金属工艺学.docx

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金属工艺学

金属工艺学

     金属工艺学是一门研究有关制造金属机件的工艺方法的综合性技术学科.

主要内容:

1常用金属材料性能

            2各种工艺方法本身的规律性及应用.

            3金属机件的加工工艺过程、结构工艺性。

     热加工：

金属材料、铸造、压力加工、焊接

     目的、任务：

使学生了解常用金属材料的性质及其加工工艺的基础知识，为学习其它相关课程及以后从事机械设计和制造方面的工作奠定必要的金属工艺学的基础。

[以综合为基础，通过综合形成能力]

                                                                                第一篇金属材料

第一章金属材料的主要性能

两大类：

1使用性能：

机械零件在正常工作情况下应具备的性能。

              包括：

机械性能、物理、化学性能

           2工艺性能：

铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等。

第一节金属材料的机械性能

                          指力学性能---受外力作用反映出来的性能。

       一弹性和塑性：

     1弹性：

金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。

力和变形同时存在、同时消失。

如弹簧：

弹簧靠弹性工作。

     2塑性：

金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。

（金属之间的连续性没破坏）

塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。

塑性变形：

在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。

     3拉伸图

      金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。

以低碳钢为例

σb

σk

σs

σe

ε（Δl）

    将金属材料制成标准式样。

在材料试验机上对试件轴向施加静压力P，为消除试件尺寸对材料性能的影响，分别以应力σ（即单位面积上的拉力4P/πd2）和应变（单位长度上的伸长量Δl/l0）来代替P和Δl，得到应力——应变图

1）弹性阶段oe

 σe——弹性极限

2）屈服阶段：

过e点至水平段右端

  σs——塑性极限，s——屈服点

过s点水平段——说明载荷不增加，式样仍继续伸长。

（P一定，σ=P/F一定，但真实应力P/F1↑因为变形，F1↓）

发生永久变形

3）强化阶段：

水平线右断至b点  P↑ 变形↑

σb——强度极限，材料能承受的最大载荷时的应力。

4）局部变形阶段bk

 过b点，试样某一局部范围内横向尺寸突然急剧缩小。

 “缩颈” （试样横截面变小，拉力↓）

        4延伸率和断面收缩率：

——表示塑性大小的指针

1）延伸率：

 δ=l0——式样原长，l1——拉深后长

2）断面收缩率：

F0——原截面，F1—拉断后截面

*1）δ、ψ越大，材料塑性越好

2）ε与δ区别：

拉伸图中ε=ε弹+ε塑，δ=εmas塑

3）一般δ〉5%为塑性材料，δ〈5%为脆性材料。

       5条件屈服极限σ0。

2

有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。

通常规定产生0.2塑性变形的应力作为屈服极限,称为条件屈服极限.

          二刚度

      金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力—

   1材料本质

     弹性模量—在弹性范围内,应力与应变的比值.其大小主要决定材料本身.相当于单位元元变形所需要的应力.

               σ=Εε,Ε=σ/ε=tgα

     2几何尺寸\形状\受力

      相同材料的E相同,但尺寸不同,则其刚度也不同.所以考虑材料刚度时要把E\形状\尺寸同时考虑.还要考虑受力情况.

         三强度

     强度指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力.

      按作用力性质的不同,可分为:

抗拉强度σ+  抗压强度σ-   抗弯强度σw

抗剪强度τb       抗扭强度σn

 常用来表示金属材料强度的指标:

   屈服强度:

（Pa  N/m2） Ps-产生屈服时最大外力,F0-原截面

   抗拉强度（PaN/m2）Pb-断裂前最大应力.

  σs\σb在设计机械和选择评定材料时有重要意义.因金属材料不能在超过σs的条件下工作,否则会塑变.超过σb工作,机件会断裂.

    σs--σb之间塑性变形,压力加工

      四硬度

     金属抵抗更硬的物体压入其内的能力—

        是材料性能的综合物理量,表示金属材料在一个小的体积范围内的抵抗弹性变形\塑性变形或断裂的能力.

       1布式硬度HB

 用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d（用刻度放大镜测）则

 HB=P/F（N/mm2）单位一般不写.F-压痕面积.

HBS—压头用淬火钢球,  HBW—压头用硬质合金球

l           因钢球存在变形问题,不能测太硬的材料,适于HBS<450,如铸铁,有色金属,软钢等. 而HＢＷ＜６５０．

l           特点：

压痕大，代表性全面

l           应用：

不适宜薄件和成品件

       ２　洛式硬度ＨＲ

       用金刚石圆锥在压头或钢球，在规定的预载荷和总载荷下，压入材料，卸载后，测其深度ｈ，由公式求出，可在硬度计上直接读出，无单位．

不同压头应用范围不同如下表：

HRB

ｄ＝1.588淬火钢球

980.7

退火钢灰铁有色金属

HRC

1200金刚石圆锥

1471

淬火回火件

 HRA

588.4

硬质合金碳化物

优点:

易操作,压痕小,适于薄件,成品件

缺点:

压痕小,代表性不全面需多测几点.

*硬度与强度有一定换算关系,故应用广泛.根据硬度可近似确定强度,如灰铁:

σb=1HBS

      3显微硬度（Hm）

 用于测定金属组织中个别组成体,夹杂物等硬度.

 显微放大测量 显微硬度（查表）与HR有对应关系.如:

磨削烧伤表面,看烧伤层硬度变化.

          五冲击韧性ak

 材料抵抗冲击载荷的能力

常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性,标准试样一次击断,用试样缺口处单位截面积上的冲击功来表示ak

ak=Ak/F（J/m2）  Ak=G（H-h）   G-重量 F-缺口截面

脆性材料一般不开口,因其冲击值低,难以比较差别.

    1        ak↑,冲击韧性愈好.

    2        Ak不直接用于设计计算:

在生产中,工件很少因受一次大能量冲击载荷而破坏,多是小冲击载荷,多次冲击引起破坏,而此时,主要取决于强度,故设计时,ak只做校核.

   3        ak对组织缺陷很敏感,能够灵敏地反映出材料品质,宏观缺陷,纤维组织方面变化.

所以,冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。

（微裂纹——应力集中——冲击——裂纹扩展）

      六 疲劳强度：

问题提出：

许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等在交变载荷作用下，发生断裂时的应力远低于该材料的屈服强度，这种现象——疲劳破坏。

据统计，80%机件失效是由于疲劳破坏。

疲劳强度——当金属材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力。

   1疲劳曲线——交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系。

例如：

纯弯曲，

有色金属N》108

钢材N>107不疲劳破坏

   2疲劳破坏原因

 材料有杂质,表面划痕,能引起应力集中,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏.

  3预防措施

改善结构形状,避免应力集中,表面强化-喷丸处理,表面淬火等.

            第二节金属材料的物理,化学及工艺性能

     一物理性能

比重:

计算毛坯重量,选材,如航天件:

轻

熔点:

铸造锻造温度（再结晶温度）

热膨胀性:

铁轨模锻的模具量具

导热性:

铸造:

金属型 锻造:

加热速度

导电性:

电器元件铜铝

磁性:

变压器和电机中的硅钢片 磨床:

工作台

     二化学性能

金属的化学性能,决定了不同金属与金属,金属与非金属之间形成化合物的性能,使有些合金机械性能高,有些合金抗腐蚀性好,有的金属在高温下组织性能稳定. 如耐酸,耐碱等

如化工机械,高温工作零件等

     三工艺性能

金属材料能适应加工工艺要求的能力.

铸造性,可锻性,可焊性,切削加工形等

             思考题;

             1什么是应力,应变（线应变）?

             2颈缩现象发生在拉伸图上哪一点?

如果没发生颈缩,是否表明该试样没有塑性变形?

             3σ0.2的意义?

能在拉伸图上画出吗?

             4将钟表发条拉成一直线,这是弹性变形还是塑性变形?

如何判定变形性质?

             5为什么冲击值不直接用于设计计算?

第二章金属和合金的晶体结构与结晶

第一节金属的晶体结构

           一基本概念:

       固体物质按原子排列的特征分为:

       晶体:

原子排列有序,规则,固定熔点,各项异性.

       非晶体:

原子排列无序,不规则,无固定熔点,各项同性

       如:

金属,合金,金刚石—晶体 玻璃,松香沥青—非晶体

 晶格:

原子看成一个点,把这些点用线连成空间格子.

 结点:

晶格中每个点.

 晶胞:

晶格中最小单元,能代表整个晶格特征.

 晶面:

各个方位的原子平面

 晶格常数:

晶胞中各棱边的长度（及夹角）,以A（1A=10-8cm）度量

       金属晶体结构的主要区别在于晶格类型,晶格常数.

          二常见晶格类型

      1体心立方晶格:

Cr,W,α-Fe,Mo,V等,特点:

强度大,塑性较好,原子数:

1/8X8+1=2  20多种

      2面心立方晶格:

Cu Ag Au Ni AlPb γ-Fe塑性好

               原子数:

4      20多种

      4        密排六方晶格:

 MgZnBe β-Crα-TiCd（镉）

                纯铁在室温高压（130x108N/M2）成ε-Fe

                 原子数=1/6x12+1/2x2+3=6,30多种

            三多晶结构

单晶体-晶体内部的晶格方位完全一致.

多晶体—许多晶粒组成的晶体结构.各项同性.

晶粒—外形不规则而内部晶各方位一致的小晶体.

晶界—晶粒之间的界面.

                               第二节金属的结晶

        一金属的结晶过程（初次结晶）

    1结晶:

金属从液体转变成晶体状态的过程.

晶核形成:

自发晶核:

液体金属中一些原子自发聚集,规则排列.

         外来晶核:

液态金属中一些外来高熔点固态微质点.

晶核长大:

已晶核为中心,按一定几何形状不断排列.

*晶粒大小控制:

晶核数目:

多—细（晶核长得慢也细）

              冷却速度:

快—细（因冷却速度受限,故多加外来质点）

晶粒粗细对机械性能有很大影响,若晶粒需细化,则从上述两方面入手.

结晶过程用冷却曲线描述!

              2冷却曲线

温度随时间变化的曲线—热分析法得到

      1）    

   理论结晶温度

   实际结晶温度

        时间（s）

          T（℃）

       过冷:

液态金属冷却到理论结晶温度以下才开始结晶的现象.

   2）    过冷度:

理论结晶温度与实际结   晶温度之差.

（实际冷却快,结晶在理论温度下）

      二金属的同素异购转变（二次结晶\重结晶）

同素异构性—一种金属能以几种晶格类型存在的性质.

同素异购转变—金属在固体时改变其晶格类型的过程.

如:

铁锡锰钛钴

以铁为例:

δ-Fe（1394℃）γ-Fe（912℃）α-Fe

             体心           面心         体心

因为铁能同素异构转变,才有对钢铁的各种热处理.

（晶格转变时,体积会变化,以原子排列不同）

                                      第三节合金的晶体结构

         一合金概念

合金:

由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质.

组元:

组成合金的基本物质.如化学元素（黄铜:

二元）金属化合物

相:

在金属或合金中,具有相同成分且结构相同的均匀组成部分.相与相之间有明显的界面.

如:

纯金属—一个相,温度升高到熔点,液固两相.合金液态组元互不溶,几个组元,几个相.

固体合金中的基本相结构为固溶体和金属化合物，还可能出现由固溶体和金属化合物组成的混合物。

                二合金结构

      1固溶体

溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。

 根据溶质在溶剂晶格中所占的位置不同，分为：

      1）         置换固溶体

  溶质原子替代溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，所形成的固溶体。

*溶质原子，溶剂原子直径相差不大时，才能置换

如：

Cu——Zn Zn溶解度有限。

Cu——Ni溶解度无限

晶格畸变——固溶强化：

畸变时塑性变形阻力增加，强，硬增加。

这是提高合金机械性能的一个途径。

  2）         间隙固溶体

溶质原子嵌入各结点之间的空隙，形成固溶体。

溶质原子小，与溶剂原子比为〈0.59。

溶解度有限。

也固溶强化。

        2金属化合物

合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有金属性质，可用分子式表示的物质。

如Fe3C WC

特点：

（1）较高熔点、较大脆性、较高硬度。

（2）在合金中作强化相，提高强度、硬度、耐磨性，而塑性、韧性下降，如WC、TiC。

可通过调整合金中的金属化合物的数量、形态、分布来改变合金的性能

           3机械混合物

 固溶体+金属化合物、固+固——综合性能

                §4二元合金状态图的构成

合金系：

由给定的组元可以配制成一系列成分含量不同的合金，这些合金组成一个合金系统——

 为研究合金系的合金成分、温度、结晶组织之间的变化规律、建立合金状态图来描述。

合金状态图——合金系结晶过程的简明图解。

实质：

温度——成分作标图，是在平衡状态下（加热冷却都极慢的条件下）得到的。

            二、二元合金状态图的建立

以Pb（铅）-Sb（锑）合金为例：

1配置几种Pb-Sb成分不同的合金。

2做出每个合金的冷却曲线

3将每个合金的临界点标在温度—成分坐标上，并将相通意义的点连接起来，即得到Pb-Sb合金的状态图。

     A                        B

      D       C              E

液相线：

ACB 固相线：

DCE 单相区：

只有一个相。

两相区：

两个相。

ACD、BCE。

c—共晶点

*作业：

                                                          第三章铁碳合金

                                           §1铁碳合金的基本组织

液态：

Fe、C无限互溶。

 固态：

固溶体 金属化合物

    t ℃

         1538δ-Fe+C——铁素体F

　　　　　　　1394　γ-Fe+C——奥氏体A

　　　　　　　　912　α-Fe+C——铁素体F

               s

               一铁素体

碳溶于α-Fe形成的固溶体——铁素体F

体心立方，显微镜下为均匀明亮的多边形晶粒。

性能：

韧性很好（因含C少），强、硬不高。

δ=45~50%，HBS=

σb=250Mpa含碳：

727℃，0.02%

              二奥氏体

碳溶于γ-Fe中形成的固溶体—“A”

面心立方,显微镜下多边形晶粒,晶界较F平直.

性能:

塑性好,压力加工所需要组织.含碳最高;1147℃,2.11%HBS=170~220

             三渗碳体

金属化合物Fe3C复杂晶格,含碳:

6.69%.性能:

硬高HB（sw）>800,,脆,作强化相.

在一定条件下会分解成铁和石墨,这对铸造很有意义.

             四珠光体P

F+Fe3C—机械混合物,含碳0.77%

组织:

两种物质相间组成,性能:

介于两者之间.强度较高:

   硬度HBS=250

             五莱氏体

>727℃A+Fe3C—Ld高温莱氏体    <727℃P+Fe3C—Ld’低温莱氏体

性能:

与Fe3C相似  HBS>700  塑性极差.

                                §2铁碳合金状态图

是表明平衡状态下含C不大于6.69%的铁碳合金的成分,温度与组织之间关系,是研究钢铁的成分,自治和性能之间关系的基础,也是制定热加工工艺的基础.

 含C>6.69在工业上午实际意义,而含C6.69%时,Fe与C形成Fe3C,故可看成一个组元,即铁碳合金状态图实际为Fe-Fe3C的状态图.

                                      一铁碳合金状态图中点线面的意义

                   1各特性点的含义

1）A:

纯铁熔点 含C:

0%            1538℃

2）C:

共晶点        4.3%          1148

3）D:

Fe3C熔点        6.69         1600

4）E:

C在A中最大溶解度 2.11       1148

5）F:

 Fe3C成分点      6.69         1148

6）G:

α-Fe与γ-Fe转变点  0%       912

7）K:

Fe3C成分点      6.69         727

8）P:

C在α-Fe中最大溶解度 0.02   727

9）S:

共析点                0.77    727

10）Q:

C在α-Fe中溶解度   0.0008   室温

           2主要线的意义

1）   ACD:

液相线,液体冷却到此线开始结晶.

2）   AECF:

固相线此线下合金为固态

3）   ECF:

生铁固相线,共晶线,液体—Ld

4）   AE:

钢的固相线,液态到此线—A

5）   GS:

”A3”A到此线开始析出F

6）   ES:

”Acm”A到此线开始析出Fe3CⅡ

7）   PSK:

”A1”共析线.A同时析出P（F+Fe3C）

             3主要区域

1）ACE:

两相区L+A     2）DCF:

两相区L+Fe3C1

3）AESG:

单相区A       4）GPS:

A+F两相区

                 二钢铁分类

  1工业纯铁:

含C<0.0218% 组织:

F

  2钢:

含碳:

0.0218~2.11

 共析钢 含C=0.77%              P

亚共析钢 含C<0.77%             P+F

过共析钢 含C>0.77%             P+Fe3C11

  3铁    含C:

2.11%~6.69%

共晶生铁      4.3%C        Ld’

亚共晶生铁    <4.3%C      P+Ld’+Fe3C11

过共晶生铁     >4.3%C    Ld’+Fe3C1

                                  三典型合金结晶过程分析

    1共析钢

L—L+A—A--P

   2亚共析钢

L—A+L—A—A+F—F+P

3过共析钢

L—L+A—A—A+Fe3C11--Fe3C1+P

4      共晶铁

L—Ld—Ld’

5      亚共晶铁

L—1点—L+A—A+Ld—P+Ld’

6      过共晶铁

L—1点—L+Fe3C1—2点—Ld+Fe3C1—3点---Fe3C1+Ld’

                四铁碳合金状态图的应用

  1铸造

确定浇铸温度      选材:

共晶点附近铸造性能好

  2锻造锻造温度区间  A

  3焊接 焊接缺陷用热处理改善.根据状态图制定热处理工艺

                             §3钢的分类和应用

       按化学成分:

碳钢:

<2.11%C少量Si Mn SP等杂质

          合金钢:

加入一种或几种合金元素

                      一碳钢

      1含碳量对碳钢性能的影响

    <0.9%C C↑强,硬↑塑,韧↓FeC强化相