工程材料及热处理-ppt

工程材料及热处理课程的重要地位与作用进入21世纪，能源、信息和新材料已成为现代科学技术和现代文明的三大支柱．而新材料又是最重要的基础。历史证明，每一次重大新技术的发现．往往都依赖于新材料的发展。材料的种类、数量和质量已是衡量一个国家科学技术、国民经济水平以及社会文明的重要标志之一。我国把新材料的研究开发放在了优先发展的地位。工程材料与成型技术是机械制造过程的重要部分。使学生建立生产过程的基本知识，了解新材料，掌握现代制造工艺和方法，培养工程素质、实践能力和创新设计能力。常用工程材料齿轮螺栓优质碳素结构钢的应用30—55钢：强度较高，有一定的塑性和韧度，经热处理后，用于齿轮、轴、螺栓等重要零件。锉刀碳素工具钢量规钻头钻头曲轴弹簧优质碳素结构钢65—85钢：有较高的强度、硬度和弹性，塑性和韧性较低，常用于弹簧和耐磨零件。拨叉变速齿轮合金渗碳钢20Cr、20MnTi、20Cr2Ni4：有较高的韧度，经热处理后表面硬而耐磨，用于受冲击载荷的重要零件。40Cr、40CrMn、38CrMnAl：有较高的综合力学性能，用于受力复杂的重要零件。汽车万向节连杆合金调质钢合金弹簧钢55Si2Mn、60Si2Mn：具有高屈强比，高疲劳强度，高弹性极限和韧性，用于弹簧等零件。滚珠滚珠轴承滚珠轴承钢铣刀合金刃具钢模具合金模具钢螺纹规游标卡尺千分尺量具用钢燃气轮机耐热钢破碎机颚板履带铁轨分道叉挖掘机斗齿耐磨钢重型机械齿轮铸钢特点与应用：由于铸造特性，一般用于制造形状复杂，难以切削加工、尺寸大，难以锻造加工的重要零件，如：大型齿轮、缸体、变速箱机架等。PE管材聚丙烯制成电容器外皮聚丙烯管子摩托车挡泥板橡胶弹性好，绝缘性好，耐磨损，耐化学腐蚀，耐放射性。主要用于弹性材料、密封材料、减振材料、传动材料。人工合成矿物主要有刚玉和石英。o把钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷）用途：铸、锻、焊毛坯的预备热处理，以改善毛坯机械加工性能，去除内应力；性能要求不高的机械零件的最终热处理。正火(空冷)退火(炉冷)回火加热保温淬火时间温度普通热处理退火(Annealing)把钢加热到相变温度以上的某一温度，使钢呈奥氏体状态，然后快速冷至室温（油冷或水冷），从而获得马氏体组织提高钢的硬度和耐磨性。正火(空冷)退火(炉冷)回火加热保温淬火时间温度调质：淬火+高温回火。适用于各种重要的零件。淬火(Quenching)正火(空冷)退火(炉冷)回火加热保温淬火时间温度将淬火后的工件加热至低于相变点某一温度，保持一段时间，然后冷却，使组织成为较稳定的状态。硬度下降，但韧性有较大改善。淬火和回火必须配合使用调质：淬火+高温回火。适用于各种重要的零件。（3）淬火(Quenching)（4）回火(Tempering)在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强化零件表面表面热处理表面淬火一、学习方法—大学自学为主，主要靠自学.注意听好课，课前预习，课后复习；注意观察和了解平时接触到的机械装置。二、学习态度--积极进取、掌握主动.主动完成一定量的作业和思考题（不仅是老师布置的）。三、学习内容--夯实基础、学好专业、加大知识面四、相信自己、挖掘潜能--什么都有可能因为有难度，所以更应引起我们的重视。世上无难事，只怕有心人。学习方法和要求本课程的主要内容(三部分)一、材料科学基础理论材料性能、材料结构与结晶、铁碳合金及相图、塑性变形二、热处理理论与实践热处理原理、工艺、设备及基本操作三、常用的工程材料金属材料、高分子材料、陶瓷材料第一章绪论1-1材料科学的发展与工程材料材料是人类生产和社会发展的重要物质基础，也是日常生活中不可分割的一个组成部分。自从地球上有了人类至今，材料的利用和发展构成了人类文明发展史的里程碑：人类最早使用的工具是石头（石器时代）；原始社会末期开始用火烧制陶器，由此发展为以后的瓷器（中国古代文化的象征），随后发展起来的青铜冶炼技术把人类带入青铜器时代；青铜器过渡到铁器（时代）生产工具大发展—人类进入农业社会。18世纪世界工业迅速发展（钢铁工业迅猛发展），造就了工业社会文明。1863年光学显微镜问世，使人们开始步入材料的微观世界。1912年X射线衍射技术和1932年电子显微分析技术及后来出现的各种先进的显微分析技术，把人们带到了微观世界的更深层次。人们开始了对晶体微观结构的研究，大大推动了材料学的研究与发展。新材料更是层出不穷，出现了功能材料、高分子材料、半导体材料、陶瓷材料、复合材料、人工合成材料、纳米材料。按使用范围材料可分为：工程材料和功能材料工程材料的种类：1．金属材料金属材料是用量最大、用途最广的机械工程材料。它包含两大类型；黑色金属和有色金属。(1)黑色金属黑色金属是指铁和以铁为基的合金，即钢铁材料，它占金属材料总量的95％以上。由于钢铁材料力学性能优良和低廉的价格，所以在工程材料中一直占据着不可替代的主导地位。有一组数据可以说明这一点。新中国的钢产量从1949年的几十万吨起步，产量每增加5千万吨/年上一个台阶：第一次用了37年，第二次用了10年，第三次用了5年，第四次仅用了2年（2003年产量达到2.2亿吨，04年达到2.7亿吨——生铁2.5亿吨，钢材2.9亿吨）。五次1年（05年达3.5亿吨）。(2)有色金属除铁基合金之外的所有金属及其合金材料。它可分为轻金属(如铝、镁、钛)，重金属(如铅、锡)，贵金属(如金、银、镍、铂)和稀有金属（钨、钼、锂、铌、镓、铟）等，其中以铝、铜及其合金用途最广。2．非金属材料非金属材料主要包括：高分子材料和无机非金属材料和复合材料。(1)高分子材料高分子材料又称聚合物材料，主要成分为碳和氢。按其用途和使用状态又分为橡胶、塑料、合成纤维和胶粘剂等几大类型。(2)无机非金属材料主要指：水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料等。3．复合材料复合材料是把两种或两种以上的不同性质或不同组织结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而构成的。它不仅保留了组成材料各自的优点，而且具有单一材料所没有的优异性能。复合材料通常分为三大类：树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。1.定义：热处理：将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。2.发展从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770至前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。1-2热处理公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑，心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。1850～1880年，对于应用各种气体（诸如氢气、煤气、一氧化碳等）进行保护加热曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。二十世纪以来金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。第二章材料的性能材料的主要性能是指:（3）化学性能（2）物理性能（1）力学性能1.使用性能｛2.工艺性能：加工成形的性能2.1材料的力学性能材料的力学性能工程材料制成的机械零部件在使用过程中要受到各种形式的力，材料在这些力的作用下所表现出的特性。包括：强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳性和耐磨性等。材料的力学性能不仅取决于材料本身的化学成分，而且还和材料的微观组织结构有关。材料的力学性能是衡量工程材料性能优劣的主要指标，也是机械设计人员在设计过程中选用材料的主要依据。材料的力学性能可以从设计手册中查到，也可以用力学性能试验方法获得。了解材料力学性能的测试条件、实验方法和性能指标的意义将有助于了解工程材料的本性。2.1.1强度与塑性材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。根据外力的作用方式，材料的强度分为抗拉强度，抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材料的塑性。材料的强度和塑性是材料最重要的力学性能指标之一，它可以通过拉伸试验获得、一次完整的拉伸试验记录还可以获得许多其他有关该材料性能的有用数据，如材料的弹性、屈服极限和材料破坏所需的功等。所以拉伸试验是材料性能试验中最为常用的一种试验方法。单向拉伸试验及拉伸曲线拉伸试样L0=10d0，L0=5d0弹性屈服强化局部变形断裂低碳钢试样拉伸时的各阶段特征在拉伸过程中，拉伸试验机上的自动记录系统同时绘制出拉伸过程中的应力一应变曲线图，也称为σ(sigma)-ε(epsilon)曲线。图的纵坐标为应力σ(单位为Pa)，横坐标为应变ε(％)，σ和ε的定义可表示如下：SF001LLL式中F—轴向拉力(N)；S—试样的横截面积(m2)式中L0--试样标距长度(mm)；L1--试样变形过程中和F对应的总伸长(mm)。σ-ε图显示了材料在单向拉应力作用下，从开始变形直至断裂整个过程中的各种性质，它一般可以分为三个阶段：1．弹性变形阶段(O-a)在这个阶段，材料内部的原子之间距离只发生弹性伸长，所以应力与应变呈直线关系，遵从虎克定律，此时如果卸掉载荷，试样就能恢复到原来的长度。2．塑性变形阶段(b-d)此时，σ与ε的关系偏离直线关系。在dc段，应力几乎不变，但应变却不断增大。超过c点之后，因材料发生加工硬化，若要试样继续变形就必须加大载荷，当应力达到最大值(c点)后，试样的某一部分截面急剧缩小，产生“缩颈”现象。在塑性变形阶段即使卸掉载荷，试样也不能恢复到原来的长度。3、断裂(e点)在E点以后，试样的变形主要集中在缩颈部分，最终导致试样在缩颈处发生断裂。拉伸曲线所显示出的材料本性主要是由于材料内部微观结构的变化引起的，所以不同的材料在拉伸过程中会出现不同形式的σ-ε曲线。拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义根据σ-ε曲线可以计算出材料的强度、塑性等力学性能指标。1．弹性模量E2．屈服点σS3．抗拉强度(强度极限)σb4.伸长率δ5．断面收缩率ψ(psi)1.弹性模量（刚度）EεσE式中σ—应力；ε—应变。弹性模量E值表征材料产生弹性变形的难易程度。金属的弹性模量是一个对组织不敏感的参数，其大小主要取决于金属的本性，而与显微组织无关。因此，热处理、合金化、冷热变形等对它的影响很小。要想提高金属制品的刚度，只能更换金属材料、改变金属制品的结构形式或增加截面面积。2．屈服点σS在拉伸过程中，载荷不增加而应变仍在增大的现象称为屈服。拉伸曲线上与此相对应的B点应力σS，称为材料的屈服点。对于在拉伸过程中屈服现象不明显的材料，规定以残余变形量为0.2％时的应力值作为它的条件屈