材料與成形技術-1

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視覺效果柔和的枕頭造型與其堅硬的鋼質(zhì)地形成強烈對比；外觀柔和而靈活，簡直就像平常見到的普通枕頭

鏡面拋光工藝的應用，使普通的餐桌變得生動活潑離子氮化技術可將將齒輪表面之硬度氮化至840Hv，獲得最佳的耐磨和耐沖擊韌性第1章工程材料

材料是現(xiàn)代文明的三大支柱之一，也是發(fā)展國民經(jīng)濟和機械工業(yè)的重要物質(zhì)基礎?？茖W技術的進步，推動了材料工業(yè)的發(fā)展，使新材料不斷涌現(xiàn)。工程材料已經(jīng)擴展為包括金屬材料、有機高分子材料（聚合物）和無機非金屬材料三大系列的全材料范圍。

工程材料目前正朝高比強度（單位密度的強度）、高比模量（單位密度的模量）、耐高溫、耐腐蝕的方向發(fā)展。圖1-1為材料比強度隨時間的進展的示意圖，該圖表明今日先進材料比強度比早期材料增長50倍。1.2固體材料的性能

固體材料的主要性能包括力學性能、物理性能、化學性能、工藝性能等。力學性能是工程材料最主要的性能，又稱機械性能，指材料在外力載荷作用下表現(xiàn)出來的性能。1.強度和塑性

材料強度指材料在達到允許的變形程度或斷裂前所能承受的最大應力，如彈性極限、屈服點、抗拉強度、疲勞極限、蠕變極限等等。1)彈性和彈性模量試樣加載后應力不超過一定值，若卸載，試樣能恢復原狀，這種材料不產(chǎn)生永久變形的性能，稱為彈性。工程上把彈性模量，即引起單位彈性變形所需要的應力，稱為材料的剛度，表示材料抵抗彈性變形的能力。2)塑性載荷超過彈性極限后，若卸載，試樣的變形不能全部消失，將保留一部分殘余變形。這種不能恢復的殘余變形，稱為塑性變形，其性能稱為塑性。3)強度在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強度。按外力作用方式不同，可分為抗拉強度、抗壓強度、抗扭強度等，以抗拉強度最為常用。屈服強度：抗拉強度：

2.硬度9

硬度是指金屬材料表面抵抗其它硬物體壓入的能力，它是衡量金屬材料軟硬程度的指標。硬度值和抗拉強度等其它力學性能指標之間存在一定關系，故在零件圖上，對力學性能的技術要求往往是標注硬度值。生產(chǎn)中也常以硬度作為檢驗材料性能是否合格的主要依據(jù)，并以材料硬度作為制定零件加工工藝的主要參考。測定硬度最常用的方法是壓入法，工程上常用的硬度指標是布氏、洛氏和維氏硬度。

3.沖擊韌度

評定材料抵抗大能量沖擊載荷能力的指標稱為沖擊韌度。常用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定金屬材料的沖擊韌度。其測定方法是按GB229-1984制成帶U形缺口的標準試樣，將具有質(zhì)量G（單位：kg）的擺錘舉至高度為H（單位：m），使之自由落下，將試樣沖斷后，擺錘升至高度h（單位：m）。圖1-4擺錘沖擊試驗圖1-5材料的沖擊韌度值－溫度關系曲線4.疲勞強度2

許多機器零件的彈簧、軸、齒輪等，在工作時承受交變載荷，當交變載荷的值遠遠低于其屈服強度時發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂與在靜載作用下材料的斷裂不同，不管是脆性材料還是韌性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先無明顯的塑性變形，屬于低應力脆斷。零件的疲勞失效過程分為三個階段：疲勞裂紋產(chǎn)生、疲勞裂紋擴展、瞬時斷裂。產(chǎn)生疲勞斷裂的原因，是由于材料內(nèi)部的缺陷、加工過程中形成的刀痕、尺寸突變導致的應力集中等。5.斷裂韌度4

一些工程結構件和機器零件在低于許用應力的條件下工作，產(chǎn)生無明顯塑性變形的斷裂，這種斷裂稱為低應力脆斷。低應力脆斷是由于材料內(nèi)部已存在的宏觀裂紋失穩(wěn)擴展引起的。當應力強度增大到某一臨界值時，使裂紋尖端的應力場大到足以使裂紋失穩(wěn)擴展，從而導致材料發(fā)生斷裂。這個應力強度的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用KⅠC表示。它反映材料有裂紋存在時，抵抗脆性斷裂的能力。

6.金屬的高溫力學性能5

材料在高溫下其力學性能與常溫下是完全不同的。許多機械零件在高溫下工作，在室溫下測定的性能指標就不能代表其在高溫下的性能。一般來說，隨著溫度的升高，彈性模量E、屈服強度σS、硬度等值都將降低，而塑性將會增加，除此之外，還會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。

蠕變是指金屬在高溫長時間應力作用下，即使所加應力小于該溫度下的屈服強度，也會逐漸產(chǎn)生明顯的塑性變形直至斷裂。有機高分子材料，即使在室溫下也會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。1.3金屬的結構

固態(tài)物質(zhì)按原子的聚集狀態(tài)分為晶體和非晶體。固態(tài)金屬基本上都是晶體，非金屬物質(zhì)大部分也是晶體，如金剛石、硅酸鹽、氧化鎂等，而常見的玻璃、松香等，則為非晶體。7

晶體和金屬的特性原子在空間呈規(guī)則排列的固體物質(zhì)稱為“晶體”，如圖1-8a所示。晶體具有固定的熔點。金屬晶體中，金屬原子失去最外層電子變成正離子，每一個正離子按一定規(guī)則排列并在固定位置上作熱振動，自由電子在各正離子間自由運動，并為整個金屬所共有，形成帶負電的電子云。正離子與自由電子的相互吸引，將所有的金屬原子結合起來，使金屬處于穩(wěn)定的晶體狀態(tài)。金屬原子的這種結合方式稱為“金屬鍵”。1.4金屬的結晶

原子從一種聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種規(guī)則排列的過程，稱為“結晶”，結晶可以是液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬；或固態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬，即固態(tài)金屬的相變。金屬的結晶一般在過冷的條件下進行；結晶的過程是由形成晶核和晶核長大兩個階段組成。1.5二元合金

由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)稱為合金。組成合金最基本、最獨立的物質(zhì)稱為組元。一般來說，組元就是組成合金的化學元素，或是穩(wěn)定的化合物。兩種組元組成的合金稱為二元合金。液態(tài)合金結晶時，合金組元間相互作用，形成具有一定晶體結構和一定成分的相。相是指合金中成分相同、結構相同，并與其它部分以界面分開的均勻組成部分。固態(tài)合金按其晶格結構的基本屬性，可分為固溶體和金屬化合物兩類。

1.固溶體合金在固態(tài)下，組元間互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。晶格與固溶體相同的組元稱為固溶體的溶劑，其它組元稱為固溶體的溶質(zhì)。溶質(zhì)以原子狀態(tài)分布在溶劑的晶格中。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占的位置，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體。2.金屬化合物

合金中，當溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時，將析出新相。若新相的晶格結構與合金的另一組元相同，則新相為以另一組元為溶劑的固溶體。若新相的晶格類型和性能完全不同于任一組元，并具有一定的金屬特性，則新相是合金組元相互作用形成的一種新物質(zhì)——金屬化合物。金屬化合物一般具有復雜晶體結構。它熔點高，硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。

金屬化合物呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，使合金的強度、硬度、耐熱性和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。因此，金屬化合物在合金中常作為強化相，它是合金的重要組成相。應用金屬材料時需考慮到的性能①使用性能使用過程中表現(xiàn)出來的性能機械(力學)性能：強度、塑性、彈性、剛度等

物理性能：導熱性、導電性、熱膨脹性、磁性等化學性能：抗蝕性、抗氧化等②工藝性能

制造和加工過程中表現(xiàn)出來的性能如鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等1.6鐵碳合金

鐵碳合金是以鐵和碳為組元的二元合金，是機械制造中應用最廣泛的金屬材料。

鐵是具有同素異構的金屬。鐵碳合金的基本組元是Fe與Fe3C，屬于二元合金。其基本相有鐵素體、奧氏體和滲碳體三種。由基本相組成的鐵碳合金的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體和低溫萊氏體六種。1.7碳鋼

目前工業(yè)上使用的鋼鐵材料中，碳鋼占有很重要的地位。由于碳鋼冶煉方便，加工容易，價格低且在許多場合碳鋼的性能可以滿足要求，故在工業(yè)中應用非常廣泛。碳鋼是指碳的質(zhì)量分數(shù)小于2.11％的鐵碳合金。實際生產(chǎn)中使用的碳鋼含有少量的錳、硅、硫、磷等元素，這些元素是從礦石、燃料和冶煉等渠道進入鋼中的。雜質(zhì)對鋼的力學性能有重要的影響。表1-5雜質(zhì)元素對鋼的影響雜質(zhì)名稱雜質(zhì)含量%在鋼中的影響錳（Mn）wMn<1.2脫氧，降低鋼的脆性；合成MnS，消除S的有害作用硅（Si）wSi<0.4脫氧，強化鐵素體，提高鋼的強度、硬度；但塑性、韌性下降硫（S）wS<0.055～0.040生成低熔點共晶體，形成熱脆磷（P）wP<0.055～0.040全部溶于鐵素體，提高鐵素體的強度、硬度，但形成冷脆1.8鑄鐵

鑄鐵是應用廣泛的一種鐵碳合金材料，其wC>2.11％。鑄鐵材料基本上以鑄件形式應用，但近年來連續(xù)鑄鐵板材、棒材的應用也日見增多。鑄鐵中的碳除極少量固溶于鐵素體中外，還因化學成分、熔煉處理工藝和結晶條件的不同，或以游離狀態(tài)（即石墨）、或以化合形態(tài)（即滲碳體或其他碳化物）存在，也可以二者并存?；铱阼T鐵：碳以石墨形式存在，斷口呈灰色白口鑄鐵：碳以滲碳體形式存在，斷口白色鑄鐵成本低，鑄造性能良好，體積收縮不明顯，其力學性能、可加工性、耐磨性、耐蝕性、熱導率和減振性之間有良好的配合，由于先進的生產(chǎn)技術和檢測手段的應用，鑄鐵件的可靠性有明顯的提高。鑄鐵用于基座和箱體類零件可充分發(fā)揮其減振性和抗壓強度高的特點，在批量生產(chǎn)中，與鋼材焊接相比，可以明顯降低制造成本。1.9鋼的熱處理鋼的熱處理是將固態(tài)鋼采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織結構與性能的一種工藝。

熱處理的特點是改變零件或者毛坯的內(nèi)部組織，而不改變其形狀和尺寸。其目的是消除毛坯（如鑄件、鍛件等）中缺陷，改善毛坯的切削性能，改善零件的力學性能，延長其使用壽命，并為減小零件尺寸、減輕零件重量、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供了可能性。因此，幾乎90％以上的零件都要經(jīng)過不同的熱處理后才能使用。

但不是所有的材料都能進行熱處理強化，能進行熱處理強化的材料必須滿足：①有固態(tài)相變；②經(jīng)冷加工使組織結構處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)；③表面能被活性介質(zhì)的原子滲入從而改變表面化學成分。

鋼的化學熱處理

化學熱處理是將工件置入含有活性原子的特定介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中一種或幾種元素(如C、N、Si、B、Al、Cr、W等)滲入工件表面，以改變表層的化學成分和組織，達到工件使用性能要求的熱處理工藝。其特點是既改變工件表面層的組織，又改變化學成分。它可比表面淬火獲得更高的硬度、耐磨性和疲勞強度，并可提高工件表層的耐蝕性和高溫抗氧化性。各種化學熱處理都是由以下三個基本過程組成的。(1)分解由介質(zhì)中分解出滲入元素的活性原子。(2)吸收工件表面對活性原子進行吸收。吸收的方式有兩種，即活性原子由鋼的表面進入鐵的晶格形成固溶體，或與鋼中的某種元素形成化合物。(3)擴散已被工件表面吸收的原子，在一定溫度下，由表面往里遷移，形成一定厚度的擴散層。表1-18常用化學熱處理的滲入元素及作用滲入元素工藝方法滲層組織滲層厚度/mm表面硬度作用與特點應用C滲碳淬火后為碳化物、馬氏體、殘余奧氏體0.3～1.657～63HRC提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度，滲碳溫度（930℃）較高，工件畸變較大常用于低碳鋼、低碳合金鋼、熱作模具鋼制作的齒輪、軸、活塞、銷、鏈條N滲氮合金氮化物、含氮固溶體0.1～0.6560～1100HV提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗蝕性、抗回火軟化能力，滲氮溫度（550～570℃）較低，工件畸變小，滲層脆性大常用于含鋁低合金鋼、含鉻中碳低合金鋼、熱作模具鋼、不銹鋼制作的齒輪、軸、鏜桿、量具C、N碳氮共滲淬火后為碳氮化合物、含氮馬氏體、殘余奧氏體0.25～0.658～63HRC提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗蝕性、抗回火軟化能力，工件畸變小，滲層脆性大常用于低碳鋼、低碳合金鋼、熱作模具鋼制作的齒輪、軸、活塞、銷、鏈條N、C氮碳共滲氮碳化合物、含氮固溶體0.007～0.020500～1100HV提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗蝕性、抗回火軟化能力，工件畸變小，滲層脆性大常用于低碳鋼、低碳合金鋼、熱作模具鋼制作的齒輪、軸、活塞、銷、鏈條1.10鋼中的合金元素

合金元素是為了改善和提高鋼的力學性能和使鋼獲得某些特殊的物理、化學性能而專門加入的元素。常用的合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、銅、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情況下也起合金元素的作用。1.11合金鋼

在Fe-C合金中加入一些其他的金屬或非金屬元素構成的鋼，稱為合金鋼，其目的是為了改善碳鋼的組織和性能，加入的元素稱為合金元素。合金元素的加入使碳鋼的強度、硬度、耐熱性、耐腐性、耐磨性等都得到了很大程度的提高。合金結構鋼是用于制造工程結構和機器零件的鋼。用于工程結構的鋼大多是普通質(zhì)量的鋼，承受靜載荷的作用；用于機器零件的鋼大多是優(yōu)質(zhì)鋼，承受動載荷的作用，一般均需熱處理，充分發(fā)揮鋼材的潛力。

1.11.1合金結構鋼1.11.2合金工具鋼

工具鋼是制造刃具、量具、模具等各種工具用鋼的總稱。工具鋼應具有高硬度、高耐磨性、高淬透性和足夠的強度、韌性。1.合金刃具鋼1)性能要求合金刃具鋼用來制造各種切削刀具，如車刀、銑刀、鉸刀等。由于刃具在切削過程中既承受切削力、切削熱的作用，又受到強烈的摩擦，因此要求刃具鋼具有如下性能：(1)高的硬度和耐磨性一般要求刃具鋼硬度為60～65HRC，若將硬度由60HRC提高到63HRC，則耐磨性可提高25％～30％。(2)足夠的強度和一定的韌性保證刃具不斷裂或崩刃。(3)高的紅硬性刀具刃部受熱后，仍能保持高硬度的能力稱為紅硬性。2.模具鋼

制造模具的鋼稱為模具鋼。根據(jù)工作條件不同，分為熱作模具鋼和冷作模具鋼兩類。1)冷作模具鋼用于制造金屬在冷態(tài)下變形的模具，如冷沖模、冷拔模、冷擠模、冷鐓模等。冷模具的服役條件很惡劣，承受較大的沖擊載荷，模具與坯料之間發(fā)生強烈摩擦。2）熱作模具鋼包括錘鍛模、熱壓模、壓鑄模等，在工作中承受復雜應力，受熱金屬的摩擦及冷熱的反復作用。3.量具鋼

量具鋼是用來制造各種測量工具的鋼種，如制作量規(guī)、塊規(guī)、千分尺等。由于量具在使用過程中易磨損和碰撞，另外量具本身必須尺寸精確，因此要求量具鋼具有高的硬度、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性及一定的韌性。為了滿足上述性能要求，量具鋼多選用碳素工具鋼(T10A，T12A等)、低合金工具鋼(9SiCr、CrMn、CrWMn)、軸承鋼(GCr15)制造。

1.11.3特殊性能鋼

特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學性能的鋼及合金。機械工程比較重要的特殊性能鋼有不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼。1.不銹鋼不銹鋼是指在空氣、酸、堿、鹽的水溶液等腐蝕介質(zhì)中具有高度化學穩(wěn)定性的鋼。不銹鋼牌號前的數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分數(shù)的千倍，合金元素的表示方法與其他合金鋼相同。

2.耐熱鋼在高溫下工作的零件，要求材料具有耐熱性。所謂耐熱性，是指材料在高溫下兼有抗氧化和高溫強度的綜合性能，具有良好耐熱性的鋼稱為耐熱鋼。

3.耐磨鋼耐磨鋼是指在巨大壓力和強烈沖擊載荷下才能發(fā)生硬化的高錳鋼，常用來制造坦克和拖拉機履帶、碎石機顎板、鐵路道岔、挖掘機鏟斗、防彈鋼板等。1.12非鐵金屬材料1.12.1鋁及鋁合金純鋁：純度98%~99.996%，密度小、導電、導熱性優(yōu)良；主要用于科研及制造電容器鋁合金：純鋁強度低，加入合金以提高強度變形鋁合金1.防銹鋁合金：含錳、鎂等，不可熱處理強化，耐蝕性好，用于制造高耐蝕性薄板容器2.硬鋁：含銅、鎂等，強度、硬度高（與高強鋼相近），塑性低、韌性差，用于制造飛機大梁、螺旋槳、鉚釘?shù)?.超硬鋁合金：含鋅、銅等，強度接近超高強度鋼4.鍛鋁：含鎂、硅、銅等，熱塑性、耐蝕性好，適于鍛造，用于航空等形狀復雜、要求強度較高的鍛件鑄造鋁合金：要求有良好的鑄造性能，分為鋁硅、鋁銅、鋁鎂、鋁鋅四系。1.12.2銅及銅合金1.純銅（紫銅）：純度99.5%~99.95%,極好的塑性,