工程材料及热加工工艺

1材料及热加工复习资料22工程材料及热加工工艺绪论一.课程的任务及内容工艺方法工程材料———加工工艺———产品件装配试车工艺过程基本知识热加工冷加工成分.组织.性能铸.锻.焊.热（切削加工）关系.应用性质：机械类各专业必修的一门综合的技术基础课。任务：使学生获得有关金属学.钢的热处理.常用的金属材料及加工的基础知识，培养学生合理选材.确定热处理方法及安排工件加工工艺路线的初步能力。先修课：物理.化学.机械制图.金工实习等，与材料力学.机械设计等关系密切。作用：打基础为后续课为专业课为工作实践二．材料及发展趋势钢：碳钢.合金钢.铸钢….黑色金属金属材料铁：HT.QT.合金铸铁…Cu及Cu合金有色金属AI及AI合金工程材料其它：轴承…普通无机非金属材料陶瓷材料例特种非金属热塑性材工程塑料料工程塑料通用塑料热固性有机高特种塑料分子材料橡胶3金属材料+非金属材料=复合材料结构材料机性.物性.化性工程材料（应用）功能材料特异物化性能.超导.激光材料……三.金属材料的应用.特点.陶瓷.高分子材料发展速度很快，但还不能全面代替传统的金属材料。金属材料各行各业应用广泛。原因：金属材料可满足各种各样的性能。具体：1.一般均具有优良的机械性能；2.具有优良的物理性能；3.具有优良的工艺性能；热处理较大范围改变金属材料的性能。四.影响金属材料性能的因素1.化学成分决定组织.性能2.处理工艺内部组织变化性能与微观组织有关。第一章金属材料的力学性能物理性能导电.热.磁.密度.熔点化学性能耐蚀.热.酸.抗氧化使用性能其它性能耐磨性.承受磨损耐久程度.综合性机械性能外力作用下表现的性能，变形.失效性能（力学性能）铸造性能流动性.收缩性.吸气性…工艺性能塑性成形性可锻性.冲压性（加工性能）焊接性热处理工艺性切削加工性根据使用性选择材料用途选材.选工艺性能是基础根据加工性选择加工方法机械性能（力学性能）是设计零件选材的依据，控制材料质量的重要参考。六大性能九大指标强度σbσSσ0.2塑性δψ刚度E力学性能指标布氏HBSHBW硬度洛氏HRAHRBHRC维氏HV冲击韧性Akuaku(Akak)疲劳强度σ-14§1刚度.强度.塑性作拉伸试验GB228-87低碳钢拉伸试样OE弹性阶段符合虎克定律呈线形关系E弹变点S平台屈服阶段（流动阶段）S点屈服点拉伸图（拉伸曲线）载荷和变形量（伸长量）F-ΔL或应力-应变图σ(F/S0)-ε(ΔL/L0)拉伸过程瞬间自动记录F与ΔL塑性材料σb不均匀变形缩颈→断裂脆性材料σb断裂一.刚度抵抗弹变的能力指标弹性模量EσE=——─(N/mm2)弹性范围内.应力与应变的比值（或线形关系.正比）εE↑刚度↑弹性变形小二.强度材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。常温静载1.屈服点S屈服强度表征材料对产生明显塑性变形的抗力有明显的屈服现象屈服点：产生屈服时的应力屈服强度（屈服极限）FSσS=-----(N/mm2)S02.名义屈服强度（条件屈服强度）σ0.2无明显屈服现象的材料高碳钢.铝.铜F0.2--产生0.2%残余塑性变形时的载荷σ0.2=-------S0规定：残余伸长为0.2%的应力σr0.2或者非比例伸长为0.2%的应力σp0.20.2%是条件屈服强度的“条件”3.抗拉强度σb拉断前承受的最大应力Fbσb=--------(N/mm2)S05表征了材料抵抗最大均匀变形的能力Fb即断裂载荷σb.σS（σr0.2σp0.2）两个重要力学性能指标，是零件选材强度设计主要依据。屈强比σS/σb↓可靠性↑利用率↓三.塑性外力作用下产生永久变形而不破坏的能力两个衡量指标δψ1.断后伸长率（相对延伸率）δL1-L0.δ=----------╳100%与标距长度有关L0↑δ↓L0短试样L0.=5d0δ5长试样L0.=10d0δ10同一材料δ5≠δ10δ5δ10不能比较2.断面收缩率ψS0–S1ψ=----------╳100%不受标距尺寸影响，可靠反映材料塑性S0δ↑ψ↑塑性↑与负荷无关一般塑材δ2~5%低碳钢脆材δ2~5%HT注意：塑性好处（1）零件一旦超载，不致突然断裂破坏（2）是压力加工的必要条件§2.冲击韧性（韧性）抵抗冲击载荷下断裂的能力应变速度1%/S为冲击；1%/S为静载荷冲击试验法GB229-84冲击试样试验机6冲击吸收功AKU=W(H-h)单位J或Kgf.m(1Kgf.m=9.8J)从表盘读出AKUaku=--------------J/cm2或Kgf/cm2冲击韧度SakuU型缺口akvV型缺口同一材料akvaku，脆性↑韧性↓取决于材料本身.试样形状.尺寸.温度。用来估计在使用时是否发生脆性断裂，只是一个相对指标，不能用于设计计算。温度↓AKaK↓冷脆现象TK脆性转变温度〈Tk.温度脆性↑↑§3.疲劳强度材料承受交变应力的能力.交变载荷交变应力：大小和方向随时间作周期性变化交变应力σσb甚至σσs材料断裂称“疲劳破坏”.是危险的疲劳强度：材料在无数次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。σ-1表示对称循环时疲劳强度循环基数一般钢材106~107次有色金属108次单位N/mm2影响因素：不仅与材料有关，而且受零件尺寸形状.表面质量等因素影响。∴↑σ-1：保证材料本身内在质量；零件结构形状避免应力集中；表面强化（淬火.喷丸.滚压等），↑表面光洁度。§4.硬度材料抵抗比它更硬的物体压入其表面的能力衡量材料软硬的指标常用压入法常用硬度指标布氏洛氏维氏一.布氏硬度测量压痕面积根据GB231-84HBS淬火钢球压头450硬度不高.软钢.铸铁.有色.示为╳╳╳HBSHBW硬质合金球压头650示为╳╳╳HBW不常用表示例：200HBS10/1000/30测量直径查表★用淬火钢球压头准确不用于成品不能测淬火钢件常用于测450HBS原材料.毛坯.退火.正火.调质钢件.铸铁.有色.二.洛氏硬度测量压痕深度hK-hK常数HR=--------无单位0.0027★有三种指标金刚石圆锥压头HRC载荷10+140Kgf测淬火硬化钢件金刚石圆锥压头HRA载荷10+50Kgf测淬火更硬薄层淬火钢球压头HRB载荷10+90Kgf测软.未淬火钢件.直接读数，用于成品件或较薄材料的硬度，但不如布氏硬度准确三.维氏硬度顶角1360的金刚石四棱锥载荷小、范围大5–120Kgf可测软、硬材料..测两对角线均值查表标注640HV30/20麻烦少用洛氏硬度不能测时才用维氏硬度测表面硬化层.电镀层.氮化层.薄片金属第二章、金属及合金的结构与结晶§1.金属的结构与结晶一.金属键与金属的特性金属键：金属原子是依靠正离子和自由电子的相互吸引而结合起来的，这种结合方式称为金属键。金属的特性光泽良好的导电性良好的导热性良好的塑性二.金属的晶体结构1.晶体的概念晶体有规则周期性重复排列固体非晶体无规则晶格：表示晶体中原子排列的空间格子。“点阵”晶胞：构成晶格的最基本单元。代表意义结点：晶格中的每个点。平衡位置晶格常数：晶胞的各边尺寸a.b.c。大小以Å为单位（1Å=10-10m），晶胞中各边夹角分别以α.β.γ表示。8a=b=cα=β=γ=900该晶胞称简单立方晶胞，简单立方晶格晶面：晶格中各方位的原子面。晶向：晶格中各方位的原子列。2常见的三种金属晶格两个参数：（1）配位数：晶格中任一个原子周围紧邻.等距的原子数目。愈大愈紧密（2）致密度：晶胞中原子所占的体积与晶胞的体积之比。n·v致密度k=--------%致密度↑紧密程度↑V晶格类型面心立方晶格fcc体心立方晶格bcc密排六方晶格hcp晶格常数aaa.c.c/a=(8/3)1/2=1.633原子半径21/2·a=4r31/2·a=4rd=a=2r原子半径r（21/2/4）·a（31/2/4）·a（1/2）·a晶胞原子数n426晶胞体积va3=(4r/21/2)3a3=(4r/31/2)33·21/2a3=24·21/2r3配位数12812致密度74%68%74%最大间隙半径0.41r0.29r0.41r代表金属γ-Fe.AI.Cu.Niα-Fe.Cr.W.β-TiMg.Zn.α-Ti.Be结论最紧密排列次紧密排列最紧密排列晶面.晶向及其原子密度晶面：晶格中各方位的原子面。排列相同位向一致一组平行原子面称为一种晶面用晶面指数来描述晶面指数：表示晶面空间方位的符号。晶向：晶格中各方位的原子列。排列相同位向一致一组平行原子列或行称为一种晶向用晶向指数来描述晶向指数：表示原子列空间方位的符号。9(1)立方晶格中晶面指数的确定方法a.结点为坐标系原点0，晶胞中三条棱边为空间坐标轴X.Y.Z；b.以晶格常数a.b.c为单位求出晶面在三个坐标轴上的截距；c.取其截距的倒数；d.将各倒数化为最小整数，并加圆括号，如（100）.（110）.（111）为普通形式。晶面族：晶体中原子排列相同而空间位向不同的各组晶面可归为一个晶面族。指数外加大括号{}例：（100）.（010）.（001）归为{100}晶面族立方晶格中三种重要的晶面族{100}.{110}.{111}(2)立方晶格中晶向指数的确定方法a.结点为坐标系原点0，晶胞中三条棱边为空间坐标轴X.Y.Z；b.过原点作一直线，使其平行于待求晶向，读出该方向上任一点的空间坐标值；c.将坐标值化为最小整数，并加上方括号[]，即晶向指数。如[100].[110].[111]三种重要晶向为普通形式∴[]表示一组相互平行的晶向，而不是仅仅表示某一原子列的方位。所有原子排列相同而空间位向不同的各组晶向可归为一个晶向族。用表示例如：[100].[010].[001]属100晶向族100.110.111为立方晶格中三种重要的晶向族。(3)晶面及晶向的原子密度晶面的原子密度：通常以该晶面单位面积实际占有的原子数来表示。晶向的原子密度：以晶向单位长度的原子数来表示。10体心立方晶格主要晶面及晶向的原子密度晶面指数示意图晶面密度（原子数/面积）晶向指数晶向密度（原子数/长度）{100}（1/4）4/a2=1/a2100(1/2)2/a=1/aX轴{110}(1/4)4+1/21/2a2=1.4/a2110(1/2)2/21/2a=0.7/a原子密排面面对角线{111}(1/6)3/（31/2/2）a2=0.58/a2111(1/2)2+1/31/2a=1.06/a体对角线原子密排方向原子密排面：具有最大原子密度的晶面原子密排方向：具有最大原子密度的晶向4.晶体的各向异性-------晶体不同方向上的性能差异单晶体各向异性是晶体特有，区别晶体和非晶体一个重要标志三.金属的实际晶体结构与晶体缺陷1、单晶体多晶体单晶体具有各向异性工业用金属一般是多晶体----多个单晶体（晶粒）组成呈现出各向同性晶界：晶粒之间的界面亚晶粒：晶粒内部晶格位向也不完全一致，其中不同小区晶格位向相差大约10ˊ--20ˊ.这些小区为亚晶粒。亚晶界：亚晶粒之间的界面2、实际金属的晶体缺陷----金属中原子排列的不完整性(1)点缺陷---空位.间隙原子（离位原子）.置换原子特点：在X.Y.Z三维方向上尺寸都很小11(2)线缺陷---位错（位错线）刃型位错“┻”两种位错螺型位错特点：在二维方向上尺寸都很小，另一维方向上尺寸相对较长以位错密度表示“р”单位cm/cm3或cm2└单位体积中所包含位错线总长度(3).面缺陷---晶界.亚晶界特点：在一维方向上尺寸很小，另二维方向上尺寸相对较大“亚晶”（亚结构）或嵌镶快晶体缺陷并非一成不变，总之，对金属的性能和行为有极重要的作用四.金属的结晶凝固---物质由液态转变为固态的过程结晶---凝固后得到固态物质为晶体，这个转变过程称为结晶。不规则（液）→规则（固）1.金属结晶的概念温度---时间坐标过冷---实际结晶温度总是低于熔点过冷度△T=T0-Tn“过冷”是金属结晶的必要条件△T与V冷.金属种类.结构.纯度有关同一金属V冷↑△T↑结晶平台：结晶潜热补偿了它向外逸散的热量，Tn不变，液.固共存。2.金属结晶的能量条件高能→低能自由