制造工程工艺基础第一篇

1金属材料2非金属材料和复合材料3功能材料金属材料的分为：黑色金属材料、有色金属材料及粉末冶金材料等。金属是一种具有光泽（也就是对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。1金属材料1.2金属热处理方法1.3钢铁材料1.4有色金属材料与粉末合金1.1金属材料的性能返回目录金属材料性能（propertiesofmetalmaterials）包括：物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能。金属的力学性能（mechanicalproperty）：是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性，性能指标：强度、塑形、硬度、韧性等。强度（strength）：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。1.拉伸试样（GB6397-86）强度2.力——伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段播放暂停3概念1）弹性极限（elasticlimit）在拉伸试验过程中，金属材料在外力作用下开始产生塑性变形时的应力，用符号σe表示。2）屈服点（yieldpoint）在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力，用符号σs表示。FeA0σe=FsA0σs=3概念3）抗拉强度（tensilestrength）材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号σb表示。σb=FbA0金属材料强度在机械设计中的意义。塑性（plasticity）：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。塑性l1-l0l0×100%δ=S0-S1S0Ψ=×100%1）伸长率（δ）2）断面收缩率（Ψ）断面收缩率：伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。l1——试样拉断后的标距,mm;l0——试样的原始标距,mm。S0——试样原始横截面积,mm2；S1——颈缩处的横截面积,mm2。硬度硬度（hardness）：金属材料抵抗集中载荷作用的能力。1）布氏硬度布氏硬度=FA凹=0.102×2FπD[D-（D²-d²）½]2）洛氏硬度20~671500N120°金刚石圆锥体HRC25~1001000N1.588mm钢球HRB70~85600N120°金刚石圆锥体HRA常用洛氏硬度标度的试验范围冲击韧度冲击韧度（impacttoughness）：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。1）金属材料物理性能（physicalproperty）包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。2）金属材料的化学性能（chemicalproperty）：是指金属在化学作用下所表现的性能。3）金属材料工艺性能（technologicalproperty）：指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。返回热处理（heattreatment）：是将金属在固态下通过加热、保温和冷却，改变金属的组织，从而改变金属性能的一种工艺方法。零件预备热处理最终热处理去应力处理退火概念：将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火（annealing）。目的：①是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；②同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。概念：正火（normalizing）是将工件加热到临界温度以上，保温之后从炉中取出，然后在空气中自然冷却的热处理方法。目的：正火目的与退火相似，是为了提高零件的综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的，可以作为最终热处理工艺。概念：淬火（quechhardening）是将工件加热到临界温度以上，保温一段时间，然后快速冷却下来的一种热处理方法。淬火处理之后，再进行回火处理。目的：是改善零件的使用性能和延长使用寿命。正火淬火注意：工件淬火之后应该立即进行回火处理才能使用。概念：将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却称为回火（termpring）。目的：是消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学性能。分类：低温回火：150ºC~250ºC中温回火：350ºC~500ºC高温回火：500ºC~650ºC回火多与淬火、正火配合使用。回火为了兼顾零件表面和心部两种不同性能要求,生产中广泛采用表面热处理的方法,即表面淬火和化学热处理。1.表面淬火（surfacehardening）：指仅改变钢的表层组织的局部热处理工艺，而零件心部组织和性能并不发生变化。种类：火焰加热表面淬火感应加热表面淬火表面热处理感应加热表面淬火2.化学热处理(thermo-chemicaltreatment):将钢置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。分类：（1）渗碳(carburizing):将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。（2）渗氮(nitriding)：渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺。化学热处理返回习惯上把碳含量＞2.11%的归类于铁，碳含量＜2.11%的归类于钢。钢是用生铁（炼钢生铁）或生铁加一部分废钢炼成的钢中含碳量低于2.11%，并使其杂质（主要指S、P）含量降低到规定标准。1.3.1钢1、钢的分类按化学成份分类一、碳素钢（carbonsteel）指钢中除铁、碳外，还含有少量锰、硅、硫、磷等元素的铁碳合金。二、合金钢（alloysteel）为了改善钢的性能，在冶炼碳素钢的基础上，加入一些合金元素而炼成的钢，如铬钢、锰钢、铬锰钢、铬镍钢等。按冶炼质量分类一、根据钢在冶炼过程中，硫、磷的去除程度，可以分为：a.普通钢b.优质钢c.高级优质钢二、根据钢在冶炼过程中脱氧方法的使用，可以分为：a.沸腾钢b.镇静钢c.半镇静钢按钢的用途分类根据钢的用途可以分为：a.结构钢b.工具钢c.特殊性能钢2、钢的编号与用途一、碳素结构钢由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是Mpa。质量等级符号分别为A、B、C、D。脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢。例如：Q235-AF，表示屈服点σs为235MPa的A级碳素结构钢，且为沸腾钢。二、优质碳素结构钢钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示。例如平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢；锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。三、合金结构钢钢号由开头的两位数字表示钢的含碳量，以平均碳含量的万分之几表示，随后的元素符号表示钢中的合金元素，以百分之即表示。当平均合金含量＜1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，当合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%⋯⋯时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4……等。例如18Cr2Ni4WA。四、工具钢钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。碳素工具钢，例如“T8”表示平均碳含量为0.8%合金工具钢，当平均碳含量≥1.0%时，不标出碳含量；当平均碳含量＜1.0%时，以千分之几表示，合金元素含量的表示方法，基本上与合金结构钢相同。例如Cr12、CrWMn、9SiCr、3Cr2W8V。五、特殊性能钢具有特殊物理或化学性能，用来制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能的零件。例如，能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢常用的有“2Cr13”钢的平均碳含量为0.2%；耐热钢在高温下不易氧化并有较好的高温强度，常用的有高温抗氧化钢1Cr13Si3，高温热强钢15CrMo等；耐磨钢在强烈摩擦条件下抗磨损能力强。常用的耐磨钢有ZGMn13、ZG30Mn2Si等。铸铁是碳质量分数2.11%Wc6.69%、并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。铸铁的性能：强度、塑性、韧性较低，不能进行锻造。但铸造性能好；切削加工性良好；减摩性好；减震性好；低的缺口敏感性。根据碳在铸铁中存在形式不同，可分四大类：白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁一、白口铸铁C的存在形式：渗碳体(Fe3C)，断口为白色。性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件（如轧辊、犁铧等）。C的存在形式：石墨，断口为灰黑色。灰铸铁抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。灰口铸铁的牌号，HT+三位数字，数字表示最低抗拉强度。如，HT200表示σb≥200N/mm2的灰口铸铁。二、灰口铸铁三、可锻铸铁先将铸铁浇注成白口铸铁,然后进行高温石墨化退火,使渗碳体分解得到团絮状石墨。可锻铸铁较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可锻铸铁不可锻。可锻铸铁以“KT”表示，黑心可锻铸铁用“KTH”表示，珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。如：KTH350-10、KTZ600-3可锻铸铁的牌号和机械性能四、球墨铸铁在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂而直接获得球状石墨,得到球墨铸铁。球墨铸铁具有与钢相近的力学性能，可代替钢和合金钢使用。用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。如:QT420-10、QT600-2、QT800-2球墨可锻铸铁的牌号和机械性能机械性能牌号基体bMPa0.2MPa5%akkJ/m2HB应用举例QT400-17铁素体40025017600≤179汽车、拖拉机床底盘零件；16-64大气压阀门的阀体、阀盖QT420-10铁素体42027010300≤207QT500-5铁素体+球光体5003505－147～241机油泵齿轮QT600-2球光体6004202－2297～302柴油机、汽油机曲轴；磨床、铣床、车床的主轴；空压机、冷冻机缸体、缸套QT700-2球光体7004902－2297～302QT800-2球光体8005602－2417～321返回有色金属材料(non-ferrousmetalmaterials)：除黑色金属(钢、铁)以外的所有金属。性能特点:具有独特的物理、化学性能。1、铝及其合金铝及其合金是航空工业中的主要结构材料，是有色金属中应用最广泛的结构材料。纯铝呈银白色，具有优良的加工工艺性能、电导性、热导性和耐大气腐蚀能力。铝通过添加硅、铜、镁等合金元素制成铝合金，使得力学性能得到提高。分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。(1)形变铝合金牌号。采用四位字符牌号，第一位数字表示铝合金的组别；第二位字母：原始合金的改型情况，最后两位数字：表示铝合金的强度值。例：LY12。形变铝合金防锈铝合金硬铝合金超硬铝合金锻铝合金铸造铝合金Al-Si系铸造铝合金(硅铝明)Al-Cu系铸造铝合金Al-Mg系铸造铝合金Al-Zn系铸造铝合金(2)铸造铝合金牌号。用“Z+Al+元素符号+数字”表示。数字是主加合金元素百分含量。例：ZAlSi9Mg。2、铜及其合金纯铜呈紫红色，具有良好的电导性、热导性、耐蚀性、抗磁性和加工工艺性能。纯铜主要用于制作电线、电缆、导热材料及配置合金。铜中添加其他合金元素称为铜合金，可以分为黄铜、青铜和白铜。（1）白铜是铜镍合金，主要用来制作精密机械和仪表中的耐蚀零件、热电偶等，价格高。（2）黄铜是铜锌合金，以改善切削加工性、提高耐蚀性、铸造性能和力学性能等。（3）青铜是以锡为主要添加元素的铜基合金，锡青铜的耐磨性好、无磁性和冷脆现象，可用于制作轴承、轴套等耐磨零件及弹簧等弹性元件。粉未合金（powdermetal）:是将金属粉未(或掺入部分非金属粉未)经过成形和烧结，制成金属材料或机械零件的一种加工工艺方法。1粉末合金结构材料一般采用铁基粉末制备机械零件。优点：尺寸准确，无需切削加工；缺点：塑性、韧性相对较差。只适宜加工形状简单的小尺寸零件。硬质合金（hardmetal）:将一些难熔金属化合物粉未和粘结剂混合，加压成形，再经烧结而成的一种粉未冶金材料。优点：硬度高、耐磨性好、热硬性好，抗压强度和弹性模量高；缺点：脆性大，强度不高。应用较多