机械制造基础

机械制造基础第一篇金属工艺学绪论金属工艺学讲述有关制造金属零件的工艺方法的相关基础知识（材料和热处理）。加工方法铸造压力加工焊接热处理切削加工热加工工艺毛坯金属材料冷加工工艺零件金属材料或毛坯改善金属材料或毛坯的加工性能和力学性能第一篇金属材料导论内容金属材料的主要性能不同温度下金属材料的结构及变化金属材料的种类铁碳合金钢的热处理第一章金属材料的主要性能力学性能------重点（机械制造角度）物理性能化学性能工艺性能性能为什么要分为几类？每一类都包括哪些具体指标？具体指标是重点第一章金属材料的主要性能金属材料的力学性能：材料在力的作用下所表现出来的性能，也称机械性能。强度塑性硬度韧性疲劳强度静载荷下的力学性能动载荷下的力学性能衡量金属材料主要标志学习要求：常用的力学（机械）性能指标（名称、符号、含义、单位）学习方式：结合对概念的理解去记忆。强度和塑性测定方法：拉伸试验原理（1）试样两端缓慢施加轴向拉伸载荷。（2）载荷不断增加，试样被逐步拉长，直到拉断。（3）记录每一瞬间载荷F和伸长量，并绘制出拉伸曲线。0dDL0lFF强度和塑性拉伸曲线特性Oe阶段——弹性变形es阶段——弹性＋塑性变形s点——屈服点，出现“屈服”现象bk阶段——出现“缩颈”k点——断裂点l载荷)(F伸长量)(lOekbs)(kF)(bF)(sF)(eF204Fdll强度（名称）定义：金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。判据：屈服强度、抗拉强度。（应用场合）屈服强度拉伸试样产生屈服现象时的应力。符号、单位无明显屈服现象的金属材料，以试样产生0.2％塑性变形时的应力，作为该材料的屈服点，用表示。0.2r0()ssFMPaA屈服时最大载荷试样原始截面积单位横截面上内力强度判据抗拉强度金属材料在拉断前所能承受的最大应力，以表示。0()bbFMPaA机械零件或构件，通常不允许发生塑性变形，以屈服点作为判据。脆性材料，断裂前基本不发生塑性变形，以抗拉强度作为判据。b拉断前最大载荷试样原始截面积塑性定义：金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力，以伸长率或收缩率表示：0010005105ldld时，用或表示；时，用表示。100100%lll010100%AAA,塑性试样拉断后标距长度试样原始标距长度试样拉断后断口截面积试样原始截面积硬度定义：金属材料抵抗局部变形、压痕的能力，称为硬度。它是金属材料在静载时所表现出的机械性能。内涵：硬度是衡量金属软硬的判据。测定方法：在硬度计上测定。布氏硬度法洛氏硬度法维氏硬度法布氏硬度（HB）测试原理：（1）以直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在载荷F的静压力下，压入被测材料的表面；（2）停留若干秒后，卸去载荷；（3）测出压痕直径d，并根据d的数值查出HB值。d布氏硬度（HB）优点：硬度值较稳定，测试数据重复性好，准确度较洛氏硬度法高。缺点：测量费时，且因压痕较大，不适于成品检验，太薄太硬（450HB）的不适合。名称、符号、定义、方法、单位洛氏硬度（HR）法测试原理：（1）以顶角为120°金刚石圆锥体（或Φ1.588mm淬火球）为压头（根据材料不同情况），在规定的载荷下，垂直地压入被测金属表面；（2）卸载后依据压入深度h，由刻度盘上的指针直接指示出HR值。F优点：测试简单、迅速，压痕小，可用于成品检验。缺点：重复性较差，必须在不同部位测量数次。韧性定义：金属材料断裂前吸收的变形能量。评价指标：冲击韧度。测定方法：采用摆锤式冲击试验机测定。K2()KKAJcmA韧性原理：（1）将带缺口的标准冲击试样放在试验机上（2）用摆锤将其一次冲断（3）以试样缺口处单位截面积上所吸收的冲击功表示冲击韧度，即：2()KKAJcmA试样缺口处截面积冲断试样所消耗的冲击功疲劳强度疲劳断裂：当零件在疲劳载荷（周期性或非周期性动载荷）作用下发生断裂时，其应力往往大大低于该零件材料的强度极限，称该断裂为疲劳断裂。区别屈服、抗拉强度静载荷疲劳强度疲劳曲线：金属材料所承受的疲劳应力与其断裂前的应力循环次数的关系。疲劳极限或疲劳强度：金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力。循环次数NO应力当应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号表示。1原因：金属材料存在内部缺陷或零件局部应力集中产生裂纹。思考：1疲劳曲线的水平部分说明什么？2工业实际中，无数次循环载荷作用怎么体现？各种材料有相应的循环次数3通常的钢材是以多少次循环载荷来决定疲劳极限（疲劳强度）？107金属材料的物理、化学及工艺性能物理性能密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵袭的能力，如耐酸性、耐碱性和抗氧化性等。金属材料的物理、化学及工艺性能工艺性能是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。按工艺方法的不同，可分为铸造性、可锻性、焊接性和切削加工性等。小结本章重点是金属材料的力学性能力学性能方面各种性能（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度）的名称、定义、符号、单位拉伸曲线、硬度测试方法、疲劳曲线第二章铁碳合金定义：合金——以一种金属为基础加入其它金属或非金属，经过熔合而得到的具有金属特性的材料，称为合金。铁碳合金——以铁、碳为主要组成的合金。如钢和铸铁都是以铁为基础的铁碳合金，其中铁的含量占95％以上。第二章铁碳合金主要内容：纯铁的晶体结构及其同素异晶转变铁碳合金的基本组织铁碳合金状态图工业用钢简介零件选材原则第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶转变对金属结晶过程的了解（液态转变为固态）金属结晶过程所涉及的几个基本概念过冷、过冷度、自发晶核、非自发晶核、晶粒粗细（影响材料性能）对纯铁晶体结构的了解同素异晶的概念纯铁的晶体结构及其同素异晶转变金属结晶的基本概念定义：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，可用冷却曲线来表达。结晶温度：每种金属的固定熔点，即结晶温度t0，通常称理论结晶温度（特殊条件）。金属结晶的基本概念冷却曲线：表示金属冷却到某一温度时，冷却时间增加而温度不再下降，出现一个水平台阶，其对应温度为实际结晶温度。金属结晶的基本概念过冷：实际结晶温度低于理论结晶温度（平衡结晶温度）的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。为什么强调过冷和过冷度的概念？对金属结晶过程和晶粒的大小有重要影响。冷却速度实际结晶温度过冷度金属的结晶过程金属的结晶过程：晶核的形成＋晶核的长大晶核的形成：液态金属冷却到一定温度时，部分原子开始按一定规则排列，形成细小的晶胚，部分尺寸较大的晶胚形成继续结晶的核心（晶核晶核的成长纯铁的晶体结构及其同素异晶转变晶核的形成方式：自发晶核：液态金属原子自发形成的晶核。非自发晶核：实际结晶过程中，金属液体中的某些杂质也能成为金属结晶核心而形成晶核。如人工加入非自发晶核物质，称人工晶核。材料中形成的晶核数量越多（原子数量一定）则结晶后的晶粒越细小。金属的结晶过程晶核的长大：晶核在冷却过程中不断集结液体中的原于而逐渐长大，同时新的晶核也不断形成和长大，直至由晶核长大形成的晶粒彼此接近，液态金属逐渐消失而完成结晶。结晶过程示意图纯铁的晶体结构及其同素异晶转变晶核长大的实质：液体原子向固态晶核表面集结迁移，形成晶粒。结晶过程示意图纯铁的晶体结构及其同素异晶转变晶粒的大小及其控制晶粒大好？小好？晶粒小、晶界多且方向各异、塑性变形阻力大、机械性能增高（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度）纯铁的晶体结构及其同素异晶转变晶粒的大小取决于：晶核形成的多少单位时间内晶核的形成多，晶粒数量多，最终形成许多细小的晶粒。晶核的成长速度速度越快，晶粒越粗。过冷度增加，形核率与成长率增加，但形核率远大于成长率，晶粒细。关注“过冷度”的原因是由于其与晶粒的大小相关，而晶粒大小又与材料的强度、硬度等机械性能相关。晶粒越小，晶粒之间晶界的强度越高，材料的力学越高，所以晶粒越小越好。哪些因素会影响晶粒的大小？晶粒的大小及其控制细化晶粒的方法加快冷却速度冷却速度愈大，过冷度越大，晶核形成速度大于晶核的成长速度，晶粒细小。变质处理在液态金属内加入某种难熔杂质，直接形成晶核，或使晶核加速形成，晶核数量增加，细化晶粒。促使结晶时液态金属流动电磁搅拌、机械振动和离心浇注等，液态金属流动加快，晶核形成率提高，生长的晶体破坏，晶粒细化。用细化晶粒强化金属的方法，称为细晶强化．思考：1晶粒大小对材料性能有何影响？晶粒大好还是晶粒小好？2在结晶过程中哪些因素能带来小晶粒？3这些因素与过冷度有何关系？纯铁的晶体结构及其同素异晶转变纯铁的晶体结构晶体与非晶体晶体是由原子按一定规则排列，如金属及其合金及大多数矿物。非晶体的原子排列较不规则，如玻璃。纯铁的晶体结构及其同素异晶转变晶格、晶胞和晶格常数晶格：假设将原子抽象为一个结点，用假想的直线连接结点，形成空间格架。晶胞：把晶格中具有空间排列特征的最小几何单元纯铁的晶体结构及其同素异晶转变晶格常数：晶胞三个棱边的长度称为晶格常数，用a、b、c表示，棱边之间的夹角用来表示。、、常见金属的晶格类型体心立方——立方体8个顶角和立方体中心各有1个原子，晶胞实有原子数为2个，致密度68％。面心立方——8个顶角和6个面的中心都各有1个原子，晶胞实有原子数为4个，致密度74％有什么意义？同样材料有不同结构，密度不同，结构转化时有体积变化。纯铁的晶体结构及其同素异晶转变纯铁的同素异晶转变定义：随着温度的改变，固态金属晶格由一种转变为另一种晶格的变化。晶体结构——改变结晶过程温度——不变纯铁的同素异晶转变纯铁的同素异晶转变纯铁冷却曲线（三个平台）1538℃，纯铁由液态到固态的结晶阶段，体心立方晶格，－铁1394℃，晶格转变为面向立方晶格，－铁912℃，晶格再次转变为体心立方晶格，－铁纯铁的同素异晶转变FeFeC912铁的同素异晶转变------固态下原子重新排列的过程（重结晶）实质：遵循晶核形成和长大的结晶过程，为了区别由液态转变为固态的初次结晶，将同素异晶转变称作二次结晶或重结晶（固态下的转变）。实验中发现温度变化过程中，体积发生改变，进而研究内部分子结构变化，发现金属的同素异晶转变。铁的同素异晶转变------固态下原子重新排列的过程与结晶（液态下进行）的区别：同素异晶转变时，其新相的晶核在特定的晶面上形成。固态转变比结晶转变具有较大的过冷倾向。后者低于20度，前者达几百度。同素异晶转变易于造成较大的内应力（晶体结构不同，引起密度变化，引起体积变化）。小结过冷的概念及对材料性能的影响结晶过程晶粒的概念及其大小对材料性能的影响细化晶粒的方法铁的同素异构转变的概念及其特点铁碳合金的基本组织概念较多基本脉络：铁碳合金的组织分为三类：固溶体、金属化合物、机械混合物每一类又分为若干的“体”铁碳合金的基本组织合金的基本概念合金——两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质，称为合金。如铁和碳组成的铁碳合金有碳素钢、铸铁等；铜和锌组成的合金有黄铜等。铁碳合金的基本组织合金的基本概念组元——组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称作组元。合金中的稳定化合物（如Fe3C）也可称作组元。相——在合金中，凡化学成分和晶格构造相同、并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。铁碳合金的基本组织——合金的基本概念同种金属的同素异构体之间属同一种相吗？合金中由成分、结构相同的同一种晶粒组成的多晶体组织，虽然晶粒间有界面，仍为同一种相。（区分界面的概念，多晶体有许多晶粒，每个晶粒的化学成分、内部晶体结构相同）铁碳合金的基本组织合金的基本