金属工艺学 2

金属工艺学金属工艺学热加工工艺基础冷加工工艺基础工程材料导论金属液态成形金属塑性成形金属连接成形表面切削成形的基本方法机械加工工艺的基本知识金属切削加工基础讲授内容零件的生产工艺过程选材选毛坯预先热处理机械加工最终热处理检验应根据零件的性能要求、受载情况、服役条件、工作环境等：选材：金属材料种类繁多，性能不一，根据零件的性能要求、服役条件的不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。毛坯选择机械加工方法轴车削传统的有现代的有有液态成形毛坯塑性成形毛坯连接成形毛坯粉末冶金成形型材等毛坯车削、刨削、铣削拉削、镗削、磨削等数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法预先热处理：为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。最终热处理：使材料的性能达到要求。材料、信息、能源、生物称为现代技术的四大支柱。复合材料工程材料金属材料陶瓷材料高分子材料第一章金属材料的机械性能一、教学目的和要求1.掌握强度和塑性指标的符号、单位及意义；2.掌握布氏硬度和洛氏硬度的测定原理、方法、符号及应用。3.了解拉伸试验方法和拉伸曲线图；4.了解冲击韧性和疲劳强度的概念。金属材料的性能直接关系到金属产品的质量、使用寿命和加工成本，以及生产工人的劳动强度和劳动安全。它包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中所表现出来的性能，包括金属材料的力学性能、物理性能（熔点、导电性、导热性、磁性等）及化学性能（耐腐蚀性、抗氧化性等）。工艺性能是指金属材料在各种加工工艺过程中所表现出来的性能，包括铸造、锻造、焊接、热处理性能及切削加工性能等。金属材料的力学性能又称机械性能，是指金属材料在外力（即载荷）作用下所表现出的抵抗变形和破坏的能力。包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等，是机械零件和构件设计、选材的主要依据。一、强度：金属材料在外力作用下抵抗永久变形或断裂的能力称为强度。按外力性质不同划分，强度有抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度等。工程指标一般为屈服强度和抗拉强度。金属材料的屈服强度、抗拉强度以及塑性指标是在万能材料试验机上通过对金属材料进行拉伸试验测定的。构件在力的作用下，抵抗永久变形或断裂的能力（强度），既取决于承受的内力大小，又取决于构件的横截面的大小和形状，因而用应力值来衡量构件的强度。一般，把单位面积上的抵抗破坏的内力称为应力，即：SFSF其中，载荷F不增加而试件仍能继续伸长（即变形）处的应力值称为屈服强度（也叫屈服极限），用σs表示。对于屈服现象不明显的金属材料，以产生0.2％塑性变形时的应力值为屈服强度，用σ0.2表示。这里解释一下材料受力变形。材料的变形分为弹性变形（外力撤销可以恢复原来形状）和塑性变形（外力撤销不能恢复原来形状，形状发生变化）。图1－2屈服强度：当材料所受应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到一个值后，塑性应变急剧增加，曲线出现一个波动的小平台，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度。强度单位为MPa（兆帕），过去用N/m2，彼此之间换算公式是：1Mpa(兆帕)＝1000KPa（千帕）＝1,000,000Pa(帕)1Pa(帕)＝1N/m2试件拉断前所能承受的最大应力值称为抗拉强度（抗拉极限），用σb表示。金属材料和构件在工作时一般不允许产生明显的塑性变形，在设计机械零件是以σs或σ0.2为依据。屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比(小于1）。二、塑性（塑性变形)金属材料在外力作用下产生不可逆转的永久变形而不发生断裂的能力称为塑性。常用的塑性指标有断后伸长率δ和断面收缩率ψ，均通过试验测定。1、断后伸长率δ：又称延伸率，是指试件被拉断后，其标距长度的最大伸长量Δl与原始标距l0的百分比。2、断面收缩率ψ：是试件被拉断后，“缩颈”断裂处横截面的最大缩减量ΔS与原始横截面积S0的百分比。l三、硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是局部塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。常用的硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）。其中以布氏硬度和洛氏硬度最为常用。三者均通过硬度试验获得。布氏硬度HB标注方法：标准：130HBS10/1000/30，简写：HB130洛氏硬度HR标注方法：标准：55HRC，简写：HRC55维氏硬度HV标注方法：标准：640HV30/20，简写：HV640四、冲击韧性与金属疲劳（动载荷）1、冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧性，简称韧性。导致冲击的因素主要有载荷或速度突然变化（惯性）。2、金属疲劳：金属材料在指定循环基数的交变载荷作用下，不产生疲劳断裂所能承受的最大应力称为疲劳强度（疲劳极限）。由于在疲劳断裂之前构件不产生明显的塑性变形，不容易引起注意，所以危险性很大，常常造成严重危害。机械零件的失效80％是由于疲劳破坏造成的。作业：一铜棒的最大拉应力为70MPa，若要承受2000kg的载荷，它的直径是多少？复习题一、填空题：1、金属的力学性能主要有_____、_____、______、和等。2、金属材料的性能包括___________性能、___________性能、___________性能和___________性能。3、________是材料抵抗变形和断裂的能力。4、________是材料产生变形而又不破坏的性能。5、金属的塑性变形会导致其提高，下降，这种现象称为加工硬化。二、单项选择题：1、金属材料表现出力学性能的是()A.导电性B.抗氧化性C.导热性D.硬度2、试件拉断前承受的最大标称拉应力称为()A.屈服强度B.抗拉强度C.塑性强度D.抗压强度3、常用金属的塑性判断依据是断后伸长率和()A.硬度B.强度C.断面收缩率D.屈服极限4、金属的韧性通常随温度降低()A.变好B.变差C.不变D.都不对5、在拉伸试验中，试样拉断前能承受的最大应力称为材料的（）A.屈服极限B.抗拉强度C.弹性极限6、洛氏硬度C标尺所用的压头是（）A.淬硬钢球B.金刚石圆锥体C.硬质合金球第二章金属和合金的晶体结构金属材料的强度、硬度、塑性和韧性等机械性能取决于材料的化学成分和内部组织结构（微观结构）。按化学成分分，金属有纯金属和合金。自然界大多数金属都呈固态。按其组成原子（分子、离子）在内部的排列情况，可分为晶体和非晶体两大类。内部原子按一定次序有规则排列的物质称为晶体；内部原子在空间无规则排列的物质称为非晶体。其中固态金属及合金均为晶体结构。2、金属的结晶绝大多数零件要么由液态金属直接浇铸成型，要么先将液态金属浇注呈金属锭，然后轧制成型再加工而成。这种金属原子的聚集状态由无规则的液态转变为规则排列的固态晶体的过程称为金属的结晶。金属的结晶过程可以用其冷却曲线来描述，如下图。由冷却曲线可见，开始时，金属的温度T随冷却时间t增加而下降，当散热液态金属的温度降低到T1时，开始结晶，由于结晶释放大量热量补偿了冷却过程中热量的散发，冷却曲线出现一个水平台阶段，此阶段恒温，金属液态与晶共存；之后结晶完成，温度随之继续下降。结晶温度实际上是一个平衡温度，是冷却散热和结晶潜热产生的动态平衡过程。过冷度是金属结晶过程自发进行的必要条件。3、合金由一种金属与另一种或几种金属、非金属熔合而成的具有金属特性的物质称为合金。例如钢、铸铁是铁与碳组成的合金；黄铜是铜与锌组成的合金。组成合金的最基本的、独立的物质单元，简称组元。它可以是纯金属和非金属的化学元素，也可以是某些稳定的化合物。例如钢是由铁（Fe）、FeC、Fe2C、Fe3C等组元组成的。由两种组元组成的合金称为二元合金，由三种组元组成的合金称为三元合金。由多种组元组成的合金称为多元合金。相同组元可按不同的比例配制呈一系列成分不同、性能不同的的合金，构成一个合金系统，简称合金系。金属或合金中化学成分相同、晶体结构相同或原子状态相同，并与其他部分之间有明确界面的独立均匀组成，称为相。如液态纯金属称为液相。结晶出的固态纯金属称为固相。复习题一、填空题：1、α—Fe是_________________立方晶格。2、合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相称为______。3、原子规则排列的物质叫___，一般固态金属都属于______。4、固态合金的相结构可分为_________和_________两大类。二、简答题：1、金属的晶粒大小对其力学性能有何影响？如何控制液态金属的结晶过程，以获得细小晶粒？三、名词解释：1、合金第三章铁碳合金相图钢、铁材料是工业生产中最为常用的金属材料。它们是以铁、碳作为基本元素的合金，包括普通碳钢、铸铁以及合金钢和合金铸铁。铁碳合金相图是人们在长期生产实践中总结和使用的一个非常重要的依据和工具。利用它，可以很好的研究在各种平衡条件下铁碳合金的成分、温度、组织结构和性能之间的关系，指导热加工生产。本章着重介绍铁碳合金基本组织相图、铁碳合金相图分析以及碳钢定义，组成成分、分类、牌号以及用途。要求：重点掌握碳钢定义，组成成分、分类、牌号以及用途。一、铁碳合金基本组织铁碳合金组成元素是铁（Fe）、碳（C），在不同的条件下，不同比例的铁碳元素可以组成由铁原子、碳原子、FeC、Fe2C、Fe3C等不同组织、不同结构的铁碳合金。一般，含碳量超过5％的铁碳合金很脆，没有实用价值。含碳量低于2.11％的铁碳合金称为碳素钢（碳钢，钢）；含碳量在2.11％～5％的铁碳合金称为铸铁（铁）。铁碳合金基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体五种。1、铁素体：碳溶于α-Fe（体心立方晶格）形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。由于α-Fe是体心立方晶格结构，铁素体的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727℃时溶碳量最大，可达0.0218％,随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在600℃时溶碳量约为0.0057％，在室温时铁素体的溶碳量几乎等于零。因此可以把铁素体看作是纯铁。铁素体的强度、硬度都很低，但具有良好的塑性和韧性。铁碳合金中铁素体含量越多，硬度越低、塑性就越好。2、奥氏体：奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体，常用符号A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。其溶碳能力较大，在727℃时溶碳为0.77％,1148℃时可溶碳2.11％。奥氏体是在大于727℃高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，强度较低，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。分辨奥氏体不锈钢刀具(常见的18－8型不锈钢）的方法之一就是用磁铁来看刀具是否具有磁性。古代铁匠打铁时烧红的铁块既处于奥氏体状态。3、渗碳体：碳在铁中的溶解能力是有限的。当碳的含量超过铁的溶解度时，多余的碳就会和铁按一定的比例进行化合，形成具有复杂晶格结构的金属化合物Fe3C，称为渗碳体。其含碳量为6.69％。渗碳体是一种具有极高硬度（800HB以上）的脆性化合物。呈斜方结构。渗碳体的数量、形态和分布对钢和铸铁的性能影响很大。渗碳体是碳在退火和正火钢中以及白口铸铁中的一般存在形式，也是共析组织珠光体的组成之一(另一为铁素体)。4、珠光体：珠光体是奥氏体(奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体)发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。用符号P表示，含碳量为0.77％。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳体也可呈粒状,这样的珠光体称为粒状珠光体。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好。5、莱氏体：莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为4.3％。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为变态莱氏体。因莱氏体的基体是