。 如： 40Cr2Mo4V、 60Si2Mn、38CrMoAl 低合金高強度結構鋼 滾動軸承鋼是制造滾動軸承的內、外套圈和滾珠、滾柱的專用鋼種。常用牌號有 GCr9、 GCr15等，含碳在 0.95% - 1.1%，合金元素主要是鉻。 含 0.90-1.25% C、 1.4-1.65%Cr。 用于制造各種機械零件的合金結構鋼。又可分為： 合金滲碳鋼： 20Cr、 20CrMnTi、 18Cr2Ni4WA 合金調質鋼： 40Cr、 40MnB、 38CrMoAl 合金彈簧鋼： 60Si2Mn、 50CrVA 機械結構用合金鋼 滾動軸承鋼 其牌號表示方法是： 一位數(shù)字 （ 或無數(shù)字 ） +元素符號 +數(shù)字 。 如： 9SiCr、 W18Cr4V、 5CrNiMo等 。 合金工具鋼又可分為 合金刃具鋼 、 合金模具鋼 、 和合金量具鋼 。 2工具鋼 1） 碳素工具 碳素工具鋼含碳量為 0.65-1.35% ，可制造低速切削的刀具和普通模具、量具。 常用牌號有 T7、 T8、 T9、 T10A、 T11、 T12A、 T13等。 2） 合金工具鋼 合金刃具鋼 指用于制造各種刀具的鋼材。含碳量為 0.75-1.50%，典型牌號為 9SiCr、 W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2。 合金量具鋼 在生產中常用的量具有鋼板尺、游標卡尺、卡規(guī)、千分尺、塞規(guī)、塊規(guī)等。 T10A、 T12A 、 CrWMn、GCr15 合金模具鋼 模具鋼是指用于制造各種模具的鋼材。冷做模具鋼如：沖壓模、拉拔模等。典型牌號為 Cr12、Cr12MoV。 熱做模具鋼如：熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等。典型牌號為 5CrMnMo、 5CrNiMo。 是指在一定范圍內具有特殊磁、電、彈性、膨脹等物理性能的鋼。包括軟磁鋼、永磁鋼、無磁鋼、特殊彈性鋼、特殊膨脹鋼、高電阻鋼和合金等。 3特殊性能鋼 1）不銹、耐蝕和耐熱鋼 不銹、耐蝕鋼 不銹鋼是指在水、空氣、酸、堿或其它介質中，具有較強抵抗腐蝕能力的鋼。其含碳量低，主加合金元素為 Cr、 Ni。 常用